Герметизирующий комплект для сальниковых уплотнений

Изобретение относится к области создания герметизаторов для применения в конструкции специальных устройств, предотвращающих несанкционированную утечку рабочей среды через зазоры в подвижных и статических сопряжениях и используется в запорной аппаратуре ТЭЦ и химических производств. Герметизирующий комплект для сальниковых уплотнений включает наружные и внутренние кольца. Наружные кольца выполнены из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе методом холодного прессования, а внутренние - из гидрофобизированного графита. Изобретение повышает технические характеристики герметизирующих комплектов сальниковых уплотнений при снижении их стоимости и увеличении технологичности. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

 

Изобретение относится к области создания герметизаторов для применения в конструкции специальных устройств, предотвращающих несанкционированную утечку рабочей среды (перегретого пара, воды, водных растворов кислот, щелочей, солей и т.п.) через зазоры в подвижных и статических сопряжениях.

Для обеспечения надежной герметизации сопряжений в течение заданного технического ресурса используют изделия из различных материалов: резины, органических волокон природного и искусственного происхождения (льна, хлопка, конопли, полиамида, политетрафторэтилена и т.п.), асбестовые материалы, углеграфитовые материалы и т.п. (Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. / Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.В.Гордеев и др. Под общ. Ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова - Изд. 2-ое, перераб и дополн. М.: Машиностроение, 1994. - С.448; Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. Киев: Техника, 1985. - С.196; Пинчук Л.С. Герметология. Мн.: Навука i тэхнiка, 1992. - С.215). Такие материалы, объединенные термином «герметизаторы», распространены в современной технике (Пинчук Л.С. Герметология. Мн.: Навука i тэхнiка, 1992. - С.215). Опыт эксплуатации герметизаторов различного типа свидетельствует о существенном влиянии на ресурс устройства не только состава материала, но и конструкции уплотнительного элемента. Типовыми конструкциями уплотнительных элементов являются прокладки, манжеты различного профиля, сальниковые набивки и шнуры круглого и квадратного сечения (Пинчук Л.С. Герметология. Мн.: Навука i тэхнiка, 1992. - С.215). Для изготовления уплотнений используют специальные набивки и шнуры. Существенным недостатком традиционных герметизаторов является относительно низкая стойкость к воздействию термоокислительных сред и агрессивных жидкостей. Для обеспечения технического ресурса герметизирующих устройств, применяемых на предприятиях химической промышленности и теплоэнергетики, эксплуатируемых при повышенных температурах, давлениях и воздействии агрессивных сред, широко применяют герметизаторы из фторопласта (Сиренко Г.А. Антифрикционные карбопластики. Киев: Техника, 1985. - С.196) и углеродных материалов (Графит как высокотемпературный материал. Сб. статей, пер. с англ. Под ред. К.П. Власова, М.: Мир, 1964. - С.423). Однако стоимость таких материалов высока и не позволяет их использовать в промышленных масштабах. Кроме того, для изготовления герметизирующих изделий из материалов подобного строения требуется специальное технологическое оборудование, например вязальные автоматы типа «August Gerzog», стоимостью от 100 тыс.долл. США.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является уплотнительный комплект для сальниковых уплотнений, выпускаемый по ТУ 5728-009-13267785-99 в Российской Федерации концерном «Унихимтек» (Высоконадежные сальниковые кольца серии «Графлекс». Проспект фирмы «Унихимтек». М. 2003).

Данный комплект уплотнений представляет собой набор из 6-ти или 4-х колец, выполненных из различных герметизирующих материалов. При этом внутренние кольца (2, 4 или более) изготавливают из композиционного материала на основе термически расщепленного графита «Графлекс», а наружные - из плетеных уплотнительных набивок. Такая конструкция уплотнения позволяет обеспечивать герметизацию подвижных и неподвижных соединений паро-, водяной запорной арматуры высокого давления тепловых станций.

Существенным недостатком подобной конструкции, взятой за прототип, является высокая стоимость, обусловленная наличием в составе комплекта наружных колец из плетеных уплотнительных набивок, а также их недостаточная герметичность, обусловленная пористой структурой набивки. Кроме того, для получения всех элементов комплекта используют термически расщепленный графит (ТРГ), который имеет сложную и экологически опасную технологию получения, включающую операции окисления полуфабриката в сильном окислителе, промывки окислителя, нейтрализации остатков окислителя, термической обработки (расщепления) и прессования.

