密封技術(shù)

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(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)機(jī)械密封實(shí)用化的要求越來越高。具體可用圖來表示機(jī)械密封技術(shù)的發(fā)展趨勢。

發(fā)展特點(diǎn)

技術(shù)不斷創(chuàng)新新技術(shù)、新概念、新產(chǎn)品、新材料、新工藝和新標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)轉(zhuǎn)、零泄漏、無油潤滑、漿液)和高水平的密封產(chǎn)品大量研制;失效機(jī)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(yīng)用。

使用范圍不斷擴(kuò)

機(jī)械密封不僅機(jī)泉閥采用。而且工藝設(shè)備(如反應(yīng)釜、轉(zhuǎn)盤 塔、攪拌機(jī)、離心機(jī)等都采用。

發(fā)展要求重視密封系統(tǒng)

過去只重視單獨(dú)密封件，已經(jīng)發(fā)展到重視整個(gè)密封系統(tǒng)，而且已制了新的密封系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)離心泵與轉(zhuǎn)子泵的軸封系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

注意安全和環(huán)境保護(hù)

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(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封的介質(zhì)不同，以及設(shè)備的工作條件不同，要求密封材料的具有不同的適應(yīng)性。對(duì)密封材料的要求一般是:

1) 材料致密性好，不易泄露介質(zhì);

2) 有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)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(zhì)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(jié)合的柔軟性;

8) 耐老化性好，經(jīng)久耐用;

9) 加工制造方便，價(jià)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(yùn)輸和機(jī)械制造工業(yè)等方面的應(yīng)用越來越廣泛，已成為各種行業(yè)中的基礎(chǔ)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(zhì)，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(duì)于無機(jī)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(xué)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(dòng)液的液壓制動(dòng)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(zhuǎn)唇形密封圈，能顯著地提高使用時(shí)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(nèi)能保持其特有的使用彈性及耐臭氧，耐天候等優(yōu)點(diǎn)，適宜制作熱機(jī)構(gòu)中所需的密封墊，如強(qiáng)光源燈罩密封襯圈，閥墊等。由于硅橡膠不耐油，機(jī)械強(qiáng)度低，價(jià)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?zhǔn)遣缓p鍵的完全飽和的直鏈型結(jié)構(gòu)，其側(cè)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(xué)性(如醇，酸，強(qiáng)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(jī)，電視機(jī)中的配件和門窗密封制品，或多種復(fù)合體剖面的膠條生產(chǎn)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(diǎn)，其耐油、耐熱、耐臭氧、耐燃、耐堿、耐水及耐有機(jī)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(dá)175℃，間隙使用或短時(shí)間可耐溫200℃。它的缺點(diǎn)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(yīng)力的密封制品。

膠種

主要特點(diǎn)

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(dòng)系統(tǒng)。

氫化丁腈橡膠

強(qiáng)度高、耐油、耐磨、耐熱、耐老化。

-40~150℃

用于高溫、高速的往復(fù)密封和旋轉(zhuǎn)密封。

橡塑膠

材料彈性模量大，強(qiáng)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(yīng)用于工程機(jī)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(xué)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(xué)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(qiáng)度高、耐老化性能好。

-20~80℃

適用于工程機(jī)械和冶金設(shè)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(jī)械強(qiáng)度低

-60~230℃

適用于高、低溫下的高速旋轉(zhuǎn)密封及食品機(jī)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(yīng)用于冰箱及制冷機(jī)械的密封。

聚四氟乙烯

化學(xué)穩(wěn)定性好，耐熱、耐寒性好，耐油、水、汽、藥品等各種介質(zhì)。機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)向環(huán)、擋圈，為機(jī)械上常用的密封材料，廣泛用于冶金、石化、工程機(jī)械、輕工機(jī)械。

