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1、编制人:周忠喜2006年09月25日密封与填料技术绪论近年来，特别是随着科学技术的发展，现代工业中具有高温、深冷、高压、高真空、易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性等高参数流体的工况日益增多。这些系统中任何部位的泄漏都会造成严重的危害，因此对密封提出更加苛刻的要求。从根本上解决泄漏问题，其意义不言而喻。西方发达国家十分重视密封材料的气密性能测试。美国(ASTM58679)1要求一般工业密封材料的氮气泄漏率小于1104cm3/s，1990年美国环保局发布了空气净化法，对泵、阀门、法兰的密封制定了易挥发物泄漏量的限制规定，要求近年来分别达到1000，500，5010-6，这对静密封提出了新的要求2。德国在1
2、995年制定的密封件质量检验标准(DIN20891_4)中，提出了密封垫片氮气泄漏率不于0.1mg/m.s的要求3。我国开展三漏治理工作近40年，但并未能彻底解决。造成我国流体密封差的原因是多方面的，其中很重要的一个问题便是密封材料的应用水平低。具体表现是我国现行的密封垫片的特征参数y、m值沿袭美国ASME40年代数据，迄今为止，我国在密封材料的泄漏率方面研究、开发的工作并不多，尚未制定有关测试标准和提出泄漏率要求，因而按照现行规范进行法兰连接设计无法满足现代工业定量控制泄漏率的要求。我国开展三漏治理工作近40年，但并未能彻底解决。造成我国流体密封差的原因是多方面的，其中很重要的一个问题便是密
3、封材料的应用水平低。具体表现是我国现行的密封垫片的特征参数y、m值沿袭美国ASME40年代数据，迄今为止，我国在密封材料的泄漏率方面研究、开发的工作并不多，尚未制定有关测试标准和提出泄漏率要求，因而按照现行规范进行法兰连接设计无法满足现代工业定量控制泄漏率的要求。第一节组合软填料密封的使用一、填料密封的工作机理在机械行业填料密封主要用作动密封。常用作离心泵、压缩机、真空泵、搅拌机的转轴密封，在填料密封的设计选择上，应以机械设备的工作条件为主要考虑因素，填料的选择应考虑具备如下条件：1、有一定的塑性，在压紧力作用下能产生一定的径向力并与紧密轴接触。2、有足够的化学稳定性，不污染介质，填料不被介质
4、泡胀，填料中的浸渍剂不被介质溶解，填料本身不腐蚀密封面。3、填料自润滑性能良好，耐磨，摩擦系数小。4、轴存在少量偏移时，填料应有足够的浮动弹性。5、制造简单、填装方便为此，需要经常对填料的压紧程度进行调节，使填料中的润滑剂在运行一段时间而有所流失之后，再挤出一些润滑剂，同时补偿填料因体积变化所造成的压紧力松弛。当然这样经常挤压填料，最后将使浸渍剂枯竭，所以定期更换填料是必要的。此外，为了维持液膜和带走摩擦热，有意让填料处有少量泄漏也是必要的。二、盘根填料在水泵使用中存在的问题水泵的轴封一般采用油浸石棉盘根或油浸棉纱盘根。油浸石棉盘根具有耐热性、柔软性好、强度高等优点，但它也有致命的缺点：编结后
5、表面粗糙、摩擦系数大、有渗漏现象，另外使用久了浸入的润滑剂容易流失。浸油棉纱盘根在水中长期浸泡会变得很硬，而且由于膨胀系数大，摩擦力较大。在实际生产中，经常出现这样的状况：新修好的设备，开始运行时轴封状况良好，但用不了多久，泄漏量便不断增加，调整压盖和更换填料的工作也逐渐频繁，运转不到一个周期，轴套就已磨损成花瓶状，严重时还会出现轴套磨断，并且水封环后面更换不到的盘根均已腐烂，无法起到密封作用。总的来开，盘根填料具有如下缺点（1）盘根填料与轴直接接触，且相对转动，造成轴与轴套的磨损，所以必须定期或不定期更换轴套。（2）为了使盘根与轴或轴套间产生的摩擦热及时散掉，盘根密封必须保持一定量的泄漏，而
6、且不易控制。（3）盘根与轴或轴套间的摩擦，造成电机有效功率降低，消耗电能，有时甚至达到510的惊人比例。总的来看，盘根填料具有如下缺点：从填料密封的原理来看，流体在密封腔内可泄漏的通道有三处：其一是流体穿透纤维材料造成泄漏；其二是从填料与填料箱体之间泄漏；其三是从填料与轴表面之间泄漏。因此防止水泵泄漏最为关键的措施是：（1）合理选择密封填料；（2）设计合理的密封腔体，调整适当的密封压紧力。三、组合软填料密封的设计设计的填料腔结构如图2所示。填料腔体内填充一种优良的密封软材料，它是由碳纤维、高纯度石墨、聚四氟乙烯、有机密封剂等组成。它耐热-18200，最大压力0.7Mpa，最大线速度8m/s，耐
