Uszczelki zaworów motylkowych: analiza konstrukcji, materiałów i zastosowań

Zawory motylkowe są powszechnie cenione za swoją opłacalność i szybką reakcję, gdziewydajność uszczelnienia​ bezpośrednio decyduje o niezawodności i żywotności zaworu. Konstrukcje uszczelnień różnią się znacznie, dostosowując się do konkretnych warunków pracy. W tym artykule omówiono konstrukcje i materiały uszczelnień rdzeniowych oraz ich praktyczne zastosowania.

​1. Struktura i funkcja uszczelnienia rdzenia​

Uszczelki zaworów motylkowych składają się z:pierścień siedziskaipowierzchnia uszczelniająca krawędzi dysku, podzielone na dwa podstawowe typy:

• ​Uszczelki miękkie:​​
  Funkcjasiedzisko elastomerowe(guma, PTFE) zamontowana w korpusie zaworu lub tarczy. Zamknięcie wciska krawędź tarczy (zazwyczaj metalową) w miękkie gniazdo, odkształcając ją, zapewniając szczelne uszczelnienie.
  Zalety:Niskie naprężenie uszczelnienia, prawie zerowy poziom przecieków (możliwa klasa VI), niskie koszty, minimalny moment obrotowy.
  Wady:Ograniczona odporność na temperaturę, ciśnienie i substancje chemiczne; podatność na erozję i uszkodzenia cząsteczkowe; nieodpowiednie do częstego dławienia.
• ​Uszczelki twarde metalowe (konstrukcja z potrójnym przesunięciem – rys. 1):​​
  Wykorzystaj uszczelnienie metal-metal (np. stal nierdzewna, stopy). Kluczowe elementy projektu:
  • ​1. przesunięcie:​Przesunięcie osi trzpienia względem środka rurociągu.
  • ​2. przesunięcie:​Przesunięcie osi trzpienia względem środka powierzchni uszczelniającej tarczy.
  • ​3. przesunięcie (krytyczne):​Profil uszczelniający o kącie stożkowym umożliwia kontakt liniowy/na małej powierzchni.
    Zalety:Wyjątkowa odporność na temperaturę, ciśnienie, erozję i kawitację; długa żywotność; możliwość ponownego wykorzystania.
    Wady:Wysokie koszty produkcji, duże naprężenia w siedzeniach, zwiększony moment obrotowy, potencjalny wyciek niskiego ciśnienia (zwykle klasa IV).

​Rys. 1: Struktura uszczelnienia metalowego z potrójnym przesunięciem​
(Wizualizacja: Demonstracja stożkowego styku liniowego eliminującego tarcie ślizgowe podczas pracy)

​2. Porównanie kluczowych wskaźników wydajności​

​Uszczelki miękkie kontra uszczelki twarde:​​

• ​Temperatura:​Uszczelki miękkie działają w temperaturach od -50°C do 200°C (w zależności od PTFE/gumy), natomiast uszczelki metalowe wytrzymują temperatury od -196°C do 600°C+.
• ​Ciśnienie:​Uszczelki miękkie są odpowiednie dla ciśnienia ≤ PN25 (≈ ANSI 150). Uszczelki metalowe są odpowiednie dla ciśnienia PN16-PN150 (≈ ANSI 900).
• ​Wyciek:​Uszczelki miękkie osiągają doskonałą szczelność zbliżoną do zerowej (klasa VI). Uszczelki metalowe osiągają klasę IV/V, poprawiając szczelność pod wysokim ciśnieniem.
• ​Kompatybilność z mediami:​Uszczelnienia miękkie doskonale sprawdzają się w przypadku wody/powietrza/płynów neutralnych. Uszczelnienia metalowe są odporne na parę, węglowodory, szlamy, płyny żrące i gorące gazy.
• ​Wytrzymałość:​Uszczelnienia metalowe zapewniają doskonałą odporność na cząstki stałe, erozję i zużycie. Uszczelnienia miękkie ulegają szybkiej degradacji w warunkach pracy ściernej lub częstego dławienia przepływu.
• ​Koszty i eksploatacja:​Uszczelnienia miękkie są tańsze i wymagają minimalnego momentu obrotowego. Uszczelnienia metalowe wymagają większych nakładów początkowych i większego momentu obrotowego, ale zapewniają długotrwałą żywotność w trudnych warunkach.
• ​Zastosowania:​Uszczelki miękkie dominują w systemach HVAC, systemach wodnych i instalacjach gazowych niskiego ciśnienia. Uszczelki metalowe są niezbędne w rafineriach, rurociągach parowych, przetwórstwie chemicznym oraz w instalacjach naftowo-gazowych.

