密封技术发展与应用

密封技术发展与应用陈帆广东石油化工学院机电工程学院装控09-2班12号摘要:主要对密封技术的发展过程、密封的分类和典型密封种类等进行了阐述，介绍了不同密封形式的特点和应用范围，对密封工业的发展过程进行了回顾。综述了静、动密封的机理和发展方向，指出了密封总的发展方向是零逸出、高性能、高可靠性以及长寿命化。随着计算机和电子技术日新月异的发展,各种密封特别是机械密封将会在化工、石油化工、能源等工业领域中得到广泛应用，以及这门学科的帮助。关键词：填料密封，胶密封，机械密封，迷宫密封，零逸出Abstract:Whatmainlyonthedevelopmentprocessofsealingtechnology,theclassificationofsealingtechnologyandtypicalsealtypesarestated.Thedifferenceofsealformandthecharacteristicsandapplicationrangeofthesealingindustryareintroduced,reviewsthedevelopmentofsealingindustry.Thestaticsealingmechanism,thedynamicsealingmechanismandthedirectionofdevelopmentarecommented,pointedoutthedevelopmentdirectionofsealingtechnologywhichfulfillthezeroemission,thehighperformance,thehighreliabilityandthelonglifespan.Withthedevelopmentofcomputerandelectronictechnologychangerapidly,especiallymechanicalsealinchemicalindustry,petrochemicalindustryenergyindustryarewidelyusedinthefield,Andthesubjecttohelp。KeyWords:packinseal;rubber-likematerialsandplasticsseals;mechanicalseal;labyrinthseal;zeroemission一、密封的发展过程1.1密封技术的发展史密封技术已渐渐发展成为一个专门地课题，而其本身的发展过程及在实际应用中的重要性也确实值得我们去探索和研究。它是研究密封材料、密封装置设计和密封机理的科学，是一门多学科交叉性的边缘学科。随着社会的发展和科学的进步，今天密封技术已经发展成为一个专门的学术分支，而其本身的发展过程及在实际生产中的应用也非常值得我们去探索和研究。公元11世纪初，密封技术最早起源于中国；同等水平的密封技术在国外最早出现于15世纪，并且一直沿用至1700年左右的阿基米德时代；值得注意的是时至今日这种密封技术（填料密封）仍被应用于某些特殊场合。19世纪开始，工业上应用弹性材料作为密封件，最为有代表性的是：1856年，一种圆形的，用弹性材料做成的圈被应用于蒸汽机以及流体泵上。类似的密封技术被载入1886年的法国专利。（图1）图1.1886年法国专利的活塞密封件1926年到1933年间丹麦的发明家和机械制造家NielsA.Christensen对此类圆形圈进行了进一步的研究开发和应用。他的技术（O型圈）于1930年公开发布，1933年申请技术专利，在之后的1938年获得了大奖。O型圈在实际的应用中虽然比以前的密封件性能优越许多，然而很快就显示出它在动态密封（往复运动）中的局限性。这就导致了有截面形状，且被装入沟槽中用以防止其移动的密封件的发展。另一方面,由于传统的液压介质由水改为工业油和其他更加粘稠，且润滑性能更好的介质，导致了密封件材料及其截面几何形状的进一步发展。