УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

Производственное оборудование современных предприятий – это сложная инженерно-техническая система, в состав которой входят десятки тысяч метров коммуникаций, имеющих разъемные соединения, десятки тысяч единиц трубопроводной арматуры, центробежных насосов, компрессоров и другого оборудования, требующего использования различного вида уплотнений. Недостаточная герметичность разъемных соединений или узлов трения в оборудовании является одной из наиболее частых причин отказов в работе оборудования, возрастания затрат на его ремонт и обслуживание, потерь тепла и энергии, потерь энергоносителей, возникновения аварийных ситуаций, загрязнений окружающей среды. Поэтому задача повышения надежности механических уплотнений является актуальной.

Сейчас на предприятиях наблюдается тенденция перехода от старых асбестосодержащих уплотнений к современным безасбестовым аналогам.
Как альтернатива асбестосодержащим уплотнениям, для герметизации разъёмных соединений используются уплотнения на основе ТРГ. При грамотном подборе оба материала, обладая уникальными эксплуатационными характеристиками, зарекомендовали себя, как надёжные средства герметизации.

Цена или качество – дилемма, перед которой стоят крупные энергетические и промышленные предприятия. Нет ничего удивительного, что каждый потребитель выберет второе, т.е. чем дешевле будет товар, тем лучше. Сегодня солидные покупатели зачастую платят большие деньги зарубежным производителям за лучшее качество. Однако, стоит учитывать эксплуатационную безопасность, срок службы и экономичность оборудования. 

 

Терморасширенный графит: технология получения, структур

а, физико-химические свойства

Терморасширенный графит (ТРГ) − подвергнутый термообработке при температуре 900÷1500°С интеркалированный графит.
Интеркалированный графит (ИГ) − соединение внедрения графита (СВГ), получаемое внедрением в межслоевое пространство кристаллической решетки графита молекул и ионов определенных веществ (интеркалантов), иногда в присутствии активаторов (как правило, окислителей). 

Исходным сырьем для производства ТРГ является чешуйчатый кристаллический природный графит. Соединения интеркалирования графита (СИГ), образующиеся в результате окислительного интеркалирования, т.е. включения веществ акцепторного типа между графеновыми слоями, приобретают необычное свойство – вспениваться во время термодеструкции. 

При получении ТРГ, предназначенного для изготовления графитовых уплотнений, применяют крупночешуйчатый природный графит, интеркалированный серной кислотой, отмытый от непрореагировавшей кислоты и просушенный. 

Готовый ИГ подвергают кратковременной термообработке (ударному нагреву) при температуре 900-1500°С. Полученный таким образом ТРГ имеет насыпную плотность 12 1-4 г/дм3 и удельную поверхность 30-80 г/м2 в зависимости от морфологических особенностей исходного графита. 

На рисунке 1 представлена фотография частиц ТРГ. 

В результате быстрого нагревания СИГ до 100-110°С получается порошок терморасширенного графита нанокластерной структуры, с размерами фрагментов от единиц нанометров до десятков микрометров и удельной поверхностью 35-70 м2/г (Рис. 2). 

При этом удаляются практически все продукты деструкции интеркаланта. В отличие от природного графита, который не прессуется, терморасширенный графит приобретает катке, т.е. формованию в сплошной материал. Зависимость величины плотности материала от давления прессования представлена на рис. 3. 

Как видно из рис. 3, зависимость плотности от давления носит существенно нелинейный характер: плотность материала 1,25 г/см3 достигается при давлении 10 МПа, а плотность 1,8 г/см3 – только при 80 Мпа. 

Одна из самых важных технических характеристик ТРГ − степень расширения − зависит от степени упорядоченности кристаллической структуры исходной матрицы, свойств внедренного вещества (интеркаланта), ступени внедрения, толщины чешуйки исходного графита, конечной температуры и скорости термолиза. 

Стоит отметить, что, несмотря на схожесть принципиальной технологической схемы, техпроцессы промышленного производства ТРГ каждого производителя имеют свои особенности и «ноу-хау». В связи с этим, стоит помнить, что способы получения интеркалированного графита (ИГ) и его гидролиза, осуществление режимов отмывки и термообработки оказывают непосредственное влияние на структуру и свойства ТРГ. Кроме того, чрезвычайную важность имеют критерии выбора сырья (исходного природного графита) и технологическая схема формования изделий ТРГ. 

