УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ШТОКА ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АРМАТУРЫ Российский патент 1999 года по МПК F16J15/30 

Изобретение относится к области уплотнительной техники и может быть использовано для уплотнения запорной арматуры.

Одной из проблем в данной области является создание надежной конструкции уплотнительного узла штока запорно-регулирующей арматуры. Надежность конструкции этого узла напрямую зависит от характера взаимодействия уплотнения с уплотняемой поверхностью штока, а поэтому желательно, чтобы сальниковые уплотнения имели низкий коэффициент трения.

Большинство выпускаемых сальниковых набивок (1) состоят из волокнистой сплетеной основы, пропитанной смазочным материалом. В начальный период затяжки уплотняемого соединения происходит уплотнение набивки за счет имеющихся пустот между нитями основы и частичного выдавливания смазочного материала. В процессе эксплуатации смазочный материал постепенно вымывается из набивки. В результате набивка теряет эластичность и дальнейшая подтяжка и герметизация сальника становятся невозможными.

Для снижения потерь на трение при конструировании уплотнительных узлов запорной арматуры широко применяют политетрафторэтилен (тефлон). Известны уплотнительные кольца (2) из расширенного графита, на рабочих поверхностях которых выполнены различной формы углубления, заполненные политетрафторэтиленовым порошком. Для лучшего сцепления с графитом могут добавляться вяжущие или склеивающие материалы.

Известны уплотнительные кольца для трубопроводной арматуры (3), состоящие из смеси фторопластовых и графитовых порошков.

Известны также уплотнительные кольца для сальников (4), изготовленные из лент, которые образованы из графитовых нитей пропитанных политетрафторэтиленом.

Известна сальниковая набивка (5), применяемая преимущественно для уплотнения воды и водяного пара, имеющая каркас из нескольких слоев лент, полученных спеканием измельченной углеродной ткани и порошкообразного политетрафторэтилена с последующим прессованием. Полученные из этого материала уплотнительные кольца могут дополнительно быть пропитаны или в расплавленном парафине, или в расплавленном низкомолекулярном полиэтилене.

Известны уплотнительные кольца (6), изготовленные из политетрафторэтиленовых лент, внутри которых введены армирующие нити, выполненные из углеграфитовых волокон.

Уплотнительные кольца (2-6) изготовлены из материала на основе политетрафторэтилена, а поэтому под действием высоких температур и давлений происходит спекание волокон, что приводит к потере эластичности уплотнительных колец. Дальнейшая подтяжка и герметизация сальника становятся невозможными. Поэтому очень перспективным является использование для сальников уплотнительных колец из расширенного графита, изделия из которого имеют низкий коэффициент трения, обладают упругостью и могут противостоять высокой температуре.

Наиболее близким по своей технической сущности по отношению к заявляемому устройству является уплотнительный узел штока запорно-регулирующей арматуры (7), состоящий из опорного и нажимного элементов, расположенных в расточке корпуса арматуры и размещенных между ними уплотнительных колец, выполненных из расширенного графита и герметизирующих уплотняемые поверхности штока и расточки корпуса.

Испытания на коррозионную стойкость при уплотнении воды и водяного пара показывают, что расширенный графит, применяемый в уплотнениях, должен отвечать очень высоким требованиям беспримесности в отношении содержания серы и хлоридов. Однако добиться их полного отсутствия не удается. Их следы всегда имеют место и они создают микропрослойку между контактирующими поверхностями уплотнительных колец и уплотняемой поверхностью штока. В процессе эксплуатации всегда имеется контакт между уплотняемой рабочей средой (вода и водяной пар) и расширенным графитом уплотнительных колец. Поскольку сера и хлориды являются составляющими солей сильных кислот, то при их контакте с рабочей средой, имеющей высокую температуру и давление, имеет место реакция ионного обмена между ними и водой с образованием раствора с кислой реакцией. Этот раствор, воздействуя на уплотняемую поверхность штока может вызвать ее коррозию. Наличие вышеуказанной микропрослойки вызывает повышенные потери на трение. Все это, в конечном итоге, приводит к снижению надежности уплотнения.

