Выбор материала арматуры: прокладка, набивка и температурные пределы корпуса
I. Рабочая температура распространённых прокладок арматуры
При выборе материала прокладки необходимо одновременно учитывать температуру среды, давление, коррозионную активность и тип уплотнительной поверхности фланца. Ниже приведена сводка с классификацией по типу прокладки.
1. Резиновые прокладки
Резиновые прокладки обеспечивают герметичность за счёт эластичности материала и подходят для работы при низком давлении и температуре окружающей среды. Верхний температурный предел зависит от типа резины.
№ | Наименование | Рабочая температура (°C) |
1 | Натуральный каучук | -50 до 90 |
2 | Неопреновый каучук | -40 до 100 |
3 | Нитрильный каучук (NBR) | -30 до 110 |
4 | Бутадиен-стирольный каучук (SBR) | -30 до 100 |
5 | Этилен-пропиленовый каучук (EPDM) | -40 до 130 |
6 | Фторкаучук (FKM) | -50 до 200 |
2. Неметаллические и композитные прокладки
Асбестовые резиновые листы в значительной степени выведены из эксплуатации из-за ограничений на асбест и редко используются в современной инженерной практике. Прокладки из синтетического волокна и гибкие графитовые композитные прокладки в настоящее время являются наиболее широко применяемыми решениями.
Нет. | Наименование | Рабочая температура (°C) |
7 | Асбестовый каучуковый лист | ≤ 300 |
8 | Синтетический волокнистый каучук | от -40 до 200 |
9 | Политетрафторэтилен (ПТФЭ) | ≤ 200 |
10 | ПТФЭ со стекловолокном | -100 до 260 |
11 | Низкоуглеродистая сталь + композитная прокладка из гибкого графита | ≤ 450 |
12 | 304 + композитная прокладка из гибкого графита | ≤ 650 |
3. Рубашечные прокладки
Оболочковые прокладки состоят из металлической внешней оболочки, заключающей неметаллический наполнитель, сочетая прочность металла с герметизирующей адаптивностью неметаллических материалов.
Нет. | Наименование | Рабочая температура (°C) |
13 | Оболочковая прокладка из чистого алюминия L3 + асбестовая резина | ≤ 200 |
14 | Оболочковая прокладка из чистой меди T3 + асбестовая резина | ≤ 300 |
15 | Оболочковая прокладка из тонкого лужёного медного листа + асбестовая резина | ≤ 400 |
16 | Тонкий медный лист с цинковым покрытием + прокладка с асбестовой резиновой оболочкой | ≤ 400 |
17 | 0Cr18Ni9 + прокладка с асбестовой резиновой оболочкой | ≤ 500 |
18 | 00Cr19Ni10 + прокладка с асбестовой резиновой оболочкой | ≤ 500 |
19 | 00Cr17Ni14Mo2 + прокладка с асбестовой резиновой оболочкой | ≤ 500 |
4. Спирально-навитые прокладки
Спирально-навитые прокладки изготавливаются путём попеременной навивки металлических и неметаллических лент, сочетая прочность и герметизирующие свойства. Они являются распространённым выбором для фланцевых соединений, работающих при высоких температурах и давлении.
№ | Наименование | Рабочая температура (°C) |
20 | 0Cr18Ni9 + спирально-навитая прокладка из специального асбестового бумажного волокна | ≤ 500 |
21 | 0Cr17Ni14Mo2 + спирально-навитая прокладка из гибкого графита | ≤ 650 |
22 | 00Cr17Ni14Mo2 + PTFE Спирально-навитая прокладка | ≤ 200 |
5. Прокладки с канавками (зубчатые)
Прокладки с канавками имеют концентрические насечки, выполненные на верхней и нижней поверхностях металлической сердцевины, покрытые слоями гибкого графита или PTFE. Они подходят для эксплуатации при высоких температурах, высоком давлении и колеблющихся температурах.
№ | Наименование | Рабочая температура (°C) |
23 | 10 или 08 + прокладка с канавками из гибкого графита | ≤ 450 |
24 | 0Cr13 + прокладка с канавками из гибкого графита | ≤ 540 |
25 | 304 + профильная прокладка из гибкого графита | ≤ 650 |
26 | 316 + профильная прокладка из ПТФЭ | ≤ 200 |
II. Рабочая температура распространённых набивок для арматуры
Набивка используется для уплотнения штока, и её температурная применимость напрямую влияет на надёжность динамического уплотнения штока.
№ | Наименование | Рабочая температура (°C) |
1 | Кольцо из гибкого графитового набивочного материала | ≤ 600 |
2 | Кольцо из набивочного материала PTFE | ≤ 200 |
3 | Плетёный набивочный материал из нержавеющей стали + гибкого графита | ≤ 600 |
4 | Плетёная набивка из расширенного PTFE с графитом | ≤ 250 |
5 | Пропитанный маслом асбестовый шнур | ≤ 450 |
6 | Графитоасбестовый шнур | ≤ 450 |
Примечания по выбору:
- Гибкая графитовая набивка имеет самый высокий температурный предел (600°C) и является предпочтительным выбором для уплотнения штока клапана при высоких температурах. Однако следует учитывать, что графит может подвергаться окислительной потере в сильнокислотных средах.
