Сальниковые уплотнения арматуры: материалы и набивка

Введение в сальниковые уплотнения трубопроводной арматуры

Сальниковые уплотнения представляют собой один из наиболее распространенных типов герметизации подвижных соединений в трубопроводной арматуре химических производств. Согласно положениям ГОСТ 24856-2014, сальниковое уплотнение определяется как совокупность сопрягаемых элементов, обеспечивающих требуемую герметичность подвижных соединений деталей и узлов арматуры.

Основное назначение сальникового узла состоит в предотвращении утечки рабочей среды в атмосферу через зазор между штоком или шпинделем арматуры и корпусом в месте выхода подвижного элемента наружу. При этом конструкция должна обеспечивать свободное перемещение штока для управления затвором арматуры.

В химической промышленности сальниковые уплотнения применяются на арматуре различных типов, включая запорную арматуру в виде задвижек и клапанов, регулирующую арматуру, шаровые краны и дисковые затворы. Особенностью эксплуатации в данной отрасли являются агрессивные рабочие среды, повышенные температуры и давления, что предъявляет специфические требования к материалам набивок и технологии их установки.

Принцип работы сальникового узла

Конструктивно сальниковый узел состоит из нескольких основных элементов. На внешней стороне крышки корпуса арматуры формируется специальная полость, именуемая сальниковой камерой. В эту камеру между внутренней цилиндрической поверхностью и штоком укладывается уплотнительный материал в виде сальниковой набивки.

Конструктивные элементы сальникового узла

Типовой сальниковый узел трубопроводной арматуры включает следующие компоненты. Сальниковая камера представляет собой цилиндрическую полость в крышке корпуса, в которую устанавливается набивка. Геометрические размеры камеры определяются диаметром штока и требуемым количеством колец набивки.

Сальниковая набивка выполняется в виде отдельных колец, нарезанных из шнура определенного сечения. Стандартные формы сечения согласно ГОСТ 5152-84 включают круглое, квадратное и прямоугольное исполнение. Для большинства арматуры химических производств применяется квадратное сечение размерами от восьми до двадцати пяти миллиметров.

Грундбукса или прижимная втулка служит для передачи усилия затяжки на пакет набивки. Конструкция грундбуксы обеспечивает равномерное распределение нагрузки по всей окружности набивки. Крепление грундбуксы к корпусу осуществляется посредством откидных или анкерных болтов, количество которых обычно составляет от двух до четырех штук в зависимости от размера арматуры.

Механизм обеспечения герметичности

При затяжке болтов крепления грундбуксы создается осевое усилие, которое сжимает пакет набивки вдоль оси штока. Под действием осевого сжатия в материале набивки возникают радиальные напряжения, приводящие к прижатию набивки к стенкам сальниковой камеры с одной стороны и к цилиндрической поверхности штока с другой стороны.

Герметизация достигается за счет упругой деформации материала набивки, который заполняет неровности поверхностей и перекрывает пути возможной утечки рабочей среды. При этом между набивкой и штоком возникает сила трения, которая препятствует перемещению штока и должна учитываться при расчете усилия управления арматурой.

Материалы сальниковых набивок для химических производств

Выбор материала сальниковой набивки определяется условиями эксплуатации арматуры, включая химическую активность рабочей среды, температурный диапазон, давление и частоту перемещений штока. Современные промышленные набивки классифицируются на несколько основных групп по типу базового материала.

Набивки на основе терморасширенного графита

Терморасширенный графит представляет собой гибкий высокопористый материал, получаемый термической обработкой природного графита. Набивки из терморасширенного графита обладают уникальными эксплуатационными характеристиками для применения в арматуре химических производств.

Основные достоинства графитовых набивок включают исключительно низкий коэффициент трения по стали, составляющий менее 0,12 по сухой поверхности и менее 0,03 при наличии жидкостной пленки. Это в пять раз меньше, чем у асбестовых набивок, что существенно снижает износ штока и усилие управления арматурой.