Следовательно, отличия в специфике подбора сырья и осуществления технологических операций могут привести (и на практике приводят) к отличиям в эксплуатационных характеристиках однотипных графитовых фольг и уплотнений различных производителей. 

В таблице 1 показаны преимущества графитовых уплотнений перед традиционными уплотнительными материалами на основе асбеста. 

Недостатком асбеста является прежде всего то, что он не является сплошным материалом, представляя собой нетканое волокно. Во время эксплуатации, например, в трубопроводной арматуре, протекание через тело сальника может произойти в любой точке сальникового асбестового кольца, а не только вдоль штока, и его интенсивность не поддается прогнозированию. 

Асбест непластичный, упругая деформация составляет 1,5-3,0% для обеспечения герметичности узла уплотнения требуется большая высота сальниковой камеры. Асбест – абразивный материал, вызывающий интенсивный износ штоков и валов. Большой коэффициент трения и низкая теплопроводность ограничивают возможности его эксплуатации в узлах трения. Обязательным является протечка охлаждающей среды через узел уплотнения. Асбест способствует коррозии, особенно в статических условиях запорной арматуры. Недостаточно стойкий к окислительной среде – «выгорание» компонентов уплотнительного материала вызывает ослабление затяжки уплотнения и, как следствие, потерю герметичности узла уплотнения. 

Сравнительная характеристика уплотнительных материалов на основе асбеста и на основе тер морасширенного графита

Уплотнения из ТРГ обладают превосходной упругостью, пластичностью и стойкостью к циклическим нагрузкам, чем и обеспечивают надёжную герметизацию. 

Если говорить о качестве герметизации, то, к примеру, паронит, содержащий асбест, не обеспечивает необходимого запаса энергии упругости и подвержен релаксации, особенно, в ус ловиях циклических нагрузок. Все это, в свою очередь, вызывает ослабление затяжки уплотнения, и, как следствие – потерю герметичности. Уплотнения из ТРГ обладают превосходной упругостью, пластичностью и стойкостью к циклическим нагрузкам, чем и обеспечивают надёжную герметизацию. 

При использовании асбестовых уплотнений имеет место коррозия уплотняемой поверхности. Практики не раз сталкивались с тем, что прокладка, как это называют, «прикипала», а после её удаления на поверхности оставались неровности. В случае, если применяются уплотнения из ТРГ, даже при длительном контакте, коррозия и реакция со средой исключены, т.к. ТРГ и ПТФЭ – это инертные материалы. Такой уплотнитель остаётся практически невредимым и может быть исполь- зован повторно, тогда как традиционные аналоги просто крошатся и рассыпаются. 

 

 

Как правильно подобрать уплотнение

Наряду с водой и паром – средами, наиболее характерными для предприятий промышленности, энергетики и коммунального хозяйства – на практике нередко приходится иметь дело с агрессивными веществами. В этих случаях надо принимать во внимание хемостойкость уплотнений (способность выдерживать воздействие агрессивных сред - органических и минеральных кислот, спиртов, альдегидов, эфиров, хлорорганических и хлорнеорганических соединений и т.п.). Графитофторопластовые уплотнения – готовое решение герметизации агрессивных сред широкого спектра. 

Температура и давление – наверное, наиболее важные параметры для правильного выбора уплотнений. Графитофторопластовые уплотнения выдерживают температуру от минус 60˚С до плюс 260˚С. Ленточные уплотнения и прокладки могут работать при максимальном давлении рабочей среды до 25 МПа, сальниковая набивка – до 4 МПа. 

Кроме того, эти уплотнения хорошо выдерживают циклические нагрузки. 

При использовании уплотнений из ТРГ с недостаточной степенью очистки, возможны коррозия уплотняемой поверхности и реакция со средой. В случае, если применяются уплотнения из ТРГ, даже при длительном контакте, коррозия и реакция со средой минимизированы, т.к. фторопласт – это инертный диэлектрик. Такой уплотнитель остаётся практически невредимым и может быть использован повторно, тогда как традиционные аналоги теряют свою целостность. 

