Герметичность химического оборудования с сальниковыми уплотнениями на основе терморасширенного графита для газовых сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат наук Богданов, Олег Валерьевич

• Богданов, Олег Валерьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Богданов, Олег Валерьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

САЛЬНИКОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ И НАБИВОЧНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

1.1 Сальниковые уплотнения

1.1.1 Основные требования, предъявляемые к сальниковым уплотнениям

1.1.2 Примеры конструкций сальниковых уплотнений

1.2 Влияние внешних факторов на условия герметичности сальниковых уплотнений

1.2.1 Термостойкость материала набивки

1.2.2 Пористость и проницаемость сальниковых набивок

1.2.3 Температура рабочей среды

1.2.4 Давление рабочей среды

1.2.5 Влияние предварительного прессования набивки и затяжки крепежных элементов сальника

1.2.6 Релаксация напряжений сальниковой набивки

1.3 Материал сальниковых набивок

1.3.1 Материалы на основе терморасширенного

графита (ТРГ)

1.3.2 Материалы на основе фторопласта

1.4 Цель и задачи исследования

1.5 Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ 40 ХАРАКТЕРИСТИК САЛЬНИКОВЫХ НАБИВОК ИЗ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТРГ

2.1 Определение коэффициента бокового давления (комплекса к1}

2.1.1 Коэффициент бокового давления (к.б.д.) на внешнем

и внутреннем контурах набивки

2.1.2 Материал экспериментально исследованных сальниковых набивок

2.1.3 Проведение эксперимента

2.1.4 Методика обработки данных эксперимента и полученные результаты

2.2 Определение коэффициента внешнего трения сальниковых набивок

2.2.1 Описание экспериментальной установки

2.2.2 Принцип работы установки

2.2.3 Методика проведения эксперимента

2.2.4 Обработка экспериментальных данных

и полученные результаты

2.3 Определение модулей упругости сальниковых набивок

2.3.1 Методика проведения эксперимента

2.3.2 Обработка экспериментальных данных

и полученные результаты

2.4 Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСЛОВИЙ

ГЕРМЕТИЗАЦИИ СУ С НАБИВКАМИ ИЗ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ ТРГ

3.1 Коэффициента проницаемости сальниковых

набивок

3.1.1 Установка для определения коэффициента проницаемости сальникового уплотнения

3.1.2 Устройство для количественной (объемной) оценки величины протечки воздуха

3.1.3 Проведение эксперимента

3.1.4 Обработка экспериментальных данных и анализ полученных результатов

3.1.5 Определение текущей осевой удельной нагрузки qо

на сальниковую набивку

3.2 Определение коэффициента внутреннего трения сальниковой набивки

3.2.1 Коэффициент внутреннего трения

3.2.2 Обработка экспериментальных данных и анализ полученных результатов

3.3 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА РЕЛАКСАЦИИ САЛЬНИКОВЫХ НАБИВОК ИЗ

МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТРГ

4.1 Основные способы измерения релаксации

4.2 Установка для определения релаксации напряжения

в сальниковых набивках

4.3 Обработка данных эксперимента и полученные результаты

4.4 Влияние температуры на интенсивность релаксации набивки

4.5 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ УПЛОТНЯЕМОЙ СРЕДЫ НА

ГЕРМЕТИЧНОСТЬ РАЗЪЕМНОГО СОЕДИНЕНИЯ

5.1 Влияние температуры уплотняемой среды на

напряженно деформированное состояние набивки

5.2 Влияние температуры уплотняемой среды на

величину нагружения нажимного фланца

5.3 Выводы по главе 5

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Герметичность химического оборудования с сальниковыми уплотнениями на основе терморасширенного графита для газовых сред»

ВВЕДЕНИЕ

Бесперебойная работа оборудования любого технологического процесса, находящегося под давлением или разряжением рабочей среды, во многом определяется герметичностью его разъемных соединений, обеспечиваемой различными конструкциями уплотнений, и прочностью деталей этого соединения. Роль и место уплотнений в современной технике трудно переоценить. Уплотнительные устройства распространены в различных областях промышленности. Особое внимание им уделяется в таких отраслях, как химическая, атомная, энергетическая, а также в аэрокосмической сфере и судостроении. В этих отраслях надежность разъемных герметических соединений является часто определяющим условием работоспособности отдельных агрегатов и сложных технологических систем. Кроме того, постоянное совершенствование машин и агрегатов, ужесточение требований по безопасности оборудования для персонала и охране окружающей среды привело к закономерному ужесточению требований, предъявляемых к конструкции уплотнений разъемных соединений и материалам для их изготовления. Подобные тенденции становятся причинами все большего развития уплотнительной техники.

Герметичность разъемного соединения обеспечивается уплотнительным элементом, размещенным между уплотняемыми деталями соединения. Для подвижных контактных соединений это корпус и шток или вал. Одним из наиболее известных и широко применяемых уплотнений для подвижных соединений являются сальниковые уплотнения (СУ) с мягкой набивкой, которые постоянно совершенствуются как по конструкции, так и по материалу сальниковой набивки. Материал уплотнительного элемента должен обладать определенными физико-механическими и физико-химическими свойствами, обеспечивающими нормальную работу узла уплотнения. Для широкого применения новых материалов в химическом оборудовании в соответствии с техническими регламентами требуется обоснование его безопасности. В качестве такого обоснования является исследование условий герметизации СУ и

деформационных характеристик, необходимых для расчета, проектирования и эксплуатации данного материала в сальниковых уплотнениях, достоверность которых во многом зависит от объема экспериментальных исследований в условиях близких к эксплуатационным.