Высокая теплопроводность материала обеспечивает эффективный отвод тепла из зоны трения, предотвращая перегрев узла. Термостойкость графитовых набивок достигает 650 градусов Цельсия при работе с паром и перегретым паром, что позволяет применять их на пароводяной арматуре высоких параметров. Химическая стойкость практически ко всем средам, за исключением сильных окислителей, делает графитовые набивки универсальным решением.

Для армирования графитовых набивок применяются различные материалы. Набивки марки НГ-100 армируются лавсановой нитью и предназначены для давлений до 25 МПа согласно ТУ 2573-002-12058737-2005. Набивки марки НГ-200 содержат армирование нержавеющей проволокой и работают при давлениях до 40 МПа при температуре до 650 градусов.

Фторопластовые и графитонаполненные фторопластовые набивки

Политетрафторэтилен обладает уникальной химической инертностью, обеспечивая работоспособность набивок в агрессивных средах широкого диапазона кислотности от рН равного нулю до рН равного четырнадцати. Фторопластовые набивки незаменимы при работе с концентрированными кислотами и щелочами.

Чистые фторопластовые набивки имеют существенный недостаток в виде низкой теплопроводности, что может приводить к местному перегреву в зоне контакта с валом. Решением проблемы является применение графитонаполненного фторопласта, в котором частицы графита обеспечивают высокую теплопроводность при сохранении химической стойкости фторопласта.

Коэффициент трения фторопластовых набивок является самым низким среди всех известных материалов, что делает их оптимальным выбором для регулирующей арматуры с частыми перемещениями штока. Температурный диапазон применения составляет от минус 200 до плюс 280 градусов Цельсия.

Асбестовые набивки

Несмотря на тенденцию замещения асбестосодержащих материалов, асбестовые набивки продолжают применяться на действующих производствах благодаря сочетанию приемлемых эксплуатационных характеристик и доступности. ГОСТ 5152-84 регламентирует различные марки асбестовых набивок для конкретных условий применения.

Набивки марки АП представляют собой асбестовое волокно, пропитанное антифрикционным жировым составом с добавлением графита. Они применяются для нейтральных и слабоагрессивных сред при температурах до 300 градусов и давлениях до 4,5 МПа на запорной арматуре.

Набивки марки АПР содержат армирование латунной проволокой, что повышает их прочность и позволяет использовать при давлениях до 32 МПа при температурах от минус 70 до плюс 200 градусов для работы с нейтральными и агрессивными средами. Марка АГИ представляет асбестографитовую набивку, обладающую повышенной стойкостью к агрессивным средам и не вызывающую коррозии нержавеющих сталей. Набивки АГИ могут работать при давлении до 35 МПа и температуре до 565 градусов с паром.

Комбинированные и специальные набивки

Для особых условий эксплуатации разработаны комбинированные набивки, сочетающие преимущества различных материалов. Набивки типа зебра выполняются диагональным плетением из чередующихся слоев графитонаполненного фторопласта и арамидного волокна, обеспечивая высокую износостойкость и химическую стойкость.

Арамидные или кевларовые набивки применяются в высокоабразивных средах и местах трения без смазки благодаря исключительной прочности волокна. Они демонстрируют стойкость к неконцентрированным кислотам и щелочам, органическим растворителям, работая при температурах от минус 100 до плюс 260 градусов и давлениях до 25 МПа.

Критерии выбора сальниковой набивки

Правильный выбор материала и конструкции сальниковой набивки является определяющим фактором надежности и долговечности работы трубопроводной арматуры. Процесс подбора должен учитывать комплекс параметров рабочих условий и конструктивных особенностей арматуры.

Параметры рабочей среды

Химическая активность среды определяет стойкость материала набивки к коррозионному воздействию. Для работы с агрессивными кислотами рекомендуется применение графитонаполненного фторопласта или чистых фторопластовых набивок. При работе со щелочами также предпочтительны фторопластовые материалы.

