【摘 要】介紹了軟填料密封常用材料的種類、特點、性能及使用范圍, 并對軟材料常用材料進行了綜合比較, 提出了軟填料密封選擇的方法。

　　【關鍵詞】軟填料密封; 材料; 選擇

　　軟填料密封又叫壓蓋密封,俗稱盤根,是一種填塞環縫的壓緊式密封,是世界上使用最早的一種密封裝置。軟填料密封通常用作旋轉或往復運動的零件與軸封箱之間環形空間的密封, 如離心泵、轉子泵、往復泵、攪拌機、閥桿、管線膨脹節、換熱器浮頭、帶攪拌反應釜等設備的軸封和閥桿的密封, 它能適應往復運動、旋轉運動和螺旋轉運動元件的密封。近些年來隨著科學技術的進步, 新材料不斷涌現, 新型的密封填料相近問世, 正取代著傳統的以石棉為主的填料, 大大拓寬了軟填料密封的工況范圍, 研究常用軟填料材料的特性及其選擇對密封的選材是非常有益的, 對泄漏的防止, 實現廠、礦的綠色環境具有不可低估的作用。

　　1 軟填料密封的常用材料

　　目前軟填料密封主要有纖維質材料和非纖維質材料兩大類。

　　1 . 1 纖維質材料

　　軟填料密封常用的材料按材質可分為天然纖維、礦物纖維、合成纖維、陶瓷和金屬纖維四大類。

　　( 1)天然纖維 天然纖維有棉、麻、毛等。麻的纖維粗,摩擦阻力大, 但在水中纖維強度增加, 柔軟性更好, 一般用于清水、工業水和海水的密封, 用于工作溫度 >90℃,其密封面線速度可達 10m/ s 的油、水和非腐蝕性的化學介質下。 棉纖維比麻纖維軟, 但棉與麻相反, 在水中會變硬且膨脹, 因此摩擦阻力較大, 一般用于食品、果汁、漿液等潔凈介質的密封。毛纖維光滑、柔軟、摩擦阻力小、耐酸, 可用于低參數的酸性介質的密封。而天然纖維的物理、化學性能較差, 使用范圍有限, 壽命短, 故目前很少采用[ 1] 。

　　( 2)礦物纖維 礦物纖維主要有石棉纖維, 分溫石棉和青石棉, 青石棉國際公約禁用, 通常使用均為溫石棉。由于石棉纖維具有柔軟性好, 耐熱性優異、強度高、耐磨損和耐酸、堿及多種化學品等一系列優點, 很適合作密封填料, 其缺點是編結后有滲透泄漏 ,一般在編織石棉填料中浸漬一定量潤滑油和石墨粉、鋁粉、滑石粉等, 用以降低摩擦系數, 填塞纖維空隙, 使填料更加致密, 防止滲漏, 并能保持良好的潤滑性; 但在500 ℃時石棉會成為粉狀, 密封性下降。

　　石棉一般適用于介質為蒸汽、空氣、工業用水和重油的轉軸、往復桿或閥桿的密封。但由于石棉己被公認為是一種對人體有害的致癌物質, 會危害人體健康, 因此, 一些發達國家已明令禁止生產使用石棉制品, 包括石棉的密封材料, 我國目前仍然在使用石棉填料。

　　表 1 是常用礦物纖維填料的特點及應用。

　　( 3)合成纖維 用于制造填料的合成纖維主要有: 聚四氟乙烯( PT F E)、碳纖維、酚醛纖維、芳綸等, 這些材料由于其化學性能穩定、強度高、耐磨、適應溫度范圍廣、摩擦系數小,工作壽命長, 解決了使用石棉材料所不能解決的一些問題。

　　PTFE是由美國人 R.J.Plumkett 于 1938 年發明的, 具有非常高的化學穩定性, 對于強酸、強堿、強氧化劑有很高的抗蝕性, 是已知高分子襯料中耐溶劑和耐腐蝕性最好的, 至今還未發現在 300℃以下有溶劑可使之溶解, 僅在熔融堿金屬、堿金屬的氨水中溶解; PTFE 的耐熱性較好, 在360 ℃下 10h 不發生明顯的變質和分解, 在-190～+250℃內能保持機械強度。PTFE 的耐摩性能也十分優異, 其手感滑膩、硬度低、不會劃傷對偶件, 與金屬對摩時摩擦系數低。 不同工作條件下,其摩擦系數一般在 0.04 ～ 0.35, 是高分子材料中摩擦系數最低的。PTFE 的不足之處主要是機械強度較低, 且易蠕變;導熱性差, 熱膨脹系數低 。對于 PTEF 的不足之處可通過添加適當的填充劑,如玻璃纖維、石墨、青銅粉、二硫化鉬等得到改善, 一般用于低壓、中溫、強酸、強堿以及不允許污染的介質(如鹵素、藥品等)的密封[ 2]。