 

Опыт применения уплотнений из терморасширенного графита (ТРГ) за рубежом

ТРГ является доминирующим и наиболее перспективным на сегодняшний день уплотнительным материалом в химических, нефтехимических и нефтегазовых производствах с жесткими технологическими режимами, на предприятиях теплоэнергетики и коммунального хозяйства, пищевой промышленности в узлах трения арматуры, центробежных, поршневых и вихревых насосов, фланцевых соединениях трубопроводов, сосудов, агрегатов; является основным типом уплотняющего материала на атомных электростанциях. 

Уплотняющие материалы на основе ТРГ воспроизводят весь комплекс уникальных свойств, характерных для графита: термическую и радиационную стойкость, химическую и биологическую инертность, антифрикционность, высокие тепло и электропроводность, отсутствие старения. 

Современные уплотнительные материалы, нашедшие широкое применение в оборудовании промышленно развитых стран – это материалы из так называемого терморасширенного графита (ТРГ). Наиболее широкое применение материалы из терморасширенного графита нашли в качестве сальниковых уплотнений узлов трения и фланцевых прокладок энергетической трубопроводной арматуры, трубопроводной арматуры общепромышленного применения, центро- бежных и вихревых насосов, трубопроводов, теплообменных сосудов и другого оборудования тепловых и атомных электростанций, предприятий нефтехимического комплекса и т.д. Это обусловлено тем, что общая надежность и безопасность эксплуатации основного оборудования предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК), в значительной степени, определяется надежностью запорной, предохранительной и регулирующей арматуры. Как показывает анализ, около половины всех отказов арматуры в той или иной степени связаны с неудовлетворительной работой системы уплотнений. 

Общепринятое в мировой практике применение уплотнений ТРГ в зависимости от степени чистоты приведено в таблице 2. 

Продукты на основе ТРГ, в отличие от углеродных набивок, выдерживающих большие температуры, но проницаемых для газов и жидкостей, непроницаемы уже при плотности 1 г/см3. В обычных плетеных набивках (на основе асбестовых, льняных, синтетических и других нитей) имеются возможные пути утечек между волокнами. Набивка из плетеного графитового волокна под давлением крышки сальнико вой камеры образует гомогенную массу, и утечек не происходит. Таким образом, протечки контролируются при значительно меньших усилиях затяжки, что способствует увеличению срока службы набивки. Отличная прессуемость материала обеспечивает максимально плотный контакт с поверхностью вала или штока, а также между нитями в плетении. Это позволяет не только обеспечить герметичность узла, но и уменьшить количество используемой набивки до 4-6 колец, вместо 8-10 для асбестосодержащей. Кроме этого набивки из ТРГ не теряют своих герметизирующих свойств в диапазоне температур от – 200 до +200°С в течение всего срока эксплуатации. Асбестовые же набивки неизбежно твердеют и их уплотнительные характеристики ухудшаются. Таким образом, при использовании набивок из ТРГ отпадает необходимость в регулярной подтяжке сальника. С уверенностью можно сказать, что ТРГ является доминирующим и наиболее перспективным на сегодняшний день уплотнительным материалом в химических, нефтехимических и нефтегазовых производствах с жесткими технологическими режимами, на предприятиях теплоэнергетики и коммунального хозяйства, пищевой промышленности в узлах трения арматуры, центробежных, поршневых и вихревых насосов, фланцевых соединениях трубопроводов, сосудов, агрегатов; является основным типом уплотняющего материала на атомных электростанциях. По мере улучшения эксплуатационных свойств, создания новых наноуглеродных композиций материалов на основе ТРГ, применения новых активных и пассивных ингибиторов коррозии и постепенного вывода из эксплуатации уплотнений содержащих асбест, доля графитовых уплотнений на рынке непрерывно растет. В настоящее время суще- ствует очевидная экономическая мотивация для массовой замены старых типов асбестосодержащих уплотнений на уплотнения на основе ТРГ; в случае хотя бы частичного законодательного запрета на использование асбеста на территории ТС по экологическим причинам, локальный спрос на уплотнения из ТРГ может значительно вырасти. 

Выбор марки уплотнений

При выборе марки уплотнений необходимо, в первую очередь, обратить внимание на интеллектуальный и производственный потенциал предприятия, на котором продукт изготовлен. Производитель должен быть в курсе последних тенденций в области уплотнительной техники, уметь реагировать на потребности заказчиков, создавая новые виды уплотнений или модернизируя традиционные образцы.