Введение

Тип механического уплотнения
механические уплотнения

Прокладка – это механическое уплотнение, которое заполняет пространство между двумя или более сопрягаемыми поверхностями, как правило, для предотвращения утечки из соединенных объектов или внутрь них при сжатии. Это деформируемый материал, используемый для создания статического уплотнения и поддержания этого уплотнения в различных рабочих условиях в механической сборке. Прокладки допускают использование "неидеальных" сопрягаемых поверхностей на деталях машин, заполняя неровности. Прокладки обычно изготавливаются путем вырезания из листовых материалов. Учитывая потенциальные затраты и последствия для безопасности, связанные с неисправными или протекающими прокладками, крайне важно правильно подобрать материал прокладки, соответствующий требованиям конкретного применения. Прокладки для специальных применений, таких как системы высокого давления пара, могут содержать асбест. Однако, из-за рисков для здоровья, связанных с воздействием асбеста, при возможности используются безасбестовые материалы для прокладок. Обычно желательно, чтобы прокладка была изготовлена из материала, обладающего некоторой степенью упругости, чтобы она могла деформироваться и плотно заполнять предназначенное для нее пространство, включая незначительные неровности. Для правильной работы некоторые типы прокладок требуют нанесения герметика непосредственно на поверхность прокладки. Некоторые (трубопроводные) прокладки полностью изготовлены из металла и полагаются на привалочную поверхность для обеспечения уплотнения; используются собственные упругие свойства металла (до, но не превышая σy, предел текучести материала). Это характерно для некоторых "кольцевых соединений" (RTJ) или других систем металлических прокладок. Эти соединения известны как R con и E con компрессионные соединения. Некоторые прокладки наносятся и отверждаются непосредственно на месте. Эти материалы называются формованными на месте прокладками.

Свойства

Прокладки обычно изготавливаются из плоского материала, такого как бумага, резина, силикон, металл, пробка, войлок, неопрен, нитрильный каучук, стекловолокно, политетрафторэтилен (также известный как PTFE или тефлон) или пластиковый полимер (например, полихлортрифторэтилен). Одним из наиболее важных свойств эффективной прокладки в промышленных применениях, особенно для прокладок из сжатого волокна, является способность выдерживать высокие компрессионные нагрузки. В большинстве промышленных применений прокладок используются болты, создающие сжатие в диапазоне 14 МПа (2000 psi) и выше. Как правило, существует несколько общеизвестных принципов, позволяющих повысить эффективность прокладки. Один из наиболее проверенных гласит: "Чем выше компрессионная нагрузка на прокладку, тем дольше срок ее службы". Существует несколько методов оценки способности материала прокладки выдерживать компрессионные нагрузки. Наиболее признанным из них является "испытание на горячее сжатие". Большинство производителей материалов для прокладок предоставляют или публикуют результаты этих испытаний.

Прокладки для листовых прокладок

Прокладки можно изготовить путем выбивания необходимой формы из листа плоского тонкого материала, что приводит к получению листовых прокладок. Листовые прокладки производятся быстро и недорого, и могут быть изготовлены из различных материалов, включая волокнистые материалы и графит (ранее также использовался сжатый асбест). Эти прокладки могут соответствовать различным химическим требованиям, в зависимости от инертности используемого материала. Неасбестовые листовые прокладки прочны, состоят из нескольких материалов и имеют значительную толщину. Примеры материалов включают минеральные, углеродные или синтетические каучуки, такие как EPDM, нитрил, неопрен, натуральный каучук, SBR, каждый из которых обладает уникальными свойствами, подходящими для различных областей применения.

Прокладки из твердых материалов

Идея применения цельного материала заключается в использовании металлов, которые нельзя штамповать из листов, но при этом они относительно недороги в производстве. Эти прокладки, как правило, подвергаются более строгому контролю качества, чем листовые, и обычно способны выдерживать более высокие температуры и давления. Основной недостаток заключается в том, что цельный металл необходимо сильно сжать, чтобы он плотно прилегал к торцу фланца и предотвращал утечки. Выбор материала более сложен, поскольку в основном используются металлы, что создает риск производственного загрязнения и окисления. Дополнительный недостаток состоит в том, что металл прокладки должен быть мягче металла фланца, чтобы избежать деформации фланца и обеспечить герметичность при использовании последующих прокладок. Несмотря на это, такие прокладки нашли свое применение в промышленности.

