САЛЬНИКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Полезная модель относится к уплотнительной технике, и может быть использована для уплотнений шпинделей трубопроводной арматуры высоких параметров, в т.ч. пароводяной арматуры для АЭС и ТЭС, насосов, подвижных и неподвижных соединений.
Известны используемые в трубопроводной арматуре графитовые сальниковые уплотнения, включающие корпус с сальниковой камерой, уплотняемый шток, сальниковую набивку в виде уплотнительных колец (А.В.Ратнер. Арматура для пара сверхкритических параметров. М-Л., изд-во Энергия, 1965 г., с.216-218).
Недостатком этих графитовых сальниковых уплотнений является их высокая коррозионная активность. Коррозионная активность графитовых сальниковых уплотнений определяется рядом причин, в том числе гигроскопичностью материала, из которого они изготовлены, поглощением воды, например, насыщенного кислородом водяного пара из атмосферного воздуха, что приводит к коррозии контактирующих с ними металлических поверхностей, в частности, штоков или шпинделей трубопроводной арматуры.
Для придания негигроскопичности (гидрофобности) графитовым уплотнительным материалам, их подвергают обработке различными пропитывающими составами - импрегнатами.
Известно сальниковое уплотнение, в котором материал сальниковой набивки содержит графит, асбест, и связующе - пропитывающий импрегнат, в качестве которого используют перфторполиэфиры в определенных процентных соотношениях по а.с. №1024629 F 16 J 15/18, 1983 г.
Недостатками этого уплотнения являются большой коэффициент трения μ материала сальниковой набивки и неполнота пропитки мелких внутренних пор графита и асбеста из-за недостаточной проникающей и смачивающей способности перфторполиэфиров.
Известны выбранные в качестве прототипа сальниковые уплотнения, включающие корпус с сальниковой камерой, уплотняемый шток, сальниковую набивку в виде графитовых колец или шнура, применяемых в трубопроводной арматуре, причем в качестве импрегната использована суспензия (взвесь) политетрафторэтилена (фторопласта), опубликованные в сборнике Энергетическое машиностроение. Обзорная информация. Вып.7. Сальниковые уплотнения арматуры за рубежом. М.: 1985 г., с.2-3.
Недостатками их являются:
- неполнота пропитки мелких внутренних пор (радиусом 1÷5 нм) графитовой набивки гранулами фторопласта, и как следствие остаточная гигроскопичность. Размеры гранул фторопласта превышают размеры внутренних микропор, и вследствие этого покрывают только внешнюю поверхность графитового изделия и устья выходящих на поверхность крупных открытых пор. Кроме того, суспензии фторопластов имеют недостаточную проникающую и смачивающую способности, что также ведет к неполноте пропитки внутренних пор и сохранению, как остаточной гигроскопичности, так и адсорбатов, в т.ч. остаточной воды внутри графитового тела, например, уплотнительного кольца;
- невысокая температура применения графитовых набивок, в т.ч. уплотнительных колец, пропитанных фторопластом, связанная с тем, что температура эксплуатации фторопласта согласно ГОСТ 10007-80 не превышает 260°С.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является придание негигроскопичности (гидрофобности), снижение коэффициента трения и повышение температуры применения графитовых сальниковых уплотнений.
Указанная задача решается за счет того, что в сальниковом уплотнении, включающем корпус с сальниковой камерой, уплотняемый шток, сальниковую набивку из установленных с возможностью поджатия графитовых колец или иных графитовых фрагментов, и импрегнат, причем в качестве импрегната используют фторсодержащее поверхностно-активное вещество (Фтор-ПАВ) эпилам, в количестве, определяемом из уравнения:
где:
δ - толщина пленки эпилама после однократной пропитки, высыхания и термообработки, м;
2
S - удельная поверхность графитовой сальниковой набивки (уплотнительного кольца), включая поры, м/кг;
Э
3
ρ - плотность эпилама, кг/м;
Г
3
ρ - плотность графитовой сальниковой набивки (уплотнительного кольца), кг/м;
ГЭ
3
ρ - плотность эпиламированной графитовой сальниковой набивки (уплотнительного кольца), кг/м;
N - число пропиток эпиламом.
На фигуре изображено сальниковое уплотнение.
Сальниковое уплотнение содержит корпус 1, сальниковую камеру 2, грундбуксу 3, уплотняемый элемент (шток) 4, сальниковую набивку 5 в виде набора уплотнительных колец 6, полость высокого давления 7.
