Рис. 1.7. Уплотнение, установленное в корпусе (фирма Samson):
Рис. 1.8. Уплотнение, установленное в диске
Запирающие элементы
Запирающие элементы служат для герметичного перекрытия отверстий в седлах корпусов запорной арматуры. К запирающим элементам относятся золотники и тарелки в клапанах, диски и клинья в задвижках, пробки, в т.ч. шары, в кранах, диски в запорных и обратных поворотных затворах. Форма и размеры запирающих элементов определяются конструкцией и размерами арматуры.
Простую форму имеют запирающие элементы клапанов, они представляют собой диски с элементами присоединения к штоку. В некоторых конструкциях клапанов малого диаметра роль запирающего элемента выполняет нижняя конусная часть шпинделя или штока. Наиболее сложную конструкцию имеют клинья задвижек большого диаметра.
На запирающем элементе должны быть предусмотрены четыре следующие основные устройства: пластина для перекрытия прохода в седле, уплотнительные поверхности для герметизации, присоединение к шпинделю или штоку и направляющие устройства для направления в корпусе или по крышке. В некоторых конструкциях арматуры последнее может отсутствовать, например, в клапанах малых размеров, кранах, заслонках, мембранных клапанах и шланговых задвижках.
Направление золотника (тарелки) может быть нижним «перья» золотника направляются в отверстии седла, или верхним тело золотника направляется в расточке корпуса или крышки. В запирающих элементах задвижек предусматриваются пазы или гребни, которые направляются соответствующими выступами или пазами в корпусе. Пробка конусного или цилиндрического крана направляется в корпусе своей рабочей поверхностью. В шаровом кране шар может быть плавающим при малых DN, или в опорах при больших. В последнем случае шар направляется своими цапфами, расположенными в подшипниках корпуса и крышки. В затворах диски закреплены на валу, и этим определяется их расположение в корпусе.
Уплотнительные поверхности на запирающих элементах могут выполняться без вставных колец из материала детали, со вставными кольцами и с наплавленной кольцевой поверхностью.
Вставные уплотнительные кольца могут изготавливаться из латуни, бронзы, никелевых сплавов, коррозионностойкой стали, резины, фторопласта, полимеров или кожи. Материал уплотнительных колец выбирается в зависимости от физических и химических (коррозионных) свойств рабочей среды и ее энергетических параметров (давление, температура).
На запирающий элемент действуют перестановочное усилие, создаваемое шпинделем или штоком (с учетом силы герметизации), и давление рабочей среды, что должно быть учтено при расчете на прочность. В связи с большими усилиями в задвижках с большими диаметрами прохода и дисковых затворах предусматривают ребра жесткости и упрочняющий обод по окружности диска.
Ресурс арматуры часто определяется ресурсом запирающего элемента, поскольку он в большинстве случаев работает в наиболее сложных условиях: целиком погружен в рабочую среду, подвергается коррозии, его уплотнительные поверхности изнашиваются. В особо сложных условиях работают запирающие элементы энергетической дроссельной арматуры, которые подвергаются интенсивному эрозионному и кавитационному изнашиванию, что приводит к ускоренному выходу из строя. Для повышения срока службы рабочие поверхности на них наплавляются сплавами повышенной стойкости.
Применяются различные конструкторские решения многокаскадное дросселирование, дробление струи для гашения энергии (перфорированные или клеточные рабочие органы).
Раздел 2. Материалы для изготовления уплотнений
2.1. Кратко о полимерах
Полимеры это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев мономеров одинаковой структуры. Их молекулярная масса может составлять от 5000 до 1000000 ед. Полимеры состоят из цепочек из отдельных звеньев, что задает гибкость, но она ограничена размерами элементов и жесткостью звеньев.
Сцепление полимеров обеспечивается степенью жесткости связей. Так, основные атомные цепи обладают жесткой ковалентной связью, с энергией связи до 330 кДж/моль. Межмолекулярные цепи по своей физической природе обладают водородной связью на основе притяжения молекул водорода и когезии. Энергия связи составляет от 5 до 40 КДж/моль.
Полимеры построены из одинаковых по структуре звеньев. Сополимеры состоят из разнородных звеньев. Одним из свойств полимерной структуры является стереорегулярность это свойство правильного расположения звеньев в пространстве. Это свойство определяет повышенные свойства полимеров.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ
Полимеры делятся:
1. по составу
2. по форме макромолекул
3. по фазовому состоянию
4. по полярности
5. по отношению к нагреву.
По составу полимеры делятся на органические, элементоорганические и неорганические.
Органические полимеры наиболее используемы, их основная цепь образована углеродными атомами (карбоцепные полимеры). В гетерогенных полимерах связь образована кислородом, фосфором и хлором. Кислород придает связи гибкость, фосфор и хлор огнестойкость, сера газонепроницаемость, фтор химическую стойкость
Элементоорганические полимеры это полимеры, основная цепь которых образована атомами кремния, титана, алюминия с группами СН3, СН6, СН2. Металлы придают полимеру теплостойкость как карбонильные группы эластичность. В основном используются кремнийорганические полимеры.