　　碳纖維是用聚丙烯腈纖維氧化和碳化而成的,根據碳化程度不同,可得到碳素纖維、耐焰碳纖維、石墨纖維三種產品。碳素纖維或加入 PTEF 纖維編織填料經聚氟乙烯乳液浸漬后, 可在酸、堿溶劑中應用, 特別是在尿素系統的高壓銨泵、液氨泵及硫酸廠的酸泵中成功應用,表明其是一種很有發展前途的適用于高溫、高壓、高速、強腐蝕場合的填料。目前我國市售的碳纖填料 95%以上都是以耐焰碳纖維為主體并經多次浸漬四氟乙烯乳液和特種潤滑劑編織而成, 其使用壽命比一般石棉填料高 5～10 倍, 密度是石棉填料的 3/4 ,密封性能優于石棉填料, 隨著工藝的成熟和完善及成本的降低, 有可能逐漸取代石棉填料[ 3] 。

　　酚醛纖維也是近些年發展起來的新型耐燃有機纖維, 酚醛纖維表面浸漬性能好, 故酚醛纖維編織成填料, 經多次浸漬聚四氟乙烯乳液和表面處理之后, 摩擦系數相當低( 0.148—0.156), 自潤滑性能較好, 加上酚醛纖維有一定的耐腐蝕性能(耐溶劑性能突出), 可在一般濃度的酸、強堿及各種溶劑中使用, 酚醛纖維的強度比四氟纖維低, 故不適合在高壓動態密封中使用,一般使 用壓力 為 4.9M Pa, 最高 使用溫 度可超過180 ℃, 長期使用溫度 150 ℃以下, 而且酚醛纖維價格遠低于PTEF 和碳纖維, 在工況不十分惡劣的情況下,其填充的使用效果大大超過石棉類填料。國內 1982 年開始著手研究酚醛纖維的性能、制造工藝、和現場運用, 目前被認為是一種有發展前途并能取代石棉密封材料[ 1]。

　　芳綸纖維是聚芳酰胺塑料制成的纖維,由美國杜邦公司首先開發成功并于 1972 年首次以“凱夫拉”為商品名稱。這種纖維突出的特點是抗張力強度非常高, 模量高、質地柔軟,富有彈性; 耐磨性極佳, 耐熱性也是在合成纖維中最好的, 熱分解溫度為430℃, 有較好的化學穩定性, 除強酸、堿不適用外, 其他液體均可適用。

　　以芳綸纖維為主體材料與其他材料進行復合加工而制成的填料,用于油田、化工等行業的高壓、高速泵, 對于固體混合物的密封, 更顯示出其優異技術性能。 芳綸填料雖然價格高,但其使用壽命是一般填料的 420 倍, 且泄漏量比一般填料小得多, 故可以減少更換密封, 節約流體原流和能源, 其節約的價值遠高于其成本差價[ 2] 。

　　( 4)陶瓷和金屬纖維陶瓷和金屬纖維是一種耐高溫纖維,主要有氮化硅、碳化硅、氮化硼纖維等等, 耐溫達 1200 ℃,是制造耐高溫新型編織填料的骨架材料。其本身質脆易斷。曲撓性很差, 須與耐高溫的金屬纖維混合編織。金屬類纖維有蒙乃爾合金、不銹鋼合金、銅絲、鉛絲以及鋁、錫、銅箔等。單獨采用金屬纖維作填料的并不多, 大都與石棉纖維、合成纖維或陶瓷纖維混合編織, 有時在編織填料過程中還夾入一些鋁、錫、鉛的粉末或窄帶。金屬填料中使用最多的金屬帶纏繞填料特點是導熱性良好、耐磨損、摩擦系數小、摩擦性能穩定, 機械強度大,耐壓力和耐壓力波動。同時,填料是由 1 根金屬帶纏繞成的, 不存在滲漏問題,但容易發生界面泄漏。這種填料對高濁、高速、高壓機械的軸封是非常有效的, 表 2 是金屬箔填料的特點及應用。

