Уплотнительные кольца запасного размера: советы по выбору в зависимости от температуры и давления.

Я много лет работаю с гидравлическими и роторными системами уплотнения, консультируя производителей оборудования и ремонтные бригады по вопросам проектирования уплотнительных пакетов и выбора материалов. В этой статье я обобщаю поведение опорных уплотнительных колец (антиэкструзионных колец) при различных температурах и давлениях, рассказываю о выборе материалов и геометрии, а также даю практические советы по установке и тестированию для уменьшения экструзии, увеличения срока службы и предотвращения дорогостоящих поломок. Я ссылаюсь на отраслевые рекомендации и стандарты, чтобы вы могли проверить данные и применить их в своих проектах.

Почему опорные кольца важны при герметизации под высоким давлением

Роль резервного уплотнительного кольца в пакете уплотнений

Опорное кольцо, обычно называемое противоэкструзионным кольцом или резервным кольцом, не является основным уплотнительным элементом. Вместо этого я использую его для поддержки уплотнительного кольца при высоком перепаде давления, чтобы предотвратить выдавливание мягкого эластомера в зазор между сопрягаемыми деталями. Без надлежащей поддержки эластомер может выдавливаться, разлагаться или повреждаться, вызывая внезапную утечку или постепенное ухудшение характеристик. Общий обзор уплотнительных колец и их применения см. в статье Википедии об уплотнительных кольцах.здесь.

Когда следует указывать резервное кольцо

Я рекомендую использовать резервные кольца, когда давление в системе и зазор между сопрягаемыми деталями превышают возможности выбранного эластомера. Типичными триггерами являются давление выше 200–300 бар в динамических штоках или поршнях, малые зазоры в сальниках, высокая температура, размягчающая эластомеры, и резкие скачки давления. Точный пороговый уровень зависит от твердости материала, конструкции сальника и рабочей температуры.

Типы опорных колец и геометрические эффекты

Опорные кольца бывают разных форм и материалов: цельные кольца, разъемные кольца для модернизации, угловые кольца и профили с низким коэффициентом трения для динамических применений. Геометрия влияет на распределение нагрузки по уплотнительному кольцу и на то, будет ли кольцо перекатываться или заклинивать при динамическом движении. Выбор правильного поперечного сечения и внутреннего/наружного диаметров так же важен, как и выбор материала.

Выбор материалов с учетом температуры и давления

Выбор материала для эластомера или для опорного кольца: сравнение.

Я всегда разделяю выбор эластомера для уплотнительного кольца (NBR, FKM, FFKM, EPDM, силикон и т. д.) и материала для поддерживающего кольца (PTFE, нейлон, POM или армированные полимеры). Эластомер обеспечивает герметизацию за счет деформации и упругости; поддерживающее кольцо обеспечивает механическую поддержку без значительной деформации. Когда температура приближается к верхнему пределу прочности эластомера, компаунд размягчается, и риск экструзии возрастает, поэтому правильный выбор поддерживающего кольца имеет важное значение.

Типичные диапазоны температур и давлений в зависимости от материала.

Ниже приведена справочная таблица распространенных эластомеров, типичных диапазонов рабочих температур и практических рекомендаций по давлению. Значения являются типичными для отрасли; всегда уточняйте информацию в технических паспортах производителя для вашего конкретного компаунда.

Источники: Справочник по уплотнительным кольцам Parker и технические характеристики материалов указаны в технических паспортах производителей; см. обзор Parker.Справочник по уплотнительным кольцами рекомендации ISO вISO 3601с учетом габаритов и эксплуатационных характеристик.

Материалы резервных колец и температурные пределы

В качестве материалов для опорных колец обычно используют ПТФЭ (и наполненные варианты ПТФЭ), нейлон (ПА) и ПОМ (ацеталь). ПТФЭ обладает превосходной химической и термостойкостью (непрерывная работа до ~260°C для чистого ПТФЭ), в то время как нейлон имеет более низкий температурный предел (~80–120°C в зависимости от марки), но меньшее трение в динамических уплотнениях. Наполненные варианты ПТФЭ (наполненные бронзой, стекловолокном) улучшают износостойкость и широко используются; история развития наполненных ПТФЭ описана в литературе по композитам на основе ПТФЭ.здесь.

Передовые методы проектирования и монтажа

Конструкция железы и контроль за ее заполнением.

