Уплотнение из вспученного графита

Что такое вспученный (терморасширенный) графит

Вспученный графит, он же терморасширенный графит (ТРГ), — углеродный материал с высокоразвитой пористой структурой, получаемый термическим расширением интеркалированных соединений природного чешуйчатого графита. По кристаллической структуре ТРГ идентичен исходному графиту, однако обладает пористостью до 90–98 % и удельной поверхностью до 100 м²/г, что позволяет прессовать его в изделия различной формы и плотности без применения связующих веществ.

Насыпная плотность порошка ТРГ составляет от 1,5 до 6 кг/м³ — это один из самых лёгких твёрдых материалов. Частицы имеют характерную червеобразную форму и легко сцепляются между собой при прессовании. Благодаря этому из порошка ТРГ методом прокатки и прессования получают графитовую фольгу, листовой материал, ленты и кольца для уплотнительных узлов промышленного оборудования.

Получение вспученного графита

Процесс получения ТРГ включает несколько стадий:

1. Интеркаляция. Природный крупночешуйчатый графит высокой чистоты обрабатывают сильными кислотами (серной, азотной) в присутствии окислителя (бихромат калия, перманганат калия, перекись водорода). При этом молекулы и ионы кислоты внедряются между слоями кристаллической решётки графита, формируя интеркалированное соединение.
2. Гидролиз и отмывка. Полученный продукт подвергают гидролизу и тщательной отмывке водой для удаления основной массы кислоты и побочных продуктов. Качество этой стадии напрямую влияет на содержание остаточной серы и хлоридов в конечном материале.
3. Термическое расширение. Высушенный окисленный графит подвергают ударному нагреву при температуре 900–1200 °С со скоростью порядка 400–600 °С/с. При таком термоударе из межслоевого пространства стремительно выделяются газообразные продукты (CO₂, CO, H₂O), создающие расклинивающее давление до 300–400 атм. Частицы графита расширяются вдоль кристаллографической оси c в сотни раз, образуя объёмный пористый материал — ТРГ.

Выбор исходного сырья имеет принципиальное значение: используется природный графит с крупнокристаллической структурой и минимальным содержанием золы. В процессе не используются асбест и полимерные связующие, что обеспечивает экологическую безопасность конечных изделий.

Формование уплотнительных материалов из ТРГ

Из насыпного полуфабриката (порошка ТРГ) методом прокатки между валками без добавления связующего получают графитовую фольгу — основной полуфабрикат для уплотнительных изделий. Плотность фольги регулируется усилием прокатки и составляет от 0,7 до 1,8 г/см³. Толщина рулонного материала — от 0,1 до 1,5 мм, ширина — до 1500 мм.

Из графитовой фольги нарезкой, прессованием и плетением изготавливают уплотнительные изделия различной конфигурации: плоские прокладки, уплотнительные кольца, сальниковые набивки, ленты. При необходимости повышения механической прочности и максимального рабочего давления фольгу армируют перфорированной или гладкой лентой из нержавеющей стали (обычно марки 08Х18Н10Т или аналогичные).

Технические характеристики уплотнений из вспученного графита

Свойства уплотнительных материалов на основе ТРГ существенно зависят от плотности, наличия армирования и условий эксплуатации. Ниже приведены типичные значения для неармированной графитовой фольги и листового материала.

Примечание: на воздухе интенсивное окисление графита начинается при температурах порядка 400–500 °С. Значение рабочей температуры до 550–650 °С, встречающееся в каталогах, относится к кратковременной работе или к применению с антиокислительными присадками. В инертной или восстановительной среде (азот, аргон, вакуум) верхний температурный предел ограничен только условиями эксплуатации оборудования.

Химическая стойкость уплотнений из терморасширенного графита

Материалы на основе ТРГ обладают высокой коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. Они стабильно работают в контакте с:

• щелочами и растворами солей любой концентрации;
• органическими растворителями, нефтепродуктами;
• разбавленными минеральными кислотами;
• паром, горячей и холодной водой (включая питьевую);
• инертными и восстановительными газами.

Ограничения: ТРГ не стоек к воздействию сильных окислителей — концентрированных азотной, хромовой кислот, а также растворов, содержащих активные окислители (перманганаты, бихроматы). В таких средах происходит химическое разрушение графита, и уплотнения теряют герметичность.

Формы поставки уплотнительных изделий из вспученного графита

Уплотнительные материалы на основе ТРГ поставляются в следующих формах:

Графитовая фольга (рулонный материал)

Рулонный неармированный материал толщиной от 0,1 до 1,5 мм. Применяется как заготовка для вырезки прокладок непосредственно на месте монтажа, для изоляции сложных фланцев (наклеивается на поверхность и обрезается по контуру), а также как полуфабрикат для плетёных набивок и уплотнительных лент.

Графитовый листовой материал (армированный и неармированный)

Листы из ТРГ размерами до 1000×1500 мм, толщиной от 0,5 до 6 мм. Армированные листы содержат один или два слоя гладкой либо перфорированной ленты из нержавеющей стали, что повышает прочность на разрыв и расширяет диапазон рабочих давлений. Листы используют для штамповки и вырезки плоских прокладок.

