Анализ повреждений уплотнительных колец.

Анализ повреждений уплотнительных колец

Требования к уплотнительным кольцам круглого сечения

Зачастую сложно определить, какая из причин вызвала выход из строя уплотнительного кольца, возможно это проектные параметры, ошибки при сборке или изменения условий эксплуатации. Во многих случаях неисправности вызываются несколькими различными факторами, влияющими одновременно.

Оптимальный срок службы и надежность могут быть достигнуты только уменьшением вероятности выхода из строя уплотнения за счет выполнения надлежащего проектирования, правильного выбора материалов, практических испытаний и подготовленного технического персонала.

Следующие описания характеризуют наиболее частые типы неисправностей уплотнительных колец и описывают способы их устранения. В связи с тем, что уплотнения используются в широком диапазоне применений, требования также могут отличаться.

Типовые требования включают:

- стойкость к среде,

- температурную стойкость,

- стойкость к давлению,

- абразивную стойкость,

- компактность конструкции,

- возможность замены.

Обычно дефекты явно видны на уплотнительном кольце. Это позволяет внести корректировки, например заменить компаунд.

Выдавливание в зазор в результате действия давления

Уплотнительное действие кольца круглого сечения достигается благодаря его упругости в сжатом состоянии без давления между двумя зонами уплотнения (рис. 1). При нарастании давления уплотнительные кольца ведут себя подобно несжимаемым жидкостям и увеличивают свою контактную силу давления на уплотнения пропорционально давлению (рис. 2). Сростом давления все больший объем уплотнительного кольца запрессовывается в зазор уплотнения, срезается - «сдирается» - или подвергается «обрубке» дыханием машины (рис.3).

Рис. 1 Благодаря своему упругому поведению уплотнительное кольцо оказывает уплотнительное действие в сжатом состоянии без давления между двумя зонами уплотнения.

Рис. 2 При подаче давления уплотнительное кольцо действует как несжимаемая жидкость, прилагая давление на канавку пропорционально давлению системы.

Рис. 3 При более высоком давлении все больший объем уплотнительного кольца выталкивается в зазор. Опорное кольцо предотвращает выдавливание в зазор.

Рис. 4 Защитное кольцо на стороне без давления предотвращает выдавливание в зазор.

«Содранные» или «обрубленные» поверхности отражают наиболее распространенный дефект уплотнительного кольца круглого сечения. Это является причиной того, что выдавленный объем уплотнительного кольца зажат в зазоре и был вырван из него (рис. 5-7).

Рис. 5 Выдавленное уплотнительное кольцо

Рис.6 Выдавленное уплотнительное кольцо

Рис.7 Разодранное уплотнительное кольцо

Выдавливание может возникать в следующих условиях:

- динамическое уплотнение,

- статическое уплотнение с пульсирующим давлением,

- статическое уплотнение с высоким давлением,

- дышащие детали машины,

- слишком широкие зазоры,

Основные причины известны. Необходимость в экономной обработке зачастую ведет к слишком большим допускам и, следовательно, слишком большим зазорам. Другой причиной, которая часто остается незамеченной, является склонность крышек, фланцев или цилиндров к изгибанию и, вследствие этого, растягиванию болтов под нагрузкой.

В этих случаях внутреннего сопротивления уплотняемого материала становится недостаточно для более быстрого стягивания, чем у детали машины, которая открывает зазор. Или же превышается стойкость материала и части уплотнительного кольца срезаются и выталкиваются в зазор.

Стойкость к выдавливанию может быть оценена при помощи значений модуля упругости при 100 %-ном удлинении (измеренном в Н/мм2). Если значения модуля упругости недоступны, можно использовать твердость в качестве критерия для стойкости к выдавливанию.

Физические свойства (значения напряжений) могут ухудшаться в результате воздействия высоких температур и разбухания.

Повреждение в результате выдавливания также может быть вызвано следующими явлениями:

- слишком мягкий материал уплотнительного кольца;

- физические и (или) химические воздействия (разбухание, изменение твердости и т. д.);

- неравномерность зазоров, вызванная несносностью;

- острые углы посадочной канавки уплотнительного кольца;

- переполнение канавки;

- материал уплотнительного кольца, который размягчается при более высоких температурах.

