填料密封技術(shù)【高等教學(xué)】

1、過程裝備流體動密封技術(shù) (Dynamic Sealing Technology for Process Equipment,主講人: 郝木明 孫鑫暉,實(shí)現(xiàn)以人為本 健康 安全 環(huán)保 經(jīng)濟(jì) 現(xiàn)代化生產(chǎn)新理念,1,行業(yè)學(xué)習(xí),講授內(nèi)容,一、流體動密封基本類型 二、填料密封技術(shù) 三、接觸式機(jī)械密封技術(shù) 四、非接觸式機(jī)械密封技術(shù) 五、流阻型密封技術(shù) 六、動力反輸型密封技術(shù) 七、封閉式密封技術(shù),2,行業(yè)學(xué)習(xí),二、填料密封技術(shù),填料密封包括： 軟填料密封； 硬填料密封（活塞環(huán)、分瓣環(huán)、錐形環(huán)）； 成型填料密封（O形圈、V形圈等）； 油封和防塵密封,3,行業(yè)學(xué)習(xí),軟填料密封：壓蓋填料（Gland Packin

2、g)密封、盤根（Packing)密封。 應(yīng)用場合： 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動：離心泵、真空泵、攪拌機(jī)、反應(yīng)釜。 往復(fù)運(yùn)動：往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)的柱塞或活塞桿。 螺旋運(yùn)動：閥門的閥桿與閥座,一)、軟填料密封技術(shù),4,行業(yè)學(xué)習(xí),一)、軟填料密封技術(shù),1. 軟填料密封基本原理 1.1 引言 1.2 軟填料密封的原理 1.3 軟填料密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2. 軟填料密封材料 2.1 軟填料的分類、材料種類和結(jié)構(gòu) 2.2 軟填料常用材料 2.3 填料的選擇、安裝和使用 3. 軟填料密封與機(jī)械密封對比 4. 軟填料密封的發(fā)展趨勢,5,行業(yè)學(xué)習(xí),1. 軟填料密封基本原理,1.1 密封結(jié)構(gòu) 1.2 軟填料密封的原理 1.3 軟填料密

3、封結(jié)構(gòu)的設(shè)計,6,行業(yè)學(xué)習(xí),1.1 基本結(jié)構(gòu),7,行業(yè)學(xué)習(xí),8,行業(yè)學(xué)習(xí),9,行業(yè)學(xué)習(xí),10,行業(yè)學(xué)習(xí),1.2 軟填料密封的原理,流體通過軟填料密封泄漏的機(jī)理分析 泄漏根本原因： 存在動力：即壓力差、濃度差，或沿泄漏方向有相對運(yùn)動； 存在泄漏通道。 泄漏途徑： 通過填料與靜止件界面的泄漏 通過填料本身的泄漏（滲透泄漏） 通過填料與運(yùn)動界面之間的泄漏,11,行業(yè)學(xué)習(xí),泄漏機(jī)理,間隙泄漏機(jī)理：流體狹逢流動規(guī)律 多孔隙泄漏機(jī)理 粘附泄漏機(jī)理（往復(fù)運(yùn)動） 動力泄漏機(jī)理（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,12,行業(yè)學(xué)習(xí),間隙泄漏機(jī)理,13,行業(yè)學(xué)習(xí),往復(fù)密封泄漏機(jī)理,14,行業(yè)學(xué)習(xí),動力泄漏機(jī)理 轉(zhuǎn)軸密封表面上留有的螺旋形加工

4、痕跡，具有“泵液”作用，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，痕跡槽內(nèi)的液體沿螺旋槽軸向流動，如果流動方向與泄漏方向一致，則軸的轉(zhuǎn)動造成了流體泄漏率的增加，且隨轉(zhuǎn)速的增高，泄漏加劇。這一泄漏機(jī)理即為動力泄漏,15,行業(yè)學(xué)習(xí),密封機(jī)理的定性分析,目的要求：利用軟填料密封有效地解決工業(yè)生產(chǎn)中遇到的密封問題，必須實(shí)現(xiàn)有效密封，即要求泄漏率盡可能小，同時必須考慮摩擦、磨損和壽命問題。 密封機(jī)理定性分析： 盡量小的密封泄漏間隙； 良好的潤滑性能； 軟填料密封機(jī)理的“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”辨析,16,行業(yè)學(xué)習(xí),從流體通過軟填料密封泄漏的機(jī)理分析可以看出，只要存在間隙、存在泄漏通道，就會產(chǎn)生泄漏。 密封本質(zhì)：利用密封填料柔軟特性、

