填料密封论文

中国矿业大学2012级本科生课程作业课程名称过程装备密封技术学生姓名曹凯淇学生学号06122720所在班级过控12-2班完成时间2015/11/3中国矿业大学化工学院2015.11.3成绩填料密封机理及其应用的研究曹凯淇（中国矿业大学化工学院江苏徐州221116）摘要:通过对填料密封的密封机理分析,及对被密封流体通过填料密封的泄漏机理分析和研究,列举了相关的泄漏模型,澄清了有关填料密封的一些模糊认识,总结出填料密封使用时的注意事项,从而对填料密封的研究和使用提出了建设性意见。关键词:填料密封；工作机理；密封机理；研究1引言填料密封是用填料填塞泄漏通道阻止泄漏的一种密封形式，该密封是一种较为原始的接触式密封,因其结构简单,更换简便,装配及维修方便,成本低廉而广泛应用于石油工业、石油化学工业、造纸工业等。近几年,许多从事填料密封的研究工作者,在密封的机理以及结构研究上做了大量的工作,使得填料密封的结构更为科学合理,本文就是在现有的基础上对填料密封进行的分析与总结。图1填料密封示意图2填料密封的密封机理填料密封是将富有压缩性和回弹性的填料放入机体的填料箱内,依靠压盖的轴向压紧力转化为径向密封,从而起到密封作用。径向接触力随着压盖的拧紧而增大,也就是提高了填料与轴的动密封和填料与填料箱内壁的静密封。这种径向接触力的大小沿轴线方向并非处处相等,而是离开压盖越远接触力越小,靠近填料箱里边甚至为零。其径向压力和介质压力分布如图2所示,由图可看出:填料径向压力的分布由外端向内端递减,且由急剧递减到趋向平缓,而介质压力则由内端逐渐向外端递减。当外端的介质压力为零时,则密封状态最佳(泄漏量为零);而当外端的介质压力大于零时,则泄漏量随着介质压力的增大而增大。由上述分析可知:填料的径向压力的分布与介质的压力分布恰恰相反,内端介质压力最大,此处所需的密封力要大,但填料的径向压(紧)力却恰好为最小。从图2还可以看出:介质压力曲线和填料压力曲线有一个交点A,在正常情况下,交点A的位置是相对稳定的,但实际上,图中两曲线的交点A是可变的,若介质的压力增大时,介质压力曲线将平行向右(外侧)移动,移动的结果可能造成轴封泄漏;为杜绝泄漏就要加大填料的径向压力,这样就使得填料压力曲线发生位移,通常是向左侧移动,移动的结果将使得A点右侧的区域增,造成在此区域的填料压紧力过大,从而造成轴或轴套磨损严重。再者,由于填料的回弹性能与其所受的压力有关,所受压力越大,回弹性能越差；反之,回弹性能越好。回弹性能差的填料由于不能补偿间隙的变化,因而造成填料与轴之间的接触力剧烈变化,由于靠近压盖的填料所受的压力又比较大,因此回弹性能比较差,但它却承担主要的密封作用,为保证密封效果,只能将填料压得更紧,造成填料与轴之间的接触压力过大,也就是说,要提高填料密封的使用寿命,就要保持良好的润滑和适当的压紧。若润滑不良,或压得过紧都会使油膜中断造成填料与轴之间出现干摩擦,最后导致烧轴和出现严重磨损。填料密封只是尽可能地降低泄漏量,而不可能完全杜绝泄漏。一定的泄漏量不但允许而且有益,少量的泄漏量可形成一层圆环形介质液体膜,可减少填料和降低轴(轴套)及填料箱的温升,同时也是摩擦表面的润滑剂。3填料密封的密封机理分析压紧式填料密封不是因为固体填料同旋转轴紧密贴合阻止内部流体泄出,而是通过填料与旋转轴之间的润滑油膜阻止流体外泄。这层油膜来自所用的填料,其内部组织较大的空隙内充满了润滑剂,或者在使用时填料外表面涂上一层稠厚的机械油,用来补充润滑膜。当已有的润滑膜使用一段时间逐渐消失后,就会产生泄漏。有鉴于此,在传统填料密封中,内部流体可能通过下列途径泄漏:①流体穿过填料本身的缝隙而出现渗漏;②流体通过填料与箱壁之间的缝隙而泄漏;③流体通过填料与转轴之间的缝隙而泄漏。