Безасобастові сальникові набивки на основі вуглецевого та графітового волокон

Завдяки  застосуванню новітніх компонентів, які  забезпечують високу надійність ущільнюваних механізмів, безасбестові сальникові набивки на сьогодні мають широкий спектр застосування в різних галузях промисловості: нафтовий, газодобувальний, хімічний, машинобудівний, харчовий,  паливно-енергетичним комплексом тощо.  Більшість обладнання, встановленого на сучасних підприємствах, орієнтоване на використання саме цих набивок. Також вони мають  найкращими  експлуатаційними характеристиками, порівнюючи з азбестотримувальними аналогами, що в поєднанні з їхньою екологічністю та простотою монтажу робить безабестові сальникові набивки незамінними  під час ущільнення промислового обладнання.

Найчастіші сфери застосування: відцентрові та поршневі насоси, ущільнення арматури високого тиску (різні кільця  и прокладки).

Розгляньмо докладніше, що ж із себе являють сучасні графітові й вуглецеві сальникові набивки.

Порівняння вуглецевого та графітового набиття з позиції ущільнення

Досить складно відрізнити сальникову набивку, зроблену з вуглецевого волокна від набивки з графітового волокна або еластичного графіту. Всі ці набивки взаємозамінні, позаяк мають такі хімічні властивості та опір високим температурам. Але водночас між ними є відмінності, кожен різновид набивки має  свої переваги та вади, що є визначальним  під час використання тієї чи іншої набивки.

Углеродні волокна, як і графітові, складаються практично  з чистого вуглецю, але з відмінностями у внутрішній структурі. Такі відмінності виникають через різного рівня кристалізації та типу термічної обробки.

Щодо структури, то графітові волокна більш схожі на кристалічний графіт, характеризуються вищим вмістом вуглецю (більш ніж 95%), а вуглецеві волокна, переважно, складаються з аморфного вуглецю.

Графітові й вуглецеві  волокна виробляються з високовуглецевої сировини, серед якої: поліакрилонітрил і нафтовий пек. Після нагрівання та формування волокон, сировина піддається піролізу та карбонізації, даючи змогу отримати вуглецеве волокно. Вуглецеве волокно, так само схильне до  дії високої температури, понад 2500 градусів, у вакуумному середовищі, і графітізації, перетворюється на графітове волокно.

Рис.1. Типи графітових і вуглецевих безасбестових сальникових набивок

1)      Набивка з еластичного графіту для насосів GRA 450

2)      Набивка з графітових ниток, обплетеною сіткою HTR

3)      Набивка з розширеного графіту, просоченого ПТФЕ

4)      Набивка з графіту, посилена по краях волокном GRAF

5)      Набивка з розширеного графіту  ПТФЕ, інкорпорована графітом

6)      Набивка з волокон ПТФЕ з додаванням колоїдального графіту

7)      Набивка з вуглецевих ниток, просочена ПТФЕ

8)    Набивка з вуглецевих ниток, просочена порошком К400

Вуглецеве волокно характеризується чудовою стійкістю, розтягуванням і порівняно низькою собівартістю. Ущільнення на основі  вуглецевого волокна, зазвичай, твердіші та стійкіші до абразивних середовищ. Також вони характеризуються високою стійкістю під час роботи в умовах великих стискальних навантажень, з якими користувачі стикаються за високого тиску. Максимальна робоча температура становить 300 градусів, а за найвищої якості поверхні волокон 400 градусів.

Графітові волокна характеризуються високою міцністю і пружністю, мають гарні мастильні властивості, але не так схильні до стирання, як вуглеві волокна. Цей матеріал використовується в ущільненні обертового вала, може працювати  за температури понад 600 градусів і краще поширює тепло, що виділяється в процесі тертя. Ці особливості вказують доцільність використання графітового волокна в чистих середовищах і в умовах високих обертів обертання вала й ущільнення серцевини вентиля в енергетичній арматурі.

Рис.2 Технічні характеристики часто використовуваних сальникових набивок на основі терморозширеного графіту та карбонових/вуглецевих волокон

Герметичність матеріалів із вуглецевого волокна

Недостатком усіх набивок, що складаються з волокнистих матеріалів є те, що не забезпечують достатню герметичність, а лише обмежують протікання. Для досягнення максимальної герметичності набивки просочуються різними блокувальними засобами. До них належать  клейкі мастила та дисперсії, які  можна використовувати для заповнення щілин між волокнами, а також для поліпшення мастильних матеріалів і властивостей набивання.

У минулому, типовими просоченнями були віск, жир та різні  мастила та олії, які використовувалися для поліпшення  властивостей азбесту, бавовни, лляних і конопляних волокон.

Зараз  переважно використовують емульсію ПТФЕ, графітову дисперсію або олії високої якості, наявність яких є в межах 10-25%.

Дисперсія ПТФЕ — чудове просочення, але за температур до 300 °C. За вищих температур  (Ріце 370 °C) полімер ПТФЕ може розкладатися й виділяти шкідливі сполуки фтору, а також сприяти корозії елементів набивки. Ці проблеми розв'язують просочення на основі колоїдного або розшарованого графіту, який можна використовувати за температури до 450 °C, а  відновлювальним середовищем — практично без обмежень — до 2000 °C.

