Графитовые кольца

Графитовые кольца — уплотнительные элементы на углеродной основе, предназначенные для герметизации подвижных и неподвижных соединений в промышленном оборудовании. Благодаря слоистой кристаллической структуре графит обладает низким коэффициентом трения, химической инертностью и способностью работать в широком диапазоне температур. Эти свойства делают графитовые уплотнительные кольца незаменимыми в энергетике, нефтехимии, химической промышленности и машиностроении — везде, где традиционные резиновые или паронитовые уплотнения не выдерживают условий эксплуатации.

Виды графитовых колец по назначению

Графитовые кольца различаются по конструкции и области применения. По функциональному назначению их разделяют на две основные группы: сальниковые и торцевые.

Сальниковые кольца из терморасширенного графита (ТРГ)

Сальниковые графитовые кольца предназначены для герметизации штоков запорной, регулирующей и специальной арматуры, а также валов насосов и компрессоров. Их изготавливают методом холодного прессования из ленты или фольги терморасширенного графита (ТРГ). ТРГ — полностью графитовый материал, не содержащий смол и неорганических наполнителей, что обеспечивает его высокую химическую стойкость.

По способу формования сальниковые кольца подразделяются на витые (из спирально навитой ленты ТРГ), слоёные (из послойно уложенной ленты или фольги с армирующим элементом) и плетёные (из сальниковой набивки). Также их получают методом вырубки из листового графитового материала.

Для арматуры высокого давления (Ру > 6,3 МПа) применяют кольца с плотностью графитовой составляющей 1,6–1,8 г/см³. Для арматуры низкого давления (Ру < 6,3 МПа) допускается использование колец с плотностью 1,2–1,4 г/см³. В комплект сальникового узла, как правило, входят основные уплотнительные кольца и замыкающие (обтюрированные) кольца с защитными элементами из нержавеющей стали.

Кольца для торцевых уплотнений насосов

Графитовое торцевое уплотнение состоит из пары колец — неподвижного (закреплённого в корпусе насоса) и вращающегося (установленного на валу). Вместе они образуют пару трения, которая обеспечивает герметизацию при высоких скоростях вращения. Для таких колец используют конструкционные углеграфитовые материалы: силицированный графит, алюмокарбидкремниевые композиции и углеграфит с пропиткой фенолоформальдегидной смолой.

Торцевые уплотнения делят на пружинные (с прижимными пружинами) и сильфонные (с гофрированной металлической оболочкой), а по способу монтажа — на компонентные (собираются на месте) и картриджные (поставляются в сборе).

Сегментные графитовые кольца

Сегментные кольца представляют собой уплотнительный элемент, состоящий из нескольких дугообразных сегментов, стянутых в окружность подпружиненным бандажом. Количество сегментов зависит от диаметра вала и рабочего давления. Такие кольца применяют преимущественно в газовых компрессорах и турбинах нефтегазовой отрасли для уплотнения штоков и валов.

Материалы для графитовых уплотнительных колец

Выбор материала определяется условиями эксплуатации: температурой, давлением, агрессивностью рабочей среды и скоростью скольжения в паре трения.

Терморасширенный графит (ТРГ)

ТРГ получают путём термического расширения интеркалированного (окисленного) природного графита при температуре 900–1200 °C. Полученный материал сохраняет кристаллическую структуру графита и обладает высокой пористостью (до 90–98 %). Из ТРГ методом прокатки получают фольгу и листы, которые затем используют для формования уплотнительных колец. ТРГ устойчив к большинству кислот (кроме концентрированных азотной и серной), щелочей, растворов солей и органических растворителей. Не содержит асбеста, что является важным экологическим преимуществом.

Силицированный графит

Силицированный графит получают пропиткой графитовой основы жидким кремнием. Образующиеся зёрна карбида кремния (SiC) формируют жёсткий износостойкий каркас, а включения свободного графита обеспечивают антифрикционные свойства и теплопроводность. Материал обладает высокой твёрдостью, стойкостью к эрозии и работоспособностью при температурах до 400–450 °C. Применяется в парах трения торцевых уплотнений центробежных, вихревых и поршневых насосов.

