Станислав Горобченко
Полимерные седла поворотной арматуры. Современные подходы к выбору и изготовлению

Введение

В свое время широкое распространение шаровые краны получили именно благодаря созданию полимерных седел, способных удерживать высокие давления и температуры и обеспечивать требуемую герметичность. Это произошло в 30-е годы 20-го века, когда был изобретен тефлон. С его широким распространением начали производиться в большом количестве и шаровые краны с мягкими уплотнениями.

Сегодня шаровые краны и дисковые затворы с полимерными уплотнениями нашли свою нишу и успешно конкурируют с поворотной арматурой с эластомерными уплотнениями и уплотнениями металл по металлу. Многие компании научились производить уплотнения как самостоятельно, так и используют уплотнения, производимые специализированными компаниями. Количество марок полимеров, особенно на основе фторопластов, каждый год прибавляется. Они обеспечивают работу арматуры в разных условиях эксплуатации, и для этого в них формируют специфический подбор механических и антикоррозионных свойств и других свойств в зависимости от требований заказчика.

Современный подход к выбору и изготовлению уплотнений и седел шаровых кранов и дисковых затворов, а также другой поворотной арматуры предполагает хорошее знание материалов, типов затворов арматуры, технологий изготовления и проблем, которые могут возникнуть в связи с неправильным выбором оптимального типа материала седла, отсутствием соответствующих нагрузок расчетов, отклонений качества уплотнения в связи с несовершенством технологии.

Большую роль в развитии использования полимерных седел начинают играть 3D-технологии моделирования и изготовления уплотнений методами 3D-печати. Особенно важно представить именно эту технологию, поскольку традиционные виды технологии, такие как изготовление методами механической обработки из трубной заготовки, спекание на горячих прессах, литье на термопластавтоматах имеют значительные ограничения как капиталоемкости такого производства, рассчитанного в целом на высокую серийность и массовость потребления, по срокам изготовления, трудоемкости технологической подготовке производства и использованию ограниченного ассортимента уплотнений достаточно простых форм.

Роль новых видов изготовления уплотнений возрастает с ростом используемых номинальных диаметров поворотной арматуры. Уже сейчас средние диаметры на многих непрерывных крупнотоннажных производствах превышают DN300-500мм. Размеры в 1500 мм уже не являются редкостью, а некоторые виды шаровых кранов уже работают на диаметре 1640мм. Для дисковых затворов такие размеры только самое начало. На крупных металлургических производствах можно встретит поворотные дисковые затворы диаметров и 2000 и даже 4000 мм. Здесь традиционная технология изготовления полимерных уплотнений и седел начинает сдавать свои позиции.

Рис.1.1. Уплотнения шарового крана DN 800мм, Констафтор 300С [1]

Проблема применения пластмасс охватывает ряд вопросов от выбора материала, типа конструкции, выбора способа изготовления, оборудования, разработки технологии изготовления, испытания, расчета экономической эффективности. Подход к выбору применения пластмасс в уплотнениях и седлах арматуры должен быть системным, охватывающим все этапы от выбора пластмасс до изготовления уплотнений.

Выбор пластмасс основывается на знании эксплуатационных, определяющих работоспособность пластмасс в условиях эксплуатации в арматуре, и технологических свойств, определяющих поведение пластмасс при переработке различными методами. Для рационального выбора важна систематизация условий эксплуатации требований к эксплуатационным свойствам пластмасс в уплотнениях. Процедуру выбора пластмасс облегчает анализ основных свойств различных, уже применяющихся пластмасс, их преимуществ и ограничений по применению, а также классификация пластмасс по эксплуатационному назначению с рекомендациями по их рациональному применению. При подборе должны учитываться методы переработки, условия подготовки к переработке и формованию.

Рациональный подбор основывается на знании марочного ассортимента полимеров и анализе тенденций изменения их свойств при создании композиционных материалов. В курсе приводятся основные данные, необходимые для выбора материала для уплотнений. Большое внимание мы уделим перспективным технологиям и разработке новых видов конструктивных решений на основе понимания законов развития технических систем.

Задачей, поставленной в представленном материале является:

– предоставить обзор современных конструкций затворов и используемых материалов;

– показать направления развития технологий применения и изготовления полимерных уплотнений поворотной арматуры;

– представить новые решения на основе моделирования на основе методов МКЭ в программной оболочке ANSYS;

– дать представление о возможностях 3D-печати в области создания новых типов уплотнений.

Раздел 1. Обзор применяемых затворов

1.1. Затворы шаровых кранов и клапанов

Шаровые краны могут иметь плавающий шар и шар в опорах (с фиксированной осью). Уплотнение затвора в кранах с плавающим шаром происходит путем самоуплотнения, так как шар под действием давления рабочей среды прижимается к седлу. Такие конструкции для управления требуют больших крутящих моментов, а, следовательно, приводов большой мощности.

В кранах больших размеров, например, в магистральных шаровых кранах, предпочтительны конструкции с шаром в опорах. При этом шар с двумя цапфами поворачивается вокруг фиксированной оси, образованной двумя цапфами, а уплотнение осуществляется подвижными седлами, поджимаемыми к шару пружинами, расположенными по окружности седла, или резиновым поджимным кольцом, Уплотнительные кольца, установленные на седле, могут изготовляться из резины, фторопласта, капролона, фторопласта с наполнителями, полиуретана, терморасширенного графита или бронзы. Высокие эксплуатационные качества показали

уплотнительные кольца из резины, марка которой подбирается в зависимости от условий эксплуатации крана.

Непременным условием работоспособности резиновых колец является высокая твердость резины. Хорошо зарекомендовали себя резиновые уплотнительные кольца, покрытые фторопластовой пленкой.

Для уплотнительных колец и уплотнений по штоку используется чистый или наполненный фторопласт, как химически стойкий, так и обладающий низким коэффициентом трения (менее 0,1). Однако фторопласт теряет свои свойства при температурах выше 100°С, а при температуре 230°С его стойкость падает до 0⁰С. Это вынудило использовать графики зависимости рабочего давления от температуры для мягких уплотнений кранов. Указанная зависимость для чистого фторопласта регламентирована BS 5351 (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Зависимость рабочего давления в шаровых кранах с уплотнениями

из чистого фторопласта от температуры: А – 2”; B – 3“; C – 6”… 8”; D – 10”… 8”

Нейлоны, полиэстер кетоны (РЕЕК), флубон и другие модификации фторопласта, графитовые уплотнения, обычно терморасширенный графит, используются для повышения стойкости при высоких давлениях и температурах.

В табл. 1.1 приведены конструкции подвижных седел шаровых кранов с пробкой в опорах.

Таблица 1.1. Конструкции подвижных седел шаровых кранов с шаром на опорах

В связи с повышенными усилиями, действующими на седлах шаровых кранов больших диаметров прохода, и значительным износом уплотнительных поверхностей под действием этих усилий в некоторых конструкциях предусматривается автоматический отжим уплотнительных колец давлением рабочей среды (газом в газовых магистральных кранах) перед поворотом шара и подача густой смазки в затвор. Эти действия выполняются автоматически, что предусмотрено системой управления краном, имеющей сложную схему и включающей соответствующие блоки управления, электромагнитные клапаны и другие элементы.

Подвижные седла, снабженные уплотнительными кольцами, расположены в цилиндрических расточках корпуса крана.

Для больших перепадов давления, особенно в шаровых кранах, работающих в режиме дросселирования, применяются многослойные уплотнения, состоящие из чередующихся колец, изготовленных из металла и терморасширенного графита (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Многослойное уплотнение шарового крана

Получая возможность расширяться, проходя через входное сечение, или сжиматься на выходе, поток испытывает пульсации давления, следуя мимо слоев металла и графита. Процесс аналогичен происходящему в многоступенчатом редукционном клапане, в данном случае каждый слой графита воспринимает только частичную нагрузку от общего перепада давления.

Многослойная конструкция уплотнительных колец металл – графит позволяет эксплуатировать шаровые краны при температурах 400…600 °С.

1.2. Уплотнения дисковых затворов

Наиболее распространенными конструкциями этой арматуры являются дисковые затворы с дисками, расположенными соосно с осями трубопроводов и приводных валов. В этих затворах устанавливаются вкладыши из синтетического каучука, которые защищают материал корпусов от коррозии и выполняют функции обеспечения герметичности в основных седлах и уплотнениях валов. Марка синтетического каучука для вкладышей выбирается в зависимости от рабочей среды и ее параметров. В качестве примера на рис. 1.4 показана конструкция дискового затвора Санкт-петербургской фирмы «Арматэк».

