Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Вопрос, из какого материала делают сильфоны, определяет всё: рабочую температуру, стойкость к среде, допустимое давление и число циклов до отказа. Сильфон — это тонкостенная гофрированная оболочка, которая должна одновременно быть упругой, герметичной и усталостно-прочной, поэтому выбор металла здесь не менее важен, чем геометрия гофров и число слоёв.
Ниже разобрано, какие материалы применяют для сильфонов — нержавеющие и жаростойкие стали, прецизионные упругие сплавы, бериллиевая бронза, латунь, титан и неметаллы, — как связаны толщина стенки, число гофров и число слоёв с ресурсом, и по каким признакам подбирают марку под конкретные условия эксплуатации.
Сильфон — это упругая гофрированная металлическая оболочка, применяемая как герметизирующий, чувствительный или силовой элемент и сохраняющая прочность и плотность при многоцикловых деформациях сжатия и растяжения под действием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических нагрузок. Термины и обозначения сильфонов установлены отдельным стандартом ГОСТ 22743-85 действующий. Именно гофрированный профиль придаёт оболочке податливость, работая подобно пружине, а материал должен «выдержать» эту многократную знакопеременную деформацию, не теряя ни прочности, ни герметичности.
Материал сильфона обязан сочетать три конкурирующих качества: упругость (гибкость гофров), прочность и герметичность под давлением и сопротивление усталости при многоцикловом нагружении.
Эти требования частично противоречат друг другу: тонкая стенка гибче и лучше «отрабатывает» ход, но хуже держит давление; толстая стенка прочнее, но жёстче и быстрее накапливает усталостные повреждения в зоне гофра. Разрешают противоречие двумя путями — подбором марки материала с нужным сочетанием упругих и прочностных свойств и переходом к многослойной конструкции. Отсюда и разнообразие применяемых металлов и сплавов.
Для металлических сильфонов применяют несколько групп материалов, каждая из которых закрывает свой диапазон температур, сред и упругих свойств. Основным материалом в трубопроводной арматуре служат коррозионно- и жаростойкие стали аустенитного класса; на цветные металлы (латунь, фосфористую и бериллиевую бронзу) и титан приходится сравнительно небольшая доля. В точном приборостроении, где сильфон работает как упругий чувствительный элемент, широко используют прецизионный сплав с заданными свойствами упругости.
Марки, диаметры и рабочие температуры конкретного сильфона задаются нормативным документом и типоразмером. Приведённые ниже диапазоны относятся к типовой номенклатуре по действующим стандартам и технической документации производителей и не заменяют технические условия на изделие.
Аустенитные хромоникелевые стали — базовый материал сильфонов. Они сохраняют пластичность и вязкость при глубоком холоде, стойки к окислению при нагреве и коррозии в большинстве рабочих сред, хорошо свариваются и деформируются в тонкую стенку. Химический состав и обозначения этих сталей регламентирует ГОСТ 5632-2014 действующий — «Нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки».
Наиболее распространены титаностабилизированные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, а также низкоуглеродистая 06Х18Н10Т. Стабилизация титаном и низкое содержание углерода снижают склонность к межкристаллитной коррозии в зоне сварных швов — критичный фактор для тонкостенной оболочки с продольными швами обечаек. Для более агрессивных сред применяют молибденсодержащие стали 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т: молибден повышает стойкость к питтингу и к средам, содержащим хлориды. Действующий стандарт на многослойные металлические сильфоны прямо предписывает при отсутствии указания марки изготавливать их из сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т или 06Х18Н10Т по ГОСТ 5632.
ГОСТ 6032-2017
Диапазон рабочих температур зависит от того, как сильфон используется и в каком нормативном документе он описан. Для однослойных измерительных сильфонов из нержавеющей стали по технической документации производителей характерен диапазон приблизительно от минус 200 до плюс 400 °C. Многослойные металлические сильфоны для трубопроводной арматуры по ГОСТ Р 55019-2012 действующий рассчитаны на более широкий диапазон — от минус 260 до плюс 550 °C, что и делает нержавеющую сталь основным материалом для компенсаторов и разделителей сред.
Когда сильфон работает как упругий чувствительный элемент — в датчиках давления, термосистемах, регуляторах, — на первый план выходит стабильность упругих характеристик. Здесь применяют дисперсионно-твердеющий сплав 36НХТЮ, относящийся по ГОСТ 10994-74 действующий к группе прецизионных сплавов с заданными свойствами упругости. Он сочетает высокие и стабильные упругие свойства с повышенной коррозионной стойкостью и прочностью. Для измерительных сильфонов из 36НХТЮ по технической документации характерен рабочий диапазон от минус 60 до плюс 200 °C.
