Материалы торцевых (механических) уплотнений

Правильной комбинацией материалов различных элементов уплотнения достигаются хорошие показатели работы уплотнения с конкретной перекачиваемой средой. Следует отдельно говорить о материалах, из которых изготавливаются различные элементы уплотнения:

• Пара трения (неподвижное и вращающееся кольцо)

• Уплотнительные кольца или сильфоны из эластомеров

• Прочие элементы (пружины, сильфоны, корпус уплотнения, штифты, болты и др.).

Материалы пары трения должны обладать особыми свойствами, ведь они непрерывно находятся в плотном контакте друг с другом и при этом двигаются друг относительно друга очень быстро (со скоростью вращения вала насоса). Их поверхность должна быть предельно гладкой, а способность противостоять износу очень высокой.

• Угольный графит широко используется в качестве материала пары трения. Существует большое количество разновидностей графита, используемого в уплотнениях. Графит наиболее мягкий материал уплотнения. Он плохо переносит присутствие в воде твердых частиц, которые могут разрушить его поверхность и привести к выходу уплотнения из строя. Помимо угля графит также может быть пропитан смолами (для лучшей смазки) или металлами (для уменьшения коэффициента трения). Эти пропитки обеспечивают графиту наименьший коэффициент трения из всех материалов. Если есть риск сухого хода насоса, желательно, чтобы одно из колец уплотнения было сделано из графита. Также графит хорош при работе с горячими жидкостями, у которых смазывающие свойства ухудшены. Пропитки из металла понижают коррозионную стойкость графита и делают невозможным работу с пищевыми продуктами.

• Оксид алюминия (Al2O3), который по другому называется глинозем. Чаще всего используется в паре с графитом. Он достаточно тверд, но обладает относительно слабой устойчивостью к коррозии. Кислотостойкость глинозема увеличивается по мере роста его чистоты от примесей, но чистый оксид алюминия достаточно дорог, что лишает смысла использования его в уплотнениях.

• Карбид вольфрама (WC) - очень твердый материала, наиболее устойчивый к твердым частицам в воде. Однако пара WC-WC обладает наибольшим коэффициентом трения, поэтому такую пару лучше использовать при малых скоростях вала, либо при использовании дополнительной смазки.

• Карбид кремния (SiC) - имееть хорошие показатели по твердости и теплопроводности. Материал хрупкий и коэффициент трения в нем достаточно высок, выше только у пары WC-WC. Использование пропиток позволяет уменьшить этот коэффициент.

• Алмазной покрытие - идеальное покрытие для поверхности пары трения. Имеет самую высокую твердность, теплопроводность. Оно устойчиво к коррозии и имеет низкий коэффициент трения. У алмазного покрытия один, но существенный недостаток, который определяет редкость его использования - очень высокая цена.

Теперь разберем различные сочетания материалов пары трения:

• Графит/WC - данная пара хороша, если предполагается возможность работы по сухому, а также если температура жидкости высокая. Горячая вода имеет более высокую вязкость, а также повышенную скорость испарения в зазоре между поверхностями пары трения. Из-за этого снижаются ее смазывающие свойства. Именно графит в данной паре обеспечивает низкий коэффициент трения. В зависимости от пропитки графит накладывает ограничения по использования данной пары в зависимости от агрессивности перекачиваемой жидкости. Пара плохо переносит твердые частицы из-за мягкости графита. По этой же причине любое уплотнение с графитом плохо подходит для гликоля, в котором могут образоваться твердые частицы в результате кристаллизации.

• Графит/SiC - свойства этой пары близки к предыдущей, однако происходит быстрый износ в горячей воде.

• Графит/Al2O3 - наиболее дешевая пара уплотнения (часто ее называют Уголь/Алюмоксидная керамика). Имеет ограниченную устойчивость к коррозии (pH от 5 до 10), наиболее быстро изнашивается в горячей воде.

• WC - WC - карбид вольфрама, используемый в качестве материала обоих колец очень плохо переносит работу без смазки из-за высокого коэффициента трения. Выход из строя уплотнения при работе "по сухому" происходит за несколько десятков секунд. Зато данная пара трения обладает наиболее высокими свойствами при работе с твердыми частицами. WC-WC - лучше всего подходит для работы с гликолем, в чей состав могут входить различные ингибиторы и щелочи, а также фосфаты и силикаты. Карбид вольфрама наилучшим образом противостоит возможной кристаллизации элементов гликоля благодаря своей твердости.

SiC - SiC - карбид кремния, используемый в качестве материала обоих колец имеет меньший коэффициент трения по сравнению с предыдущей парой, но достаточно высокий по сравнению с графитом. Трение может быть уменьшено производителем за счет применения твердых смазок, в этом случае пара обладает хорошими свойствами по трению. SiC-SiC обладает наилучшими характеристиками по противостоянию коррозии. Свойства пары по твердости чуть хуже чем WC-WC.

Рисунок 5. Показана сравнительная степень износа уплотнений (по шкале от 0 до 5) в зависимости от рабочей температуры.

Материалы эластомерных вторичных уплотнений должны обеспечивать герметичность, должны быть устойчивы к температуре перекачиваемой жидкости, ее вязкости и агрессивности.

• NBR или бутадиен-нитрильный каучук (нитрил). Недорогой материал с хорошими свойствами, который считается базовым для торцевых уплотнений. Высокая износостойкость сочетается со стойкостью к таким материалам как масла, вода, углеводороды: нефть, бензин, диз. топливо. Минимальная рабочая температура минус 40 градусов цельсия. Максимальная рабочая температура 100 градусов цельсия для масел, 80 градусов для воды. Материал плохо переносит абразивные частицы в жидкости.

• EPDM - этилен пропиленовый каучук. По сравнению с NBR обладает лучшей устойчивостью к горячей воде, кислотам c концентрацией до 10%, щелочам, некоторым спиртам. Совершенно непригоден для работы с углеводородами: бензин, керосин, диз. топливо. Наличие в воде минеральных масел и жиров приводит к набуханию колец из EPDM. Диапазон рабочей температуры колеблется от -40 до +150 градусов цельсия, для некоторых марок EPDM от -50 до +175 градусов. Материал хорошо переносит наличие абразивных частиц в жидкости.

• Viton (FPM, FKM) - фторкаучук. Viton - зарегистрированная торговая марка американской фирмы Du Pont, FPM - международное название этого же материала, а FKM - американское название. Также имеется и русское обозначение - ФК или СФК. В каталоге того или иного производителя может встречаться любая из аббревиатур. Viton обладает большим спектром рабочей температуры по сравнению с предыдущими каучуками и имеет более высокую химическую стойкость. Он способен работать при температуре от -20 до +200 градусов (при использовании для масел; для воды до +90 градусов). Специальные марки морозостойкого фторкаучука могут выдержать температуры до -50 градусов. Фторкаучук обладает великолепной химической стойкостью по отношению к углеводородам, спиртам, асфальту и гудрону, горячей воде, концентрированным кислотам. Стойкость к щелочам средняя при условии, что температура жидкости не превысит 100 градусов цельсия. Viton плохо переносит аммиак, низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная, уксусная), а также полярные растворители (ацетон). Стойкость к абразивным частицам умеренная.

• FFKM - перфторуглеродный каучук. Этот эластомер обладает наиболее высокой химической устойчивостью среди всех эластомеров, сравнимой с тефлоном. Он может использоваться при температуре жидкости до +230 градусов, как для воды, так и для масел. FFKM - самый дорогой эластомер, используемый в уплотнениях, поэтому обычно вместо него используют Viton. Стойкость к абразивным частицам умеренная.