Глава 4. Герметология

Герметология- научная дисциплина, изучающая закономерности изоляции (герметизации) сред, обеспечение непроницаемости стенок и соединений деталей в машинах и сооружениях, методы расчета, конструирования и монтажа непроницаемых конструкций.

Существующая в машиностроении тенденция к повышению рабочих давлений, скоростей и температур в условиях глобального загрязнения атмосферы и обострения экологической ситуации выдвинула герметизацию в число важнейших проблем современного машиностроения. Наряду с прочностью, коррозией и трением герметичность стала одним из основных эксплуатационных факторов, определяющих работоспособность и ресурс изделий машиностроения.

В технике для изоляции сред применяют непроницаемые детали, специальные уплотнения, а также способы сварки и склеивания соединений. Создание уплотнений долгое время базировалось на опыте и интуиции конструкторов. Прогресс в области герметизации в значительной мере обусловлен достижениями химии высокомолекулярных соединений, технологии пластмасс и других наук о полимерах, Достигнуть абсолютной герметичности соединений чрезвычайно сложно, поскольку материалы обладают диффузионной проницаемостью, вследствие чего среды проникают через них благодаря тепловому движению ионов, молекул и более крупных частиц. Эффективность герметизации оценивают по степени герметичности, которая, существенно зависит от физических свойств и физико-химических характеристик герметизируемых сред. Важнейшим физическим параметром последних служит давление (табл. 4.1).

Герметизирующая система - совокупность герметизируемых сред, герметизирующих и конструкционных материалов, взаимодействие которых препятствует массобмену между окружающей и герметизируемой средами. Уплотнение — устройство, предотвращающее или уменьшающее утечку жидкости или газа через зазоры между деталями машин и сооружений, а также защищающее детали от проникновения грязи и пыли. Герметизатор— элемент уплотнения, разделяющий герметизируемую и окружающую среду.

Степень герметичности уплотнений оценивают следующими методами. Качественные методы устанавливают факт негерметичности с помощью простейших приборов или без них.

Количественные методы определяют утечку герметизируемых сред в виде объема или массы сред за единицу времени, а также в виде скорости изменения давления в герметизируемом объеме.

Специальные методы оценивают работоспособность уплотнений.

Инструментами оценки степени герметичности служат течеискатели, действие которых основано на масс-спектрометрии газовых смесей, возбуж-

дении или изменении цвета газового разряда при перемещении электрода возле течи, использовании специфических свойств галогенов, радиоактивных и других веществ.

Ресурс уплотнения — продолжительность функционирования уплотне-ния до приближения к нормативному предельному значению степени герметичности. В зависимости от типа, конструкции и назначения уплотнения

ресурс выражают в годах, часах, километрах, числе включений и т.д.

Полный ресурс соответствует всему сроку службы до конца эксплуатации уплотнения, межремонтный ресурс — работе уплотнения между заменами герметизатора или другими ремонтами восстанавливаемого уплотнения.

Таблица 4.1.Давление герметизируемых сред, используемых в машиностроении

В уплотнениях часто сочетаются разнородные материалы, поэтому все уплотнения особенно чувствительны к колебаниям температуры из-за несогласованности в тепловом расширении компонентов. Работоспособность большой группы уплотнений ограничена контактным давлением, жаростойкостью материалов уплотнений. Создание теории герметизации осложнено тем, что исследования проникновения сред в зону контакта твердых тел находятся на стыке наук. Объект исследования сложен, поскольку в нем

сочетаются механическое взаимодействие сопрягаемых деталей, трение в герметизируемом сопряжении, физико-химическое взаимодействие сред и технических материалов.

Негерметичность из-за диффузии герметизируемых сред свойственна всем уплотнениям, поэтому достижение абсолютной герметичности машиностроительных изделий практически невозможно.

Коррозия герметизирующих материалов — физико-химический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами герметизируемой среды или других сред в уплотнении (разделительной, окружающей, смазочной и т.д.).

Специфической формой коррозии полимерных материалов служит старение — необратимое изменение структуры и свойств полимеров вследствие химических превращений под действием кислорода, озона, тепла, света, радиации и других факторов.

Герметизирующие материалы подвергаются механохимическому повреждению вследствие ослабления их механических свойств при взаимодействии со средами. Снижение прочности твердых тел в адсорбционно-активной среде определяется физическими и химическими воздействиями. Согласно эффекту Ребиндера, снижение прочности твердых тел происходит из-за взаимодействий в поверхностном слое металлов под действием металлических расплавов; растрескивание стекол и керамики происходит при контакте с водой; разрушение полимерных материалов обусловлено влиянием органических растворов гелей. Существенным фактором механохимического повреждения является соотношение скорости приложения механической нагрузки и скорости диффузии среды в материале. Скорость диффузии зависит от гидростатического давления сред. Уменьшение свободного объема полимерных материалов под давлением 10...100 МПа приводит к существенному замедлению диффузии, а также изменению деформационно-прочностных и теплофизических характеристик. При малых значениях двумерной деформации у полиолефинов можно обнаружить заметное (на порядок) уменьшение коэффициентов диффузии и проницаемости по отношению к жидкостям.

В результате длительного действия статического напряжения в герметизаторах развивается ползучесть (крип) — медленная непрерывная пластическая деформация материала при нагрузках, меньших, чем те, которые вызывают остаточную деформацию в процессе испытаний. Ползучесть может привести к выдавливанию герметизаторов в зазоры соединений, сопровождается релаксацией напряжений. Изнашивание герметизируемых материалов имеет в значительной степени коррозионно-механическую природу: химическое взаимодействие сред и материалов ускоряет усталостное разрушение, а трение в свою очередь активизирует химические реакции на контактирующих поверхностях.

Трение в вакуумных уплотнениях отличается тем, что в вакууме повышается химическая активность поверхностных слоев на контактирующих деталях вследствие исчезновения окисных и адсорбированных пленок; ужесточается тепловой режим трения, поскольку интенсивность отдачи теплоты в окружающую среду резко уменьшается, изменяются состав и физико-механические характеристики материалов из-за интенсивного испарения компонентов. Так, в вакууме (а также в осушенных газах при 523...573К) графит утрачивает смазочную способность, зависящую от адсорбции молекул воды и других веществ на поверхности трения и плоскостях скольжения кристаллической решетки.

Фрикционное повреждение герметизирующих материалов в значительной мере обусловлено наличием в герметизируемых средах твердых частиц. Вследствие этого при эксплуатации гидросистем значительное внимание уделяют очистке рабочих жидкостей от механических загрязнений

.