Данная работа посвящена обеспечению герметичности СУ с новыми отечественными сальниковыми набивками из материалов и их композиций на основе терморасширенного графита (ТРГ). В настоящее время на мировом рынке появляется все большее количество новых типов набивок, изготовленных из новых материалов, причем все большую популярность получают набивки на основе ТРГ.

Набивки на основе ТРГ имеют ряд преимуществ, которые объясняют их популярность: они выдерживают значительную температуру (до 1000 0С), устойчивы против большинства агрессивных сред, обладают высокой герметизирующей способностью. Современные набивки из ТРГ не содержат асбестовых добавок, за счет этого, обеспечивается их экологическая безопасность, соответствующая установленным мировым стандартам. В России набивки на основе ТРГ пользуются большим спросом; их производством занимается ряд отечественных организаций, например, НПО УНИХИМТЕК. Но эти набивки недостаточно изучены для расчетов, проектирования и эксплуатации СУ с их использованием.

Знание свойств материалов набивок позволяет правильно подобрать тип набивки, подходящий для заданного режима работы уплотнения в соответствии с заданными условиями герметичности и безопасности. Исследование сальниковых набивок возможно только экспериментально, так как нет аналитических выражений для определения их основных расчетных параметров.

Актуальность темы исследования. Безаварийная и безопасная работа оборудования химической и нефтехимической промышленности связана в основном с герметичностью разъемных соединений (РС), количество которых велико для любого производства. Среди используемых в химическом оборудовании конструкций уплотнений РС большое распространение получили

сальниковые уплотнения (СУ) с мягкой набивкой для подвижных и неподвижных соединений. Их широкое применение объясняется простотой конструкции, не сложностью монтажа и обслуживания, относительно низкой себестоимостью. Эффективность работы СУ, в основном, зависит от свойств материала мягкой сальниковой набивки (СН) и условий ее герметизации в СУ. Поэтому исследование условий герметизации, которое включает определение силовых и деформационных характеристик набивок, их проницаемости, плотности, коэффициентов бокового давления и трения, необходимых для расчета, проектирования и эксплуатации сальниковых уплотнений с новым перспективными типами набивок является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. В настоящее время существуют нормативные документы (РД 0154-07-2001, РД 153-34.1-39.605-2002 ), которые распространяются на СН из терморасширенного графита (ТРГ), предназначенные для уплотнения арматуры и трубопроводов. В справочной литературе имеются выражения для определения утечки через СУ оборудования химической промышленности с традиционными материалами. Для расчета и проектирования СУ с принципиально новыми отечественными материалами СН на основе ТРГ, обладающими высокими технологическими и эксплуатационными показателями необходимы данные по их деформационным характеристикам и условиям герметизации. Исследований по их определению для СУ ранее не проводили.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью является обеспечение герметичности сальниковых уплотнений оборудования химических производств путем исследования деформационных, трибологических характеристик и условий герметизации сальниковых набивок, выполненных из новых отечественных композиционных материалов на основе ТРГ в реальных условиях эксплуатации и определение необходимых параметров для их расчета, проектирования и эксплуатации.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести силовой анализ напряженно-деформированного состояния и исследовать деформационные характеристики СН из новых отечественных материалов на основе ТРГ: Н 5001, Н 1200, Н 1100, Н 1201, НУ 1220;

- разработать методики исследования и установки для экспериментального определения деформационных, трибологических характеристик и условий герметизации СУ с указанными набивками.

- исследовать герметичность СУ на газовых средах;

- исследовать явление релаксации в СУ в рабочих условиях;

- дать пример расчета сальниковых уплотнений, выполненных из исследуемых материалов по известной методике с учетом полученных выражений по определению деформационных, трибологических характеристик и условий герметизации СУ с набивками на основе ТРГ.

Объектом исследования являются неподвижные СУ для штоков и валов в оборудовании и трубопроводной арматуре химической промышленности. Эти данные необходимы и для подвижных соединений.

Научная новизна:

На основании силового анализа напряженно-деформированного состояния набивки сальникового уплотнения установлено, что отношение радиальных нагрузок на внутреннем и внешнем диаметрах сальниковой набивки обратно пропорционально квадрату отношения этих диаметров.

Экспериментально получены зависимости коэффициентов бокового давления к и трения f и их произведения комплекса к[, модулей сжатия и восстановления от удельной нагрузки для набивок на основе ТРГ: Н 5001, Н 1200, Н 1100, Н 1201, НУ 1220. Получена зависимость падения нагрузки на сальниковое уплотнение от времени его выдержки под нагрузкой.

Экспериментально определены условия герметизации сальниковых уплотнений. Получены зависимости проницаемости исследуемых набивок от удельной нагрузки и давления уплотняемой среды и коэффициенты проницаемости, необходимые для расчетов сальниковых уплотнений.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- Доказано, что значение коэффициента бокового давления набивки необходимо определять по оценке потерь на трение, приложенной к ней осевой силы, в отличие от известных способов его определения только на внешней поверхности набивки. Разработана методика для определения коэффициента бокового давления для любых набивок.

