零逸出密封技術

密封產品對保護環(huán)境是非常重要的，機械密封就是用在流體泄漏或逸出而有害于環(huán)境的場合下阻止工藝流體向外泄漏或逸出的。要使工藝流體徹底不逸出，必須推廣零逸出密封技術。因此，世界各國都很重視零逸出密封技術的研究，研究零逸出密封技術、研制和開發(fā)零逸出密封系統(tǒng)、零逸出密封和零逸出密封輔助措施。特別是要密封有害介質和有危險性的介質，必須采用零逸出密封、零逸出密封系統(tǒng)和零逸出密封輔助措施。對于石油化工來說，一些關鍵設備，例如渦輪壓縮機、汽輪機、攪拌釜必須采用零逸出氣體阻塞密封，關鍵有害液體泵必須采用零逸出氣體阻塞密封或干運轉零逸出密封和抑制密封。

什么是零逸出密封技術?所謂零逸出，就是指工藝設備內的工藝流體泄漏量和逸出量等于零，也就是無工藝流體逸出。研究零逸出的密封技術就是零逸出密封技術。

零逸出密封技術具體研究零逸出密封系統(tǒng)、零逸出密封、零逸出密封輔助措施和密閉式機泵。零逸出密封系統(tǒng)在零逸出密封系統(tǒng)中采用流體阻塞系統(tǒng)和流體緩沖系統(tǒng)。流體阻塞系統(tǒng)中利用壓力大于工藝流體壓力和大氣壓力的(與工藝流體相容的惰性氣體、蒸汽或油、油品、水)阻塞流體注入密封室中，由于阻塞流體壓力稍大于工藝流體壓力，允許少量阻塞流體通過內密封漏人工藝流體側，同時也可能有少量阻塞流體通過外密封漏到大氣中。工藝流體阻塞流體大氣由于液體阻塞系統(tǒng)所采用的是油、油品或水，整個阻塞液體的增壓系統(tǒng)龐大而昂貴，而且油氣對環(huán)境污染，故均采用較簡單，而且不貴又不污染的氣體阻塞系統(tǒng)。流體緩沖系統(tǒng)中利用壓力小于工藝流體壓力但大于大氣壓力的(與工藝流體相容的)緩沖流體注入密封室中，由于工藝流體壓力大于緩沖流體壓力，就有少量工藝流體流到緩沖流體中，隨緩沖流體引出密封室，到密閉系統(tǒng)或放空系統(tǒng)中去處理掉。工藝流體緩沖流體大氣由于同樣的理由，液體緩沖系統(tǒng)的油、油品或水有可能漏到大氣中，仍有危險性和環(huán)境污染，故均采用氣體緩沖系統(tǒng)。因此，零逸出密封技術中均采用氣體阻塞系統(tǒng)和氣體緩沖系統(tǒng)。零逸出密封為了達到零逸出，對于有害介質和有危險性介質，必須采用氣體阻塞系統(tǒng)或氣體緩沖系統(tǒng)。因此，要求密封能在氣體阻塞系或氣體緩沖系統(tǒng)中干運轉的密封作為零逸出密封。零逸出密封中可以是單密封、雙密封、串級密封或多密封。如果介質是無害的或無危險性的惰性氣體或空氣，則可采用單密封。

然而，對于有害介質或有危險性介質，則必須采用雙密封、串級密封或多級密封，才能達到零逸出。這樣，零逸出密封中就有靠工藝流體側的內密封和不靠工藝流體側的外密封和抑制密封。這樣就有各式各樣的密封配置，但其中必然有主密封、副密封和或輔助密封。

一般說來，零逸出密封采用干運轉密封。它可以有接觸式干運轉密封或非接觸式干運轉密封。接觸式干運轉密封中有具有固體潤滑性能材料做的普通接觸式機械端面密封、熱流體動力楔密封、唇狀密封分瓣式硬填料密封、軟填料密封、油封、磁流體密封和各種組密封等。非接觸式干運轉密封中有非接觸式機械端面密封、迷宮密封、蜂窩密封、節(jié)流環(huán)密封、浮動環(huán)密封、螺旋密封、迷宮螺旋密封、葉輪密封和組合密封等。非接觸式端面密封中，開各種流槽的氣體端面密封發(fā)展較快，出現(xiàn)了螺旋槽、圓弧槽、葉形槽、梯形槽、形槽、形槽、雷列臺階面、斜平面、直槽和各種異形槽等密封。

