Hydraulika i Pneumatyka ukazuje się od roku 1980 dwumiesięcznik naukowo-techniczny CZASOPISMO STOWARZYSZENIA INŻYNIERÓW I TECHNIKÓW MECHANIKÓW POLSKICH 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 eksploatowanych w rafineriach, przemyśle chemicznym, górnictwie i metalurgii. Wyciek nie tylko stanowi poważne zagrożenie dla człowieka i środowiska, ale również powoduje koszty postoju wielu instalacji oraz straty czynnika procesowego. Autorzy podjęli ten temat, wychodząc z założenia, że postęp w technice uszczelniania jest możliwy, jeżeli dobrze zna się mechanizm uszczelniania w przypadku danego typu uszczelnienia i dysponuje się wiedzą na temat właściwości materiałów stosowanych do jego wykonania. Tezę tę łatwo zweryfikować, analizując znane i nowe rozwiązania uszczelnień semimetalowych. Podział uszczelnień semimetalowych Uszczelnienia semimetalowe stosowane są najczęściej jako uszczelnienia spoczynkowe. Zbudowane są z metalu oraz materiału elastoplastycznego, co stanowi ich zasadniczą cechę konstrukcyjną. Metal nadaje im wysoką sprężystość, duży powrót sprężysty, odpowiednią sztywność i wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie oraz odporność na wysoką temperaturę. Materiał elastoplastyczny podwyższa szczelność w warunkach umiarkowanego nacisku stykowego przy zadanej płaskości i chropowatości 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 elastoplastycznymi są natomiast PTFE, grafit ekspandowany, mika, a) b) Rys. 1. Uszczelnienie semimetalowe z koszulką metalową (a) i z perforowaną taśmą metalową (b) wermikulit (mika ekspandowana) lub włókna aramidowe związane elastomerem. Wyższość uszczelnień semimetalowych nad innymi rodzajami uszczelnień spoczynkowych (np. płytami uszczelkarskimi) polega na tym, że do osiągnięcia przez nie odpowiednich parametrów wytrzymałościowych oraz szczelności są wykorzystywane najlepsze cechy zarówno materiału metalowego, jak i elastoplastycznego. Szczelność uszczelnień semimetalowych Truizmem jest stwierdzenie, że podstawową funkcją uszczelnienia jest zapewnienie szczelności im wyższa jest szczelność, tym wyższa jest jakość uszczelnienia. Prawodawstwo wielu państw wprowadziło rygorystyczne przepisy dotyczące szczelności maszyn i urządzeń. Minimalny wyciek ze złączy kołnierzowych 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 obszaru styku uszczelnienia z powierzchniami uszczelnianymi (rys. 2). Dr hab. inż. Marek Gawliński (marek.gawlinski@pwr.edu.pl), dr inż. Przemysław Jaszak (przemyslaw.jaszak@pwr.edu.pl) Zakład Podstaw Konstrukcji i Maszyn Przepływowych, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska Rys. 2. Drogi wycieku ze złącza z uszczelnieniem spoczynkowym HYDRAULIKA I PNEUMATYKA 4/2015 5
Każda modyfikacja konstrukcji dowolnego typu uszczelnienia powinna polegać na wzmocnieniu efektu zwiększającego poziom szczelności. Efektem tym może być stopień zagęszczenia się materiału elastoplastycznego lub stopień wypełnienia nierówności 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 wyciek na wskroś, ponieważ przepływ gazu przez metal jest niemożliwy. 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 doszło do znacznego zagęszczenia materiału elastoplastycznego oraz, co jest równie ważne, do dokładnego wypełnienia nierówności na uszczelnianych powierzchniach złącza kołnierzowego. Skoro obciążenie uszczelnienia musi wzrosnąć, to jego sztywność musi być odpowiednio duża. W uszczelnieniach semimetalowych sztywność jest kwestią wyłącznie grubości i kształtu elementu metalowego. Płaskie uszczelnienia semimetalowe z gładkimi i perforowanymi wkładami metalowymi osiągają sztywność, której stopień zależy od grubości uszczelnienia. Przy tej samej wartości obciążenia wysokość