УПЛОТНЕНИЕ В УСТРОЙСТВАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
SEALING OF HIGH PRESSURE DEVICES

Изобретение касается уплотнения подвижных относительно друг друга частей устройств высокого давления, в частности колебательно движущихся плунжеров насосов высокого давления для жидких сред, состоящих из металлической емкости высокого давления или такого рода цилиндра, в отверстие которого входит подвижная часть и соосная с ней на стороне высокого давления гильза, в частности металлическая втулка, и металлическое опорное кольцо, которое прилегает к торцевой внешней области введенной втулки, прилегает к внутренней поверхности отверстия емкости высокого давления и к кольцу, или, соответственно, упорному кольцу, причем это кольцо находится в контакте с гильзой во внутренней области и, соответственно, в смежной с подвижной частью торцевой области.
Такая система уплотнения описана, например, в документе ЕР 0505352 B1, причем реальное изобретение, тем не менее, не относится исключительно к этой сборке для уплотнения подвижных частей устройств высокого давления.
Принцип действия уплотнения высокого давления можно видеть по существу в том, что уплотнение для жидких сред с давлением до 1000 МПа, преимущественно с давлением от 300 до 600 МПа, осуществляется между емкостью высокого давления или цилиндром высокого давления и введенной в него подвижной частью, в частности плунжером, посредством по меньшей мере направляющей эту часть втулки или гильзы, которая имеет, с одной стороны, функцию уплотнения подвижной части и, с другой стороны, взаимодействует с уплотнительным кольцом или, соответственно, опорным кольцом, уплотняя внутреннюю поверхность отверстия в емкости высокого давления. Выдающаяся часть втулки или гильзы и уплотнительное или опорное кольцо подвергаются силовому воздействию через кольцо или упорную часть из области высокого давления и устанавливаются на внутренней поверхности отверстия, осуществляя уплотнение относительно подвижной части.
На контактной поверхности между уплотнительным или, соответственно, опорным кольцом и внутренней поверхностью отверстия и, соответственно, цилиндра в определенных случаях после различных периодов эксплуатации обнаруживается износ из-за удаления (потерь) материала обеих частей. Такой износ после более коротких или более длинных периодов эксплуатации может привести к выходу из строя системы уплотнения.
Однако интенсивные трибологические испытания не показали никакой однозначной связи между видом износа, скоростью износа, материалами рабочего цилиндра и опорного кольца, и качествами рабочей жидкости или, соответственно, воды под давлением.
Причина появления износа на контактных поверхностях между стенкой емкости высокого давления и уплотнительным или, соответственно, опорным кольцом не может еще быть объяснена научно, так как, с одной стороны, не может оцениваться трибологический массив нагрузок согласно DiN 50320 и, с другой стороны, прежние мероприятия не показывали никаких вариантов решения для преодоления этой проблемы.
Поэтому задачей изобретения является в значительной мере устранение износа и часто имеющегося на отдельных местах удаления (потерь) материала в области контакта между емкостью высокого давления и уплотнительным или, соответственно, опорным кольцом при пульсирующей сжимающей нагрузке, и таким образом увеличивать срок службы уплотнения устройств высокого давления.
Эта задача решается посредством того, что по меньшей мере внешняя поверхность опорного кольца и/или по меньшей мере прилегающая к опорному кольцу или, соответственно, к уплотнительному средству внутренняя поверхность отверстия емкости высокого давления имеет, по меньшей мере, одно покрытие, нанесенное методом PVD (физическое осаждение из газовой фазы), и/или CVD (химическое осаждение из газовой фазы), и/или, в частности, согласно методу PACVD (плазмостимулированное химическое осаждение из газовой фазы).
Соответствующее изобретению покрытие внешней поверхности опорного кольца и/или внутренней поверхности отверстия емкости высокого давления или, соответственно, цилиндра высокого давления создает в области контакта частей неожиданно благоприятную характеристику износа при данном трибологическом массиве нагрузок.
Хотя еще не объяснены факт и размер контактной деформации согласно теории Герца, а также отражающий и ударный износ и то же трение, несмотря на максимально возможную стабильность установки частей, вызывающей до сих пор повреждения материала, т.е. механизмы износа, такие как абразивное действие, разрушение поверхностей, сцепление или трибологические реакции, с помощью соответствующего изобретению покрытия можно достигать высокой степени защиты от износа.
Имеющие на малой поверхности потери материала на контактной поверхности не определялись даже после длительных периодов эксплуатации устройства высокого давления ни на поверхности отверстия, ни на поверхности опорного кольца, даже если в соответствии с изобретением была покрыта только одна из поверхностей.
Без достаточных научно-технических доказательств принципа действия покрытия может предполагаться, что слой эффективен для предотвращения местного соединения материалов за счет сварки давлением, например, диффузионного замыкания на поверхностях, и для уменьшения трения при движении скольжения частей при высоких контактных давлениях.