Задача изобретения - повышение технических характеристик герметизирующих комплектов сальниковых уплотнений при снижении их стоимости и увеличении технологичности.

Поставленная задача решается применением в конструкции герметизирующего комплекта для сальниковых уплотнений внутренних колец из гидрофобизированного графита, а наружных - из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе, полученных холодным прессованием. Причем кольца из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе чередуются с кольцами из гидрофобизированного графита и выполнены с выступом по контактной поверхности. Кроме того, наружные и внутренние кольца покрыты фторсодержащим олигомером «Фолеокс» или «Эпилам».

На фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 представлена конструкция герметизирующего комплекта для сальниковых уплотнений. Герметизирующий комплект состоит из колец 1 из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе, покрытых слоем фторсодержащего олигомера 4, колец 2 из гидрофобизированного графита, штока 3.

Сущность изобретения состоит в следующем. При использовании колец из политетрафторэтилена (ПТФЭ) или композиции на его основе в составе комплекта обеспечивается высокая степень уплотнения за счет разницы в показателях прочности, деформативности и износостойкости гидрофобизированного графита и политетрафторэтилена. Поэтому при затяжке грундбуксы кольца 1 из ПТФЭ передают усилия на кольца 2 из графита, вызывая их деформирование и заполнение объема камеры. При вращении штока 3 кольца из ПТФЭ предотвращают износ уплотнительных колец из графита и препятствуют уносу частиц графита из сопряжения.

Кольца из политетрафторэтилена могут чередоваться с кольцами из графита (фиг.2, 3, 5), что обеспечивает дополнительное увеличение износостойкости уплотнительного комплекта. Кроме того, кольца из политетрафторэтилена могут иметь выступ на контактной поверхности (фиг.3, 4, 5), что приводит к дополнительному уплотнению границы раздела при затягивании грундбуксы.

Выступ на кольце имеет форму конуса, расположенного по диаметру, с высотой 0,1-0,5 h₁, где h₁ - толщина кольца. Конусообразный выступ получают при прессовании кольца в металлической оснастке соответствующей конфигурации.

Выступ на кольце из политетрафторэтилена внедряется в сопряженное графитовое кольцо, вызывая его деформирование и формирование плотного сопряжения непосредственно в процессе установки комплекта в рабочую камеру запорной арматуры. Важной особенностью заявляемой конструкции является изготовление колец из частиц политетрафторэтилена (или композита на его основе) методом холодного прессования при давлениях, превышающих предел текучести. В этом случае формируется кольцо с достаточной для осуществления монтажа прочностью, существенно превышающей прочность графитовых колец. Такие кольца также будут увеличивать герметичность и износостойкость комплекта при температурах эксплуатации до 300°С, а при превышении этой температуры будет происходить спекание частиц политетрафторэтилена и образование монолитной структуры материала непосредственно в процессе эксплуатации уплотнительного комплекта.

Гидрофобизированный графит получают смешиванием графита с 1-3 мас.% гидрофобной добавки - парафинов природного или синтетического происхождения. Гидрофобизированный графит обладает более высокой стойкостью к воздействию перегретого пара и водных растворов агрессивных жидкостей (кислот, щелочей, солей) по сравнению с термически расщепленным графитом. Кроме того, он не оказывает коррозионного действия на сопряженные металлические поверхности, т.к. не содержит адсорбированных остатков окислителя и активных, т.н. «кислотных центров», которые свойственны ТРГ. Использование при получении гидрофобизированного графита в качестве функционального компонента фторсодержащих олигомеров типа «Фолеокс», «Эпилам» и др. с молекулярной массой до 5000 ед. позволяет придать кольцам из такого графита ингибирующее и противоизносное действие на сопряженное контртело. Фторсодержащие олигомеры «Фолеокс» и «Эпилам» выпускаются Научно-исследовательским институтом синтетического каучука им. Лебедева и Научно-исследовательским институтом прикладной химии (С.-Петербург, РФ).

