Wybór materiału uszczelnienia jest ważny, ponieważ decyduje o jakości, żywotności i wydajności danego zastosowania, a także o ograniczeniu problemów w przyszłości. W tym artykule przyjrzymy się wpływowi środowiska na wybór materiału uszczelnienia, a także przyjrzymy się niektórym najpopularniejszym materiałom i zastosowaniom, do których najlepiej się nadają.
Czynniki środowiskowe
Środowisko, na które będzie narażona uszczelka, ma kluczowe znaczenie przy wyborze konstrukcji i materiału. Materiały uszczelniające muszą spełniać szereg kluczowych wymagań, takich jak stabilna powierzchnia uszczelnienia, przewodzenie ciepła, odporność chemiczna i dobra odporność na zużycie.
W niektórych środowiskach te właściwości będą musiały być mocniejsze niż w innych. Inne właściwości materiału, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze środowiska, to twardość, sztywność, rozszerzalność cieplna, odporność na zużycie i chemikalia. Uwzględnienie tych czynników pomoże Ci znaleźć idealny materiał na uszczelkę.
Środowisko może również decydować o tym, czy priorytetem będzie koszt, czy jakość uszczelnienia. W przypadku środowisk ściernych i trudnych warunki, uszczelnienia mogą być droższe, ponieważ materiały muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać te warunki.
W takich warunkach inwestycja w wysokiej jakości uszczelkę zwróci się z czasem, ponieważ pomoże uniknąć kosztownych przestojów, napraw, remontów lub wymiany uszczelki, które są częstą przyczyną stosowania uszczelek niższej jakości. Jednak w przypadku pompowania bardzo czystych płynów o właściwościach smarnych, zakup tańszej uszczelki może być lepszym rozwiązaniem niż zakup łożysk o wyższej jakości.
Typowe materiały uszczelniające
Węgiel
Węgiel stosowany w powierzchniach uszczelnień to mieszanka węgla amorficznego i grafitu, której zawartość procentowa decyduje o właściwościach fizycznych końcowego gatunku węgla. Jest to materiał obojętny, stabilny, który może być samosmarujący.
Jest szeroko stosowany jako jedna z par powierzchni czołowych w uszczelnieniach mechanicznych, a także popularnym materiałem na segmentowe uszczelnienia obwodowe i pierścienie tłokowe w warunkach suchego lub niewielkiego smarowania. Tę mieszankę węgla i grafitu można również impregnować innymi materiałami, aby nadać jej inne właściwości, takie jak zmniejszona porowatość, lepsza odporność na zużycie lub zwiększona wytrzymałość.
Uszczelnienie węglowe impregnowane żywicą termoutwardzalną jest najczęściej spotykane w uszczelnieniach mechanicznych, przy czym większość uszczelnień węglowych impregnowanych żywicą jest zdolna do pracy w szerokim zakresie chemikaliów, od mocnych zasad po mocne kwasy. Charakteryzują się one również dobrymi właściwościami ciernymi i odpowiednim modułem sprężystości, co pomaga kontrolować odkształcenia pod wpływem ciśnienia. Materiał ten nadaje się do ogólnych zastosowań w temperaturach do 260°C (500°F) w wodzie, chłodziwach, paliwach, olejach, lekkich roztworach chemicznych oraz w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.
Uszczelnienia węglowe impregnowane antymonem również okazały się skuteczne ze względu na wytrzymałość i moduł sprężystości antymonu, co czyni je idealnymi do zastosowań wysokociśnieniowych, gdzie wymagany jest mocniejszy i sztywniejszy materiał. Uszczelnienia te są również bardziej odporne na powstawanie pęcherzy w zastosowaniach z płynami o wysokiej lepkości lub lekkimi węglowodorami, co czyni je standardowym gatunkiem w wielu zastosowaniach rafineryjnych.
Węgiel można również impregnować substancjami filmotwórczymi, takimi jak fluorki, do zastosowań suchych, kriogenicznych i próżniowych lub inhibitorami utleniania, takimi jak fosforany, do zastosowań w wysokich temperaturach, dużych prędkościach i turbinach o prędkości do 800 stóp na sekundę i temperaturze około 537°C (1000°F).