這些密封的共同特點是利用流槽的各種流體靜動壓效應增加流體膜的承載能力和流體膜剛度，同時利用淺槽形成較薄的流體膜和較小的泄漏量。零逸出密封的輔助措施零逸出密封系統(tǒng)中包括阻塞氣體和緩沖氣體的供應、氣體過濾(通常采用的雙過濾器)、控制和計量儀表(壓力表和壓力開關、差壓表和差壓傳送器、壓力調節(jié)器和壓力指示器、節(jié)流孔板、流量指示器和流量傳送器)、各種閥門(啟閉閥、單向閥、調節(jié)閥和調節(jié)控制器)、主密封泄漏量監(jiān)控和報警以及馳放氣體放空、凝液排污或回收裝置。有必要時采用溫度計指示和冷卻器。

接觸式密封減少泄漏、減小磨損、提高可靠性和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。非接觸式密封減少泄漏、提高流體膜剛度和工作穩(wěn)定性、延長使用壽命。

發(fā)展趨勢

隨著科技進步和工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)機械密封實用化的要求越來越高。具體可用圖來表示機械密封技術的發(fā)展趨勢。

發(fā)展特點

技術不斷創(chuàng)新新技術、新概念、新產品、新材料、新工藝和新標準不斷涌現(xiàn);高參數(shù)(如高壓、高速、高溫、大直徑)、高性能(如干運轉、零泄漏、無油潤滑、漿液)和高水平的密封產品大量研制;失效機理(如皰疤、熱裂、空化汽蝕、橡膠密封圈泡脹和老化、失效分析(如可靠性和概率)和失效監(jiān)控(如流體膜、摩擦 狀態(tài)和相態(tài)的研究和應用。

使用范圍不斷擴

機械密封不僅機泉閥采用。而且工藝設備(如反應釜、轉盤 塔、攪拌機、離心機等都采用。

發(fā)展要求重視密封系統(tǒng)

過去只重視單獨密封件，已經發(fā)展到重視整個密封系統(tǒng)，而且已制了新的密封系統(tǒng)標準離心泵與轉子泵的軸封系統(tǒng)標準。

注意安全和環(huán)境保護

過去只注意眼睛可視的"泄漏"，不注意眼睛看不見的易揮發(fā)物的"逸出";發(fā)展到要求控制易揮發(fā)物的逸出量，也就是說從要求"零泄漏"到 要求"零逸出"。

1.4.1 密封材料的種類及用途

密封材料應滿足密封功能的要求。由于被密封的介質不同，以及設備的工作條件不同，要求密封材料的具有不同的適應性。對密封材料的要求一般是:

1) 材料致密性好，不易泄露介質;

2) 有適當?shù)臋C械強度和硬度;

3) 壓縮性和回彈性好，永久變形小;

4) 高溫下不軟化，不分解，低溫下不硬化，不脆裂;

5) 抗腐蝕性能好，在酸，堿，油等介質中能長期工作，其體積和硬度變化小，且不粘附在金屬表面上;

6) 摩擦系數(shù)小，耐磨性好;

7) 具有與密封面結合的柔軟性;

8) 耐老化性好，經久耐用;

9) 加工制造方便，價格便宜，取材容易。

橡膠是最常用的密封材料。除橡膠外，適合于做密封材料的還有石墨等，聚四氟乙烯以及各種密封膠等。

1.4.2 通用的橡膠密封制品材料

通用的橡膠密封制品在國防，化工，煤炭，石油，冶金，交通運輸和機械制造工業(yè)等方面的應用越來越廣泛，已成為各種行業(yè)中的基礎件和配件。

橡膠密封制品常用材料如下。

1.4.2.1 丁腈橡膠

丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐燃料油及芳香溶劑等性能，但不耐酮，酯和氯化氫等介質，因此耐油密封制品以及采用丁腈橡膠為主。