之后Douglas于1940年发明了“三角形密封件”（图2），这种形状的密封件曾在当时的航空工业上得到了广泛的应用。图2.Douglas公司的三角形密封件由于现代工业对密封件提出了越来越高的要求，如体积小、耐高压、有出色的物理化学性能等，这就导致了无论是应用橡胶，还是其它热塑性材料的密封件演变的多样性。（图3）图3活塞密封件的发展过程举个例子，如液压缸中的密封。就液压缸来讲，对于一直处于往复运动中的缸体的密封件的要求是很高的，要使之保持一层润滑膜，以减少密封件的磨损，又要使之不能有一点泄漏。于是经过多年的探索于实践，产生了一套用几种部件的组合来完成密封向等功能的复合密封系统。（图4）所示就是现在比较常用的液压缸复合密封系统。密封件不仅影响了各类工作缸的适用功能,而且也影响了缸体的设计。现在设计的体积非常小的活塞，活塞杆及整合式密封件已大大改善了缸的行程（图5）。作为一种整合式密封系统（图6），此类密封件具备完整的导向、密封和除尘等多种功能。这种整合的设计从根本上改变了活塞的密封过程。图4图5PZ短行程气动活塞密封件图6整合式密封系统1.2密封对现代的影响密封技术是一门结合多个学科应用的综合技术,具体涉及了与流体力学、材料力学和弹性力学、摩擦学、化学、物理化学以及热力学等学科。密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域,以及石油、化工等国民经济各行业,如火箭的液氧透平泵、核能发电站中的主冷泵、高压聚乙烯的高压压缩机和聚丙烯的反应釜等许多机器设备的方案就取决于密封技术。密封技术虽然不是领先性技术,但往往却是决定性关键技术,它决定了机器设备运行的安全性、可靠性和耐久性。虽然任何工业都有密封问题，但化学和石油化学工业中的问题比其他工业更加突出，其特征表现以下两大特征。①广泛性化工厂以设备、机器复杂和管道庞大而著称，据统计一个大型石油化工厂年产30万吨乙烯的五套主要装置、六套配置装置和七个辅助车间的静密封点达123万多个。然而，化工厂发生的各种事故中，泄露是主要的原因。据日本汇集的1965至1975年间化工厂发生的624件事故，其中化工装置为210件，占34.4%，炼油装置为79件占12.7%；而210件化工装置中表现为泄露形式的事故为115件，占了55%；炼油装置中的79件事故中，泄露事故54件，占了68%。②危害性由于很多化工厂处理的很多流体都是易燃、易爆、有毒或腐蚀性的，一旦发生泄露，其后果比单纯的经济损失还要严重得多。如上述的210件事故中，其中发展为火灾、爆炸、中毒事故的58件，占23%；而造成大气、水质污染的31件中，占15%。就发生事故而言，如1984年12月3日的印度博帕尔市美国联合碳化物属下的联合碳化物（印度）有限公司设于贫民区附近一所农药厂发生氰化物泄漏，引发了严重的后果。大灾难造成了2500人死亡，12.5万人中毒，其中眼睛伤残5万人，至今世人记忆犹存。密封技术的发展和应用对保证各个行业的安全有非常重要的意义，无论是石油化工还是航空航天其他行业，在这些行业中许许多多机器设备都取决于密封技术，对国民经济起到决定性的影响，保证各行业正常安全运行，同时也带动了各分支学科的研究和发展。二、密封的工程应用密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域,以及石油、化工等国民经济各行业。密封技术对于机电产品防止“三漏”(油、水、气)，保证安全运行，提高性能和效率，节约能源，保护环境具有重大意义，在强调经济和社会可持续发展的21世纪，密封技术的重要性尤为凸显，因此，世界各国均高度重视密封技术的研究和应用。密封技术水平还远远满足不了生产发展的要求,某些场合泄漏问题还没有解决,所以密封技术有待进一步深入研究。在工程应用方面，密封的故障维修也是占据非常重要的部分，下面仅对机械密封的故障维修作简单的阐述。2.1机械密封件在运转中经常发生的泄漏现象(1)动静环接触面变形引起的泄漏。当端面比压过大，磨擦热易引起动静环的热变形;当然安装零配件过程中若有受力不均现象，也会引起端面变形。