Hydraulika i Pneumatyka

Hydraulika i Pneumatyka
u ka z uje s ię o d ro ku 1 9 8 0
dwumiesięcznik naukowo- tec hn iczny
C Z A S O P I S M O S TOWA R Z YS Z E N I A I N Ż Y N I E R ÓW
I T E C H N I KÓW M E C H A N I KÓW P O L S K I C H
ELEMENTY I UKŁADY PŁYNOWE
NR 4
WROCŁAW, LIPIEC – SIERPIEŃ 2015
Rok wydania XXXV
MAREK GAWLIŃSKI, PRZEMYSŁAW JASZAK
Możliwości zwiększania szczelności
uszczelnień semimetalowych
Wprowadzenie
Szczelność jest parametrem decydującym o jakości maszyn
i urządzeń. Odnosi się to szczególnie do urządzeń eksploatowa­
nych w rafineriach, przemyśle chemicznym, górnictwie i meta­
lurgii. Wyciek nie tylko stanowi poważne zagrożenie dla czło­
wieka i środowiska, ale również powoduje koszty postoju wielu
instalacji oraz straty czynnika procesowego. Autorzy podjęli ten
temat, wychodząc z założenia, że postęp w technice uszczelnia­
nia jest możliwy, jeżeli dobrze zna się mechanizm uszczelniania
w przypadku danego typu uszczelnienia i dysponuje się wiedzą
na temat właściwości materiałów stosowanych do jego wykona­
nia. Tezę tę łatwo zweryfikować, analizując znane i nowe roz­
wiązania uszczelnień semimetalowych.
Podział uszczelnień semimetalowych
Uszczelnienia semimetalowe stosowane są najczęściej jako
uszczelnienia spoczynkowe. Zbudowane są z metalu oraz mate­
riału elastoplastycznego, co stanowi ich zasadniczą cechę kon­
strukcyjną. Metal nadaje im wysoką sprężystość, duży powrót
sprężysty, odpowiednią sztywność i wytrzymałość na rozciąga­
nie i ściskanie oraz odporność na wysoką temperaturę. Materiał
elastoplastyczny podwyższa szczelność w warunkach umiarko­
wanego nacisku stykowego przy zadanej płaskości i chropowa­
tości powierzchni uszczelnianych. Ten rodzaj uszczelnień należy
w zasadzie do uszczelnień kompozytowych.
Kryterium podziału uszczelnień semimetalowych może być
usytuowanie materiału elastoplastycznego względem elementu
metalowego. Może on być otoczony częściowo lub całkowicie
elementem metalowym (rys. 1a) lub znajdować się na zewnątrz
elementu metalowego (rys. 1b).
Koszulki lub rdzenie uszczelnień semimetalowych wykonuje
się zazwyczaj ze stali nierdzewnej, miedzi, aluminium, niklu,
stopu niklu z tytanem lub z monelu. Materiałami elastoplastycz­
nymi są natomiast PTFE, grafit ekspandowany, mika,
Dr hab. inż. Marek Gawliński ([email protected]), dr inż.
Przemysław Jaszak ([email protected]) – Zakład Podstaw
Konstrukcji i Maszyn Przepływowych, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska
H Y D R AU L I K A I P N E U M AT Y K A 4 / 2 0 1 5
a)
b)
Rys. 1. Uszczelnienie semimetalowe z koszulką metalową (a) i z perfo­
rowaną taśmą metalową (b)
wermikulit (mika ekspandowana) lub włókna aramidowe zwią­
zane elastomerem.
Wyższość uszczelnień semimetalowych nad innymi rodzaja­
mi uszczelnień spoczynkowych (np. płytami uszczelkarskimi)
polega na tym, że do osiągnięcia przez nie odpowiednich para­
metrów wytrzymałościowych oraz szczelności są wykorzysty­
wane najlepsze cechy zarówno materiału metalowego, jak i ela­
stoplastycznego.
Szczelność uszczelnień semimetalowych
Truizmem jest stwierdzenie, że podstawową funkcją uszczelnie­
nia jest zapewnienie szczelności – im wyższa jest szczelność,
tym wyższa jest jakość uszczelnienia. Prawodawstwo wielu
państw wprowadziło rygorystyczne przepisy dotyczące szczel­
ności maszyn i urządzeń. Minimalny wyciek ze złączy koł­
nierzowych eksploatowanych w rafinerii nie może przekraczać
L = 0,01 mg/(m·s).