1.4.2.2氯丁橡膠

氯丁橡膠具有良好的耐油和耐溶劑性能。它有較好的耐齒輪油和變壓器油性能，但不耐芳香族油。氯丁橡膠還具有優(yōu)良的耐天候老化和臭氧老化性能。氯丁橡膠的交聯(lián)斷裂溫度在200℃以上，通常用氯丁橡膠制作門窗密封條。氯丁橡膠對于無機酸也具有良好的耐腐蝕性。此外，由于氯丁橡膠還具有良好的撓曲性和不透氣性，可制成膜片和真空用的密封制品。

1.4.2.3 天然橡膠

天然橡膠與多數(shù)合成橡膠相比，具有良好的綜合力學性能，耐寒性，較高的回彈性及耐磨性。天然橡膠不耐礦物油，但在植物油和醇類中較穩(wěn)定。在以正丁醇與精制蓖麻油混合液體組成的制動液的液壓制動系統(tǒng)中作為密封件的膠碗，膠圈均用天然橡膠制造，一般密封膠也常用天然橡膠制造。

1.4.2.4 氟橡膠

氟橡膠具有突出的耐熱(200~250℃)，耐油性能，可用于制造氣缸套密封圈，膠碗和旋轉唇形密封圈，能顯著地提高使用時間。

1.4.2.5 硅橡膠

硅橡膠具有突出的耐高低溫，耐臭氧及耐天候老化性能，在-70~260℃的工作溫度范圍內能保持其特有的使用彈性及耐臭氧，耐天候等優(yōu)點，適宜制作熱機構中所需的密封墊，如強光源燈罩密封襯圈，閥墊等。由于硅橡膠不耐油，機械強度低，價格昂貴，因此不宜制作耐油密封制品。

1.4.2.6三元乙丙橡膠

三元乙丙橡膠的主鏈是不含雙鍵的完全飽和的直鏈型結構，其側鏈上有二烯涇，這樣就可用硫磺硫化。三元乙丙橡膠具有優(yōu)良的耐老化性，耐臭氧性，耐候性，耐熱性(可在120℃環(huán)境中長期使用)，耐化學性(如醇，酸，強堿，氧化劑)，但不耐脂肪族和芳香族類溶劑侵蝕。三元乙丙橡膠在橡膠中密度是最低的有高填充的特性，但缺乏自粘性和互粘性。此外，三元乙丙橡膠有突出的耐蒸汽性能，可制作耐蒸汽膜片等密封制品。三元乙丙橡膠已廣泛用于洗衣機，電視機中的配件和門窗密封制品，或多種復合體剖面的膠條生產中。

1.4.2.7 聚氨酯橡膠

聚氨酯橡膠具有優(yōu)異的乃磨性和良好的不透氣性，使用溫度范圍一般為-20~80℃。此外，還具有中等耐油，耐氧及耐臭氧老化特性，但不耐酸堿、水、蒸汽和酮類等。適于制造各種橡膠密封制品，如油封、O形圈和隔膜等。

1.4.2.8 氯醚橡膠

氯醚橡膠兼有丁腈橡膠，氯丁橡膠，丙烯酸酯橡膠的優(yōu)點，其耐油、耐熱、耐臭氧、耐燃、耐堿、耐水及耐有機溶劑性能都很好，并有良好的工藝性能，其耐寒性較差。在使用溫度不太低的情況下，氯醚橡膠仍是制造油封，各種密封圈，墊片，隔膜和防塵罩等密封制品的良好材料。

1.4.2.9丙烯酸酯橡膠

丙烯酸酯橡膠具有耐熱油(礦物油，潤滑油和燃料油)，特別是在高溫下的耐油穩(wěn)定性能，一般可達175℃，間隙使用或短時間可耐溫200℃。它的缺點是耐寒性差。因此在非寒冷地區(qū)適合制作耐高溫油的油封，但不適合作高溫下受拉伸或壓縮應力的密封制品。