Ceramiczny
Ceramika to nieorganiczne materiały niemetaliczne, wytwarzane ze związków naturalnych lub syntetycznych, najczęściej tlenku glinu lub tlenku glinu. Charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia, wysoką twardością, wysoką odpornością na zużycie i utlenianie, dlatego jest szeroko stosowana w przemyśle maszynowym, chemicznym, naftowym, farmaceutycznym i motoryzacyjnym.
Posiada również doskonałe właściwości dielektryczne i jest powszechnie stosowany w izolatorach elektrycznych, elementach odpornych na zużycie, materiałach ściernych oraz elementach wysokotemperaturowych. W wysokich stężeniach tlenek glinu charakteryzuje się doskonałą odpornością chemiczną na większość płynów procesowych, z wyjątkiem niektórych silnych kwasów, co sprawia, że jest stosowany w wielu zastosowaniach uszczelnień mechanicznych. Jednak tlenek glinu może łatwo pękać pod wpływem szoku termicznego, co ogranicza jego zastosowanie w niektórych zastosowaniach, w których może to stanowić problem.
Węglik krzemu powstaje w wyniku stopienia krzemionki i koksu. Jest chemicznie podobny do ceramiki, ale ma lepsze właściwości smarne i jest twardszy, co czyni go dobrym, odpornym na zużycie rozwiązaniem w trudnych warunkach.
Można go również ponownie docierać i polerować, co pozwala na wielokrotną regenerację uszczelki w ciągu jej żywotności. Jest on zazwyczaj stosowany w zastosowaniach mechanicznych, na przykład w uszczelnieniach mechanicznych ze względu na dobrą odporność na korozję chemiczną, wysoką wytrzymałość, wysoką twardość, dobrą odporność na zużycie, niski współczynnik tarcia i wysoką odporność na temperaturę.
Węglik krzemu, stosowany na powierzchnie uszczelnień mechanicznych, zapewnia lepszą wydajność, dłuższą żywotność uszczelnień, niższe koszty konserwacji i niższe koszty eksploatacji urządzeń obrotowych, takich jak turbiny, sprężarki i pompy odśrodkowe. Węglik krzemu może mieć różne właściwości w zależności od sposobu produkcji. Węglik krzemu wiązany reakcyjnie powstaje poprzez łączenie ze sobą cząstek węglika krzemu w procesie reakcji.
Proces ten nie wpływa znacząco na większość właściwości fizycznych i termicznych materiału, jednak ogranicza jego odporność chemiczną. Najczęstszymi substancjami chemicznymi stanowiącymi problem są substancje żrące (i inne substancje chemiczne o wysokim pH) oraz silne kwasy, dlatego węglik krzemu wiązany reakcyjnie nie powinien być stosowany w tych zastosowaniach.
Samospiekający się węglik krzemu powstaje poprzez bezpośrednie spiekanie cząstek węglika krzemu przy użyciu beztlenkowych środków wspomagających spiekanie w środowisku obojętnym w temperaturach powyżej 2000°C. Ze względu na brak materiału wtórnego (takiego jak krzem), materiał spiekany bezpośrednio jest odporny chemicznie na niemal każdy płyn i warunki procesowe, jakie mogą występować w pompach odśrodkowych.
Węglik wolframu to niezwykle wszechstronny materiał, podobnie jak węglik krzemu, ale lepiej nadaje się do zastosowań wysokociśnieniowych, ponieważ charakteryzuje się większą elastycznością, która pozwala mu na bardzo lekkie wyginanie i zapobiega odkształceniom powierzchni. Podobnie jak węglik krzemu, można go ponownie docierać i polerować.
Węgliki wolframu są najczęściej produkowane jako węgliki spiekane, więc nie ma potrzeby łączenia węglika wolframu ze sobą. Dodawany jest metal wtórny, aby związać lub scementować cząstki węglika wolframu, co skutkuje powstaniem materiału łączącego właściwości węglika wolframu i spoiwa metalicznego.