W uszczelnieniach spoczynkowych są zazwyczaj możliwe
dwie drogi wycieku: na wskroś uszczelnienia oraz wzdłuż ob­
szaru styku uszczelnienia z powierzchniami uszczelnianymi
(rys. 2).
Rys. 2. Drogi wycieku ze złącza z uszczelnieniem spoczynkowym
5
Każda modyfikacja konstrukcji dowolnego typu uszczelnienia
powinna polegać na wzmocnieniu efektu zwiększającego po­
ziom szczelności. Efektem tym może być stopień zagęszczenia
się materiału elastoplastycznego lub stopień wypełnienia nie­
równości powierzchni uszczelnianych. Można go osiągnąć,
zmieniając strukturę materiału lub zwiększając obciążenie
uszczelnienia. W celu zapewnienia struktury nieprzenikliwej na
przykład dla gazu należy zastosować uszczelnienia o rdzeniu
metalowym maksymalnie wypełniającym przestrzeń pomiędzy
uszczelnianymi powierzchniami (rys. 3).
a)
b)
Rys. 3. Uszczelnienie spiralne: 1 – profilowana taśma metalowa, 2 –
wypełniacz (taśma) z grafitu ekspandowanego
W uszczelnieniu spiralnym całkowicie wyeliminowano wy­
ciek na wskroś, ponieważ przepływ gazu przez metal jest nie­
możliwy. Pozostała jedynie druga droga wycieku (o bardzo
ograniczonej wysokości, tj. 0,15–0,30 mm) przez obszar styku
grafitu z dwoma uszczelnianymi powierzchniami. Im bardziej
grafit w tym obszarze jest zagęszczony i im dokładniej wypełnia
nierówności na powierzchni uszczelnianej, tym mniejszy jest
wyciek z uszczelnienia.
• Nacisk stykowy a szczelność
Z przedstawionego powyżej mechanizmu uszczelniania wynika,
że obciążenie uszczelnienia powinno być na tyle duże, aby do­
szło do znacznego zagęszczenia materiału elastoplastycznego
oraz, co jest równie ważne, do dokładnego wypełnienia nierów­
ności na uszczelnianych powierzchniach złącza kołnierzowego.
Skoro obciążenie uszczelnienia musi wzrosnąć, to jego sztyw­
ność musi być odpowiednio duża. W uszczelnieniach semimeta­
lowych sztywność jest kwestią wyłącznie grubości i kształtu ele­
mentu metalowego.
Płaskie uszczelnienia semimetalowe z gładkimi i perforowa­
nymi wkładami metalowymi osiągają sztywność, której stopień
zależy od grubości uszczelnienia. Przy tej samej wartości obcią­
żenia wysokość ściśniętego uszczelnienia zmniejsza się propor­
cjonalnie do jego początkowej grubości. Oznacza to, że im grub­
sze jest uszczelnienie, tym mniejsza jest jego sztywność i tym
większa ściśliwość, ale tym mniejszy jest powrót sprężysty i tym
większe trwałe odkształcenie.
Najlepszym odzwierciedleniem tego jest podanie dopuszczal­
nej wartości nacisku na uszczelnienie z płaską folią metalową
i warstwą grafitu ekspandowanego po jej obu stronach: w uszczel­
nieniu o grubości 0,8 mm dopuszczalny nacisk wynosi 160 MPa,
a w uszczelnieniu o grubości 3 mm zaledwie 90 MPa. Powodem
tak znacznego zmniejszenia wartości nacisku stykowego w grub­
szym uszczelnieniu jest konieczność zachowania odpowiedniego
powrotu sprężystego oraz stopnia odkształcenia trwałego. Z wy­
kresów (rys. 4a, b) wynika, że im cieńsze jest uszczelnienie, tym
mniejsze mogą być w przypadku stałej wartości nacisku stykowe­
go jego szerokość oraz odkształcenie.
Jeżeli wytnie się okrągłe uszczelnienie (rys. 5), to na średnicy
zewnętrznej i wewnętrznej odsłonięta zostanie płaska lub perfo­
rowana folia metalowa. Pojawią się dwie dodatkowe drogi
6
Rys. 4. Szerokość i odkształcenie grafitowego uszczelnienia z płaską fo­
lią metalową o grubości 0,05 mm [1]
potencjalnego wycieku od strony średnicy wewnętrznej uszczel­
nienia.
