ТИПЫ И СВОЙСТВА САЛЬНИКОВЫХ НАБИВОК

Сальники для мягкой набивки являются традиционным способом уплотнения устройств с вращательными движениями. Набивка, подавляя протекание между подвижным элементом и корпусом, является ключевым элементом для функционирования различных промышленных устройств. На протяжении десятилетий набивка представляла собой натуральные волокна, пропитанные смазкой, расположенные в сальнике между корпусом насоса и вращающимся валом. Преимуществом такого решения является простота и распознавание износа набивки через увеличивающееся протекание. Современные насосные системы располагают широким ассортиментом материалов, отвечающим высоким требованиям химической стойкости, скорости вала, давления и температуры. На первый взгляд может показаться, что «форма важнее содержания», но, учитывая, что набивка должна быть подобрана на основе нескольких критериев выбора, такое разнообразие типов набивки оправдано. Большинство поставщиков обеспечивают немедленную доставку набивок различных размеров и типов. Так как разобраться, какая набивка лучше всего удовлетворит потребности пользователя при определённых рабочих условиях? Какая будет наиболее экономична? Какая обеспечит долгую непрерывную работу? 

 

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Существует пять основных компонентов для изготовления набивки: натуральные волокна, графит, ПТФЭ, арамид, углеродные волокна. Эти материалы покрывают 90% потребностей рынка. Каждый материал обладает характерными чертами, которые влияют на конечное использование набивки. Также большое значение имеет пропитка, закрывающая поры, уменьшающая трение, улучшающая скольжение. Наиболее эффективной пропиткой является ПТФЭ и графит. Графит может быть в виде сыпкого графита или дисперсии. Популярными, но менее эффективными являются смазочные материалы, как масла или вазелин. 

 

1.1 НАТУРАЛЬНЫЕ ВОЛОКНА

Хлопок, рами, лён — натуральные волокна, используемые в сальниковых уплотнениях. Их особенностью является то, что они не топятся, а лишь медленно обугливаются, что защищает уплотнение перед аварией. Наиболее распространенным решением является хлопковая набивка с графитом, который улучшает эластичность и скольжение. Также хорошим решением является совмещение волокон рами с пропиткой ПТФЭ. Благодаря этому можно получить хорошие механические свойства, сопротивление на стирание, а также эластичность и низкое трение. К сожалению, на натуральные волокна большое влияние оказывают биологические и химические факторы. 

Рабочие параметры: Tmax 120°C / pH 5 - 9 / VL 6 m/s

Характерные особенности: натуральный материал за невысокую цену. 

Области применения: Набивка из натурального волокна чаще всего используется для чистой воды, в циркуляционных насосах, где температура ограничена и нет значительного риска химических воздействий, в частности компрессоры, турбины. 

 

1.2 РАСШИРЕННЫЙ ГРАФИТ ТРГ

Расширенный графит представляет собой интеркалированный и термически расширенный кристаллический графит. Этот процесс придает мягкость и гибкость графитовым чешуйкам, которые являются природным минералом. Расширенный графит ТРГ наследует лучшие черты предшественника, такие как: высокая термическая и химическая стойкость, теплопроводность и самосмазывающиеся свойства.
Процесс расширения делает его гибким и пригодным для герметизации. Графитовая набивка полностью устойчива к термоударам и риску перегрева сальника, гарантирует низкое трение в любых условиях. 

Рабочие параметры: Tmax 450°C / pH 0–14 / VL 40 м/с
Характеристики: высокая термостойкость, самосмазывание и низкое трение. 

Области применения: Графит лучше всего использовать в динамических уплотнениях центробежных насосах для воды, химических веществ, особенно при высокой скорости вращения и высоком давлении. Графит также является основой для уплотнений арматуры для высоких давлений и температур. 

 

1.3 РАСШИРЕННЫЙ ПТФЭ

ПТФЭ является материалом с самой высокой химической стойкостью среди материалов, обычно используемых в технике. В то же время он обладает высокой термостойкостью и особенно низким коэффициентом трения. Для производства уплотнительных материалов используются два типа ПТФЭ: 

белая версия, 100% чистая, и черная версия, модифицированная графитом. Белый ПТФЭ предназначен для гигиенических применений и одобрен FDA и ЕС 10/2011 Health Approval. ПТФЭ с графитом обеспечивает лучшие условия скольжения и лучший отвод тепла, благодаря чему гарантирует более длительный срок службы и может использоваться в более высоком диапазоне как давлений, так и линейных скоростей вала. 