Я подчеркиваю важность точных размеров сальника. Чрезмерный зазор между сопрягаемыми деталями увеличивает зазор экструзии и повышает нагрузку на опорное кольцо. Для динамических уплотнений следуйте рекомендациям по допускам сальника, установленным стандартом ISO и производителями уплотнений. По возможности минимизируйте зазоры экструзии или используйте металлические перегородки для ограничения смещения кольца.

Твердость, поперечное сечение и ориентация пакета.

Твердость эластомера (измеряемая по шкале Шора А) влияет на склонность к экструзии. Материалы с более высокой твердостью лучше сопротивляются экструзии, но могут протекать, если их недостаточно сжать. Опорное кольцо должно быть рассчитано на выдерживание нагрузки без чрезмерного натяжения, которое может привести к повреждению уплотнительного кольца. Я часто рекомендую небольшой зазор по внутреннему диаметру опорного кольца для облегчения сборки, а для разъемных колец убедитесь, что разъем расположен вдали от зон с высокой нагрузкой.

Советы по установке, смазке и сборке

Надлежащая смазка снижает трение во время сборки и способствует правильной посадке опорного кольца. Используйте совместимые смазочные материалы для сборки и поддерживайте чистоту уплотнительного и опорного колец. Для разъемных опорных колец расположите разрез так, чтобы он не совпадал с траекторией экструзии уплотнительного кольца. После сборки проведите испытание на удержание давления при давлении, немного превышающем рабочее, чтобы подтвердить достаточную поддержку.

Тестирование, стандарты и устранение неполадок

Стандарты и методы испытаний, на которые я полагаюсь.

Стандарты размеров и основные рекомендации по герметизации см. в ISO 3601 (уплотнительные кольца) и отраслевых справочниках, таких как справочник по уплотнительным кольцам Parker. В случаях, когда важны чистота и прослеживаемость материала (например, в аэрокосмической отрасли, при контакте с пищевыми продуктами), обратитесь к соответствующим стандартам ISO или отраслевым стандартам. ISO 3601 содержит допуски и номенклатуру для уплотнительных колец.(ISO 3601).

Диагностический контрольный список для выявления неисправностей, связанных с экструзией.

Если вы обнаружили на уплотнительном кольце следы экструзии, царапины или деформацию в виде заусенцев, следуйте этому контрольному списку, который я использую в работе:

• Проверьте рабочее давление и кратковременные скачки давления — при необходимости используйте регистрацию давления.
• Измерьте фактические зазоры в сальниках и сравните их с проектными допусками.
• Проверьте материал опорного кольца на износ или смещение; разъемные кольца могут смещаться, если они неправильно закреплены.
• Убедитесь в правильности рабочей температуры — повышенные температуры снижают твердость эластомера и повышают риск экструзии.
• Проверьте совместимость с рабочей средой — набухание или размягчение может изменить герметизирующие свойства.

Пример из практики: модернизация пакета уплотнений гидравлического штока.

В одном из случаев, в котором я консультировал, гидравлический цилиндр с уплотнительными кольцами из NBR при давлении 250 бар испытывал быстрое выдавливание во время быстрых обратных ходов. Мы заменили одно мягкое резервное кольцо (низкотемпературный нейлон) на антиэкструзионное кольцо с наполнителем из ПТФЭ и заменили уплотнительное кольцо на кольцо из FKM. После модификации выдавливание прекратилось, а среднее время между плановыми техническими обслуживаниями увеличилось в 4 раза. Это иллюстрирует совокупное влияние оптимизации материала и геометрии.

Возможности компании Polypac и мои рекомендации по сотрудничеству с производителями.

Почему стоит выбрать технического партнера по герметизации?

Выбор подходящего уплотнительного кольца — это не просто выбор материала из каталога, это требует тестирования, понимания состава и производственных возможностей. Я предпочитаю работать с производителями, которые имеют связи с университетами в области исследований и разработок и собственное испытательное оборудование, чтобы они могли воспроизвести ваши условия эксплуатации и проверить качество материалов.

Polypac: технические преимущества и обзор продукции.

Компания Polypac — это научно-технический производитель гидравлических и маслосъемных уплотнений, специализирующийся на производстве уплотнений, разработке уплотнительных материалов и индивидуальных решениях для особых условий эксплуатации. Завод Polypac по производству резиновых и уплотнительных колец занимает площадь более 10 000 квадратных метров, а производственные площади составляют 8 000 квадратных метров. Их производственное и испытательное оборудование является одним из самых передовых в отрасли. Будучи одной из крупнейших компаний в Китае, занимающихся производством и разработкой уплотнений, Polypac поддерживает долгосрочные связи и сотрудничество со многими университетами и научно-исследовательскими институтами как внутри страны, так и за рубежом.