Если выдавливание возникает из-за факторов, перечисленных выше, выход из строя можно предотвратить, предприняв следующие меры:

- уменьшение допусков для уменьшения размера зазора;

- установка опорного защитного кольца против выдавливания в зазор;

- увеличение твердости материала уплотнительного кольца;

- проверка совместимости среды;

- ограничение применения допусков, которые ведут к несносности или замена деталей машины, вызывающих дыхание;

- изменение радиуса канавки (минимум на величину от 0,1 мм до 0,4 мм).

На рис. 3 и 4 указаны диапазоны, при которых должны использоваться опорные кольца вследствие высокого давления и (или) большого диаметрального зазора. При применении уплотнения возвратно-поступательного типа должны использоваться два опорных кольца.

Выход из строя из-за остаточной деформации при сжатии

Остаточная деформация при сжатии, частичная или полная потеря упругой памяти эластомера, является другим общим недостатком. Когда уплотнительное кольцо более не может упруго контактировать с зоной уплотнения, его уплотнительное действие исчезает.

Главная причина этого может быть связана с материалом и условиями эксплуатации.

Упругость материала зависит от состава каучука и рабочей температуры, а также от типа и длительности деформации, свойств старения компаунда и химической стойкости. Уплотнительное действие уплотнительного кольца несомненно зависит от низкой остаточной деформации при сжатии. Остаточная деформация описывает упругое поведение в условиях эксплуатации и в течение срока службы уплотнения.

Ухудшение упругих свойств в общем случае может объясняться потерей узлов поперечных связей между цепями молекулы или образованием новых узлов (создаваемых поступлением энергии - затвердеванием). Остаточная деформация при сжатии обычно обратима. При более высоких температурах упругость возвращается, и уплотняющая сила действует снова. Это дает точку отсчета для низкотемпературной гибкости эластомера.

Высокая остаточная деформация при сжатии и последующая потеря уплотнительного действия могут быть вызваны следующими причинами:

- низкое качество материала;

- неправильная конструкция посадочной канавки (недостаточная или избыточная деформация увеличивает процентное соотношение остаточной деформации при сжатии,

- превышение рабочей температурой ожидаемого значения (каучук затвердевает);

- контакт с несовместимой средой.

Появления неисправностей данного типа можно избежать внесением следующих изменений:

- выбор материала, подходящего для условий эксплуатации;

- использование смеси материала высокого качества с низкой остаточной деформацией при сжатии;

- уменьшение воздействия температуры системы на уплотнение;

- уменьшение нагрева от трения;

- проверка материала уплотнительного кольца;

- использование посадочной канавки правильной конструкции посадочной канавки.

Рис. 8 Пример повреждения, вызванного высокой остаточной деформацией при сжатии

Перекрученные уплотнительные кольца, спиральные дефекты

Эти повреждения являются типичными. Внешне они характеризуются отметками спиральной формы или порезами на поверхности уплотнительного кольца, которые обычно ведут к разрушению (рис. 9 и 10).

Повреждение обычно возникает следующим образом:

В динамических уплотнениях этот дефект может возникнуть из-за изменения сжатия поперечного сечения уплотнительного кольца вследствие потери округлости или несносности уплотняемых компонентов. Следовательно, части уплотнительного кольца будут скользить, в то время как другие будут вращаться. Это ведет к образованию спиральных отметок или порезам из-за перекручивания уплотнительного кольца. Обычно они имеют угол меньше 45°.

- В статических уплотнениях уплотнительное кольцо обычно закручивается во время его установки в канавку. Из-за неблагоприятного отношения между поперечным сечением и внутренним диаметром (большой диаметр и малое поперечное сечение) уплотнительное кольцо вращается в области сборки внутри канавки.

Рис.9 перекрученное уплотнительное кольцо со спиральными дефектами

Рис.10 перекрученное уплотнительное кольцо с порезами на поверхности

Повреждение может быть вызвано следующими причинами:

- некруглые компоненты сборки;

- несоосные компоненты сборки; очень грубые поверхности;

- отсутствие смазки или плохая смазка;

- слишком мягкий материал уплотнительного кольца (отсутствие размерной стабильности);

- недостаточная скорость хода поршня (смазочная пленка может быть выдавлена);

- ошибка при сборке (уплотнительное кольцо установлено в перевернутом состоянии);

- неблагоприятное соотношение поперечного сечения к внутреннему диаметру.