Rys. 5. Semimetalowe uszczelnienie grafitowe: 1 – okładzina grafitowa,
2 – folia metalowa, → dodatkowa droga potencjalnego wycieku
Z przeprowadzonych badań wynika [2], że w uszczelnieniu wy­
konanym wyłącznie z grafitu ekspandowanego (G11), w uszczel­
nieniu grafitowym z dodatkiem włókien węglowych (G3) oraz
w uszczelnieniu grafitowym wzmocnionym siatką stalową (G2)
wielkość wycieku zdecydowanie maleje ze wzrostem nacisku sty­
kowego (rys. 6). Natomiast w uszczelnieniach grafitowych z pła­
ską (G12) i z obustronnie perforowaną folią metalową (G13)
wzrost nacisku prowadzi do niewielkiego wzrostu szczelności.
Świadczy to o niemożności pełnego wyeliminowania wycieku
wzdłuż dodatkowej drogi pomiędzy grafitem a folią.
Należy pamiętać, iż przy stałym obciążeniu można sterować
wartością nacisku stykowego, dobierając odpowiedni profil
H Y D R AU L I K A I P N E U M AT Y K A 4 / 2 0 1 5
Niestety, na pozostałej, znacznej części uszczelnienia nacisk sty­
kowy jest znacznie mniejszy; przyczyną jest wypiętrzenie meta­
lowego obramowania ponad powierzchnię grafitu, co jest wadą
tej konstrukcji. Pewnym rozwiązaniem mogłoby być wykonanie
obramowania z nieco cieńszej folii. Można również zaobserwo­
wać, że pomiędzy otworami perforacji nacisk jest mniejszy niż
wokół krawędzi samych otworów.
Rys. 6. Zależność wycieku od wartości montażowego nacisku stykowe­
go w uszczelnieniach z elementami grafitowymi [2]
elementu metalowego. W ten sposób można otrzymać pożądany
lokalny wzrost nacisku stykowego.
Uszczelnienie grafitowe wzmocnione perforowaną folią meta­
lową można, oczywiście, doszczelnić za pomocą metalowego
obramowania wokół średnicy wewnętrznej (rys. 7).
Rys. 7. Uszczelnienie semimetalowe doszczelnione metalowym obra­
mowaniem: 1 – metalowa perforowana folia, 2 – grafit ekspandowany,
3 – metalowe obramowanie; uszczelnienie jest nieobciążone
Jeden z autorów tego artykułu przeprowadził na uszczelnieniu
(rys. 8), stosując papier Fuji, badanie rozkładu nacisku stykowe­
go w kierunku promieniowym. Trzy odcinki tego papieru usytu­
owano co 120° pomiędzy uszczelnieniem a powierzchnią jedne­
go z kołnierzy. Im intensywniej zabarwia się ten papier podczas
wzrostu obciążenia wywieranego na uszczelnienie, tym większy
jest w tym miejscu nacisk. Badanie to wykazało, że koncentracja
nacisku występuje lokalnie na wlocie do uszczelnienia od strony
średnicy wewnętrznej; widoczne jest nawet miejsce zlutowania
końców obramowania (rys. 8a). Kolejna koncentracja nacisku
występuje nieco dalej; przyczyną jej powstania jest krawędź koń­
ca obramowania. Uszczelniany czynnik napotyka kolejną barie­
rę w postaci lokalnego, równomiernie rozłożonego na obwodzie
nacisku stykowego (rys. 8b, c). Dwa progi w postaci lokalnego
wzrostu nacisku stykowego pozwalają utrzymać szczelność.
a)
b)
c)
Rys. 8. Rozkład nacisku stykowego na szerokości uszczelnienia grafito­
wego z perforowaną folią metalową w miejscu zlutowania końców ob­
ramowania (a) oraz w dwóch innych miejscach na obwodzie uszczelnie
H Y D R AU L I K A I P N E U M AT Y K A 4 / 2 0 1 5
• Właściwości materiału elastoplastycznego
a szczelność
Wspomniano wcześniej, że do osiągnięcia najwyższej szczelno­
ści należy wykorzystywać najlepsze cechy materiałów stosowa­
nych do budowy uszczelnień. Okazuje się, że grafit ekspandowa­
ny ma kilka takich cech. Należą do nich m. in.
