3. Влияние сред на работоспособность уплотнений
В результате воздействия герметизируемых сред на материалы в уплотнениях имеют место физические процессы сорбционного и диффузионного массообмена, химические изменения структуры материалов и механохимические повреждения герметизаторов во время их деформирования и трения. Физические процессы проявляются в изменении массы (набухании) материалов и завершаются в пределах нескольких суток. Они приводят к снижению прочности и изменению температур перехода материалов. Химическая деструкция и механохимические повреждения происходят в течение длительного времени и обычно достигают предельно допустимых значений после нескольких лет эксплуатации. Эти повреждения могут идти с поверхности, равномерно ослабляя рабочее сечение деталей, или локализуются на отдельных участках, приводя к глубоким повреждениям материала.
Коррозия материалов – физико-механический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей и (или) герметизируемой среды. При проектировании и инженерных расчетах уплотнений предусматривают, чтобы коррозия материалов протекала в заданных пределах в течение установленного срока и не приводила к недопустимому загрязнению сред продуктами коррозии.
Специфическое воздействие на материалы оказывают поверхностно-активные среды, содержащие вещества (ПАВ), которые адсорбируются на границе раздела фаз и снижают ее поверхностное натяжение. Различают 4 группы ПАВ:
1) слабые смачиватели, обладающие поверхностной активностью и не образующие структур в объеме жидкости и адсорбированных слоях;
2) диспергаторы – вещества, поверхностно-активные на границе несмешивающихся жидкостей или на поверхности твердого тела;
3) стабилизаторы, образующие в растворе и адсорбированных слоях сетчатые гелеобразные структуры;
4) моющее вещества, которые обладают совокупностью свойств ПАВ предыдущих групп.
При адсорбции ПАВ, смачивании, протекании химических реакций, электрической поляризации прочность твердых материалов в значительной мере определяется эффектом Ребиндера. Его сущность состоит в изменении механических свойств твердых тел вследствие физико-химических процессов, вызывающих уменьшение поверхностной энергии тела. Эффектом Ребиндера, например, вызваны хрупкость металлов под действием металлических расплавов, растрескивание стекла и керамики в контакте с водой, разрушение полимерных материалов под влиянием органических растворителей. Анализ разрушения материалов в средах при разных величинах и скоростях приложения нагрузки показывает, что если напряжения превышают предел прочности материала, среда не влияет на процесс разрушения, но вступает во взаимодействие с активными участками поверхности разрушения, образовавшимися при разрыве химических связей. Когда скорость разрушения материала от механического напряжения соизмерима со скоростью диффузии среды в материале, кинетика разрушения обусловлена как активирующим влиянием напряжения, так и диффузионными процессами.
Существенным фактором, определяющим возможность разрушения материала в присутствии ПАВ, является гидростатическое давление сред. Уменьшение свободного объема полимерных материалов под давлением около 10 – 100 МПа приводит к заметному изменению диффузионных, а также деформационно-прочностных и теплофизических характеристик. При малых значениях двумерной деформации у полиолефинов обнаружено существенное (на порядок) уменьшение коэффициентов диффузии и проницаемости по отношению к жидкостям. Среды ускоряют усталостное повреждение деталей уплотнения под действием статических и динамических нагрузок.
Влияние сред на процессы изнашивания в уплотнениях имеет свои особенности. Работоспособность подвижных уплотнений существенно зависит от смазочной способности сред – свойства сред, находясь в зазоре между трущимися телами, снижать трение, уменьшать износ, устранять заедание и задиры трущихся поверхностей. Смазочная способность не зависит от вязкости сред, но существенно изменяется при фазовых переходах. Так, при остановке агрегатов, уменьшении утечки и понижении температуры в зоне трения подвижных уплотнений могут осаждаться твердые продукты, например, кристаллы солевых соединений. Некоторые из них ведут себя при эксплуатации уплотнений как абразивные частицы. Для их удаления узлы трения промывают вспомогательными средами (водой, метанолом и т.п.) и разогревают до температур, достаточных, чтобы растворить частицы во вспомогательных средах.
Трение в уплотнениях для жидких сред в большинстве случаев происходит с участием тонкого слоя жидкости, который удерживается в зазоре уплотнения силами поверхностного натяжения. Во время стоянки жидкость выдавливается из зазора и испаряется. Поэтому велика вероятность, что в период пуска герметизирующая пара будет некоторое время работать в режиме, близком к сухому трению. При продолжительной работе всухую возникает необходимость выполнять сопряжения из антифрикционных материалов, не требующих смазки.
Работоспособность вакуумных подвижных уплотнений в значительной мере обусловлена спецификой вакуума как герметизируемой среды. В вакууме повышается химическая активность поверхностных слоев на контактирующих деталях вследствие исчезновения оксидных и адсорбированных пленок. Ужесточается тепловой режим трения, поскольку интенсивность теплоотдачи в окружающую среду резко снижена. Изменяются состав и параметры физико-механических характеристик материалов из-за интенсификации процесса испарения компонентов. Газовыделение в вакууме характеризует интенсивность естественной деструкции полимерных материалов, продукты которой могут оказать существенное влияние на эффективность уплотнений. Например, в вакууме, а также в осушенных газах и на воздухе при 250 – 300°С графит утрачивает смазочную способность, обусловленную адсорбцией на поверхности трения молекул воды или других веществ.
Работоспособность уплотнений в значительной мере обусловлена наличием в герметизируемых средах твердых частиц, воздействие которых может приводить к раскрытию зазоров в неподвижных соединениях, изнашиванию пар трения, эрозионному повреждению бесконтактных уплотнений и т.д. Аналогичные последствия вызывает загрязнение жидкостей, являющихся рабочим телом гидросистем. Методика определения механических загрязнений в рабочих жидкостях заключается в сравнении массы контрольного фильтра в исходном состоянии и после фильтрации через него навески жидкости. На надежность эксплуатации уплотнений прежде всего влияет гранулометрический состав загрязнений. Плотность распределения твердых частиц в рабочих жидкостях гидросистем по размерам регламентирована стандартом.
Для определения возможности эксплуатации герметизирующих материалов в контакте со средами проводят испытания на набухание, прочность, твердость, трение, термостарение и др., а также натурные испытания в уплотнениях. Результаты оценивают качественно (в баллах) или количественно, определяя кинетические показатели коррозии материалов – энергию активации, константы скорости химических реакций, диффузии и т.д. Для пластмасс используют трехбалльную систему: балл 1 (С) – стойкие (химического разрушения не происходит), 2 (О) – ограниченно стойкие (допустимо кратковременное применение), балл 3 (Н) – нестойкие (применение не разрешается).
контрольные вопросы
1. Определите понятие герметизируемой среды.
2. Назовите основные параметры герметизируемой среды, определяющие ее проникающую способность.
3. Каким параметром характеризуется смачивающая способность герметизируемых сред?
4. Назовите механизмы утечки герметизируемых сред через уплотнение.
5. Перечислите основные процессы, сопутствующие утечке герметизируемых сред.