填料置于填料箱中,通过压盖将填料压紧在轴上,填料依靠压盖轴向压紧,产生径向变形,填满间隙,填料在变形时,依靠径向变形产生的径向力紧贴转轴与填料箱内壁表面,实现密封。这就是悦,在填料密封可能出现的3个泄漏途径中,填料本身的渗漏可以通过压实填料的方法来消除;箱壁内表面与填料之间的泄漏,因为无相对运动且填料被压实而与填料箱内壁表面紧密贴合,达到了止漏目的;只有填料与转轴之间,因有相对运动,并存在微小间隙,所以常造成泄漏。针对密封机理,填料密封如何保证持久稳定的起密封作用,有两种常见的观点,即“轴承效应”和“迷宫效应”。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”[5]。因此按照“轴承效应”的观点,要求填料密封必须像轴承—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不规则的迷宫,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”[5]。不少作者都支持这一观点[6、7],但是对于“迷宫效应”的解释,我们认为值得商榷。众所周知,迷宫密封的工作原理(以密封气体为例):由于在转轴的周围依次排列着许多环形密封齿,当气体经过每一个密封齿时,气流经间隙高速进入环形空腔后,突然膨胀而产生强烈的漩涡,使气流的大部分能量转化为热量而散失掉,使焓值恢复到接近于间隙前的值,这时气体压力逐级下降,从而达到密封的效果[8]。而填料密封中微观不平度构成的所谓“迷宫”,并没有这种降压作用。实际上,恰恰相反,它是造成多空间隙泄漏或动力泄漏的基本条件。所以,如果按维持或加强“迷宫效应”的观点改进填料密封性能,将得出相反的效果。4被密封流体通过填料密封泄漏的机理分析填料密封径向压紧力不足、轴结合面上的粗糙度不恰当、机械振动等都会引起填料密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏。另外,密封填料长期使用后塑性变形、回弹力下降、材料老化、变质等,也会造成填料密封面与轴接触面之间密合不严而发生泄漏。因此,我们把这种由于金属面和填料交界面上不能很好的吻合而发生的泄漏称之为“界面泄漏”。对于界面泄漏的机理,目前对其研究并不多,国内外学者只是对弹性密封作过大量实验研究和理论探讨,提出了有关介质泄漏和密封机理的众多见解[2～4],这些成果对揭示填料密封界面泄漏机理很有启发。被密封流体介质通过填料与运动间界面的泄漏机理有多种形式,常见的有腐蚀间隙泄漏机理、多孔隙泄漏机理和动力泄漏机理。（1)腐蚀间隙泄漏机理腐蚀间隙泄漏机理认为:该泄漏主要发生在填料与结合面上微小的间隙在里,介质中的氧供应不足,它与间隙外的介质之间形成电位差,产生电化学腐蚀,这种化学腐蚀称之为“浓淡电化学腐蚀”。腐蚀泄漏是缓慢进行的,只有发展到形成腐蚀麻点连成一通道后,被密封的流体介质才能外泄。据文献[10]其泄漏模型为:平行圆板模型,该模型将流体介质通过密封点处的泄漏简化为介质通过间隙高度为h,由圆板内径r1处流至外径r2处的定常、层流流动,其体积泄漏率为:，式中η为介质黏度;p2、p1分别为垫片内、外侧的压力。另一种泄漏简化模型是三角沟槽模型,该模型认为,填料与轴接触面的间隙由许多三角沟槽所组成,设H为三角沟槽的深度,L为三角沟槽的底宽,b为流道的长度(通常为垫片的宽度),ρ为介质密度,则体积泄漏率为:，Δp=p2-p1,C为常数。