　　1 . 2 非纖維質材料

　　非纖維質材料中石墨應用較廣。石墨纖維填料的優點是能適應 400℃以上工作溫度, 同時有 PTEF 的化學抗力, 摩擦系數低, 并具有良好的散熱性能, 石墨應用最多的是膨脹石墨。膨脹石墨又稱柔性石墨, 1963 年美國聯合碳化物公司首先研制成功, 并在原子能閥門上進行了成功的實驗,他是把天然鱗片石墨中的雜質去除, 再經強氧化混合酸處理后成為氧化石墨。膨脹石墨的特點有: ①優異的耐熱性和耐寒性。膨脹石墨在非氧化性氣體中從-270℃的超低溫至 3650℃的高溫, 其物理性質幾乎沒有什么變化 ,在空氣中也可以使用到600 ℃左右; 在超低溫的液氧(-183 ℃)、液氮(-196 ℃)中, 膨脹石墨性能穩定,不發脆; ②有優異的耐化學腐蝕性, 膨脹石墨除在硝酸、濃硫酸、王水、高溫重鉻酸鹽、高猛酸鹽、氯化鐵等強氧化性介質中被腐蝕外,其他酸、堿溶劑中幾乎沒有腐蝕; ③回彈率高。當預緊比壓在30 ～ 60M Pa,回彈率達 30%～ 70%,當軸或軸套因制造、安裝等存在少數偏心而山現徑向移動時具有足夠的浮動性能, 即使石墨出現裂紋, 也能很好地密合,從而保證貼合緊密, 防止泄漏, 密封性能明顯增加; 故適于耐沖擊的場合; ④有良好的自潤性,膨脹石墨同天然石墨一樣, 層間在外力作用下, 容易產生滑動, 因而具有潤滑性,有較好的減磨性, 摩擦系數小。表3 是常用合成纖維和非纖維質填料的應用特點。

　　2 軟填料密封材料的選擇

　　2.1 由摩擦副的 PV 值選擇密封材料

　　密封端面因運動不斷進行摩擦而產生的摩擦熱 Q :

　　Q = f·P·V/ J ( 1)

　　式中: F 為摩擦材料的摩擦系數: P為密封摩擦副的比壓;V為密封摩擦副的平均線速度; J 為熱功當量。

　　由式(1)可知, 摩擦副產生的摩擦熱與 PV 值成正比,而摩擦熱的大小又直接影響摩擦副的溫度分布, 當密封摩擦溫度分布的極大值 T max大于摩擦副間液膜的沸點時T 沸 , 即Tmax≥ T 沸那么摩擦副間的液膜便會蒸發, 沸騰, 并同時產生振動和噪聲, 最后導致密封摩擦副的干摩擦, 這是密封摩擦副所不允許的。 可根據摩擦運動副的 P V 值來選擇密封填料。

　　2. 2 由介質的性質、工作溫度、工作壓力、運動速度以及材料的性能選擇密封材料

　　軟填料密封主要是根據介質的性質、工作溫度、和工作壓力、運動速度以及填料的選擇, 其中尤其以介質的腐蝕性、壓力、運動速度和使用溫度最為重要。要了解各種密封材料的耐化學品性能, 可根據密封介質的 PH 值選擇合適的密封材料; 由表 4 可根據不同的密封介質選擇軟填料的密封潤滑劑:表 5是旋轉與往復運動用無石棉填料的適用范圍。

　　3 結束語

　　( 1)軟填料密封適用于各種旋轉運動、往復運動、螺旋運動及靜止元件的密封。

　　( 2)軟填料材料是影響軟填料密封材料的主要因素, 由于品種繁多,且新品種不斷涌現, 其工況范圍各不相同, 因此,在選擇和使用中必須給予足夠重視。

　　( 3)選擇填料時應全面考慮被密封介質的性質、溫度、壓力、運動速度及填料的性質、價格等因素, 且盡量選用非石棉填料

　　參考文獻:

　　[1] 胡國楨.化工密封技術(第一版) [M].北京:化學工業出版社,1999.

　　[2] 李同生.填充聚氟乙烯密封材料的研究和應用[J].潤滑與密封, 1998( 1): 12-14.

　　[3] 張向釗.新型密封填料[J].水泵技術,1997( 5): 11-13.

　　[4] [英] R.H.沃林.密封件與密封手冊(第一版)[M].北京:國防工業出版社, 1990

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