Графитовое манжетное уплотнение

Манжетное уплотнение — элемент контактной герметизации подвижных соединений. Графитовые манжетные уплотнители применяются там, где резиновые и полимерные аналоги не выдерживают температуру, давление или агрессивность среды. Ниже рассмотрены конструкция, материалы, рабочие условия и области применения графитовых манжет.

Назначение графитового манжетного уплотнения

Графитовое манжетное уплотнение предназначено для герметизации зазора между подвижной деталью (штоком, валом, плунжером) и корпусом оборудования. Основные функции:

• предотвращение утечки рабочей среды (газов, жидкостей, пара) из рабочей зоны;
• защита внутренних полостей от попадания внешних загрязнений;
• разделение рабочих пространств с различным давлением и температурой.

Манжетные уплотнители из графита востребованы в тех случаях, когда стандартные эластомерные манжеты (из резины, полиуретана, фторкаучука) не обеспечивают работоспособность — при температурах выше 200–250 °С, в контакте с концентрированными кислотами, щелочами, органическими растворителями или перегретым паром.

Конструкция и форма сечения манжетных уплотнителей

Графитовая манжета чаще всего выполнена в виде кольца с V-образным (шевронным) поперечным сечением. Такой профиль обеспечивает самоуплотнение: под действием давления среды «губки» манжеты прижимаются к уплотняемым поверхностям, повышая герметичность.

Помимо V-образного сечения, графитовые манжеты выпускаются с U-образным и L-образным профилем. Для работы при высоких давлениях манжеты собирают в пакеты (наборы колец), устанавливая между ними опорные и нажимные кольца. Такая конструкция позволяет равномерно распределить усилие прижима по всему набору.

Особенности V-образного (шевронного) сечения

V-образные графитовые манжеты работают по принципу осевого прижима. Давление рабочей среды раздвигает «лепестки» кольца, обеспечивая плотный контакт с валом и корпусом. Чем выше давление, тем сильнее прижим — это и есть эффект самоуплотнения. Набор V-образных колец (шевронная набивка) собирается на штоке из нескольких уплотнительных элементов, зажатых между опорным и нажимным кольцами.

Материалы для графитовых манжетных уплотнений

Графитовые манжеты изготавливают из нескольких групп углеграфитовых материалов. Выбор конкретного материала определяется условиями эксплуатации — температурой, давлением, типом рабочей среды и скоростью скольжения.

Терморасширенный графит (ТРГ)

ТРГ — полностью графитовый материал, не содержащий смол и связующих. Получается термическим расширением обработанного природного графита. Это наиболее распространённый материал для уплотнительных колец и манжет в современной промышленности. Ключевые эксплуатационные параметры уплотнений из ТРГ:

ТРГ негорюч, не содержит асбеста, химически инертен к большинству кислот, щелочей, углеводородов, пара и криогенных жидкостей. Ограничение — подверженность окислению при температурах выше 450–500 °С на воздухе. Поэтому при высоких температурах в окислительной среде манжеты из ТРГ часто дополняют металлическими обтюраторами из нержавеющей стали.

Антифрикционный графит

Антифрикционный графит — искусственный углеграфитовый материал на основе прокалённого нефтяного кокса и каменноугольного пека с добавлением природного графита. Для улучшения свойств заготовки пропитывают металлами (баббитом, свинцово-оловянным сплавом) или полимерами (фенольными, фурановыми смолами, фторопластом).

Эксплуатационные параметры антифрикционных графитов:

Пропитка смолами повышает газоплотность материала и улучшает приработку к сопрягаемым поверхностям, но снижает верхний температурный предел. Пропитка металлом (баббитом, сплавом свинца и олова) улучшает теплоотвод и прочность, но ограничивает применение температурой плавления пропитки.

Графитопласт

Графитопласт — композиционный материал на основе искусственного углеграфита, пропитанного фторопластом (ПТФЭ). Сочетает низкий коэффициент трения графита с химической инертностью фторопласта. Графитопласт применяют для манжетных уплотнений в агрессивных жидких средах при умеренных температурах (до 250–280 °С) и скоростях скольжения.

