软填料密封

软填料密封—《过程装备密封技术》姓名：+++++++学号：20020108班级：装控1班日期：2016年1月3日一、简介软填料密封是轴封的最古老形式，它既适应于各种旋转运动、往复运动的轴、杆密封，也适应于低速螺旋运动。尽管多数回转机械的轴密封已被机械密封所代替，但应用现代新型填料的软填料密封仍获得广泛应用，尤其是在高温、强腐蚀和含固相颗粒介质工况下应用更为广泛。软填料密封尽管结构简单、应用广泛，并且对其软填料的开发研究、密封性能研究、结构设计理论等进行了许多卓有成效的工作，但对软填料密封的密封机理并没有完全弄清楚，甚至一些有关密封机理的概念有待进一步澄清。填料密封又称压盖填料密封，俗称盘根，主要用于过程机械和设备运动的密封，如离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜等的转轴和往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞杆，以及做螺旋运动的阀门的阀杆与固定机体之间的密封。他是最古老的一种密封结构，中国古代的提水机械，就是运用填塞棉花的方式堵住泄漏的。世界上最早出现的蒸汽机也是采用这种密封方式。而19世纪石油和天然气开采技术的产生与发展，使填料密封的材料有了新的发展。到了20世纪，填料密封因其结构较为简单、价格不贵、来源广泛而获得许多工业部门的青睐。然而，随着工业现代化，尤其是宇航、核电、大型石油化工等工业的发展，对密封的要求越来越高，在许多苛刻的工况下，填料密封被其他密封形式所代替。尽管如此，由于填料密封本身固有的特点，至今在较多的场合仍是普遍使用的密封形式，特别是近年来许多新材料和结构的出现，赋予了填料密封新的生机，获得了新的发展。填料密封以其采用的密封填料的形式分成软填料密封和硬填料密封，后者主要用于高压、高温、高速下工作的机械或设备。因软填料密封构造简单并容易更换，应用十分普遍，也可作为预密密封与硬质材料密封、迷宫密封或机械密封联合使用。软填料密封用来密封轴或壳体孔、由一些可变形的密封圈或长绳状的材料沿轴或杆缠绕而成。填料压盖将软质密封填料轴向压紧，使其产生径向弹塑性变形堵塞间隙而实现密封。软填料密封良好的润滑性能是保证密封长周期运行的必要条件，同时使密封具有较低的摩擦功耗和磨损速率。为了保证良好的润滑条件，软填料密封通常允许少量的泄漏存在。对于一般的填料(不包括具有自润滑性能的填料)只是对流体的流泄起节流作用而不是将其完全阻止或封闭填料中浸渍润滑剂或提高填料本身的自润滑能力就是为保证填料具有良好的润滑性能。下图是简单填料箱软填料是一种新的无石棉高分子材料合成的密封填料，外观如胶泥状具有特殊的可塑性，能够在填料涵内由两端盘根环封闭住填料后形成圆筒状的滑块，与轴的相对运动面之间产生非常薄的液膜，由于软填料的特殊材料的作用，产生的摩擦热接近于零。因此是世界上产生摩擦阻力最小填料之一，而填料之间高分子阻隔剂的作用保证了介质之间的不渗漏。因此，该种填料是唯一一种可塑的、低摩檫而不需冷却软填料密封,它是一种填塞环缝的压紧式密封。软填料密封通常用作旋转或往复运动的零件与轴封箱之间环形空间的密封,如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机、阀杆、管线膨胀节、换热器浮头、带搅拌反应釜等设备的轴封和阀杆的密封,它能适应往复运动、旋转运动和螺旋转运动元件的密封。近些年来随着科学技术的进步,新材料不断涌现,新型的密封填料相近问世,正取代着传统的以石棉为主的填料,大大拓宽了软填料密封的工况范围,研究常用软填料材料的特性及其选择对密封的选材是非常有益的,对泄漏的防止,实现厂、矿的绿色环境具有不可低估的作用。二、软填科密封机理分析造成密封泄漏的根本原因有两个，一是密封两侧存在压力差(或浓度差)，或沿泄漏方向有相对运动；二是存在着泄漏通道，即流体流动阻力不是无穷大，消除(或减轻)其中任一因素均可阻止(或减少)泄漏。流体通过软填料密封的泄漏有三条途径，即通过填料与静止件界面的泄漏；通过填料本身的泄漏；通过填料与运动界面之间的泄漏。