Спиральные прокладки

Спиральные уплотнительные прокладки состоят из смеси металлического и наполнителя. Обычно прокладка представляет собой металл (как правило, углеродистую или нержавеющую сталь), намотанный наружу по круговой спирали (возможны и другие формы), с наполнительным материалом (обычно гибкий графит), намотанным тем же способом, но с противоположной стороны. Это приводит к чередованию слоев наполнителя и металла. Наполнитель в этих прокладках выполняет функцию уплотнения, а металл обеспечивает структурную поддержку. Эти прокладки доказали свою надежность в большинстве применений и позволяют использовать меньшие усилия прижимной силы по сравнению с цельными прокладками, хотя и стоят дороже.

Прокладки постоянного напряжения для сидений

Прокладка с постоянным напряжением при прижатии состоит из двух компонентов: твердого опорного кольца из подходящего материала, такого как нержавеющая сталь, и двух уплотнительных элементов из сжимаемого материала, установленных в двух противоположных каналах, по одному с каждой стороны опорного кольца. Уплотнительные элементы обычно изготавливаются из материала (расширенный графит, расширенный политетрафторэтилен (ПТФЭ), вермикулит и т.д.), подходящего для рабочей среды и области применения. Прокладки с постоянным напряжением при прижатии получили свое название благодаря тому, что профиль опорного кольца учитывает поворот фланца (деформацию под предварительной нагрузкой болтов). В отличие от всех других традиционных прокладок, при затягивании фланцевых соединений фланцы деформируются радиально под нагрузкой, что приводит к максимальному сжатию прокладки и наибольшему напряжению в прокладке по ее внешнему краю. Поскольку опорное кольцо, используемое в прокладках с постоянным напряжением при прижатии, учитывает эту деформацию при создании кольца для заданного размера фланца, класса давления и материала, профиль опорного кольца может быть скорректирован для обеспечения радиально равномерного напряжения прокладки по всей площади уплотнения. Кроме того, поскольку уплотнительные элементы полностью зафиксированы фланцевыми поверхностями в противоположных каналах опорного кольца, любые компрессионные силы, действующие на прокладку в процессе эксплуатации, передаются через опорное кольцо, предотвращая дальнейшее сжатие уплотнительных элементов и, таким образом, поддерживая "постоянное" напряжение прокладки при прижатии в процессе эксплуатации. Таким образом, прокладка не подвержена распространенным причинам выхода прокладок из строя, таким как релаксация ползучести, высокая вибрация системы или температурные циклы системы. Фундаментальная концепция, лежащая в основе повышенной герметичности прокладок с постоянным напряжением при прижатии, заключается в том, что (i) если уплотнительные поверхности фланцев способны обеспечить герметичность, (ii) уплотнительные элементы совместимы с рабочей средой и областью применения, и (iii) при установке достигается достаточное напряжение прокладки, необходимое для обеспечения герметичности, то вероятность утечки прокладки в процессе эксплуатации значительно снижается или полностью исключается.

Прокладки с двойным покрытием

Двойные обоймовые прокладки – это еще одна комбинация уплотнительного материала и металла. В этом исполнении трубка с концами в форме буквы "С" изготавливается из металла, а внутрь "С" помещается дополнительная деталь, что делает трубку наиболее толстой в местах соединения. Уплотнитель нагнетается между внешней оболочкой и деталью. В рабочем состоянии сжатая прокладка имеет большее количество металла на двух концах, где происходит контакт (за счет взаимодействия оболочки и детали), и именно эти две точки обеспечивают герметичность процесса. Поскольку для изготовления таких прокладок требуются только оболочка и деталь, их можно изготавливать практически из любого листового материала с последующей заливкой уплотнителя.

Прокладки для профилей камм

Прокладки каммпрофиля (иногда пишутся как "Кампрофиль" из-за конструкции, напоминающей профиль распределительного вала – вращающегося компонента двигателей внутреннего сгорания) используются во многих старых уплотнениях благодаря своей гибкости и надежности. Каммпрофили работают за счет наличия твердого гофрированного сердечника, покрытого гибким слоем. Такая конструкция обеспечивает очень высокую степень сжатия и чрезвычайно плотное уплотнение по гребням прокладки. Поскольку, как правило, изнашивается графит, а не металлическое ядро, каммпрофиль можно отремонтировать при последующем простое оборудования. Каммпрофиль имеет высокую первоначальную стоимость для большинства применений, но это компенсируется длительным сроком службы и повышенной надежностью.