Бериллиевая бронза БрБ2 (по ГОСТ 18175-78 действующий) — безоловянный сплав системы медь–бериллий, дисперсионно упрочняемый термообработкой. Её ценят за сочетание высокой прочности, хороших пружинящих свойств, немагнитности и стойкости к коррозионной усталости. Для сильфонов из БрБ2 характерен диапазон от минус 60 до плюс 100 °C. Бронзу выбирают там, где важны немагнитность и стабильная упругость при умеренных температурах.
Латунь марки Л80 (полутомпак) применяют для измерительных и разделительных сильфонов, работающих в мягких, неагрессивных к латуни средах, с тем же порядком рабочих температур, что и у бронзы, — примерно от минус 60 до плюс 100 °C. По стойкости и температурному диапазону латунные сильфоны уступают стальным и используются в более щадящих условиях.
* Для однослойных измерительных сильфонов по технической документации производителей; конкретные значения определяются типоразмером и техническими условиями.
Сильфон не обязательно стальной. В арматуростроении на цветные металлы и титан суммарно приходится небольшая доля изделий, но в ряде задач именно они предпочтительны.
Титан и титановые сплавы сочетают высокую удельную прочность, коррозионную стойкость (в том числе в хлоридных и морских средах) и жаропрочность, а также немагнитность. Их выбирают там, где важна масса конструкции или стойкость к специфическим средам, в которых аустенитные стали работают хуже. Вместе с тем титан сложнее в деформировании и требует иной технологии формообразования.
Неметаллические сильфоны из фторопласта (ПТФЭ) применяют для химически агрессивных сред: этот полимер инертен практически ко всем кислотам, щелочам и растворителям и сохраняет свойства при нагреве примерно до плюс 260 °C. При этом фторопластовые сильфоны уступают металлическим по механической прочности и рабочему давлению, поэтому их область — химическая, фармацевтическая и пищевая аппаратура, где на первом месте химическая инертность.
По числу слоёв сильфоны делят на однослойные, двухслойные и многослойные. Однослойный собирают из одной обечайки, толщина которой достаточна для прочности и герметичности; многослойный — из пакета в два и более слоёв, причём в отдельных конструкциях число слоёв достигает двадцати и более. В трубопроводной арматуре типично число слоёв от 2 до 12.
Идея многослойной оболочки — разделить «работу на гибкость» и «работу на давление». Изгибная деформация в гофре тем меньше нагружает металл, чем тоньше слой; при этом несколько тонких слоёв в пакете вместе воспринимают давление не хуже одной толстой стенки. В результате многослойный сильфон при равной несущей способности по давлению получает более высокую податливость и больший запас по усталости — по аналогии с рессорой, набранной из тонких листов вместо одной толстой пластины.
Разбиение стенки на несколько тонких слоёв снижает изгибные напряжения в гофре при заданном давлении и повышает циклическую долговечность.
В заготовке многослойного сильфона продольные сварные швы обечаек каждого слоя, как правило, разносят равномерно по окружности, чтобы не совмещать ослабленные зоны. Для двух слоёв швы располагают напротив друг друга, для трёх — через 120°, для четырёх — через 90° и так далее.
Форма и число гофров вместе с толщиной стенки определяют, как материал будет работать под нагрузкой. Распространён U-образный профиль гофра; толщина стенки тонкостенных измерительных сильфонов по технической документации лежит в диапазоне порядка 0,08–0,25 мм при наружных диаметрах приблизительно от 9 до 190 мм.
Гофр, впадина и бортик — базовые элементы сильфона по действующей терминологии (ГОСТ 22743-85). По соотношению размеров гофра и толщины стенки сильфоны делят на тонкостенные и толстостенные: если отношение радиуса впадины гофра к толщине стенки составляет 15 и более, сильфон относят к тонкостенным; если менее 15 — к толстостенным. Тонкостенные податливее и лучше отрабатывают ход, толстостенные держат большее давление при меньшей гибкости.
Суммарный ход сильфона распределяется между гофрами. При заданном полном ходе увеличение числа гофров уменьшает деформацию, приходящуюся на каждый гофр, что снижает уровень напряжений в металле и повышает ресурс. В трубопроводной арматуре число гофров обычно находится в диапазоне от 4 до 20; конкретное значение выбирают, увязывая требуемый ход, жёсткость и долговечность.
