Торцовые уплотнения и его элементы

 

трения торцового уплотнения, так как через поры втулки неизбежна фильтрация уплотняемого продукта. С целью устранения этого недостатка, а также повышения прочности и износостойкости (физико-механических свойств) углеграфитов, их пропитывают различными смолами (органическими или синтетическими) и в первую очередь фенолформальдегидной смолой.

Таблица 2

Физико-механические свойства отечественных угле- и металлографитовых  материалов

 

Показатели	Марка материала
	2П-1000	ПК-0	АО-1500	АГ-1500	АО1500-Б83	АГ-1500-Б83
Твердость по Шору    Предел прочности на сжатие, /     Объемный вес, г!см3    Пористость, %    Коэффициент сухого трения  по стали Х18Н9Т	75   1930     -   16,5     0,24	70   1500     1,5   30     -	65   1700     1,65   20     -	50   900     1,7   10     -	70   2300     2,9	65   1280     2,9
					отсутствует
					-	-

 

 

Физико-механические свойства отечественных угле- и

металлографитовых материалов

 

Существуют различные  способы приготовления смолы  и пропитывания ею графита. Процесс пропитывания сводится к заполнению жидким материалом пор углеграфита при чередовании вакуума и избыточного давления в автоклаве.

В результате пропитывания металлами или сплавами с относительно низкой температурой плавления (свинец, серебро, олово, кадмий; бронза, баббит) повышаются прочность и износостойкость углеграфитов и улучшается их теплопроводность. Однако вследствие ограниченной химической стойкости металлов, такие материалы не применяют в химически активных жидкостях.

За последние  годы пропитывание углеграфита Гипронефтемаш заменил гальваническим покрытием медью нерабочих поверхностей втулки пары трения торцового уплотнения, работающего при высоком давлении (рис. 45). Цель указанного покрытия — создать защитный поверхностный слой (глубиной 0,03—0,04 мм), препятствующий фильтрации перекачиваемой жидкости через стенки графитовой втулки.

Гальваническому покрытию медью подвергали неподвижные рабочие втулки торцовых уплотнений, изготовленные механическим путем из углеграфита марки 2П-1000. Длительные промышленные испытания торцовых уплотнений на различных нефтепродуктах с упомянутыми втулками показали хорошие результаты.

Основываясь на опыте промышленной эксплуатации, а также на результатах длительных испытаний, рекомендуется применять углеграфиты следующих марок:

1. 2П-1000 с гальваническим покрытием медью;
2. ВТМ-4У, уплотненный пиролизным углеродом.

 

 

       Рабочий

       торец                                 

 

 

 

      

Рис.45 Графитовая втулка,гальванизированная медью.

 

Первый углеграфит имеет  высокие физико-механические свойства и пригоден для работы в среде с высоким давлением, второй - меньшую износостойкость и термостойкость и рассчитан на более низкое давление уплотняемой среды. Оба углеграфита обладают хорошей прирабатываемостью по различным металлам. При трении углеграфита по металлу в начале приработки на его поверхности появляется тонкая пленка из кристаллов графита, ориентированных параллельно поверхности трения. Точно также ориентируются кристаллы и на поверхности утлеграфитового материала, образуя блестящий гладкий поверхностный слой. В дальнейшем графит трется фактически по графиту с постоянной интенсивностью износа. Однако этот износ невелик, поэтому детали могут работать продолжительное время.

Удельное  давление на поверхности трения, а также металлическая пара, с которой работает углеграфит, ускоряют износ углеграфита. Для углеграфитовых материалов, работающих в условиях сухого трения, коэффициент трения почти пропорционален величине износа [3]. Для трения углеграфита характерна его приработка, в процессе которой коэффициент трения падает с 0,1—0,15 до 0,04—0,05 и далее остается постоянным. В связи с этим приработку материалов рекомендуется проводить при невысоких давлениях.

За последнее  время в зарубежной практике в  качестве материалов, работающих в условиях сухого трения, довольно широко применяют материалы на основе фторопласта-4.

Это объясняется  тем, что указанные материалы  имеют весьма низкий коэффициент трения по металлу. Кроме того, они химически стойки к сильным окислителям, где углеграфиты не могут применяться.

Однако зависимость  физико-механических свойств от температуры и весьма низкая теплопроводность этих материалов ограничивают их применение в парах трения. Поэтому в случае их применения  необходимо   обеспечить  интенсивный  отвод тепла. Указанные материалы в паре трения, работающей в среде нефтепродуктов, мало используют,  так  как  антифрикционные свойства углеграфитов значительно выше.

Там, где к  материалам пары трения предъявляются  требования повышенной химической стойкости в большинстве сред (за исключением плавиковой, кремнефтористоводородной кислоты и концентрированных щелочей)   наиболее  пригодны керамические материалы - твердый фарфор, стеатиты и другие [2]. Кроме того, они обладают высокой твердостью и износостойкостью. Их применение в парах трения ограничивают низкий коэффициент теплопроводносги (примерно 7 ккал/м· ч°С), плохие антифрикционные свойства, пористость, склонность к терморастрескиванию и низкая ударная вязкость.

Пластмассы, изготовленные на основе термореактивных смол, типа текстолит, антифрик, фенолиты и другие, используют в парах трения [7]. Они сильно уступают углеграфитам по прирабатываемости и антифрикционным свойствам, однако обладают необходимой химической стойкостью.

Вследствие исключительно низкой теплопроводности (примерно 0,15 ккал/м·ч°С) и термостойкости, указанные пластмассы могут работать всухую весьма непродолжительное время. В противном случае часто пригорают трущиеся поверхности.

