1、填料密封淺談1 前言32 填料密封32.1 填料密封簡(jiǎn)介32.2 填料密封的密封機(jī)理42.3 密封材料的選擇62.3.1 軟填料密封材料的要求62.3.2 填料密封常用材料及結(jié)構(gòu)形式62.3.2.1 常用材料62.3.2.2 典型的軟填料結(jié)構(gòu)形式62.3.2.3 軟填料密封材料的選擇82.4 軟填料密封存在的問題與改進(jìn)82.4.1 主要存在的問題82.4.2 改進(jìn)措施103 結(jié)束語(yǔ)121 前言 泄露是機(jī)械設(shè)備常產(chǎn)生的常見故障之一，造成泄露的原因主要有兩方面：一是由于機(jī)械作用的結(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

2、，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，隔離或切斷泄露通道，增加泄露通道中的阻力，或者在通道中加設(shè)小型做功元件，對(duì)泄露物造成壓力，與引起泄露的壓差部分抵消或完全平衡，以阻止泄露。 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

3、式密封和非接觸式密封。一般說來(lái)，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(chǎng)合。非接觸式密封的密封性較差，適用于較高速度的場(chǎng)合。本論文主要淺談一下就目前較常用密封形式填料密封。2 填料密封2.1 填料密封簡(jiǎn)介填料密封按工作原理的不同可以分為填塞型軟填料密封和成型填料密封（擠壓型彈性體密封圈密封）。軟填料密封又稱為壓緊填料密封，俗稱盤根。盤根密封是最古老的一種密封結(jié)構(gòu)，在我國(guó)古代的提水機(jī)械中，就是用填塞棉紗的方法來(lái)堵住泄漏的，世界上最早出現(xiàn)的蒸汽機(jī)也是采用這種密封形式的。而19世紀(jì)石油和天然氣開采技術(shù)的生產(chǎn)與發(fā)展，使填料密封的材料有了新的發(fā)展。到了20世紀(jì)，填料密封因其結(jié)構(gòu)

4、比較簡(jiǎn)單，價(jià)格不貴，來(lái)源廣泛而獲得許多工業(yè)部門的青睞。軟填料密封通常用作旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)的元件與殼體之間環(huán)形空間的密封，如離心泵、轉(zhuǎn)子泵、往復(fù)泵、攪拌機(jī)及反應(yīng)釜的軸封，還有閥門的閥桿密封，管線膨脹節(jié)、換熱器浮頭及其它設(shè)備的密封。它是能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)的元件密封。 2.2 填料密封的密封機(jī)理填料密封的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，填料密封裝置由填料箱、填料、封液環(huán)環(huán)和填料壓蓋等組成。圖1 填料密封基本結(jié)構(gòu)填料裝入填料腔后，經(jīng)壓蓋對(duì)它作軸向壓縮，使它產(chǎn)生徑向力保持與軸緊密接觸，建立起密封狀態(tài)。與此同時(shí)，填料中浸漬的潤(rùn)滑劑被擠出，在接觸面之間形成液膜，呈“邊界潤(rùn)滑”狀態(tài)，類似滑動(dòng)軸承，既所謂

5、的“軸承效應(yīng)”，故應(yīng)有足夠的液體進(jìn)行潤(rùn)滑，以保證密封有一定的壽命。填料被壓緊后，未接觸的凹部形成小溝槽，有較厚的液膜，當(dāng)軸與填料有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸部分與非接觸部分組成一道道不規(guī)則的迷宮，起到了阻堵液流泄漏的作用，故稱“迷宮效應(yīng)”。正是憑借這種效應(yīng)，使流體沿軸向流動(dòng)受阻而達(dá)到密封。由此可見良好的軟填料密封即是“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”的綜合。 適當(dāng)?shù)膲壕o力使軸與填料之間保持必要的液體潤(rùn)滑膜，可減少摩擦磨損，提高使用壽命。壓緊力過小，泄漏嚴(yán)重，而壓緊力過大，則難以形成潤(rùn)滑液膜，密封面呈干摩擦狀態(tài)，磨損嚴(yán)重。密封壽命將大大縮短。 因此如何控制合理的壓緊力是保證軟填料密封具有良好密封性的關(guān)鍵。 此外，

