Уплотнительные материалы для трубопроводной арматуры

Большая часть конструкций трубопроводной арматуры имеет сальниковое устройство для уплотнения подвижного соединения крышка - шпиндель с применением сальниковых набивок. Материалы сальниковых набивок должны обладать высокой упругостью, термостойкостью и химической стойкостью против действия рабочей среды и возможно малым коэффициентом трения. В качестве набивочных в основном применяют хлопчатобумажные и пеньковые материалы, асбестовый шнур, графит, тальк и полимерные материалы (стекловолокно, фторопласт). Наиболее часто используют асбестовые плетеные шнуры квадратного или круглого сечения, а также скатанные шнуры без плетения или чесаные волокна (пенька и др.). Наиболее целесообразно применение набивки из заранее приготовленных и отформованных колец.

Хлопчатобумажную набивку, сухую или пропитанную, применяют в среде воды, воздуха, нефтепродуктов при давлении до 20МПа и температуре от минус 40 до 100 °С. Пеньковую набивку в сухом или пропитанном виде используют при давлении до 16 МПа и температуре от минус 40 до 100 ºС. Под действием кислот и щелочей, а также при высокой температуре хлопчатобумажная и пеньковая набивки теряют прочность и разрушаются, но они дешевы и доступны. Кольцевые манжеты из хлопчатобумажной ткани в виде прорезиненного материала (вулканизированного и графитизированного) марок МХБ, МЛ, МА используют для пара, воды, воздуха и нефтепродуктов при давлении до 40 МПа и температуре до 100 ºС.

Асбестовую набивку применяют в виде плетеных или специально отформованных шнуров. Асбестовые кольца укладывают последовательно в коробку сальника. Асбестовый шнур, пропитанный смазкой ЦИАТИМ-221, пригоден для температур от минус 50 до 70 ° С и давлений до 20 МПа; асбестовый шнур, пропитанный графитопарафиновой смазкой, — для температур от минус 200 до 50 °С и давлений до 4 Мпа. Применяют также разрезные асбестоалюминиевые кольца марки КРАА для нефтепродуктов. Для температур до 510 °С используют набивку типа "пушенка", состоящую из хлопьев асбеста, перемешанных с чешуйчатым графитом. Верхнее и нижнее кольца сальниковой набивки изготовляют из асбеста, а пространство между ними заполняют "пушенкой".

Резиновые кольца и манжеты в зависимости от марки применяют для воды, масел, нефтепродуктов, кислот, щелочей и при температуре от минус 50 до 140 ºС.

Графитовая набивка. Графит обладает высокой жаростойкостью (свыше 550 °С), химической стойкостью, хорошими антифрикционными свойствами, высокой теплопроводностью. Он не впитывает влагу. При наличии влаги графит образует с некоторыми сталями гальваническую пару и оказывает на них коррозирующее действие, поэтому графитовую набивку устанавливают в сальники арматуры непосредственно перед эксплуатацией, а шпиндель обычно азотируют во избежание износа.

В некоторых случаях используют гидрофобизирующую обработку шнуров из графитовых волокон олигомерными и высокомолекулярными компонентами по растворной или плазмохимической технологии, что позволяет осуществить герметизацию сопряжения и обеспечивает высокую износостойкость пары трения «шток-уплотнение». Уплотнительные комплекты представляют собой набор колец из гидрофобизированного графита, которые сверху и снизу герметизированы шнурами. Кольца имеют геометрические размеры с диаметром в диапазоне от 12 до 360 мм и толщиной в диапазоне от 10 до 25 мм. Позволяют увеличить прочность в 1,2-1,3 раза; термостойкость на 150-200 ºС; износостойкость (по сравнению с базовыми волокнами) в 1,5-2 раза; температуру рабочей среды до 600 ºС, и до 3000 °С - в инертной среде; повысить срок работы без специального обслуживания до 1000 ч.; стойкость к воздействию эксплуатационных сред, в т. ч. концентрированных и разбавленных растворов солей, кислот, щелочей (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Графитовые шнуры и прокладки после гидрофобизующей обработки.

Применяют чешуйчатый графит в виде пасты, очищенной от минеральных и органических примесей. Во избежание утечки через зазор между крышкой и шпинделем, сверху и снизу набивки ставят асбестовые кольца или прослаивают графит кольцами из паронита. Применяют также кольца и полукольца из прессованного графита. Графит используют для набивки и в виде различных мастик: графитоцерезиновая для температур до 80 °С при давлении до 1,6 МПа, асбестографитоцинковая для температур от минус 70 до 150 °С при давлении до 4 МПа.