Большое распространение  в отечественной практике в качестве материалов для одной из пар трения, работающих в среде нефтепродуктов, а также в других химически нейтральных средах с хорошей смазывающей способностью, получили оловянистые бронзы марок Бр. ОС5-25, Бр. ОЦС-6-6-3, Бр. ОФ10-1 и др. Эти материалы обладают высокой теплопроводностью и механической прочностью, а по свойствам трения вполне удовлетворяют условиям работы трущихся пар. Они являются великолепными конструкционными, хорошо обрабатываемыми и весьма доступными материалами, что очень важно в условиях эксплуатации торцовых уплотнений на нефтеперерабатывающих заводах.

Однако по своим антифрикционным свойствам  они не могут конкурировать с углеграфитовыми материалами, область применения которых будет значительно расширяться за счет все большего их внедрения в промышленность.

Следующую большую  группу материалов, широко используемых в парах трения торцовых уплотнений (вращающихся втулках), составляют металлические материалы и сплавы на основе железа, хрома, никеля и других металлов. Углеродистые стали (марок 45, 50), хромистые стали (3X13, 4X13), хромоникелевые стали (X18H9T и др.), сплавы хастеллоя, твердые сплавы содержащие карбиды вольфрама, титана и других элементов, а также наплавки стеллита и сормайта составляют группу металлических материалов, широко используемых в отечественных и зарубежных конструкциях торцовых уплотнений.

В табл. 3 приведены материалы  для торцовых уплотнений, применяемых в зависимости от рабочих сред (нефтепродукта). При этом следует учитывать, что рабочая среда в виде чистого нефтепродукта встречается редко. Так, наличие влаги в среде бензина оказывает коррозионное действие на чугун и сталь. Поэтому в качестве основного металла в паре трения торцовых уплотнений для нефтяных насосов применяют хромоникелевые стали.

Последние обладают химической стойкостью в нефтяных средах и в сочетании с углеграфитами хорошо зарекомендовали себя при работе в среде нефтепродуктов (бензине, керосине, дизельном топливе). Вследствие повышенной вязкости этих сталей невозможно получить высокую твердость (они не закаливаются) контактирующей поверхности одной из пар трения. По данным А. И. Голубева [2], твердость является весьма положительным фактором для работы материала в паре трения, так как с увеличением твердости повышаются износостойкость, прирабатываемость и сопротивление задиру.

С этим вполне можно согласиться, если речь идет о  паре втулок из бронзы и хромоникелевой стали. Что же касается сочетания углеграфитов с хромоникелевыми сталями, то авторы полностью разделяют точку зрения П. А. Плуталовой [3]: при нормальной работе углеграфита по металлу изнашивается только углеграфит независимо от соотношения твердостей элементов пары. Это хорошо согласуется с опытом длительной эксплуатации в среде нефтепродуктов торцовых уплотнений конструкции Гипронефтемаша (пара втулок из углеграфита 2П-1000 и стали Х18Н9Т). Указанная пара материалов была опробована также при работе в среде сжиженных нефтяных газов (пропане) и показала удовлетворительные результаты. Окончательно судить о работоспособности этой пары в среде маловязких жидкостей можно будет после более продолжительной работы уплотнения.

Накопленные в настоящее время данные эксплуатации торцовых уплотнений в среде нефтепродуктов позволяют заключить, что если в паре трения применена бронза, то она должна сочетаться с материалом повышенной твердости.

Во избежание  задира втулок углеродистые и хромистые  стали, используемые для их изготовления, подвергаются закалке на твердость HRС 45 55, либо на контактирующую поверхность наплавляют твердый сплав (стеллит или сормайт). При этом следует иметь в виду, что от качества наплавки (разумеется и последующей механической обработки) зависит работоспособность уплотнения. Однако при выборе способа и при освоении технологии наплавки испытываются значительные трудности.

 

Рекомендуемые материалы трущихся пар торцевых уплотнений, работающих в среде нефтепродуктов

 

Вязкость продукта, сс/m	Нефтепродукт	Плотность,	Пределы кипения, °С	Критическая температура, °С	Материалы трущихся пар
					неподвижных втулок	вращающихся втулок
0,24-0,7       0,7-3,0       3,0-10       30-60     30-60	Сжиженные газы     Бензин-лигроин     Керосин, дизельное топливо   Соляровые фракции   масла,мазут	0,5-0,6       0,74-0,78       0,79-0,83       0,88-0,92     -	от -42 до +98     от -40 до +220     от +200 до +315     от +220 до +400   -	97-267       298-340       410-425       480-500     -	графит 2П-1000 графит ВТМ-4У бронза ОС5-25   То же       графит 2П-1000 графит ВТМ-4У бронза ОС5-25   графит 2П-1000 графит ВТМ-4У бронза ОС5-25 То же	сталь Х18Н9Т сталь с наплавкой стеллитом или сормайтом То же       сталь Х18Н9Т сталь с наплавкой стеллитом  или сормайтом сталь Х18Н9Т     То же

 

Таблица 3

 

При выборе материалов пары трения для конкретных условий конструктору приходится сталкиваться с большими трудностями, так как в настоящее время нет определенной методики расчета (торцового уплотнения), которая учитывала бы многие физические факторы, влияющие на качество работы трущейся пары.

В нефтеперерабатывающей  промышленности в большинстве случаев определяющее значение при выборе материалов для пары трения приобретают вязкостные свойства среды, так как здесь имеется полужидкостное трение в парах и характер трения и износа пары зависят от применяемых материалов. При этих условиях рационально классифицировать пары трения в зависимости от вязкостных свойств среды.