а)

б)

Рис. 1.4. Дисковый затвор с эластичным вкладышем

а) – общий чертеж

б) – общий вид и отдельные элементы конструкции

В дисковых затворах с эксцентрично расположенными дисками без эластичных вкладышей валы или цапфы размещаются в области, определяемой перпендикулярами к образующей уплотнительного конуса, восстановленными из точки, расположенной у входа в уплотнительный конус длинной стороны диска (наружной образующей конуса уплотнения большего диаметра), и на меньшем диаметре конуса, аналогично показанной для обратных затворов.

Уплотнения могут выполняться без эластомерных элементов (металл по металлу), с кольцами, установленными в седлах (рис. 1.5) или на дисках (рис. 1.6). Применяются кольца как круглого, так и некруглого сечения.

Рис. 1.5. Эластомерное кольцо, установленное в седле

Рис. 1.6. Эластомерное кольцо, установленное на диске

Перспективными показали себя многослойные уплотнения, устанавливаемые в корпусе (рис. 1.7) или в диске (рис. 1.8). В уплотнительных пакетах поочередно устанавливаются кольца из металла и мягкого уплотнительного материала, для использования на высокотемпературных средах и для пожаробезопасной арматуры применяется терморасширенный графит.

Рис. 1.7. Уплотнение, установленное в корпусе (фирма Samson):

Рис. 1.8. Уплотнение, установленное в диске

Запирающие элементы

Запирающие элементы служат для герметичного перекрытия отверстий в седлах корпусов запорной арматуры. К запирающим элементам относятся золотники и тарелки в клапанах, диски и клинья в задвижках, пробки, в т.ч. шары, в кранах, диски в запорных и обратных поворотных затворах. Форма и размеры запирающих элементов определяются конструкцией и размерами арматуры.

Простую форму имеют запирающие элементы клапанов, они представляют собой диски с элементами присоединения к штоку. В некоторых конструкциях клапанов малого диаметра роль запирающего элемента выполняет нижняя конусная часть шпинделя или штока. Наиболее сложную конструкцию имеют клинья задвижек большого диаметра.

На запирающем элементе должны быть предусмотрены четыре следующие основные устройства: пластина для перекрытия прохода в седле, уплотнительные поверхности для герметизации, присоединение к шпинделю или штоку и направляющие устройства для направления в корпусе или по крышке. В некоторых конструкциях арматуры последнее может отсутствовать, например, в клапанах малых размеров, кранах, заслонках, мембранных клапанах и шланговых задвижках.

Направление золотника (тарелки) может быть нижним – «перья» золотника направляются в отверстии седла, или верхним – тело золотника направляется в расточке корпуса или крышки. В запирающих элементах задвижек предусматриваются пазы или гребни, которые направляются соответствующими выступами или пазами в корпусе. Пробка конусного или цилиндрического крана направляется в корпусе своей рабочей поверхностью. В шаровом кране шар может быть плавающим – при малых DN, или в опорах – при больших. В последнем случае шар направляется своими цапфами, расположенными в подшипниках корпуса и крышки. В затворах диски закреплены на валу, и этим определяется их расположение в корпусе.

Уплотнительные поверхности на запирающих элементах могут выполняться без вставных колец – из материала детали, – со вставными кольцами и с наплавленной кольцевой поверхностью.

Вставные уплотнительные кольца могут изготавливаться из латуни, бронзы, никелевых сплавов, коррозионностойкой стали, резины, фторопласта, полимеров или кожи. Материал уплотнительных колец выбирается в зависимости от физических и химических (коррозионных) свойств рабочей среды и ее энергетических параметров (давление, температура).

На запирающий элемент действуют перестановочное усилие, создаваемое шпинделем или штоком (с учетом силы герметизации), и давление рабочей среды, что должно быть учтено при расчете на прочность. В связи с большими усилиями в задвижках с большими диаметрами прохода и дисковых затворах предусматривают ребра жесткости и упрочняющий обод по окружности диска.

Ресурс арматуры часто определяется ресурсом запирающего элемента, поскольку он в большинстве случаев работает в наиболее сложных условиях: целиком погружен в рабочую среду, подвергается коррозии, его уплотнительные поверхности изнашиваются. В особо сложных условиях работают запирающие элементы энергетической дроссельной арматуры, которые подвергаются интенсивному эрозионному и кавитационному изнашиванию, что приводит к ускоренному выходу из строя. Для повышения срока службы рабочие поверхности на них наплавляются сплавами повышенной стойкости.

Применяются различные конструкторские решения – многокаскадное дросселирование, дробление струи для гашения энергии (перфорированные или клеточные рабочие органы).

Раздел 2. Материалы для изготовления уплотнений

2.1. Кратко о полимерах

Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев – мономеров одинаковой структуры. Их молекулярная масса может составлять от 5000 до 1000000 ед. Полимеры состоят из цепочек из отдельных звеньев, что задает гибкость, но она ограничена размерами элементов и жесткостью звеньев.

Сцепление полимеров обеспечивается степенью жесткости связей. Так, основные атомные цепи обладают жесткой ковалентной связью, с энергией связи до 330 кДж/моль. Межмолекулярные цепи по своей физической природе обладают водородной связью на основе притяжения молекул водорода и когезии. Энергия связи составляет от 5 до 40 КДж/моль.

Полимеры построены из одинаковых по структуре звеньев. Сополимеры состоят из разнородных звеньев. Одним из свойств полимерной структуры является стереорегулярность – это свойство правильного расположения звеньев в пространстве. Это свойство определяет повышенные свойства полимеров.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимеры делятся:

1. по составу

2. по форме макромолекул

3. по фазовому состоянию

4. по полярности

5. по отношению к нагреву.

По составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры наиболее используемы, их основная цепь образована углеродными атомами (карбоцепные полимеры). В гетерогенных полимерах связь образована кислородом, фосфором и хлором. Кислород придает связи гибкость, фосфор и хлор – огнестойкость, сера – газонепроницаемость, фтор – химическую стойкость

Элементоорганические полимеры – это полимеры, основная цепь которых образована атомами кремния, титана, алюминия с группами СН₃, СН₆, СН₂. Металлы придают полимеру теплостойкость как карбонильные группы – эластичность. В основном используются кремнийорганические полимеры.

Неорганические полимеры – это силикатные стекла, керамика, слюда, асбест и др. Их основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др. Внутриатомная связь – ковалентная, цепи между собой образуют ионную связь. Этот вид полимеров обладает высокой плотностью, длительной теплостойкостью, но и высокой хрупкостью. Характерный представитель – силикаты.

Смешанные полимеры – это класс композитов. Характерный представитель – стеклопластик.

По форме линейные полимеры делятся на линейные, разветвленные, плоские, ленточные (лестничные) и пространственные (сетчатые). Виды полимеров по форме приведены ниже, рис.2.1.

Рис. 2.1. Формы линейных полимеров

Линейные полимеры образуют прочную связь вдоль цепи и имеют слабую межмолекулярную связь. Это придает им высокую эластичность, способность размягчаться и затвердевать. Характерный представитель – полиамиды. Виды

Лестничные полимеры имеют более жесткую цепь, что придает им свойство повышенной теплостойкости, жесткости и малой растворимости.

Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул. Они не плавятся и не растворяются, обладают высокой упругостью. Делятся на редкосетчатые – имеющие высокую упругость (мягкие резины), густосетчатые, имеющие высокую твердость и теплостойкость. К ним относятся большинство конструкционных пластиков. К паркетным полимерам относится графит.

По фазовому состоянию полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Для кристаллических полимеров характерно появление надмолекулярных структур.

Аморфные полимеры однофазны, собраны из цепных молекул в пачки, которые состоят из многих рядов макромолекул. Они способны перемещаться.

Глобулы – это свернутые в клубки цепи, они имеют невысокие свойства, для них характерна хрупкость по границам зерен из-за недостаточной связи.

Кристаллические полимеры образуются из гибких регулярных структур при фазовом переходе внутри пачки и формируют пространственные решетки кристаллов.