流体通过填料与静止界面的泄漏和流体通过静密封面的泄漏原理一样，流体通过填料本身的泄漏取决于被密封流体的渗透力和软填料本身的内部结构。当介质的渗透力强或介质为气体时，通过填料的渗透泄漏几乎不可避免，但具体的泄漏机制有待进一步探索。对于绝大多数液体介质，泄漏主要是通过填料运动件之问的界面进行，但是，流体通过填料与运动件之间界面泄漏的具体机理如何，目前对其进行直接研究的并不多。不过，国内外学者对弹性密封(O形圈密封和唇形密封)作过大量实验研究、计算质泄漏机理很有启发。被密封流体介质通过填料与运动件界面的泄漏机理有多种形式，常见的有间隙泄漏机理、多孔隙泄漏机理、粘附泄漏机理和动力泄漏机理。前两种与静密封处的泄漏规律基本相同，而粘附泄漏是液体在往复运动配合处所特有的泄漏形式，动力泄漏机理是液体在回转运动配合面轴向泄漏的一种形式。如何利用软填料密封有效地解决工业生产中遇到的密封问题，是软填料密封理论研究的主要任务，密封件在实现对被密封流体介质有效密封的同时，必须保证密封有足够长的使用寿命和较低的摩擦功耗及磨损速率。从密封的角度出发，要求泄漏率尽可能小，但必须同时考虑摩擦、磨损和寿命问题。从流体通过软填料密封泄漏的机理分析可以看出，只要存在间隙、存在泄漏通道，就会产生泄漏。软填料密封的本质就是利用密封填料柔软特性、在轴向压紧力的作用下径向膨胀阻塞可能存在的流体泄漏通道。为达到这一目的，软填料密封设计理论认为，对软填料密封施加的力必须使填料与被密封表面之间产生的接触应力能封堵被密封流体压力的作用。一般要求填料函底部的径向接触压力必须等于或大于被密封流体的压力，这一原理一直是软填料密封设计的主要理论准则。多孔隙泄漏机理揭示了密封界面的微观不平为流体的泄漏提供了通道，为达到有效密封从而要求填料柔软而富有弹性。填料柔软使其受变形后能较易填塞密封界面的微观泄漏通道，并且摩擦功耗低。良好的填料回弹性可以补偿因体积损失引起的应力松弛，降低被密封轴不圆度及偏摆对密封作用的不利影响。要求填料具有良好的回弹性与柔软性，也是开发新型填料一直遵循的基本观点。软填料密封机理的轴承效应和迷宫效应辨析关于软填料密封如何保证持久稳定地起密封作用，有两种常见的观点，即轴承效应和迷宫效应。软填料装人密封腔后，经压盖对它作轴向压缩，使它产生径向力保持与轴紧密接触，建立起密封状态。与此同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成液膜。呈边界润滑状态，类似滑动轴承，故称为轴承效应。早在60年代，有人指出，填料在需要润滑这一方面很像轴承。有的文献认为，在典型的密封装置中，流体流经很小的问隙，对于填料就像润滑剂的作用一样当密封构件配台过紧时，流体流不进去，填料就会干转，除非润滑剂由别的方法来提供，否则填料就会发热、变硬，并划伤轴。和轴承的破坏一样。因此按照轴承效应的观点，要求软填料密封必须像轴承一样。应得到良好的润滑。关于迷宫效应，意思是说，填料压紧后，未接触的凹部形成小沟槽，有较厚的液膜，当轴与填料有相对运动时，接触部分与非接触部分组成一道道规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，并认为良好的密封在于维持迷宫效应。下图是简单软填料密封三、软填料密封的常用材料目前软填料密封主要有纤维质材料和非纤维质材料两大类。1、纤维质材料软填料密封常用的材料按材质可分为天然纤维、矿物纤维、合成纤维、陶瓷和金属纤维四大类。(1)天然纤维天然纤维有棉、麻、毛等。麻的纤维粗,摩擦阻力大,但在水中纤维强度增加,柔软性更好,一般用于清水、工业水和海水的密封,用于工作温度90℃,其密封面水冲洗的泵用填料。线速度可达10m/s的油、水和非腐蚀性的化学介质下。棉纤维比麻纤维软,但棉与麻相反,在水中会变硬且膨胀,因此摩擦阻力较大,一般用于食品、果汁、浆液等洁净介质的密封。毛纤维光滑、柔软、摩擦阻力小、耐酸,可用于低参数的酸性介质的密封。而天然纤维的物理、化学性能较差,使用范围有限,寿命短,故目前很少采用。