Уплътнения при регулиращите арматури

Начало > Механични системи > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2006

ПОДОБНИ СТАТИИ

Комбинирани машини за щанцоване и лазерно рязане

Изисквания към уплътненията, видове уплътнения и приложна област

По дефиниция уплътнението на арматурата е границата между вътрешността на арматурата и околното пространство. Мястото, където се предава движението на задвижването към затварящия орган на арматурата. Следователно, уплътнението на регулиращите арматури е мястото, което е най-чувствително към просмукване на работната течност. При много арматури степента на херметичност на уплътненията е фактор от критично значение, определящ качеството и областта на приложение на регулиращата арматура. Казаното важи с особена сила за химическата промишленост, например, където се използват много агресивни и опасни за околната среда флуиди, както и за енергетиката. Анализи на финансовите загуби, предизвикани от изтичането на работния флуид, в редица промишлени области показват, че перото е значително и уплътненията са важен фактор за надеждността и икономически изгодната работа на регулиращата арматура.

Изисквания към уплътненията на регулиращите вентили

Изискванията към уплътненията на регулиращата арматура са много по-големи от тези към затварящите арматури. Това се определя от непрекъснатото движение на регулиращия орган, по време на което уплътнението не трябва да загуби характеристиките си. Друг важен параметър, на който следва да се обърне внимание, е малката сила на триене в уплътнението, която е особено важна при задвижвания с малка осова сила. При пневматичните задвижвания всяко пасивно съпротивление във веригата клапан/стебло/мембрана и евентуално буталото на пневмозадвижването предизвиква повишаване на хистерезиса и нечувствителността на задвижването. Друго важно изискване е да не се променят характеристиките на уплътнението по време на експлоатационния период, включително издържливост към температурни промени и минимални изисквания за поддръжка.

При модерните уплътнения дори е възможно да се наблюдава обратно пропорционална зависимост между работните параметри, за които е избрано уплътнението и неговите характеристики. Според експерти, колкото по-малки са изискванията към уплътненията, толкова по-дълго те ще работят без загуба на уплътненост. Но, разбира се, за добрата работа на уплътнението голяма роля играе и високото качество на стеблото.

Характеристики на еластични уплътнения

Този тип уплътнения се използват за приложения, към които не съществуват сериозни изисквания. Еластични съединения от гума EPDM са подходящи за регулиращи вентили, предназначени за топла, гореща вода и пара с температура до 150 оС. Профилите на уплътнителните пръстени са най-различни, като най-често срещани са О-пръстени. Обща характерна особеност на тези уплътнения е, че се дозатягат при увеличаващо се вътрешно свръхналягане, както и сравнително голямата нечувствителност при евентуална повреда на стеблото. Благодарение на еластичността на материала, еластичните уплътнения EPDM имат възможност да следват стеблото при неговото евентуално радиално отклонение по време на движение или поради несъосност при монтажа на задвижването на арматурата.

Смазването е много важно за добрата работа на гумените уплътнения. Подходящо използваните смазващи препарати значително понижават пасивното съпротивление на уплътнението и износването му, подобряват неговата издръжливост спрямо въздействието на протичащия флуид. Правилно избраното EPDM уплътнение, работещо в арматура с добри характеристики (високо качество на стеблото и неговия водач, подходяща смазка, без превишаване на определената температура), е възможно да издържи един милион работни цикъла без специални изисквания за поддръжка.

Хит в еластичните уплътнения днес са уплътнителните пръстени на базата на флуоровъглеродната гума, която първоначално е разработена за нуждите на козметичната промишленост. Например, материалът с търговска марка Kalrez запазва еластичността и химическата си издръжливост спрямо агресивен флуид, по подобие на тефлона, до температура 315оС. Според специалисти, по-широкото приложение на тези уплътнения, освен в химическата и петролната промишленост, за момента се възпрепятства основно поради високата им цена.

Характеристики на PTFE уплътненията

Приложение в по-тежки експлоатационни условия намират PTFE уплътненията. PTFE е абревиатура на химическото съединение PolyTetraFluorEtylen, известно най-вече под името тефлон. Като уплътнение, PTFE се отличава с много добри качества, сред които преди всичко значителен химически неутралитет и устойчивост срещу повечето агресивни флуиди, висока температурна устойчивост в ненатоварено състояние и др. Недостатък на PTFE уплътненията са течовете в студено състояние, което означава, че когато е подложен на механично натоварване, материалът променя формата си и се наблюдава тенденция към изтичането му в свободното пространство. Изтичането се увеличава значително с нарастване на температурата. Обикновено, това негативно качество се компенсира чрез добавянето на различни примеси към чистия тефлон, като стъклени влакна, бронз, графит, въглеродни влакна и др., разработени специално за тази цел. С тези смеси е възможно да се намали с няколко процента студеното изтичане. Обективният анализ, обаче, показва, че добавките към тефлона влошават някои негови характеристики. Преди всичко се намалява уплътнителната му способност в сравнение с чистия тефлон и чувствителността му към температурните удари. Най-общо казано, добавките в тефлона повишават твърдостта на композицията и по този начин намаляват уплътнителните способности на материала. По тази причина в арматури, работещи с газообразни вещества, се използват уплътнения от чист тефлон.

