Полимерные седла поворотной арматуры. Современные подходы к выбору и изготовлению

Станислав Львович Горобченко, 2021

В монографии разрабатываются способы повышения эффективности выбора, изготовления и применения полимерных седел шаровых кранов и дисковых затворов большого диаметра с использованием численного моделирования и оценивается перспективность изготовления седел новой конструкции методом 3D-печати. Разрабатываются модели седел с ребрами жесткости из дешевых пластиков, применяемых в 3D-печати, не уступающие седлам сплошного сечения из дорогих фторопластов для магистральных водоводов. Представлены подходы к технологическому прогнозированию потребности изделий из пластика на длительную перспективу. Книга предназначена для специалистов по трубопроводной арматуре и эксплуатирующих арматуру отраслей, а также для студентов старших курсов профильных специализаций.

Раздел 2. Материалы для изготовления уплотнений

2.1. Кратко о полимерах

Полимеры — это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев — мономеров одинаковой структуры. Их молекулярная масса может составлять от 5000 до 1000000 ед. Полимеры состоят из цепочек из отдельных звеньев, что задает гибкость, но она ограничена размерами элементов и жесткостью звеньев.

Сцепление полимеров обеспечивается степенью жесткости связей. Так, основные атомные цепи обладают жесткой ковалентной связью, с энергией связи до 330 кДж/моль. Межмолекулярные цепи по своей физической природе обладают водородной связью на основе притяжения молекул водорода и когезии. Энергия связи составляет от 5 до 40 КДж/моль.

Полимеры построены из одинаковых по структуре звеньев. Сополимеры состоят из разнородных звеньев. Одним из свойств полимерной структуры является стереорегулярность — это свойство правильного расположения звеньев в пространстве. Это свойство определяет повышенные свойства полимеров.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимеры делятся:

1. по составу

2. по форме макромолекул

3. по фазовому состоянию

4. по полярности

5. по отношению к нагреву.

По составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры наиболее используемы, их основная цепь образована углеродными атомами (карбоцепные полимеры). В гетерогенных полимерах связь образована кислородом, фосфором и хлором. Кислород придает связи гибкость, фосфор и хлор — огнестойкость, сера — газонепроницаемость, фтор — химическую стойкость

Элементоорганические полимеры — это полимеры, основная цепь которых образована атомами кремния, титана, алюминия с группами СН₃, СН₆, СН₂. Металлы придают полимеру теплостойкость как карбонильные группы — эластичность. В основном используются кремнийорганические полимеры.

Неорганические полимеры — это силикатные стекла, керамика, слюда, асбест и др. Их основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др. Внутриатомная связь — ковалентная, цепи между собой образуют ионную связь. Этот вид полимеров обладает высокой плотностью, длительной теплостойкостью, но и высокой хрупкостью. Характерный представитель — силикаты.

Смешанные полимеры — это класс композитов. Характерный представитель — стеклопластик.

По форме линейные полимеры делятся на линейные, разветвленные, плоские, ленточные (лестничные) и пространственные (сетчатые). Виды полимеров по форме приведены ниже, рис.2.1.

Рис. 2.1. Формы линейных полимеров

Линейные полимеры образуют прочную связь вдоль цепи и имеют слабую межмолекулярную связь. Это придает им высокую эластичность, способность размягчаться и затвердевать. Характерный представитель — полиамиды. Виды

Лестничные полимеры имеют более жесткую цепь, что придает им свойство повышенной теплостойкости, жесткости и малой растворимости.

Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул. Они не плавятся и не растворяются, обладают высокой упругостью. Делятся на редкосетчатые — имеющие высокую упругость (мягкие резины), густосетчатые, имеющие высокую твердость и теплостойкость. К ним относятся большинство конструкционных пластиков. К паркетным полимерам относится графит.

По фазовому состоянию полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Для кристаллических полимеров характерно появление надмолекулярных структур.

Аморфные полимеры однофазны, собраны из цепных молекул в пачки, которые состоят из многих рядов макромолекул. Они способны перемещаться.

Глобулы — это свернутые в клубки цепи, они имеют невысокие свойства, для них характерна хрупкость по границам зерен из-за недостаточной связи.

Кристаллические полимеры образуются из гибких регулярных структур при фазовом переходе внутри пачки и формируют пространственные решетки кристаллов.

Образование кристаллической структуры происходит следующим образом:

1. складывание гибких пачек в ленты

2. соединение лент друг с другом с образованием пластин

3. наслоение пластин друга на друга с образованием правильных структур.