Температура рабочей среды ограничивает выбор материалов верхним и нижним пределами термостойкости. Для высокотемпературных применений при температурах выше 400 градусов оптимальны графитовые набивки. Фторопластовые материалы ограничены температурой 280 градусов. Криогенные применения требуют материалов, сохраняющих эластичность при низких температурах, таких как терморасширенный графит или фторопласт.

Давление среды влияет на требуемое усилие обжатия набивки и выбор армирующих материалов. При давлениях выше 25 МПа необходимо применение набивок с армированием проволокой или использование графитовых набивок высокой плотности.

Режим работы арматуры

Частота перемещений штока определяет требования к износостойкости и коэффициенту трения набивки. Для запорной арматуры редкого действия допустимы набивки с более высоким коэффициентом трения, такие как асбестовые. Регулирующая арматура с постоянным движением штока требует применения набивок с минимальным трением на основе графита или фторопласта.

Характер движения штока также важен. При поступательном движении применимы все типы набивок. Вращательное движение, характерное для шаровых кранов, требует особо низкого коэффициента трения и высокой износостойкости.

Технология установки сальниковой набивки

Правильная установка сальниковой набивки критически важна для обеспечения герметичности и долговечности работы сальникового узла. Технология монтажа регламентируется производственными инструкциями и должна строго соблюдаться техническим персоналом.

Подготовительные операции

Перед установкой новой набивки необходимо полностью удалить отработанную набивку из сальниковой камеры. Для этого применяются специальные экстракторы, представляющие собой крючки или спицы, позволяющие извлекать кольца набивки без повреждения поверхности камеры. При работе необходимо соблюдать осторожность, чтобы не оставить царапин на стенках камеры или на штоке.

После извлечения старой набивки сальниковая камера тщательно очищается от остатков материала, продуктов износа и загрязнений. Очистка производится с помощью ветоши, смоченной в растворителе, после чего полость продувается сжатым воздухом.

Обязательным этапом является дефектовка деталей сальникового узла. Проверяется состояние штока на наличие задиров, рисок, коррозии или бочкообразного износа. Незначительные повреждения глубиной до 0,1 миллиметра могут быть устранены шлифованием абразивной лентой. Глубокие повреждения требуют замены штока или его восстановления наплавкой с последующей проточкой.

Подготовка колец набивки

Важнейшей операцией является правильная нарезка колец набивки требуемой длины. Существует два основных метода определения длины кольца. Расчетный метод использует формулу: длина равна произведению диаметра штока плюс сечение набивки на число пи и коэффициент 1,07. Коэффициент 1,07 учитывает усадку материала при обжатии.

Более надежным является метод намотки набивки на оправку, диаметр которой равен диаметру штока в зоне сальника. Набивка плотно наматывается на оправку в один слой, делается разметочная метка, после чего производится разрезание. Этот метод исключает ошибки расчета и обеспечивает точное соответствие длины кольца.

Срез набивки должен выполняться под углом 45 градусов к оси для обеспечения плотного замка. Ровный срез можно получить, нарезая набивку непосредственно на оправке острым ножом или ножницами по металлу. Качество среза критически важно для герметичности узла.

Установка и обжатие набивки

Количество колец набивки определяется глубиной сальниковой камеры, диаметром штока и рабочими параметрами арматуры. Для запорной арматуры при давлениях до 25 МПа устанавливается шесть колец согласно инструкциям по монтажу набивок марок НГ-100 и НГ-200. При давлениях до 35 МПа количество колец увеличивается до восьми для запорной и до десяти для регулирующей арматуры.

Первое кольцо устанавливается на самое дно сальниковой камеры и уплотняется с помощью трамбовочного приспособления или грундбуксы с использованием разрезной удлинительной втулки. Последующие кольца укладываются аналогично с обязательным смещением замков на угол 90-180 градусов относительно предыдущего кольца. Такая разбежка замков предотвращает образование сквозных каналов утечки.