• możliwość wykonania uszczelnienia z czystego grafitu eks­
pandowanego bez stosowania lepiszczy, otrzymanego w wy­
niku sprasowania grafitu ekspandowanego;
• nieściśliwość wykazywana wówczas, gdy gęstość tego mate­
riału osiągnie graniczną wartość ρ = 2,2 g/cm3. Po osiągnięciu
tej gęstości należy tylko wywołać izotropowe ściskanie grafi­
tu, aby zaczął on przekazywać na otaczające go ściany wy­
wierane na niego obciążenie.
Prawdopodobnie właśnie ten efekt wykorzystano w uszczelnie­
niu przedstawionym na rys. 9. Element metalowy wykonano
z blaszki stalowej o dwóch koncentrycznych falach. Przestrzeń
pomiędzy falami wypełniono określoną ilością taśmy z grafitu
rozprężonego. Podczas ściskania uszczelnienia w złączu kołnie­
rzowym pojawia się koncentracja nacisku stykowego na grzbie­
cie obu fal; występuje tu styk metaliczny pomiędzy grzbietem
fali a powierzchnią kołnierza. Grafit, zamknięty pomiędzy dwo­
ma falami, jest również ściskany. Po osiągnięciu granicznej gę­
stości grafit zaczyna przekazywać wywierane na niego obciąże­
nie, następuje wzrost nacisku na styku warstwa grafitu–kołnierz
i w konsekwencji dochodzi do intensywnego wypełniania
wszystkich nierówności znajdujących się na powierzchni obu
kołnierzy.
Rys. 9. Uszczelnienie semimetalowe o dwóch współśrodkowych falach
z wkładem z grafitu ekspandowanego [3]
Z informacji producenta wynika, że szczelność tego uszczel­
nienia jest niezwykle wysoka. Dodatkowo podano, że na grzbiecie
fali nacisk stykowy może osiągać lokalną wartość około 600 MPa
bez oznak zniszczenia rdzenia metalowego. Te dwie informacje
świadczą o tym, że grafit musi wykazywać nieściśliwość.
Podobny efekt występuje w uszczelnieniach wielokrawędzio­
wych (rys. 10) oraz w uszczelnieniu spiralnym specjalnej kon­
strukcji (rys. 11). W uszczelnieniu wielokrawędziowym wyko­
nuje się najpierw współśrodkowe rowki w kształcie litery V po
obu stronach rdzenia stalowego, a następnie obkłada się go
7
dwoma płytami z grafitu ekspandowanego. Po ściśnięciu uszczel­
nienia grafit wypełnia rowki na rdzeniu, po czym, w miarę dal­
szego ściskania, zaczyna wypełniać nierówności na powierzchni
kołnierzy.
Rys. 12. Standardowe uszczelnienie spiralne [5]
Rys. 10. Uszczelnienie wielokrawędziowe z grafitowymi okładkami [4]
Uszczelnienie spiralne [5] wykonano z taśmy stalowej o gru­
bości co najmniej kilkakrotnie grubszej od taśmy stosowanej
w standardowych uszczelnieniach tego typu. Odkształcenie tak
grubych zwojów wypełnionych i pokrytych taśmą grafitową wy­
maga znacznie większego obciążenia. Dzięki wysokiemu obcią­
żeniu grafit może osiągnąć swoją gęstość graniczną, przy której
wykazuje właściwości ciała nieściśliwego. Dotyczy to tej części
grafitu, która zawarta jest pomiędzy krawędziami dwóch sąsied­
nich zwojów a powierzchnią kołnierza (rys. 11b).
a)
b)
Rys. 11. Uszczelnienie spiralne z taśmy stalowej o ponadwymiarowej
grubości z wypełnieniem grafitem ekspandowanym: a) widok ogólny,
b) szczegół; 1 – zwój taśmy stalowej, 2 – grafit ekspandowany
Nadziei na powszechne wdrożenie opisanego rozwiązania do
praktyki przemysłowej raczej nie można mieć z powodu trudno­
ści z wykonaniem profilu typu V, trudności związanych ze zwi­
janiem taśmy stalowej oraz z potrzebą wywołania nadmiernego
obciążenia kołnierzy.
• Uszczelnienie ze wspomaganiem docisku grafitu
W standardowym uszczelnieniu spiralnym dochodzi podczas je­
go ściskania do większego zagęszczania grafitu bardziej w środ­
kowej strefie niż w obszarze przylegającym do powierzchni koł­
nierzy. Dzieje się tak przynajmniej w przypadku uszczelnienia
o tym profilu taśmy metalowej (rys. 12). Konstruktorowi powin­
no zależeć, aby grafit był zagęszczany i dociskany do powierzch­
ni w strefie, gdzie występuje potencjalna droga wycieku.
