Выбор материалов для уплотнительных изделий: углеграфит, SiC, эластомеры и PTFE

Выбор материалов для уплотнительных изделий — это подбор для каждой смачиваемой детали уплотнения такого материала, который одновременно обеспечивает химическую совместимость, работу в пределах температуры и давления и нужное поведение при износе. В торцевом уплотнении решение охватывает три группы: пару трения, эластомерные или PTFE-элементы вторичного уплотнения и металлические детали; для сальниковых набивок и прокладок выбирается материал плетения или листа.

Эти группы не независимы. Правильно выбранная поверхность из карбида кремния может начать протекать уже через несколько недель из-за уплотнительного кольца, несовместимого со средой, а стойкий эластомер не спасёт пружину, растрескавшуюся в воде с хлоридами. Ресурс уплотнения чаще всего определяет самый слабый материал. О роли каждого компонента внутри уплотнения читайте в статье что такое торцевое уплотнение.

Сначала руководство перечисляет факторы, определяющие выбор, затем по отдельности рассматривает пары трения, эластомеры, PTFE, металлические детали и материалы сальниковых набивок и прокладок. В конце приведены таблица выбора по рабочей среде и типичные отказы, вызванные несовместимостью материалов. Оценки в таблицах — качественный инструмент предварительного отбора; окончательный выбор делается по анализу среды и данным производителя о материале.

Решение о материале принимается по полному набору условий эксплуатации, а не по названию среды. Один и тот же насос за день может перекачивать технологическую среду, промывочную воду и моющие химикаты; выбор делается по самой тяжёлой позиции этого списка.

Факторы ограничивают друг друга: эластомер, совместимый со средой при комнатной температуре, может набухнуть в той же среде при высокой температуре, а марка углеграфита, долго работающая в чистой воде, быстро изнашивается, как только в ту же воду попадает песок. Поэтому таблицы совместимости всегда читают с учётом температуры и содержания частиц. Факторы из списка в этом разделе обычно оценивают в таком порядке.

• Рабочая среда: химический состав, pH, содержание растворителей, окислительные свойства и смазывающая способность. Это первый критерий отбора для эластомера и пропитки углеграфита.
• Температура: не только постоянная рабочая температура, но и минимальная температура и пиковое значение во время циклов мойки, стерилизации паром или кратковременного сухого хода. Пригодность класса эластомера по температуре проверяют по этому пиковому значению, а не по постоянной температуре.
• Давление: увеличивает нагрузку на поверхности и, следовательно, тепловыделение от трения; для эластомера повышает риск экструзии в зазор. При высоком давлении может потребоваться более твёрдая марка эластомера или опорное кольцо.
• Скорость: окружная скорость вместе с давлением образует значение PV. С ростом PV на первый план выходят материалы поверхностей с высокой теплопроводностью.
• Частицы и абразивность: с ростом содержания твёрдых частиц мягкая углеграфитовая поверхность быстро изнашивается; нужны пара трения «твёрдый/твёрдый» и защищённый механизм. Подробнее — в руководстве торцевые уплотнения для абразивных сред.
• Требования пищевой, фармацевтической отрасли и питьевой воды: FDA устанавливает в США правила, регулирующие рецептуру материалов, контактирующих с пищевыми продуктами; WRAS — программа одобрения в Великобритании для изделий и материалов, контактирующих с питьевой водой. Эти требования определяют не класс материала, а подходящую марку внутри класса.
• Баланс стоимости и ресурса: FFKM или пара «твёрдый/твёрдый» там, где они не нужны, добавляют затраты без прироста ресурса, а дешёвый материал, работающий на пределе, возвращает экономию ранним отказом.

Первичное уплотнение образуют две поверхности — вращающаяся и неподвижная, и это самая нагруженная группа материалов уплотнения. Устоявшаяся практика — одна поверхность мягче другой: мягкая поверхность прирабатывается к ответной, и износ развивается контролируемо. Пары из двух твёрдых поверхностей обычно оставляют для абразивных сред, высоких нагрузок на поверхности или сред, в которых углеграфит химически непригоден.