Обжатие каждого кольца производится раздельно на величину 20-30 процентов от первоначальной высоты согласно инструкциям производителей набивок. Контроль степени обжатия может вестись по изменению высоты пакета или по усилию затяжки. После установки всех колец производится предварительная затяжка с усилием минимум 10 Ньютонов на квадратный миллиметр независимо от рабочего давления.

Приработка и окончательная регулировка

После установки набивки и предварительной затяжки необходим период приработки материала к поверхностям штока и камеры. Арматура приводится в действие, производится несколько полных циклов открытия-закрытия. В течение первых 30-60 минут работы производится периодическая подтяжка крепежа грундбуксы с интервалом 10-15 минут.

Контроль правильности затяжки осуществляется по нескольким параметрам. Температура сальниковой коробки не должна превышать 60-70 градусов Цельсия. Превышение температуры свидетельствует о чрезмерной затяжке и требует немедленной остановки с ослаблением усилия обжатия.

Для запорной арматуры при испытаниях номинальным давлением пропуск через сальник не допускается согласно ОСТ 26-07-2010-79. На насосах и другом вращающемся оборудовании нормальной является контролируемая капельная протечка в количестве 5-60 капель в минуту, обеспечивающая смазку и охлаждение набивки.

Эксплуатация и техническое обслуживание

Правильная эксплуатация сальниковых узлов обеспечивает длительный срок службы набивки и надежную герметизацию арматуры. Техническое обслуживание включает периодический контроль состояния узла и своевременное устранение возникающих неисправностей.

Контроль в период эксплуатации

В процессе нормальной эксплуатации необходим регулярный визуальный осмотр сальникового узла на предмет появления протечек. Для запорной арматуры протечка через сальник является признаком неисправности и требует подтяжки или замены набивки. Небольшая капельная протечка допускается только на арматуре с частыми перемещениями штока.

Контроль усилия управления арматурой позволяет выявить чрезмерную затяжку сальника. Значительное увеличение крутящего момента маховика или усилия на штоке электропривода указывает на необходимость ослабления затяжки грундбуксы. Современные электроприводы оснащаются датчиками момента, позволяющими вести непрерывный мониторинг этого параметра.

Температура сальниковой коробки является важным диагностическим признаком. При нормальной работе температура корпуса в зоне сальника не должна существенно превышать температуру рабочей среды. Местный перегрев свидетельствует о повышенном трении и требует регулировки затяжки.

Периодичность обслуживания

Регламент технического обслуживания арматуры устанавливается эксплуатационной документацией производителя с учетом условий работы. Для арматуры на ответственных участках химических производств рекомендуется ежемесячный осмотр состояния сальниковых узлов с записью результатов в журнал обслуживания.

Плановая замена набивки производится при капитальном ремонте арматуры, периодичность которого зависит от интенсивности эксплуатации. Для запорной арматуры редкого действия межремонтный период может составлять несколько лет. Регулирующая арматура требует более частого обслуживания с периодичностью от шести месяцев до двух лет.

Признаки износа и неисправности сальниковых уплотнений

Своевременное выявление признаков износа или неисправности сальникового узла позволяет предотвратить аварийные ситуации и спланировать ремонтные работы. Основные дефекты сальниковых уплотнений классифицируются по характеру проявления и причинам возникновения.

Нарушение герметичности

Появление протечки через сальник является наиболее очевидным признаком неисправности. Причины протечки могут быть различны. Недостаточная затяжка грундбуксы устраняется подтяжкой крепежных болтов с контролем момента затяжки и температуры узла.

Износ набивки вследствие длительной эксплуатации проявляется в невозможности устранения протечки подтяжкой. При затяжке грундбукса упирается в дно резьбы или достигает ограничителя хода, но герметичность не восстанавливается. Это свидетельствует о полном обжатии материала набивки и необходимости ее замены.