Образование кристаллической структуры происходит следующим образом:

1. складывание гибких пачек в ленты

2. соединение лент друг с другом с образованием пластин

3. наслоение пластин друга на друга с образованием правильных структур.

Рис. 2.2. Образование полимера полистирола из мономера

Сферолиты образуются при затрудненном образовании объемных кристаллов из меньших структур. Происходит чередование кристалличных и аморфных участков в виде лучей.

Рис. 2.3. Сферолиты с образованием из пластин. Масштаб – несколько мкм.

Свойствами кристаллических структур являются организованность, термодинамическая стабильность, большое время жизни без нагрузки.

Обычно в полимерах встречается двухфазная структура. Кристалличность придает ей жесткость, твердость и теплостойкость. Однако, надмолекулярные структуры при длительном хранении, эксплуатации или переработке подвержены изменениям и распаду.

По полярности полимеры делятся по наличию диполей центров распределения положительного или отрицательного зарядов. Условиями образования полярности являются:

1. наличие полярных связей (-Cl, – F, +OH)

2. несимметрия в структуре по силе связей: C-H < C-N < C-O < C-F< C-Cl.

Неполярные полимеры, как правило, углеводороды, являются диэлектриками и обладают морозостойкостью. Полярные полимеры обладают жесткостью, теплостойкость, но низкой морозостойкостью.

По отношению к нагреву полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры размягчаются при нагреве, плавятся и затвердевают обратимо. Они имеют линейную или разветвленную структуру.

Термореактивные полимеры сначала линейны и размягчаются. Затвердевают из-за химических реакций с образованием пространственной структуры и остаются твердыми в термостабильном состоянии.

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Особенности полимерных материалов

1. неспособность переходить в газовую фазу из-за высокой молекулярной массы

2. полидисперсность – она определяет значительный разброс механических свойств

3. зависимость от структуры и эксплуатационных условий.

Полимеры могут находиться в нескольких основных состояниях:

Стеклообразное – это твердое, аморфное состояние, где колебания атомов происходят без колебания цепей.

Высокоэластичное – обратимое изменение формы при небольших нагрузках, происходит из-за изгиба макромолекул

Вязкотекучее – жидкое состояние с высокой вязкостью, при котором подвижна вся макромолекула. Состояние вязкотекучести определяется по термомеханическим кривым.

Для пространственных полимеров характерно стеклообразное состояние. Для редкосетчатых полимеров характерно стеклообразное и высокоэластичное в вязкотекучем состоянии. Характерным является область упругих деформаций и после превышения предела вынужденной эластичности. При небольших напряжениях происходит перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентация в направлении действующей силы. Так, в резинах узлы сетки препятствуют перемещению полимерных цепей. Происходит переход в высокоэластичное состояние до химического разложения без вязкотекучести.

Кристаллические полимеры тверды до температуры кристаллизации, но имеют разную жесткость из-за наличия аморфных участков.

Полимеры с плотной сетчатой структурой имеют характеристики кривой деформация – растяжение, соответствующее упругим деформациям с небольшими значениями. Высокоэластичная деформация практически отсутствует. Кристаллические полимеры имеют зоны упругой деформации с образованием шейки разрыва на образце, участок значительной деформации за счет распространения шейки на всю длину образца и участок разрыва.

Для полимеров характерно т.н. ориентационное упрочнение, когда при медленном растяжении в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии макромолекулы и надмолекулярная структура ориентируется в силовом поле. При этом усиливается межмолекулярное взаимодействие, повышается температура стеклования, уменьшается температура перехода к хрупкости и повышается прочность. Появляется анизотропность вплоть до расслоения. Прочность может увеличиваться в 2-5 раз в продольном направлении и снижаться на 30-50% в поперечном. Модуль упругости возрастает в 2 раза. Кристаллические участки в полимере улучшают свою структуру с повышением прочности, тогда как аморфные участки дезориентируются.

Релаксационные свойства полимеров – это свойства, зависящие от времени, действия и скорости приложения нагрузки из-за раскручивания и распрямления цепей и перемещения макромолекул. Скорость релаксации составляет до 10 -4 и может продолжаться сутками и месяцами. Релаксационную способность полимеров определяют по релаксации напряжений при неизменном удлинении.

В линейных полимерах релаксация связана с перемещением макромолекул относительно друг друга до снижения внешнего напряжения до нуля. В сетчатых полимерах релаксация чаще всего не происходит до определенного момента, когда нет нарушений связей, и полимер продолжает удерживать приложенное напряжение.

Полимеры склонны к ползучести, когда при снятии нагрузки остается пластическая деформация. У сетчатых полимеров происходит релаксация напряжений до нуля без образования деформационных участков.

Долговечность полимера определяется силой энергии связи в цепи, состоянием структуры, приложенным напряжением и температурой. При повышении приложенного напряжения и температуре долговечность падает и эта зависимость сильнее, чем у металлов.

Старение полимеров – это самопроизвольное необратимое уменьшение технических характеристик со временем. Причиной являются воздействие света, теплоты, кислорода, озона, многократные деформации и влага. Для определения способности противостоять старению проводят испытания: естественное в атмосфере, тепловое при Т<Тпл на 50⁰С до 50% снижения характеристик.

Причиной старения является образование сложных радикалов с деструкцией полимера из-за окисления кислородом или структурирование. Деструкция приводит к размягчению, выделению летучих веществ (каучук). Структурирование, напротив, приводит к увеличению твердости, хрупкости, потери эластичности (полистирол). Тепловое старение наблюдается при температурах 200-500⁰С и выше с образованием газовой фазы из-за разложения компонентов во всем объеме.

Термостабильны полиэтилен, полифенолы. Они обладают высокой теплотой полимеризации или высокой степенью полярности, как фторполимеры. Устранение склонности к старению достигается добавкой органических стабилизаторов и антиоксидантов (амины, фенолы). Это приводит к значительному увеличению срока службы. Так, для полиэтилена, стабилизированного сажей, можно увеличить срок службы более 5 лет, поливинилхлорида до 10-25 лет.

Радиационная стойкость – способность противостоять ионизации и возбуждению, из-за которых происходит разрыв связей и образование свободных радикалов. Основными вредными проявлениями являются сшивание цепей или деструкция. При сшивании увеличивается молекулярная масса, повышается теплостойкость и механические свойства.

При деструкции происходит снижение молекулярной массы и уменьшение прочности. Деструкция характерна для полипропилена, полиэтилена и полиамида. Наиболее устойчивы к радиации бензолы (полистирол). Устранение вредного влияния радиации достигается введением антирадов – ароматических аминов, устраняющих энергию возбуждения и обеспечивающих ее рассеяние.

Вакуумстойкость полимеров. При вакуумировании возможно ухудшение свойств из-за выделения добавок из материала (пластификаторов, стабилизаторов) и деструкция. К примеру, это может быть деполимеризация. К потере вакуумстойкости склонны полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Оценка вакуумстойкости проводится по газопроницаемости, газовыделению и вакуумплотности.

Газопроницаемость – это способность пропускать газ через уплотнитель. На газопроницаемость влияют состав, структура, природа газа, температура. Газопроницаемость меньше у полярных и линейных полимеров, выше у гибких макромолекул, при введении пластификаторов, и в меньшей степени при введении минеральных наполнителей.

Абляция – разрушение материала, сопровождаемое уносом его массы газовым потоком.

Ее характеризуют через абляционную стойкость. Она определяется устойчивостью к механической, тепловой и термоокислительной деструкции. Для линейных полимеров характерна низкая стойкость к деструкции и деполимеризации, для лестничных и сетчатых характерно структурирование и обезуглероживание. Для повышения абляционной стойкости материала, его армируют более теплопроводящими материалами, например, железом.

Адгезия – это слипание разнородных тел из-за межмолекулярного взаимодействия. Это явление используется при нанесении пленок и покрытий. Для полимеров может встречаться и аутогезия – самослипаемость. Ее причинами являются адсорбция, электростатическое притяжение, диффузия макромолекул.

ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

Пластмассы – массы, получаемые на основе органических полимерных связующих. Они способны при нагреве быть пластическими, а отверждаются при дальнейшем нагреве или охлаждении.

Состав, классификация и свойства пластмасс.

В состав пластических масс входят:

1. Связующие (синтетические смолы, эфиры, целлюлозы) и наполнители – порошкообразные или волокнисты. При пропитке наполнителя связующими и их опрессовывании получается монолитная масса.

