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软填料密封常用材料及其选择
添加:2016-7-9 9:26:06    游览:2941    来源:www.aosailuo.com

  【摘 要】介绍了软填料密封常用材料的种类、特点、性能及使用范围, 并对软材料常用材料进行了综合比较, 提出了软填料密封选择的方法。

  【关键词】软填料密封; 材料; 选择

  软填料密封又叫压盖密封,俗称盘根,是一种填塞环缝的压紧式密封,是世界上使用最早的一种密封装置。软填料密封通常用作旋转或往复运动的零件与轴封箱之间环形空间的密封, 如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机、阀杆、管线膨胀节、换热器浮头、带搅拌反应釜等设备的轴封和阀杆的密封, 它能适应往复运动、旋转运动和螺旋转运动元件的密封。近些年来随着科学技术的进步, 新材料不断涌现, 新型的密封填料相近问世, 正取代着传统的以石棉为主的填料, 大大拓宽了软填料密封的工况范围, 研究常用软填料材料的特性及其选择对密封的选材是非常有益的, 对泄漏的防止, 实现厂、矿的绿色环境具有不可低估的作用。

  1 软填料密封的常用材料

  目前软填料密封主要有纤维质材料和非纤维质材料两大类。

  1 . 1 纤维质材料

  软填料密封常用的材料按材质可分为天然纤维、矿物纤维、合成纤维、陶瓷和金属纤维四大类。

  ( 1)天然纤维 天然纤维有棉、麻、毛等。麻的纤维粗,摩擦阻力大, 但在水中纤维强度增加, 柔软性更好, 一般用于清水、工业水和海水的密封, 用于工作温度 >90℃,其密封面线速度可达 10m/ s 的油、水和非腐蚀性的化学介质下。 棉纤维比麻纤维软, 但棉与麻相反, 在水中会变硬且膨胀, 因此摩擦阻力较大, 一般用于食品、果汁、浆液等洁净介质的密封。毛纤维光滑、柔软、摩擦阻力小、耐酸, 可用于低参数的酸性介质的密封。而天然纤维的物理、化学性能较差, 使用范围有限, 寿命短, 故目前很少采用[ 1] 。

  ( 2)矿物纤维 矿物纤维主要有石棉纤维, 分温石棉和青石棉, 青石棉国际公约禁用, 通常使用均为温石棉。由于石棉纤维具有柔软性好, 耐热性优异、强度高、耐磨损和耐酸、碱及多种化学品等一系列优点, 很适合作密封填料, 其缺点是编结后有渗透泄漏 ,一般在编织石棉填料中浸渍一定量润滑油和石墨粉、铝粉、滑石粉等, 用以降低摩擦系数, 填塞纤维空隙, 使填料更加致密, 防止渗漏, 并能保持良好的润滑性; 但在500 ℃时石棉会成为粉状, 密封性下降。

  石棉一般适用于介质为蒸汽、空气、工业用水和重油的转轴、往复杆或阀杆的密封。但由于石棉己被公认为是一种对人体有害的致癌物质, 会危害人体健康, 因此, 一些发达国家已明令禁止生产使用石棉制品, 包括石棉的密封材料, 我国目前仍然在使用石棉填料。

  表 1 是常用矿物纤维填料的特点及应用。

表 1 常用矿物纤维填料的特点及应用

  ( 3)合成纤维 用于制造填料的合成纤维主要有: 聚四氟乙烯( PT F E)、碳纤维、酚醛纤维、芳纶等, 这些材料由于其化学性能稳定、强度高、耐磨、适应温度范围广、摩擦系数小,工作寿命长, 解决了使用石棉材料所不能解决的一些问题。

  PTFE是由美国人 R.J.Plumkett 于 1938 年发明的, 具有非常高的化学稳定性, 对于强酸、强碱、强氧化剂有很高的抗蚀性, 是已知高分子衬料中耐溶剂和耐腐蚀性最好的, 至今还未发现在 300℃以下有溶剂可使之溶解, 仅在熔融碱金属、碱金属的氨水中溶解; PTFE 的耐热性较好, 在360 ℃下 10h 不发生明显的变质和分解, 在-190~+250℃内能保持机械强度。PTFE 的耐摩性能也十分优异, 其手感滑腻、硬度低、不会划伤对偶件, 与金属对摩时摩擦系数低。 不同工作条件下,其摩擦系数一般在 0.04 ~ 0.35, 是高分子材料中摩擦系数最低的。PTFE 的不足之处主要是机械强度较低, 且易蠕变;导热性差, 热膨胀系数低 。对于 PTEF 的不足之处可通过添加适当的填充剂,如玻璃纤维、石墨、青铜粉、二硫化钼等得到改善, 一般用于低压、中温、强酸、强碱以及不允许污染的介质(如卤素、药品等)的密封[ 2]。