Рис. 2.2. Образование полимера полистирола из мономера

Сферолиты образуются при затрудненном образовании объемных кристаллов из меньших структур. Происходит чередование кристалличных и аморфных участков в виде лучей.

Рис. 2.3. Сферолиты с образованием из пластин. Масштаб — несколько мкм.

Свойствами кристаллических структур являются организованность, термодинамическая стабильность, большое время жизни без нагрузки.

Обычно в полимерах встречается двухфазная структура. Кристалличность придает ей жесткость, твердость и теплостойкость. Однако, надмолекулярные структуры при длительном хранении, эксплуатации или переработке подвержены изменениям и распаду.

По полярности полимеры делятся по наличию диполей центров распределения положительного или отрицательного зарядов. Условиями образования полярности являются:

1. наличие полярных связей (-Cl, — F, +OH)

2. несимметрия в структуре по силе связей: C-H < C-N < C-O < C-F< C-Cl.

Неполярные полимеры, как правило, углеводороды, являются диэлектриками и обладают морозостойкостью. Полярные полимеры обладают жесткостью, теплостойкость, но низкой морозостойкостью.

По отношению к нагреву полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры размягчаются при нагреве, плавятся и затвердевают обратимо. Они имеют линейную или разветвленную структуру.

Термореактивные полимеры сначала линейны и размягчаются. Затвердевают из-за химических реакций с образованием пространственной структуры и остаются твердыми в термостабильном состоянии.

ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Особенности полимерных материалов

1. неспособность переходить в газовую фазу из-за высокой молекулярной массы

2. полидисперсность — она определяет значительный разброс механических свойств

3. зависимость от структуры и эксплуатационных условий.

Полимеры могут находиться в нескольких основных состояниях:

Стеклообразное — это твердое, аморфное состояние, где колебания атомов происходят без колебания цепей.

Высокоэластичное — обратимое изменение формы при небольших нагрузках, происходит из-за изгиба макромолекул

Вязкотекучее — жидкое состояние с высокой вязкостью, при котором подвижна вся макромолекула. Состояние вязкотекучести определяется по термомеханическим кривым.

Для пространственных полимеров характерно стеклообразное состояние. Для редкосетчатых полимеров характерно стеклообразное и высокоэластичное в вязкотекучем состоянии. Характерным является область упругих деформаций и после превышения предела вынужденной эластичности. При небольших напряжениях происходит перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентация в направлении действующей силы. Так, в резинах узлы сетки препятствуют перемещению полимерных цепей. Происходит переход в высокоэластичное состояние до химического разложения без вязкотекучести.

Кристаллические полимеры тверды до температуры кристаллизации, но имеют разную жесткость из-за наличия аморфных участков.

Полимеры с плотной сетчатой структурой имеют характеристики кривой деформация — растяжение, соответствующее упругим деформациям с небольшими значениями. Высокоэластичная деформация практически отсутствует. Кристаллические полимеры имеют зоны упругой деформации с образованием шейки разрыва на образце, участок значительной деформации за счет распространения шейки на всю длину образца и участок разрыва.

Для полимеров характерно т.н. ориентационное упрочнение, когда при медленном растяжении в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии макромолекулы и надмолекулярная структура ориентируется в силовом поле. При этом усиливается межмолекулярное взаимодействие, повышается температура стеклования, уменьшается температура перехода к хрупкости и повышается прочность. Появляется анизотропность вплоть до расслоения. Прочность может увеличиваться в 2-5 раз в продольном направлении и снижаться на 30-50% в поперечном. Модуль упругости возрастает в 2 раза. Кристаллические участки в полимере улучшают свою структуру с повышением прочности, тогда как аморфные участки дезориентируются.

Релаксационные свойства полимеров — это свойства, зависящие от времени, действия и скорости приложения нагрузки из-за раскручивания и распрямления цепей и перемещения макромолекул. Скорость релаксации составляет до 10 — 4 и может продолжаться сутками и месяцами. Релаксационную способность полимеров определяют по релаксации напряжений при неизменном удлинении.

В линейных полимерах релаксация связана с перемещением макромолекул относительно друг друга до снижения внешнего напряжения до нуля. В сетчатых полимерах релаксация чаще всего не происходит до определенного момента, когда нет нарушений связей, и полимер продолжает удерживать приложенное напряжение.

