СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ЗАГОТОВОК ИЗ НЕГО ДЛЯ УЗЛА УПЛОТНЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE MATERIAL AND WORKPIECE MADE THEREFROM FOR SEAL ASSEMBLY

Изобретение относится к полимерным композиционным материалам и уплотнениям, изготовленным из них. Изобретение может быть использовано в уплотнительной технике для элементов арматуры высокого давления и узлов уплотнения штоков компрессоров и насосов.
Известны полимерные композиционные материалы на основе политетрафторэтилена, являющиеся перспективными материалами для различных отраслей промышленности. Область применения таких материалов в узлах и изделиях машиностроения можно расширить введением различных наполнителей [1].
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) применяется для изготовления деталей уплотнительного и антифрикционного назначения. Недостатком фторопласта-4 является повышенная ползучесть (деформация) при длительном воздействии сжимающей нагрузки, что ограничивает ресурс работы и возможность его более широкого применения.
Одним из подходов к повышению износостойкости и снижению ползучести фторопласта-4 является разработка наполненных на его основе композиций. Уплотнительные и антифрикционные детали изготавливают путем механической обработки пластин, втулок и стержней, полученных методом холодного прессования порошка фторопласта-4 и композиций на его основе с последующим спеканием при температуре 370°С [2].
Известен полимерный материал и уплотнение, изготовленное из него, для применения в насосе высокого давления (патент РФ №2465503). Уплотнение изготавливается из материала, содержащего сшитый фторполимер и несшитый фторполимер для образования смеси фторполимеров. Предложенное уплотнение практически предотвращает утечки при давлении до примерно 120 МПа при переменных расходах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению являются уплотнения запорной арматуры различного конструктивного исполнения и назначения из материалов «Констафтор» производства предприятия ООО "Константа-2", г. Волгоград.
Применение уплотнений из данных материалов в запорной арматуре и насосах позволило поднять температуру транспортируемых сред до 300°С, давления до 100 МПа, эксплуатировать оборудование в агрессивных средах. Повышение срока эксплуатации уплотнений достигается за счет высокой химической стойкости материалов, определяющей вероятность протекания деструктивных процессов в материале. Уникальная термостойкость и выносливость позволяют применять их в тяжело нагруженных узлах при повышенных температурах [3, 4].
Недостатком этих указанных решений в процессе эксплуатации оборудования являются недостаточная температура рабочей среды и давление. Кроме того, к недостаткам относится "прикипание" сопрягаемых деталей друг к другу, значительно снижает эффективность эксплуатации, ресурсные возможности оборудования, увеличивается расход запасных деталей.
Задачей настоящего изобретения является создание способа получения композиционного материала и заготовок из него для узла уплотнения нефтехимического оборудования с условиями эксплуатации: температура рабочей среды 330°С, давление 2200 атм (220 МПа). Одной из проблем в данной области является создание улучшенного материала для надежной конструкции уплотнительного узла.
Одним из решений является применение в конструкциях уплотнительных узлов новых полимерных композиционных материалов.
Указанная цель достигается тем, что предлагаемый композиционный материал на основе политетрафторэтилена содержит порошок меди, микроволокно базальта, предварительно механоактивированные в течение 2 мин в планетарной мельнице, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фторопласт 4, ГОСТ 10007-80 - 75; порошок меди ПСМ-1, ГОСТ4960-75 - 15; микроволокно базальта, ТУ 5769-001-16361318-2003 - 10. При этом заготовки из него для узлов уплотнения получают прессованием при давлении 220 МПа и последующем спекании путем последовательного увеличения температуры от 20°С до 300°С за 6,5 часов с выдержкой в течение 1 часа, дальнейшего понижения температуры с 300°С до 250°С за 6,5 часов и с 250°С до 20°С за 6,5 часов.
Изготовление композиционного материала и заготовок из него технологически совмещаются. Материал изготавливается и поставляется в виде заготовок, которые далее обрабатываются на стандартном металлорежущем оборудовании.
Заявляемый композициционный материал имеет следующие механические характеристики.
Характеристика материала
Характеристика, размерность
Величина, точность измерения
Плотность, г/см<sup>3</sup>
2,10+0,10
Предел прочности при сжатии, МПа
5,0+0,5
Модуль упругости при растяжении, МПа
550+50
Модуль упругости при сжатии, МПа
450+50
Твердость но Бринеллю, МПа
60+10
Температура плавления матрицы, °С
327+5
Полученный новый композициционный материал применяется для уплотнительного узла аварийного высокоскоростного клапана реактора полиэтилена высокого давления. Уплотнение, полученное из заявляемого материала, обеспечивает герметичность клапана химического реактора полиэтилена высокого давления в эксплуатационном режиме нагружения. Заявляемый материал применяется в качестве уплотнений в узлах первого и второго каскадов компрессоров реактора в ООО «Томскнефтехим».
Для ООО «Томскнефтехим» разработаны, изготовлены и поставлены втулки из полимерного композиционного материала в качестве заготовок для уплотнительных элементов.
Проведенные в условиях производства испытания в период с марта 2005 г. по февраль 2006 г. показали необходимую герметичность клапана в эксплуатационном режиме нагружения и уплотнительные кольца рекомендованы к дальнейшему использованию в сальниках арматуры высокого давления вместо импортных аналогов.
Изготовленные из этого материала элементы уплотнения сохраняют работоспособность в течение 2-4 лет (зарубежные прототипы требовали замены каждые 2-4 месяца). Условия эксплуатации: температура рабочей среды 330°С, давление 2200 атм (220 МПа).
Источники информации
1. Машков Ю.К., Полещенко К.Н., Поворознюк С.Н., Орлов П.В. Трение и модифицирование материалов трибосистем. - М.: Наука, 2000. - 280 с.
2. Кондрашов Э.К., Бейдер Э.Я., Донской А.А. и др. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике // Российский химический журнал. Т. LII. №3. - 2008. С. 30-44.
3. Современные полимерные и композиционные материалы для уплотнительной техники [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://www.constanta-2.ru/index.php?page=stati-l
4. Зерщиков К.Ю., Семенов Ю.В., Ваниев М.А. и др. Полимерные уплотнения для экстремальных условий эксплуатации // Трубопроводная арматура и оборудование. №3(30). - 2007. С. 55-56.