Назначение и применение резиновых уплотнительных колец

Промышленное оборудование имеет множество соединений. Для их герметизации и защиты используется уплотнительное кольцо, представленное в нескольких вариантах с различными параметрами.

Применение

Уплотнительные кольца применяются для герметизации соединений различного оборудования вроде насосов, канализационных систем, газопроводов и т. д. Помимо герметизации данные элементы выполняют функции гашения шума и вибраций и изоляции от пыли, солнца, влаги и т. д.

Параметры

Уплотнительные кольца в целом рассчитаны на воздействие соленой и пресной воды, топлива, смазки и некоторых прочих химически активных веществ. Предельное давление значительно различается для вариантов для подвижных и стационарных соединений. К тому же в первом случае важна скорость движения. Диапазон рабочих температур – от -50 до 130 °C. Отдельные варианты уплотнительных колец характеризуются специфическими значениями названных параметров в зависимости от назначения.

Для уплотнительных колец исходные материалы представлены полиуретаном, NBR-резиной, фтор- и силиконовым каучуком.

Среди названных материалов полиуретан в 2-3 раза по износостойкости превосходит резину. Поэтому уплотнительными кольцами из него нередко заменяют стандартные резиновые элементы. Силикон и фторсодержащая резина также превосходят по долговечности резину.

При этом любой материал для уплотнительных колец должен соответствовать ряду требований.

Во-первых, данные элементы должны обладать стойкостью к влиянию химически активных сред.
Во-вторых, в некоторых случаях требуется термостойкость.
В-третьих, нередко необходима морозостойкость, определяющая сохранение уплотнительными кольцами эластичности до определенного термического порога.
В-четвертых, необходимо учитывать воздействие их самих на изделия, с которыми они контактируют, то есть коррозионную активность.
В-пятых, данные изделия существенно различаются по твердости в зависимости от назначения.
В-шестых, важна износостойкость.

Жесткостью называют возможность сопротивления деформации. Она определяется на основе соотношения остаточной деформации к силе удара. С ней связана способность к возврату в начальное состояние после устранения напряжений.

Особый тип условий проявляется при использовании уплотнительных колец на границе вакуума и воздуха. В данном случае существенно ускоряются окислительные процессы. Для предохранения изделий от них в состав включают дополнительные компоненты.

Кроме того, при давлении более 10 МПа проявляется кессонный эффект, способный привести к разрушению. Ему хорошо противостоят уплотнительные кольца из плотного и твердого материала.

Выбор уплотнительных колец осуществляют на основе их параметров с учетом условий применения. Так, значение имеют температура и давление. К тому же ввиду того, что рассматриваемые детали подвергаются сжатию и растяжению, важна их способность к возврату в начальное состояние. Также при выборе уплотнительных колец имеет значение размер. Требуемое значение определяется на основе параметров соединения.

Для отображения основных характеристик уплотнительных колец разработана система маркировки. Полное обозначение представлено пятизначной цифровой комбинацией. Первые три числа отражают диаметр: первое – штока, второе – цилиндра (диаметр изделия, на который рассчитан уплотнитель, при этом для плотного прилегания диаметр его самого немного меньше), третье –сечения (*10). Четвертое число означает группу точности, пятое – группу материала (0-3 – бутадиен-нитрильный каучук, 4-6 — фторкаучук).

Нужно учитывать, что вид маркировки определяется типом уплотнительного кольца. Полные маркировки применяются редко.

Классификация

Основным критерием дифференциации уплотнительных колец считают форму сечения. По данному параметру их подразделяют на круглые, прямоугольные, x-образные.

Детали круглого сечения служат в качестве герметизирующих элементов в гидравлических и пневматических устройствах, смазочных и топливных системах. По назначению их классифицируют на варианты для подвижных и статичных соединений и изделия только для подвижных соединений. Размеры рассматриваемых изделий обозначают цифровыми маркировками типа 25х35х10, отражающими только диаметр. Первое значение относится к штоку, второе – к цилиндру, третье – к сечению (*10) в мм. Следует отметить, что иностранные производители используют двузначные маркировки без диаметра цилиндра.