Полимеры склонны к ползучести, когда при снятии нагрузки остается пластическая деформация. У сетчатых полимеров происходит релаксация напряжений до нуля без образования деформационных участков.

Долговечность полимера определяется силой энергии связи в цепи, состоянием структуры, приложенным напряжением и температурой. При повышении приложенного напряжения и температуре долговечность падает и эта зависимость сильнее, чем у металлов.

Старение полимеров — это самопроизвольное необратимое уменьшение технических характеристик со временем. Причиной являются воздействие света, теплоты, кислорода, озона, многократные деформации и влага. Для определения способности противостоять старению проводят испытания: естественное в атмосфере, тепловое при Т<Тпл на 50⁰С до 50% снижения характеристик.

Причиной старения является образование сложных радикалов с деструкцией полимера из-за окисления кислородом или структурирование. Деструкция приводит к размягчению, выделению летучих веществ (каучук). Структурирование, напротив, приводит к увеличению твердости, хрупкости, потери эластичности (полистирол). Тепловое старение наблюдается при температурах 200-500⁰С и выше с образованием газовой фазы из-за разложения компонентов во всем объеме.

Термостабильны полиэтилен, полифенолы. Они обладают высокой теплотой полимеризации или высокой степенью полярности, как фторполимеры. Устранение склонности к старению достигается добавкой органических стабилизаторов и антиоксидантов (амины, фенолы). Это приводит к значительному увеличению срока службы. Так, для полиэтилена, стабилизированного сажей, можно увеличить срок службы более 5 лет, поливинилхлорида до 10-25 лет.

Радиационная стойкость — способность противостоять ионизации и возбуждению, из-за которых происходит разрыв связей и образование свободных радикалов. Основными вредными проявлениями являются сшивание цепей или деструкция. При сшивании увеличивается молекулярная масса, повышается теплостойкость и механические свойства.

При деструкции происходит снижение молекулярной массы и уменьшение прочности. Деструкция характерна для полипропилена, полиэтилена и полиамида. Наиболее устойчивы к радиации бензолы (полистирол). Устранение вредного влияния радиации достигается введением антирадов — ароматических аминов, устраняющих энергию возбуждения и обеспечивающих ее рассеяние.

Вакуумстойкость полимеров. При вакуумировании возможно ухудшение свойств из-за выделения добавок из материала (пластификаторов, стабилизаторов) и деструкция. К примеру, это может быть деполимеризация. К потере вакуумстойкости склонны полиэтилен, полипропилен, полиамиды. Оценка вакуумстойкости проводится по газопроницаемости, газовыделению и вакуумплотности.

Газопроницаемость — это способность пропускать газ через уплотнитель. На газопроницаемость влияют состав, структура, природа газа, температура. Газопроницаемость меньше у полярных и линейных полимеров, выше у гибких макромолекул, при введении пластификаторов, и в меньшей степени при введении минеральных наполнителей.

Абляция — разрушение материала, сопровождаемое уносом его массы газовым потоком.

Ее характеризуют через абляционную стойкость. Она определяется устойчивостью к механической, тепловой и термоокислительной деструкции. Для линейных полимеров характерна низкая стойкость к деструкции и деполимеризации, для лестничных и сетчатых характерно структурирование и обезуглероживание. Для повышения абляционной стойкости материала, его армируют более теплопроводящими материалами, например, железом.

Адгезия — это слипание разнородных тел из-за межмолекулярного взаимодействия. Это явление используется при нанесении пленок и покрытий. Для полимеров может встречаться и аутогезия — самослипаемость. Ее причинами являются адсорбция, электростатическое притяжение, диффузия макромолекул.

ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

Пластмассы — массы, получаемые на основе органических полимерных связующих. Они способны при нагреве быть пластическими, а отверждаются при дальнейшем нагреве или охлаждении.

Состав, классификация и свойства пластмасс.

В состав пластических масс входят:

1. Связующие (синтетические смолы, эфиры, целлюлозы) и наполнители — порошкообразные или волокнисты. При пропитке наполнителя связующими и их опрессовывании получается монолитная масса.

2. Наполнители служат для повышения механических свойств, снижения усадки и придания специфических свойств.

3. Пластификаторы повышают эластичность и облегчают обработку.

4. Отвердители — амины

5. Катализаторы — перекисные соединения для ускорения отвержения термореактивных полимеров

6. Ингибиторы предохраняют массы от самопроизвольного отвержения

7. Красители.

Свойства пластмасс определяются составом компонентов, сочетанием компонентов и их количественным соотношением.