Неорганические полимеры это силикатные стекла, керамика, слюда, асбест и др. Их основу составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др. Внутриатомная связь ковалентная, цепи между собой образуют ионную связь. Этот вид полимеров обладает высокой плотностью, длительной теплостойкостью, но и высокой хрупкостью. Характерный представитель силикаты.
Смешанные полимеры это класс композитов. Характерный представитель стеклопластик.
По форме линейные полимеры делятся на линейные, разветвленные, плоские, ленточные (лестничные) и пространственные (сетчатые). Виды полимеров по форме приведены ниже, рис.2.1.
Рис. 2.1. Формы линейных полимеров
Линейные полимеры образуют прочную связь вдоль цепи и имеют слабую межмолекулярную связь. Это придает им высокую эластичность, способность размягчаться и затвердевать. Характерный представитель полиамиды. Виды
Лестничные полимеры имеют более жесткую цепь, что придает им свойство повышенной теплостойкости, жесткости и малой растворимости.
Лестничные полимеры имеют более жесткую цепь, что придает им свойство повышенной теплостойкости, жесткости и малой растворимости.
Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул. Они не плавятся и не растворяются, обладают высокой упругостью. Делятся на редкосетчатые имеющие высокую упругость (мягкие резины), густосетчатые, имеющие высокую твердость и теплостойкость. К ним относятся большинство конструкционных пластиков. К паркетным полимерам относится графит.
По фазовому состоянию полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Для кристаллических полимеров характерно появление надмолекулярных структур.
Аморфные полимеры однофазны, собраны из цепных молекул в пачки, которые состоят из многих рядов макромолекул. Они способны перемещаться.
Глобулы это свернутые в клубки цепи, они имеют невысокие свойства, для них характерна хрупкость по границам зерен из-за недостаточной связи.
Кристаллические полимеры образуются из гибких регулярных структур при фазовом переходе внутри пачки и формируют пространственные решетки кристаллов.
Образование кристаллической структуры происходит следующим образом:
1. складывание гибких пачек в ленты
2. соединение лент друг с другом с образованием пластин
3. наслоение пластин друга на друга с образованием правильных структур.
Рис. 2.2. Образование полимера полистирола из мономера
Сферолиты образуются при затрудненном образовании объемных кристаллов из меньших структур. Происходит чередование кристалличных и аморфных участков в виде лучей.
Рис. 2.3. Сферолиты с образованием из пластин. Масштаб несколько мкм.
Свойствами кристаллических структур являются организованность, термодинамическая стабильность, большое время жизни без нагрузки.
Обычно в полимерах встречается двухфазная структура. Кристалличность придает ей жесткость, твердость и теплостойкость. Однако, надмолекулярные структуры при длительном хранении, эксплуатации или переработке подвержены изменениям и распаду.
По полярности полимеры делятся по наличию диполей центров распределения положительного или отрицательного зарядов. Условиями образования полярности являются:
1. наличие полярных связей (-Cl, F, +OH)
2. несимметрия в структуре по силе связей: C-H < C-N < C-O < C-F< C-Cl.
Неполярные полимеры, как правило, углеводороды, являются диэлектриками и обладают морозостойкостью. Полярные полимеры обладают жесткостью, теплостойкость, но низкой морозостойкостью.
По отношению к нагреву полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры размягчаются при нагреве, плавятся и затвердевают обратимо. Они имеют линейную или разветвленную структуру.
Термореактивные полимеры сначала линейны и размягчаются. Затвердевают из-за химических реакций с образованием пространственной структуры и остаются твердыми в термостабильном состоянии.
ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Особенности полимерных материалов
1. неспособность переходить в газовую фазу из-за высокой молекулярной массы
2. полидисперсность она определяет значительный разброс механических свойств
3. зависимость от структуры и эксплуатационных условий.
Полимеры могут находиться в нескольких основных состояниях:
Стеклообразное это твердое, аморфное состояние, где колебания атомов происходят без колебания цепей.
Высокоэластичное обратимое изменение формы при небольших нагрузках, происходит из-за изгиба макромолекул
Вязкотекучее жидкое состояние с высокой вязкостью, при котором подвижна вся макромолекула. Состояние вязкотекучести определяется по термомеханическим кривым.
Для пространственных полимеров характерно стеклообразное состояние. Для редкосетчатых полимеров характерно стеклообразное и высокоэластичное в вязкотекучем состоянии. Характерным является область упругих деформаций и после превышения предела вынужденной эластичности. При небольших напряжениях происходит перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентация в направлении действующей силы. Так, в резинах узлы сетки препятствуют перемещению полимерных цепей. Происходит переход в высокоэластичное состояние до химического разложения без вязкотекучести.