Для мягкой поверхности выбор почти всегда — углеграфит. С точки зрения выбора важно, с какой пропиткой заказывается углеграфит: марки с пропиткой смолой предпочтительны для воды и общих химикатов, марки с пропиткой сурьмой — для более высоких давлений и температур и против вспучивания (блистеринга), наблюдаемого в высоковязких маслах; в каустике и сильных кислотах пропитка также должна быть стойкой к этой среде. Самосмазывание углеграфита защищает уплотнение в короткие моменты сухого хода; в среде с твёрдыми частицами его мягкость — главная слабость, и он быстро изнашивается.

Для твёрдой поверхности выбор обычно начинается с карбида кремния (SiC): твёрдость, теплопроводность и химическая стойкость делают его самой распространённой твёрдой поверхностью. При выборе по среде решает, какая из двух марок SiC указана. Спечённый SiC (SSiC), не содержащий свободного кремния, — надёжный выбор для каустика, сильных кислот и сред высокой чистоты; более экономичный реакционно-спечённый SiC (RBSiC) достаточен в нейтральных средах и чистой воде, но его свободный кремний может растворяться в сильных щелочах и плавиковой кислоте. Поэтому указать в спецификации для линии каустика просто SiC, без марки, — неполное определение. Обе марки хрупкие.

Карбид вольфрама (WC) — альтернатива SiC там, где трещиностойкость важнее твёрдости: в насосах с вибрацией, кавитацией и ударными нагрузками кромка поверхности скалывается меньше. Деталь, на которую нужно обратить внимание при выборе, — связка; в кислых средах и средах с морской водой указывают марку на никелевой связке вместо кобальтовой. Керамика из оксида алюминия — твёрдая поверхность для применений с чистой водой, где решает стоимость; из-за низкой теплопроводности она чувствительна к термоудару и обычно не выбирается для линий с риском сухого хода.

В данных о продукции MS-7 указано с вариантами поверхностей из SiC, карбида вольфрама и углеграфита. Подробное сравнение твёрдости, теплопроводности и кодов материалов — в руководстве карбид кремния или карбид вольфрама.

Таблица в этом разделе сравнивает самые распространённые пары трения по трём критериям, которые чаще всего решают выбор материала: поведение при сухом ходе и термоударе, пригодность для абразивных сред и ограничения в кислотах и щелочах. Пригодность пары зависит не только от материала, но и от конструкции уплотнения, схемы промывки и рабочей точки.

В чистых средах большинство задач решается парой с углеграфитом; пары «твёрдый/твёрдый» применяют при абразивных частицах или высоких механических нагрузках. Допуск сухого хода у пар «твёрдый/твёрдый» низкий, поэтому их устанавливают только при гарантированной непрерывной подаче смазки, промывочной или затворной жидкости.

Эластомеры — элементы вторичного уплотнения торцевого уплотнения: они герметизируют вращающуюся поверхность по валу или втулке, а неподвижную — в корпусе, и выполняются в виде уплотнительных колец или эластомерных сильфонов. В конструкциях с уплотнительным кольцом (pusher) динамическое кольцо скользит в осевом направлении, чтобы поверхности отслеживали износ; набухший или затвердевший эластомер блокирует это движение; поверхности раскрываются, и утечка проявляется на поверхностях, хотя её первопричина — эластомер.

NBR (нитрильный каучук) — экономичный эластомер общего назначения, хорошо совместимый с минеральными маслами, топливом, водой и охлаждающей водой; ограничен при воздействии озона, атмосферы и горячей воды. Его гидрированная разновидность HNBR повышает тепло- и озоностойкость. EPDM хорошо работает в горячей воде, паре, гликолевом теплоносителе, разбавленных кислотах и щелочах и кетонах; зато набухает при контакте с минеральным маслом и углеводородами. Поэтому при монтаже элементов из EPDM вместо консистентной смазки на минеральном масле используют совместимую монтажную смазку.