ściśniętego uszczelnienia zmniejsza się proporcjonalnie do jego początkowej grubości. Oznacza to, że im grubsze 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 dopuszczalnej wartości nacisku na uszczelnienie z płaską folią metalową i warstwą grafitu ekspandowanego po jej obu stronach: w uszczelnieniu 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 grubszym uszczelnieniu jest konieczność zachowania odpowiedniego powrotu sprężystego oraz stopnia odkształcenia trwałego. Z wykresów (rys. 4a, b) wynika, że im cieńsze jest uszczelnienie, tym mniejsze mogą być w przypadku stałej wartości nacisku stykowego jego szerokość oraz odkształcenie. Jeżeli wytnie się okrągłe uszczelnienie (rys. 5), to na średnicy zewnętrznej i wewnętrznej odsłonięta zostanie płaska lub perforowana folia metalowa. Pojawią się dwie dodatkowe drogi Rys. 4. Szerokość i odkształcenie grafitowego uszczelnienia z płaską folią metalową o grubości 0,05 mm [1] potencjalnego wycieku od strony średnicy wewnętrznej uszczelnienia. Rys. 5. Semimetalowe uszczelnienie grafitowe: 1 okładzina grafitowa, 2 folia metalowa, dodatkowa droga potencjalnego wycieku Z przeprowadzonych badań wynika [2], że w uszczelnieniu wykonanym wyłącznie z grafitu ekspandowanego (G11), w uszczelnieniu grafitowym z dodatkiem włókien węglowych (G3) oraz w uszczelnieniu grafitowym wzmocnionym siatką stalową (G2) wielkość wycieku zdecydowanie maleje ze wzrostem nacisku stykowego (rys. 6). Natomiast w uszczelnieniach grafitowych z płaską (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 6 HYDRAULIKA I PNEUMATYKA 4/2015
Niestety, na pozostałej, znacznej części uszczelnienia nacisk stykowy jest znacznie mniejszy; przyczyną jest wypiętrzenie metalowego obramowania ponad powierzchnię grafitu, co jest wadą tej konstrukcji. Pewnym rozwiązaniem mogłoby być wykonanie obramowania z nieco cieńszej folii. Można również zaobserwować, że pomiędzy otworami perforacji nacisk jest mniejszy niż wokół krawędzi samych otworów. Rys. 6. Zależność wycieku od wartości montażowego nacisku stykowego w uszczelnieniach z elementami grafitowymi [2] elementu metalowego. W ten sposób można otrzymać pożądany lokalny wzrost nacisku stykowego. Uszczelnienie grafitowe wzmocnione perforowaną folią metalową można, oczywiście, doszczelnić za pomocą metalowego obramowania wokół średnicy wewnętrznej (rys. 7). Rys. 7. Uszczelnienie semimetalowe doszczelnione metalowym obramowaniem: 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 stykowego w kierunku promieniowym. Trzy odcinki tego papieru usytuowano co 120 pomiędzy uszczelnieniem a powierzchnią jednego 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 końca obramowania. Uszczelniany czynnik napotyka kolejną barierę 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 grafitowego z perforowaną folią metalową w miejscu zlutowania końców obramowania (a) oraz w dwóch innych miejscach na obwodzie uszczelnie Właściwości materiału elastoplastycznego a szczelność Wspomniano wcześniej, że do osiągnięcia najwyższej szczelności należy wykorzystywać najlepsze cechy materiałów stosowanych do budowy uszczelnień. Okazuje się, że grafit ekspandowany ma kilka takich cech. Należą do nich m. in. możliwość wykonania uszczelnienia z czystego grafitu ekspandowanego bez stosowania lepiszczy, otrzymanego w wyniku sprasowania grafitu ekspandowanego; nieściśliwość wykazywana wówczas, gdy gęstość tego materiału osiągnie graniczną wartość ρ = 2,2 g/cm 3. Po osiągnięciu tej gęstości należy tylko wywołać izotropowe ściskanie grafitu, aby zaczął on przekazywać na otaczające go ściany wywierane na niego obciążenie. Prawdopodobnie właśnie ten efekt wykorzystano w uszczelnieniu 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 