6、 填料密封的研究和使用中還要考慮到一下幾點(diǎn)：1）間隙泄漏機(jī)理 間隙泄漏是指流體通過宏觀間隙發(fā)生的泄漏，所以為了防止流體形成此泄漏，對(duì)填料施加的壓緊力必須使填料與被密封表面之間產(chǎn)生的接觸比壓能封住泄漏流體。這就要求，填料函底部的徑向接觸比壓不小于泄漏流體的軸向壓力。這一機(jī)理一直是填料理論研究的主要準(zhǔn)則。 2）多孔隙泄漏機(jī)理密封構(gòu)件的表面不可能是理想的光滑表面，其微觀形狀是凹凸不平的，許多凹坑和凸坑往往構(gòu)成了不規(guī)則的相互連通的泄漏通道，這些通道就會(huì)產(chǎn)生多孔隙的泄漏。顯然，追求表面過分光滑，無(wú)疑會(huì)增加加工成本，同時(shí)按軸承效應(yīng)分析，過分光滑的軸難于形成必要的潤(rùn)滑膜，反而會(huì)降低密封的壽命。所以，要求密封

7、填料具有良好的回彈性和柔軟性，使其受壓變形后能填充這些微觀的泄漏通道，當(dāng)密封表面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)，填料能及時(shí)嵌入新的凹坑以堵住泄漏流體。這一機(jī)理提出的要求填料具有良好的回彈性和柔軟性的觀點(diǎn)，是填料一直遵循的基本觀點(diǎn)。3）粘附泄漏機(jī)理如果密封面的微觀凹陷是一些與泄漏方向垂直而又不連通的“溝槽”，這時(shí)只要填料與凸棱貼緊，即使未填密凹槽也不發(fā)生泄漏。但是，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況下，則可能發(fā)生粘附泄漏。這是因?yàn)橐后w與固體表面的粘附作用，使微觀凹槽中留有少量液體，被運(yùn)動(dòng)表面帶到外側(cè)，當(dāng)密封表面返回運(yùn)動(dòng)時(shí)，被帶出的液體不能原封不動(dòng)地帶回，一定有少量液體被排流在外側(cè)成為漏液，其漏液隨往復(fù)次數(shù)和行程距離的增大而增多。為了

8、防止或減少粘附泄漏，應(yīng)盡量減少微觀凹槽的深度，且使微觀頂峰等高。 4）動(dòng)力泄漏機(jī)理 轉(zhuǎn)軸密封表面上留有螺旋形加工痕跡，具有“泵液”的作用，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，痕跡槽內(nèi)的液體會(huì)沿螺旋槽軸向流動(dòng)，如果流動(dòng)方向與泄漏方向一致。其泄漏量隨軸的轉(zhuǎn)速增高而增大。防止轉(zhuǎn)軸動(dòng)力泄漏的有效方法是避免在轉(zhuǎn)軸表面上殘留螺旋形痕跡或控制痕跡的螺旋方向使之與流體泄漏方向相反。2.3 密封材料的選擇2.3.1 軟填料密封材料的要求對(duì)軟填料密封材料的要求有以下幾點(diǎn)： 1）有一定的塑性。在壓緊力作用下能產(chǎn)生一定的徑向力并緊密與軸接觸。2）有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。不污染介質(zhì)，填料不被介質(zhì)泡脹，填料中的浸漬劑不被介質(zhì)溶解，填料本身不腐蝕密封