Важным отличием заявленного технического решения от прототипа является наличие на кольцах, входящих в состав комплекта, тонкого слоя (1-5 мкм), формируемого из фторсодержащего олигомера (фиг.6). Такой слой получают окунанием готовых колец в раствор олигомера. Наличие подобного слоя обеспечивает более прочное адгезионное взаимодействие на границе раздела колец и увеличивает их механическую прочность при монтаже. Кроме того, олигомер увеличивает устойчивость поверхностного слоя к воздействию водных сред и повышенных температур. Для формирования комплекта возможно применение как сплошных, так и разрезных колец, что обеспечивает возможность ремонта запорной арматуры без разборки и остановки технологического процесса на длительное время. Соотношение геометрических размеров колец, прежде всего толщины, выбираются в зависимости от конструкции уплотнительной камеры и условий эксплуатации. Традиционным соотношением толщин h₁ и h₂ является 1:1÷0,1:1. Количество колец в комплекте подбирается исходя из условий эксплуатации и конструкции запорной арматуры, однако, в любом случае наружные кольца комплекта выполняются из ПТФЭ или композиции на его основе. В некоторых конструкциях необходимо использовать разнотолщинные кольца. При этом соотношение толщины наружного кольца h₁ и внутреннего кольца h₂ должно находиться в пределах 0,75:1÷0,1:1.

Для изготовления наружного кольца могут быть использованы композиционные материалы на основе ПТФЭ типа «Флубон», «Флувис». Кроме того, могут быть использованы отходы в виде стружки, которые образуются при механической обработке заготовок точением. Прессование отходов в форме заданного профиля позволяет получить наружное или промежуточное кольцо заданных размеров и прочности.

Таким образом, предложенная конструкция герметизирующего комплекта для сальниковых уплотнений обеспечивает высокие технико-экономические показатели при использовании в запорной арматуре ТЭЦ и химических производств.

Сравнительные характеристики предлагаемой конструкции и прототипа приведены в таблице 1.

Таблица. Характеристики герметизирующих комплектов для сальниковых уплотнений

Характеристика	Показатель для уплотнительного комплекта
Прототип	Предлагаемая конструкция
1. Термостойкость внутренних	до 550 - пар	550
элементов, °С	до 500 - воздух	550
2. Наличие колец из плетеной набивки	2 кольца	нет
3. Ресурс эксплуатации комплекта без дополнительного обслуживания, час, не менее	10000	20000
4. Давление рабочей среды, МПа	не более 38	не более 50
5. Технология изготовления крайних колец	плетение на специальной установке	холодное прессование
6. Стоимость материала крайних колец	75-80 долл. США за 1 кг	7-15 долл. США за 1 кг
7. Герметизируемые среды	водяной пар, газы, нефтепродукты, водные растворы солей, кислот, щелочей	водяной пар, газы, нефтепродукты, водные растворы солей,кислот, щелочей
8. Технологический цикл изготовления внутренних колец	окисление графита,нейтрализация, термообработка (расщепление), дозирование, прессование	смешивание компонентов, прессование
9. Материал для внутренних колец комплекта	термически расщепленный графит(ТРГ)	гидррофобизированный графит
	Необходим повторный цикл регенерации: измельчение, окисление, расщепление, прессование. Наружные кольца повторно не используются
измельчение и холодное прессование. Наружные кольца повторно используются
10. Возможность повторного использования регенерированного комплекта

Как следует из представленных в таблица данных, разработанная конструкция герметизирующего комплекта для сальниковых уплотнений существенно превосходит прототип по ресурсу, имеет более низкую стоимость, более простую технологию изготовления и способность к регенерации.

Разработанные комплекты прошли испытания в запорной арматуре теплоцентралей при рабочих давления до 50 МПа (500 атм) и показали высокую надежность эксплуатации без дополнительного обслуживания.

1. Герметизирующий комплект для сальниковых уплотнений, включающий наружные и внутренние кольца, отличающийся тем, что наружные кольца выполнены из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе методом холодного прессования, а внутренние - из гидрофобизированного графита.

2. Герметизирующий комплект по п.1, отличающийся тем, что кольца из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе чередуются с кольцами из гидрофобизированного графита.

3. Герметизирующий комплект по п.1, отличающийся тем, что кольца из политетрафторэтилена или композиционного материала на его основе выполнены с выступом по контактной поверхности.

4. Герметизирующий комплект по п.1, отличающийся тем, что наружные и внутренние кольца покрыты фторсодержащим олигомером "Фолеокс" или "Эпилам".