Появления неисправностей данного типа можно избежать внесением следующих изменений:

- уменьшение отклонения от округлости или несносности деталей машины;

- уменьшение деформации диаметра поперечного сечения уплотнительного кольца;

- обеспечение наличия смазки;

- улучшение обработки поверхности;

- использование более твердого уплотнительного кольца;

- выбор большего соотношения поперечного сечения к внутреннему диаметру;

· аккуратная сборка с использованием смазочного материала

Взрывная декомпрессия

Так как все эластомеры проницаемы, газы под давлением будут проникать в уплотнительный материал. Чем выше давление, тем больше газа запрессовывается в уплотнение. Если давление окружающего пространства вокруг уплотнения быстро падает, газ внутри уплотнения расширится и выйдет наружу или произойдет формирование вздутий на поверхности уплотнения. Некоторые из этих вздутий могут разорваться и повредить поверхность. Этот процесс называется взрывной декомпрессией. Подверженность уплотнения повреждению зависит, например, от давления, времени декомпрессии, типа газа, типа компаунда и поперечного сечения уплотнительного кольца. Повреждение редко возникает при давлении ниже 30 бар. Обычно наличие газа CO2 более вероятно приводит к вздутию и разрушению поверхности, чем в случае с азотом; впрочем, любой сжатый газ может вызвать данный тип разрушения поверхности после внезапной декомпрессии (рис. 10.11).

Рис.11 Уплотнительное кольцо, поврежденное взрывной декомпрессией.

При возникновении любых признаков таких повреждений решением может послужить использование уплотнительных колец с меньшим поперечным сечением, которое приведет к уменьшению свободной поверхности. Обычно тенденция к вздутию уменьшается при увеличении твердости.

Компаунды с очень высокой степенью проницаемости, например силиконовые компаунды, в случае стремительной декомпрессии выпустят газ изнутри быстрее, чем компаунды с очень низкой степенью газовой проницаемости, такие как бутиловые компаунды.

Следующие компаунды проявляют хорошую стойкость к взрыв ной декомпрессии: NBR -90, HNBR-90, FKM-95.

Меры по предотвращению разрушения уплотнительного кольца взрывной декомпрессией:

- увеличение времени декомпрессии для более медленного выхода газа, проникшего в уплотнение;

- уменьшение поперечного сечения;

- выбор компаунда уплотнительного кольца с хорошей стойкостью к взрывной декомпрессии.

Истирание

Уплотнительные кольца, используемые в динамических уплотнениях, подвержены трению и, следовательно, истиранию. В контексте этого должна быть принята во внимание следующая взаимосвязь:

- трение пропорционально сжатию поверхности;

- истирание пропорционально трению;

- рост температуры уплотнения пропорционален трению.

Вместе со средой должны рассматриваться индивидуальные параметры для достижения оптимального компромисса. В статических уплотнениях повреждение от истирания может возникнуть в сочетании с очень большим пульсирующим давлением. Пульсирующее давление заставляет уплотнительное кольцо перемещаться внутри канавки, что, в случае плохого качества поверхности, ведет к большему истиранию. Проблема может быть решена уменьшением шероховатости поверхности.

Рис. 12 Износ проявляется как расплющивание уплотнительного кольца с одной стороны

Ошибки при установке

Для обеспечения правильного функционирования уплотнительных колец в течение долгого времени во время сборки следует соблюдать следующие инструкции с целью предотвращения повреждения уплотнений. Ошибки при установке могут возникнуть в следующих ситуациях:

- протягивание уплотнительных колец над острыми краями и резьбой;

- прокладывание камер и отверстий через клапанные блоки;

- использование уплотнительных колец с завышенными размерами в поршнях/цилиндрах;

- использование уплотнительных колец с уменьшенными размерами в уплотнениях штока (установка растянутых уплотнительных колец, «Эффект Джоуля»);

- перекручивание, срезание или обрезка уплотнительного кольца во время сборки;

- сборки без смазки;

- загрязнения.

Следующие меры помогут избежать ошибок при установке:

- стачивание всех острых углов, использование установочных муфт или заклеивание лентой резьбы;

- выполнением входной фаски с углом от 15° до 20°;

- поддержание чистоты во время сборки;

- использование сборочной смазки;

- проверка размера уплотнительного кольца перед сборкой;

· аккуратная сборка.

Следуйте также указаниям по сборке в разделе 2.