- Получены уравнения для расчета комплекса к[, коэффициента бокового давления, модулей сжатия и восстановления, коэффициентов проницаемости и трения для набивок Н 5001, Н 1200, Н 1100, Н 1201, НУ 1220 в зависимости от удельной нагрузки и давления уплотняемой среды, а также для определения значения релаксации напряжения в нагруженной набивке от времени эксплуатации.

- Разработаны рекомендации по изменению усилия предварительного нагружения сальникового уплотнения, в условиях изменения температуры уплотняемой среды, при сохранении ее заданной утечки, а также по расчету сальникового уплотнения с набивкой на основе терморасширенного графита с учетом результатов проведенных исследований.

- Уравнения для определения коэффициентов бокового давления к и трения f и коэффициента проницаемости использованы НПО «УНИХИМТЕК» при расчете сальниковых уплотнений с набивками на основе ТРГ для Белоярской АЭС.

Методология и методы исследований. Для решения поставленных задач автором разработаны методология определения параметров герметизации СУ с набивочными материалами на основе ТРГ, при использовании специальных аналитических экспериментальных методов исследования, моделирующих условия работы реального сальникового уплотнения при нагрузке до 40 МПа, давлении среды до 10 МПа. Использовались современные методы измерений,

Л

динамометры ДПУ-2-2 и ДПУ-10-2, образцовые манометры 11202 до 60 кгс/см и

Л

11203 до 250 кгс/см , тензостанция ТВ-003/05Д, пресс гидравлический, индикаторы часового типа универсальные СТ-1288-Р1.

Положения, выносимые на защиту:

- Результаты теоретических исследований о разности коэффициентов бокового давления на внутреннем и внешнем контуре сальниковой набивки.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований деформационных характеристик сальниковых набивок на основе терморасширенного графита в зависимости от удельной нагрузки.

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований условий герметизации сальниковых уплотнений, включающих проницаемость сальниковых набивок на основе терморасширенного графита в зависимости от удельной нагрузки и давления рабочей среды.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность теоретических и экспериментальных исследований основана на объективных законах с использованием современных методов измерений и анализа полученных данных. Основные положения работы были доложены в четырех докладах и обсуждены на VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: проблемы и перспективы.» (Москва, 2004), на Международном Интернет Форуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» г. Москва, 2005-2006 г. и на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и экологии» (Тверь 2017).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из которых 5 - в журналах, рекомендуемых ВАК, тезисы 4 докладов на Международных Симпозиуме, Форумах, и Научно-технической конференции.

Структура и объем работы.

Содержание диссертации изложено на 150 страницах основного текста, содержит 48 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 94 наименований. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка используемой литературы и приложения.

ГЛАВА 1

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ САЛЬНИКОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ И НАБИВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Сальниковые уплотнения

Сальниковое уплотнение (сальник) — уплотнение подвижных соединений деталей (узлов) относительно окружающей среды, в котором применен уплотнительный элемент принудительным созданием в нем напряжений, необходимых для обеспечения требуемой герметичности [25].

Сальники с мягкой набивкой являются одними из наиболее известных и широко применяемых видов уплотнений. Их популярность объясняется давней известностью, простотой конструкции и обслуживания. Сальниковые уплотнения предназначены для герметизации подвижных [91] соединений машин и арматуры (валов, штоков, шпинделей), а также неподвижных [62] разъемных соединений аппаратов и трубопроводов.

Общий вид конструкции СУ приведен на рисунке 1.1. Конструкция состоит из пакета сальниковой набивки 3, корпуса 2, предназначенного для размещения колец набивки, крышки 1 с нажимными шпильками, служащей для поджатия по мере надобности колец набивки к валу, штоку или шпинделю 4. Основные расчетные размеры для сальникового уплотнения 1 - высота сальниковой набивки; Ь - высота кольца набивки; ё - диаметр вала; Э - диаметр коробки сальника; Р0 - давление рабочей среды.

В результате поджатия крышки 1, происходит сжатие пакета мягкой набивки и прижатия ее к детали 4 и корпусу сальниковой набивки 2, что обеспечивает между ними необходимое контактное напряжение, обеспечивающее герметичность сальникового уплотнения при давлении Р0 рабочей среды. Сальниковая набивка 3, является основным рабочим элементом сальникового уплотнения. Свойства материала набивки определяют эффективность работы всего узла СУ. Поскольку материал набивки может иметь пористую структуру

[77], то от него в значительной степени зависит герметичность сальникового уплотнения в различных условиях работы и длительность работы при минимальной необходимости обслуживания в связи с происходящим износом материала [76].

З

Рисунок 1.1 - Сальниковое уплотнение

Сальниковые уплотнения разделяют по конструкции и по типу уплотнительного элемента [15], схема классификации которых приведена на рисунке 1.2.

Рисунок - 1.2 Схема классификации СУ

1.1.1 Основные требования, предъявляемые к сальниковым уплотнениям

Безопасная эксплуатация машин и аппаратов зависит от надежности разъемных соединений и, в частности, сальниковых уплотнений с мягкими набивками, которые должны отвечать современным требованиям, а именно:

1. Плотность и однородность материала набивки по всей высоте сальниковой камеры, обеспечивающие определенное гидравлическое сопротивление при протечке уплотняемой среды. Мягкая сальниковая набивка не должна разрушаться при рабочих давлении и температуре.

2. Высокая термостойкость и радиационная стойкость материала набивки, обеспечивающие сохранение его плотности на протяжении определенного срока эксплуатации. Поскольку возможное разложение материала набивки под действием температуры или радиации ведет к увеличению пористости и проницаемости набивки, следовательно, может привести к увеличению утечки уплотняемой среды через уплотнение и к необходимости частого обслуживания сальника.

