Торцовые уплотнения и его элементы

В химических производствах определяющим при  выборе материалов пары трения является активность сред. В этом случае целесообразно классифицировать пары трения в зависимости or химической активности сред [2]. Однако ни та, ни другая классификация комплексно не отражают совокупность физических факторов, обуславливающих качественную работу трущейся пары. Тем не менее не отпадает необходимость в выборе критерия, определяющего работу пары торцового уплотнения.

В отечественной и зарубежной практике по аналогии с подшипниками, работающими при небольших скоростях вращения валов в режиме полужидкостного трения, для определения работоспособности уплотнения наиболее распространен параметр и (произведение среднего  удельного давления  на  скорость скольжения).

Однако этот параметр не включает в себя условия  отвода тепла от пары трения, что также важно для торцового уплотнения, как и величины и .

А, И. Голубев  предлагает за характерный параметр, определяющий режим работы пары трения, принять величину, пропорциональную избыточной температуре пары трения над температурой окружающего пространства. В качестве определяющих параметров в этом случае рекомендуются: и (где - ширина кольцевой поверхности).

Первый параметр относится к парам трения с  высокой теплопроводностью, второй - к парам трения с низкой теплопроводностью. Пока указанные параметры не представляют практической ценности, так как для их использования в расчетах иеобходимо иметь очень большое количество специальных экспериментальных данных, которых еще очень мало.

Английская фирма «Flexibox» в качестве параметра, определяющего работоспособность уплотнения, применяют параметр , где - давление уплотняемой жидкости в кГ/см², — скорость скольжения в паре в м/сек.

При этом для неразгруженных уплотнений = 71,4, а для разгруженных  = 810.

Несмотря на то, что  параметр pv является весьма условным, (он удобен при выборе уплотнений.

Основываясь на накопленном опыте подбора  материалов трущихся пар торцовых уплотнений, работающих в нефтяных средах, при выборе материалов следует исходить из вязкостных свойств перекачиваемой жидкости, а также температуры ее кипения. Сообразуясь с этим, и даны примерные рекомендации по выбору материалов трущихся пар трения торцовых уплотнений для нефтепродуктов (см. табл. 3).

 

МАТЕРИАЛЫ УПЛОТНЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

 

Как было показано выше, не малое влияние на работоспособность торцового уплотнения оказывают и вспомогательные уплотняющие элементы. Следовательно, выбор материала для них имеет большое значение.

Наиболее  распространенными являются кольца круглого сечения из эластичных материалов.

Материал  уплотнительного кольца должен обладать достаточной упругостью и иметь относительно низкий коэффициент трения. Упругость материала кольца должна обеспечивать плотное и равномерное обжатие им вала таким образом, чтобы в случае возможных перекосов вращающейся или неподвижной втулки нe нарушался контакт трущихся поверхностей в результате заклинивания уплотнительного кольца в зазоре между вращающейся втулкой и валом.

Материалы для  уплотнительных колец следует выбирать с учетом их масло- и бензостойкости, химической и термической стойкости, а также с учетом влияния этих факторов на их упругие свойства.

Поэтому в  качестве материала для уплотнительных колец больше применяют резину различных сортов.

Однако при работе в нефтяных средах резина набухает. При повышенной температуре набухание усиливается. В результате этого увеличивается сила трения резинового уплотнительного кольца относительно вала (или гильзы), что может привести к заклиниванию узла аксиально подвижной втулки торцового уплотнения (если резиновое уплотнительное кольцо имеет квадратное сечение). При набухании резиновых уплотнительных колец круглого сечения их трение по валу или по втулке увеличивается в меньшей степени, так как при набухании в основном изменяется форма сечения колец.

Все изложенное послужило основанием для применения резиновых уплотнительных колец круглого сечения в торцовых уплотнениях, работающих в нефтяных средах.

Резиновые уплотнительные кольца круглого сечения следует изготовлять в пресс-формах. Склеивать их из шнура не рекомендуется, так как получается неровный и ненадежный стык.

