Выбор уплотнений для скребков штока при экстремальных температурах и давлении.

Как инженер и консультант, занимавшийся проектированием и подбором уплотнений для горнодобывающей, нефтегазовой, аэрокосмической и тяжелой мобильной гидравлики, я знаю, что выбор правильных уплотнений для штоковых скребков при экстремальных температурах и давлениях редко бывает универсальным решением. В этой статье я обобщаю практические правила выбора, компромиссы в выборе материалов, проверки при проектировании и монтаже, а также лучшие практики тестирования, которые помогут вам минимизировать утечки, сократить время простоя и продлить срок службы уплотнений.

Понимание условий обслуживания

Экстремальные температуры: не только «жара» или «холод».

При оценке применения я в первую очередь определяю весь температурный диапазон: температуру окружающей среды, температуру жидкости, скачки температуры при запуске/остановке и локальный нагрев от трения. Материалы, выдерживающие непрерывную эксплуатацию при температуре 150°C, могут выйти из строя, если время от времени возникают скачки температуры до 250°C. И наоборот, криогенные или отрицательные температуры (от -40°C до -196°C) влияют на гибкость эластомера и деформацию кромки. Основные характеристики материалов см. в справочниках по ПТФЭ и эластомерам, таких как...ПТФЭ (Википедия)иФКМ (Википедия).

Давление, риск экструзии и динамика системы.

Давление определяет механическую стратегию: системы высокого давления увеличивают риск экструзии полимерных уплотнений. Многие промышленные гидравлические системы работают в диапазоне 200–350 бар (20–35 МПа); проектирование рассчитано на пиковое давление, скачки и перепады давления. Я всегда оцениваю, подвергается ли простой скребок/пылезащитное кольцо воздействию полного давления системы или только окружающего/штокового давления. Общее поведение гидравлического оборудования и типичные рабочие давления обсуждаются в литературе, например, в [ссылка на источник].Гидравлический цилиндр (Википедия).

Загрязнения, совместимость со средой и истирание

Уплотнения штоков в первую очередь предотвращают попадание грязи и абразивных частиц, но они также контактируют с гидравлической жидкостью и случайными загрязнениями (водой, смазочно-охлаждающими жидкостями, химикатами). Попадание абразивных частиц ускоряет износ скребковых кромок; химическое воздействие приводит к набуханию или охрупчиванию некоторых эластомеров. Определите наихудшие рабочие среды (например, фосфатные эфирные жидкости, водно-гликолевые смеси, минеральное масло, морская вода, растворители) и проверьте таблицы совместимости у поставщиков материалов.

Выбор материала для уплотнений скребков штока

Эластомеры против скребковых уплотнений на основе ПТФЭ

Я разделяю материалы на две группы: эластомерные скребки (NBR, FKM, EPDM, силикон, FFKM) и ПТФЭ или наполненный ПТФЭ (бронза/ПТФЭ, углерод/ПТФЭ, MoS2/ПТФЭ). Эластомеры обеспечивают хорошее упругое восстановление, низкий профиль и низкое трение при умеренных температурах, в то время как ПТФЭ превосходит их по термостойкости, химической стойкости и низкому трению в широком диапазоне температур. Наполненные варианты ПТФЭ улучшают износостойкость и уменьшают эффект «залипания-скольжения». Для быстрого ознакомления см. сводные данные о свойствах материалов в Википедии:NBR,ФКМ,силиконовая резина.

Компромиссы в выборе материалов для экстремальных температур

Для непрерывной работы при высоких температурах (>150°C) и в агрессивных жидкостях я предпочитаю ПТФЭ или ФФКМ (перфторэластомеры). При криогенной или очень низкой температуре ПТФЭ сохраняет размерную стабильность, в то время как многие эластомеры становятся жесткими — может потребоваться ФФКМ и специально разработанные силиконы или низкотемпературные компаунды на основе ФФКМ. Когда основным видом разрушения является абразивный износ от частиц, наполненный ПТФЭ с добавлением бронзы или углерода увеличивает срок службы.

Матрица «материал-температура-давление»

Ниже приведено практическое сравнение, которое я использую при отборе материалов. Цифры указывают типичные диапазоны рабочих температур; уточняйте конкретные данные по составу у поставщиков.

Примечание: Приведенные в таблице параметры допустимого давления предполагают использование надлежащих мер защиты от экструзии (опорные кольца, конструкция канавок) там, где это необходимо. Для получения статических справочных данных по допускам уплотнительных колец и стандартам герметизации см.Уплотнительное кольцо (Википедия)а также обсуждение стандартов ISO.

Вопросы проектирования, защиты от экструзии и монтажа.

Стратегия предотвращения экструзии: опорные кольца и геометрия.