Кольца прямоугольного сечения (R-ring) применяются преимущественно в статичных соединениях. Это обусловлено тем, что в подвижных узлах прямоугольные кромки изнашиваются быстрее вследствие значительно большего трения. Ввиду этого допустимо применение прямоугольных уплотнительных колец в соединениях со скоростью поступательного движения до 0,5 м/с. Кроме того, в некоторых случаях с целью снижения износа сокращают площадь контакта путем снятия фаски. Однако нужно учитывать, что такие варианты подходят для рабочего давления до 1 МПа. Стандартные прямоугольные изделия рассчитаны на давление до 50 МПа. Диапазон рабочих температур определяется материалом: изделия из бутадиен-нитрильного каучука применимы при -50-150 °C, из силиконового каучука – при -60-200 °C, из фторированного каучука – при -25-200 °C. К тому же материал определяет устойчивость изделий к воздействию химически активных сред. Так, фторкаучуковые уплотнительные кольца подходят для спиртов и кетонов, в то время как с бензином и бутаном следует использовать варианты из бутадиен-нитрильного каучука. Для обозначения размеров прямоугольных вариантов используются аналогичные трехзначные маркировки. В данном случае первые два числа определяет диаметр штока и цилиндра соответственно, третье – высоту в мм. Приведенные характеристики обуславливают основные сферы применения прямоугольных уплотнительных колец. В основном их используют в арматурных фланцевых соединениях, в том числе открытых, а также в трубопроводах. Там они выполняют функции герметизации и защиты от влаги и пыли.

Модели квадратного сечения считаются вариантом прямоугольных изделий с равными значениями высоты и толщины. По параметрам и назначению они аналогичны.

Изделия X-образного сечения имеют четыре закругленных края с промежуточными дугообразными выемками в поперечном разрезе. Данная конструкция служит для предотвращения скручивания. Это модели двухстроннего действия, имеющие обширный рабочий диапазон давления. Их производят из трех типов материала: нитрилового (NBR), фтористого (FKM/FPM) и этиленово-пропиленового (EPDM) каучука. Изделия первого типа характеризуются наибольшей твердостью (до 90 по Шору). Варианты из фтористого каучука отличаются наибольшей рабочей температурой (до 200 °C), а модели из EPDM – наименьшей (до -40 °C). X-образные варианты известны также как x-rings и q-rings.

Еще одним параметром дифференциации уплотнительных колец является твердость. По данному критерию их классифицируют на мягкие, средней твердости, твердые, очень твердые.

В данной статье рассмотрены преимущественно резиновые уплотнительные кольца. Однако существуют варианты из более твердых материалов.

Медные уплотнительные кольца, несмотря на называние, производят как из меди, так и из прочих цветных металлов, их сплавов, а также пластика. Данные изделия служат для герметизации резьбовых соединений топливной аппаратуры, гидравлических механизмов и т. д.
Уплотнительные кольца из фторопласта рассчитаны на предотвращения выдавливания в зазор резиновых моделей.
Графитовые изделия, служат для герметизации соединений. Их применяют для нефтехимического, энергетического, газового оборудования вместо прокладок и шнуров.
Металлорезиновые варианты представлены металлическими шайбами, как и медные, с внутренней износостойкой резиновой вставкой. Используются также для герметизации резьбовых соединений.

По совокупности параметров выделяют несколько видов уплотнительных колец, основными среди которых являются три.

Маслобензостойкие кольца производят из нитрил-бутадиенового каучука (резины 0-4 групп). Наиболее широкий диапазон рабочих температур от -45 до 130 °C имеют варианты из резины 4 группы.
Термостойкие изделия из фторкаучука (резина 5, 6 групп) рассчитаны на температуры от -20 до 200 °C (резина 6 группы).
Силиконовые варианты соответствующего состава (резина 7 группы) имеют диапазон рабочих температур от -50 до 250 °C.

