Основы выбора смазочных материалов для уплотнительных устройств арматуры трубопроводов

Часто возникают ситуации, когда необходимо обеспечить герметичность механизма. Для этой цели применяются уплотнительные устройства. Они предотвращают или уменьшают утечку газа, жидкости, создавая преграду в местах соединения деталей.

В трубопроводной арматуре широко используются контактные уплотнения, которые благодаря плотному прилеганию к соответствующим сопряженным поверхностям обеспечивают требуемый уровень герметизации.

Уплотнительные устройства такого типа обладают наиболее высокой надежностью, однако их рабочий ресурс весьма ограничен. Эффективность контактных уплотнителей во многом зависит от правильного выбора смазочных материалов для их обработки.

Во избежание преждевременного износа и снижения герметичности из-за высоких давлений уплотнения обрабатывают пластичными смазками. Такие материалы повышают герметизирующие свойства и снижают трение, тем самым увеличивая срок службы уплотняющих деталей.

Зачастую в уплотнительных устройствах встречаются такие пары трения, как полимер-полимер, металл-эластомер или металл-полимер. Благодаря предварительному поджатию, а также за счет рабочего давления резиновые и пластмассовые уплотнители плотно прилегают к сопряженным элементам, не допуская зазоров в процессе эксплуатации.

В качестве сырья для производства уплотнений широко используются эластомеры. Они принимают форму сопряженных деталей и подвержены прилипанию, что затрудняет их дальнейшую эксплуатацию и приводит к ускоренному выходу уплотняющих устройств из строя.

Налипание резиновых манжет в начале работы механизма может нарушить целостность их острой запирающей кромки. Коэффициент трения покоя в этом случае достигает 1,0…1,2. Для решения данной проблемы необходимо использовать смазочные материалы, которые препятствуют адгезии.

Вследствие повреждения и местного защемления уплотнение часто разрывается и происходит прорыв рабочей среды. Под воздействием отрицательных температур многие эластомеры отвердевают, и при работе механизма начинается утечка. В процессе нагревания данный материал также теряет часть упругих свойств и становится более пластичным.

В связи с этим необходимо дополнительное смазывание, которое снизит трение и повысит герметичность. Кроме того, уменьшается потребность в мощности привода, что позволяет сделать его более компактным.

Пластичные смазочные материалы для уплотнений должны обладать адгезией, повышенными герметизирующими свойствами и устойчивостью к перекачиваемым средам. Они используются при малых скоростях перемещения обрабатываемых узлов. В условиях скольжения такие пластичные смазки должны эффективно уменьшать фрикционный износ в целом и обеспечивать минимальный разброс между коэффициентами трения при движении и в состоянии покоя. Это позволяет предотвратить рывки в процессе работы.

Благодаря реологическим характеристикам тонких смазочных слоев, а также физико-химическим процессам, протекающим на контактных поверхностях, смазочные материалы для уплотнений способны разделять сопряженные элементы и оставаться в зоне контакта, несмотря на нагрузки и давления рабочей среды.

Антифрикционные свойства и герметизирующая способность смазки определяются ее компонентами (базовым маслом, загустителем, присадками и наполнителями).

Сегодня во многие уплотнительные смазочные материалы вводят высокодисперсные твердые добавки, которые улучшают герметизацию и способствуют стабилизации трения.

При выборе смазки для уплотнений следует учитывать следующие характеристики:

• Диапазон рабочих температур
• Коэффициент трения в заданной паре материалов
• Устойчивость к перекачиваемой среде
• Совместимость с материалами уплотнений
• Совместимость со многими материалами

После контакта со смазочным материалом происходит набухание или усадка уплотнений.

Первое обусловлено проникновением в материал детали компонентов смазки и зависит от их химической структуры. Усадка, как правило, является результатом утраты пластификатора. Следует учитывать, что эти два процесса оказывают непосредственное влияние на механические характеристики эластомеров (модуль упругости, предел прочности на растяжение и твердость). Однако допускаются незначительные набухания (до 8 %) или усадки (до 4 %).

При выборе уплотнительной смазки необходимо проверить ее совместимость (а именно, базового масла в составе) с материалом уплотнения.

Следует помнить, что по этому параметру масла высокой степени очистки более предпочтительны, чем обычные минеральные. Помимо этого, увеличение вязкости масляных жидкостей снижает вероятность набухания материалов уплотнений.

Полиальфаолефины (ПАО) представляют собой синтетические углеводородные масла. Они так же совместимы с эластомерами, как и минеральные рабочие жидкости высокой степени очистки.

Кроме того, большинство масел на силиконовой основе ввиду особой химической структуры обладают очень хорошей совместимостью с материалами уплотняющих деталей.

Компания Dow Corning разработала линейку смазочных материалов Molykote для уплотнений.

Основные свойства некоторых пластичных смазочных материалов вышеупомянутого бренда для уплотнительных устройств арматуры описаны в таблице 1.

Таблица 1. Пластичные смазочные материалы Molykote для уплотнительных устройств арматуры

Пластичная смазка Molykote 1102 разработана специально для использования в газовых кранах аппаратуры, эксплуатируемой внутри помещений. Благодаря высоковязкому базовому маслу и неорганическому загустителю она обеспечивает хорошую герметизацию. Твердый антифрикционный наполнитель – дисульфид молибдена – уменьшает трение, обеспечивая легкое и плавное скольжение, а также придает смазочному материалу характерный серо-черный цвет.

Пластичная смазка Molykote G-1502FM на основе полиальфаолефина имеет белый цвет и обладает пищевым допуском NSF H1, который допускает случайный контакт с продуктами питания. За счет комплексного алюминиевого мыла в качестве загустителя и специального усилителя адгезии этот смазочный материал отличается высокой водостойкостью. Он широко применяется в оборудовании систем водоснабжения – арматуре и приборах учета.

Пластичная смазка Molykote 55 O-Ring изначально разрабатывалась для обслуживания резиновых кольцевых уплотнений, но впоследствии нашла более широкое применение. Она отличается высокой термостойкостью и наиболее низким коэффициентом трения в паре металл-полимер. Molykote 55 O-Ring может использоваться для обслуживания систем быстрого срабатывания и пневматических устройств. Аналогичное назначение и свойства имеет пластичная смазка Molykote PG-21.

Силиконовый компаунд Molykote 111 принадлежит особому классу смазочных материалов – «смазки-герметики». Смазки такого типа обладают очень высокой герметизирующей способностью и в то же время сохраняют подвижность соединения. При этом скорости перемещения деталей, как правило, не велики. Molykote 111 имеет допуск на применение в системах газоснабжения и контакт с питьевой водой, обладает устойчивостью к воздействию многих агрессивных сред (табл. 1) и работоспособностью в вакууме. Данный компаунд применяется для смазывания шаровых кранов и дисковых затворов в различных отраслях промышленности.

Пластичные смазочные материалы Molykote 3451 и Molykote 3452 успешно используются в нефтехимической индустрии благодаря своей термостойкости, устойчивости к топливу и растворителям.

В рамках решения задачи оптимального выбора смазки и технологии обработки контактных поверхностей выполняются необходимые расчеты, а также проходят лабораторные и стендовые испытания на базе ведущих научно-исследовательских лабораторий.

В настоящее время в научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Триботехника» Брянского государственного технического университета проводятся обширные исследования металлополимерных пар трения.