В узлах штоковых уплотнений высокого давления необходимо предотвращать выдавливание, даже если скребок не является основным уплотнением под давлением. Обычно я указываю наличие противовыдавливающих опорных колец на стороне штока, контактирующей с рабочей жидкостью, и слежу за тем, чтобы скребки имели соответствующую геометрию. Опорные кольца часто изготавливаются из ПТФЭ или наполненного ПТФЭ; они должны быть совместимы с канавкой и сами по себе не истирать шток. Отсутствие опорного кольца в системах высокого давления является одной из основных причин выхода кромки из строя и выдавливания.

Допуски на канавки, зазор экструзии и качество поверхности.

Контроль зазоров экструзии и размеров канавок имеет решающее значение. Я использую рекомендованные производителем пределы зазоров экструзии и всегда проверяю качество поверхности штока (обычно Ra 0,2–0,8 мкм для динамических уплотнений) и твердость (обычно 30–60 HRC для штоков). Плохое качество поверхности увеличивает износ кромок скребка и может повредить более мягкие уплотнения. Для получения информации о конкретных допусках существуют рекомендации ISO и стандартов производителя; обратитесь к чертежам канавок поставщика уплотнений и рекомендациям ISO.

Монтаж, сборка и проверка

Неправильная установка приводит к зазубринам и поломкам, вызванным задержкой. Я рекомендую использовать монтажные втулки для штока, смазывать компоненты совместимой жидкостью и проводить предпусковую проверку при сборке — проверить выравнивание кромок, отсутствие заклинивания и правильность осевой предварительной нагрузки. Для отремонтированных систем осмотрите шток на наличие коррозионных ямок и удалите или устраните задиры перед установкой новых скребковых уплотнений.

Тестирование, проверка и прогнозирование срока службы.

Протоколы лабораторных испытаний и валидация услуг

При проверке конструкции я запрашиваю ускоренные испытания на долговечность при температурах, давлениях и загрязнениях, соответствующих условиям эксплуатации. В качестве базовых показателей используются соответствующие стандарты и процедуры испытаний — многие организации и производители публикуют описания испытательных стендов и процедур; например, стандартные методы испытаний уплотнений описаны в технической литературе и публикациях комитетов ISO. Для сопоставления показателей износа используются стендовые испытания, а для подтверждения реальных эксплуатационных характеристик — полевые испытания.

Мониторинг, анализ отказов и непрерывное совершенствование

Анализ первопричин отказов уплотнений обычно выявляет предсказуемые проблемы: неправильный выбор материала, экструзия, повреждение поверхности или загрязнение. Я рекомендую протокол анализа отказов: фотографирование повреждений кромки, измерение изменений размеров, анализ материалов на химическое воздействие и сравнение с лабораторными образцами. Полученные данные следует учитывать при выборе материалов и перепроектировании канавок.

Показатели эффективности, которые я отслеживаю

• Скорость утечки и проникновение загрязнений в течение циклов
• Глубина износа и изменение геометрии кромки (измерение на микронном уровне)
• Время работы до замены и среднее время между отказами (MTBF)

Возможности Polypac и наши решения для герметизации в экстремальных условиях.

Polypac — опыт, масштаб и исследования и разработки.

Компания Polypac — это производитель и поставщик гидравлических и маслосъемных уплотнений, специализирующийся на производстве уплотнений, разработке уплотнительных материалов и индивидуальных решениях для особых условий эксплуатации. Основанная в 2008 году, компания Polypac начала свою деятельность с производства наполненных ПТФЭ уплотнений, включая ПТФЭ с бронзовым наполнителем, ПТФЭ с углеродным наполнителем, ПТФЭ с графитом, ПТФЭ с наполнителем MoS₂ и ПТФЭ со стекловолокном, а сегодня предлагает широкий ассортимент эластомеров и современных компаундов.

Наш завод по производству резиновых и уплотнительных колец занимает площадь более 10 000 квадратных метров, из которых 8 000 квадратных метров приходится на производственные площади. Наше производственное и испытательное оборудование является одним из самых передовых в отрасли. Как одна из крупнейших компаний в Китае, специализирующаяся на производстве и разработке уплотнений, мы поддерживаем долгосрочные связи и сотрудничество со многими университетами и научно-исследовательскими институтами как внутри страны, так и за рубежом.

Продукты и дифференциация

Преимущества Polypac заключаются в материаловедении, масштабах производства и возможностях тестирования. Мы сочетаем передовые составы с наполнителем из ПТФЭ с современными эластомерными компаундами для производства надежных штоковых уплотнений, поршневых уплотнений, торцевых пружинных уплотнений, скребковых уплотнений, вращающихся уплотнений, опорных колец, пылезащитных колец и уплотнительных колец. Наши основные продукты включают в себя: уплотнительные кольца, штоковые уплотнения, поршневые уплотнения, торцевые пружинные уплотнения, скребковые уплотнения, вращающиеся уплотнения, опорные кольца, пылезащитное кольцо.

Почему стоит сотрудничать с Polypac в экстремальных условиях?