膠種

主要特點

工作溫度

主要用途

丁腈橡膠

耐油、耐熱、耐磨性好。廣泛用于制作密封制品，但不適用于磷酸酯系列液壓及含極性添加劑的齒輪油。

-40~120℃

用于制作"O"形圈，油封，適用于一般的液壓、氣動系統(tǒng)。

氫化丁腈橡膠

強度高、耐油、耐磨、耐熱、耐老化。

-40~150℃

用于高溫、高速的往復密封和旋轉密封。

橡塑膠

材料彈性模量大，強度高，其他性能同上。

-30~80℃

用于制作"O"形圈、"Y"形圈、防塵圈等，應用于工程機械及高壓液壓系統(tǒng)的密封。

氟橡膠

耐熱、耐酸堿及其它化學藥品、耐油(包括磷酸酯系列液壓油)，適用于所有潤滑油、汽油、液壓油、合成油。

-20~200℃

適用于耐高溫、化學藥品、耐燃液壓油的密封，在冶金、電力等行業(yè)用途廣泛。

聚氨酯

耐磨性能優(yōu)異、強度高、耐老化性能好。

-20~80℃

適用于工程機械和冶金設備中的高壓、高速系統(tǒng)密封。

硅橡膠

耐熱、耐寒性好。壓縮永久變形小，但機械強度低

-60~230℃

適用于高、低溫下的高速旋轉密封及食品機械的密封。

聚丙烯酸酯

耐熱性優(yōu)于NBR，可在含極性添加劑的各種潤滑油、液壓油、石油系液壓油中工作，耐水性較差。

-20~150℃

可用于各種小汽車油封及各種齒輪箱、變速箱，可耐中高溫。

乙丙橡膠

耐氣候性能好，在空氣中耐老化、耐油性能一般，可耐氟里昂及多種制冷劑。

-50~150℃

應用于冰箱及制冷機械的密封。

聚四氟乙烯

化學穩(wěn)定性好，耐熱、耐寒性好，耐油、水、汽、藥品等各種介質。機械強度較高，耐高溫、耐磨，摩擦系數(shù)極低，自潤滑性好。

-55~260℃

制作耐磨環(huán)、導向環(huán)、擋圈，為機械上常用的密封材料，廣泛用于冶金、石化、工程機械、輕工機械。

尼龍

耐油、耐熱、耐磨性好，抗壓強度高，抗沖擊性能好，但尺寸穩(wěn)定性差。

-40~120℃

用于制作導向環(huán)、支撐環(huán)、壓環(huán)、擋圈。

聚甲醛

耐油、耐熱、耐磨性好，抗壓強度高，抗沖擊性能好，有較好的自潤滑性能，尺寸穩(wěn)定性好，但屈撓性差。

-40~140℃

用于制作導向環(huán)、擋圈。

泄漏是機械設備常產生的故障之一。造成泄漏的原因主要有兩方面:一是由于機械加工的結果，機械產品的表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此，在機械零件聯(lián)接處不可避免地會產生間隙;二是密封兩側存在壓力差，工作介質就會通過間隙而泄露。

減小或消除間隙是阻止泄露的主要途徑。密封的作用就是將接合面間的間隙封住，隔離或切斷泄漏通道，增加泄漏通道中的阻力，或者在通道中加設小型做功元件，對泄露物造成壓力，與引起泄漏的壓差部分抵消或完全平衡，以阻止泄漏。

對于真空系統(tǒng)的密封，除上述密封介質直接通過密封面泄漏外，還要考慮下面兩種泄漏形式:

滲漏。即在壓力差作用下，被密封的介質通過密封件材料的毛細管的泄漏稱為滲漏;

擴散。即在濃度差作用下，被密封的介質通過密封間隙或密封材料的毛細管產生的物質傳遞成為擴散。

密封可分為相對靜止接合面間的靜密封和相對運動接合面間的動密封兩大類。靜密封主要有點密封，膠密封和接觸密封三大類。根據(jù)工作壓力，靜密封由可分為中低壓靜密封和高壓靜密封。中低壓靜密封常用材質較軟，墊片較寬的墊密封，高壓靜密封則用材料較硬，接觸寬度很窄的金屬墊片。動密封可以分為旋轉密封和往復密封兩種基本類型。按密封件與其作用相對運動的零部件是否接觸，可以分為接觸式密封和非接觸式密封。一般說來，接觸式密封的密封性好，但受摩擦磨損限制，適用于密封面線速度較低的場合。非接觸式密封的密封性較差，適用于較高速度的場合。

對密封的基本要求是密封性好，安全可靠，壽命長，并應力求結構緊湊，系統(tǒng)簡單，制造維修方便，成本低廉。大多數(shù)密封件是易損件，應保證互換性，實現(xiàn)標準化，系列化。