FFKM и Kalrez®: выбор эластомера в торцевом уплотнении

FFKM — перфторэластомер с полностью фторированной основной цепью; в торцевом уплотнении он применяется как материал последней надежды для элементов вторичного уплотнения. Среди эластомеров он обладает самой широкой химической стойкостью и самым высоким температурным пределом и сохраняет работоспособность узла в агрессивных и смешанных средах, где нитрильный каучук (NBR), этиленпропиленовый каучук (EPDM) и фторкаучук (FKM) набухают, твердеют или растрескиваются.

Значительная часть ранних отказов уплотнений на объектах связана не с парой трения, а с разрушением элемента вторичного уплотнения — уплотнительного кольца, сильфона или клиновой манжеты. Даже при правильно выбранном материале пары трения несовместимое со средой уплотнительное кольцо за несколько недель набухает, твердеет и останавливает узел.

Руководство показывает, чем FFKM химически отличается от FKM, как торговые марки вроде Kalrez® соотносятся с родовым названием материала и какие вопросы закрывает чек-лист выбора. Классификация конструкций приведена в статье типы торцевых уплотнений, общий обзор материалов — в статье выбор материалов для уплотнительной продукции.

Фторкаучук (FKM) построен на винилиденфториде, поэтому в его цепи сохраняются связи углерод-водород. Эти связи дают хорошую стойкость к маслам и углеводородам, но именно по ним идёт атака кетонов, сложных эфиров, аминов и горячего пара.

У FFKM основная цепь фторирована полностью. Тетрафторэтилен и перфторметилвиниловый эфир полимеризуются вместе с третьим мономером, который образует узлы сшивки, и уязвимых связей углерод-водород в цепи не остаётся. Химическая стойкость приближается к стойкости PTFE, но материал сохраняет упругость и восстанавливаемость эластомера.

Плата за это складывается из трёх составляющих: удельная стоимость заметно выше, чем у остальных эластомеров; у стандартных марок ограничена морозостойкость, поэтому для холодных сред нужны отдельные марки; в газовой среде под давлением резкий сброс давления вызывает взрывную декомпрессию, для которой предусмотрены стойкие к декомпрессии марки.

Kalrez® — зарегистрированная торговая марка компании DuPont, обозначающая один из её продуктов класса FFKM; это не родовое название материала. Родовое название — FFKM, или перфторэластомер. Инженер, который вводит в поиск «kalrez», обычно ищет элемент вторичного уплотнения класса FFKM, а не конкретную марку.

То же различие действует со стороны FKM: Viton® — зарегистрированная торговая марка компании The Chemours Company для фторкаучуков FKM, и распространённый в турецкоязычном поиске запрос «viton salmastra» на практике означает торцевое уплотнение с эластомерами FKM.

Указание торговой марки в спецификации сужает цепочку поставок без технического выигрыша. Правильнее указывать родовой класс и требование: класс эластомера FFKM, рабочая температура, перечень контактирующих сред и при необходимости отметка о пищевом контакте или стойкости к декомпрессии.

Первичное уплотнение образует пара трения — вращающееся и неподвижное кольца. Эластомер выполняет роль вторичного уплотнения: он герметизирует вращающееся кольцо по валу или втулке, а неподвижное — по корпусу. В зависимости от конструкции он выполняется как уплотнительное кольцо, эластомерный сильфон или клиновая манжета; монтаж на кольце и клиновой манжете указан в данных о продукции серий вроде IS-1 Istanbul.

Этот элемент выглядит статичным, но таковым не является: вращающееся кольцо должно смещаться в осевом направлении на несколько миллиметров, чтобы пара трения отслеживала износ и перемещения вала. Затвердевший или набухший эластомер блокирует это смещение, поверхности теряют контакт, и протечка начинается именно с эластомера.

Отказы эластомера проявляются в пяти формах: набухание и рост размеров при проникновении среды в полимер; затвердевание и растрескивание от температуры или окисления; экструзия в широкий зазор под высоким давлением; взрывная декомпрессия после резкого сброса давления в газовой среде; потеря восстанавливаемости при длительном сжатии, то есть остаточная деформация.