Полимерная набивка. В качестве набивочных материалов в коррозионных средах используют фторопласт-4 в виде стружки, колец или манжет. Набивки из фторопластовых колец, манжет или стружки, смазанные смесями из графита, парафина и масла, применяют при температуре от минус 250 до 200 °С и давлении до 5 МПа. Фторопласт может выдерживать давления до 30 — 40 МПа при отдельных конструкциях манжет, исключающих ползучесть материала. При малых давлениях вместе с фторопластом применяют дополнительные упругие элементы — резину, пружину, так как фторопласт обладает небольшой упругостью. Для сальниковых набивок используют фторопластовый уплотнительный материал в виде шнура при температуре от минус 60 до 150 °С и давлении до 6,4 МПа.

Терморасширенный графит (ТРГ). В настоящее время в России начали производиться и поставляться уплотнительные элементы из терморасширенного графита для арматуры и фланцевых соединений энергетического оборудования. Данный вид уплотнения на основе терморасширенного графита используется взамен устаревших из металла, паронита и из других асбестосодержащих материалов, что значительно повысило надежность и долговечность этих узлов.

Все конструкторско-технологические работы по изготовлению арматуры обладают высокой степенью новизны (на уровне изобретений) с применением новейших материалов («металлорезины», изделий из любой керамики: карбида кремния, оксида алюминия, циркония, стекла, твердого сплава) и современных технологий (карбонитрирование, диффузионное хромирование, хромонитри-дизация, лазерные термообработка и сварка, наплавки неметаллов, диффузионная пайка разнородных материалов, прецизионная алмазная доводка до оптической плоскости, антикоррозионные покрытия).

Терморасширенный графит — специфический материал со свойствами, присущими графиту, с одной стороны, и с дополнительными свойствами, отличными от электрографита или графитоутольных композиций, применяемых, например, в торцовых уплотнениях. Если добавить к основным свойствам графита упругость и сжимаемость, то вы получите представление о терморасширенном графите, но в первую очередь терморасширенный графит применяется не как конструкционный материал, а как материал для изготовления фланцевых эластичных прокладок, спирально — навитых прокладок, сальниковой набивки с превосходными характеристиками.

Аналогом терморасширенного графита, является широко известный материал графлекс. Однако технология применяемая при изготовлении изделий из терморасширенного графита позволяет существенно снизить себестоимость производства и повысить качество конечного продукта.

Терморасширенный графит — это уплотнительный материал нового поколения. Обладая всеми положительными качествами графита — термостойкостью, химстойкостью, низким коэффициентом трения, терморасширенный графит дополнительно приобретает совершенно новое свойство — пластичность. И это свойство остается присуще ему на весь срок службы.

Ни повышенные температуры, ни термоциклирование, ни время на пластичность графита не влияют. Уплотнения из ТРГ очень надежны и не требуют обслуживания. Асбест с течением времени теряет эластичность, массу и объем и его необходимо время от времени подтягивать, графит лишен этого недостатка. Фторопласт не выдерживает высоких температур и давлений, графит работает при 560°С и 400 атм. Углеродные набивки так же выдерживают большие температуры, но они проницаемы для газов и жидкостей, графит абсолютно непроницаем уже при плотности 1 г/см3. Он предназначен для работы с кислотами и щелочами, нефтью и питьевой водой. Ресурс работы по пути скольжения: асбест — 600 метров; графит — 10 000 метров. Графит очень мягкий, поэтому оказывает минимальное воздействие на шток задвижки и вал насоса.

Графитовые и металло-графитовые фланцевые уплотнения применяются для герметизации арматуры, трубопроводов, теплообменников, компрессоров, сосудов высокого давления, насосных агрегатов и другого технологического оборудования. Уплотнения характеризуются повышенным ресурсом работы, абсолютной экологической чистотой и не подверженностью старению. Возможна работа в агрессивных средах при повышенных температурах. Сальниковые графитовые уплотнения применяются на сальниковых разъемах, преимущественно, с вращательным движением вала, позволяют герметизировать изношенные фланцы. Сальниковые графитовые уплотнения так же характеризуются повышенным ресурсом работы, абсолютной экологической чистотой и не подверженностью старению. Возможна работа в агрессивных средах при повышенных температурах (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Сальниковые графитовые уплотнения.