Упаковки из рыбьих костей

Уплотнители "Рыбий скелет" являются прямой заменой уплотнителям Kammprofile и спирально-навитым. Они полностью изготавливаются на станках с ЧПУ из аналогичных материалов, но конструкция уплотнителя устраняет присущие другим уплотнениям недостатки. Уплотнители "Рыбий скелет" не раскручиваются при хранении или на производстве. Закругленные края не повреждают фланцы. Дополнительный "Стопорный выступ" предотвращает чрезмерное сжатие/сплющивание уплотнителя "Рыбий скелет", часто возникающее из-за применения метода горячей затяжки при пуске оборудования. "Кости" уплотнителя остаются пластичными и адаптируются к тепловым циклам и скачкам давления в системе, обеспечивая долговечное и надежное уплотнение фланца, значительно превосходящее по своим характеристикам все другие уплотнения подобного типа.

Мягкая прокладка

Мягкая прокладка – это термин, обозначающий прокладку, вырезанную из мягкого (гибкого) листового материала, способную легко приспосабливаться к неровностям сопрягаемых поверхностей даже при небольшом усилии затяжки болтов. Мягкие прокладки применяются в таких устройствах, как теплообменники, компрессоры, клапаны с крышкой и трубные фланцы.

Смесь для стыков кольцевого типа (RTJ)

Аннулярное уплотнение (RTJ Seal) – это высоконадежное уплотнение для высоких температур и давлений, применяемое в нефтегазовой отрасли, при бурении скважин, в соединениях сосудов под давлением, трубопроводах, клапанах и других областях. Перемещение кольцевой прокладки (RTJ) описывается как хаотичное течение в пазу деформированного уплотнительного фланца под действием осевой компрессионной нагрузки. Окрашенная прокладка (RTJ Seal) имеет небольшую площадь контакта, что приводит к высокому давлению на уплотнительные поверхности и в пазу, а также к ухудшению эксплуатационных свойств и не позволяет использовать ее повторно.

Неравномерное распределение силы нажатия

Неравномерное давление может быть вызвано различными факторами. Первый – человеческий фактор: асимметричное приложение усилия преднатяжения болтов может привести к неравномерному давлению. Теоретически, при прижатии фланцев уплотнительные поверхности должны быть абсолютно параллельны, но на практике центральная линия трубопровода не может быть идеально концентрической, и затягивание болтов создает момент, деформирующий фланцы. При асимметричных соединениях уплотнительные поверхности будут в большей или меньшей степени деформированы, что снижает давление и приводит к появлению рабочей нагрузки, склонной к утечкам. В-третьих, плотность расположения болтов оказывает очевидное влияние на распределение давления: чем ближе болты расположены друг к другу, тем более равномерным становится давление.

Расслабление напряжения и потеря крутящего момента

Затяните болты на фланце. Из-за вибрации, изменений температуры и других факторов, таких как релаксация напряжения спирально-навитой прокладки, натяжение болтов будет постепенно снижаться, что приведет к потере момента затяжки и, как следствие, к утечке. Как правило, более длинные болты меньшего диаметра лучше предотвращают потерю момента затяжки. Длинный тонкий болт – эффективный способ предотвратить потерю момента затяжки. Растяжение болтов путем нагрева в течение определенного времени с последующим поддержанием заданного момента затяжки является очень эффективным способом предотвращения его потери. Потеря момента затяжки будет более значительной при использовании более тонких и меньших по размеру прокладок. Кроме того, необходимо предотвращать сильную вибрацию оборудования и трубопровода, а также изолировать их от вибрации соседнего оборудования. Воздействие на уплотнительную поверхность не является незначительным. Избегайте ударов по затянутым болтам, чтобы предотвратить потерю момента затяжки.

Поверхность не гладкая

Важно правильно выполнить финишную обработку уплотняющей поверхности, иначе это приведет к утечке. Слишком гладкая поверхность может привести к выдавливанию материала прокладки под давлением. Неплоская поверхность может создавать пути для утечек. Хорошим правилом является обработка поверхности до шероховатости 32RMS. Это обеспечивает плоскостность поверхности, но с достаточной шероховатостью для внедрения в прокладку при сжатии.

Металлическая укрепленная прокладка

В прокладках с металлическим сердечником обе стороны сердечника покрыты гибким, пластичным герметиком. Для классов давления до 300 предусмотрены усиленные металлические уплотнения. Прочное металлическое ядро предотвращает деформацию под давлением, а мягкое ядро обеспечивает исключительную герметичность.