Как выбрать прокладки для экстремальных условий

На предприятиях химической отрасли трубопроводы работают под давлением 250 атмосфер при температуре 300°C. Они перекачивают кислоты, другие агрессивные среды. При переработке нефти оборудование контактирует с бензолом и толуолом. В таких условиях обычная резиновая прокладка разрушится через несколько часов, что приведет к катастрофическим последствиям. Поэтому выбор уплотнительных материалов для использования в экстремальных условиях – это решение, от которого зависит безопасность производства, экономическая эффективность и жизни людей.

Что такое экстремальные условия

Прежде чем говорить об особенностях выбора уплотнительных материалов, важно понять, что делает условия эксплуатации экстремальными. Это поможет правильно оценить требования к уплотнениям и избежать дорогостоящих ошибок.

Экстремальные условия создают комплексное воздействие на прокладку. Высокая температура ускоряет химические реакции разрушения в десятки раз. Согласно правилу Вант-Гоффа, повышение температуры на каждые 10°C увеличивает скорость химических процессов примерно вдвое. Это означает, что при температуре 200°C материал может деградировать в 1024 раза быстрее, чем при комнатной температуре. Агрессивные химические среды воздействуют на молекулярную структуру материала, а высокое давление выдавливает его из зазоров. Это и есть экстремальные условия эксплуатации.

Прокладки, устойчивые к воздействию температур

Температурная стойкость – параметр, который нужно учитывать при выборе уплотнений. При нагреве в структуре материалов происходят необратимые изменения. Молекулярные цепи полимеров начинают разрываться. Это процесс называют термодеструкцией.

Материал теряет эластичность, становится хрупким, в нем появляются трещины. Одновременно может происходить процесс сшивки – образования дополнительных связей между молекулами. Это делает материал жёстким, неспособным компенсировать неровности поверхности.

Поэтому температуростойкие прокладки изготавливаются из специальных материалов. У каждого из них определенный диапазон рабочих температур. Фторкаучук (Viton, FKM) выдерживает до 200°C и кратковременное воздействие температуры 250°C. Он сохраняет свойства благодаря наличию прочных углерод-фторных связей в молекулярной структуре. Для их разрыва нужен более сильный нагрев, чем для разрушения обычных углерод-водородных связей.

Фторсиликоновый каучук (FVMQ) выдерживает постоянное воздействие температуры до 230°C. Силиконовые прокладки выдерживают до 250°C, но у них ограниченная химическая стойкость. Когда температура достигает 300°C и выше, то для изготовления уплотнений используется политетрафторэтилен (PTFE или тефлон) или графит. Он выдерживает до 650°C в инертных средах.

Важно понимать, что рабочая температура – это не максимум, который материал может выдержать однократно. Это температура, под воздействием которой сохраняются уплотнительные свойства в течение длительного времени. Например, NBR-каучук формально способен выдерживать до 120°C, но он сохраняет свойства в диапазоне температур 90-100°C.

Маслобензостойкие прокладки, устойчивые к воздействию углеводородов

Контакт с нефтепродуктами опасен для большинства эластомеров. Углеводороды проникают в их структуру, вызывает набухание, размягчение, приводит к потере механических свойств. Понимание механизма этого разрушения поможет выбрать подходящий материал для уплотнений.

Разрушение начинается с диффузии. Молекулы масла или бензина постепенно проникают между полимерными цепями материала прокладки. Это похоже на то, как вода впитывается в губку, только происходит на молекулярном уровне. Молекулы углеводородов раздвигают полимерные цепи, увеличивают объём материала. Прокладка может разбухнуть на 10-30% по объёму. При этом ее механическая прочность снижается в несколько раз, практически исчезает способность восстанавливать форму после деформации.

Маслобензостойкие прокладки зачастую изготавливаются из нитрильного каучука (NBR). Он остается золотым стандартом из-за наличия полярных нитрильных групп и специфической структуры. Такое сочетание делает материал несовместимым с неполярными углеводородами на молекулярном уровне.

Уровень маслостойкости NBR зависит от содержания акрилонитрила (варьируется от 18% до 50%). Каучук с содержанием акрилонитрила выше 36% набухает под воздействием стандартного масла IRM 903 всего на 10-15% после 70 часов контакта при 100°C. Обычная резина увеличится в объёме на 200-300%.

Маслостойкие прокладки также изготавливаются из гидрированного нитрильного каучука (HNBR). Он отличается повышенной устойчивостью к воздействию температур по сравнению с NBR. Этот материал выдерживает до 150°C. Процесс гидрирования насыщает двойные связи в молекулярной цепи, делает материал более устойчивым к окислению и термическому старению.

В особо сложных условиях, где на уплотнения одновременно воздействуют высокие температуры и агрессивные углеводороды, применяются прокладки из фторкаучука. Этот материал практически не набухает в бензине, дизельном топливе и ароматических углеводородах даже при температуре выше 150°C. Испытания показывают, что у FKM-прокладок после 1000 часов воздействия бензина при 150°C объем изменяется менее чем на 5%. При этом сохраняется 90% исходной прочности на разрыв.

Кислотостойкие прокладки

Кислоты и щелочи воздействуют на уплотнения не так как углеводороды. Они разрушают молекулярную структуру. Механизм химического воздействия зависит от типа агрессивной среды:

1. Кислоты могут гидролизовать сложноэфирные связи, которые присутствуют во многих полимерах. Они разрывают длинные молекулярные цепи на короткие фрагменты.

2. Окислители, такие как азотная кислота или перекись водорода, воздействуют на ненасыщенные связи в каучуке. Они приводят к их разрыву и последующее сшивание.