Приведённые значения — ориентировочные диапазоны, зависящие от марки, и служат качественным первичным отбором; точные пределы подтверждаются по документации изготовителя. Стандарты DIN 24960 и EN 12756 обозначают классы эластомеров буквенным кодом: P = NBR, E = EPDM, V = FKM, K = FFKM, T = PTFE.

Решение о FFKM принимается по всем условиям эксплуатации, а не по одному веществу. Первая группа — линии, где агрессивная среда сочетается с высокой температурой: процессы химической промышленности, которые приближаются к температурному пределу FKM и одновременно содержат амины, кетоны или щёлочь, на стандартных эластомерах не работают.

Вторая группа — смешанные и переменные среды. Если один насос последовательно перекачивает кислоту, растворитель и промывочную воду, один эластомер должен быть совместим со всем перечнем, и FFKM — единственный класс, закрывающий такой перечень в одиночку.

Третья группа — требования по мойке и эмиссии. Циклы CIP с горячей щёлочью и паровые циклы SIP в каждой партии подвергают эластомер воздействию горячей щёлочи и пара; марки для пищевого контакта с соответствием FDA также существуют. Там, где утечки классифицируют по ISO 15848-1, стойкость эластомера к остаточной деформации — одно из свойств, от которых зависит удержание требуемого класса герметичности.

Применение FFKM там, где он не нужен, расходует бюджет, не давая прироста ресурса. В чистой воде, питательной воде котлов и нейтральных промышленных средах NBR или EPDM работают далеко внутри своих пределов. В линиях пищевой промышленности и напитков, где преобладают горячая вода, пар и щелочная мойка, EPDM уже является правильным классом и ведёт себя лучше FKM.

При работе с минеральными маслами, гидравлическими жидкостями, топливом и углеводородными средами в целом FKM достаточен и экономичен; пока температура остаётся ниже ориентировочного верхнего предела FKM, технических оснований переходить на FFKM нет. FFKM выделяет не одна среда, а широкий перечень сред вместе с растущей температурой.

После ответа на семь вопросов ниже обычно остаётся один класс эластомера. Если два пункта указывают на разные классы, побеждает более ограничивающий.

• Выписан ли полный перечень сред? С эластомером контактируют не только рабочая среда, но и промывочные, моющие и пусконаладочные жидкости; класс определяет самая агрессивная позиция перечня.
• Какова пиковая температура? Решение определяет пик при цикле CIP/SIP или кратковременном сухом ходе, а не длительная рабочая температура.
• Какова минимальная температура? У стандартных марок FFKM морозостойкость ограничена, поэтому низкотемпературную марку нужно запрашивать отдельно.
• Углеводороды или полярные растворители? FKM там, где преобладают углеводороды, EPDM там, где преобладают горячая вода и полярные растворители, FFKM там, где на одной линии присутствует и то и другое.
• Есть ли контакт с пищей, напитками или фармацевтикой? Марки с соответствием FDA есть и у EPDM, и у FFKM, поэтому класс по-прежнему определяют среда и температура.
• Есть ли газ под давлением или резкий сброс давления? Тогда требуются стойкая к декомпрессии марка и подходящая геометрия канавки, иначе эластомер растрескивается изнутри.
• Что делать при противоречии пунктов? Если температура указывает на FKM, а химия мойки — на EPDM, ни один класс не достаточен сам по себе; тогда FFKM остаётся единственным общим решением, а разница в цене оценивается по ресурсу.

Meccanotecnica Umbra Turkey — турецкая компания итальянского производителя торцевых уплотнений Meccanotecnica Umbra S.p.A. Из промышленной зоны Икителли в Стамбуле компания производит и поставляет торцевые уплотнения, сальниковые набивки, прокладки и вращающиеся соединения для автомобильной промышленности, бытовой техники и промышленных насосов.

В данных о продукции вариант FFKM указан для уплотнительного кольца Valgasket марки Carrara, а для серий торцевых уплотнений перечислены NBR, EPDM и FKM. Таблица ниже приводит эти варианты вместе с собственными предельными значениями изделий. Сравнение по стороне пары трения — в статье карбид кремния и карбид вольфрама.

Варианты эластомеров и материалов пары трения по сериям, а также технические PDF-файлы приведены в каталоге продукции; после передачи перечня сред, пиковой температуры и давления класс и марка эластомера определяются совместно.