处理办法：拆开机械密封件检查动静环端面是否过热变形，若是则需更换，若为装配造成则可按照规范进行重新装配。(2)摩擦副内夹入结晶颗粒等杂质。处理办法：拆开后清洗，检查端面磨损，根据具体情况进行修复。(3)辅助密封件由于选材不当，导致被工作介质熔胀失去弹性。处理办法：更换新密封件，选择相匹配的机械密封件。(4)动静环密封面对轴线不垂直度误差过大。处理办法：检查泵轴的绕度，超标进行修复或更换。(5)动静环与圆套件形成水垢不能及时补偿磨损位移。处理办法：清垢。(6)长期运转导致动静环端面严重磨损。处理办法：更换机械密封件。总之，由以上原因造成的泄漏现象，应在设备检修时对损坏件进行认真检查并分析原因，对症进行处理。2.2停泵一段时间再开动时发生的泄漏当摩擦副附近的介质出现凝固、结晶、积垢、弹簧锈蚀导致断裂等任何一种情况均会引起泵开动运行时发生泄漏现象。要彻底杜绝此类现象的发生，必须要做好泵启动前的各项检查和准备工作。2.3机械密封件产生突发性泄漏现象机械密封件突发性失效现象一般由以下原因造成：如泵出现强烈振动、抽真空等原因破坏了摩擦副的工作状态、补偿弹簧发生断裂、防转销脱落或传动销断裂、辅助装置有故障使动静环冷热骤变导致密封面变形或产生裂纹。出现上述故障时必须更新机械密封件后再使用，同时找出运行过程中的问题所在，便于做好预防工作。2.4机械密封件由于安装、运行等引起的周期性泄漏运转中如果泵叶轮轴向窜动量超标或轴发生周期性振动以及工艺参数操作不稳定时，密封腔内压力也会经常发生变化，从而导致机械密封件产生周期性泄漏。对这些原因引起的机械密封件泄漏现象应在安装时严格控制泵轴的轴向窜动量，及时更换间隙超差的轴承。对轴的圆跳动量应控制在标准以内，必要时应更换新轴。2.5加水或静压试验时发生的泄漏由于没有按规范安装机械密封件，加水或静压试验时就会发生泄漏。安装不规范有如下几种表现：(1)动静环接触面不平，安装时发生碰伤或损坏，导致密封失效;(2)动静环密封圈尺寸有误，损坏或未压紧;(3)动静环表面有异物如铁锈或砂尘夹入;(4)动静环上的密封圈漏装或安装时强行挤入导致损坏;(5)动环紧定件没安装到位，使弹簧座后退;(6)当用手盘动泵轴时，如泄漏有明显的方向性则可能是由于弹簧力不均匀或密封腔体和轴的垂直度超差所致。对以上原因所致的泄漏现象，应根据产生原因进行处理。2.6机械密封件由于压力产生的泄漏压力造成的泄漏主要有以下2种：(1)高压和压力波造成的机械密封件泄漏，是因为弹簧比压力及总比压设计过大和密封腔内压力超过3MPa，使密封端面比压过大，液膜难以形成，导致密封端面磨损严重，发热量增加，使密封端面发生热变形。处理办法：在装配机械密封件时，弹簧压缩量一定要按规定进行，不允许有过大或过小的现象，高压条件下的机械密封件应采取措施。为使端面受力均匀尽量减少变形，可采用硬质合金、陶瓷等耐压强度高的材料，并加强冷却的润滑措施，选用可变形的传动方式，如键、销等。(2)真空状态运行造成的机械密封件泄漏泵在启动、停止过程中，由于泵进口堵塞，抽送介质中含有气体等原因，有可能使密封腔出现负压，引起密封端面干摩擦，内装式机械密封件便会产生漏水(气)现象，真空密封与正压密封的不同点在于密封对象的方向性差异，而且机械密封件也有某一方向的适应性。处理办法：采用双端面机械密封件，这样有助于改善润滑条件，提高密封性能。三、动、静密封技术原理和发展方向3.1密封的分类密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫片密封、胶密封。根据工作压力静密封又可分为中、低压静密封和高压静密封。中、低压静密封通常采用材质较软、接触较宽的垫密封高压静密封则采用材质较硬、接触宽度很窄的金属垫片或复合垫片。按密封件与和其作相对运动的零部件是否接触，动密封可分为接触式密封和非接触式密封。而接触密封有填料密封、往复轴密封、机械密封，非接触密封有迷宫密封、间隙密封、气膜密封、液膜密封。3.2静密封——垫片密封3.2.1垫片密封概述垫片密封是过程工业