FKM (фторкаучук) обладает очень хорошей стойкостью к углеводородам, маслам, топливу и ароматическим растворителям и хорошей — к большинству минеральных кислот, а благодаря высокой термостойкости широко применяется в технологических насосах. Слабые места — кетоны, сложные эфиры, амины, сильные щёлочи, горячая вода и пар; гибкость стандартных марок при низких температурах тоже ограничена. У FKM и EPDM почти противоположные профили совместимости, поэтому выбор между ними обычно решается тем, является ли среда углеводородом или водой и полярным растворителем.

FFKM (перфторэластомер) благодаря полностью фторированной основной цепи даёт самую широкую химическую стойкость и самую высокую термостойкость среди эластомеров; его применяют в химических процессах, где агрессивные вещества сочетаются с высокой температурой или список сред очень широк. Цена этого — высокая стоимость. Kalrez® — зарегистрированная торговая марка DuPont; родовое название материала — FFKM. Подробнее — в руководстве по FFKM и Kalrez®. Силикон (VMQ) работает в широком диапазоне температур, но из-за низкой стойкости к раздиру и истиранию ограниченно применяется в динамическом уплотнении.

PTFE (политетрафторэтилен) встречается в уплотнительных изделиях в трёх местах: как элемент вторичного уплотнения в торцевом уплотнении, как нить плетения или пропитка в сальниковой набивке и как листовой материал во фланцевых прокладках. Торцевое уплотнение с уплотнительными кольцами из PTFE — это уплотнение, в котором вместо эластомерного кольца используется клиновая манжета, V-образное кольцо или сильфон из PTFE; его выбирают для широкого списка химикатов, с которыми эластомеры несовместимы.

PTFE выбирают за два свойства. Первое — химическая стойкость: поскольку его углеродная цепь полностью окружена атомами фтора, он инертен к кислотам, щелочам и подавляющему большинству растворителей; известные исключения — очень реакционноспособные вещества, такие как расплавленные щелочные металлы и элементарный фтор. Второе — низкое трение: у него один из самых низких коэффициентов трения среди твёрдых материалов и антиадгезионная поверхность. Типичная температура длительной эксплуатации доходит примерно до 260 °C, а при очень низких температурах он сохраняет вязкость.

Ограничения же напрямую определяют конструкцию. Под постоянной нагрузкой PTFE со временем течёт даже при комнатной температуре; эта хладотекучесть (ползучесть) растёт с температурой и ведёт к потере плотности клиновой манжеты и потере усилия затяжки болтов во фланцевой прокладке. Упругость у него очень низкая: после сжатия он не восстанавливается, как эластомер. Его коэффициент теплового расширения во много раз выше, чем у металлов, поэтому при циклах нагрева и охлаждения его размеры меняются иначе, чем у окружающих металлических деталей. Теплопроводность и износостойкость чистого PTFE также низкие.

Поэтому элементы из PTFE в торцевых уплотнениях обычно поджимаются пружиной: клиновая манжета усилием пружины вдавливается в своё гнездо, а ослабление от хладотекучести компенсируется пружиной. Там, где нужна эластичность, применяют уплотнительные кольца в оболочке из фторполимера (FEP или PFA): оболочка обеспечивает химическую стойкость, а внутренний сердечник из FKM или силикона — упругость. Тем не менее такие кольца менее упруги, чем эластомерные, а оболочку нельзя повреждать при монтаже. Марки PTFE, наполненные стекловолокном, углеродом или графитом, уменьшают хладотекучесть и повышают износостойкость. В данных о продукции IS-1 Istanbul указано с монтажом на уплотнительном кольце и клиновой манжете и с вариантом PTFE.