Я выбираю Polypac для создания уплотнений, отвечающих самым высоким требованиям, когда мне необходимы: разработка компаундов на заказ (высокотемпературный FFKM или специальный наполненный PTFE), точный контроль зазора при экструзии и лабораторная проверка. Сотрудничество Polypac с университетами и использование современного испытательного оборудования сокращают время, необходимое для квалификации новых материалов, и позволяют создавать конструкции, адаптированные под экстремальные температуры и гидравлические среды высокого давления.

Практический контрольный список для отбора, который я использую.

Перед оформлением заказа на уплотнения для скребков штока выполните следующие действия по проверке:

• Задайте полный температурный профиль (минимум, максимум, пики) и список жидкостей/сред.
• Документируйте пиковое и установившееся давление; включите данные о динамических скачках давления.
• Укажите качество обработки поверхности и твердость стержня; при наличии царапин отремонтируйте или замените стержни.
• Выбор типа материала (эластомер или ПТФЭ) должен основываться на температурном воздействии и воздействии химических веществ.
• Конструкция, предотвращающая экструзию: опорные кольца, геометрия канавок и зазоры экструзии.
• Запросите у поставщика протоколы испытаний и, при необходимости, результаты испытаний изготовленных на заказ соединений.
• Составьте протокол монтажа и проверки; используйте монтажные инструменты и смазку.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Может ли один и тот же материал выдерживать одновременно экстремально высокие температуры и абразивные загрязнения?

В большинстве случаев ни один материал не является идеальным для всех экстремальных условий. Наполненные варианты ПТФЭ отлично подходят для высоких температур и химической стойкости, а также лучше противостоят истиранию, чем ненаполненные варианты ПТФЭ. Там, где требуется радиальная гибкость и низкий профиль при умеренных температурах, предпочтительнее использовать эластомер. Часто лучшим решением является композитная сборка — уплотнительные манжеты из ПТФЭ или FFKM в сочетании с эластомерными активаторами или опорными кольцами.

2. При каком давлении следует всегда использовать противоэкструзионные опорные кольца?

Обычно я рекомендую меры по предотвращению экструзии при давлении выше 150–200 бар (15–20 МПа) или всякий раз, когда зазор экструзии значителен по отношению к толщине материала. Даже при более низком давлении, если уплотнительная кромка должна перекрывать поток жидкости под давлением или материал мягкий, целесообразно использовать опорные кольца.

3. Как выбрать между ПТФЭ и FFKM для работы при очень высоких температурах?

ПТФЭ хорошо выдерживает длительную работу при высоких температурах и в криогенных условиях, но ему не хватает эластичности, присущей эластомерам. ФФКМ (перфторэластомер) сочетает в себе эластомерные свойства с очень высокой термической и химической стойкостью, поэтому он идеально подходит, когда требуется эластичное уплотнение при повышенных температурах. Окончательный выбор должен зависеть от стоимости и совместимости с различными жидкостями; следует изучить таблицы и провести испытания, специфичные для конкретного поставщика.

4. Какая обработка поверхности штока является оптимальной для скребковых уплотнений?

Для динамических уплотнений я стремлюсь к чистоте поверхности Ra 0,2–0,8 мкм и высококачественному покрытию или твердому хрому с достаточной твердостью для сопротивления износу. Шероховатые или зазубренные штоки увеличивают износ и сокращают срок службы скребка. Если вы обнаружите точечную коррозию или точечную коррозию, отремонтируйте или замените шток перед сборкой.

5. Как проверить правильность выбора уплотнителя перед полномасштабным развертыванием?

Проведите ускоренные стендовые испытания, имитирующие циклы давления, температуры, скорости и загрязнения; запросите у поставщика данные о скорости износа и утечках. Затем проведите контролируемые полевые испытания на репрезентативном оборудовании. Сопоставьте данные стендовых испытаний с полевыми показателями и внесите необходимые изменения в состав или геометрию.

Контакты и дальнейшие шаги

Если вам нужна помощь в выборе уплотнений для штоковых скребков, предназначенных для экстремальных температур или гидравлических систем высокого давления, я рекомендую обратиться за помощью к техническому партнеру по уплотнениям. Компания Polypac предлагает разработку компаундов на заказ, производство наполненных ПТФЭ и полный спектр производственных и испытательных возможностей для проверки уплотнений в условиях эксплуатации с высокими требованиями. Свяжитесь с Polypac, чтобы обсудить пробные партии, технические характеристики материалов и программы испытаний — или ознакомьтесь с нашим ассортиментом продукции, чтобы найти совместимые уплотнения для штоков, скребковые уплотнения, опорные кольца и уплотнительные кольца на заказ. Для получения информации, коммерческих предложений или технической поддержки, пожалуйста, свяжитесь с отделом продаж и инженерным отделом Polypac, чтобы договориться о консультации по материалам и проведении испытаний образцов.

Примечание: Обратитесь в Polypac за индивидуальными решениями по герметизации, техническими характеристиками продукции и программами тестирования. Посетите страницы нашей продукции или запросите коммерческое предложение, чтобы начать квалификационные испытания.