9、面。3）自潤(rùn)滑性能良好。耐磨、摩擦系數(shù)小。4）軸存在少量偏心時(shí)，填料應(yīng)有足夠的浮動(dòng)彈性。5）制造簡(jiǎn)單，裝填方便。2.3.2 填料密封常用材料及結(jié)構(gòu)形式2.3.2.1 常用材料 常用的填料材料主要有纖維質(zhì)材料和非纖維質(zhì)材料兩大類。 纖維質(zhì)材料包括：天然纖維、礦物纖維、合成纖維（聚四氟乙烯纖維、碳纖維、 酚醛纖維 、芳綸纖維等）、陶瓷和金屬纖維。 非纖維質(zhì)材料中柔性石墨應(yīng)用較廣。柔性石墨做成板材后模壓成密封填料使用。柔性石墨又稱膨脹石墨，它是把天然鱗片石墨中的雜質(zhì)除去，再經(jīng)強(qiáng)氧化混合酸處理后成為氧化石墨。氧化石墨受熱分解放出CO2，體積急劇膨脹，變成了質(zhì)地疏松、柔軟而又有韌性的柔性石墨。柔性石墨有

10、優(yōu)異的耐熱性的耐寒性，有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性，有良好的自潤(rùn)滑性，回彈率高 。2.3.2.2 典型的軟填料結(jié)構(gòu)形式 1） 絞合填料圖2 絞合填料絞合填料是把幾股纖維絞合在一起，將其填塞在填料腔內(nèi)用壓蓋壓緊，即可起密封作用，常用于低壓蒸汽閥門，很少用于轉(zhuǎn)軸或往復(fù)桿的密封，如圖2所示。用各種金屬箔卷成束再絞合的填料，涂以石墨，可用于高壓、高溫閥門。若與其它填料組合，也可用于動(dòng)密封。2） 編織填料 （a)發(fā)辮編織填料 （b)套層編織填料 (c)穿心編織填料 （d)夾心編織填料圖3 編織填料 編織填料是軟填料密封采用的主要形式，它是將填料材料進(jìn)行必要的加工而成絲或線狀，然后在專門的編織機(jī)上按需要的方式進(jìn)行

11、編結(jié)而成，有發(fā)瓣編織、套層編織、穿心編織、夾心編織等，如圖3所示。 3） 疊層填料圖4 疊層填料疊層填料是在石棉或其它纖維編織的布上涂抹黏結(jié)劑，然后將一層層疊合或卷繞，加壓硫化后制成填料，并在熱油中浸漬過。最高使用溫度可達(dá)120130,密封性能良好。可用于120以下的低壓蒸汽、水和氨液，主要用作往復(fù)泵和閥桿的密封，也可用于低速轉(zhuǎn)軸軸封。當(dāng)涂敷硬橡膠時(shí)，還可用于水壓機(jī)的活塞桿。因它含潤(rùn)滑劑不足，所以在使用時(shí)必須另加潤(rùn)滑劑。4）模壓填料圖5 模壓填料模壓填料主要是將軟填料材料經(jīng)過一定形狀的模壓制成相應(yīng)形狀的填料環(huán)而使用。圖5所示為由柔性石墨帶材一層層繞在芯模上然后壓制而成，根據(jù)不同使用要求，將采用

12、不同的壓制壓力。這種填料致密，不滲透，自潤(rùn)滑性好，有一定彈塑性，能耐較高的溫度，使用范圍廣，但柔性石墨抗拉強(qiáng)度低，使用中應(yīng)予注意。 2.3.2.3 軟填料密封材料的選擇 首先應(yīng)當(dāng)指出的是，由于操作條件的復(fù)雜，特別是不存在能適應(yīng)所有工藝條件的通用的填料類型，也就是說填料材料的選擇是沒有特定規(guī)律的，但材料的正確選用是保證密封裝置密封性能的最基本條件之一。通常軟填料密封主要是根據(jù)介質(zhì)的性質(zhì)、工作溫度和工作壓力、滑動(dòng)速度以及填料的性質(zhì)來(lái)選擇。其中尤以介質(zhì)的腐蝕性、壓力、滑動(dòng)速度和使用溫度最為重要，此外，取材難易與價(jià)格也應(yīng)適當(dāng)考慮。2.4 軟填料密封存在的問題與改進(jìn)2.4.1 主要存在的問題傳統(tǒng)軟填料密