3. Сальниковая набивка должна быть химически инертной, материал сальника не должен реагировать или менять свои основные свойства при контакте с изолируемой средой. Требуется высокая стойкость материала сальниковой набивки к агрессивным средам.

4. Максимальный рабочий ресурс, т.е. способность набивки заданное время сохранять запас потенциальной энергии упругой деформации (запас внутренних сил упругости), приобретаемой набивкой в процессе ее сжатия при затяжке крепежных деталей соединения, а также обеспечение на необходимом уровне контактных напряжений на уплотняемых поверхностях.

5. Сальниковые набивки должны быть устойчивыми к переменным нагрузкам, особенно для герметизации движущихся деталей плунжерных насосов. Материал набивки должен быть износостойким при трении. Для снижения коэффициента трения используют современные материалы, имеющие низкое

значение коэффициента трения. Этим требованиям отвечают набивки на основе терморасширенного графита (ТРГ), а также набивки с добавкой фторопласта-4.

6. Низкая коррозионная активность материала набивки по отношению к сопряженной с ней уплотняемой деталью. Известны частые случаи коррозии в зоне контакта с набивкой. В результате коррозии нарушается их чистота поверхности: появившиеся неровности приводят к разрушению набивки, что сокращает срок службы сальника.

7. Высокое качество обработки сопрягаемых с набивкой поверхностей сальниковой камеры и подвижной уплотняемой детали. Так, шероховатость штока запорной ответственной арматуры при этом не должна превышать Яа = 0,12 ^ 0,16 мкм, а стенки камеры Яа = 1,0 ^1,6 мкм. Менее качественная обработка этих деталей приводит к повышению неравномерности их сжатия по высоте при затяжке сальника, а также к ускоренному износу набивки в зоне контакта ее со штоком и нарушению герметичности.

8. Высокие антифрикционные свойства материала набивки, обеспечивающие минимальные усилия на приводе.

9. Высокая стойкость материала уплотняемой детали (штока, шпинделя, вала) к щелевой эрозии при нарушении герметичности уплотнения.

10. Твердость материала подвижной детали должна быть более высокой, чем твердость сопряженных с ним деталей.

11. Простота обслуживания узла СУ, его ремонтопригодность. Это требование подразумевает легкий доступ к сальниковым болтам и камере, удобство монтажа и демонтажа сальниковой набивки.

12. Недопустимость загрязнения уплотняемой среды продуктами, содержащимися в материале набивки [31].

13. Недопустимость загрязнения внешней окружающей среды вредными составляющими материала и соответствие набивки всем современным требованиям экологической безопасности.

Из современных требований, предъявляемых к сальниковым уплотнениям, видно, что большое значение на характеристики работы СУ влияет материал

сальниковой набивки. Некоторые из существующих требований противоречивы и одновременное их выполнение - неосуществимо. Следовательно, при конструировании или выборе СУ должно выполняться главное требование -обеспечение герметичности за счет достижения требуемой плотности набивки по всей высоте сальниковой камеры.

1.1.2 Примеры конструкций сальниковых уплотнений

Помимо классической конструкции (рисунок 1.1), СУ в зависимости от их конструктивных особенностей имеют различные варианты исполнения, в качестве примера далее представлены наиболее распространенные из них.

На рисунке 1.2 представлена конструктивная схема СУ с подсальниковым кольцом, где 1 - уплотняемый элемент, 2 - втулка нажимная (фланец), 3 - камера сальниковая, 4 - комплект сальниковых колец, 5 - кольцо подсальниковое, 6-замыкающие кольца комплекта сальниковых набивок.

Рисунок 1.2 - Конструктивная схема СУ с подсальниковым кольцом

На рисунке 1.3 представлена конструктивная схема СУ с трапецеидальным нагружением набивки, где 1 - камера сальниковая, 2 - нажимная втулка, 3 -набивка, 4 - упорное кольцо (грундбукса).

в

Рисунок 1.3 - Конструктивная схема СУ с трапецеидальным нагружением

набивки

На рисунке 1.4 представлена конструктивная схема СУ с набивкой трапецеидального сечения [72], где 1 - уплотняемый элемент, 2 - набивка, 3 -нажимная втулка (фланец), 4 - резьбовые крепежные детали, 5 - корпус, а - угол конусности.

12 3 4

Рисунок 1.4 - Конструктивная схема СУ с набивкой трапецеидального

сечения

На рисунке 1.5 представлена конструктивная схема СУ с подводом смазки или уплотняющей (циркулирующей) жидкости, где 1 - камера сальниковая, 2 -упорное кольцо (грундбукса), 3 - сальниковая набивка, 4 - корпус оборудования, 5 - втулка нажимная (фланец), 6 - дополнительная нажимная втулка.

Рисунок 1.5 - Конструктивная схема СУ с подводом смазки или уплотняющей жидкости

На рисунке 1.6 представлена конструктивная схема СУ с охлаждением корпуса и подводом смазывающей жидкости, где 1 - корпус, 2- охлаждающая рубашка, 3- нажимная втулка (фланец), 4- набивка, 5- смазочное кольцо, 6-упорное кольцо (грундбукса).