Классификация пластмасс.

Пластмассы классифицируют

1. по типу связующего

1.1. термопласты — удобны, усадка менее 1-3%, упруги, нехрупки, способны ориентироваться и иметь ориентационное упрочнение.

1.2. реактопласты — хрупки, усадка до 10-15%, для повышения их свойств вводят усиливающие или пластифицирующие наполнители.

2. По виду наполнителя

2.1. порошковые (карболиты) — наполнителем является древесная мука, графит, тальк

2.2. волокнистые — в качестве волокна используют очесы хлопка или льна, стекловолокно, асбест.

2.3. слоистые — используют листовые наполнители

2.4. газонаполненные — пено-поропласты, где наполнителем является воздух или нейтральные газы.

3. По применению

3.1. силовые — конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные

3.2. несиловые — прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, декоративные, уплотнительные.

Особенности пластмасс

Их достоинствами являются:

1. малая плотность 1-2 т/м³

2. низкая теплопроводность 0.1 — 0,3Вт/мК

3. Электроизоляционные свойства

4. химическая стойкость

5. антифрикционность

6. прочность

7. технологичность.

Недостатками являются:

1. низкая теплостойкость

2. высокое тепловое расширение (в 10-30 раз больше, чем у стали)

3. низкая упругость и вязкость

4. склонность к старению

ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

Термопласты — полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда с пластификатором. Свойства — Траб — обычно не выше 60-70⁰С, теплостойкие до 150-250⁰С, термостойкость с жесткими цепям и циклическими структурами — до 400 — 600⁰С.

Особенности эксплуатации — при эксплуатации происходит снижение прочности и вынужденная эластичность при длительном статическом нагружении. — повышение хрупкости с ростом скорости деформации. Прочность — 10-100МПа, модуль упругости 1,8-3,5х10³ МПа. Хорошо сопротивляются усталости сигма 0,2-0,3 от предела прочности.

Виды термопластов — полярные и неполярные. Неполярные — полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласт 4. Полярные термопласты — фторопласт 3, ПВХ, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталаты, поликарбонаты, полиакрилат, пентапласты, полиформальдегиды.

Термостойкие пластики

Термостойкость обеспечивается за счет введения фениленовых звеньев, что обеспечивает работоспособность при 400⁰С и при замене гибких звеньев на жесткие гетероциклические, что повышает Траб до 600⁰С. Виды термостойких пластиков: ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфоны, гетероциклические полиимиды.

Термопласты с наполнителями

Связующим является полимерная основа. Наполнители — стекловолокно, асбест, органические волокно, углеродные волокна и пр. Волокнистые наполнители образуют каркас и упрочняют материал. Промышленное использование имеют полиамиды и поликарбонаты, наполненные рубленным стекловолокном. Это повышает прочность до 90-149 МПа, обеспечивает повышенное сопротивление усталости и износу при Тисп 60-180⁰С.

Перспективны термопласты с синтетическим наполнителем — пропиленом, капроном, лавсаном, винолом. При близкой химической природе и типе связей обеспечивается совместная работа на упрочнение и рост длительной прочности в десятки раз.

Слоистые термопласты — в них используются ткани из различных волокон. Пример: полиамид, армированный стеклотканью, имеет предел прочности 430 МПа, предел текучести 280 МПа, ударную вязкость а = 250 КДж/м², Тисп = 220⁰С.

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Связующими являются термореактивные смолы с пластификаторами, отвердителями, катализаторами, замедлителями и пр. Смола склеивает слои наполнителя, что необходимо для прочности при расслаивании. Адгезивность обеспечивается полярностью.

Виды связующих — фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, имеющие наибольшею адгезию. Это дает возможность использовать армированные пластики. Они обладают высокой прочностью.

Теплостойкость кремнийорганических смол 260-370⁰С, фенолформальдегидных до 260⁰С, эпоксидных до 200⁰С.

Для крупногабаритных деталей используют непредельные полиэфиры и эпоксидные смолы. Они твердеют не только при повышенной, но и нормальной температуре без усадки и выделения вредных веществ.

Используются наполнители — порошковые, волокнистые, слоистые. В качестве порошковых используют органические (древесная мука), минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит). Порошковые пластмассы отличают изотропность, низкая прочность и вязкость. Их применяют в несиловых конструкциях. Пластмассы с минеральными наполнителями имеют хорошую водостойкость, химическую стойкость, электроизоляционность.

ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Газонаполненные пластмассы — это гетерогенные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Структура состоит из связующих, образующих стенки пор или ячеек с распределенной в них газовой фазой. Основными свойствами являются малая масса и высокие тепло и звукоизолирующие свойства.

Основные виды газонаполненных пластмасс — пенопласты, поропласты, сотопласты.

Пенопласты. В них ячеистая структура представлена газообразным наполнителем и изолирована друг от друга тонкими слоями полимерного связующего. Свойства: плавучесть, термоизоляционность, невысокая прочность. Используются пенополистирол ПС с Тисп до +-60⁰С, фенолкаучуковые ФК Е120-160⁰С, пенополиэпоксиды и др.

Поропласты — губчатые материалы с открытопористой структурой, где включения газа свободно сообщаются между собой и атмосферой. Применяются для водопоглощения и пр.

Сотопласты — тонколистовые материалы в виде гофра, склеиваются в виде пчелиных сот. В качестве материала в настоящее время используются ткани.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛАСТМАСС

1. снижение материалоемкости за счет малой массы в 4-5 раз

2. снижение трудоемкости вместо литья, ковки и резания только формообразование — в 4-5 раз, например, вместо 30-50 операций производится только одна — литье.

3. снижение капиталовложений на оборудование и инвентарь — в 4-6 раз.

4. себестоимость продукции уменьшается в 2-3 раза, дешевле цветных металлов в 4-9 раз, дешевле черных металлов в 2-6 раз.

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».

Перспективным материалом для изготовления уплотнений является термопласт PEEK (Poly-etheretherketone или Полиэфирэфиркетон), обладающий высокой износостойкостью и сохраняющий механические свойства при температуре до 300^OC. Важное качество PEEK ─ устойчивость к воздействию водяного пара. Его использование позволяет получить износоустойчивое и термостойкое уплотнение.

Широкое распространение получили эластомеры ─ материалы, которые при приложении небольших усилий способны значительно деформироваться, а после снятия нагрузки немедленно возвращаться в исходное положение.

В качестве материала для уплотнений затворов трубопроводной арматуры используются различные резины. Высокой прочностью и хорошей сопротивляемостью к истиранию обладают резины на основе СКН (бутадиен-нитрильного каучука).

Достаточно широко для изготовления седловых уплотнений применяется EPDM ─материал уплотнения, относящийся к синтетическим эластомерам. Этиленпропиленовый каучук или этилен-пропилен-диен-каучук (аббревиатура EPDM означает Ethylene Propylene Diene Monomer rubber) отличается хорошими механическими свойствами и может работать в широком ─ от минус 50⁰C до плюс 150^OC ─ температурном диапазоне. Материал устойчив к высокотемпературным и агрессивным рабочим средам ─ горячей воде, пару, щелочам. Русская аббревиатура ─ СКЭП (двойной) или СКЭПТ (тройной) этиленпропиленовый каучук.

NBR─ материал уплотнения, также являющийся эластомером, только на другой ─ акрил-нитрил-бутадиен-каучуковой ─ основе. Обладает высокой твердостью и достаточно высокой износостойкостью. В уплотнениях затворов трубопроводной арматуры также используется H-NBR ─гидрированный акрил-нитрил-бутадиен-каучук.

Сополимеризацией фторсодержащих мономеров получают т. н. фторкаучуки (или фторорганические каучуки, фторэластомеры). Присутствие фтора делает их термостойкими и устойчивыми к воздействию многих агрессивных сред. В России применительно к этим материалам используется аббревиатура СКФ. Материал уплотнения FKM (Fluorinated propylene monomer) и FPM (Fluorocarbon) ─ это разные у различных занимающихся стандартизацией организаций, названия одного и того же продукта. Материал уплотнения Viton─ торговая марка. FKM (FPM) ─ материал уплотнения, имеющий набор важных качеств: высокую теплостойкость, хорошую износостойкость и стойкость к абразивному истиранию, химическую инертность

По материалам сайта www.armatek.ru [5]

Для сравнения приведем материалы, которые использует известная американская компания Jamesbury для своих шаровых кранов и поворотных затворов.

2.5. Кейс. Материалы для уплотнений компании Jamesbury

Компания Jamesbury производит арматуру с полимерными седлами, начиная с 1956 года, и накопила значительный опыт в эксплуатации подобной арматуры.

Ее наиболее используемые типы пластмасс для шаровых кранов показаны ниже, табл.1.