Уплотнение работает следующим образом. Для обеспечения герметичности штока 4 или другого подвижного элемента трубопроводной арматуры, в сальниковую камеру 2 устанавливают друг на друга с возможностью поджатия графитовые уплотнительные кольца или другие составляющие сальниковую набивку 5 фрагменты 6 (их количество и размеры зависят от размеров и технических характеристик трубопроводной арматуры). Набивку 5 в аксиальном направлении сжимают таким образом, чтобы осуществить гарантированную герметизацию штока 4 ближайшим уплотнительным кольцом 6 со стороны полости высокого давления 7. Предварительно уплотнительные кольца 6 пропитывают Фтор-ПАВ эпиламом, частицы которого обладают высокой проникающей и смачивающей способностью и закрывают все поры в материале, из которого сделаны уплотнительные кольца 6. При подаче рабочей среды в трубопроводную арматуру в полость высокого давления 7, она не проникает через пропитанные эпиламом уплотнительные кольца 6 сальниковой набивки 5 в атмосферу.
Кроме того, неэлектропроводное (диэлектрическое) покрытие эпиламом уплотнительных колец 6 препятствует возникновению электрохимической коррозии в контактной паре уплотнительное кольцо 6 - шток 4, и приводит к снижению коэффициента трения μ в этой паре.
В данной полезной модели использован эпилам «Автокон-0.5» по ТУ 2229-008-27991970-95, растворенным веществом в котором является перфторкислота марки 6МФК-180, а растворителем - перфторметилциклогексан (ПФМЦГ или хладон 350) по ТУ 044-10-84, с температурой кипения Ткип=76.3°С.
Фтор-ПАВ марки 6 МФК-180, температура термодеструкции которого превышает 400°С, покрывает поверхность графитовых колец (набивки), а также внутренние поры, тонкой диэлектрической пленкой толщиной порядка 3 нм (30 А).
Г
Содержание эпилама в графитовых сальниковых кольцах (набивках) может быть оценено по следующему уравнению изменения массы графита, М, при эпиламировании:
где:
2
S - удельная поверхность сальникового кольца, включая поры, м/кг;
δ - толщина пленки эпилама на поверхности сальникового кольца после
однократной пропитки, высыхания и термообработки, м;
Э
3
ρ - плотность эпилама, кг/м;
Г
3
ρ - плотность графитового кольца (набивки), кг/м;
ГЭ
3
ρ - плотность эпиламированного графитового кольца (набивки), кг/м;
Г
M - масса исходного графитового кольца (набивки), кг;
ГЭ
М - масса графитового кольца (набивки) после однократного эпиламирования, кг;
ГЭ
3
V - объем графитового кольца (набивки) после однократного эпиламирования, м.
ГЭ
Г
Г
Поскольку основная поверхность графитовых уплотнительных колец 6 находится внутри тела кольца, и при эпиламировании (пропитывании эпиламом) покрывающая диэлектрическая пленка толщиной менее 3 нм (30 А) практически не изменяет внешний размер (и внешний объем) колец 6, то в последнем приближенном равенстве уравнения (1) можно объем V эпиламированного графитового уплотнительного кольца 6 считать равным исходному объему графитового кольца 6 М/ρ до эпиламирования.
ГЭ
Г
Г
Решают уравнение (1) относительно разности плотностей исходного и эпиламированного графитового кольца (ρ-ρ)/ρ), и получают долю эпилама в пропитанном (эпиламированном) графитовом уплотнительном кольце 6, в процентах массовых:
В зависимости от пористости, условий эксплуатации и размеров уплотнительных колец 6 проводят несколько (2-3) пропиток эпиламом, т.к. недостаточное содержание Фтор-ПАВ в уплотнительных кольцах (набивках) приводит к неполноте пропитки и вытеснения остаточных адсорбатов из внутренних пор колец. Окончательная формула расчета содержания эпилама в графитовом уплотнительном кольце 6 выглядит следующим образом:
где N - число пропиток графитовой композиции эпиламом.
1
Г
3
3
Пример 1. Кольца графитовые уплотнительные КГУ-1 68×48×10 по ТУ 38 314-25-3-91 с плотностью ρ=1.4±0.02 г/см и плотностью ρ=1.8±0.02 г/см пропитывают эпиламом. Пропитку проводят в течение 24 часов при температуре 65÷76°С (горячее эпиламирование) и давлении 0.5÷0.6 МПа.
Эпиламированные и исходные кольца графитовые уплотнительные КГУ-1 со
1
2
3
3
штатными плотностями ρ=1.4±0.02 г/см и ρ=1.8±0.02 г/см были подвергнуты проверке на гигроскопичность (влагостойкость, гидрофобность). Проверка заключалась в насыщении в двух герметичных сосудах исходных чистых и пропитанных эпиламом колец КГУ-1 горячей дистиллированной водой при температуре 90°С и атмосферном давлении в течении 7 (семи) суток и последующего измерения плотности колец.