Рисунок 1.6 - Конструктивная схема СУ с охлаждением корпуса и подводом

смазывающей жидкости

В связи с большим количеством оборудования для разных технологических процессов конструкций сальниковых уплотнений существует много. В уплотнительной технике используют самоуплотняющиеся сальники различных конструкций [60]. Для использования силы от давления рабочей среды и уменьшения проницаемости сальниковой набивки в конструкциях сальниковых уплотнений используют стальные кольца как со стороны давления среды, так и между уплотнительными кольцами.

Чтобы создать более равномерную нагрузку на контактирующие с сальником поверхности появились конструкции сальниковых уплотнений с камерой и сальником трапецеидальной формы сечения, у которой уменьшается площадь сечения сальника в сторону действия давления. Для уменьшения нагрузки в сальниковом уплотнении предлагаются конструкции сальников с размещением нажимной втулки и самого сальника со стороны действия давления рабочей среды, используя для герметизации валов давление среды.

Существуют также комбинированные торцово-сальниковые соединения различных конструкций, но их применение незначительно в связи с недостаточной изученностью.

1.2 Влияние внешних факторов на условия герметичности сальниковых уплотнений

Определяющим фактором надежности СУ, является безотказная работа в течение заданного отрезка времени с учетом имеющихся условий эксплуатации и обеспечение необходимых эксплуатационных показателей в установленных пределах.

Надежность работы сальникового уплотнения зависит от трех последовательно соединенных узлов - уплотняемой детали, сальниковой набивки, и крепежной системы (нажимного фланца, грундбуксы и резьбовых элементов). Поскольку в сальниковых уплотнениях с мягкой набивкой большинство отказов происходит из-за сальниковой набивки (раздел 1.1.1) то особое внимание в

должно быть уделено именно исследованию рабочих характеристик сальниковых набивок (СН), т.е. необходим квалифицированный подход к эксплуатации узлов СУ, наблюдением за соблюдением режимов работы оборудования и состоянием узла СУ и по мере необходимости дополнительная подтяжка сальника.

Основными причинами отказов и разгерметизации сальниковых уплотнений могут послужить следующие факторы:

1.Исчерпание ресурса сальниковой набивки.

2. Механический износ набивки.

3. Разложение (выгорание) материала набивки под действием температуры или радиации.

4. Нарушение технологии установки сальниковых набивок.

5. Состав и качество материала набивки.

6. Несоответствие геометрических размеров сальниковой набивки и сальниковой камеры.

7. Значительные изменения рабочей среды оказывающей влияние на уплотнительные характеристики набивки, такие как изменение химического состава, перепады давлений и температур.

8. Длительная вибрация штоков.

9. Коррозионное разрушение элементов уплотнительных узлов и возникающая дополнительная шероховатость поверхности.

10. Возникающие задиры на штоке клапана.

11. Значительный зазор между штоком и грундбуксой (0,7 мм вместо 0,4

мм).

12. Деформация обтюратора.

13. Применение штоков из материала низкого качества, приведшее к эрозионному износу штока.

14. Износ или деформация уплотняемой поверхности штока или вала.

15. Биение цилиндрической поверхности уплотняемой детали (шток или

вал).

16. Качество поверхности сопрягаемых с набивкой деталей.

Далее рассмотрим основные внешние факторы, оказывающие существенное влияние на герметичность сальникового уплотнения.

1.2.1 Термостойкость материала набивки

Одной из характеристик, определяющих характер работы сальникового уплотнения, является термостойкость набивки. Отдельные набивки не обладают высокой стабильностью работы при повышении температуры. Это относится к «шнуровым» набивкам, содержащим легко выгорающие компоненты (хлопок, очесы и т.п.) [31]. В результате повышается пористость материала сальниковой набивки, что ведет к увеличению протечек. Для восстановления герметичности СУ необходимо произвести подтяжку сальника, что по условиям техники безопасности не позволяется при наличии давлении рабочей среды. Поэтому потребуются дополнительные затраты на устранение неполадок, это приводит к снижению экономической эффективности и непредсказуемости работы, т.к. остановки в работе оборудования зачастую связаны с неудовлетворительной работой СУ.

Для повышения экономической эффективности оборудования и экологической безопасности за счет повышения ресурса работы СУ, работающих при высоких температурах необходимо использовать термостойкие материалы. Лучшим вариантом для решения поставленной задачи будут СУ на основе терморасширенного графита (ТРГ) и его композитов. Подробная сравнительная характеристика материалов на основе асбеста и ТРГ приведена в таблице 1.2.

В настоящее время (с 2005 года) применение асбеста в качестве конструкционного материала западными фирмами запрещено из-за вредного воздействия асбеста на дыхательные органы человека.

ТРГ обладает рядом уникальных свойств: низкая плотность, способность прессоваться без связующего вещества, стойкость к воздействию большинства агрессивных сред, высокая теплопроводность, высокая восстанавливаемость, термостойкость и др.

В состав новых набивок, предназначенных для работы в агрессивных средах при повышенных температурах, вводят волокна: углеродное, фторопластовое, арамидное и стеклянное. Все они создают композиции на основе ТРГ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Богданов, Олег Валерьевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдеев, В.В. Деформационные характеристики сальниковых набивок из терморасширенного графита / В.В. Авдеев, Е.Т. Ильин, С.Г. Ионов, Г.В. Божко, О.В. Гусак, В.Д. Продан // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2005. -№ 9. - С.28 - 31.