（2)多孔隙泄漏机理多孔隙泄漏机理认为,密封构件的表面不可能是理想的光滑表面,其微观表面形状是凹凸不平的,许多凸峰和凹坑往往构成了不规则的相互连通的泄漏通道,在流体压差或毛细管的作用下,流体通过这些泄漏通道而实现泄漏,这通常是填料密封的主要泄漏形式。其泄漏模型为:多孔介质模型将填料看作是各向同性的多孔介质,其内部流道及填料与转轴的接触面间的泄漏通道由多个弯弯曲曲、半径不等的毛细管组成。气体通过多孔介质的流动状态可分为层流和分子流,其流率为层流流率和分子流流率之和。（3)动力泄漏机理转轴密封表面上留有的螺旋形加工痕迹,具有“泵液”作用,当轴转动时,痕迹槽内的液体沿螺旋槽轴向流动,如果流动方向与泄漏方向一致,则轴的转动造成流体泄漏率的增加,且随转速的增高泄漏加剧,这一泄漏机理即为动力泄漏机理。事实上前面两种泄漏模型都是针对界面泄漏且基于层流流动而建立的,在实际的连接中既有界面泄漏,又有渗透泄漏,在微小的泄漏通道中不仅有层流流动还有分子流流动,故多孔介质模型更好地描述了填料密封的泄漏情况。5填料密封使用小结(1)填料本身的材料很关键。耐化学腐蚀、导热率好、润滑性好、耐温性好、膨胀系数低的材料为首选,正确采用复合填料会提高填料密封的性能。(2)与填料接触的轴段,表面粗糙度要低,一般为Rα1.63.2μm,填料太硬或夹杂颗粒杂质,长期运转会造成轴的磨损;轴的磨损或不光滑,会使填料变得不可调节和控制,从而产生很大的泄漏率,导致填料失效。(3)确保轴对内孔的同心度和使轴跳动最小是至关重要的。因此,应尽量减小轴的径向摆动和轴向振动,资料表明,当结构设计或制造不良或轴承磨损时,同心度和跳动不能保持在一个低的水平上,泄漏率将快速增加。(4)填料组的长度(填料环的数量)是容易被人们所忽视和误解的。根据填料的已知资料,在低的流体压力下,所有的填料环都对密封有影响,但长的填料不必要,因为泄漏量可通过将压盖拧紧来控制,即泄漏量主要由间隙的径向高度而非轴向的长度支配。长的填料组的较高摩擦力更易被过分拧紧而容易产生问题[1]。(5)填料的横截面积尽量使用8mm,10mm,12mm标准值,可以使库存降到最低。而且,强调填料横截面积的公差保证值:尺寸不足的环的泄漏量可能永远不会达到可接受的水平,而尺寸过大的环则可能导致立即过热。6结语填料密封是一种常用的密封形式,但由于其密封结构上的问题,易出现介质泄漏、轴过热、摩擦阻力大等缺点。为了解决传统的填料密封所存在的问题,使其更好的应用,本文对填料密封的工作机理、密封机理作了分析,并提出了填料密封使用上的一些问题,为填料密封的研究奠定了一定的理论基础,为工业应用提供了参考价值。参考文献[1](德)海因茨K.米勒,(英)伯纳德S.纳乌.流体密封技术——原理与应用[M].程传庆等译.北京:机械工业出版社,2002.[2]王丽娟,田平,柔性石墨的结构密封性能及应用研究[J],润滑与密封,2001(1),63-65.[3]徐华,朱均.机械密封静环的动力学设计[J].润滑与封,2005(1):10-11.[4]王东.柱塞泵中柱塞摩擦副泄漏流量的分析[J].液压气动与密封,2002(4),22-23.[5]刘后桂.密封技术[M].长沙:湖南科技出版社,1981.[6]徐晋芳.柔性石墨浸铝石墨在高压氨上的应用[J].化工机械,1987(6):40-41.[7]徐灏.密封[M].北京:冶金工业出版社,1999.[8]夏廷栋,等.实用密封技术手册[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1985[9]贺杰,杨敏嘉.关于柔性旋转密封[J].石油机械,1990(5):53-59.[10]张增禧,王曙,等.垫片密封泄漏模型研究[J].压力容器,2001,18(2)