Видове PTFE уплътнения

В практиката се използват различни видове PTFE уплътнения. Най-широко разпространени са V-пръстени с аксиална стоманена пружина. Това уплътнение се отличава с много добри уплътнителни характеристики, благодарение на големия брой уплътнителни ръбове. Недостатък му е отсъствието на температурна устойчивост. Негативно се проявява и действащата върху пружината аксиална сила, която поради промяната в размерите на тефлона по време на температурните цикли, с времето предизвиква необратими деформации на уплътнителните пръстени. Деформациите се проявяват най-вече при спиране на съоръжението и в студено състояние. След загряване, уплътнението обикновено възстановява уплътнителните си качества и работи нормално.

Различните производители търсят начини за преодоляване на описания недостатък на тези уплътнения. Някои производители залагат на конструкция PTFE уплътнения с уплътнителен V-пръстен с пружина от неръждаема стомана. По този начин принципно се избягва необходимостта от предаване на аксиалната сила на пружината на радиалните уплътнителни сили на уплътнителните пръстени. Това уплътнение показва много по-добра устойчивост към температурните промени в сравнение с класическата конструкция.

Максималната работна температура на PTFE уплътненията зависи от конструкцията на уплътненията и използвания материал (чист PTFE или не) и от работното свръхналягане. При налягане до 40 bar различните производители допускат температури от 180 до 260 оС. Дълготрайността на PTFE уплътненията се определя в значителна степен от качеството на стъблото и експлоатационните му характеристики. Напълно възможно е животът на уплътнението да надхвърли 500 000 цикъла.

Характеристики на графитните уплътнения

За работни флуиди с температура по-висока от 260 оС най-често се използват графитни уплътнения. Най-голямото предимство на графитните уплътнения е екстремно високата температуроустойчивост - за неоксидирана среда по-висока от 1000 оС. Друга характеристика на уплътненията е химическият неутралитет и устойчивостта срещу агресивни флуиди.

Съществуват различни конструкции графитни уплътнения. Между утвърдените принадлежи уплътнението с пресован експандиран графит. Друг недостатък на графитните уплътнения е сравнително голямото износване, което предизвиква намаляване на уплътнителните му способности. Това налага уплътнението да се затегне и опционално да се прибави още един уплътнителен пръстен. Необходимо е също така много добре да се оразмери системата за притискане на уплътнението с пружина. Вследствие на недобре уплътненото графитно уплътнение, потокът от изтичащ флуид би предизвикал ерозия на графита и необходимост от подмяната му.

Нова тенденция в развитието на графитните уплътнения са плетените графитни въжета. Механичните им качества са подобни на традиционните, но вече забранени азбестови въжета. Тези графитни въжета намират приложение при новите конструкции на регулиращите вентили за постигане на висока степен на уплътняване и поради лесния си монтаж/демонтаж, което допринася в значителна степен за облекченото сервизиране на регулиращата арматура. Практически не съществува температурна граница, над която графитните уплътнения са неприложими. Дълготрайността им зависи от правилната им експлоатация. В противен случай, дълготрайността на уплътненията не би била по-голяма от няколко десетки хиляди цикъла.

Характеристики на силфонните уплътнения

Най-голямата разлика с предишните видове уплътнения се състои в обстоятелството, че не съществува област на взаимно движение на уплътнителния материал спрямо стеблото на вентила. Движението на стеблото се компенсира с еластичната деформация на обвивката на силфона. Силфонните уплътнения за регулиращи арматури най-често се изработват от неръждаема стабилизирана стомана. В зависимост от максималното работно свръхналягане те се произвеждат с една, две, три и повече обвивки.

Най-голямото им предимство е абсолютната херметичност на работния флуид спрямо околната среда. Това ги прави подходящи за използване в приложения, за които са характерни агресивни, отровни, избухливи или други опасни среди. Силфонните уплътнения са подходящи за ниски и високи температури на работния флуид - от -50 до + 550 оС. От практическа гледна точка е подходящо използването им при отрицателни температури или обратно - при високи температури, в които силфонните уплътнения работят като охладител.

Недостатък на силфонните уплътнения е по-големият им размер. Дълготрайността на силфона също не е безгранична, а зависи от температурата на работния флуид и относителната деформация на стъблото на вентила. Друг недостатък на силфонните уплътнения е, че при повреда на силфона веднага се повишава неуплътнеността на регулиращата арматура. Затова използването им често се комбинира с обезопасяващо уплътнение, което в случай на повреда на силфона не допуска изтичането на течност. Комбинираните уплътнения са подходящи за приложения, в които трябва да се гарантира, че работният флуид няма да изтече в околното пространство. Дълготрайността на силфонните уплътнения е функция най-вече на конкретната конструкция.

Вижте още от Механични системи