3. Щелочи особенно опасны для фторэластомеров, так как могут отрывать атомы фтора от углеродной цепи.

Поэтому перед изготовлением кислотостойких прокладок нужно подобрать материал с учетом среды, с которой он будет контактировать. Например, политетрафторэтилен (PTFE) считается универсальным вариантом, если нужна химическая стойкость.

Он инертен практически ко всем кислотам и щелочам при температуре до 200°C. Исключение составляют только расплавленные щелочные металлы и элементарный фтор. Но PTFE не является эластомером, поэтому прокладки из него требуют высоких усилий затяжки. Они не способны компенсировать значительные неровности фланцевых поверхностей.

Для изготовления эластичных кислотостойких прокладок используются композитные материалы. EPDM-каучук (этилен-пропилен-диеновый мономер) эффективно выдерживает воздействие большинства неорганических кислот и щелочей, а также разбавленных растворов. Этот материал практически не набухает при контакте с серной кислотой концентрацией до 50%. Он сохраняет свойства в этой среде при температуре до 120°C. Но EPDM не выдерживает воздействия масла и топлива.

Фторкаучук (FKM) отличается оптимальным балансом между химической стойкостью и эластичностью. Он устойчив к воздействию минеральных кислот, алифатических и ароматических углеводородов, хлорированных растворителей.

Но даже у этого материала есть ограничения по применению. Он не выдерживает воздействие концентрированных неорганических кислот при температуре выше 150°C. Его разрушают органические кислоты, амины и кетоны.

Для экстремально агрессивных сред применяются уплотнения из перфторэластомеров (FFKM), таких как Kalrez или Chemraz. Эти материалы сочетают химическую инертность PTFE с эластичностью каучука. Они сохраняют свойства в практически любых химических средах при температуре до 300°C. Единственный их недостаток – высокая цена. Но эти затраты полностью оправданы, так как обеспечивают безопасную транспортировку агрессивных сред.

Прокладки для высокого давления

Высокое давление создает экстремальную нагрузку на уплотнения. Под его действием материал прокладки может выдавливаться в зазоры между фланцами. Этот процесс называется экструзией. Это приводит к необратимому повреждению прокладки и потере герметичности.

Чтобы понять природу этой проблемы, нужно рассмотреть, что происходит с прокладкой между двумя фланцами под давлением. Жидкость или газ внутри системы давит на материал с огромной силой. При давлении 100 атмосфер (10 МПа) на каждый квадратный сантиметр действует сила около 100 килограмм. Если между фланцами есть даже небольшой зазор в доли миллиметра, то прокладка будет выдавливаться в него.

Изготовление прокладок для эксплуатации под воздействием высокого давления основано на следующих принципах:

1. Используются материалы с высокой твёрдостью и модулем упругости. Чем жестче материал, тем сложнее его выдавить. Для давления выше 50 атмосфер обычно используются материалы с твердостью по Шору A не менее 80-90 единиц. У обычной уплотнительной резины твердость 60-70 единиц.

2. Используются конструкции с ограничением экструзии. К ним относятся прокладки с металлическими кольцами жёсткости, которые воспринимают основную нагрузку и не позволяют эластомеру выдавливаться наружу. Спирально-навитые прокладки, которые состоят из металлической ленты и наполнителя из графита или PTFE, могут работать при давлении до 400 атмосфер и температуре до 700°C.

3. Используются материалы с внутренним армированием. Паронит, состоящий из асбеста или безасбестовых волокон, которые связаны каучуком, создаёт структуру, устойчивую к выдавливанию. Современные композитные материалы на основе арамидных волокон и нитрильного каучука могут работать при давлении до 250 атмосфер при температуре до 200°C.

При выборе материала для прокладок на высокое давление нужно учитывать фактор герметичности. Это отношение затяжки прокладки к рабочему давлению среды. Этот фактор должен быть не менее 2/3, то есть прокладка должна быть сжата с усилием, которое в 2-3 раза превышает рабочее давление.

Прокладки для использования при наличии разных экстремальных условий

На практике редко встречаются ситуации, где действует только один экстремальный фактор. Чаще приходится учитывать воздействие высокой температуры, агрессивной химической среды и давления. И тут выбор подходящего материала для уплотнений становится настоящим искусством.

Для герметизации трубопровода на нефтеперерабатывающем заводе, по которому транспортируется нефть с высоким содержанием серы при температуре 180°C и давлении 80 атмосфер нужны специальные прокладки. Они должны выдерживать воздействие углеводородов, температуры и давления. Сероводород, который содержится в такой нефти, усложняет задачу, так как разрушает большинство каучуки.

Для таких условий подходит гидрированный нитрильный каучук (HNBR) с твердостью 85-90 единиц по Шору A. Этот материал отличается устойчивостью к воздействию масла (набухает менее чем на 15% под воздействием нефтепродуктов, нагретых до 150°C). Он выдерживает до 180°C и достаточно жесткий, чтобы противостоять экструзии при давлении до 100 атмосфер. Добавление технического углерода и специальных антиоксидантов повышает срок эксплуатации прокладок.

Ещё более сложный случай – химические реакторы, которые работают с агрессивными органическими растворителями при температуре 200°C и давлении 150 атмосфер. В этом случае оптимальным решением станут спирально-навитые прокладки с наполнителем из расширенного графита или перфторэластомерные уплотнения с металлическими антиэкструзионными кольцами.

Выбор прокладок для экстремальных условий – это комплексная задача, которая требует глубокого понимания свойств материалов и условий эксплуатации. Правильно подобранные прокладки не только надежно герметизируют, но и сокращают расходы за счет увеличения интервалов между ремонтами и предотвращения аварийных ситуаций.