Повреждение штока в виде глубоких задиров, каверн или коррозионных язв создает каналы утечки, которые не могут быть перекрыты набивкой. Такие дефекты выявляются при разборке узла и требуют восстановления поверхности штока или его замены.

Повышенное усилие управления

Затрудненное перемещение штока арматуры может быть вызвано чрезмерной затяжкой сальника. При этом значительно возрастает крутящий момент на маховике или срабатывает защита электропривода по перегрузке. Устранение неисправности производится ослаблением затяжки грундбуксы.

Затвердевание набивки вследствие температурного старения или химического воздействия среды приводит к потере эластичности материала. Набивка перестает компенсировать неровности поверхностей и создает жесткий контакт со штоком. Такая набивка подлежит замене.

Локальный перегрев сальникового узла

Повышение температуры сальниковой коробки выше допустимых значений указывает на интенсивное тепловыделение в зоне трения. Основная причина заключается в чрезмерной затяжке, создающей высокое контактное давление между набивкой и штоком. Перегрев ускоряет износ набивки и может привести к ее выгоранию.

Недостаточная смазка набивки характерна для регулирующей арматуры при работе на сухих газообразных средах. Применение набивок со встроенной смазкой или установка смазочных устройств решает данную проблему.

Коррозионное повреждение штока

Графитосодержащие набивки в присутствии влаги создают гальваническую пару с материалом штока, что приводит к электрохимической коррозии. Процесс развивается даже при хранении и транспортировке арматуры. Для предотвращения коррозии применяются штоки из коррозионностойких сталей или с защитными покрытиями.

Решение о необходимости замены набивки принимается на основании комплексной оценки признаков износа. Критерием замены является невозможность обеспечения требуемой герметичности при допустимом усилии затяжки и отсутствии других дефектов сальникового узла.

Нормативная база и стандарты

Проектирование, изготовление и эксплуатация сальниковых узлов трубопроводной арматуры регламентируются комплексом национальных и международных стандартов. Соблюдение требований нормативных документов обеспечивает надежность и безопасность работы оборудования.

Основные государственные стандарты

ГОСТ 24856-2014 устанавливает термины и определения для трубопроводной арматуры, включая понятия сальникового уплотнения и его элементов. Стандарт введен в действие с 1 апреля 2015 года и является базовым документом для всей нормативной документации отрасли.

ГОСТ 5152-84 распространяется на волокнистые и комбинированные сальниковые набивки, применяемые для герметизации подвижных и неподвижных соединений. Документ регламентирует марки набивок, их основные параметры и размеры, технические требования к материалам, методы контроля качества и правила приемки продукции.

ГОСТ 34347-2017 устанавливает общие технические условия на стальные сварные сосуды и аппараты, включая требования к сальниковым уплотнениям аппаратов химических производств. Стандарт введен в действие с 1 августа 2018 года.

Серия стандартов по расчету на прочность

ГОСТ 34233 представляет собой серию стандартов, устанавливающих нормы и методы расчета элементов сосудов и аппаратов на прочность, включая расчет фланцевых соединений и элементов крепления крышек, к которым относятся сальниковые узлы.

Технические регламенты

Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 032/2013 устанавливает требования безопасности к оборудованию, работающему под избыточным давлением. Арматура с сальниковыми уплотнениями подпадает под действие данного регламента при работе под давлением выше 0,07 МПа.

Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности для опасных производственных объектов, на которых используется оборудование под давлением, устанавливают требования к монтажу, эксплуатации и ремонту арматуры, включая правила обслуживания сальниковых узлов.

Международные стандарты

Стандарты API 622 и ISO 15848 устанавливают требования к испытаниям сальниковых узлов на герметичность для нефтехимической промышленности. Эти документы применяются при поставке арматуры на экспорт или при выполнении проектов по международным стандартам.