Большое количество задач в технике связано с решением вопросов обеспечения герметичности узлов в отношении рабочих сред. Для решения этих задач используют уплотнения различных видов, одним из которых являются манжеты. Они служат для уплотнения неподвижных и подвижных соединений. Их номенклатура разнообразна, и одним из классов являются полимерные манжеты с подпружинивающим элементом (по западной терминологии — spring energized seals). Вначале они использовались только в аэрокосмической и оборонной промышленности и позволили решить непростые задачи в рамках проектов Apollo, Spaсe Shuttle. Затем их начали применять в оборудовании для нефтяной и газовой промышленности и в других отраслях. Сейчас, с появлением относительно новых, высокотехнологичных материалов, с появлением новых областей применения, таких как добыча нефти из глубоких горизонтов при повышенных давлениях, температурах, агрессивности сопутствующих сред, сжижение газов, бурение в высоких широтах, сланцевая добыча газа и т. д., которые приобрели промышленный масштаб, такие изделия и технологии их применения вызывают повышенный интерес.
Однако применение этих уплотнений сдерживается отсутствием собственного производства в России, а также знаний об их уплотняющей способности, ресурсе при различных давлениях, температурах, скоростях относительного перемещения уплотняемых поверхностей. В настоящее время целесообразно провести дополнительные исследования с целью расширения областей их применения и разработки технологий их изготовления, отвечающих требованиям современных производств.
Уплотнительная манжета с подпружинивающим элементом (МПЭ) является комбинированным уплотнением и состоит из U-образного каркаса, контактирующего с уплотняемыми поверхностями, выполняющего герметизирующие функции, а также обладающего антифрикционными свойствами, и подпружинивающего элемента, обеспечивающего гарантированное с постоянным контактным давлением поджатие краев манжеты к уплотняемой поверхности. Подпружиненные манжеты, производимые за рубежом, имеют оболочку, выполненную из полимерных теплостойких материалов, чаще всего из фторопласта, а в качестве подпружинивающего элемента применяются резиновые кольца или нержавеющие круглые или плоские пружины (рис 1). Однако оба эти решения обладают ограниченной коррозионной стойкостью, а для резиновых колец еще и ограниченной теплостойкостью. Кроме того, в качестве материала пружин для повышения коррозионной стойкости приходится применять дорогие марки нержавеющих сталей, что существенным образом сказывается на стоимости.
По взаимному направлению давления среды и плоскости манжеты различают торцевые, у которых вектор давления параллелен плоскости манжеты (рис. 2), и радиальные манжеты, у которых они взаимно перпендикулярны (рис. 1). Для уплотнения неподвижных соединений применяют в основном торцевые манжеты, развернутые в сторону давления среды, для реализации эффекта самоуплотнения. В подвижных соединениях чаще используются радиальные манжеты.
Основной характеристикой, определяющей работоспособность манжет, является зависимость погонного усилия от деформации сжатия манжеты, которая зависит от упругих свойств подпружинивающего элемента и упругопластических характеристик материала манжеты. Манжеты, изготовленные из более жестких материалов и снабженные подпружинивающими элементами большей жесткости, имеют крутую зависимость погонного усилия от деформации сжатия, то есть меньшая деформация вызывает большее усилие (рис. 3). Иначе говоря, для создания одного и того же погонного усилия на кромках манжет с разными подпружинивающими элементами необходимо по-разному деформировать манжету.
При этом необходимо учитывать, что рост погонного усилия хоть и улучшает герметичность, но в то же время увеличивает трение и износ уплотнения в подвижных соединениях. В неподвижных уплотнениях высокие погонные усилия могут привести к росту ползучести под нагрузкой с потерей герметичности. Таким образом, при выборе уплотнения необходимо тщательно взвешивать возможности, представляемые подпружинивающими элементами с различными характеристиками и материалами для каркаса.
Очень важным элементом, как и для всех уплотнителей, является соотношение размеров манжет и канавок. Именно размерами канавки определяется степень деформации, а следовательно, и контактное давление на сопрягаемых поверхностях. На рис. 4 дана схема установки радиальной манжеты в канавке. Поскольку упругие характеристики подпружинивающих элементов различны, то для получения нужного контактного давления на сопрягаемых поверхностях и размеры посадочных мест для манжет с ними также необходимо подбирать индивидуально. Однако с целью унификации они примерно одинаковы у разных производителей, поэтому мы также ориентируемся на сопоставимые с применяемыми за рубежом. При этом в зависимости от типа применяемой МПЭ в канавках одинакового размера мы получим различные контактные давления и, соответственно, характеристики герметичности, а это, в свою очередь, определяет область применения манжет. Как видно из таблицы 1, размеры сечений канавок под манжеты определяются диаметром манжеты. Важно также принимать во внимание давление среды. Чтобы установить манжету в канавку без повреждений, она должна быть правильно спроектирована, а также требуется применение специального инструмента.
Очень важно для создания герметичных соединений соблюдать требования к шероховатости сопрягаемых поверхностей, поскольку именно сглаживание неровностей поверхностей создает герметичное соединение. Для поверхностей, сопрягаемых с МПЭ, шероховатость в общем случае должна соответствовать Ra=0,4. Детальные требования к шероховатости сопрягаемых поверхностей зависят от вида, а точнее — вязкости среды и характера взаимного перемещения уплотняемых поверхностей.
Каркасы манжет могут изготавливаться из различных полимеров или композиционных материалов, и их исполнение зависит от условий эксплуатации. Для температур 200 — 250°С применяют высокотермостойкие полимеры: фторопласт–4, полиэфирэфиркетон, полифениленсульфид. Для криогенных температур каркасы изготавливают из фторопласта–4 и политрифторхлорэтилена (Ф-3). При эксплуатации манжет в абразивных средах применяют сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Однако при этом температурный интервал эксплуатации смещается в сторону более низких температур: от –70 до +100°С при относительно высоких уровнях давления — до 70 МПа. Для высоких давлений — 100 МПа и более — применяют манжеты с каркасом из высокопрочных полимеров: полиамида, полиэфирэфиркетона, полифениленсульфида и др. Кроме того, для предотвращения экструзии полимера в зазор при больших давлениях дополнительно устанавливают защитные кольца. Лучшим материалом для получения минимального коэффициента трения, безусловно, является фторопласт-4. Таким образом, существует некоторый перечень полимерных материалов и композитов на их основе, позволяющий находить компромиссные вариации свойств.
Существенным преимуществом МПЭ является отсутствие залипания уплотнений при остановке оборудования, поскольку тело манжеты изготавливается из полимерного материала, имеющего низкий коэффициент трения и адгезию к металлическим поверхностям. Необходимо также отметить присущую МПЭ в силу конструктивных особенностей стойкость к декомпрессии.
На наш взгляд, манжеты с подпружинивающим элементом, несмотря на уже сорокалетнюю историю, благодаря появлению новых материалов и технологий переработки остаются перспективным типом уплотнений, применение которых позволяет решать сложные технические задачи.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя» № 6 (41) 2017