Максимальное рабочее давление для названных типов круглых уплотнительных колец составляет 10 МПа для подвижных соединений и 40 для неподвижных.

Маслобензостойкие варианты, как следует из названия, мало восприимчивы к химическому влиянию нефтяных продуктов, таких как дизельное топливо, мазут, бензин, смазочных веществ, минеральных и синтетических масел, воды, жиров, газов типа бутана и пропана, спирта, кислот (в разбавленном состоянии), солей, 40% ароматических веществ. К тому же они характеризуются высокой эластичностью и небольшой остаточной деформацией. Их также называют бензостойкими (на основе свойств) и кольцами NBR (по исходному материалу).

Термостойкие изделия являются наиболее устойчивыми к воздействиям различного рода (химическим, термическим, механическим) среди уплотнительных колец. Так, они невосприимчивы к влиянию ароматических углеводородов, топливо-смазочных материалов, кислот, щелочей, а также ультрафиолета и радиации. К тому же они характеризуются хорошими диэлектрическими параметрами. Однако рассматриваемые изделия чувствительны к ацетону, муравьиной кислоте и аммиаку. Основным свойством таких уплотнительных колец является устойчивость к термическому влиянию. Приведенными параметрами обусловлена очень обширная сфера их применения, но особо актуальны такие варианты для узлов с высокой рабочей температурой. Они встречаются под названиями FKM, FPM (по исходному материалу), Viton (по названию марки одного из производителей), высокотемпературные (по свойствам).

Силиконовые варианты относятся к экологически чистым изделиям. К тому же они характеризуются очень высокой термической устойчивостью: рассчитаны на температуру от -60 до 260 °C, кратковременно могут выдерживать более 300 °C. Данные варианты устойчивы к воздействию химически активных сред, таких как вода (соленая и пресная), кислоты, фенолы, щелочи, спирты, нефть, смазки, соли, масла, перекись водорода, озон, а также электрических полей ультрафиолета и вакуума. Обладают диэлектрическими свойствами. Названные параметры определяют обширную сферу применения силиконовых уплотнительных колец. Особо актуальны они для отраслей, где требуются экологически чистые материалы.

Как видно, систематика рассматриваемых изделий весьма сложна. Многие варианты соответствуют нескольким классификациям, например, силиконовые уплотнительные кольца прямоугольного сечения, термостойкие круглого сечения и т. д.

ГОСТы

Многие характеристики уплотнительных колец регламентируются ГОСТами. Так, для вариантов круглого сечения создан ГОСТ-18829-2017. Он описывает исходные материалы и их свойства, параметры поверхности, эксплуатационный срок, особенности приемки и испытаний, правила маркировки, упаковки, транспортирования и хранения, гарантию. ГОСТ 9833-73 регламентирует размеры. Кроме того, существует международный ISO 3601 и ряд государственных стандартов (DIN 3771 и др.).

Скачать ГОСТ 18829-2017

Скачать ГОСТ 9833-73

Параметры уплотнительных колец прямоугольного сечения определяются ГОСТом 15180-86 для плоских эластичных прокладок. Для элементов квадратного сечения используется тот же ГОСТ. Межгосудартственного стандарта для них не существует. Однако в некоторых случаях используют ТУ 38.105376-92 либо ТУ 2500-37600152106-94.

Скачать ГОСТ 15180-86

Фторопластовые изделия описываются ГОСТом 23825-79, графитовые – ТУ 38.314-25-6-91, медные – DIN 7603.

Особенности изделий для труб теплообменников диаметром 45 мм описаны ГОСТ 24191-80. Технические требования для них приведены в ГОСТ 24201-80. ГОСТ 38-52 регламентирует варианты для тормозных рукавов.