Табл. 1. Материалы для полимерных седел шаровых кранов компании Jamesbury

Компания производит шаровые краны и обеспечивает их разнообразными седлами из разных пластмасс, как для массового, так и специального применения. Главной задачей выбора материалов седел является надежность и устойчивая работа в как можно большем периоде эксплуатации.

Компания учитывает такие важные факторы, определяющие надежность отсечки, как природа рабочей среды. Жизнь седла в большой степени зависит от давления, температуры, степени скачков и флуктуации давления и температуры, скорости потока, скорости работы клапана, частоты циклов открытия-закрытия. Все эти параметры можно обнаружить в реальной эксплуатации. Правильный выбор седла должен противостоять всем этим факторам.

PTFE (T)

Основной тип материала седла шаровых кранов — это чистый PTFE, обеспечивающий работоспособность седла при Т — 73⁰С до 204⁰С и химическую совместимость для множества разнообразных химических сред, также как и для работоспособности в условиях радиации.

Наполненный PTFE (M)

Наполненный или армированный PTFE сочетает в себе все свойства чистого PTFE по химической стойкости, но способен работать при более высоких температурах до 260⁰С при диаметрах до DN150 мм. Седла для больших номинальных диаметрах работают при температурах до 232⁰С.

PTFE С НАПОЛНИТЕЛЕМ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПРОТЕКТОРОМ (W)

PTFE с наполнителем и металлическим протектором является подвидом наполненного PTFE. Эти седла специально разработаны для условий эксплуатации с частыми гидравлическими ударами. Одно из главных применений — в целлюлозно-бумажных комбинатах на участках выдува варочных котлов.

PEEK (L)

Материал основан на полиэтилентерекетоне и значительно увеличивает способность работы седла в условиях пара. Седла предназначены для качественной отсечки в условиях насыщенного пара до 33Бар. Седла из этой пластмассы расширяют диапазон температурного применения арматуры с полимерными уплотнениями до 288⁰С с повышением коррозионной стойкости.

DERLIN (R)

Седла из пластмассы DERLIN используются в арматуре, предназначенной для высоких давлений до класса ANSI 600. Это позволяет им полностью соответствовать и классу давления корпусов арматуры.

UHMV Polyethylene (U)

Пластмассы используется для чрезвычайно радиоактивных материалов, где невозможно применить пластики массового применения, такие как полиэтилен. Седла также применяют для табачной промышленности, где запрещено использование PTFE и эффективно применяются там, где рабочей средой являются высокоабразивные среды.

PFA (В)

Седла из этого пластика способны выдерживать влияние деполимеризации, таких, как при взаимодействии с бутадиеном и стерином.

Polyimide (V)

Полиимиды обеспечивают герметичную отсечку при температурах до 371⁰С при эксплуатации в среде горячих газов, горячих масел, нефтей и органических теплоносителей. Однако, полиимиды непригодны для использования в среде пара или других средах, содержащих воду или водяной пар.

X-TREME (X)

Седла X-TREME имеют широкое применение. Этот фторопласт с наполнителем инженерного класса работает при температурах до 260⁰С при существенно более высоких давлениях по сравнению с наполненным PTFE. Он не имеет остаточной деформации и эффекта возврата при термоциклировании и пульсациях давления, хорошо подходит для работы с паром, горячими газами, теплоносителями и применим во множестве разнообразных химических процессах и средах.

Основной принцип выбора седела арматуры заключается в нахождении такого соотношения давления и температуры, при которых седло способ надежно работать. Эти оценки основаны на перепаде давления с шаровой пробкой клапана в полностью закрытом положении и относятся только к седлам. Компания обозначает классы давления (по соотношению давления и температуры) в соответствии с принятыми классами давления для корпусов арматуры в зависимости от используемых в них материалах. Кривые по классу давления для седел из различных материалов для шаровых кранов компании Jamesbury приведены ниже, рис.1.

а)

б)

в)

Рис. 1. Пример расчета класса давления для материалов седел шарового крана диам. 8-50мм серии Value line (Jamesbury)

а) Т — PTFE и M — filled PTFE; б) X-treme, T-PTFE, R-Delrin; в) X-treme, T-PTFE, R-Delrin, U-UHMW Polyethylene

Одновременно компания предусматривает, какие значения момента должны быть использованы для конкретных видов седел в зависимости от используемого в них материала, см. пример на рис.2.

Рис.2. Рекомендуемые поворотные моменты привода в зависимости от типа седел и диаметра арматуры (компания Jamesbury)