Технология формообразования не меняет марку металла, но влияет на остаточные напряжения, точность профиля гофра и итоговую усталостную стойкость. Заготовкой служит тонкостенная однослойная или многослойная цилиндрическая обечайка (бесшовная или продольношовная).
Выбор технологии зависит от типоразмера, требуемой точности и производственных возможностей. С точки зрения материала важно, что формообразование холодной деформацией наклёпывает металл, поэтому упругие и усталостные свойства окончательно формируются с учётом термообработки и калибровки.
Ресурс сильфона — это число циклов «сжатие–растяжение» до потери герметичности. Он не является свойством одного лишь материала: на него совместно влияют марка металла, толщина и число слоёв, число гофров, рабочее давление, величина хода и температура.
Действующий стандарт на многослойные металлические сильфоны нормирует ресурс через вероятность безотказной работы для назначенного ресурса — её принимают не менее 0,9. При этом ресурс снижается с ростом рабочего давления, увеличением хода и повышением температуры; соответствующие зависимости приведены в справочных приложениях стандарта (в том числе для температуры 350 °C). Практический вывод для проектирования один и тот же: снижение доли используемого давления и хода относительно максимальных заметно увеличивает достижимое число циклов.
При прочих равных ресурс выше у материалов с высоким и стабильным сопротивлением усталости и коррозионной усталости — этим объясняется предпочтение аустенитных нержавеющих сталей и прецизионных упругих сплавов. Коррозионная среда, в которой металл подвержен растрескиванию, сокращает усталостную долговечность, поэтому стойкость к среде — такая же часть «ресурсного» выбора материала, как и механические свойства.
Выбор ведут от условий эксплуатации к материалу, а не наоборот. Ключевые исходные данные — рабочая и предельная температуры, характер и агрессивность среды, рабочее давление, требуемый ход и назначенный ресурс, а также специальные требования (немагнитность, стабильность упругой характеристики).
Чаще всего — из аустенитных коррозионно- и жаростойких сталей, например 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т по ГОСТ 5632-2014. Они стойки к коррозии и нагреву, хорошо свариваются и деформируются в тонкую стенку. На цветные металлы (латунь, бронзу) и титан приходится меньшая доля.
Измерительные сильфоны работают как упругий чувствительный элемент, поэтому для них важна стабильность упругой характеристики — применяют прецизионный сплав 36НХТЮ, бериллиевую бронзу БрБ2 или латунь. Компенсаторные и разделительные сильфоны нагружены давлением и температурой, поэтому их делают преимущественно из нержавеющей стали.
Несколько тонких слоёв в пакете сохраняют гибкость (каждый слой легко изгибается в гофре), а вместе воспринимают давление не хуже одной толстой стенки. За счёт снижения изгибных напряжений в металле многослойная конструкция даёт больший ресурс при той же несущей способности по давлению.
Признак — отношение радиуса впадины гофра к толщине стенки. При значении 15 и более сильфон считают тонкостенным (податливее, лучше отрабатывает ход), при значении менее 15 — толстостенным (держит большее давление, но жёстче).
Больше гофров — меньше деформация, приходящаяся на каждый гофр при заданном ходе, а значит ниже напряжения и выше долговечность. Больше слоёв — выше стойкость к давлению при сохранении гибкости. Конкретный ресурс определяется типоразмером и режимом по нормативной документации.
Для однослойных измерительных сильфонов из нержавеющей стали по технической документации характерен диапазон примерно от минус 200 до плюс 400 °C. Многослойные металлические сильфоны для арматуры по ГОСТ Р 55019-2012 рассчитаны на диапазон от минус 260 до плюс 550 °C. Точные пределы зависят от типоразмера и технических условий.
Да. Для химически агрессивных сред применяют фторопластовые (ПТФЭ) сильфоны, инертные к кислотам и щелочам и работающие при нагреве примерно до плюс 260 °C. По давлению и механической прочности они уступают металлическим, зато обеспечивают химическую стойкость там, где металл корродирует.
В обозначении многослойного сильфона по ГОСТ Р 55019-2012 указывают наружный диаметр, число гофров, толщину слоя, число слоёв и марку материала. Например, «28-10-0,17×6-08Х18Н10Т» означает: диаметр 28 мм, 10 гофров, толщина слоя 0,17 мм, шесть слоёв, сталь 08Х18Н10Т.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.