  碳纤维是用聚丙烯腈纤维氧化和碳化而成的,根据碳化程度不同,可得到碳素纤维、耐焰碳纤维、石墨纤维三种产品。碳素纤维或加入 PTEF 纤维编织填料经聚氟乙烯乳液浸渍后, 可在酸、碱溶剂中应用, 特别是在尿素系统的高压铵泵、液氨泵及硫酸厂的酸泵中成功应用,表明其是一种很有发展前途的适用于高温、高压、高速、强腐蚀场合的填料。目前我国市售的碳纤填料 95%以上都是以耐焰碳纤维为主体并经多次浸渍四氟乙烯乳液和特种润滑剂编织而成, 其使用寿命比一般石棉填料高 5~10 倍, 密度是石棉填料的 3/4 ,密封性能优于石棉填料, 随着工艺的成熟和完善及成本的降低, 有可能逐渐取代石棉填料[ 3] 。

  酚醛纤维也是近些年发展起来的新型耐燃有机纤维, 酚醛纤维表面浸渍性能好, 故酚醛纤维编织成填料, 经多次浸渍聚四氟乙烯乳液和表面处理之后, 摩擦系数相当低( 0.148—0.156), 自润滑性能较好, 加上酚醛纤维有一定的耐腐蚀性能(耐溶剂性能突出), 可在一般浓度的酸、强碱及各种溶剂中使用, 酚醛纤维的强度比四氟纤维低, 故不适合在高压动态密封中使用,一般使 用压力 为 4.9M Pa, 最高 使用温 度可超过180 ℃, 长期使用温度 150 ℃以下, 而且酚醛纤维价格远低于PTEF 和碳纤维, 在工况不十分恶劣的情况下,其填充的使用效果大大超过石棉类填料。国内 1982 年开始着手研究酚醛纤维的性能、制造工艺、和现场运用, 目前被认为是一种有发展前途并能取代石棉密封材料[ 1]。

  芳纶纤维是聚芳酰胺塑料制成的纤维,由美国杜邦公司首先开发成功并于 1972 年首次以“凯夫拉”为商品名称。这种纤维突出的特点是抗张力强度非常高, 模量高、质地柔软,富有弹性; 耐磨性极佳, 耐热性也是在合成纤维中最好的, 热分解温度为430℃, 有较好的化学稳定性, 除强酸、碱不适用外, 其他液体均可适用。

  以芳纶纤维为主体材料与其他材料进行复合加工而制成的填料,用于油田、化工等行业的高压、高速泵, 对于固体混合物的密封, 更显示出其优异技术性能。 芳纶填料虽然价格高,但其使用寿命是一般填料的 420 倍, 且泄漏量比一般填料小得多, 故可以减少更换密封, 节约流体原流和能源, 其节约的价值远高于其成本差价[ 2] 。

  ( 4)陶瓷和金属纤维陶瓷和金属纤维是一种耐高温纤维,主要有氮化硅、碳化硅、氮化硼纤维等等, 耐温达 1200 ℃,是制造耐高温新型编织填料的骨架材料。其本身质脆易断。曲挠性很差, 须与耐高温的金属纤维混合编织。金属类纤维有蒙乃尔合金、不锈钢合金、铜丝、铅丝以及铝、锡、铜箔等。单独采用金属纤维作填料的并不多, 大都与石棉纤维、合成纤维或陶瓷纤维混合编织, 有时在编织填料过程中还夹入一些铝、锡、铅的粉末或窄带。金属填料中使用最多的金属带缠绕填料特点是导热性良好、耐磨损、摩擦系数小、摩擦性能稳定, 机械强度大,耐压力和耐压力波动。同时,填料是由 1 根金属带缠绕成的, 不存在渗漏问题,但容易发生界面泄漏。这种填料对高浊、高速、高压机械的轴封是非常有效的, 表 2 是金属箔填料的特点及应用。