2. Авдеев, В.В. Исследование проницаемости сальниковых набивок, выполненных на основе терморасширенного графита (ТРГ) / В.В. Авдеев, Е.Т.Ильин, С.Г. Ионов, Г.В. Божко, О.В. Гусак, В.Д. Продан // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2006. - № 3. - С. 26 - 28.

3. Александров, А.В. Сопротивление материалов / А.В. Александров, В.Д. Потапов, Б.П. Державин - М.: Высшая школа, 2004. - 560 с.

4. Александров, А. В. Сопротивление материалов. Основы теории упругости и пластичности / А.В. Александров, В.Д. Потапов - М.: Высшая школа, 2002. - 400 с.

5. Андреев, А.П. Исследование и разработка узлов уплотнений из терморасширенного графита для арматуры и другого оборудования АЭС: дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / А.П. Андреев. - М.: 2001. - 320 с.

6. Андреев, Ю.Н. Методика исследований субмикровыделений в поликристаллических материалах методом внутреннего трения / Ю.Н. Андреев, М.В. Бестаев, Д.Ц. Димитров, В.А. Мошников, Ю.М. Таиров, Н.П. Ярославцев // Физика и техника полупроводников. -1997. - Т. 31, № 7. - С. 81 - 83.

7. Андреев, Ю.Н. Внутреннее трение при изменении формы малых включений / Ю.Н. Андреев, Б.М. Даринский, В.А. Мошников и др. // Физика и техника полупроводников. - 2000. - Т. 34, № 6. - С. 644-646.

8. Аникеенко, В.А. Определение коэффициента внутреннего трения сальниковой набивки / В.А. Аникеенко, С.Г. Ионов, В.Н. Левин, О.В. Гусак, В.Д. Продан // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2007. - № 7. - С. 43 - 44.

9. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя / В.И. Анурьев. -М.: Машиностроение, 1979. - Т. 1. - 728 с.

10. Башта, Т.М. Машиностроительная гидравлика / Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1971 - 672 с.

11. Башта, Т.М. Объемные гидравлические приводы / Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1969 - 628 с.

12. Биргер, И.А. Резьбовые и фланцевые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. - М.: Машиностроение, 1990. - 368 с.

13. Блантер, М.С. Что такое внутреннее трение / М.С. Блантер // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 1. - С. 80 - 85.

14. Богданов, О.В. Исключение влияния температуры рабочей среды на герметичность разъемного соединения / О.В. Богданов, Г.В. Божко, Черемухин В.В., Скопинцев И.В. Тверь: III Международная научно-практическая конференция с научной школой для молодежи «Актуальные проблемы безопасности жизнедеятельности и экологии», ТГТУ, 30.03-02.04. 2017 г.

15. Божко, Г.В. Разъемные герметичные соединения / Г.В. Божко // Вестник ТГТУ. - 2010. - Т. 16, №2. - С. 404 - 420.

16. Боронцоев, А.А. Физико-механические свойства упаковочных материалов: Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ / А.А. Боронцоев, Г.Ф. Ханхасаев, М.Т. Хадыков, Е.В. Беликова. - Улан-Удэ: Издательство ВСГТУ. 2006. - 59 с.

17. Борохов, А.М. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения / А.М. Борохов, А.С. Ганшин, Н.Т. Додонов. - М.: Машиностроение, 1966. -312 с.

18. Виноградов, Г.В. Успехи реологии полимеров / Г.В. Виноградов. - М.: Химия, 1970. -296 с.

19. Вологодский, Н.Б. Определение коэффициентов бокового давления и усадки мягких сальниковых набивок / Н.Б. Вологодский // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1970. - № 12. - С. 7.

20. Генералов, М.Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии / Генералов М.Б. - Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. - 596 с.

21. Годунов, С.К., Роменский Е.И. Элементы механики сплошных сред и законы сохранения / С.К. Годунов, Е.И. Роменский. - Новосибирск: Научная книга, 1998. - 280 с.

22. Горшков, А.Г. Сопротивление материалов / А.Г. Горшков, В.Н. Трошин, В.И. Шалашилин. - М.: Физматлит, 2005. - 544 с.

23. ГОСТ 23278-78. Грунты. Методы полевых испытаний проницаемости.

24. ГОСТ 5152-84. Набивки сальниковые. Технические условия.

25. ГОСТ Р 52720-2007 Арматура трубопроводная. Термины и определения.

26. Гуль, В.Е. Структура и механические свойства полимеров / В.Е. Гуль, В.Н. Кулезнев. - М.: «Высшая школа», 1972. - 320 с.

27. Гуревич, Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич. - Л., Машиностроение, 1969. - 887 с.

28. Гуревич, Д.Ф. Справочник конструктора трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич, О.Н. Шпаков. - Л., Машиностроение, 1987. - 518 с.

29. Дерягин, Б.В. Что такое трение? / Б.В. Дерягин - М.: Изд-во АН СССР, 1963. -228 с.

30. Джонсон, К. Механика контактного взаимодействия / К. Джонсон. - М.: Мир, 1989. - 509 с.

31. Домашнев, А.Д. Сальниковые уплотнения арматуры АЭС / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер - М.: Атомиздат, 1980. - 162с.

32. Домашнев, А.Д. Экспериментальное определение коэффициентов бокового давления для сыпуче-волокнистых сальниковых набивок / А.Д. Домашнев, В.Л. Хмельникер // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1970. - № 2. - С. 1 - 2.

33. Ентов, В.М. Теория фильтрации / В.М. Ентов // Соросовский образовательный журнал. - 1998. - № 2. - С. 121 - 128.

