Читать книгу Курс «Трубопроводная арматура». Модуль «Полимерные седла поворотной арматуры» - Станислав Львович Горобченко - Страница 6

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]