2. Наполнители служат для повышения механических свойств, снижения усадки и придания специфических свойств.

3. Пластификаторы повышают эластичность и облегчают обработку.

4. Отвердители – амины

5. Катализаторы – перекисные соединения для ускорения отвержения термореактивных полимеров

6. Ингибиторы предохраняют массы от самопроизвольного отвержения

7. Красители.

Свойства пластмасс определяются составом компонентов, сочетанием компонентов и их количественным соотношением.

Классификация пластмасс.

Пластмассы классифицируют

1. по типу связующего

1.1. термопласты – удобны, усадка менее 1-3%, упруги, нехрупки, способны ориентироваться и иметь ориентационное упрочнение.

1.2. реактопласты – хрупки, усадка до 10-15%, для повышения их свойств вводят усиливающие или пластифицирующие наполнители.

2. По виду наполнителя

2.1. порошковые (карболиты) – наполнителем является древесная мука, графит, тальк

2.2. волокнистые – в качестве волокна используют очесы хлопка или льна, стекловолокно, асбест.

2.3. слоистые – используют листовые наполнители

2.4. газонаполненные – пено-поропласты, где наполнителем является воздух или нейтральные газы.

3. По применению

3.1. силовые – конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные

3.2. несиловые – прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, декоративные, уплотнительные.

Особенности пластмасс

Их достоинствами являются:

1. малая плотность 1-2 т/м³

2. низкая теплопроводность 0.1 – 0,3Вт/мК

3. Электроизоляционные свойства

4. химическая стойкость

5. антифрикционность

6. прочность

7. технологичность.

Недостатками являются:

1. низкая теплостойкость

2. высокое тепловое расширение (в 10-30 раз больше, чем у стали)

3. низкая упругость и вязкость

4. склонность к старению

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

Термопласты – полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда с пластификатором. Свойства – Траб – обычно не выше 60-70⁰С, теплостойкие до 150-250⁰С, термостойкость с жесткими цепям и циклическими структурами – до 400 – 600⁰С.

Особенности эксплуатации – при эксплуатации происходит снижение прочности и вынужденная эластичность при длительном статическом нагружении. – повышение хрупкости с ростом скорости деформации. Прочность – 10-100МПа, модуль упругости 1,8-3,5х10³ МПа. Хорошо сопротивляются усталости сигма 0,2-0,3 от предела прочности.

Виды термопластов – полярные и неполярные. Неполярные – полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт 4. Полярные термопласты – фторопласт 3, ПВХ, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталаты, поликарбонаты, полиакрилат, пентапласты, полиформальдегиды.

Термостойкие пластики

Термостойкость обеспечивается за счет введения фениленовых звеньев, что обеспечивает работоспособность при 400⁰С и при замене гибких звеньев на жесткие гетероциклические, что повышает Траб до 600⁰С. Виды термостойких пластиков: ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфоны, гетероциклические полиимиды.

Термопласты с наполнителями

Связующим является полимерная основа. Наполнители – стекловолокно, асбест, органические волокно, углеродные волокна и пр. Волокнистые наполнители образуют каркас и упрочняют материал. Промышленное использование имеют полиамиды и поликарбонаты, наполненные рубленным стекловолокном. Это повышает прочность до 90-149 МПа, обеспечивает повышенное сопротивление усталости и износу при Тисп 60-180⁰С.

Перспективны термопласты с синтетическим наполнителем – пропиленом, капроном, лавсаном, винолом. При близкой химической природе и типе связей обеспечивается совместная работа на упрочнение и рост длительной прочности в десятки раз.

Слоистые термопласты – в них используются ткани из различных волокон. Пример: полиамид, армированный стеклотканью, имеет предел прочности 430 МПа, предел текучести 280 МПа, ударную вязкость а = 250 КДж/м², Тисп = 220⁰С.

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Связующими являются термореактивные смолы с пластификаторами, отвердителями, катализаторами, замедлителями и пр. Смола склеивает слои наполнителя, что необходимо для прочности при расслаивании. Адгезивность обеспечивается полярностью.

Виды связующих – фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, имеющие наибольшею адгезию. Это дает возможность использовать армированные пластики. Они обладают высокой прочностью.

Теплостойкость кремнийорганических смол 260-370⁰С, фенолформальдегидных до 260⁰С, эпоксидных до 200⁰С.

Для крупногабаритных деталей используют непредельные полиэфиры и эпоксидные смолы. Они твердеют не только при повышенной, но и нормальной температуре без усадки и выделения вредных веществ.

Используются наполнители – порошковые, волокнистые, слоистые. В качестве порошковых используют органические (древесная мука), минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит). Порошковые пластмассы отличают изотропность, низкая прочность и вязкость. Их применяют в несиловых конструкциях. Пластмассы с минеральными наполнителями имеют хорошую водостойкость, химическую стойкость, электроизоляционность.

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Газонаполненные пластмассы – это гетерогенные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура состоит из связующих, образующих стенки пор или ячеек с распределенной в них газовой фазой. Основными свойствами являются малая масса и высокие тепло и звукоизолирующие свойства.

Основные виды газонаполненных пластмасс – пенопласты, поропласты, сотопласты.

Пенопласты. В них ячеистая структура представлена газообразным наполнителем и изолирована друг от друга тонкими слоями полимерного связующего. Свойства: плавучесть, термоизоляционность, невысокая прочность. Используются пенополистирол ПС с Тисп до +-60⁰С, фенолкаучуковые ФК Е120-160⁰С, пенополиэпоксиды и др.

Поропласты – губчатые материалы с открытопористой структурой, где включения газа свободно сообщаются между собой и атмосферой. Применяются для водопоглощения и пр.

Сотопласты – тонколистовые материалы в виде гофра, склеиваются в виде пчелиных сот. В качестве материала в настоящее время используются ткани.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАСТМАСС

1. снижение материалоемкости за счет малой массы в 4-5 раз

2. снижение трудоемкости вместо литья, ковки и резания только формообразование – в 4-5 раз, например, вместо 30-50 операций производится только одна – литье.

3. снижение капиталовложений на оборудование и инвентарь – в 4-6 раз.

4. себестоимость продукции уменьшается в 2-3 раза, дешевле цветных металлов в 4-9 раз, дешевле черных металлов в 2-6 раз.

2.2. Методические основы выбора пластмасс

Применение пластмасс в изделиях эффективно только в том случае, если материал выбирается с учетом условий эксплуатации и режима формования изделий. Поэтому сначала выбирают вид пластмассы исходя из требований к ее эксплуатационным свойствам, а затем базовую марку и марку с улучшенными эксплуатационными и технологическими свойствами, которая эффективно перерабатывается заданным методом.

Методы выбора вида пластмассы по заданным требованиям эксплуатации различны. Если трудно задать точные значения параметров эксплуатационных свойств пластмассы, обеспечивающие работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации, а можно указать только требования к эксплуатационным свойствам и ориентировочные значения параметров этих свойств, можно воспользоваться методом аналогий.

Подобрать пластмассу по методу аналогий можно используя классификацию пластмасс по эксплуатационному назначению и анализируя сведения о различных полимерах и марках с улучшенными эксплуатационными свойствами, характере эксплуатационных свойств, назначении, достоинствах, ограничениях и рекомендаций по применению и способам переработки.

При выборе пластмасс по методу аналогий можно использовать рекомендации по применению пластмасс для различных типов изделий, работающих в условиях аналогичных заданным. Например, определяют к какому типу изделий относится данное и выбирают пластмассу из рекомендованных для этого типа изделий.

Подбор пластмасс осложняется тем, что параметры эксплуатации оказывают очень сильное влияние на их эксплуатационные свойства. Для правильного выбора пластмасс нужно знать изменение их эксплуатационных свойств в зависимости от параметров эксплуатации.

Другим подходом к выбору пластмасс является выбор по комплексу заданных значений параметров эксплуатационных и технологически свойств. Этот метод применяют, когда можно задать весь комплекс требуемых значений параметров эксплуатационных свойств пластмассы, обеспечивающий работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации. Он основан на сопоставлении заданных параметров эксплуатационных свойств с параметрами эксплуатационных свойств различных пластмасс. Отбирают пластмассы, параметры эксплуатационных свойств которых наиболее точно соответствуют заданным. Для выбора пластмасс разрабатывают банк справочных данных по параметрам свойств различных полимеров и марок на их основе с улучшенными эксплуатационными свойствами.

