Графитофторопластовые уплотнения

Графитофторопластовые уплотнения — это изделия из композиционного материала на основе фторопласта-4 (политетрафторэтилена, ПТФЭ), наполненного графитом. Введение графитового наполнителя придаёт базовому полимеру комплекс свойств, востребованных в узлах трения промышленного оборудования: повышенную износостойкость, улучшенную теплопроводность и способность к самосмазыванию. Материал сочетает химическую инертность фторопласта с антифрикционными качествами графита, что делает его пригодным для работы без внешней смазки.

Состав и основные марки графитофторопластовых материалов

Графитофторопластовые материалы представляют собой композиции фторопласта-4 с графитовыми наполнителями различных марок. Содержание графита и тип наполнителя определяют эксплуатационные характеристики готового изделия. Наиболее распространённые марки графитофторопластов, применяемых для уплотнений:

• АФГ-80ВС — фторопласт-4 с 20 % графита. Самосмазывающийся материал для узлов трения, работающих во влажных и агрессивных газах, в жидких средах, в вакууме и при низких температурах.
• АФГМ — фторопласт-4 с 45 % графита и добавкой дисульфида молибдена. Предназначен для работы в осушенных газах и в вакууме.
• 7В-2А — композиция с 50 % графита. Применяется для вкладышей подшипников скольжения, работающих в потоке жидкостей (вода, антифриз, нефтепродукты, водные растворы химических продуктов).

Все перечисленные материалы относятся к классу антифрикционных самосмазывающихся композиций и рекомендуются для использования в узлах трения без внешней смазки.

Физико-механические свойства графитофторопластов

Свойства графитофторопластовых материалов существенно отличаются от чистого фторопласта-4 и зависят от типа и содержания наполнителя. В таблице приведены сравнительные характеристики основных марок по данным производителей.

Показатель	Ф-4	АФГМ	АФГ-80ВС	7В-2А
Плотность, кг/м³	2120–2200	2100–2300	2000–2100	1900–2000
Прочность при разрыве, МПа	14,7–34,5	8–9	6–7	—
Относительное удлинение, %	250–500	10	40–60	—
Прочность при сжатии, МПа	11,8	15,0–26,0	10,0–19,0	35,0–58,0
Модуль упругости при сжатии, МПа	686,5	70–100	60–90	90–120
Твёрдость по Бринеллю, МПа	29,4–39,2	59–140	59–93	88–157
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	0,25	2,3	0,7–1,1	8,1
Коэффициент трения по стали	0,04	0,08–0,15	0,08–0,15	0,1
Износ за 100 ч работы, мкм	—	20–50	20–50	20–50
Рабочая температура, °С	от −269 до +260	от −186 до +180	от −186 до +200	от −186 до +250

Как видно из таблицы, добавка графита значительно увеличивает твёрдость и теплопроводность материала по сравнению с чистым фторопластом-4. Коэффициент теплопроводности у АФГМ (2,3 Вт/(м·К)) почти в 10 раз выше, чем у Ф-4 (0,25 Вт/(м·К)), а у 7В-2А (8,1 Вт/(м·К)) — в 32 раза. Это обеспечивает эффективный отвод тепла из зоны трения, что критически важно для долговечности уплотнений.

При этом прочность при разрыве наполненных композиций ниже, чем у чистого фторопласта, а относительное удлинение сокращается в десятки раз. Эти особенности необходимо учитывать при проектировании уплотнительных узлов.

Антифрикционные и самосмазывающиеся свойства

Графитофторопластовые уплотнительные материалы являются самосмазывающимися — они способны работать в узлах трения без подачи внешней смазки. Это свойство обусловлено слоистой структурой графита: при трении тонкие слои графита переносятся на сопряжённую поверхность, формируя плёнку, снижающую износ обеих контактных поверхностей.

Коэффициент трения графитофторопластов по стали составляет 0,08–0,15, что обеспечивает приемлемый уровень фрикционных потерь в механизмах. Предельно допустимое удельное давление для АФГМ и АФГ-80ВС составляет 1,0–1,5 МПа при предельно допустимой линейной скорости скольжения до 5 м/с. Эти параметры необходимо соблюдать для обеспечения нормального ресурса уплотнений.