Технический результат достигаемый заявляемым изобретением заключается в снижении потерь на трение и в устранении коррозионного разрушения.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать конструкцию уплотнительного узла штока запорно-регулирующей арматуры, которая обеспечивала бы его надежную герметизацию.

Эта задача решается тем, что в уплотнительном узле штока запорно-регулирующей арматуры, состоящем из опорного и нажимного элементов, расположенных в расточке корпуса арматуры и размещенных между ними уплотнительных колец, выполненных из расширенного графита и герметизирующих уплотняемые поверхности штока и расточки корпуса, согласно изобретению каждое уплотнительное кольцо по периферийным и торцевым поверхностям насыщено тефлоном в количестве от 2% до 5% от массы кольца.

Целесообразно уплотнительные кольца из расширенного графита прессовать до плотности 1,4-1,8 г/см³.

Целесообразно насыщение тефлоном осуществлять путем окунания уплотнительного кольца в водную суспензию тефлона при комнатной температуре с последующей термообработкой при температуре 300-350^oC в течение пяти минут.

В патентуемом изобретении на периферийных и торцевых поверхностях уплотнительных колец из расширенного графита имеется слой композиционного материала. Благодаря этому слою уплотнительные кольца приобретают новые свойства, в частности резко уменьшился коэффициент трения и созданы условия, препятствующие образованию кислой среды при контакте расширенного графита уплотнительных колец с протечкой уплотняемой рабочей среды. При этом упругость уплотнительных колец осталась без изменения.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут выявлены ниже при рассмотрении конкретного примера его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображены:
фиг. 1 - узел уплотнения в разрезе;
фиг. 2 - место А.

Патентуемый уплотнительный узел штока 1 запорно-регулирующей арматуры состоит из опорного 2 и нажимного 3 элементов, расположенных в расточке 4 корпуса 5 арматуры. Между опорным 2 и нажимным 3 элементами размещены замыкающие кольца 6. Между замыкающими кольцами 6 размещен комплект уплотнительных колец 7 из расширенного графита, герметизирующих уплотняемые поверхности штока 1 и расточки 4 корпуса 5 арматуры. Уплотнительные кольца 7 могут быть изготовлены путем спиральной намотки ленты из расширенного графита, или из порошка расширенного графита, или из дробленой графитовой фольги с последующим холодным прессованием в пресс-форме. Плотность этих колец в пределах 1,4-1,8 г/см³, но наиболее предпочтительной является плотность 1,5-1,6 г/см³.

Замыкающие кольца 6 являются не обязательными, а предпочтительными элементами конструкции уплотнительного узла, о чем будет сказано ниже. Кольца 6 конструктивно могут отличаться от колец 7, но их наружные и внутренний периферийные поверхности, контактирующие соответственно с уплотняемыми поверхностями штока 1 и расточки 4 корпуса 5 арматуры целесообразно выполнить из расширенного графита. Плотность замыкающих колец 6 выше плотности уплотнительных колец 7.

Каждое уплотнительное кольцо 7 по периферийным и торцевым поверхностям насыщены тефлоном в количестве от 2% до 5% от массы уплотнительного кольца. Насыщение тефлоном по экономическим соображениям целесообразно осуществить путем окунания уплотнительного кольца 7 в водную суспензию тефлона с последующей термообработкой при температуре 300-350^oC в течение пяти минут. Тефлон на микроуровне внедряется в поры расширенного графита по периферийным и торцевым поверхностям уплотнительного кольца 7, образуя на этих поверхностях слои 8 и 9 композиционного материала. Таким образом уплотнительные кольца 7 имеют градиент концентрации тефлона на периферийных и торцевых поверхностях. В силу этого периферийные и торцевые участки уплотнительных колец обладают свойствами, отличающимися от свойств всей остальной части уплотнительного кольца. Эти поверхности имеют коэффициент трения значительно ниже коэффициента трения расширенного графита, а кроме того на этих поверхностях не происходит образование кислой среды при их контакте с протечками уплотняемой рабочей среды. Поскольку слои композиционного материала образованы на микроуровне, они не могут вызвать изменение упругости уплотнительных колец.