Первоначально подбирают базовую марку полимера в зависимости от метода переработки. Наиболее существенным показателем перерабатываемости полимера является его вязкость. В каталогах на полимеры указывают назначение каждой базовой марки полимера по вязкости – литьевые, экструзионные, для прессования и т.д. Далее подбирают базовую марку полимера по вязкости в зависимости от конфигурации и размеров изделия. Сравнительно просто подобрать базовую марку для получения экструзионных изделий. В каталогах на пластмассы обычно приводятся конкретные рекомендации по применению экструзионных марок. Порядок выбора литьевых марок для изготовления литьевых изделий более сложен.

Выбор марки с улучшенными технологическими свойствами выбирают на основе базовых с использованием справочной информации о выпускаемых типах марок с улучшенными технологическими свойствами, назначения, экономических эффектах, которые дает применение марок, рекомендациях по применению марок для различных изделий. Основная линия пластмасс для данного применения по вязкости может быть найдена по рис.2.4.

Рис. 2.4. Распределение базовых марок полимеров по методам переработки в зависимости от вязкости.

Распределение базовых марок полимеров по методам переработки и характерным группам изделий приведены в табл.2.1.

Табл. 2.1. Распределение базовых марок полимеров по методам переработки и характерным группам изделий [2]

2.3. Материалы для изготовления уплотнений арматуры

Пластмассы широко используются для седел арматуры. Благодаря им появился целый класс арматуры, называемый арматурой с мягкими уплотнениями. С качественным ростом их свойств и упрощения их переработки, количество используемых пластмасс, например, взамен резиновых и, особенно металлических седел и уплотнений будет возрастать.

В настоящее время пластмассы наиболее широко используются для изготовления деталей или для облицовки внутренних поверхностей, непосредственно соприкасающихся с коррозионными средами.

В и н и п л а с т представляет собой твердую негорючую пластмассу, получаемую путем термической пластификации поливинилхлоридных смол. Обладает высокой химической стойкостью против действия многих агрессивных сред – кислот, щелочей и их растворов. Из винипласта изготовляются детали кранов и пр. Он используется также в качестве материала для защитного покрытия. Применяется для рабочей среды с температурой до 40…60°С.

Среди неметаллических коррозионно стойких материалов особое место занимает ф т о р о п л а с т (политетрафторэтилен C₂F₄), так как является наиболее коррозионностойким пластмассовым материалом. Молекулу фторопласта можно представить в виде молекулы полиэтилена, в которой атомы водорода замещены атомами фтора. В разных странах он получил разное название: в США – тефлон, галон; в Англии – флюон; в Японии – полифлон; во Франции – сорефлон; в Италии – альгофлон; в ФРГ – хостафлон.

Наибольшее применение получил фторопласт 4, выпуск которого составляет 80 – 90% от всех фторполимеров. Он представляет собой порошок белого цвета плотностью 2,2 г/см³. Фторопласт при нагревании до 327°С плавится, но расплав имеет высокую вязкость и остается в высокоэластичном состоянии до температуры 415°С, выше которой он разлагается с выделением ядовитого газа.

Фторопластовые детали изготавливают механической обработкой из заготовок в виде труб или листов, которые получаются прессованием порошка при давлении 35…100 МПа и последующим спеканием при температуре 365…385°С. Таблетки из фторопласта, полученного эмульсионным методом полимеризации, можно перерабатывать способом экструзии при давлении 10…120 МПа, получая, таким образом, трубы, ленты, профили. После экструзии изделия подвергают спеканию при температуре 370°С.

По химической стойкости фторопласт 4 превосходит платину, графит, кварц и все известные синтетические материалы. Его коррозионная стойкость сохраняется в широком интервале температур (от –269 до +250°С). Для того чтобы обеспечить нормальную герметичность затвора, в рабочей среде не должно быть твердых частиц размером более 70 мкм по наибольшему измерению.

Элементарный фтор и его галогениды медленно взаимодействуют с фторопластом, а расплавленные и нерастворенные щелочные металлы разрушают поверхность фторопласта, но вглубь материала не проникают. Высокая химическая стойкость фторопласта обусловлена прочным взаимодействием фтора с углеродом, а также тем, что атомы фтора экранируют атомы углерода. Фторопласт – изолятор с высокими значениями электрической прочности при температурах от –269 до +260°С. Электротехнические детали из фторопласта имеют высокие диэлектрические свойства.

Фторопласт 4 не смачивается водой и не набухает, по внешнему виду напоминает парафин, имеет низкий коэффициент трения. Ползучесть материала зависит от контактного давления и температуры. Фторопласт 4 используется для изготовления деталей кранов, клапанов, труб, сильфонов, прокладок, мембран, сальниковых набивок и различных деталей электроаппаратуры. Фторопласт 3 применяется для температуры до 70°С, выпускается в виде плит толщиной 1…8 мм, трубок, шнура, используется также для покрытия шероховатых металлических поверхностей, предварительно нагретых до температуры 275°С. При изготовлении седел лист фторопласта обычно обрезается по размеру будущего уплотнения и механически обрабатывается.

На основе фторопласта 4 изготавливаются всевозможные модификации для удовлетворения потребностей различных отраслей промышленности. Например, фторопласт 42, несколько теряя в свойствах, обладает литейными качествами. Для уплотнений используется фторопласт, наполненный графитом. Такая модификация фторопласта, как флубон хорошо зарекомендовала себя в качестве уплотнительных колец шаровых кранов на давление 32 МПа.

Существенно улучшены потребительские свойства пористого уплотнительного материала на основе фторопласта 4Д. Заготовка – жгут круглого или прямоугольного сечения подвергается многократной вытяжке и термообработке, в результате которой приобретает

особую структуру, которая придает материалу высокую прочность при пористости свыше 50% и необычную гибкость и подвижность.

Благодаря таким свойствам, антифрикционность сохраняется в широком диапазоне температур (от –240 до +270°С). Мягкость и гибкость материала позволяют легко прирабатываться, обеспечивать надежное уплотнение узла, в том числе и в случае длительно эксплуатирующееся арматуры, при небольших усилиях обжатия. Материал не замерзает и не дает усадки в щелях. Американская фирма GORE создала уникальные уплотняющие материалы на основе пористого фторопласта. Лента GORE ТЕХ эффективна для фланцевых уплотнений, листы GORE ТЕХ GR с толщиной от 0,5 до 6,5 мм применяются при небольших усилиях сжатия и значительных неровностях уплотнительных поверхностей, например, для эмалированной арматуры.

Германская фирма PROPACK изготавливает сальниковые набивки высокого качества, сплетенные из фторопластовой пряжи фирмы GORE.

П о л и э т и л е н используется как коррозионностойкий материал для изготовления уплотнительных колец, прокладок.

П е н т а п л а с т БГ 1 и сополимер формальдегида (СФД) для рабочей среды температурой до 100°С, сополимер формальдегида (литьевой) марки АК 80/20 – до 60°С, пластмасса МХФ (масса холодного формования) – до 50°С используются для изготовления деталей клапанов малых диаметров прохода, предназначенных для коррозионных сред.

К а п р о н, п о л и п р о п и л е н, н е й л о н и другие пластмассы имеют в арматуре ограниченное применение, но могут применяться в качестве добавок для повышения тех или иных свойств.

Механические характеристики некоторых неметаллических материалов и пластмасс приведены в табл. 2.2. Табл. 2.3. иллюстрирует стойкость защитных покрытий и мембран в агрессивных средах.

В табл. 2.4. и 2.5. указаны области применения арматуры из полипропилена и пентапласта БГ 1, используемых при различных коррозионных рабочих средах.

Табл. 2.2. Механические свойства некоторых неметаллических материалов и пластмасс, применяемых при изготовлении арматуры

Табл. 2.3. Материалы защитных покрытий и мембран запорных и регулирующих мембранных клапанов, применяемых при различных агрессивных средах

Табл. 2.4. Рабочие среды, при которых применима арматура из полипропилена

Табл. 2.5. Рабочие среды, при которых применима арматура из пентапласта БГ1

С и н т е т и ч е с к и е к а у ч у к и, называемые эластомерами или резинами, широко используются для изготовления уплотнительных деталей. Например, в золотниках предохранительных клапанов для природного газа после нескольких конструктивных доработок, вызванных негерметичностью на рабочей среде, содержащей песок и другие включения, были установлены уплотнительные кольца из высокомолекулярного уретанового синтетического каучука – полипропилена. Уплотнения успешно выдержали испытания. Из синтетических каучуков изготавливают уплотнительные кольца, вкладыши дисковых поворотных затворов, диафрагмы запорных и регулирующих клапанов.