Графитовые фланцевые уплотнения применяются для герметизации арматуры, трубопроводов, теплообменников, компрессоров и другого технологического оборудования. Уплотнения характеризуются повышенным ресурсом работы, абсолютной экологической чистотой и не подверженностью старению. Возможна работа в агрессивных средах при повышенных температурах. Графитовые фланцевые уплотнения применяются на разъемах типа "шип-паз". Применяются при температуре от минус 150 до 550 ºС (воздух), до 3000 °С (инертная среды); при рабочем давлении до 100 МПа; агрессивности среды рН от 0 до 14 (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Графитовые фланцевые уплотнения.

Металло-графитовые фланцевые уплотнения применяются для герметизации трубопроводов, теплообменников, сосудов высокого давления и другого технологического оборудования. Уплотнения характеризуются повышенным ресурсом работы, абсолютной экологической чистотой и не подверженностью старению. Возможна работа в агрессивных средах при повышенных температурах. Металло-графитовые фланцевые уплотнения применяются на любых разъемах, преимущественно типа "гладкий фланец". Применяются при температуре от минус 150 до 200 °С (воздух), до 3000 °С (инертная среды); при рабочем давлении до 200 МПа; агрессивности среды рН от 0 до 14 (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Металло-графитовые уплотнения.

Сальниковые графитовые уплотнения применяются на сальниковых разъемах, преимущественно, с вращательным движением вала. Позволяют герметизировать, в том числе изношенные фланцы. Сальниковые графитовые уплотнения характеризуются повышенным ресурсом работы, абсолютной экологической чистотой и не подверженностью старению. Возможна работа в агрессивных средах при повышенных температурах. Применяются при температуре от минус 150 до плюс 550 °С (воздух), до плюс 3000 ºС (инертная среды); при рабочем давлении до 100 МПа; агрессивности среды рН от 0 до 14 (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Сальниковые графитовые уплотнения.

Армированный графитовый лист — композитный материал, состоящий из слоев гладкой или перфорированной стали, плакированной графитовой фольгой. Применяется для изготовления армированных прокладок, для герметизации фланцевых соединений арматуры и трубопроводов при температурах от минус 196 °С до 600 °С и давлении до 40 МПа и для двигателей внутреннего сгорания. Производятся однослойными и многослойными с количеством армирующих слоев от 1 до 5.

Уплотнительная лента ГРАФЛЕКС Л-200. Лента ГРАФЛЕКС Л-200 (ЛК-ЭФ) предназначена для уплотнения статичных фланцевых соединений простой и сложной конфигураций в диапазоне давлений от полного вакуума до 20 МПа, температур от минус 240 °С до 260 °С, кратковременно до 310 °С, в зависимости от типа фланцевого соединения и конкретных условий эксплуатации трубопроводов и оборудования (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Уплотнительная лента.

Лента применяется взамен традиционных прокладок из картона, паронита, фторопласта Ф-4, жгута ФУМ и др. в газонефтедобывающеи, газонефтеперерабатывающей, химической, фармацевтической, пищевой промышленности, в тепловой и ядерной энергетике и других отраслях. Наибольшее применение лента получила при герметизации фланцевых соединений теплообменного оборудования (кожухотрубные теплообменники: крышки подогревателей низкого давления, сетевых подогревателей, маслоохладители, воздухоохладители, крышки арматуры, крышки сосудов и аппаратов, люки конденсаторов, напорные резервуары, колонны, испарители и т. д.). Лента из экспандированного фторопласта изготавливается из 100% первичного фторопласта (политетрафторэтилена PTFE) по специальной технологии. В результате обработки фторопласт приобретает направленную специально ориентированную волокнистую структуру. Материал ленты, сохранив все химические характеристики традиционного фторопласта, приобретает новые уникальные физические свойства.

Набивка плетеная «ТМГ» изготавливается из графитовой фольги "Термографенит" (ТМГ), с армированной хлопчатобумажной нитью, стекловолокном или металлической проволокой, в виде плетеного шнура квадратного, круглого, прямоугольного сечения, сквозного плетения с однослойным и многослойным плетением, двухрядного, трехрядного или четырехрядного диагонального плетения. Выпускается с сечением от 3х3 мм до 50x50 мм и плотностью (0,8 — 1,2) г/см3. Предназначена для уплотнения сальниковых камер насосов и арматуры, подвижных и неподвижных соединений разнообразных машин и аппаратов (рис. 1.24).

