Текст книги "Курс «Трубопроводная арматура». Модуль «Полимерные седла поворотной арматуры»"

Автор книги: Станислав Горобченко

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 4 страниц)

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».