13、封主要存在以下幾個(gè)方面問題1）徑向壓力分布不均，摩擦磨損嚴(yán)重由于填料是彈塑性體，當(dāng)受到軸向壓緊后，產(chǎn)生摩擦力致使壓緊力滑軸向逐漸減少，同時(shí)所產(chǎn)生的徑向壓緊力使填料緊貼于軸表面而阻止介質(zhì)外漏如圖6所示，徑向壓緊壓力的分布由外端(壓蓋)向內(nèi)端，先是急劇遞減后趨平緩，被密封介質(zhì)壓力的分布由內(nèi)端逐漸向外端遞減，當(dāng)外端介質(zhì)壓力為零時(shí)，則泄漏很少，大于零時(shí)泄漏較大。由此可見，填料徑向壓力的分布與介質(zhì)壓力的分布恰恰相反，內(nèi)端介質(zhì)壓力最大，應(yīng)給予較大的密封力，而此處填料的徑向壓緊力恰是最小，故壓緊力沒有很好的發(fā)揮作用。實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得密封性能，往往增加填料的壓緊力，亦即在靠近壓蓋端的23圈填料處使徑向壓力

14、最大(約為平均壓緊力的23倍)，當(dāng)然摩擦力也增大，這就導(dǎo)致填料和軸產(chǎn)生如圖7所示的異常磨損情況，嚴(yán)重影響了密封工作的穩(wěn)定性。填料圈數(shù)越多，軸向高度越大，比壓越不均勻。圖6 填料壓力分布圖圖72）散熱、冷卻能力不夠 軟填料密封中，滑動(dòng)接觸面較大，摩擦產(chǎn)生的熱量較大，而散熱時(shí)，熱量需通過較厚的填料，且多數(shù)軟填料的導(dǎo)熱性能都較差。摩擦熱不易傳出，致使摩擦面溫度升高，摩擦面間的液膜蒸發(fā)，形成千摩擦，磨損加劇，密封壽命會(huì)顯著降低。3）應(yīng)力松弛現(xiàn)象嚴(yán)重，密封工作的穩(wěn)定性差 由密封填料的黏彈性分析可知，在恒定應(yīng)變作用下，密封填料產(chǎn)生明顯的應(yīng)力松弛，嚴(yán)重的應(yīng)力松弛必然導(dǎo)致軟填料密封的早期失效。傳統(tǒng)的軟填料密封

15、，螺栓所施加給填料的預(yù)緊力是恒定的，由于磨損引起填料的壓縮變形量稍有減少，就會(huì)加劇填料的應(yīng)力松弛，從而降低了密封工作的穩(wěn)定性和可靠性。4）自動(dòng)補(bǔ)償能力較差 軟填料磨損后，填料與軸桿、填料箱內(nèi)壁之間的間隙加大，而傳統(tǒng)軟填料密封結(jié)構(gòu)無(wú)自動(dòng)補(bǔ)償壓緊力的能力，隨著間隙增大，泄漏量也逐漸增大。因此，須頻繁地?cái)Q緊壓蓋螺栓。5）偏擺或振動(dòng)的影響 某些機(jī)器(如壓縮機(jī)等)或設(shè)備(如反應(yīng)釜等)在工作時(shí)，軸有較大的振動(dòng)和偏擺，軸與旋轉(zhuǎn)中心之間將會(huì)出現(xiàn)較大偏心。如圖4所示，若軸的中心與旋轉(zhuǎn)中心不重合，偏心距為e，則軸與填料之最大間隙就為2e，最小間隙為零。間隙沿圓周的分布像月牙形。月牙形的間隙位置隨著軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而周期性