Материалы АФГМ и АФГ-80ВС совместимы с чугунами, углеродистыми и легированными сталями различных марок, а также работоспособны по хромовому покрытию контртела.

Химическая стойкость графитофторопластовых уплотнений

Химическая стойкость графитофторопластов определяется прежде всего свойствами фторопластовой матрицы. Фторопласт-4 устойчив к подавляющему большинству кислот, щелочей, растворителей и нефтепродуктов. Введение графитового наполнителя в целом сохраняет эту стойкость, однако с одним существенным ограничением: графит окисляется сильными окислителями. Поэтому графитофторопластовые уплотнения не рекомендуются для сред, содержащих концентрированные окислители (например, азотную кислоту в высоких концентрациях, галогены, кислород под давлением).

В остальных агрессивных средах — растворах серной, соляной, фосфорной кислот, щелочей, органических растворителях — графитофторопластовые уплотнения работоспособны в пределах температурного диапазона материала.

Типы уплотнительных изделий из графитофторопласта

Поршневые кольца из графитофторопласта

Поршневые кольца — наиболее востребованный тип изделий из графитофторопластовых материалов. Они устанавливаются в поршневых компрессорах, работающих без смазки цилиндров. Компрессоры с поршневыми кольцами из наполненного фторопласта работают без смазки в цилиндрах диаметром до 1 м.

Поршневые кольца из АФГМ используются в компрессорах, сжимающих газы до давления 10 МПа. Кольца из АФГ-80ВС применяются в компрессорах, работающих с влажными и агрессивными газами. Кольца могут быть цельными (неразрезными) и разрезными — с радиальным или тангенциальным разрезом.

Помимо уплотнительных, из графитофторопласта изготавливают направляющие (опорные) поршневые кольца — они удерживают поршень в цилиндре, предотвращая контакт металла с металлом.

Уплотнительные кольца штока

Уплотнения штока компрессора предотвращают утечку сжимаемого газа вдоль штока поршня. Конструктивно они выполняются разрезными — элементы удерживаются пружиной. Разрез выполняется радиально или по касательной. При высоких давлениях в уплотнительный узел включаются ограничительные металлические кольца, которые одновременно рассеивают тепло.

Сальниковые кольца из графитофторопласта

Сальниковые кольца из графитофторопластовых материалов применяются для уплотнения вращающихся валов насосов и трубопроводной арматуры. Их преимущество перед традиционными набивками — отсутствие необходимости в периодической подтяжке и минимальный износ вала.

Втулки из графитофторопласта

Графитофторопластовые втулки используются в качестве подшипников скольжения и направляющих элементов в различных парах трения. Втулки из материала 7В-2А применяются как вкладыши радиальных и радиально-осевых подшипников скольжения насосов, работающих в потоке перекачиваемой жидкости — пресной и морской воды, антифриза, нефтепродуктов, водных растворов химических продуктов.

Втулки из АФГ-80ВС используются как сепараторы подшипников качения и подшипники скольжения, работающие во влажных газах и жидких средах, в том числе агрессивных.

Торцевые уплотнения

Графитофторопластовые материалы используются в парах трения торцевых уплотнений насосов и мешалок. Пара трения торцевого уплотнения — это два кольца (вращающееся и неподвижное), между которыми поддерживается тонкая плёнка перекачиваемой среды. Графитофторопласт работает в паре с контркольцами из нержавеющей стали, карбида кремния или керамики.

Области применения графитофторопластовых уплотнений

Компрессорное оборудование

Основная область применения — безмасляные (бессмазочные) поршневые компрессоры. Графитофторопластовые поршневые и уплотнительные кольца обеспечивают герметичность при сжатии газов без подачи масла в цилиндр. Это критично для производств, где загрязнение газа маслом недопустимо: пищевая, фармацевтическая, электронная промышленность, производство технических газов высокой чистоты.

Насосное оборудование

В центробежных, плунжерных и герметичных (бессальниковых) насосах графитофторопластовые материалы применяются в подшипниках скольжения и уплотнениях вала. Материал 7В-2А используется в подшипниках главных циркуляционных насосов (ГЦН) для атомных электростанций, в осевых и диагональных насосах, конденсатных, артезианских и бензиновых насосах.