Насыщение уплотнительных колец 7 тефлоном в количестве, выходящем за вышеуказанные пределы, приводит к ухудшению качества уплотнительных колец. Верхний и нижний пределы плотности уплотнительных колец 7 определяются возможностью более простого обеспечения требуемой степени насыщения уплотнительных колец тефлоном и удобством монтажа и затяжки уплотняемого соединения.

Замыкающие кольца 6 по периферийным и торцевым поверхностям также могут быть насыщены тефлоном, аналогично уплотнительным кольцам 7.

Принцип работы патентуемого уплотнительного узла заключается в следующем. В процессе герметизации нажимной элемент 3 через верхнее замыкающее кольцо 6 воздействует на комплект уплотнительных колец 7 и прижимает их через нижнее замыкающее кольцо 6 к опорному элементу 2. Уплотнительные кольца 7 при этом входят в плотный контакт своими слоями 8 с уплотняемыми поверхностями штока 1 и расточки 4 корпуса 5 арматуры, а слоями 9 - между собой. Замыкающие кольца 6 обеспечивают с одной стороны более равномерную передачу давления от нажимного 3 элемента на комплект уплотнительных колец 7, а с другой стороны, в силу своей большей жесткости (обусловлено их большей плотностью по сравнению с плотностью уплотнительных колец 7), они обеспечивают опережающий контакт уплотнительных колец 7 с уплотняемыми поверхностями штока и расточкой корпуса арматуры. Благодаря этому обеспечивается более плотный контакт уплотнительных колец 7 с уплотняемыми поверхностями штока и расточкой корпуса арматуры. В то же время контакт замыкающих колец со штоком будет менее плотным, в силу чего потери на трение на замыкающих кольцах 6 будет меньше, аналогичных потерь на уплотнительных кольцах 7.

Контакт слоев 8 с уплотняемой поверхностью штока будет происходить со значительно меньшими потерями на трение при перемещении штока, а совместно с контактами слоев 9 соседних уплотнительных колец 7 между собой исключит образование кислой среды при протечках уплотняемой рабочей среды. Все это будет способствовать обеспечению надежной герметизации уплотнительного узла штока запорно-регулирующей арматуры.

Источники информации:
1. Уплотнения и уплотнительная техника. Справочник, М., Машиностроение, 1986 г., с. 351
2. п. DE N 4228073, кл. F 16 J 15/10
3. а.с. СССР N 391314, кл. F 16 J 15/20
4. п. FR N 2299958, кл. F 16 J 15/00
5. а.с. СССР N 1460492, кл. F 16 J 15/00
6. а.с. СССР N 1643831, кл. F 16 J 15/20
7. п. US N 4826181, кл. F 16 J 15/30

Уплотнительный узел содержит опорный и нажимной элементы, расположенные в расточке корпуса арматуры, и размещенные между ними уплотнительные кольца, выполненные из расширенного графита и герметизирующие уплотняемые поверхности штока и расточки корпуса. Каждое уплотнительное кольцо по периферии и торцевым поверхностям насыщено тефлоном в количестве 2 - 5% от массы кольца. Уплотнительные кольца из расширенного графита могут быть отделены от опорного и нажимного элементов замыкающими кольцами. Изобретение снижает потери на трение и устраняет коррозионное разрушение уплотнения. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнительный узел штока запорно-регулирующей арматуры, состоящий из опорного и нажимного элементов, расположенных в расточке корпуса арматуры, и размещенных между ними уплотнительных колец, выполненных из расширенного графита и герметизирующих уплотняемые поверхности штока и расточки корпуса, отличающийся тем, что каждое уплотнительное кольцо по периферийным и торцевым поверхностям насыщено тефлоном в количестве 2 - 5% от массы кольца. 2. Уплотнительный узел штока запорно-регулирующей арматуры по п.1, отличающийся тем, что плотность уплотнительных колец из расширенного графита в пределах 1,4 - 1,8 г/см³. 3. Уплотнительный узел штока запорно-регулирующей арматуры по п.1, отличающийся тем, что насыщение тефлоном осуществлено путем окунания уплотнительного кольца из расширенного графита в водную суспензию тефлона при комнатной температуре с последующей термообработкой при 300 - 350^oC в течение 5 мин.