Углеграфит с пропиткой

Для повышения прочности, снижения пористости и улучшения химической стойкости графитовые заготовки пропитывают различными составами. Пропитка фенолоформальдегидной смолой повышает прочность и износостойкость. Пропитка металлами (баббит, бронза, медь, сурьма) улучшает прочностные показатели и теплопроводность. Пропитка неорганическими солями применяется для специальных условий эксплуатации. Выбор пропитывающего состава зависит от химического состава рабочей среды и температурного режима.

Эксплуатационные характеристики графитовых колец

Рабочие параметры зависят от типа кольца и материала. Ниже приведены характеристики для наиболее распространённых категорий.

Параметр	Сальниковые кольца из ТРГ	Кольца из силицированного графита
Диапазон рабочих температур	от −200 до +600 °C	до +400…450 °C
Допустимое давление среды	до 40 МПа	определяется конструкцией узла
Допустимая кислотность среды (pH)	0–14	зависит от наличия свободного кремния
Плотность	1,2–1,8 г/см³	1,8–2,1 г/см³
Коэффициент трения	низкий (работа без смазки)	низкий (эффект самосмазывания)

Кольца из ТРГ в окислительной атмосфере (воздух) рекомендуется эксплуатировать при температурах не выше +400…+450 °C. При более высоких температурах в окислительной среде применяют защитные кольца (обтюраторы) из нержавеющей стали, которые предотвращают контакт графита с кислородом. В инертной или восстановительной среде допускается работа при температурах до +600…+650 °C.

Области применения графитовых колец в промышленности

Графитовые кольца находят применение практически во всех отраслях, где требуется надёжная герметизация при повышенных температурах, давлениях или в агрессивных средах.

Уплотнение трубопроводной арматуры

Сальниковые кольца из ТРГ устанавливают в задвижки, вентили, запорно-регулирующие клапаны (КЗР) и регулирующую арматуру для герметизации штоков. В сальниковую камеру обычно укладывают комплект из 4–8 колец (в зависимости от рабочего давления), включая замыкающие кольца с защитными обтюраторами. Ресурс такого уплотнения при оптимальном выборе конструкции и усилия обжатия составляет не менее 10 000 рабочих циклов.

Уплотнение насосного оборудования

В центробежных, вихревых и плунжерных насосах графитовые кольца используют как в сальниковых узлах (кольца из ТРГ), так и в торцевых уплотнениях (кольца из силицированного графита или углеграфита с пропиткой). Подробнее о графитовых уплотнениях для различных типов насосов можно узнать в соответствующем разделе.

Энергетика

В тепловой и атомной энергетике графитовые уплотнительные кольца применяют для герметизации арматуры паропроводов, питательных насосов, теплообменников. Термостойкость ТРГ и отсутствие в составе асбеста делают этот материал предпочтительным для энергетических объектов.

Нефтегазовая и химическая отрасли

Химическая инертность графита по отношению к большинству агрессивных сред (кислоты, щёлочи, органические растворители, нефтепродукты) обеспечивает длительную работу уплотнений в нефтеперерабатывающем, газоперекачивающем и химическом оборудовании. Исключение составляют среды с высоким содержанием концентрированных окислительных кислот (азотная, хромовая), в которых графит подвергается окислению.

Пищевая промышленность и водоснабжение

Графитовые кольца из ТРГ допускаются к применению в контакте с питьевой водой (при наличии соответствующих гигиенических сертификатов). Их используют для уплотнения арматуры систем горячего и холодного водоснабжения, а также насосного оборудования на пищевых производствах.

Преимущества графитовых колец перед другими уплотнениями

Графитовые кольца имеют ряд существенных эксплуатационных преимуществ по сравнению с уплотнениями из резины, паронита и фторопласта. Низкий коэффициент трения, обусловленный слоистой структурой графита, позволяет эксплуатировать уплотнения без дополнительной смазки. Широкий диапазон рабочих температур (от криогенных до +600 °C и выше) существенно превышает возможности эластомерных уплотнений. Химическая стойкость к подавляющему большинству промышленных сред обеспечивает универсальность применения. Отсутствие асбеста в составе ТРГ отвечает современным экологическим требованиям. Малая ползучесть и высокая восстанавливаемость после снятия нагрузки обеспечивают стабильность герметизации в течение длительного времени, в том числе при термоциклировании.

