Эластомеры и насосы

Много раз, принимаясь за написание этой небольшой статьи, ловил себя на мысли, что это никому не нужно, ничего нового по теме рассказать уже просто невозможно и вообще – это набор всем известных фактов. Однако каждодневное общение с покупателями и эксплуатантами насосного оборудования приводит к осознанию необходимости структурировать типы эластомеров в насосах.

Итак, приступим!

Википедия называет эластомерами «полимеры, обладающие высокоэластичными свойствами и вязкостью. Резиной или эластомером называют любой упругий материал, который может растягиваться до размеров, во много раз превышающих его начальную длину (благодаря эластомерным нитям), и, что существенно, возвращаться к исходному размеру, когда нагрузка снята».

Существуют как природные полимеры - каучук (сок/смола каучуконосных растений – например гевеи бразильской), так и искусственные каучуки – синтетические.
Именно развитие нефтехимии и прорыв в синтезе каучуков послужили появлению целого ряда типов насосов.

Применение эластомеров в насосах

Большая часть насосов имеет в своей конструкции эластомеры.

По сути, их применение насосах можно разделить на четыре основных группы:

• Уплотнения корпуса (прокладки корпуса, o-ring и т.д.)




Часто насосная часть агрегата имеет разборную конструкцию, соединить две твёрдые части корпуса без прокладки из упругого материала можно, но нам же важна герметичность.
Так может взять и на герметике собрать? Тогда каждая сборка и разборка превращается в непростую задачу. Так что самым оптимальным вариантом выглядит использование материала, который многократно способен сжиматься и разжиматься, не теряя своих свойств. И различного рода резины и силиконы подходят в этом случае просто замечательно!


• Уплотнения вала насоса (манжеты, сальники, торцевые уплотнения)



Торцевые уплотнения

Сальниковые уплотнения


Ещё одной точкой в насосе, где требуется создать герметичность, является вал насоса.
В подавляющем большинстве насосных агрегатов рабочая часть, будь то шестерни, рабочее колесо, импеллер и т.д., механически связана с приводом (в основном это электродвигатели). И здесь на смену устаревших сальниковых набивок из пропитанного графитом шнура приходят манжеты и торцевые уплотнения из современных полимеров: PTFE (фторопласт), EPDM (этилен-пропиленовый каучук), FKM (FPM, витон, фторкаучук), NBR (бутадиен-нитрильный каучук) и множества других!
Кстати, многие не понимают разницы между манжетами и сальниками.
Манжета – это уплотнение только из эластомера, которое применяется при возвратно-поступательных движениях штока (плунжера). Оно используется в гидравлических и пневматических цилиндрах и выдерживает большое давление.
Сальник – это радиальное уплотнение вращающихся соединений, не держит большого давления. У сальников, в отличие от манжет, есть металлокаркас, конструктивная разница между манжетой и сальником - в наличии или отсутствии металлокаркаса. Сальники ещё называют армированными манжетами.


• Рабочий орган насоса (импеллер, обойма, мембрана, шланг)

А тут мы, как раз, приступаем к самому интересному.
Ряд типов насосов мог бы и вовсе не появиться, не научись химики-технологи создавать синтетические материалы с заданными свойствами. Импеллерные насосы, в которых рабочим колесом является мягкий импеллер (резиновая крыльчатка-звёздочка) – яркий тому пример. Многократное динамическое изменение геометрии и возвращение к исходной форме, химическая стойкость к перекачиваемым жидкостям, к истиранию абразивными включениями - и всё это благодаря Neopren'у/ Неопрену, Viton/Витону и EPDM.
Насосы перистальтического типа, насосы мембранные, насосы винтовые – все они появились и получили широчайший спектр практического применения именно с развитием и появлением новых эластомеров.



Импеллер	Обойма	Обойма
Импеллер	Мембрана	Шланг рабочий перистальтического насоса




• Футеровка


Применяется не так часто, суть – нанесение на прочное металлическое рабочее колесо и/или проточную часть упругих полимерных материалов, позволяющих увеличить стойкость к перекачиваемой среде, износостойкость к абразивам и т.д. Например, футерованный резиной шламовый насос меньше изнашивается песком и камнями в перекачиваемой очень грязной воде, чем чугунный.