Рабочие параметры: Tmax 260°C / pH 0 - 14 / VL 15 м/с, с графитом 25 м/с
Характеристики: высокая химическая стойкость, низкое трение и простота монтажа. 

Области применения: Сальниковые уплотнения насосов, мешалок в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Графитированный ПТФЭ - это универсальная набивка с очень широким спектром применения, однако, за исключением сильно загрязненных, абразивных или легко кристаллизующихся жидкостей. 

 

1.4 АРАМИДНЫЕ ВОЛОКНА

Арамид представляет собой синтетическое волокно характерного желтого цвета, отличной прочностью и стойкостью к истиранию. Арамид известен, прежде всего, применением в баллистических щитах, таких как каски и бронежилеты, поэтому в технике герметизации он используется в случае жидкостей, загрязненных твердыми частицами, абразивных и легко кристаллизующихся сред. В динамических уплотнениях арамидное волокно должно быть пропитано смазкой для обеспечения высокой эффективности и долговечности или сплетено из материала с хорошими свойствами скольжения, таким, как ПТФЭ. В гибридных переплетениях преобладают три конструкции: угловое переплетение для поршневых насосов и клапанов, переплетение «зебра» для центробежных насосов и смесителей и переплетение для универсального применения с высокой устойчивостью к истиранию. 

Рабочие параметры: Tmax 260°C / pH 3–12 / VL 10 м/с

Характерные особенности: высокая механическая прочность и устойчивость к абразивным средам. 

Области применения: Арамид незаменим в абразивных или высокодинамичных условиях. Типичные области применения - для перекачки кристаллизующихся или загрязненных твердыми или абразивными частицами жидкостей, таких как сточные воды, дренажные системы, а также в пищевой или бумажной промышленности. Арамидные кольца являются идеальным решением для концевых запорных колец в наборах, где они защищают уплотнительный пакет от проникновения твердых частиц и продлевают срок службы всего уплотнения. 

 

1.5 УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА

Углеродное волокно представляет собой черное, легкое, высокопрочное волокно. Оно устойчиво к высоким температурам, трению и химическим воздействиям, что имеет ключевое значение в конструкции динамических уплотнений. По свойствам углеродное волокно похоже на графит, но благодаря волокнистой структуре оно более прочное и легко плетется. Этот материал успешно выдерживает 900°С в восстановительной среде, поэтому, несмотря на высокую стоимость, он по-прежнему приобретает все большее применение в технологии герметизации. 

Рабочие параметры: Tmax 600°C / pH 0–14 / VL 20 м/с

Характерные особенности: высокая термостойкость и механическая прочность. 

Области применения: Ремонт и обслуживание промышленной и энергетической арматуры, особенно запорных колец пакетов из формованных графитовых колец ГДР. Набивка из углеродного волокна необходима в химических процессах при высоких температурах и для герметизации химических насосов при высоких динамических нагрузках. 

 

1.6 ПРОПИТКИ

Набивки производятся путем переплетения волокнистых материалов, благодаря чему достигается гибкость и прочность. Волокна в герметиках по своей природе пористые и обладают высокой проницаемостью. Для их герметизации добавляют различные виды пропиток. Кроме того, пропитки также предназначены для уменьшения трения, улучшения отвода тепла, смягчения волокон и облегчения сборки. Традиционными пропитками являются жир, масла и смазки, но они используются только в экономичных герметиках из натуральных волокон. Наиболее эффективными пропитками являются дисперсии на основе ПТФЭ и графита. Добавление графита обеспечивает низкое трение в критических условиях до 600°C, повышает проводимость и значительно улучшает отвод тепла из зоны трения. Дисперсия PTFE гарантирует длительное время низкое трение при температурах до 300°С, кроме того, PTFE сохраняет стерильность и не вызывает риска обесцвечивания. 

 

 

ВИДЫ ПЕРЕПЛЕТЕНИЙ

Набивки плетут в виде квадратных профилей из множества одиночных нитей (может быть до 36 нитей пряжи). Чаще всего это однородные набивки, но также используются гибридные оплетки и различные виды металлических или арамидных сердечников и арматуры. 

2.1 ГОМОГЕННЫЕ НАБИВКИ

Однородные квадратные профили изготовляют от 3 мм до 50 мм с допуском ±10%. Для малых сечений до 6 мм применяют двухполосное переплетение, для 8 -10 мм - трехполосное переплетение, свыше 12 - четырехполосное плетение. Более крупные профили, выше 20 мм, изготавливаются методом нескольких плетений. Трапециевидные и прямоугольные переплетения также могут быть изготовление под особые нужды клиентов. Трапециевидные переплетения предназначены для компенсации профиля после формирования уплотнителя в кольца. 