Еластичний графіт, як ущільнювач

Еластичний графіт, який також називають розширеним графітом, виробляється з натурального бавовняного графіту, який характеризується чудовими змащувальними властивостями, але худими ущільнювальними властивостями. Після розширення  і подальшого стиснення, він перетворюється на м'яку однорідну масу, з чого й виникла назва — еластичний графіт. Стійкий до впливу хімічних речовин і високої температури, має дуже низький коефіцієнт тертя і є найкращим провідником тепла, порівнюючи з вуглецевими та графітовими волокнами. Завдяки цьому такий тип графіту може використовуватися під час ущільнення клапанів, навіть за обмеженого протікання та якщо немає системи охолодження.

 У зв'язку з тим, що еластичний графіт має низьку механічну стійкість, виготовлення волокна або пряжі з нього, стандартними  методами є неможливим. Зазвичай це відбувається через пресування еластичного графіту навколо  невеликої зв'язки зміцнювальних волокон, що призводить до того, що герметик успадковує властивості як еластичного графіту, так і волокон, використовуваних під час намотування. Зазвичай використовуються вуглецеві, графітові, скляні або натуральні волокна. Для досягнення максимальної стійкості до високого тиску, до пряжі додають дріт або високотемпературний сплав, як-от іконель, хромована сталь або нікелевий сплав.

Оскільки еластичний графіт є однорідним  матеріалом із низькою провідністю газо- та рідин, по суті, не вимагає додаткових фіксувальних засобів, але занадто великих  вміст зміцнювальних волокон, може негативно позначитися на щільності та призвести до потреби застосування просочення. Чистий же графіт — порівняно крохкий матеріал, завдяки додаванню просочувального компонента може поліпшити свої механічні властивості, роблячи консистенцію графіту найкращою, а це дуже важливо для якісного монтажу й експлуатації ущільнення.

Сфери застосування графітових і вуглецевих сальникових набивок

Як раніше згадувалося, сфера застосування набивок із вуглецевих і графітових волокон вибирається насамперед, з огляду на обмеження температури для змащувальних засобів, як-от ПТФЕ. Набивки з еластичного графіту без додавання мастила можуть працювати за вищих температур (до 450 градусів) у лугах і 550 градусів при парі. У нелужному середовищі високоякісний графіт практично не має температурних обмежень.

Рис.3 Приклад мультифункціонального використання вуглецевого волокна й графіту в сучасному набиванні GRT. Серцевина набивки виготовлена з однорідного розширеного графіту, який бере участь у провідності тепла з зони тертя, зберігаючи еластичність і стійкість, завдяки посиленню вуглецевими волокнами (темні точки на серцевині). Додавання дисперсії колоїдального графіту до ниток плетіння набиття, покращує ковзні властивості та запобігає затверділості шнура.

Ущільнення з еластичного графіту та графітових волокон зберігають хімічний опір у діапазоні 0-14ph. Єдиним обмеженням є сильно лужне середовище, як-от концентрат сірчаного, фтористодорідного, азотного кислот, уміст понад 20% рідкий кисень тощо. На жаль, графіт — анізотропний матеріал (відсюда його просочувальні властивості), тому не рекомендується застосування цих набивок в абразивній, кристалізаційній середовищах або рідинах, що містять частинки. У таких ситуаціях  рекомендується застосовувати набивки, ущільнені по краях матеріалом, стійким до стирання.

Рис.4 Набивка призначена для енергетичної арматури, виготовлена з графітових ниток, обплетених металевою сіткою. Цей різновид графітової набивки, крім високого вмісту металу, зберігає еластичність, полегшує монтаж і запобігає зміщенню за вкрай високого тиску. Ущільнення на основі металографітових композицій вбирають у себе найкращі якості м'яких ущільнень і міцність металевих ущільнень

Ці обмеження не стосуються вуглецевих набивок, тому що вони більше піддаються хімічному впливу, але водночас вони більш стійкі  до стирання і виправдовують себе в дренажних системах.

Можна сказати, що пройден довгий шлях від часів, коли основою ущільнень були органічні волокна й азбест, і до моменту, коли ставка робиться на графіт, високоефективні полімери й арамідні волокна. Можна сказати, що майбутнє сальникових набивок бачиться в чорних тонах, позаяк їхня основа-вуглеець і графіт, форма ж їх-волокниста, однорідна, композитна. Вищезазначені матеріали, на цей момент, інтенсивно розвиваються в галузі технічних досягнень, а також у галузі нових, економніших методів виробництва.

Приклад мультифункціонального використання вуглецевого волокна й графіту в сучасному набиття GRT. Серцевина набивки виготовлена з однорідного розширеного графіту, бере участь у провідності тепла із зони тертя,  зберігаючи еластичність і стійкість, завдяки посиленню вуглецевими волокнами (темні точки на серцевині). Додавання дисперсії колоїдального графіту до ниток плетіння набиття, покращує ковзні властивості та запобігає затверділості шнура.