16、變化，因此起到了類似容積泵的增壓作用，這對(duì)密封是非常不利的。圖8 偏心對(duì)間隙的影響圖2.4.2 改進(jìn)措施1)提高密封填料性能(1)采用填料的組合使用 即采用不同種類密封填料分段混合配置。不同的填料其側(cè)壓系數(shù)和回彈性能不同，通過合理選擇不同的填料進(jìn)行組合，可以極大地提高其密封效果。例如，對(duì)于膨脹石墨由于其抗拉及抗剪切能力較低，所以一般將膨脹石墨填料與石棉填料或碳纖維填料組合使用，這樣既可防止膨脹石墨填料被擠入軸隙，強(qiáng)烈磨損而引起介質(zhì)泄漏，又可使填料徑向壓力分布均勻，增進(jìn)密封效果。實(shí)驗(yàn)表明，組合填料一般比各組分單一填料的密封性能好。同樣，填料的組合方式不同，工作壽命也不同。為得到最佳密封效果，填料

17、組裝應(yīng)符合下列原則：組合填料各圈由壓蓋到密封箱底，填料的側(cè)壓系數(shù)有增大趨勢(shì)，填料的摩擦因數(shù)依次減小，表示壓力下降速度的填料綜合系數(shù)呈減小趨勢(shì)。(2)對(duì)填料預(yù)壓成形填料預(yù)壓成形就是對(duì)填料先以一定的壓力進(jìn)行預(yù)壓縮，然后再裝入填料箱。填料在經(jīng)過預(yù)壓縮后，在相同的壓蓋壓力下，抵抗介質(zhì)壓力的能力增強(qiáng)，變形減少，介質(zhì)泄漏的阻力增大，密封效果明顯改善。填料經(jīng)過預(yù)壓縮后，與未經(jīng)預(yù)壓縮的相比，裝入填料箱后其徑向壓力分布比較均勻合理，密封效果提高。預(yù)壓縮的比壓應(yīng)高于介質(zhì)壓力，其值可取介質(zhì)壓力的1.2倍。預(yù)壓后填料應(yīng)及時(shí)裝入填料腔中，以免填料恢復(fù)彈性。如果進(jìn)行預(yù)壓縮時(shí)，對(duì)填料施加的壓力不同，靠近壓蓋的填料壓力小，離

18、壓蓋越遠(yuǎn)則預(yù)壓縮壓力越大，這樣的填料裝入填料箱壓緊后其徑向壓力分布更接近泄漏介質(zhì)沿泄漏通道的壓力分布，密封效果與壽命有很大改善。(3)采用新型密封填料泥狀混合填料是一種新型的密封填料，它由純合成纖維、高純度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有機(jī)密封劑進(jìn)行混合，形成一種無(wú)規(guī)格限制的膠泥狀物質(zhì)。泥狀混合填料密封結(jié)構(gòu)如圖5所示，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，泥狀混合填料由于分子間吸引力極小，具有很強(qiáng)的可塑性，可以緊緊纏繞在軸上，并隨軸同步旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)“旋轉(zhuǎn)層”；隨著“旋轉(zhuǎn)層”的直徑逐步增大，軸對(duì)纖維的纏繞能力逐步減小，沒有與軸纏繞的填料則與填料箱保持相對(duì)靜止，形成一個(gè)“不動(dòng)層”，這樣在泥狀混合填料中間形成個(gè)剪切分層面，而不是填料與軸之間。2)改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)(1)改進(jìn)徑向壓緊力的結(jié)構(gòu)使填料沿填料箱長(zhǎng)度方向的徑向壓緊力分布盡可能均勻，并且與泄漏介質(zhì)的壓力分布趨勢(shì)盡可能一致。其主要目的是減小軸和填料的磨損及其不均勻性，同時(shí)滿足對(duì)密封的要求。(2)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)能浱盍厦芊饨Y(jié)構(gòu) 設(shè)置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，目的是對(duì)填料的磨損進(jìn)行及時(shí)的或自動(dòng)的補(bǔ)償；而且拆裝、檢修方便，以縮短因此而引起的停工時(shí)間。(3)采用浮動(dòng)填料箱的結(jié)構(gòu)圖9a、b