В сальниковых набивках кольца, сплетённые из чистой PTFE-нити, применяют в химически агрессивных средах и пищевых задачах; однако из-за низкой теплопроводности они нагреваются при высокой окружной скорости. Нити PTFE с графитом лучше отводят тепло, а в плетёных набивках из арамида или углеволокна с пропиткой PTFE он выполняет роль смазки и наполнителя. В данных о продукции SQ5000 описана как сальниковая набивка из чистого PTFE. В прокладках лист из чистого PTFE ограничен хладотекучестью; листы из наполненного (модифицированного) PTFE уменьшают хладотекучесть, а расширенный (экспандированный) PTFE (ePTFE) хорошо прилегает к неровным поверхностям фланцев.

В таблице этого раздела приведена общая пригодность пяти материалов вторичного уплотнения по классам сред. Температуры — ориентировочные диапазоны, зависящие от марки; разные рецептуры одного класса могут заметно различаться. Точную совместимость нужно подтверждать по данным производителя материала с учётом концентрации и температуры среды.

В коде материалов по DIN 24960 и EN 12756 эти классы обозначаются буквами в позиции вторичного уплотнения (третья позиция); распространённые соответствия: P = NBR, E = EPDM, V = FKM, K = FFKM и T = PTFE. Те же буквы в позициях пары трения обозначают другие материалы: например, V в позиции поверхности — керамика из оксида алюминия. Диапазон для PTFE — предел самого материала; конструкция клиновой манжеты или сильфона и давление могут его сузить.

Металлические детали торцевого уплотнения — пружины, поводковые и фиксирующие детали, втулка, фланец и, в сильфонных конструкциях, металлический сильфон. Эти детали не создают уплотнение напрямую, но поскольку они контактируют со средой, их выбор определяет коррозионная стойкость. В большинстве общепромышленных применений используется аустенитная нержавеющая сталь AISI 316; низкоуглеродистая 316L распространена в сварных деталях и гигиенических применениях. В менее агрессивных водных применениях может использоваться и марка 304.

Среды с хлоридами — слабое место нержавеющей стали. Молибден даёт стали 316 лучшую стойкость к питтинговой коррозии, чем у 304; однако в морской воде, рассолах и горячих хлоридных растворах 316 тоже может подвергаться питтингу и коррозионному растрескиванию под напряжением. В таких средах дуплексные нержавеющие стали обеспечивают более высокую прочность и стойкость к хлоридам; для более тяжёлых условий рассматривают супердуплекс, титан или сплавы на основе никеля.

Пружины в этом отношении — самые чувствительные детали: они работают под постоянным напряжением, а сечение проволоки мало, поэтому припуска на коррозию у них почти нет. Пружины малого сечения в многопружинных конструкциях более чувствительны к коррозии и забиванию, чем толстая пружина в однопружинных. Для сильных кислот и горячих хлоридных сред пружины могут изготавливаться из никель-молибден-хромовых сплавов, таких как C-276. В металлических сильфонах из-за тонкой стенки материал также часто выбирают более стойким, чем материал корпуса; о месте сильфонных конструкций читайте в руководстве виды торцевых уплотнений.

Нельзя упускать ещё две детали. Контакт разнородных металлов в одной среде может ускорять гальваническую коррозию. В щелочных растворах при высокой температуре и концентрации у аустенитных нержавеющих сталей есть риск коррозионного растрескивания под напряжением; в таких условиях на первый план выходят никель и сплавы на его основе.

Сальниковые набивки и прокладки работают по иному принципу, чем торцевые уплотнения. В сальниковой набивке плетёные кольца обжимаются грундбуксой вокруг вала, и для охлаждения оставляется контролируемая капельная утечка; в прокладке материал сжимается между двумя неподвижными фланцами и создаёт статическое уплотнение. Бренд группы для сальниковых набивок и прокладок — Carrara. Сравнение двух технологий — в статье торцевое уплотнение и сальниковая набивка.