В таблице 1 приведены результаты измерений плотности колец графитовых уплотнительных КГУ-1 из примера 1.
Коэффициент трения μ колец графитовых уплотнительных КГУ-1 был оценен косвенным образом по величине крутящего момента холостого хода Мхх, измеренного на ходовой втулке ходовой резьбовой пары бугельного узла клиновой задвижки КПЛВ.492664301, DN 300. При этом трение, в основном, создавалось уплотняющей графитовой сальниковой набивкой, герметизирующей ходовой шток, центрируемый и приводимый в поступательное движение вращающейся ходовой резьбовой втулкой клиновой задвижки. Трение в ходовой резьбовой паре втулка - шток с помощью смазки ВНИИ НП 232 сведено к минимуму. Материал втулки - бронза БрАЖН 10-4-4, материал штока - сталь 14Х17Н2.
1
2
1
2
3
3
Сальниковая набивка в данном случае представляет собой 8 графитовых колец 68×48×10 мм, причем внутренние 4 выбираются со штатной плотностью ρ=1.4±0.02 г/см, а внешние, по 2 штуки с верхней и нижней сторон сальника - из графита со штатной плотностью ρ-1.8±0.02 г/см. Было испытано два одинаковых набора (комплекта) графитовых колец с исходными плотностями ρ и ρ, причем один из наборов был подвергнут процессу горячего эпиламирования.
В таблице 2 приведены сравнительные результаты крутящего момента холостого хода Мхх, измеренного с помощью тарированного динамометрического ключа НГ 781.002-01 №12, со вставкой НГ 781.058-05 длиной 410 мм, индикатором ИЧ 0÷10 мм, 1 кл. точности с разрешением 0.01 мм по ГОСТ 577-68, на двух сальниковых набивках из исходных и эпиламированных графитовых колец КГУ-1.
Таблица 1
Наименование
Плотность колец ρ, г/см<sup>3</sup>
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ<sub>1</sub>=1.4±0.02 г/см<sup>3</sup>
ρ<sub>1</sub>=1.415±0.01 г/см<sup>3</sup>
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ<sub>1</sub>=1.4±0.02 г/см<sup>3</sup> после насыщения водой
ρ<sub>1</sub>=1.629±0.01 г/см<sup>3</sup>
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ1=1.4±0.02 г/см3 после эпиламирования
ρ<sub>1</sub>=1.424±0.01 г/см<sup>3</sup>
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ1=1.4±0.02 г/см3 после эпиламирования и насыщения водой
ρ1=1.425±0.01 г/см3
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ2=1.8±0.02 г/см3
ρ2=1.813±0.01 г/см3
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ2=1.8±0.02 г/см3 после насыщения водой
ρ2=1.947±0.01 г/см3
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ2=1.8±0.02 г/см3 после эпиламирования
ρ2=1.818±0.01 г/см3
Кольцо КГУ-1 со штатной плотностью ρ2=1.8±0.02 г/см3 после эпиламирования и насыщения водой
ρ2=1.818±0.01 г/см3
Таблица 2
Наименование
Крутящий момент холостого хода Мхх сальникового узла из графитовых колец КГУ-1 клиновой задвижки КПЛВ.492664301
Кольца графитовые уплотнительные КГУ-1 исходные
7.10±0.5 Нм
Кольца графитовые уплотнительные КГУ-1 эпиламированные
5.12±0.5 Нм
Таким образом, из независимости плотности ρ эпиламированных графитовых уплотнительных колец по сравнению с исходными кольцами, от насыщения их горячей водой, мы можем сделать вывод о негигроскопичности (гидрофобности) эпиламированных сальниковых колец (набивок). Из снижения крутящего момента холостого хода Мхх вращения ходовой втулки ходовой резьбовой пары клиновой задвижки мы можем сделать вывод о снижении коэффициента трения μ эпиламированных колец графитовых уплотнительных типа КГУ-1 по сравнению с исходными примерно на ~ 28%.
Поскольку поверхность пор составляет основную часть удельной поверхности исходных графитовых уплотнительных колец, то пропитывание и заполнение пор импрегнатом с высокой температурой термодеструкции - Фтор-ПАВ эпиламом, позволяет существенно уменьшить долю связующего или пропитывающего компонента, как правило с невысокой температурой размягчения, например, фторопластом или нефтяным пеком, обычно применяемым при изготовлении (прессовании) сальниковых набивок. Уменьшение доли низкотемпературного связующего позволяет повысить температуру эксплуатации графитовых сальниковых набивок (уплотнительных колец). Использование полезной модели позволяет создавать негигроскопичные (гидрофобные) графитовые сальниковые кольца (набивки), температура применения которых повышена до 400°С, а также снижать коэффициент трения подобных эпиламированных графитовых набивок.