(2)矿物纤维矿物纤维主要有石棉纤维,分温石棉和青石棉,青石棉国际公约禁用,通常使用均为温石棉。由于石棉纤维具有柔软性好,耐热性优异、强度高、耐磨损和耐酸、碱及多种化学品等一系列优点,很适合作密封填料,其缺点是编结后有渗透泄漏,一般在编织石棉填料中浸渍一定量润滑油和石墨粉、铝粉、滑石粉等,用以降低摩擦系数,填塞纤维空隙,使填料更加致密,防止渗漏,并能保持良好的润滑性;但在500℃时石棉会成为粉状,密封性下降。石棉一般适用于介质为蒸汽、空气、工业用水和重油的转轴、往复杆或阀杆的密封。但由于石棉己被公认为是一种对人体有害的致癌物质,会危害人体健康,因此,一些发达国家已明令禁止生产使用石棉制品,包括石棉的密封材料,我国目前仍然在使用石棉填料。(3)合成纤维用于制造填料的合成纤维主要有:聚四氟乙烯(PTFE)、碳纤维、酚醛纤维、芳纶等。这些材料由于其化学性能稳定、强度高、耐磨、适应温度范围广、摩擦系数小、工作寿命长。解决了使用石棉材料所不能解决的一些问题。PTFE是由美国人R.J.Plumkett于1938年发明的，具有非常高的化学稳定性，对于强酸、强碱、强氧化剂有很高的抗蚀性，是已知高分子衬料中耐溶剂和耐腐蚀性最好的。PTFE的耐摩性能也十分优异，其手感滑腻，硬度低，不会划伤对偶件。与金属对摩时摩擦系数低。不同工作条件下，其摩擦系数一般在0.04～0.35，是高分子材料中摩擦系数最低的。PTFE的不足之处主要是机械强度较低，且易蠕变，导热性差，热膨胀系数低。对于PTEF的不足之处可通过添加适当的填充剂，如玻璃纤维、石墨、青铜粉、二硫化钼等得到改善。一般用于低压、中温、强酸、强碱。以及不允许污染的介质，如卤素、药品等的密封。(4)碳纤维是用聚丙烯腈纤维氧化和碳化而成的,根据碳化程度不同,可得到碳素纤维,耐焰碳纤维,石墨纤维三种产品。碳素纤维或加入PTEF纤维编织填料经聚氟乙烯乳液浸渍后。可在酸碱溶剂中应用。特别是在尿素系统的高压铵泵，液氨泵及硫酸厂的酸泵中成功应用。表明其是一种很有发展前途的适用于高温、高压、高速、强腐蚀场合的填料。目前我国市售的碳纤填料95%以上都是以耐焰碳纤维为主体并经多次浸渍四氟乙烯乳液和特种润滑剂编织而成。其使用寿命比一般石棉填料高5～10倍，密度是石棉填料的3～4倍，密封性能优于石棉填料。随着工艺的成熟和完善及成本的降低，有可能逐渐取代石棉填料。(5)酚醛纤维也是近些年发展起来的新型耐燃有机纤维.酚醛纤维表面浸渍性能好,故酚醛纤维编织成填料。经多次浸渍聚四氟乙烯乳液和表面处理之后，摩擦系数相当低。自润滑性能较好。加上酚醛纤维有一定的耐腐蚀性能，耐溶剂性能突出，可在一般浓度的酸强碱及各种溶剂中使用。酚醛纤维的强度比四氟纤维低，故不适合在高压动态密封中使用。一般使用压力为4.9MPa，最高使用温度可超过180摄氏度，长期使用温度150摄氏度以下，而且酚醛纤维价格远低于PTEF和碳纤维。在工况不十分恶劣的情况下，其填充的使用效果大大超过石棉类填料，国内1982年开始着手研究酚醛纤维的性能、制造工艺和现场运用。目前被认为是一种有发展前途并能取代石棉密封材料。(6)芳纶纤维是聚芳酰胺塑料制成的纤维.由美国杜邦公司首先开发成功并于1972年首次以凯夫拉为商品名称,这种纤维突出的特点是抗张力强度非常高,模量高,质地柔软,富有弹性,耐磨性极佳,耐热性也是在合成纤维中最好的.热分解温度为430摄氏度。有较好的化学稳定性，除强酸,碱不适用外,其他液体均可适用。以芳纶纤维为主体材料与其他材料进行复合加工而制成的填料，用于油田、化工等行业的高压、高速泵、对于固体混合物的密封。更显示出其优异技术性能，芳纶填料虽然价格高。但其使用寿命是一般填料的420倍。且泄漏量比一般填料小得多。故可以减少更换密封，节约流体原流和能源，其节约的价值远高于其成本差价。(6)陶瓷和金属纤维陶瓷和金属纤维是一种耐高温纤维。主要有氮化硅，碳化硅，氮化硼纤维等等。耐温达1200摄氏度。是制造耐高温新型编织填料的骨架材料。其本身质脆易断，曲挠性很差。须与耐高温的金属纤维混合编织。金属类纤维有蒙乃尔合金、不锈钢合金、铜丝、铅丝以及铝、锡、铜箔等。单独采用金属纤维作填料的并不