Zostało to wykorzystane z korzyścią, zapewniając większą wytrzymałość i udarność niż w przypadku samego węglika wolframu. Jedną ze słabości spiekanego węglika wolframu jest jego wysoka gęstość. W przeszłości stosowano węglik wolframu wiązany kobaltem, jednak stopniowo został on zastąpiony węglikiem wolframu wiązanym niklem ze względu na brak wymaganego w przemyśle zakresu kompatybilności chemicznej.
Węglik wolframu wiązany niklem jest powszechnie stosowany do produkcji powierzchni uszczelnień, w których wymagana jest duża wytrzymałość i odporność na obciążenia dynamiczne. Charakteryzuje się dobrą zgodnością chemiczną, która jest na ogół ograniczona przez wolny nikiel.
GFPTFE
GFPTFE charakteryzuje się dobrą odpornością chemiczną, a dodatek szkła zmniejsza tarcie powierzchni uszczelniających. Materiał ten idealnie nadaje się do zastosowań wymagających stosunkowo dużej czystości i jest tańszy niż inne materiały. Dostępne są warianty, które pozwalają lepiej dopasować uszczelnienie do wymagań i warunków otoczenia, poprawiając jego ogólną wydajność.
Buna
Buna (znana również jako kauczuk nitrylowy) to ekonomiczny elastomer stosowany w uszczelnieniach typu O-ring, materiałach uszczelniających i produktach formowanych. Jest dobrze znana ze swoich właściwości mechanicznych i dobrze sprawdza się w zastosowaniach na bazie oleju, petrochemii i chemikaliów. Ze względu na swoją sztywność jest również szeroko stosowana w aplikacjach z ropą naftową, wodą, różnymi alkoholami, smarem silikonowym i płynami hydraulicznymi.
Ponieważ Buna jest syntetycznym kopolimerem kauczuku, dobrze sprawdza się w zastosowaniach wymagających przyczepności metalu i odporności na ścieranie, a to chemiczne podłoże sprawia, że idealnie nadaje się również do zastosowań uszczelniających. Co więcej, jest odporna na niskie temperatury, ponieważ została zaprojektowana z myślą o słabej odporności na kwasy i łagodne zasady.
Buna jest materiałem ograniczonym do zastosowań, w których występują ekstremalne czynniki, takie jak wysokie temperatury, warunki atmosferyczne, światło słoneczne i odporność na parę. Nie nadaje się również do stosowania ze środkami dezynfekującymi typu CIP (Cleaning-in-place) zawierającymi kwasy i nadtlenki.
EPDM
EPDM to kauczuk syntetyczny powszechnie stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, budownictwie i maszynach do produkcji uszczelek, pierścieni uszczelniających typu O, rurek i podkładek. Jest droższy niż kauczuk Buna, ale dzięki swojej długotrwałej, wysokiej wytrzymałości na rozciąganie wytrzymuje różnorodne warunki termiczne, atmosferyczne i mechaniczne. Jest wszechstronny i idealnie nadaje się do zastosowań z wodą, chlorem, wybielaczem i innymi substancjami alkalicznymi.
Ze względu na swoje właściwości elastyczne i klejące, po rozciągnięciu EPDM powraca do pierwotnego kształtu niezależnie od temperatury. Nie zaleca się stosowania EPDM w zastosowaniach z olejami naftowymi, płynami, węglowodorami chlorowanymi ani rozpuszczalnikami węglowodorowymi.
Viton
Viton to trwały, wysokowydajny, fluorowany kauczuk węglowodorowy, najczęściej stosowany w pierścieniach uszczelniających typu O-ring i uszczelnieniach. Jest droższy niż inne materiały gumowe, ale jest preferowanym wyborem w przypadku najbardziej wymagających i wymagających zastosowań uszczelniających.
Jest to jeden z najtrwalszych fluoroelastomerów, odporny na ozon, utlenianie i ekstremalne warunki atmosferyczne, w tym na takie materiały jak węglowodory alifatyczne i aromatyczne, płyny halogenowane i silne kwasy.
Wybór odpowiedniego materiału uszczelniającego jest kluczowy dla powodzenia aplikacji. Chociaż wiele materiałów uszczelniających jest podobnych, każdy z nich służy różnym celom, aby spełnić konkretne potrzeby.
Czas publikacji: 12 lipca 2023 r.