2.2 ГИБРИДНЫЕ НАБИВКИ

Гибридные набивки сотканы как минимум из двух видов материала. Чаще всего это материалы, которые усиливают герметик или придают ему новые функциональные возможности. Существует несколько видов гибридных переплетений, это: угловое, зебра, лесенка и двухстороннее. Гибридное переплетение особенно важно для арамидных герметиков, которые следует сочетать с мягким материалом, уменьшающим трение. 

 

 

2.3 НАБИВКИ С СЕРДЕЧНИКОМ

Популярным решением для герметиков для крышек и люков является добавление сердцевины из эластомера MVQ. Это облегчает укладку герметика и приводит к увеличению его гибкости. В набивках для высокоскоростных центробежных насосов используются графитовые сердечники, улучшающие отвод тепла из зоны трения и предохраняющие набивку от перегрева. 

2.4 НАБИВКИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ АРМИРОВАНИЕМ

Особый класс составляют графитовые набивки с металлическим усилением, предназначенные для силовой арматуры, являющиеся альтернативой уплотнениям кольцам из GDR (Graphite Die-formed Ring). Обычно используется легкая арматура в виде проволоки из высоконикелевого сплава, но есть и специальная графитовая пряжа, оплетенная металлической сеткой GTR. Последнее решение рекомендуется для замыкающих колец в изношенных клапанах, где зазоры и неточности превышают принятые стандарты. Набивки с добавлением металлического армирования предназначены только для клапанов и статических уплотнений. 

 

ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ВЫБОРА

Выбор правильного типа герметика оказывает ключевое влияние на надежность и срок службы уплотнения. Существует четыре основных критерия выбора набивки: температура, давление, тип среды и рН, линейная скорость вращения вала. Набивка предназначена для радиальной компенсации зазора на вращающемся валу, тем самым контролируя утечку жидкости и предотвращая потери технологических жидкостей и, следовательно, вредные выбросы в окружающую среду. Кроме того, следует учитывать возможность взаимной интерференции этих величин и нелинейность некоторых трибологических явлений. Например, влияние скорости и давления на повышение температуры или положительный температурный коэффициент трения для большинства материалов. 

 

3.1 ТЕМПЕРАТУРА TMAX

В случае сальникового уплотнения максимальная рабочая температура Tmax имеет принципиальное значение для выбора правильного материала. Температура среды не совпадает с рабочей температурой, так как изза трения сальник работает при более высокой температуре. Предполагается запас прочности не менее +50°C. Хорошим решением является использование стойких к горению материалов на основе графита и углеродных волокон. Вопрос температуры можно решить и конструктивно за счет дополнительной промывки или гермети- зации системы охлаждения. Однако это не меняет того факта, что выбор герметика по температурному диапазону имеет ключевое значение и его упущение может привести к немедленному выходу устройства из строя. 

 

3.2 ДАВЛЕНИЕ И ФАКТОР PV

Мягкая структура уплотнительного материала не разрушается под действием только одного фактора – давления. В динамических уплотнениях, которые представляют собой сальниковые уплотнения насосов и клапанов, износ набивки обычно вызывается трением. Это трение является результатом одновременного действия движения и давления в рабочем зазоре. С некоторым приближением можно считать, что скорость изнашивания динамического уплотнения прямо пропорциональна произведению линейной скорости VL на давление среды p и обратно пропорциональна некоторому коэффициенту динамической нагрузки pV, характерному для данного материала. Коэффициент pV представляет собой произведение давления и линейной скорости, которые могут возникать одновременно при сохранении ожидаемого срока службы уплотнения. Параметр pV характеризует материалы с точки зрения стойкости к истиранию и, как правило, не указывает допустимые диапазоны давления, которые в значительной степени зависят от конструкции самих сальников, а указывает, при каких давлениях и скоростях вала уплотнительный материал будет сохранять долговечность. Поэтому при оценке пригодности набивки для динамических применений хорошо сравнивать коэффициенты динамической нагрузки - pV, а не только допустимые рабочие давления. 

 

3.3 ТИП СРЕДЫ И УРОВЕНЬ PH

Герметик может разлагаться из-за химического воздействия среды. Как известно, волокнистые материалы, особенно натуральные волокна, подвержены быстрой деградации под воздействием агрессивных жидкостей, т.е. в кислой или щелочной среде. Следовательно, определение диапазона pH, воздействию которого будет подвергаться уплотнение, имеет решающее значение для его долговечности. Хорошей практикой является использование материалов, устойчивых к полному диапазону рН от 0 до 14, что исключает натуральные волокна, но оставляет широкий выбор материалов и гарантирует большой запас прочности. 