Следовательно, использование полимерных материалов в насосах сводится либо к обеспечению герметичности проточной части, либо к собственно перекачиванию жидкостей в качестве рабочего органа насоса.
Основной характеристикой при проектировании или подборе насоса, помимо материала изготовления корпуса проточной части, становится и химическая стойкость материалов прокладок, уплотнений, мембран, импеллеров, обойм (статоров) к перекачиваемой среде.
Наиболее распространенными материалами являются:
- этилен-пропиленовый каучук (EPDM) – для пищевой промышленности и щелочных жидкостей,
- нитриловая резина (NBR) – при перекачивании ГСМ и нефтепродуктов,
- фторкаучуковая резина (Viton, FPM) - при перекачивании кислотосодержащих жидкостей,
- Santoprene/Неопрен – нейтральные пищевые жидкости,
- PTFE/PVDF - кислоты (с исключениями).

Таким образом, большая часть таблиц подбора материалов для насосов выглядит
примерно так:

Description

Chemical formula

Concentration in %

Density [kg/dm³]

Danger class (acc. to VbF)

Temperature [in C°]

PP

PVDF

ETFE

PPS (Ryton ®)

FPM (Viton ®)

NBR (Perbunan ®)

EPDM

PTFE / FEP

Acetaldehyde

CH3-CHO

40

20

+

+

+

+

+

-

+

+

Acetaldehyde

CH3-CHO

40

40

o

+

+

+

+

-

+

+

Acetaldehyde

CH3-CHO

40

60

o

+

+

+

o

-

+

+

Или так –



Или так –



Для общего понимания, прилагаю таблицу с краткими характеристиками полимеров/ эластомеров, которые наиболее часто используются в насосах и уплотнениях:

Материал	Химический состав	Описание	Рабочая температура
			Минимум	Максимум
Полипропилен	Чистый полипропилен	Термопластик, который устойчив к воздействию щелочей и сильных кислот.	(0°C)	(70°C)
ПВДФ (PVDF)	Чистый поливинилиденфторид	Сильный фторопласт с превосходной химической стойкостью.	(-12°C)	(104°C)
Синтетический каучук (BUNA, NBR)	Бутадиенакрилонитрильный каучук	Резина общего назначения. Устойчив к воздействию масла, воды.	(-12°C)	(88°C)
ЭПДМ (EPDM)	Тройной этилен-пропиленовый каучук (с диеновым сопономером)	Хорошая стойкость к слабым кислотам, моющим средствам, щелочам, кетонам и спиртам.	(-40°C)	(121°C)
Фторкаучук (FKM)	Фторуглеродный каучук	Хорошая химическая стойкость и высоко температурные свойства. Устойчив к большинству кислот, алифатических, ароматических и галогенизированных углеводородов, масел, смазок и топлива.	(-40°C)	(177°C)
Неопрен	Хлоропреновый каучук	Эластомер общего назначения с хорошей устойчи- востью к умеренным химикатам, маслам, смазкам, растворителям и некоторым хладагентам.	(-18°C)	(100°C)
Сантопрен (SantoprenTM)	Полностью выдержанные EPDM частицы, инкапсулированные в полипропиленовую (ПП) матрицу	Термопластичный эластомер с хорошей износостойкостью, химической стойкостью к широкому спектру растворителей и химических веществ. Отлитый в форму под давлением, без слоя ткани.	(-40°C)	(107°C)
Хайтрел(Hytrel®)	Термопластичный полиэфирный эластомер	Сочетает в себе устойчивость и гибкость эластомеров с прочностью пластика. Устойчив к воздействию кислот, щелочей, аминов и гликолей. Отлитый в форму под давлением, без слоя ткани.	(-29°C)	(104°C)
Полиуретан	Полиэфируретан	Термопластик, который обладает отличной стойкостью к истиранию.	(0°C)	(66°C)
Фторопласт (PTFE)	Политетрафторэтилен	Химически инертный. Устойчивость к широкому спектру химических веществ.	(4°C)	(107°C)
Фторированный этилен-пропилен (FEP)	Cополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена	Схож с фторопластом по составу и химической стойкости. Используется при инкапсуляции FKM уплотнительных колец для улучшения химической стойкости.	(4°C)	(107°C)

* SantopreneTM является зарегистрированной торговой маркой компании Exxon Mobil Corp. Hytrel® является зарегистрированной торговой маркой компании DupontTM

Резюмируем:
После прочтения данной статьи, вы получили общее представление о применении эластомеров в насосах, однако иногда в незаметных деталях кроются возможные проблемы. Именно поэтому менеджеры фирмы Ампика всегда уточняют, для какой жидкости требуется насос и перепроверяют правильность выбора клиента. Отнеситесь к этому с пониманием, ведь наше стремление продать то, что будет работать долго – это Ваш прямой интерес.