Одной из важных проблем пластмасс является ограниченный температурный диапазон применения, рис. 2.5. В настоящее время он ограничивается примерно 200⁰С с учетом запаса до температуры размягчения.

Рис. 2.5. Температурный диапазон применения основных типов пластмасс в уплотнениях и седлах.

Некоторые свойства полимеров, применяемых для шаровых кранов приведены в табл.2.6.

Табл. 2.6. Свойства некоторых полимеров для седел шаровых кранов [3]

Здесь же приведены и корреляции между основными свойствами материалов и свойствами уплотнений, требуемыми в эксплуатации

Табл. 2.7. Корреляции между свойствами полимерных материалов и эксплуатационными параметрами уплотнений

Выбор материалов из пластика для деталей арматуры представляет собой определенные трудности. Так, например, для уплотнений шаровых затворов могут быть предложены материалы из термопластика или термореактивы.

Сравнение термореактивных и термопластичных полимерных композиционных материалов относительно изготовления изделия «Уплотнение шарового затвора» показывает, что по сравнению с термопластами термореактивы обладают следующими основными недостатками:

1. Большая усадка и, как следствие, невозможность изготовления изделий высокой точности. В отличие от термопластов эта усадка не может быть скомпенсирована при переработке на этапе выдержки под давлением;

2. Меньшая средняя рабочая температура до 250⁰С, обусловленная отсутствием кристаллической фазы;

3. Большая себестоимость изготовления и меньшая производительность, обусловленная более длительным циклом полимеризации;

4. Большая вероятность появления в процессе изготовления различных дефектов (пор, микротрещин вследствие выделения летучих соединений при полимеризации), что приводит к значительному разбросу получаемых характеристик;

5. Как правило, большая токсичность;

6. Ограниченный срок хранения полуфабрикатов при наличии определенных условий хранения (температура хранения);

7. Отсутствие возможности последующей доработки изделия (например, сварки) вследствие отсутствия возможности размягчения при повторном нагреве.

В этой связи, современные тенденции по внедрению полимерных композитов ориентированы на термопластичные материалы. Тем не менее, полностью исключать из рассмотрения термореактивы тоже нельзя, поскольку, несмотря на все описанные недостатки, у них есть и определенные достоинства. Окончательное решение по типу принимаемых материалов принимается исходя из комплексного и всестороннего взгляда на конкретную инженерную задачу.

Пример. Одной из актуальных задач повышения износостойкости и снижения энергопотребления приводами арматуры является уменьшение теплового расширения полимера в широком диапазоне эксплуатационных температур. Это связано с тем, что существует явно противоречие: для повышения надежности герметичного соединения приходится завышать размеры посадочного натяга, тогда как при повышенных температурах, этот натяг является источником износа, задиров седел и энергопотерь на преодоление сопротивления. При этом учитывая, что седло является сопрягаемой деталью, им часто жертвуют не только с точки зрения повышения истираемости из-за завышенных размеров при тепловом расширении, но и собственной механо и термодеструкции (т.н. seat jam), когда седло вспучивается из-за стесненной деформации в сторону шара и происходит заклинивание.

Решением является применение полимеров с низким коэффициентов теплового расширения. Для этого в настоящее время используются полимеры с наполнителями, например, стекловолокном, резко снижающим расширение полимера с ростом температуры, рис.2.6.

Рис. 2.6. Изменение коэффициента линейного напряжения различных полимеров при использовании стекловолокна в качестве наполнителя [2].

Задачи сегодняшней инженерии контактных поверхностей решаются при помощи системного выбора материалов для арматуры. При этом исходят из многих факторов. Кроме механических свойств, антифрикционности, износостойкости, термостойкости в последнее время ими становятся такие показатели как термостабильность, низкий коэффициент линейного расширения и др. Пока еще неучитываемыми свойствами являются:

– учет плотности полимеров,

– работоспособность при тепловом старении при длительной эксплуатации,

– способность к влагопоглощению,

– учет упругих свойств при сжатии и циклировании давления и температуры, включая собственные пульсации давления и температуры среды в трубопроводе,

– коэффициент износа,

– количество циклов,

– твердость поверхности и пр.

– динамический коэффициент трения.

– изменение диэлектрической проницаемости и поверхностного и объемного удельного электрического сопротивления и электропроводности в газовой и взрывоопасной среде.

Эти специфические свойства в большой степени отвечают требованиям испытаний, которые должны проводиться для седел арматуры. Ряд примеров построения таблиц в зависимости от требований к свойствам приведен ниже, табл.2.8:

Табл.2. 8. Группы пластмасс по коэффициенту трения по стали Kтр.[2]

Прим.

Табл. 2.9. Группы пластмасс по коэффициенту износа на сетке [2]

Табл. 2.10. Группы пластмасс по коэффициенту линейного теплового расширения

К примеру, анализ табл. 2.10. показывает, что применение фторопластов (ПЭТФ) с точки зрения высокого линейного расширения не является оптимальным.

Некоторые компании (Константа-2, Волгоград) предлагают новые решения на основе новых перспективных видов материалов линейки Констафтор. Они позволяют резко уменьшить коэффициент линейного расширения и тем самым обеспечить значительную выгоду при использовании материала, рис.2.6.

Рис. 2.6. Средние значения коэффициентов линейного расширения материалов в интервале температур -70⁰С – + 200⁰С [4]

2.4. Кейс. Современные подходы к выбору мягких уплотнений в компании Арматэк

Материалы уплотнений трубопроводной арматуры

Рис.1. Уплотнение

Герметичные уплотнения широко применяют во многих направлениях техники и технологий. От их работоспособности в значительной степени зависят функциональные возможности разных видов оборудования. Сама же работоспособность уплотнительных элементов в значительной степени определяется свойствами материалов, из которых они изготовлены. Поэтому к выбору этих материалов производители подходят очень ответственно.

В соответствии с «ГОСТ 24856-2014. Арматура трубопроводная. Термины и определения» уплотнение в трубопроводной арматуре ─ это совокупность сопрягаемых элементов, обеспечивающих необходимую герметичность подвижных или неподвижных соединений деталей и узлов. А уплотнительная поверхность ─ это поверхность сопрягаемого элемента, контактирующая с уплотнительным материалом или непосредственно с поверхностью другого сопрягаемого элемента при взаимодействии в процессе герметизации.

Уплотнения арматуры выполняют важнейшую функцию, значение которой переоценить невозможно, ведь герметичность определяет надежность трубопроводной арматуры, а потому является ее наиважнейшим качеством. Герметичность обеспечивают различные уплотнения: уплотнение затвора арматуры, сильфонное уплотнение, сальниковые уплотнения арматуры, уплотнения между отдельными фрагментами ─ крышкой и корпусом, например. Есть еще уплотнения соединительных патрубков, где используют материалы для уплотнения резьбовых соединений и материалы для уплотнения фланцевых соединений. Как свидетельствует статистика, более половины случаев выхода трубопроводной арматуры из строя происходит по причине износа уплотнительных поверхностей, приводящего к снижению герметизирующей способности уплотнительных соединений.

Износ уплотнительных поверхностей

Износ уплотнительных поверхностей ─ явление многогранное, включающее не только наиболее очевидный механический износ, возникающий из-за трения контактирующих поверхностей при открытии и закрытии затвора арматуры, но также коррозионный и эрозионный износ. Коррозионный износ обусловлен воздействием рабочей среды, а его масштабы ─ ее агрессивностью, т. е. химической активностью, проявляющейся в готовности вступать в химические реакции с материалом уплотнения. Эрозионный износ уплотнительных поверхностей ─ следствие газодинамического или гидродинамического воздействия на них рабочей среды. Особенно высокой эрозионной стойкостью должны обладать материалы уплотнений трубопроводной арматуры, работающей при высоком давлении.