尼龍

耐油、耐熱、耐磨性好，抗壓強(qiáng)度高，抗沖擊性能好，但尺寸穩(wěn)定性差。

-40~120℃

用于制作導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)向環(huán)、擋圈。

密封產(chǎn)品對(duì)保護(hù)環(huán)境是非常重要的，機(jī)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(shù)。因此，世界各國都很重視零逸出密封技術(shù)的研究，研究零逸出密封技術(shù)、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(zhì)和有危險(xiǎn)性的介質(zhì)，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(duì)于石油化工來說，一些關(guān)鍵設(shè)備，例如渦輪壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、攪拌釜必須采用零逸出氣體阻塞密封，關(guān)鍵有害液體泵必須采用零逸出氣體阻塞密封或干運(yùn)轉(zhuǎn)零逸出密封和抑制密封。

什么是零逸出密封技術(shù)?所謂零逸出，就是指工藝設(shè)備內(nèi)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(shù)就是零逸出密封技術(shù)。

零逸出密封技術(shù)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(jī)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(nèi)密封漏人工藝流體側(cè)，同時(shí)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(gè)阻塞液體的增壓系統(tǒng)龐大而昂貴，而且油氣對(duì)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(xiǎn)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(shù)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(dá)到零逸出，對(duì)于有害介質(zhì)和有危險(xiǎn)性介質(zhì)，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(yùn)轉(zhuǎn)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(jí)密封或多密封。如果介質(zhì)是無害的或無危險(xiǎn)性的惰性氣體或空氣，則可采用單密封。

然而，對(duì)于有害介質(zhì)或有危險(xiǎn)性介質(zhì)，則必須采用雙密封、串級(jí)密封或多級(jí)密封，才能達(dá)到零逸出。這樣，零逸出密封中就有靠工藝流體側(cè)的內(nèi)密封和不靠工藝流體側(cè)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(yùn)轉(zhuǎn)密封。它可以有接觸式干運(yùn)轉(zhuǎn)密封或非接觸式干運(yùn)轉(zhuǎn)密封。接觸式干運(yùn)轉(zhuǎn)密封中有具有固體潤滑性能材料做的普通接觸式機(jī)械端面密封、熱流體動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)密封中有非接觸式機(jī)械端面密封、迷宮密封、蜂窩密封、節(jié)流環(huán)密封、浮動(dòng)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(tái)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(diǎn)是利用流槽的各種流體靜動(dòng)壓效應(yīng)增加流體膜的承載能力和流體膜剛度，同時(shí)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(yīng)、氣體過濾(通常采用的雙過濾器)、控制和計(jì)量儀表(壓力表和壓力開關(guān)、差壓表和差壓傳送器、壓力調(diào)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(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)控制器)、主密封泄漏量監(jiān)控和報(bào)警以及馳放氣體放空、凝液排污或回收裝置。有必要時(shí)采用溫度計(jì)指示和冷卻器。

泄漏是機(jī)械設(shè)備常產(chǎn)生的故障之一。造成泄漏的原因主要有兩方面:一是由于機(jī)械加工的結(jié)果，機(jī)械產(chǎn)品的表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此，在機(jī)械零件聯(lián)接處不可避免地會(huì)產(chǎn)生間隙;二是密封兩側(cè)存在壓力差，工作介質(zhì)就會(huì)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(shè)小型做功元件，對(duì)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(duì)于真空系統(tǒng)的密封，除上述密封介質(zhì)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(zhì)通過密封件材料的毛細(xì)管的泄漏稱為滲漏;

擴(kuò)散。即在濃度差作用下，被密封的介質(zhì)通過密封間隙或密封材料的毛細(xì)管產(chǎn)生的物質(zhì)傳遞成為擴(kuò)散。

密封可分為相對(duì)靜止接合面間的靜密封和相對(duì)運(yùn)動(dòng)接合面間的動(dòng)密封兩大類。靜密封主要有點(diǎn)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(zhì)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(dòng)密封可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類型。按密封件與其作用相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)密封的基本要求是密封性好，安全可靠，壽命長，并應(yīng)力求結(jié)構(gòu)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(yīng)保證互換性，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。