Пресс-формы  должны обеспечивать быструю и удобную  выемку готовой детали, очистку и закладку заготовки. Разъем пресс-формы обычно составляет угол 45° по отношению к плоскости вращения кольца.

При таком  угле разъема обеспечиваются гладкие  уплотняющие поверхности по наружному и внутреннему диаметрам кольца.

При назначении размеров пресс-форм следует учитывать усадку резины (например, усадка резины .марки 3826 составляет 1,5%).

Как правило, уплотнительные кольца из резины применяются при работе уплотнений на сравнительно химически инертных жидкостях — темные и светлые нефтепродукты (масла, мазут, соляровые фракции, дизельное топливо, керосин, бензин).

В этих средах, работающих при температуре до +80°С наиболее работоспособными следует считать резины марок 3825, 3826 и др. Одновременно следует иметь в виду, что с улучшением масло- и бензостойкости этих резин их упругие свойства ухудшаются, а твердость увеличивается.

При перекачке  горячих нефтепродуктов с температурой до 200°С указанные марки резин в качестве материалов уплотнительных колец не могут быть применены.

В этих условиях рекомендуются резиновые смеси, изготовленные на основе фтористого каучука СКФ-32. К ним относятся резины марок ИРП-1225 и ИРП-1287 Ленинградского завода РТИ.

 

Физико-механические свойства резины ИРП-1225

 

Удельный  вес, г/см3                                                     2,0-2,02

Предел прочности, кГ/см2.  .  .                        140-180

Удлинение, %:

относительное .  .  .  .  .  .  . .  .  .             130-170

остаточное .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .                                             4-12

Твердость на приборе ТИР .  .  .  .                                          75-90

Сопротивление раздиру, кГ/см                                             44

Температура хрупкости, °С . . . .                                           От —22 до —35

 

Физико-механические свойства резины ИРП-1225 после теплового старения в среде воздуха даны в табл. 4.

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

Физико-механические свойства резины ИРП-1225

 

Наименование	Показатели
	Исходные	После теплового старения
		при 200° С в течение 240 ч	при 250° С в течение 72 ч
Предел прочности, кГ/см2.  .  .  .  .  . Удлинение, %: относительное .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 130-170 остаточное .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . Накопление   остаточной   деформации при 20%-ном сжатии, %	140—180   130—170 4—12   12—15	120—130   130—150 4—10   70—80	125—135   90—100 3—6   90—95

Резина ИРП-1225 озоно- и погодостойкая в течение  длительного времени и стойка при нормальной и повышенной температурах к действию растворителей (вода - гексан, трихлорэтан, трихлор - этилен, хлор и дихлорбензол, стирол, толуол, этиловый спирт, нитробензол и другие), щелочей и кислот. Она стойка к действию топлив, масел и гидравлических жидкостей при действии температур до 200° С.

Проведенные Гипронефтемашем лабораторные испытания  резины ИРП-3225 в ряде химических и нефтяных сред при температуре 200° С показали ее удовлетворительные свойства.

Отечественной промышленностью резина этой марки  выпускается в виде сырой вальцованной смеси толщиной 3—6 мм.

Детали из резины на основе фтористого каучука после вулканизации подвергаются дополнительной термической обработке — термостатированию при температуре 200° С.

Термостатирование проводится для придания окончательных  геометрических размеров изделиям из резины, так как последние имеют большую усадку (2,5—3%), по сравнению, например с резинами на основе нитрильных каучуков, которые имеют усадку 1-1,5%.

Достаточной стойкостью к бензолу и толуолу  обладает также резина ИРП-1287 (тоже на основе фтористых каучуков). Силиконовые резины ИРП-1265 и ИРП-1266 Ленинградского завода РТИ стойки к ацетону.

Материалом  для изготовления уплотнительных колец  клиновидной формы служит фторопласт-4, особенно в уплотнениях, работающих в агрессивных средах.

Кроме того, он обладает термостойкостью (до 260°С). Недостатком фторопласта-4 является его слабая упругость, малая прочность и текучесть в холодном состоянии, что необходимо учитывать при конструировании торцового уплотнения.

В конструкциях торцовых уплотнений с сильфонами последние изготовляют из металла, резины и пластмасс.