34. Ефимова, А.И. Общий физический практикум физического факультета МГУ. Погрешности эксперимента: Учебно-методическое пособие. / А.И. Ефимова, А.В. Зотеев, А.А. Склянкин. - М.: МГУ, Физический факультет, 2012. - 39 с.

35. Ильин, Е.Т. Российские высокоэффективные уплотнения «Графлекс» -Материалы отраслевого совещания главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и СНГ. г. Кириши, 2002, С. 259 - 266.

36. Ильин, Е.Т. Техническое обслуживание и ремонт пароводяной арматуры ТЭС. Сборка сальниковых уплотнений из ТРГ «Графлекс». / Е.Т. Ильин, Г.А. Уланов, А.В. Новиков и др. - М.: НПО УНИХИМТЕК, 2003. - 44 с.

37. Ильин, Е.Т. Техническое обслуживание и ремонт центробежных насосов. Сборка узлов сальниковых уплотнений вала с уплотнительными изделиями из ТРГ «Графлекс». Издание второе. / Е.Т. Ильин, Г.А. Уланов, А.В. Новиков и др. -М.: НПО УНИХИМТЕК, 2003. - 34 с.

38. Ильин, Е.Т. Уплотнения нового поколения из терморасширенного графита / Е.Т. Ильин, И.Л. Колдаева // Химическая техника. - 2003. - № 5. - С.15 - 17.

39. Исаев, О.Ю. Инструкция № 2.3.1. по монтажу сальниковой набивки для уплотнения валов насосов со скоростью скольжения > 15 м/с, работающих в среде без абразива. / О.Ю. Исаев. - Пермь: ЗАО НОВОМЕТ-Пермь, 2003. - 4 с.

40. Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин / В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. - М.: Высшая школа, 1991. - с.318.

41. Колтунов, М.А. Ползучесть и релаксация / М.А. Колтунов. - М.: Высшая школа, 1976. - 277 с.

42. Кондаков, Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник / Л. А. Кондаков, А. И. Голубев, В. Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А. И. Голубева, Л. А. Кондакова. - М.: Машиностроение, 1986. - 464 с.

43. Кочетов, В.Т. Сопротивление материалов / В.Т. Кочетов, М. В. Кочетов, А.Д. Павленко. - СпБ.: БХВ-Петербург, 2004. - 544 с.

44. Крагельский, И.В. Коэффициенты трения / И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. - М.: Машгиз, 1962. - 218 с.

45. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов - М.: Машиностроение, 1977г. - 526 с.

46. Крагельский, И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский. - М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

47. Крагельский, И.В. Узлы трения машин / И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1994. - с.280.

48. Кришнек, Р. Уплотнительные системы на основе графита / Р. Кришнек // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2000. - № 8. - С. 18 - 23.

49. Ландау, Л.Д. Курс теоретической физики. Гидродинамика. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц. - М.: Физ- матлит, 2006. - Т.6. - 736 с.

50. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. - М: Дрофа, 2003. - 840 с.

51. Макаров, Р.А. Тензометрия в машиностроении / Р.А. Макаров, Л.Б. Ренский и др. - М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.

52. Мак-Гонейгль, У. Испытания без разрушения / У. Мак-Гонейгль - М.: Машиностроение, 1965. - 325 с.

53. Малинин, Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести / Н.Н. Малинин. - М.: Машиностроение, 1975. - 400 с.

54. Миненков, Б.В. Прочность деталей из пластмасс / Б.В. Миненков, И.В. Стасенко - М.: Машиностроение, 1977. - 264 с.

55. Михалев, М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств / М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мильченко, В.В. 3обнин. - Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с.

56. Нагакава, К. Фторопластовые, волокнистые и металлические материалы для набивок / К. Нагакава // Перевод статьи из журнала «Коге дзайре». Рига: 1976. -47 с.

57. Новик, А. С. Внутреннее трение в металлах / А.С. Новик. - в кн.: Успехи физики металлов. Сб. статей, пер. с англ., ч. 1. - М.: 1956.

58. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосудов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских ядерных реакторов и установок. - М.: Металлургия, 1973. - 408 с.

59. Общие требования и указания по применению уплотнений из терморасширенного графита в арматуре ТЭС. - М.: РАО «ЕЭС России», 2002. -32 с.

60. ОСТ 26-01-1247 Уплотнения валов для аппаратов с перемешивающими устройствами. Уплотнения сальниковые. Типы, параметры, конструкции и основные размеры. Технические требования.

61. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. - Л.: Химия, 1981. -560 с.

62. Пат. РФ №2197662. Узел уплотнения неподвижного соединения и сальниковое уплотнение для него / А.П. Андреев, Б.В. Бурмистров, И.А. Гусев, В.В. Ермолаев, А.А. Набоков. Заявлен 27.01.2003.

63. Постников, В.С. Релаксационные явления в металлах и сплавах, подвергнутых деформированию / В.С. Постников. // Успехи физических наук. - 1954. - Т. 53. -с. 87.

64. Постников, В.С. Температурная зависимость внутреннего трения чистых металлов и сплавов / В.С. Постников. // Успехи физических наук. - 1958. - Т. 66. -с. 43.

65. Продан, В.Д. Герметичность разъемных соединений оборудования, эксплуатируемого под давлением рабочей среды / В.Д. Продан - Тамбов: издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. - 280 с.