 

3.4 ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ ВАЛА VL

Движение вала вызывает износ набивки за счет истирания, но движение и трение также вызывают повышение температуры, что влияет на ее разрушение. Эти явления усиливаются с увеличени- ем линейной скорости вала, поэтому параметр VL имеет ключевое значение для определения условий работы набивки. Тепло трения образуется, когда уплотнение прижимается к поверхности вращающегося вала или защитной втулки. Более высокая допустимая линейная скорость VL герметика обусловлена его более низким коэффициентом трения и хорошей пропиткой, а также более высокой термической стойкостью самого герметика. В случае набивки, предназначенной для клапанов, параметр VL не имеет большого значения, тогда как в насосах, особенно центробежных, он имеет решающее значение для долговечности уплотнения. Можно предположить, что сальниковые уплотнения, предназначенные для центробежных насосов, должны удовлетворять условию линейной скорости VL на уровне 15 м/с. 

 

ВТОРИЧНЫЕ КРИТЕРИИ

Это далеко не все критерии, которые следует учитывать перед выбором подходящего герметика. Есть еще важные вопросы, которые необходимо рассмотреть, связанные с состоянием и конструкцией оборудования, которое мы будем герметизировать, гигиеническими условиями, риском загрязнения среды и экономическими вопросами. 

4.1 СОСТОЯНИЕ УСТРОЙСТВА

Следует обратить внимание на любые недостатки механических частей. Наиболее распространенной проблемой является износ втулки, но также необходимо проверить поверхности сальника. Состояние и гладкость поверхности втулки имеет ключевое значение для правильной работы набивки и обеспечивает удовлетворительную герметичность даже при более низких давлениях в сальнике, что оказывает ключевое влияние на уровень трения в рабочем зазоре, температуру и степеньизноса набивки. 

4.2 СИСТЕМА ПРОМЫВКИ

Важным вопросом при выборе набивки является также конструкция самой сальниковой коробки, например наличие колец, систем промывки, систем охлаждения. Эти системы позволяют защитить уплотнение от проникновения абразивных частиц, снизить трение и температуру и, как следствие, в несколько раз увеличить срок службы уплотнения. Использование герметика с более высокими характеристиками также значительно экономит промывочную воду в этих системах. 

4.3 ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Чистая вода, канализация, продукты питания. Высокие санитарные стандарты в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности ограничивают диапазон материалов, разрешенных для использования в уплотнениях. В целом можно предположить, что базовыми рекомендациями являются рекомендации FDA, разрешающие использование ПТФЭ и арамидных герметиков в гигиенических применениях, но на европейском рынке действует Регламент ЕС 10/2011, который требует подробных лабораторных испытаний для каждого вида материала отдельно. Другой проблемой является риск окрашивания, как при производстве бумаги или красок и лаков. В этих случаях следует избегать использования уплотнений на основе графита, углеродных волокон и герметиков, пропитанных графитом, смазкой, жиром и т.п. 

 

4.4 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Разнообразие материалов означает, что диапазон цен на набивки может быть очень большим. Набивка из арамидных волокон может быть во много раз дороже пеньковой веревки, пропитанной смазкой, но первое решение обычно обеспечивает во много раз более длительную эксплуатацию и является более экономичной. Несомненно, правильный выбор герметика обеспечивает успех, но также необходимо иметь собственный опыт работы отдельных решений в конкретной области применения. Не обязательно, что более дорогой материал будет гарантировать более длительную работу по герметизации, основой является проведение практических испытаний. Безусловно, в расчеты должны быть включены затраты на простой и замену герметика, которые зачастую могут превышать стоимость покупки даже самого дорогого герметика. 

 

ДРУГИЕ ФАКТОРЫ ОПТИМИЗАЦИИ

5.1 ТИП И СПЕЦИФИКА ПРИМЕНЕНИЯ

Выбирая герметик и фактически оптимизируя этот выбор, необходимо учитывать тип применения. При этом следует учитывать специфические условия эксплуатации оборудования, такие как: высокая частота вращения вала в центробежных насосах, большая поверхность трения в поршневых насосах, высокое давление в клапанах или высокие радиальные напряжения в смесителях. Универсального уплотнительного материала не существует, особенности конструкции набивок предопределяют их специфическое применение, например наличие металлического армирования в клапанных сальниках или арамидного армирования в набивках для абразивных сред. Технические паспорта содержат рабочие параметры с учетом специфики конкретного применения, что позволяет быстро оценить, какой герметик и в каких областях применения должен работать лучше всего. 