Наиболее интенсивному износу подвержены подвижные элементы уплотнений. Так, в очень сложных условиях функционируют уплотнительные кольца в самом распространенном типе трубопроводной арматуры ─ задвижках, при каждом открывании-закрывании запорного органа которых имеет место интенсивное трение уплотнительных поверхностей затвора.

Степень износа уплотнительных поверхностей зависит от того, насколько внутренняя структура материала уплотнения способна противостоять действию внешних нагрузок с учетом таких их особенностей, как характер распределения, вид, интенсивность.

Материалы ─ уплотнительные, прокладочные, герметизирующие

Классифицируя материалы, используемые для изготовления трубопроводной арматуры, те из них, которые служат для обеспечения герметичности, часто разделяют на несколько групп ─ уплотнительные, прокладочные, герметизирующие.

Уплотнительные материалы применяют для создания уплотнительных поверхностей затворов трубопроводной арматуры. Прокладочные ─ для изготовления уплотнительных прокладок. Герметизирующие─ для герметизации узлов прохода через крышку корпуса шпинделя или штока. Такое разделение, несмотря на то, что всеми перечисленными категориями материалов решается общая задача ─ обеспечить заданную герметичность арматуры ─ объяснимо, поскольку в наборе требований, которым они должны соответствовать, существуют определенные различия. Так, наряду с необходимой всем им упругостью, материалы уплотнения затворов обязательно должны обладать антифрикционными свойствами, совсем необязательными для прокладочных материалов.

Материалы для мягких уплотнений затвора

Сегодня, благодаря развитию химических технологий, в качестве материалов для уплотнения широко используют мягкие неметаллические материалы. Хотя нельзя не отметить, что мягкое уплотнение затвора трубопроводной арматуры появилось намного раньше обычно ассоциируемых с ним полимеров. Уже в древности для этого применяли обыкновенную сыромятную кожу. И сегодня она продолжает служить в качестве материала уплотнительной поверхности затвора, но конкурировать на равных с продуктами современных химических технологий ей очень сложно.

Использование неметаллических уплотнительных материалов с низким модулем упругости позволяет обеспечить требуемую герметичность без значительных усилий уплотнения, сопровождающихся дополнительным нагружением узлов трубопроводной арматуры.

Теоретический задел для получения полимерных материалов был создан фундаментальной наукой еще в XIX столетии. Но начало продолжающегося до сих пор технологического прорыва приходится на 30-е годы XX столетия. Именно к этому времени относится появление ПВХ (поливинилхлорида) или широко применяемого для изготовления уплотнений трубопроводной арматуры фторопласта. Последний был получен в 1938 году. Его другое название ─ тефлон, является торговой маркой, зарегистрированной компанией DuPont.

Сегодня фторопласт (он же ─ тефлон, политетрафторэтилен, материал уплотнения PTFE (Polytetrafluoroethylene)) получил чрезвычайно широкое распространение при устройстве уплотнительных поверхностей затворов трубопроводной арматуры. Фторопласт обладает высокой химической стойкостью и почти безразличен к воздействию кислот, щелочей и растворителей. Он сохраняет свои физико-механические параметры в широком диапазоне температур, имеет низкий коэффициент трения. И при этом ─ экологически безвреден. Есть, правда, одно «но» ─ текучесть даже при сравнительно небольших нагрузках. Для улучшения физико-механических показателей его армируют стекловолокном или т. н. «углеволокном».

Перспективным материалом для изготовления уплотнений является термопласт PEEK (Poly-etheretherketone или Полиэфирэфиркетон), обладающий высокой износостойкостью и сохраняющий механические свойства при температуре до 300OC. Важное качество PEEK ─ устойчивость к воздействию водяного пара. Его использование позволяет получить износоустойчивое и термостойкое уплотнение.

Широкое распространение получили эластомеры ─ материалы, которые при приложении небольших усилий способны значительно деформироваться, а после снятия нагрузки немедленно возвращаться в исходное положение.

В качестве материала для уплотнений затворов трубопроводной арматуры используются различные резины. Высокой прочностью и хорошей сопротивляемостью к истиранию обладают резины на основе СКН (бутадиен-нитрильного каучука).

Достаточно широко для изготовления седловых уплотнений применяется EPDM ─материал уплотнения, относящийся к синтетическим эластомерам. Этиленпропиленовый каучук или этилен-пропилен-диен-каучук (аббревиатура EPDM означает Ethylene Propylene Diene Monomer rubber) отличается хорошими механическими свойствами и может работать в широком ─ от минус 50⁰C до плюс 150OC ─ температурном диапазоне. Материал устойчив к высокотемпературным и агрессивным рабочим средам ─ горячей воде, пару, щелочам. Русская аббревиатура ─ СКЭП (двойной) или СКЭПТ (тройной) этиленпропиленовый каучук.

NBR─ материал уплотнения, также являющийся эластомером, только на другой ─ акрил-нитрил-бутадиен-каучуковой ─ основе. Обладает высокой твердостью и достаточно высокой износостойкостью. В уплотнениях затворов трубопроводной арматуры также используется H-NBR ─гидрированный акрил-нитрил-бутадиен-каучук.

Сополимеризацией фторсодержащих мономеров получают т. н. фторкаучуки (или фторорганические каучуки, фторэластомеры). Присутствие фтора делает их термостойкими и устойчивыми к воздействию многих агрессивных сред. В России применительно к этим материалам используется аббревиатура СКФ. Материал уплотнения FKM (Fluorinated propylene monomer) и FPM (Fluorocarbon) ─ это разные у различных занимающихся стандартизацией организаций, названия одного и того же продукта. Материал уплотнения Viton─ торговая марка. FKM (FPM) ─ материал уплотнения, имеющий набор важных качеств: высокую теплостойкость, хорошую износостойкость и стойкость к абразивному истиранию, химическую инертность

По материалам сайта www.armatek.ru [5]

Для сравнения приведем материалы, которые использует известная американская компания Jamesbury для своих шаровых кранов и поворотных затворов.

2.5. Кейс. Материалы для уплотнений компании Jamesbury

Компания Jamesbury производит арматуру с полимерными седлами, начиная с 1956 года, и накопила значительный опыт в эксплуатации подобной арматуры.

Ее наиболее используемые типы пластмасс для шаровых кранов показаны ниже, табл.1.

Табл. 1. Материалы для полимерных седел шаровых кранов компании Jamesbury

Компания производит шаровые краны и обеспечивает их разнообразными седлами из разных пластмасс, как для массового, так и специального применения. Главной задачей выбора материалов седел является надежность и устойчивая работа в как можно большем периоде эксплуатации.

Компания учитывает такие важные факторы, определяющие надежность отсечки, как природа рабочей среды. Жизнь седла в большой степени зависит от давления, температуры, степени скачков и флуктуации давления и температуры, скорости потока, скорости работы клапана, частоты циклов открытия-закрытия. Все эти параметры можно обнаружить в реальной эксплуатации. Правильный выбор седла должен противостоять всем этим факторам.

PTFE (T)

Основной тип материала седла шаровых кранов – это чистый PTFE, обеспечивающий работоспособность седла при Т -73⁰С до 204⁰С и химическую совместимость для множества разнообразных химических сред, также как и для работоспособности в условиях радиации.

Наполненный PTFE (M)

Наполненный или армированный PTFE сочетает в себе все свойства чистого PTFE по химической стойкости, но способен работать при более высоких температурах до 260⁰С при диаметрах до DN150 мм. Седла для больших номинальных диаметрах работают при температурах до 232⁰С.

PTFE С НАПОЛНИТЕЛЕМ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПРОТЕКТОРОМ (W)

PTFE с наполнителем и металлическим протектором является подвидом наполненного PTFE. Эти седла специально разработаны для условий эксплуатации с частыми гидравлическими ударами. Одно из главных применений – в целлюлозно-бумажных комбинатах на участках выдува варочных котлов.

PEEK (L)

Материал основан на полиэтилентерекетоне и значительно увеличивает способность работы седла в условиях пара. Седла предназначены для качественной отсечки в условиях насыщенного пара до 33Бар. Седла из этой пластмассы расширяют диапазон температурного применения арматуры с полимерными уплотнениями до 288⁰С с повышением коррозионной стойкости.

DERLIN (R)

Седла из пластмассы DERLIN используются в арматуре, предназначенной для высоких давлений до класса ANSI 600. Это позволяет им полностью соответствовать и классу давления корпусов арматуры.