Критерии выбора графитовых колец

При подборе графитовых колец для конкретного узла необходимо учитывать несколько ключевых факторов.

Тип уплотняемого соединения. Для сальниковых камер арматуры и насосов выбирают кольца из ТРГ. Для пар трения торцевых уплотнений — кольца из конструкционных углеграфитов (силицированный графит, углеграфит с пропиткой).

Рабочее давление. При давлении до 6,3 МПа допускаются кольца из ТРГ с плотностью 1,2–1,4 г/см³. При давлении свыше 6,3 МПа применяют кольца с плотностью 1,6–1,8 г/см³, а также замыкающие кольца с защитными элементами.

Температурный режим. Для температур до +400 °C в окислительной среде подходят стандартные кольца из ТРГ без защиты. Для более высоких температур или окислительных сред необходимы обтюраторы из нержавеющей стали.

Агрессивность среды. Для работы в кислотах, щелочах и органических растворителях подходит ТРГ. Для абразивных сред предпочтительны кольца из силицированного графита благодаря высокой твёрдости. Следует учитывать, что силицированный графит, содержащий свободный кремний, не рекомендуется для работы в щелочных средах.

Размеры. Наружный диаметр сальниковых колец из ТРГ может составлять от 18 до 600 мм и более. Кольца для торцевых уплотнений изготавливают по чертежам заказчика под конкретный тип насосного оборудования.

Формы поставки графитовых колец

Графитовые кольца поставляются в различных исполнениях в зависимости от назначения и требований заказчика. Сальниковые кольца из ТРГ — отдельные кольца и комплекты (набор основных и замыкающих колец для конкретного типоразмера арматуры). Кольца для торцевых уплотнений — пары трения в сборе или отдельные кольца по чертежам заказчика. Сегментные кольца — комплекты сегментов с пружинными бандажами. Также поставляются заготовки в виде колец из графитового листа, фольги или конструкционного графита для последующей механической обработки под нестандартные размеры.

Гарантийный срок хранения колец из ТРГ при соблюдении условий хранения (закрытое сухое помещение, температура до +30 °C, относительная влажность 40–70 %) составляет 5 лет с даты выпуска.

Рекомендации по монтажу сальниковых колец из ТРГ

Перед установкой необходимо очистить сальниковую камеру, шток и грундбуксу от остатков старого уплотнения. Все контактные поверхности рекомендуется натереть графитовой пастой или порошком для уменьшения адгезии (налипания) графита. Кольца укладывают поочерёдно, разворачивая каждое последующее на 90° относительно предыдущего для равномерного распределения зазоров стыков.

Оптимальное количество колец в пакете зависит от рабочего давления: при давлении до 6,3 МПа обычно достаточно 4–6 колец, при давлении до 40 МПа — 4 уплотнительных кольца плюс 2 ограничительных кольца повышенной плотности. Не допускается полное заполнение сальниковой камеры кольцами — необходим запас хода для грундбуксы. Обжатие сальника проводится равномерно, без перекосов.

При правильном монтаже и выборе конструкции графитовые сальниковые кольца обеспечивают ресурс не менее 10 000 рабочих циклов в течение 4 лет эксплуатации.

Условия поставки

Поставляем графитовые кольца уплотнительные различных типов и размеров: сальниковые кольца из ТРГ (витые, слоёные, плетёные), кольца для торцевых уплотнений из конструкционных графитов, сегментные кольца, а также графитовые заготовки для нестандартных изделий. Кольца изготавливаются по стандартным типоразмерам и по чертежам заказчика. Размеры, материал, плотность и наличие защитных элементов определяются на этапе оформления заявки в соответствии с условиями эксплуатации.