Материал сальниковой набивки выбирают по среде, температуре, давлению и прежде всего по окружной скорости вала. С ростом скорости решающей становится способность отводить тепло трения, поэтому на высоких скоростях на первый план выходят графит и углеволокно, а чистый PTFE — на более низких. В абразивных средах твёрдые волокна, такие как арамид, сопротивляются износу, но могут изнашивать и поверхность вала или втулки; в этом случае предпочтительна упрочнённая втулка. В данных о продукции GR8800 указана как премиальная набивка из углеродной нити PAN с графитовым порошком, а N1706 — как набивка из арамидного волокна. Эффективность набивок штоков арматуры по неорганизованным выбросам — это отдельное от насосов применение — оценивают по стандартам типовых испытаний, таким как API 622.

При выборе прокладки, помимо среды и температуры, решающими являются тип фланца, усилие затяжки болтов и класс давления. В листах из сжатого волокна температурный и химический пределы в основном определяет эластомерное связующее; графитовые листы применяют при высоких температурах и в паре и часто армируют металлом; листы из наполненного PTFE предпочтительны для химических фланцев. В данных о продукции Planiflon B13 описан как прокладочный лист из модифицированного PTFE с кремнезёмным наполнителем.

В таблице этого раздела приведены комбинации, которые для распространённых классов сред служат отправной точкой в большинстве применений. Таблица — инструмент предварительного отбора: с изменением концентрации, температуры, содержания частиц и моющей химии меняется и выбор; в смешанных средах определяющим является самый ограничивающий компонент.

Даже внутри одного класса сред условия могут менять выбор. Например, FKM, достаточный для разбавленной кислоты, может оказаться непригодным для той же кислоты в концентрированном и горячем виде; пара углеграфит / SiC, дающая большой ресурс в чистой воде, может уступить место паре SiC / SiC, как только в воду попадает песок.

Большинство отказов, связанных с материалом, оставляют на снятом уплотнении читаемый след. Признаки из списка в этом разделе показывают, в каком материале произошло несоответствие, и подсказывают, что нужно изменить при следующем выборе. Общий метод анализа отказов описан в руководстве отказы и обслуживание торцевых уплотнений.

• Набухание эластомера: кольцо увеличивается, размягчается и выходит из канавки; динамическое кольцо не может скользить, поверхности теряют контакт. Причина обычно — несовместимая среда или несовместимая смазка, использованная при монтаже.
• Затвердевание, растрескивание и остаточная деформация: эластомер обычно работал выше температурного предела, перегрелся при сухом ходе или подвергся химическому воздействию (например, аминов на FKM); кольцо с уплощённым сечением и растрескавшейся поверхностью уже не восстанавливается.
• Вспучивание и отслаивание на углеграфитовой поверхности: наблюдается в вязких маслах и при частых пусках и остановах; тип пропитки нужно подбирать под применение.
• Огрубление поверхности SiC: в сильных щелочах или горячем каустике растворяется фаза свободного кремния реакционно-спечённого SiC; для таких условий выбирают спечённый SiC.
• Выкрашивание зёрен на поверхности из карбида вольфрама: в кислой среде кобальтовая связка избирательно растворяется; рассматривают марку на никелевой связке или SiC.
• Утонение и потеря нагрузки у элемента из PTFE: хладотекучесть со временем меняет форму клиновой манжеты или прокладки; требуется поджатие пружиной, наполненная марка или подтяжка.
• Поломка пружины и питтинг: в хлоридных средах на пружинах из нержавеющей стали появляются питтинг и коррозионное растрескивание под напряжением; нужен более стойкий сплав или расположение пружин вне рабочей среды.

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 многих промышленных серий поверхности из SiC и углеграфита указаны вместе с эластомерами NBR, EPDM и FKM; DR2-S и HUHNSEAL — примеры таких комбинаций. Для рекомендации по материалу совместно оцениваются название и концентрация среды, моющие и промывочные жидкости, диапазон и пик температуры, давление в камере уплотнения, диаметр и частота вращения вала, содержание частиц и требования к контакту с пищей или питьевой водой, если они есть. Варианты по сериям можно посмотреть в каталоге продукции или связаться с нами, отправив данные о применении.