​3. Materiały na siedziska z miękkim uszczelnieniem​

Dobór materiałów określa granice wydajności:

• ​NBR (kauczuk nitrylowy):​Odporny na oleje i węglowodory (od -20°C do 80°C).Zastosowanie: woda, sprężone powietrze, płyny na bazie ropy naftowej.
• ​EPDM (etylen-propylen-dien):​Odporny na gorącą wodę/parę (<150°C), ozon i zasady.Zastosowanie: systemy grzewcze, żywność/napoje, wilgotne powietrze.
• ​FKM (Fluorocarbon Viton®):​​ Nadaje się do pracy z olejami, paliwami, kwasami i wysokimi temperaturami (od -20°C do 200°C).Zastosowanie: obróbka chemiczna, przewody paliwowe, media kwaśne.
• ​PTFE (politetrafluoroetylen):​Chemicznie obojętny (od -50°C do 200°C), o niskim współczynniku tarcia. Stosowany jako:
  • Czyste miejsca:Odporność na korozję, umiarkowane uszczelnienie.
  • Wzmocnione siedzenia (szkło/grafit):Lepsza odporność na płynięcie na zimno.
  • Siedzenia wyściełane (rurką/dętką):Łączy elastyczność i odporność chemiczną.

​4. Materiały i metody uszczelniania metalu​

Wydajność zależy od doboru materiałów i inżynierii powierzchni:

• ​Strategia materiałowa:​​
  • Stosowanie różnych materiałów zapobiega zatarciom (np. stal nierdzewna kontra Stellite®).
  • Twardość powierzchni siedziska > Twardość powierzchni tarczy (około HRC 2-5), co umożliwia wymianę tarczy.
• ​Ulepszenia powierzchni:​​
  • ​Napawanie:​**Stellite 6®(na bazie kobaltu, HRC 40-50) lubPowłoki Inconel 625®**​ (na bazie niklu) są odporne na zużycie i korozję.Podstawowe rozwiązanie do trudnych warunków pracy.
  • ​Utwardzanie powierzchniowe:​Hartowanie płomieniowe/plazmowe/laserowe lub azotowanie (≥HV 1000) zwiększa odporność na zużycie/zatarcie.
  • ​Natryskiwanie termiczne:​Zastosowano HVOFWC (węglik wolframu)​lubTlenek chromuPowłoki zapewniają ekstremalną trwałość powierzchni.
• ​Stopy egzotyczne:​​ Stal Hastelloy® lub dupleks stosowana w środowiskach wysoce korozyjnych (wysoki koszt).

​5. Ograniczenia i kryteria wyboru​

​Kluczowe zagadnienia:​​

• ​Ograniczenia miękkiego uszczelnienia:​​ Trwałe odkształcenie trwałe, niezgodność chemiczna (pęcznienie/degradacja), płynięcie na zimno/pełzanie (PTFE/guma), uszkodzenie cząsteczkowe.
• ​Granice uszczelnienia twardego:​​ Potencjalny wyciek niskiego ciśnienia, wyższy koszt/moment obrotowy.
• ​Kierowcy selekcji:​Właściwości mediów (temperatura, fosfor, korozyjność, zawartość ciał stałych), wymagania dotyczące szczelności, częstotliwość cyklu życia, stopień trudności eksploatacji i budżet.

​Wniosek:​​
Wybór zaworu motylkowego jest definiowany przezsynergia struktury i materiału uszczelnienia.Uszczelki miękkie(EPDM/NBR/PTFE) sprawdzają się doskonale w ekonomicznych zastosowaniach wodno-powietrznych przy niskim ciśnieniu.Uszczelki miękkie FKM lub kompozyty PTFE​ adresować media żrące. ​Uszczelki metalowe potrójnie przesuniętezStellite®/powierzchnie utwardzone​ są obowiązkowe w przypadku pary wodnej, węglowodorów, wysokiego ciśnienia i przepływów erozyjnych. Materiały na bazie niklu sprawdzają się w ekstremalnych warunkach. Dokładna ocena parametrów pracy i właściwości materiałów jest kluczowa; pomijanie specyfikacji uszczelnień grozi wyciekiem, przedwczesną awarią i kosztownymi przestojami.