Низкий коэффициент трения и высокая теплопроводность позволяют эксплуатировать центробежные насосы в режиме с минимальным прокапыванием, при использовании теплоотводных колец ТМГ типа С без прокапывания. Применение набивок ТМГ практически исключает механический и коррозионный износ штоков арматуры и валов насосного оборудования. Благодаря этому набивка ТМГ увеличивает срок межремонтной эксплуатации центробежных насосов в 2 — 5 раз, трубопроводной арматуры в 3 — 5 раз в сравнении с асбестовыми и, таким образом, обеспечивает высокую эффективность ее использования.

Рис. 1.24. Набивка плетеная.

Фольга графитовая «ТМГ». Гибкая графитовая фольга из терморасширенного графита марки "Термографенит" (ТМГ), изготавливаемая по технологии, которая содержит специальные методы очистки, химической и термической обработки природного кристаллического графита с последующей прокаткой без связующих веществ, и внедрена в производство научно — производственным предприятием ООО "ТМСпецмаш" (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Фольга графитовая.

Основное применение фольги "ТМГ" - производство сальниковых уплотнений для трубопроводной арматуры, центробежных насосов, прокладок для фланцевых соединений.

Термостойкость на воздухе — 450°С, при обжатии во фланцах — 600°С, в условиях водяного пара — 560°С, в инертной среде — 3000°С. Фольга ТМГ химически и биологически инертна (применяется при рН = 0 — 14), радиационностойкая, нетоксичная, не поддерживает горения, пожаро- и взрывобезопасная, не стареет, имеет антифрикционные свойства, не изнашивает валы и штоки.

Кольца уплотнительные «ТМГ» применяются при уплотнении подвижных и неподвижных соединений трубопроводной арматуры, центробежных, вихревых и поршневых насосов, машин и аппаратов, которые используются в энергетической, нефтехимической, химической, перерабатывающей и других отраслях производства. Использование колец "Термографенит" (ТМГ) увеличивает межремонтный период эксплуатации: регулирующей трубопроводной арматуры в 3 — 5 раз, центробежных насосов в 5 — 12 раз.

Спирально-навитые прокладки "ТМГ" применяются для уплотнения "гладких" фланцевых соединений, типа "выступ-впадина", "шип-паз", арматуры трубопроводов, сосудов, аппаратов, насосов и аналогичного оборудования химической, нефтеперерабатывающей и других отраслей промышленности при температуре рабочей среды от минус 196 °С до 600 °С и давления до 25 МПа.

Спирально-навитая прокладка (СНП) состоит (рис. 1.26) из слоев профилированной холоднокатаной коррозионностойкой стальной ленты (2) и ленты наполнителя — гибкой ленты из терморасширенного графита "Термографенит" (3).

Рис. 1.26. Спирально-навитая прокладка: 1 — внешнее ограничительное кольцо; 2 — стальная лента;3 — ТМГ лента; 4 — внутреннее ограничительное кольцо;

По форме сечения все типы СНП имеют V-образный профиль. Уплотнение происходит за счет заполнения наполнителем микронеровностей фланцев при обжатии, а металлическая лента выполняет роль упругого каркаса. Благодаря уникальным упруго-пластичным характеристикам ленты "Термографенит", СНП сохраняет уплотнительные свойства при ослаблении затяжки болтов, вибрациях, термическом расширении, пульсации давления в трубопроводах и т. д.

В зависимости от типа фланцевого соединения прокладки оснащаются ограничительными кольцами:

• для фланцев типа "выступ-впадина" применяют внутреннее ограничительное кольцо;
• для "гладких" фланцев — внешнее или/и внутреннее кольца.

Ограничительные кольца предназначены для:

• защиты спирально-навитой части от разрыва рабочим давлением;
• защиты спирально-навитой части от переобжатия во время монтажа;
• центрирования прокладки, поскольку внешний диаметр ограничительного кольца равен внутреннему диаметру кольца, по которому размещаются болты крепления фланца.

Материал внутренних колец — коррозионностойкая сталь, внешних — углеродистая сталь. Материал наполнителя-фольга "Термографенит", толщиной 0,60±0,05 мм, плотностью 1,0 ± 0,08 г/см .