 

5.2 КАЧЕСТВО БАЗОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ассортимент сальниковых набивок очень широк, многие позиции из этого предложения имеют свои заменители, а цены на, казалось бы, один и тот же материал могут значительно отличаться. Такая ситуация вызвана не только разницей в издержках производства и реализации. Казалось бы, одни и те же волокна могут кардинально отличаться по своему внутреннему строению, что будет сказываться на эксплуатационных характеристиках и удобстве использования уплотнений из них. Эта проблема особенно актуальна для дорогих волокон. Углеродное волокно является очень емким термином и может использоваться как усовершенствованные волокна с высокой прочностью и термостойкостью, так и обугленные акриловые волокна, прочность которых не обязательно превышает уровень натуральных волокон. Несомненно, следует ориентироваться на качество и эффективность материалов. Это простое правило снижает риск и экономит деньги. Хотя в начале нужно понести более высокие первоначальные затраты, связанные с покупкой более качественного материала, в дальнейшем можно сэкономить на его эксплуатации. Но самое большое преимущество заключается в снижении риска выхода из строя и частоте его замены. Как известно, операция по замене герметика подразумевает отключение устройства, что связано с гораздо большими затратами, чем затраты на приобретение самого герметика. 

 

НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ВИДЫ ГЕРМЕТИКОВ

Несмотря на очень широкий ассортимент, большинство поставщиков предлагают не менее 20-30 видов герметиков, по факту лишь немногие из них имеют значение на рынке. При поиске оптимального решения в первую очередь следует рассматривать наиболее часто используемые, согласно принципу Парето 80/20, только 20% тестируемых объектов влияют на целых 80% ресурсов. В нашем случае эти 20% составляют всего 6 видов, которые в количественном отношении покрывают более 80% потребности в высокоэффективных герметиках. 

 

6.1 GRAFOPAK GRA 450

Набивка из гибкого графита ТРГ с добавлением несущих волокон и ингибитора. Это типичная набивка для динамических применений, с отличными свойствами скольжения, хорошей теплопроводностью, высокой устойчивостью к температурам и химическим воздействиям. Графитовая набивка гарантирует надежность и хороший экономический эффект, но требует тщательной сборки и исправного состояния оборудования. Grafopak GRA 450 занимает наибольшую долю на рынке герметиков, на него приходится более 30% всех применений. 

 

6.2 TEFAPAK PUR 200

Белая набивка из чистого ПТФЭ. Этот материал может не обладать такими хорошими свойствами скольжения, как графитовый ПТФЭ, но он нейтрален, не вызывает риска окрашивания и, прежде всего, обеспечивает гигиенические условия. Tefapak PUR 200 одобрен FDA и ЕС 10/2011 Health Approved и является самым популярным герметиком в гигиенических применениях с долей рынка около 20%. 

 

6.3 TEFAPAK GRF 260

Набивка из графитированного ПТФЭ. Этот материал сочетает в себе все лучшие свойства уплотнительного материала для динамических применений, такие как низкое трение, гибкость, сопротивление, простота и надежность сборки. Tefapak GRF 260 – самый универсальный и в то же время простой в применении уплотнительный шнур, его доля на рынке составляет 15%. 

 

6.4 GRAFOPAK IGP 600

Набивка изготовлена из расширенного графита высокой чистоты, армирована проволокой из инконеля и оснащена расходуемой системой анодов. Этот герметик фактически представляет собой металлографитовый композит со структурой, устойчивой к одновременному действию высоких давлений и температур. Герметик Grafopak IGP 600 используется исключительно для герметизации в фитингах высокого давления, его доля на рынке всех герметиков составляет 8%. 

 

6.5 ARAMPAK AP 300

Набивка сплетена из непрерывных арамидных волокон характерного желтого цвета. Герметик AP 300 пропитан дисперсией ПТФЭ для герметизации пор, уменьшения трения и повышения гибкости. Арамидное волокно характеризуется особенно высокой механической прочностью, что обеспечивает превосходную стойкость к истиранию. Доля рынка арамидных герметиков составляет около 8%. 

 

6.6 ARAMPAK ZG 320

Гибридная набивка, сплетенная из арамида и графитированного ПТФЭ с характерным желтчерным узором в виде зебры. Arampak ZG, а также XG, AG и XP представляют собой особый класс герметиков с высокой стойкостью к абразивным и сильнозагрязненным средам. Гибридное переплетение арамида с PTFE улучшает свойства скольжения, гибкость и рассеивание тепла, сохраняя при этом высокую прочность. Доля рынка герметика Arampak ZG 320 для абразивных сред составляет около 6%.