表 2 金属箔填料的特点及应用

  1 . 2 非纤维质材料

  非纤维质材料中石墨应用较广。石墨纤维填料的优点是能适应 400℃以上工作温度, 同时有 PTEF 的化学抗力, 摩擦系数低, 并具有良好的散热性能, 石墨应用最多的是膨胀石墨。膨胀石墨又称柔性石墨, 1963 年美国联合碳化物公司首先研制成功, 并在原子能阀门上进行了成功的实验,他是把天然鳞片石墨中的杂质去除, 再经强氧化混合酸处理后成为氧化石墨。膨胀石墨的特点有: ①优异的耐热性和耐寒性。膨胀石墨在非氧化性气体中从-270℃的超低温至 3650℃的高温, 其物理性质几乎没有什么变化 ,在空气中也可以使用到600 ℃左右; 在超低温的液氧(-183 ℃)、液氮(-196 ℃)中, 膨胀石墨性能稳定,不发脆; ②有优异的耐化学腐蚀性, 膨胀石墨除在硝酸、浓硫酸、王水、高温重铬酸盐、高猛酸盐、氯化铁等强氧化性介质中被腐蚀外,其他酸、碱溶剂中几乎没有腐蚀; ③回弹率高。当预紧比压在30 ~ 60M Pa,回弹率达 30%~ 70%,当轴或轴套因制造、安装等存在少数偏心而山现径向移动时具有足够的浮动性能, 即使石墨出现裂纹, 也能很好地密合,从而保证贴合紧密, 防止泄漏, 密封性能明显增加; 故适于耐冲击的场合; ④有良好的自润性,膨胀石墨同天然石墨一样, 层间在外力作用下, 容易产生滑动, 因而具有润滑性,有较好的减磨性, 摩擦系数小。表3 是常用合成纤维和非纤维质填料的应用特点。

表 3 部分常用合成纤维和非纤维质填料的应用特点[ 4]

  2 软填料密封材料的选择

  2.1 由摩擦副的 PV 值选择密封材料

  密封端面因运动不断进行摩擦而产生的摩擦热 Q :

  Q = f·P·V/ J ( 1)

  式中: F 为摩擦材料的摩擦系数: P为密封摩擦副的比压;V为密封摩擦副的平均线速度; J 为热功当量。

  由式(1)可知, 摩擦副产生的摩擦热与 PV 值成正比,而摩擦热的大小又直接影响摩擦副的温度分布, 当密封摩擦温度分布的极大值 T max大于摩擦副间液膜的沸点时T 沸 , 即Tmax≥ T 沸那么摩擦副间的液膜便会蒸发, 沸腾, 并同时产生振动和噪声, 最后导致密封摩擦副的干摩擦, 这是密封摩擦副所不允许的。 可根据摩擦运动副的 P V 值来选择密封填料。

  2. 2 由介质的性质、工作温度、工作压力、运动速度以及材料的性能选择密封材料

  软填料密封主要是根据介质的性质、工作温度、和工作压力、运动速度以及填料的选择, 其中尤其以介质的腐蚀性、压力、运动速度和使用温度最为重要。要了解各种密封材料的耐化学品性能, 可根据密封介质的 PH 值选择合适的密封材料; 由表 4 可根据不同的密封介质选择软填料的密封润滑剂:表 5是旋转与往复运动用无石棉填料的适用范围。

表 4 填料用润滑剂种类及适用范围[ 4]

表 5 旋转与往复运动用无石棉填料的适用范围

  3 结束语

  ( 1)软填料密封适用于各种旋转运动、往复运动、螺旋运动及静止元件的密封。

  ( 2)软填料材料是影响软填料密封材料的主要因素, 由于品种繁多,且新品种不断涌现, 其工况范围各不相同, 因此,在选择和使用中必须给予足够重视。

  ( 3)选择填料时应全面考虑被密封介质的性质、温度、压力、运动速度及填料的性质、价格等因素, 且尽量选用非石棉填料

  参考文献:

  [1] 胡国桢.化工密封技术(第一版) [M].北京:化学工业出版社,1999.

  [2] 李同生.填充聚氟乙烯密封材料的研究和应用[J].润滑与密封, 1998( 1): 12-14.

  [3] 张向钊.新型密封填料[J].水泵技术,1997( 5): 11-13.

  [4] [英] R.H.沃林.密封件与密封手册(第一版)[M].北京:国防工业出版社, 1990

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