7、腐蚀性强，适用介质PH值范围413，主要适用于水介质。这种软填料状态为胶泥状，摩擦系数低、混合体之间分子吸引力小。在轴的运转过程中，填料中的纤维会缠绕在轴上，并随轴一起转动，形成一个“旋转层”，此“旋转层”起到了保护轴或轴套的作用，避免了轴套磨损，减小了动力消耗；随着“旋转层”直径的逐渐增大，轴对纤维的缠绕能力将逐步减弱，没有与轴缠绕，并且与填料腔内壁保持相对静止，在填料腔内形成一个“剪切层”，此时相对旋转运动的摩擦剪切区域就存在于填料中间而不是存在于填料与轴之间。另外在注入的填料两端压入聚四氟乙烯编结填料，利用此编结填料端环将混合软填料压紧。为了使轴在高速转动过程中，混合软填料不被挤压摔出，
8、特意在填料腔体和压盖处设计加工了螺旋槽，值得注意的是填料两端的螺旋槽方向应互为相反，这样保证轴旋转时能产生使混合填料受到向内的泵送作用，有效防止了填料的飞溅。四、水泵试验情况组合填料设计制作完成后，在水泵试验台上进行试验。试验台设计工况如下：电机转速1500r/min，工作压力1MPa，介质为清水，介质温度常温。填料装填过程按如下操作步骤进行（1）清理填料腔，检查轴表面是否有划伤、毛刺等现象，保证轴的粗糙度达到图纸要求Ra1.6；（2）用百分表检查轴在密封部位的径向跳动，其公差应在0.03mm-0.08mm范围内。（3）装填时对编结聚四氟乙烯端环最好先取一根与轴同尺寸的木棒，将编结聚四氟乙烯缠
9、绕在木棒上，再用刀切断，切口最好成45o斜面，用一与填料腔同尺寸的木质两半轴套，合于轴上将编结填料推入腔的深部，并用压盖对木质轴套施加一定压力，使之预压缩，注意保持编结填料在腔底部平整。（3）注入混合胶泥状填必须边注入边用木质轴套压紧，最后再用编结聚四氟乙烯压在填料腔的外边，均匀上紧压盖，同时用手转动主轴，使装填后的压紧力趋于抛物线分布，然后将压盖稍放松，填料装填完毕。进行运转试验，刚启动运转时，泄漏情况以间断滴漏为主，当泄漏增大时，适当调紧压盖螺栓。若发热过大，将螺栓放松一下。运行正常后，泄漏基本停止。试运行60h后，打开填料密封腔观察，编结聚四氟乙烯端环形状保持完整，混合软填料没有摔出现象
10、，轴上毫无磨损迹象。第二节石棉类盘根的应用一、石棉浸四氟盘根温度：260PH值：2-13线速度：10m/s压力：旋转泵：10bar柱塞泵:100bar阀：100barAT201L1静动密封填料：石棉浸四氟盘根是用优质石棉线编织而成，浸渍聚四氟乙烯乳液,作一般腐蚀介质的泵、阀的填料函密封,适合于酸、碱、油、气体、氨等。AT201L2动密封填料：该盘根添加特殊的渗润滑剂，适用于柱塞泵及较高线速度场合的旋转泵。石棉油浸盘根温度：450PH值：2-13线速度：10m/s压力：80bar温度：250、PH值：2-13线速度：8m/s压力：60bar动密封填料AT202L1石棉油浸盘根，采用耐温性高的石棉
11、盘根，里外涂石墨并充分浸油，具有较好的回弹和润滑性，适用于通用机泵，锅炉用给料泵尤为适合。AT202L2线速度较低场合使用，选择外表面涂石墨的石棉油浸盘根。第三节柔性石墨填料密封的应用被誉为“密封王”的柔性石墨密封材料迄今为止没有得到广泛应用。工业应用还是以石棉质密封材料为主。柔性石墨密封性能优于石棉，主要应用在密封要求较高的设备上，主要的是柔性石墨的价格较高的劣势所造成的一柔性石墨密封于其他密封性能比较试验垫片密封性能是一项综合性能指标，受多种因素影响。从密封机理的角度，泄漏率是介质压力P和垫片预紧应力的函数。试验测得三者关系如下图所示。上图泄漏特征曲线曲线1.=10MPa；曲线2.=20M
12、Pa；曲线3.=40MPa；曲线4.=80MPa由上图可见：柔性石墨垫片在不同预紧应力下泄漏率和介质压力基本呈线性关系，具有粘性流体层流的一般特征。预紧应力越大，泄漏率越小，且在预紧应力20MPa时，泄漏率对内压变化不敏感。本文试验条件下几乎都能满足0.1mg/m.s的气密性要求。石棉橡胶板的泄漏率特征表明：当预紧应力小于20MPa时，泄漏率随内压的增大急剧上升；预紧应力大于30MPa时泄漏率和压力呈线性关系，试验条件下min0.52mg/m.s，无法满足气密性要求。无机纤维橡胶板的泄漏率特征与石棉橡胶板类似，但密封性能优于前者。在80MPa，PMPa的条件下可满足0.1mg/m.s的气密性要