UHMV Polyethylene (U)

Пластмассы используется для чрезвычайно радиоактивных материалов, где невозможно применить пластики массового применения, такие как полиэтилен. Седла также применяют для табачной промышленности, где запрещено использование PTFE и эффективно применяются там, где рабочей средой являются высокоабразивные среды.

PFA (В)

Седла из этого пластика способны выдерживать влияние деполимеризации, таких, как при взаимодействии с бутадиеном и стерином.

Polyimide (V)

Полиимиды обеспечивают герметичную отсечку при температурах до 371⁰С при эксплуатации в среде горячих газов, горячих масел, нефтей и органических теплоносителей. Однако, полиимиды непригодны для использования в среде пара или других средах, содержащих воду или водяной пар.

X-TREME (X)

Седла X-TREME имеют широкое применение. Этот фторопласт с наполнителем инженерного класса работает при температурах до 260⁰С при существенно более высоких давлениях по сравнению с наполненным PTFE. Он не имеет остаточной деформации и эффекта возврата при термоциклировании и пульсациях давления, хорошо подходит для работы с паром, горячими газами, теплоносителями и применим во множестве разнообразных химических процессах и средах.

Основной принцип выбора седела арматуры заключается в нахождении такого соотношения давления и температуры, при которых седло способ надежно работать. Эти оценки основаны на перепаде давления с шаровой пробкой клапана в полностью закрытом положении и относятся только к седлам. Компания обозначает классы давления (по соотношению давления и температуры) в соответствии с принятыми классами давления для корпусов арматуры в зависимости от используемых в них материалах. Кривые по классу давления для седел из различных материалов для шаровых кранов компании Jamesbury приведены ниже, рис.1.

а)

б)

в)

Рис. 1. Пример расчета класса давления для материалов седел шарового крана диам. 8-50мм серии Value line (Jamesbury)

а) Т – PTFE и M – filled PTFE; б) X-treme, T-PTFE, R-Delrin; в) X-treme, T-PTFE, R-Delrin, U-UHMW Polyethylene

Одновременно компания предусматривает, какие значения момента должны быть использованы для конкретных видов седел в зависимости от используемого в них материала, см. пример на рис.2.

Рис.2. Рекомендуемые поворотные моменты привода в зависимости от типа седел и диаметра арматуры (компания Jamesbury)

Раздел 3. Современные конструктивные решения седел арматуры

3.1. Основные подходы к разработке седел

На сегодня седло в клапане массового производства – это почти единственный способ дифференцировать арматурную продукцию. Стандарты, производственные соглашения и глобальный характер арматурного бизнеса привели к тому, что конкурирующие виды арматуры выглядят и работают таким образом, что практически не отличаются друг от друга. Таким образом, качество и конструктивные особенности седел становится тем самым конкурирующим элементом, который наравне с пробкой, определяют конкурентоспособность арматуры в целом. Задача состоит в том, чтобы обеспечить такое поведение седла, чтобы оно было наиболее функционально для выполняемой задачи. Инженерия затвора, формы седла и материала состоит в том, чтобы заставить эту комбинацию работать наиболее надежно.

В качестве примера берется известная компания Jamesbury. Она специализируется на производстве запорной арматуры и уделяет значительное внимание развитию седел арматуры. В частности, она известна одним из самых сильных решений в области производства полимерных седел – Flexible Lips – конструкциями седел, способных облегать шаровую пробку наподобие губ, рис.3.1.

Рис. 3.1. Конструкция и схема работы седла типа Flexible lips

Как можно видеть из рис. 3.1. седло имеет опорную (heel) и гибкую (flexure) зоны, способные перемещаться под воздействием движения шаровой пробки. При этом перемещение идет в сторону сопряжения седла с посадочным буртом корпуса, что увеличивает плотность соединения. Участок седла (flexible lips) при этом плотно охватывает саму шаровую пробку, как показано на рис. Б. Движение шаровой пробки происходит с оттяжкой губ седла до тех пор, пока она плотно не сядет на опорную поверхность седла, при этом между губами и зоной уплотнения возникает дополнительное прижатие, обеспечивающее дополнительную защиту. Вместе опорная зона и губы седла работают как двойной элемент создания герметичности.

Примерно также работает и седло для создания герметичных уплотнений в дисковых затворах, при этом моделирование в ANSYS показывает высокую степень контакта между седлом и диском, что свидетельствует о высокой герметичности контакта, рис. 3.2.

а)

б)

Рис. 3.2. Седло типа Flexible lips для работы в дисковых затворах арматуры.

а) схема установки седла

б) расчет контакта уплотнения в ANSYS

Важными элементами седел являются материалы. В зависимости от используемых материалов, могут быть получены наиболее высокие доступные свойства, в частности, термопрочность, рис.3.3.

Рис.3.3. Термопрочность материалов при различных температурах.

К сожалению, необходимо отметить, что достижение высокой термопрочности и термостойкости достигается за счет применения дорогих материалов, для них требуется выдерживать точные режимы и обеспечивать дополнительную термическую обработку для получения структуры по соотношению кристаллической и аморфной составляющих структуры с максимальными свойствами.

При использовании обычных типов уплотнений без участков Flexible lips приходится усиливать давление, что приближает материал к хоне холодной текучести, уменьшает возможное количество выдерживаемых циклов нагружения по давлению и термоциклов, не дает возможности перераспределить напряжения и не допускает разгрузки материала через конструкцию седла.

Пример такого седла показан на рис.3.4.

Рис. 3.4. Потеря давления в контакте между пробкой и седлом в результате холодной текучести материала седла.

Результатом "раздавливания" седла в результате избыточного давления или собственной механодеструкции является выдавливание материала седла в полости, подлежащие герметизации и разрушение седла, рис.3.5.

Рис. 3.5. Деформированное кольцо круглого сечения

а) схема действия сил; б) картина изохром; в) поврежденное кольцо.

Остановимся на этом явлении подробнее. Разрушение кольца при высоком давлении происходит вследствие выдавливание его в зазор неуравновешенной силой Р и повреждения его поверхности в месте контакта с острой или зазубренной кромкой (М). На рис. 3.5.б показана картина изохром, свидетельствующая о распределении напряжений в деформированном кольце (изохрома – линия одинаковых разностей главных напряжений). В связи эффектом выдавливания эластичного полимер у кромки должен быть рассчитанный радиус закругления. Если радиус острый, то она будет резать полимер подобно рожу. Чрезмерно большой радиус создает клиновой эффект, в результате которого снижается эффективность герметизации. Наиболее тяжелым режимом нагружения является низкочастотная пульсация давления, при котором кольцо претерпевает все фазы деформации. Характер повреждения кольца при его выдавливании в зазор показан на рис 3.5.в. Таким образом, необходимо учитывать в реальных трубопроводах не только статическую нагрузку, но и количество циклом, при которых седло еще не разрушается. Это количество циклов называют цикловой долговечностью. Оно зависит от амплитуды пульсация давления и характера нарастания давления, а также количества циклов и предела усталости материала.

Для уменьшения проблем, связанных с выдавливанием седел вводят специальные элементы (протекторы) и оставляют достаточно большие полости для возможности накопления деформации седлом, благодаря чему выдавливания материала в зазор с рабочим органом арматуры происходить не должно, рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема расположения уплотнительного кольцевого седла (а-д) и протектора (е) в канавке при увеличении давления среды (приведены данные по круглым кольцевым эластомерным уплотнениям)

В тоже время важной частью задач по обеспечению герметичности является создание герметичного контакта сразу в обоих направлениях. Так, стандарт ANSI B16.34 трактует это так:

П. 2.3.3 тепловое расширение жидкости

“При определенных условиях некоторые конструкции двухседельных клапанов способны одновременно герметизировать перепад давления из центральной полости в соседнюю трубу в обоих направлениях.

Обстоятельство, при котором центральная полость заполнена, или частично заполненная жидкостью и подвергнутая воздействию повышенной температуры и которое может привести к чрезмерному нарастанию давления в центральной полости, приводящему к нарушению границы давления … там, где такое условие возможно, ответственность за обеспечение или требование о предоставлении средств в конструкции, установке или процедуре эксплуатации для обеспечения того, чтобы давление в клапане не превышало давления, разрешенного настоящим стандартом для достигнутой температуры, лежит на (покупателе).”

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.