Фланцевые прокладки из ТРГ

Готовые уплотнительные прокладки кольцевой формы для фланцевых соединений. Выпускаются армированные (рабочее давление — до нескольких десятков МПа) и неармированные (до 6 МПа). Могут комплектоваться обтюраторами, дистанционными и ограничительными кольцами. Применяются для герметизации фланцев трубопроводов, арматуры, сосудов, теплообменников.

Уплотнительные кольца из графита

Кольца прессованные из ТРГ для графитовых уплотнений сальниковых камер. Набор колец заданного сечения формирует набивку сальника, обеспечивая герметизацию подвижного штока или вала. Кольца обладают самосмазывающим эффектом и не требуют дополнительной смазки при работе.

Сальниковая набивка плетёная из нити ТРГ

Плетёная набивка из графитовой нити (расщеплённой фольги ТРГ) квадратного или круглого сечения. Применяется для набивки сальников насосов, запорной и регулирующей арматуры, мешалок, компрессоров. Обеспечивает герметизацию подвижных соединений в агрессивных средах и при высоких температурах.

Уплотнительная графитовая лента

Гладкая и гофрированная лента из графитовой фольги для уплотнения резьбовых, фланцевых и бесфланцевых соединений. Лента легко принимает форму уплотняемой поверхности и обеспечивает надёжную герметизацию.

Области применения уплотнений из ТРГ в промышленности

Уплотнительные изделия из терморасширенного графита используются практически во всех отраслях промышленности, где предъявляются повышенные требования к герметичности, химической и термической стойкости уплотнений:

Преимущества уплотнений из ТРГ перед другими материалами

Терморасширенный графит пришёл на замену асбестосодержащим уплотнительным материалам, которые были запрещены или ограничены по экологическим причинам во многих странах. По сравнению с асбестом, паронитом и полимерными уплотнениями, материалы из ТРГ имеют ряд существенных технических преимуществ:

• Отсутствие старения. Ни повышение температуры, ни термоциклирование, ни время не влияют на пластичность и упругость ТРГ. Уплотнения не теряют массу, объём и эластичность в процессе эксплуатации.
• Самосмазывающий эффект. Низкий коэффициент трения по стали (менее 0,12 по сухой поверхности) позволяет работать без дополнительных смазок, снижает износ контактных поверхностей и повышает ресурс оборудования.
• Экологическая безопасность. Материал не содержит асбеста и полимерных связующих. Изделия из ТРГ относятся к 4-му классу опасности (малоопасные), не горят, не поддерживают горение, не выделяют токсичных веществ.
• Упругое восстановление. После обжатия материал частично восстанавливает толщину, что обеспечивает компенсацию температурных деформаций фланцев и долговременную герметичность.
• Многоразовое использование. Прокладки из ТРГ допускают повторную установку после разборки соединения (при условии сохранения целостности прокладки).

Нормативная документация на уплотнительные материалы из ТРГ

Основным межгосударственным стандартом, регламентирующим требования к уплотнительным материалам на основе терморасширенного графита, является ГОСТ 34708-2021 «Арматура трубопроводная. Уплотнительные материалы на основе терморасширенного графита. Общие технические условия». Стандарт распространяется на фольгу графитовую, листы графитовые армированные и неармированные и устанавливает классы прочности, чистоты и термоокислительной стойкости материалов ТРГ.

Кроме того, отдельные виды уплотнительных изделий выпускаются по техническим условиям производителей (ТУ), учитывающим специфику конкретных областей применения — атомная энергетика, пищевая промышленность, работа с особо агрессивными средами.

Рекомендации по выбору и эксплуатации графитовых уплотнений

Выбор типа уплотнения

Выбор конкретного вида уплотнения из ТРГ определяется условиями эксплуатации: давлением и температурой рабочей среды, типом соединения (фланцевое, сальниковое, резьбовое), характером среды (жидкость, газ, пар, агрессивная среда) и требованиями к герметичности. Для фланцевых соединений с рабочим давлением до 6 МПа, как правило, применяют неармированные прокладки. При более высоких давлениях — армированные листовые прокладки или спирально-навитые прокладки с графитовым наполнителем.

Монтаж прокладок из ТРГ

При монтаже фланцевых прокладок из ТРГ следует соблюдать ряд требований:

• Уплотнительные поверхности фланцев должны быть чистыми, без забоин и глубоких рисок.
• Затяжка крепежных болтов производится равномерно, крест-накрест, в несколько проходов — в соответствии с рекомендациями изготовителя оборудования.
• При температуре эксплуатации до 400 °С для предотвращения прилипания графита к стали рекомендуется смазывать графитовые поверхности тонким слоем антифрикционной смазки.
• При температуре свыше 400 °С вместо смазки наносят порошок графита или тальк.

Хранение уплотнительных материалов из ТРГ

Графитовые уплотнительные материалы хранят в сухих закрытых помещениях при температуре от +5 до +35 °С, вдали от источников влаги, масел и агрессивных паров. Рулоны фольги хранят в вертикальном положении в заводской упаковке. Прокладки и кольца — в индивидуальной упаковке, исключающей механические повреждения. Срок хранения практически не ограничен, так как ТРГ не подвержен старению.

Утилизация графитовых уплотнений

Отработанные уплотнения из ТРГ относятся к малоопасным отходам (4-й класс опасности). Они не содержат токсичных компонентов и могут утилизироваться вместе с бытовыми отходами. Материал не выделяет вредных веществ при захоронении и не загрязняет грунтовые воды.