Уплотнения с металлическими сильфонами применяются при больших давлениях и температуре жидкости в камере уплотнения. Кроме того, они пригодны только для работы на жидкостях с малой химической активностью.

Для изготовления металлических сильфонов применяют следующие материалы: сталь Х18Н9Т, латунь Л80, бериллиевую бронзу Бр. Б2 и др.

Лучшими упругими свойствами обладают сильфоны из бериллиевой бронзы.

Резиновые сильфоны пригодны для работы на химически нейтральных  жидкостях при давлении до 15 кГ/см² и температуре до 100°С.

При работе уплотнения в химически агрессивных средах широко используются фторопластовые сильфоны, которые предохраняют металлические детали уплотнения от коррозионного воздействия этих сред. Сильфоны из фторопласта-4 рассчитаны на небольшое давление среды (до 5 кГ/см²), так как при превышении предельного давления происходит недопустимая деформация сильфона.

 

ПРУЖИНЫ

 

Надежная  работа торцового уплотнения в значительной степени зависит от работоспособности пружины. Поэтому выбору материала для пружин необходимо уделять серьезное внимание. Следует учитывать, что пружины торцовых уплотнений работают в неблагоприятных условиях: при переменной нагрузке и в жидкой среде.

Даже при  наличии химически неагрессивной  среды могут протекать коррозионные процессы, которые снижают сопротивление переменным нагрузкам пружин.

При работе пружин на химически нейтральных жидкостях в качестве материалов применяются углеродистые и малолегированные стали (60Г, 60С2, 4X13 и др.). В случае химически агрессивной среды эти материалы также можно использовать для изготовления пружин, но при этом поверхность пружины следует покрыть резиной, фторопластом-4, полиэтиленом и другими пластмассами.

Кроме того, пружину  защищают сильфоном, металлической втулкой или другим способом.

Хорошо и надежно  защитить материал пружины от воздействия химически агрессивной среды можно, если поместить пружину в трубку из пластмассы.

При изготовлении пружин из коррозионностойких материалов (из сталей марок Х18Н9Т, Х17Н13МЗТ и других) защитное покрытие не требуется, но для улучшения упругих свойств пружины (указанные материалы имеют высокую вязкость) поверхность проволоки из этого материала подвергают нагартовке.

В некоторых  химически активных средах с успехом  можно применять пружины из бронзовой проволоки марок Бр. ОЦ4-3 и Бр. КМцЗ-1. Пружины, изготовленные из этой проволоки холодной навивкой, подвергают невысокому отпуску для снятия напряжений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ  ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ

ТОРЦОВЫХ  УПЛОТНЕНИЙ

 

Торцовое  уплотнение представляет собой изделие  прецизионного типа. Герметичность торцового уплотнения может быть достигнута только при условии максимального и постоянного контакта трущихся плоскостей вращающейся и неподвижной втулок уплотнения. Выполнить эти условия возможно только при строгом соблюдении технических требований, вытекающих из характера и условий работы торцового уплотнения и предъявляемых к деталям и узлу уплотнения в целом.

Наиболее  повышенным требованиям должны отвечать плоскости контакта вращающейся и неподвижной втулок, что, однако, не ослабляет требований, предъявляемых к другим деталям торцового уплотнения, например, к уплотнительным элементам и пружинам уплотнения.

 

ВРАЩАЮЩИЕСЯ  И НЕПОДВИЖНЫЕ ВТУЛКИ

 

Вращающиеся рабочие втулки пары трения торцовых уплотнений центробежных нефтяных насосов  изготовляют из металлов путем механической обработки на металлорежущих станках (товарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и др.). Технология их обработки требует строго соблюдать геометрическую форму детали, а также высокую чистоту обработки ее рабочих поверхностей.

Если для  получения повышенной твердости  рабочего торца вращающейся втулки требуется наплавка на этот торец твердого сплава (сормайта, стеллита) с последующей термической обработкой или просто термическая обработка, то необходимо предусматривать соответствующий припуск на дальнейшую окончательную обработку согласно их посадочных размеров.