Уплотнители из эластомеров в системах жидкостного отопления

Рассматривая жидкости-теплоносители, инженеры и технический персонал часто задаются вопросом их совместимости с уплотнителями-эластомерами. Выбирать приходится, когда проектируются новые или модернизируются существующие системы. Несовместимость материалов провоцирует утечки и отказ оборудования. Важно поддерживать его целостность и производительность в заданных диапазонах рабочих температур.

Из-за многообразия химикатов и теплоносителей непросто определить совместимые с ними эластомеры. Несмотря на то, что механика материалов и химия полимеров являются зрелыми дисциплинами, не хватает литературы о том, как ведут себя общеизвестные эластомеры с жидкими теплоносителями. Доступные ресурсы в основном предлагают лишь универсальные решения или ориентируются на промышленные смазочные материалы.

Обзор теплоносителей

В общих чертах жидкие теплоносители различают по условиям эксплуатации и составу. Выделяют базовый химический состав, диапазон рабочих температур и назначение жидкости. Первые два показателя влияют на совместимость теплоносителей с эластомерами больше всего.

Жидкие теплоносители состоят из относительно небольшого количества основных химических компонентов:

• Минеральные масла на нефтяной основе рафинированные;
• Ароматические соединения, такие как частично гидрированные терфенилы и алкилбензол, дифенил или дифенилоксид;
• Гликоли, такие как этиленгликоль и пропиленгликоль;
• Полиалкиленгликоль;
• Силиконовые жидкости (полидиметилсилоксан);
• Полиальфаолефины;
• Расплавленные соли (например, нитрат натрия или нитрат калия). Их используют реже.

Разные жидкости проникают в эластомеры (атакуют) на различную глубину. Показатели химической стойкости обычных уплотнительных материалов указываются производителями относительно температуры окружающей среды. Однако рабочие условия в большинстве случаев имеют другие значения.

При высоких температурах эластомер набухает и теряет свою прочность. Поэтому, когда теплоноситель сильно нагрет или переохлажден, надо учитывать температурную чувствительность материала.

Выбор эластомера

Эластомеры - это полимеры, которые проявляют вязкоупругие свойства. Они гибкие, упругие и способны преобразовывать тепловую энергию в механическую. Благодаря этим свойствам из них делают уплотнительные кольца и прокладки для технологического или производственного оборудования, такого как насосы, клапаны, воздушные компрессоры и трубопроводы.

Типичными эластомерами являются тетрафторэтиленпропилен, нитрильный каучук, силикон, неопрен и фторсиликон. Часто уплотнения из этих материалов прямо контактируют с теплоносителями в статических и динамических системах. В полимерные материалы, из которых изготовлены уплотнения, проникает теплоноситель, и они разрушаются в его среде. Несовместимые химические составы вызывают набухание, усадку, образуют пузыри или расслаивают уплотнения, что приводит к утечкам.

Необходимо учитывать, что характеристики теплоносителей со временем ухудшаются, появляются побочные продукты, которые также влияют на совместимость материалов. Когда теплоносители взаимодействуют с воздухом, то многие из них окисляются и образуют темный углеродистый осадок - смесь альдегидов и пероксидов.

В других случаях, когда температура теплоносителя поднимается выше максимального значения, происходит термический крекинг - текучая среда разделяется на низкокипящие и высококипящие фракции. В динамических системах эти неблагоприятные реакции ухудшают характеристики эластомера и, в конечном итоге, повреждают уплотнение.

Эластомер, взаимодействуя с теплоносителем, должен сдерживать адсорбцию и абсорбцию его молекул в свою структуру. Производители уплотнений, характеризуя эластомеры, чтобы специалисты смогли принять правильное решение, оценивают эти функции и присваивают материалам классы. Один из таких примеров:

• Класс А означает отличную стойкость к теплоносителю. Объем материала меняется в минимальных пределах (менее 10 %). Эластомер с таким рейтингом наиболее полно соответствует характеристикам среды;
• Класс B - материал хорошо сопротивляется и набухает незначительно (от 10 до 20 %);
• Класс C - сопротивление удовлетворительное, а набухание значительное (от 20 до 40 %);
• Класс D присваивается эластомерам с плохой стойкостью к теплоносителю. Из-за того, что эластомер сильно набухает (более 40 %) и значительно меняет свои физические свойства, он непригоден для указанного теплоносителя.

Силиконовые теплоносители несовместимы с силиконовыми эластомерами. У них схожий молекулярный состав и параметр растворимости. Тепловое воздействие жидкости на эластомер происходит по принципу диффузии раствора. Молекулы растворителя заполняют полимерную сетку эластомера до тех пор, пока не достигнут точки равновесного насыщения. Это ухудшает твердость материала, его прочность на разрыв и относительное удлинение.

Источник: Process Heating