Ключевые свойства графитовых манжет

Графитовые уплотнительные манжеты обладают рядом свойств, определяющих их выбор для ответственных узлов:

• Низкий коэффициент трения. Слоистая кристаллическая структура графита обеспечивает эффект «сухой смазки» — слои гексагональной решётки легко скользят друг относительно друга. Это снижает износ вала и самого уплотнения, уменьшает потери мощности на трение.
• Широкий температурный диапазон. Графит не плавится (возгоняется при температурах выше 3300 °С), что позволяет использовать уплотнения там, где полимерные и эластомерные материалы разрушаются.
• Химическая стойкость. Графит инертен к подавляющему большинству кислот, щелочей, органических растворителей, нефтепродуктов. Ограничение — контакт с сильными окислителями (концентрированная азотная кислота, хромовая кислота, расплавы щелочных металлов).
• Способность к приработке. Графит хорошо прирабатывается к металлическим поверхностям, что важно для плотного контакта манжеты с валом и корпусом в начальный период эксплуатации.
• Отсутствие набухания. В отличие от резиновых и полимерных манжет, графитовые не набухают в углеводородных средах.

Ограничения при эксплуатации

Графитовые манжетные уплотнители имеют ряд ограничений, которые необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации:

• Чувствительность к абразивным частицам. Твёрдые механические включения в рабочей среде (песок, окалина, продукты коррозии) приводят к ускоренному износу графитовых манжет и повреждению сопрягаемых поверхностей.
• Окисление на воздухе при высоких температурах. В окислительной среде при температурах выше 450–500 °С графит окисляется. Если конструкция уплотнительного узла не защищает графит от контакта с кислородом, верхний температурный предел снижается.
• Хрупкость. Графит — хрупкий материал. При монтаже и демонтаже требуется аккуратность, недопустимы ударные нагрузки и перекосы.
• Коррозия контртела. Разность электродных потенциалов графита и стали может провоцировать электрохимическую коррозию стальных деталей. Проблема решается применением нержавеющих сталей или ингибиторов коррозии.

Области применения

Графитовые манжетные уплотнения используются в оборудовании различных отраслей промышленности:

• Нефтехимическая и химическая промышленность — уплотнение штоков запорной и регулирующей арматуры, работающей с агрессивными средами (кислоты, щёлочи, органические растворители) при повышенных температурах.
• Энергетика — уплотнение штоков паровой арматуры, питательных насосов, сальниковых узлов турбинного оборудования.
• Нефтегазовая отрасль — графитовые уплотнения применяются в задвижках, клапанах и насосном оборудовании, эксплуатируемом при высоких температурах и давлениях.
• Металлургия — уплотнение подвижных соединений оборудования, работающего в зонах высоких температур (газоходы, печи, воздухонагреватели).
• Пищевая промышленность — допускается применение непропитанного графита (ТРГ) в контакте с пищевыми средами, так как материал не содержит токсичных компонентов.

Формы поставки графитовых манжетных уплотнителей

Графитовые манжетные уплотнения поставляются в различных формах в зависимости от потребностей заказчика:

• готовые манжетные кольца с V-образным, U-образным или L-образным сечением заданных типоразмеров;
• наборы (пакеты, комплекты) шевронных колец с опорными и нажимными кольцами;
• заготовки (кольца, втулки, бруски) из антифрикционного графита или ТРГ для последующей механической обработки заказчиком;
• листовой терморасширенный графит (армированный и неармированный) для вырубки или вырезки уплотнительных элементов;
• графитовые кольца уплотнительные — прессованные из ТРГ, из антифрикционного графита, с обтюраторами и без.

Критерии выбора графитовой манжеты

При выборе графитового манжетного уплотнения необходимо определить следующие параметры рабочего узла:

Условия хранения и монтажа

Графитовые манжетные уплотнения хранятся в сухих закрытых помещениях, без воздействия прямого солнечного света. Срок хранения изделий из ТРГ — до 10 лет при соблюдении условий. При монтаже необходимо соблюдать следующие требования:

• поверхности штока (вала) и расточки корпуса должны быть чистыми, без заусенцев и забоин;
• монтаж выполнять без ударных нагрузок, чтобы не повредить графитовые кольца;
• при сборке шевронного набора соблюдать последовательность установки: опорное кольцо — уплотнительные V-кольца — нажимное кольцо;
• усилие затяжки нажимного элемента увеличивать постепенно, обеспечивая равномерный прижим без деформации колец.