Химическая и нефтегазовая промышленность

Химическая стойкость графитофторопласта позволяет применять уплотнения в оборудовании, контактирующем с кислотами, щелочами, растворителями и нефтепродуктами. Это запорная арматура, реакторы, теплообменники, колонное оборудование. Ограничение — недопустимость контакта с сильными окислителями.

Энергетика

В тепловой и атомной энергетике графитофторопластовые уплотнения работают в насосах, компрессорах и арматуре. Материал 7В-2А, как было отмечено, эксплуатируется в ответственных узлах ГЦН атомных станций.

Условия эксплуатации и ограничения

При выборе графитофторопластовых уплотнений для конкретного оборудования необходимо учитывать следующие эксплуатационные ограничения:

• Температура: рабочий диапазон зависит от марки материала. АФГ-80ВС работает от −186 до +200 °С, АФГМ — от −186 до +180 °С, 7В-2А — от −186 до +250 °С. Превышение верхнего предела ведёт к деструкции фторопластовой матрицы с выделением токсичных фторсодержащих газов.
• Удельное давление: предельно допустимое удельное давление на рабочую поверхность уплотнения для АФГМ и АФГ-80ВС составляет 1,0–1,5 МПа. Это контактное давление в паре трения, а не давление рабочей среды.
• Скорость скольжения: предельно допустимая линейная скорость скольжения — до 5 м/с.
• Рабочая среда: недопустим контакт с сильными окислителями, элементарным фтором и кислородом под давлением. В остальных средах (кислоты, щёлочи, углеводороды, вода, пар) материал работоспособен.
• Контртело: графитофторопласт работает в паре с чугуном, сталью, хромовым покрытием. Шероховатость контртела влияет на интенсивность износа: рекомендуемая шероховатость Ra составляет 0,16–0,63 мкм.

Формы поставки графитофторопластовых уплотнений

Графитофторопластовые уплотнения поставляются в различных формах в зависимости от назначения и требований заказчика:

• Заготовки в виде стержней (кругов) и втулок — для последующей механической обработки на предприятии потребителя.
• Поршневые кольца — уплотнительные, направляющие (опорные), маслосъёмные — с заданными размерами и типом разреза.
• Уплотнительные кольца штока — разрезные, с пружинным элементом.
• Сальниковые кольца заданных сечений.
• Втулки подшипников скольжения — цельные и разрезные.
• Кольца торцевых уплотнений.
• Изделия по чертежам заказчика.

Графитофторопластовые заготовки хорошо поддаются всем видам механической обработки: точению, фрезерованию, сверлению, шлифованию. Это позволяет изготавливать уплотнения нестандартных размеров и конфигураций непосредственно на предприятии потребителя.

Отличие графитофторопласта от коксонаполненного фторопласта

На практике графитофторопласт (АФГ-80ВС, АФГМ) нередко путают с коксонаполненным фторопластом Ф4К20. Это разные материалы с различными свойствами, хотя оба применяются для уплотнений.

Ф4К20 — это композиция фторопласта-4 с 20 % коксовой муки. Его износостойкость значительно выше, чем у чистого Ф-4. Рабочий температурный диапазон Ф4К20 составляет от −60 до +250 °С. Графитофторопласт АФГ-80ВС содержит 20 % графита и отличается от Ф4К20 более высокой теплопроводностью (0,7–1,1 против ~0,25 Вт/(м·К) у Ф4К20) и возможностью работы при криогенных температурах (до −186 °С).

Выбор между этими материалами определяется условиями эксплуатации: при работе в криогенных условиях или при повышенных требованиях к теплоотводу предпочтителен графитофторопласт; для общепромышленного применения при умеренных температурах достаточен коксонаполненный фторопласт.

Условия хранения заготовок

Графитофторопластовые заготовки и готовые изделия хранят в сухих закрытых помещениях при температуре от +5 до +25 °С, вдали от источников тепла и прямого солнечного света. Материал не впитывает влагу и не подвержен атмосферной коррозии, что обеспечивает длительный срок хранения. При соблюдении условий хранения срок годности фторопластовых заготовок составляет не менее 12 лет с даты изготовления.