66. Продан, В.Д. Методы расчета и техника герметизации разъемных неподвижных соединений: дис. на соискание уч. ст. доктора техн. наук / В.Д. Продан. - М.: МИХМ, 1985. - 472 с.

67. Продан, В.Д. Определение коэффициента бокового давления сальникового уплотнения / В.Д. Продан, Г.В. Рябчук. - М.: Московский институт химического машиностроения (МИХМ), 1979. - 16 с.

68. Погодин, В.К. Запорные клапаны на высокие параметры эксплуатации. Проектирование и исследования. / В.К. Погодин - Братск: издательство Братского государственного университета, 2016. - 362 с.

69. Продан, В.Д. Разъемные соединения с фторопластовыми уплотнениями / В.Д. Продан, И.Г. Калабеков, Г.В. Божко и др. - М.: Тривола, 1995. - 180 с.

70. Продан, В.Д. Сальниковое уплотнение с мягкой набивкой трапецеидальной формы сечения и внутренним размещением нажимного фланца / В.Д.Продан, Г.В. Божко, О.В. Богданов, П.Н. Бойко, М.С. Фокина // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2017. - № 3. - С. 28 - 30.

71. Продан, В.Д. Сальниковые уплотнения подвижных соединений. / В.Д. Продан, Г. В. Божко, О.В. Богданов, П.Н. Бойко // Вестник Тамбовского государственного технического университета. Тамбов: 2017. - Т. 23, № 1. - С. 156 - 163.

72. Продан, В.Д. Сальниковые уплотнения с мягкой набивкой. / В.Д. Продан, Г.В. Божко. - Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2016. - 124 с.

73. Продан, В.Д. Техника герметизации разъемных неподвижных соединений /

B.Д. Продан. - М.: Машиностроение, 1991. - 159 с.

74. Работнов, Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела / Ю.Н. Работнов. -М.: Наука, 1988. - 712 с.

75. Работнов, Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. - М.: «Наука», 1966. - 752 с.

76. Рахмилевич, З.З. Справочник механика химических и нефтехимических производств / З.З. Рахмилевич, И.М. Радзин, С. А. Фарамазов. - М.: Химия, 1985. - 592 с.

77. Рейтлингер, С.А. Проницаемость полимерных материалов / С.А. Рейтлингер. -М.: Химия, 1974. - 270 с.

78. Рузга, З. Электрические тензометры сопротивления / Рузга Зденек. - М.: Госэнергоиздат, 1961. - 335с.

79. Селегай, Н.Г. Определение коэффициентов трения, бокового давления и усадки для сальниковой набивки из асбестового плетеного шнура марки АП / Н.Г. Селегай, В.Д. Сергиенко // Известия ВУЗов. Черная металлургия. - 1982. - № 8. -

C. 137 -142.

80. Спиридонов, В.П. Математическая обработка физико-химических данных / В.П. Спиридонов, А.А. Лопаткин. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 221 с.

81. Сыпач, И. Определение коэффициента трения и герметичности уплотнений / И. Сыпач, В. Подушка. - «Strojirenstvi, 1961, N° 6.» Перевод. М.: 1766, БТИ ГОСНИИТИ, 1966. С.22.

82. Таганов, Н.И. О боковом давлении набивки из фторопласта - 4 / Н.И. Таганов и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1965. - № 4. - С. 12 - 14.

83. Тагер, А.А. Физико-химия полимеров / А.А. Тагер. - М.: Химия, 1968. - 429 с.

84. Тимошенко, С.П. Сопротивление материалов / С.П. Тимошенко.- М.: Наука, 1965. - Т. 2. - 480 с.

85. Тимошук, А.С. К определению бокового давления мягких сальниковых набивок / А.С. Тимошук // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1963. - № 8. - С. 8 - 9.

86. Тобольский, А.В. Свойства и структура полимеров / А.В. Тобольский. - М.: Химия, 1964. - 381 с.

87. Хирабаяси, Х. Новейшие материалы для уплотнений / Х. Хирабаяси. -Перевод статьи «Коге дзайре». Л: НТБ ЦКБМ, 1986. - 23 с.

88. Черкасский, В.М. Насосы, компрессоры, вентиляторы / В.М. Черкасский, Т.М. Романова, Р.А. Кауль. - М. : Энергия, 1968. - 304 с.

89. Щиголев, Б.М. Математическая обработка наблюдений / Б.М. Щиголев. - М.: Физматгиз, 1962. - 344 с.

90. Эльтерман, В.М. Охрана воздушной среды на химических и нефтехимических предприятиях / В.М. Эльтерман - М.: Химия, 1984. - 160 с.

91. Юфин, А.П. Гидравлика, гидравлические машины и гидроприводы / А.П. Юфин. - М.: Высшая школа, 1965. - 573 с.

92. Якушев, А.И. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений / А.И. Якушев, Р.Х. Мустаев, Р.Р. Мавлютов. - М.: Машиностроение, 1979. - 215 с.

93. Backash, M. Berechnung dynamisch beanspruchter Schraubenverbindungen / M. Backash, J. Dobberschutz //Mashinenbautechnik. - 1979. - Vol. 28. - № 4. - P. 163165.

94. Sakisaka, M. Analysis of Load in the Cylinder Head Bolts of an International Combustion Engine / M. Sakisaka, K. Maruyama, A. Yamamoto. // Bull. of the JSME. - 1978. - Vol. 21. - № 159. - P. 1395-1401.