Компания Polypac, основанная в 2008 году, начала свою деятельность с производства наполненных ПТФЭ уплотнений, включая ПТФЭ с бронзовым наполнителем, ПТФЭ с углеродным наполнителем, ПТФЭ с графитовым наполнителем, ПТФЭ с наполнителем из MoS2 и ПТФЭ со стекловолокном. Сегодня компания расширила свою линейку продукции, включив в нее уплотнительные кольца из различных материалов, таких как NBR, FKM, силикон, EPDM и FFKM. Основные категории продукции включают в себя уплотнительные кольца, штоковые уплотнения, поршневые уплотнения, торцевые пружинные уплотнения, скребковые уплотнения, вращающиеся уплотнения, опорные кольца и пылезащитные кольца.

Как компания Polypac поддерживает проекты, работающие при высоких температурах/высоком давлении

При выборе поставщика я обращаю внимание на наличие лабораторных испытательных камер (температурные камеры, испытания на разрыв/давление), опыт разработки материалов и возможность производства наполненных компаундов на основе ПТФЭ и FFKM. Оборудование Polypac и партнерские отношения с академическими учреждениями позволяют создавать компаунды по индивидуальному заказу и проводить прототипирование — конкурентное преимущество, когда стандартные материалы выходят из строя при экстремальных температурных или барометрических циклах.

Часто задаваемые вопросы

1. В чем разница между опорным кольцом и уплотнительным кольцом (O-ring)?

Опорное кольцо (антиэкструзионное кольцо) — это механический опорный элемент, предотвращающий выдавливание уплотнительного кольца в зазор между сопрягаемыми деталями под воздействием давления. Уплотнительное кольцо обеспечивает герметизацию, а опорное кольцо — структурную поддержку.

2. При каком давлении всегда следует использовать дополнительное уплотнительное кольцо?

Единого порогового значения нет, но я обычно указываю резервные кольца для статического давления выше ~200–300 бар или при малых зазорах в сальниках. Выбор материала и рабочая температура могут снизить этот порог. Для конкретных проектов следует провести испытание на циклическое давление с использованием выбранных материалов.

3. Можно ли использовать опорные кольца из ПТФЭ при высоких температурах?

Да. ПТФЭ и его наполненные варианты обладают высокой термостойкостью (длительная эксплуатация часто до ~260°C), что делает их подходящими для высокотемпературных уплотнений. Для уточнения характеристик износа и трения необходимо выбрать конкретный наполненный материал.

4. Насколько надежны разъемные опорные кольца для динамических уплотнений?

Разъемные кольца удобны для модернизации и установки в существующие корпуса, но разъем должен быть правильно расположен, чтобы избежать выдавливания в месте соединения. Для высокоцикловых динамических нагрузок я предпочитаю цельные конструкции или специально разработанные разъемные геометрические формы, рассчитанные на динамические нагрузки.

5. Как температура влияет на риск экструзии?

Повышение температуры, как правило, размягчает эластомеры (снижает модуль упругости), увеличивая их восприимчивость к экструзии при заданном давлении. И наоборот, очень низкие температуры могут сделать некоторые эластомеры хрупкими и изменить контактные свойства при герметизации. Всегда проверяйте характеристики компаунда в течение ожидаемых температурных циклов.

6. Какие анализы мне следует запросить у поставщика?

Запросите данные об остаточной деформации при сжатии, твердости, термическом старении, а также испытаниях на экструзию/растяжение при давлениях и температурах, соответствующих условиям применения. Также запросите сертификаты размеров в соответствии со стандартами ISO или производителя, а также информацию о прослеживаемости материала, если это необходимо.

Если вам нужна помощь в подборе резервного уплотнительного кольца для конкретного цилиндра, клапана или вращающегося вала, свяжитесь со мной или обратитесь в компанию Polypac за образцами продукции и техническими характеристиками материалов. Для получения информации о продукции, разработке нестандартных составов и возможностях тестирования, посетите страницы продукции Polypac или запросите консультацию для анализа условий эксплуатации и подбора рекомендуемого пакета уплотнений.

Контакты / Запрос коммерческого предложения: посетите веб-сайт Polypac или отправьте электронное письмо их технической команде, чтобы сообщить рабочее давление, диапазон температур, рабочую среду и чертежи сальника, и они смогут предложить проверенное и оптимизированное решение.

Источники: Справочник по уплотнительным кольцам Parker.Обзор ISO 3601Общая информация об уплотнительных кольцах.Информация о ПТФЭ.