W firmie Gambit-Lubawka opracowano i sprawdzono nowe
rozwiązanie uszczelnienia spiralnego wykonanego z dwóch
taśm stalowych o różnej grubości i różnym profilu (rys. 13). Idea
tego rozwiązania zasadza się na wywołaniu wewnętrznego doci­
skania taśmy z grafitu ekspandowanego do powierzchni kołnie­
rzy. W miarę ściskania uszczelnienia szersza i cieńsza taśma
8
stalowa zaczyna się odkształcać wcześniej, niż taśma węższa
i grubsza. W rezultacie pojawia się efekt dociskania grafitu do
powierzchni kołnierza oraz następuje wzrost naprężenia, w każ­
dym z osobna, segmencie grafitu zawartego pomiędzy kolejnymi
parami taśmy szerszej i węższej.
Rys. 13. Innowacyjne rozwiązanie uszczelnienia spiralnego Gamspir
Plus [6]
Przeprowadzono analizę MES uszczelnienia spiralnego. Pod­
czas odkształcenia warstwy grafitu wystającej ponad najszerszą
a zarazem najcieńszą taśmę stalową osiągnięto lokalne wartości
nacisku stykowego pomiędzy grafitem a kołnierzem rzędu
100 MPa (rys. 14).
Rys. 14. Rozkład nacisku na styku grafit–powierzchnia uszczelniana
podczas wstępnego odkształcenia
Podczas kolejnego odkształcenia uszczelnienia następuje wy­
raźne ściśnięcie szerszego zwoju taśmy stalowej, a grafit jest wy­
ciskany w kierunku powierzchni kołnierza wzdłuż wypukłej
H Y D R AU L I K A I P N E U M AT Y K A 4 / 2 0 1 5
powierzchni węższej taśmy stalowej (rys. 15). Nacisk na styku
grafit–powierzchnia wzrasta lokalnie do 200 MPa.
Rys. 15. Rozkład nacisku na styku grafit–powierzchnia kołnierza pod­
czas kolejnego ściśnięcia uszczelnienia
Podsumowanie
O szczelności uszczelnień semimetalowych decyduje stopień
nieprzenikliwości materiału elastoplastycznego oraz stopień wy­
pełnienia nierówności znajdujących się na powierzchni kołnie­
rzy. Nieprzenikliwość materiału zależy przede wszystkim od je­
go struktury oraz nacisku stykowego. Podobna zależność
dotyczy stopnia wypełnienia nierówności na powierzchni mate­
riałem elastoplastycznym. Wiadomo, że nacisk zależy zarówno
od obciążenia, jak i od powierzchni obciążonego uszczelnienia.
Nie zawsze opłaca się zwiększać obciążenie, ponieważ często
prowadzi to do odkształcenia kołnierzy i w konsekwencji do
spadku szczelności. Korzystniej jest nadawać elementowi meta­
lowemu odpowiedni profil, doprowadzając do lokalnej koncen­
tracji nacisku. Należy również wykorzystać właściwości mate­
riału elastoplastycznego do wzmocnienia stopnia wypełnienia
nierówności na powierzchni kołnierza.
LITERATURA
[1] Katalog firmy Klinger, Der erste Schritt zur sicheren Dichtung. 1993.
[2] Gawliński M., Blachura J., Analysis of Elastic Properties of the
Gaskets and their Influence on the Leakage. X International Conferen­
ce HERVICON, vol.1, Sumy 2002.
[3] Katalog firmy Jungtec, Products. 2009.
[4] Sieczkowski R., Modelowanie i dobór uszczelek wielokrawędziowych w połączeniach kołnierzowo-śrubowych. Rozprawa doktorska,
AT-H, Bielsko-Biała 2009.
[5] Findley R., Seals and Sealing Handbook. Elsevier Butterworth-Heinemann­, 2013.
[6] Gambit-Lubawka, Uszczelnienie spiralne, Zgłoszenie patentowe za­
rejestrowane w dniu 26.05.2014 w Urzędzie Patentowym RP pod nume­
rem P. 408314.
fachowcy
fachowcom
ADRES REDAKCJI:
ul. Piłsudskiego 74, p. 315
50-020 Wrocław
tel./fax 71 344-81-26
e-mail: [email protected]
www.hydraulikaipneumatyka.pl
H Y D R AU L I K A I P N E U M AT Y K A 4 / 2 0 1 5
9