kołnierzowym pojawia się koncentracja nacisku stykowego na grzbiecie obu fal; występuje tu styk metaliczny pomiędzy grzbietem fali a powierzchnią kołnierza. Grafit, zamknięty pomiędzy dwoma falami, jest również ściskany. Po osiągnięciu granicznej gęstości grafit zaczyna przekazywać wywierane na niego obciążenie, 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 uszczelnienia 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 wielokrawędziowych (rys. 10) oraz w uszczelnieniu spiralnym specjalnej konstrukcji (rys. 11). W uszczelnieniu wielokrawędziowym wykonuje się najpierw współśrodkowe rowki w kształcie litery V po obu stronach rdzenia stalowego, a następnie obkłada się go HYDRAULIKA I PNEUMATYKA 4/2015 7
dwoma płytami z grafitu ekspandowanego. Po ściśnięciu uszczelnienia grafit wypełnia rowki na rdzeniu, po czym, w miarę dalszego 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 grubości co najmniej kilkakrotnie grubszej od taśmy stosowanej w standardowych uszczelnieniach tego typu. Odkształcenie tak grubych zwojów wypełnionych i pokrytych taśmą grafitową wymaga znacznie większego obciążenia. Dzięki wysokiemu obciążeniu grafit może osiągnąć swoją gęstość graniczną, przy której wykazuje właściwości ciała nieściśliwego. Dotyczy to tej części grafitu, która zawarta jest pomiędzy krawędziami dwóch sąsiednich zwojów a powierzchnią kołnierza (rys. 11b). 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 każdym z osobna, segmencie grafitu zawartego pomiędzy kolejnymi parami taśmy szerszej i węższej. 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 trudności z wykonaniem profilu typu V, trudności związanych ze zwijaniem taśmy stalowej oraz z potrzebą wywołania nadmiernego obciążenia kołnierzy. Uszczelnienie ze wspomaganiem docisku grafitu W standardowym uszczelnieniu spiralnym dochodzi podczas jego ściskania do większego zagęszczania grafitu bardziej w środkowej strefie niż w obszarze przylegającym do powierzchni kołnierzy. Dzieje się tak przynajmniej w przypadku uszczelnienia o tym profilu taśmy metalowej (rys. 12). Konstruktorowi powinno zależeć, aby grafit był zagęszczany i dociskany do powierzchni 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 dociskania taśmy z grafitu ekspandowanego do powierzchni kołnierzy. W miarę ściskania uszczelnienia szersza i cieńsza taśma Rys. 13. Innowacyjne rozwiązanie uszczelnienia spiralnego Gamspir Plus [6] Przeprowadzono analizę MES uszczelnienia spiralnego. Podczas 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 wyraźne ściśnięcie szerszego zwoju taśmy stalowej, a grafit jest wyciskany w kierunku powierzchni kołnierza wzdłuż wypukłej 8 HYDRAULIKA I PNEUMATYKA 4/2015
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 podczas kolejnego ściśnięcia uszczelnienia Podsumowanie O szczelności uszczelnień semimetalowych decyduje stopień nieprzenikliwości materiału elastoplastycznego oraz stopień wypełnienia nierówności znajdujących się na powierzchni kołnierzy. Nieprzenikliwość materiału zależy przede wszystkim od jego struktury oraz nacisku stykowego. Podobna zależność dotyczy stopnia wypełnienia nierówności na powierzchni materiałem 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 metalowemu odpowiedni profil, doprowadzając do lokalnej koncentracji nacisku. Należy również wykorzystać właściwości materiału 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 Conference 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 zarejestrowane w dniu 26.05.2014 w Urzędzie Patentowym RP pod numerem P. 408314. fachowcy fachowcom ADRES REDAKCJI: ul. Piłsudskiego 74, p. 315 50-020 Wrocław tel./fax 71 344-81-26 e-mail: hipredakcja@o2.pl www.hydraulikaipneumatyka.pl HYDRAULIKA I PNEUMATYKA 4/2015 9