13、求。第四节密封垫片一、垫片一、垫片垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰进行压紧，使其发生弹塑性变形，填充法兰密封面与垫片间的微观几何间隙，增加介质的流动阻力，从而达到阻止或减少介质的泄漏的目的。垫片性能的好坏以及选用的合适与否对密封副的密封效果影响很大。常用的垫片可以分为三大类，即非金属垫片、半金属垫片和金属垫片。a.非金属垫片：非金属垫片：石棉橡胶垫片石棉橡胶垫片，它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成。在美国，很多标准中都将石棉制品列为致癌物质而禁用。但在世界范围内，石棉仍以其弹性好、强度高、耐油性好、耐高温、易获得等优点而得到广泛应用。适用范围适用范围：T260，PN2.0MPa（SH3
14、401）T400，PN4.0MPa（国标）用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。聚四氟乙烯聚四氟乙烯(PTFE)包覆垫片：包覆垫片：适用范围适用范围：T180200，PN4.0MPa常用于低温或者要求干净的场合下b.半金属垫片半金属垫片半金属垫片半金属垫片有缠绕式垫片、金属包覆垫片和柔性石墨缠绕垫三大类柔性石墨缠绕垫三大类。缠绕式垫片缠绕式垫片：是半金属垫片中最理想、也是应用最普遍的垫片。特点：压缩回弹性好、强度高，有利于适应压力和温度的变化，能在高温、低温、冲击、振动及交变载荷下保持良好的密封性能。缠绕钢带：20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni1
15、2Mo2等材料非金属缠绕带：特制石棉特制石棉、柔性石墨带和聚四氟乙烯带柔性石墨带和聚四氟乙烯带常用缠绕式垫片的使用条件垫片材料法兰公称压力（MPa）温度范围奥氏体不锈钢/特制石棉公称压力25.0，温度范围50500奥氏体不锈钢/柔性石墨公称压力25.0，温度范围196600奥氏体不锈钢/聚四氟乙烯公称压力10.0，温度范围10.0196200铁包式垫片：铁包式垫片：密封性能不如缠绕式垫片，故压力管道中用的不多，它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上。柔性石墨复合垫柔性石墨复合垫 由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。适用于突面、凹凸面和榫槽面法兰。c.金属垫片金属垫片金属垫片常用在
16、高压力等级法兰上，以承受比较高的密封比压。常用的金属垫片有平垫、八角形垫和椭圆型垫三种。金属平垫片金属平垫片：常与凸台面、凹凸面、榫槽面法兰使用。八角形金属垫片和椭园形金属垫片八角形金属垫片和椭园形金属垫片：常与环槽面法兰使用。与椭圆形金属垫片相比八角形金属垫片容易加工，故其应用比较多。金属垫片的材料应配合法兰材料选用，且要求垫片硬度比法兰密封面硬度低(不少于HB30)。金属缠绕垫片是以选用优质合金带或不锈钢带轧成“V”或“W”型为骨架材料，石墨、石棉、聚四氟乙烯为填充材料，在专用设备上螺旋缠绕而成，作静密封之用，由于机械强度高，压缩弹性好，使用方便，更适应温度、压力剧烈交变场合的应用。广泛应
17、用于石油、化工、机械、冶金、电力、造船等行业的管道、阀门、泵、压力容器、换热器、冷凝器、塔、人孔等法兰连接处的密封。材质耐温（）压力（MP）柔性石墨6500-26四氧乙烯26000-26石棉45000-26石棉板材主要技术指标选用材料优质石棉、合成橡胶、耐热橡胶使用温度-200-580使用压力1.5-6Mpa适用范围管道法兰处静密封元件的原料可供规格长度1500-6000mrr宽度2700mm厚度0.5-5mm各种编织盘根能经受剧烈温度交变和压力交变。碳纤维盘根预氧化纤维编织而成，浸渍四氟或耐热硅油。既有优良的化学稳定性和导热性又有较高的强度，特别使用于化学腐蚀性强，含有颗料介质的各种旋转泵、
18、往复的密封。柔性石墨盘根柔性石墨和纺织纤维编织而成。适用于许多介质，如热水、蒸汽、酸、碱、有机溶剂、碳氢化合物、低温液体等。聚四氟乙烯盘根四氟编织加添润滑剂，这种盘根可在各种化学介质中使用，又有一定的强度和较低的磨擦系数。用于较低线速度（小于4m/s）。石墨四氟盘根完全渗入石墨的四氟线编织而成，也可渗入滑动性非硅油物质。这种盘根除了保留聚四氟乙烯所具有的耐化学腐蚀等特性外，还有良好的热传导性和自润滑性。所以这种盘根用在动密封部位上，可以适应较高的线速度（约16m/s）。常用的填料及密封材料金属缠绕垫石墨金属复合缠绕垫四氟盘根碳纤维盘根耐油O型密封圈氟胶O型密封圈硅胶O型密封圈硅胶O型密封圈三元乙丙O型密封圈三元乙丙O型密封圈石棉板材机械密封