- Набивка из ПТФЭ имеет более низкий температурный предел (200°C) и подходит для работы при температуре окружающей среды и средних/низких температурах. Она отличается низким коэффициентом трения и хорошими уплотнительными свойствами.
- Асбестовая набивка постепенно заменена гибким графитом.
III. Материалы корпуса клапана и рабочие температуры
1. Чугунные клапаны
Чугунные клапаны обладают плохой теплопроводностью и являются хрупкими материалами. Согласно ANSI B16.1, диапазон рабочих температур составляет от -29 до 232°C. Однако чугун проявляет выраженную низкотемпературную хрупкость; рекомендуется, чтобы рабочая температура была не ниже 0°C. В настоящее время чугунные клапаны редко используются в нефтехимической промышленности, а национальные нормативы явно запрещают использование чугуна для бытовых смесителей.
2. Клапаны из углеродистой стали
Литая углеродистая сталь (ASTM A216 WCB) и кованая углеродистая сталь (ASTM A105) имеют диапазон рабочих температур от -29 до 425°C. Для обеспечения безопасности рекомендуется, чтобы рабочая температура не превышала 400°C.
3. Криогенные клапаны
Обычные материалы для криогенных клапанов включают LCB, LCC, LF2, LF3 и аустенитные нержавеющие стали, такие как CF8, CF3, CF8M, CF3M, 304, 304L, 316 и 316L. В реальном производстве аустенитная нержавеющая сталь является основным материалом для криогенных клапанов:
- CF8: подходит для -196°C
- CF8M, CF3M: подходят для -254°C
Особые конструктивные требования к криогенным клапанам:
Задвижки, запорные клапаны и шаровые краны должны быть оснащены удлинённой крышкой и изоляционной пластиной, чтобы температура сальниковой камеры оставалась выше 0°C.
- Отверстие для сброса давления:
Задвижки и шаровые краны должны иметь отверстие для сброса давления на входном конце. Сжиженный нефтяной газ и другие криогенные жидкости при нагревании могут увеличить давление почти в 100 раз и расшириться в объёме примерно в 600 раз. Без сброса давления сальник и прокладка могут быть выбиты, а в серьёзных случаях корпус клапана или крышка могут разорваться.
- Однонаправленное уплотнение:
Из-за дренажного отверстия все криогенные клапаны имеют однонаправленное уплотнение. На корпусе клапана должна быть нанесена стрелка, указывающая направление потока среды.
4. Коррозионностойкие нержавеющие клапаны
Коррозионностойкие нержавеющие стали — это высокохромистые никелевые или высокохромистые никель-молибденовые аустенитные нержавеющие стали, используемые для различных агрессивных сред. Они классифицируются на три типа в зависимости от вида коррозии:
Тип коррозии | Типичная среда | Применимые материалы |
Окисляющая кислота | Азотная кислота (HNO₃) | CF8, CF3, 304, 304L |
Восстанавливающая кислота | Уксусная кислота (CH₃COOH) | CF8M, CF3M, 316, 316L |
Галогеновая кислота | Плавиковая кислота (HF) | Монель-сплав (M35-1, Monel 400, Monel K500) |
Нержавеющие стали, используемые для коррозионностойкой арматуры, требуют как можно более низкого содержания углерода (≤0,08%) или сверхнизкого углерода (≤0,03%). Их рабочая температура обычно ≤200°C.
5. Жаростойкая нержавеющая сталь для арматуры
Аустенитные нержавеющие стали также могут применяться для высокотемпературной арматуры. Однако при использовании в качестве жаропрочной стали требуется соответствующее увеличение содержания углерода (для получения более высокой жаропрочности), а материал должен пройти специальную выплавку как жаропрочная сталь и термическую обработку. Низкоуглеродистые нержавеющие стали, не прошедшие выплавку и обработку в качестве жаропрочной стали, не могут применяться для высокотемпературной арматуры. Для одного и того же материала из нержавеющей стали требования к состоянию термической обработки и содержанию углерода принципиально различаются в зависимости от областей применения: криогенной, коррозионностойкой и жаропрочной. Это необходимо различать при выборе материала.
IV. Краткий справочник по выбору температуры
Диапазон температур | Рекомендуемая прокладка | Рекомендуемая набивка | Рекомендуемый материал корпуса |
≤ 200°C | ПТФЭ, резина | Уплотнительное кольцо из ПТФЭ | Чугун, углеродистая сталь, нержавеющая сталь |
200–425°C | Комбинированная прокладка из гибкого графита | Набивка из гибкого графита | Углеродистая сталь (≤400°C) |
425–650°C | 304 + комбинированная прокладка из гибкого графита | Уплотнительное кольцо из гибкого графита | Нержавеющая сталь (жаропрочная марка) |
≤ -46°C | Нержавеющая сталь + спирально-навитая прокладка из гибкого графита | Набивка из гибкого графита | Аустенитная нержавеющая сталь (CF8/CF8M/CF3M) |