Чтобы в случае, хотя и поверхностной, однако высокой удельной нагрузки предотвращать нарушение покрытия вследствие деформаций подложки и таким образом продлевать срок службы уплотнения, предпочтительно, если опорное кольцо и/или емкость высокого давления с отверстием образованы из нержавеющей стали с твердостью больше, чем 28 HRC, предпочтительно из нержавеющей стали со специфическими добавками, в частности из стали согласно DiN на материал No. 1.4545.
Таким же образом можно минимизировать отрицательно действующие проявления коррозии, которые могут появляться, в частности, при бездействии насоса высокого давления.
Как особенно выгодный для длинных периодов эксплуатации при полной нагрузке обнаружился в практической эксплуатации вариант, когда покрытие образовано из нескольких отдельных слоев, как так называемое „многослойное" покрытие.
Принимая во внимание, что как базовый материал может быть благоприятным образом предусмотрена легированная хромом сталь, и если покрытие или по меньшей мере один его слой образован как слой карбида, нитрида или карбонитрида, то вследствие этого высокотвердые покрытия с улучшенными фрикционными свойствами и/или с такого рода стабильностью имеют существенно увеличенную долговечность даже в случае прерывистой эксплуатации.
Как особенно выгодный для минимизации износа контактных поверхностей обнаружился вариант, когда покрытие или связанный с отдельной поверхностью внутренний слой многослойного покрытия образован нитридом хрома. Таким образом, можно, очевидно, достигать особенно хорошего сцепления покрытия с отдельной поверхности, в частности из хромосодержащего термически упрочняемого сплава.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения установлено, что если покрытие или внешний слой многослойного покрытия образовано в виде содержащего металл или свободного от металла слоя углерода, то даже при нечистых жидких средах существенно повышается долговечность уплотнения.
Предпочтительная характеристика уплотнения при незначительном износе контактных поверхностей была обнаружена, когда внешняя поверхность опорного кольца и внутренняя поверхность отверстия несут (CrN)-покрытие.
Хотя материал (CrN)-слоя по сравнению с материалами других слоев обладает только незначительной микротвердостью (HV 0.05) от примерно 1750, но при покрытии обеих контактных поверхностей получилось существенно улучшенное долговременное уплотняющее действие.
Посредством чертежа, который схематически показывает вариант осуществления системы для уплотнения подвижных частей устройств высокого давления, согласно ЕР 0505352 B1, а именно насос высокого давления с подвижным плунжером, соответствующее изобретению уплотнение должно поясняться более подробно.
Следующий список ссылочных позиций должен быть вспомогательным элементом для понимания согласования частей или отдельных поверхностей.
Список ссылочных позиций
1 - емкость высокого давления или цилиндр высокого давления
12 - крепежный элемент
2 - отверстие в емкости высокого давления
21 - внутренняя поверхность отверстия
22 - внутренняя поверхность отверстия в области уплотнения
4 - подвижная часть
5 - гильза или, соответственно, металлическая втулка
51 - торцевая внешняя область гильзы
52 - торцевая внутренняя область гильзы, смежная с подвижной частью
6 - кольцо или, соответственно, упорное кольцо
61 - внутренняя область упорной поверхности кольца
9 - опорное кольцо или, соответственно, уплотняющее средство
91 - внешняя поверхность опорного кольца
H - сторона высокого давления
При показанном на чертеже уплотнении емкости 1 высокого давления и подвижной части гильза 5 установлена стабильно и по существу неподвижно, входя в отверстие 2 емкости 1 высокого давления через разъемный крепежный элемент 12.
На торцевой стороне и со стороны H высокого давления гильза 5 имеет коническую поверхность 51, 52, причем ее внешняя область 51, с одной стороны, и внешняя поверхность втулки 5, с другой стороны, взаимодействуют с, в данном случае, треугольным в поперечном сечении опорным кольцом 9. При этом цилиндрическая внешняя поверхность 91 опорного кольца 9 с нажимом устанавливается на внутренней поверхности 22 отверстия 2, так как кольцо или, соответственно, упорное кольцо 6 нагружаются давлением со стороны H высокого давления.
Контактные и уплотняющие поверхности устройства 1 высокого давления между частями из металла, как, в частности, опорное кольцо 9, и поверхностью 22 отверстия 2 могут независимо от формы опорного кольца 9 приводить к износу. Согласно изобретению по меньшей мере одна часть в области контакта или уплотнения металлических частей содержит PVC- и/или CVD- и/или PACVD-покрытие.
Способы и строение соответствующего покрытия согласно изобретению, а также условия для этого известны из уровня техники и относятся к знаниям специалиста. Это относится как к нитридным, карбидным, карбонитридным, и в некоторых случаях к соединениям с оксидом и т.п. слоям, так и к содержащему металл и/или свободному от металла слою углерода, например, "многослойного" покрытия.