5、在軸向壓緊力的作用下徑向膨脹阻塞可能存在的流體泄漏通道。 為達(dá)到有效密封而要求填料柔軟且富有彈性。填料柔軟使其變形后能較易填塞密封界面的微觀泄漏通道，且摩擦功耗低；良好的回彈性可以補(bǔ)償因體積損失引起的應(yīng)力松弛，以降低軸不圓度及偏擺對密封作用的不利影響。 要求填料具有良好的回彈性與柔軟性，也是開發(fā)新型填料一直遵循的基本觀點(diǎn),盡量小的密封泄漏間隙,17,行業(yè)學(xué)習(xí),良好的潤滑性能,良好的潤滑性能是保證密封長周期運(yùn)行的必要條件，同時使密封具有較低的摩擦功耗和磨損速率。 為保證良好的潤滑條件，通常允許少量的泄漏存在。對于一般的填料（不包括具有自潤滑性能的填料）只是對流體的流動泄漏起節(jié)流作用而不是將其完全

6、阻止或封閉。 填料中浸漬潤滑劑或提高填料本身的自潤滑能力就是為了保證填料具有良好的潤滑性能,18,行業(yè)學(xué)習(xí),軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”辨析,軟填料裝入密封腔后，經(jīng)壓蓋對其作軸向壓縮，產(chǎn)生徑向力并保持與軸緊密接觸，建立起密封狀態(tài)。同時，填料中浸漬的潤滑劑被擠出，在接觸面之間形成液膜，呈“邊界潤滑”狀態(tài)，類似滑動軸承，故稱為“軸承效應(yīng)”。 “填料在需要潤滑這一方面很像軸承”：在典型的密封裝置中，流體流經(jīng)很小的間隙，對于填料就像潤滑劑的作用一樣。當(dāng)密封構(gòu)件配合過緊時，流體流不進(jìn)去，填料就會干轉(zhuǎn)，除非潤滑劑由別的方法來提供，否則填料就會發(fā)熱、變硬，并劃傷軸，和軸承的破壞一樣。 按照“軸承效應(yīng)”的觀點(diǎn)，要

7、求軟填料密封必須像軸承一樣，應(yīng)得到良好的潤滑,19,行業(yè)學(xué)習(xí),迷宮效應(yīng)”：填料壓緊后，未接觸的凹部形成小溝槽，有較厚的液膜，當(dāng)軸與填料有相對運(yùn)動時，接觸部分與非接觸部分組成一道道不規(guī)則的迷宮，起阻止液流泄漏的作用，并認(rèn)為良好的密封在于維持“迷宮效應(yīng)”。不少作者都支持這一觀點(diǎn)。 疑問：眾所周知，氣體迷宮密封的原理是氣體通過密封齒和膨脹空腔，依靠節(jié)流、膨脹和渦流摩擦使速度能轉(zhuǎn)換成摩擦耗能而實(shí)現(xiàn)逐級降壓達(dá)到密封。而填料密封中微觀不平度構(gòu)成的所謂“迷宮”，很難有這種降壓作用。 實(shí)際上，恰恰相反，所謂“迷宮”是造成多空隙泄漏、粘附泄漏或動力泄漏的基本條件,20,行業(yè)學(xué)習(xí),早在20世紀(jì)60年代，D F D

8、enny等就提到過，“填料函的操作像一個可調(diào)整的迷宮，迷宮的大小，決定于填料在軸向力作用下徑向膨脹的能力，流體通過填料界面的泄漏可以認(rèn)為是通過一個有效徑向間隙為Cr的環(huán)隙，以層流的形式實(shí)現(xiàn)。間隙由無數(shù)類似迷宮的泄漏通道所組成，間隙的大小反比于密封比壓”。顯然，這里提到的“迷宮”，正是為流體泄漏提供的泄漏通道。 關(guān)于密封機(jī)理的研究，不像一種具體的新填料或新結(jié)構(gòu)那樣容易產(chǎn)生明顯的直接效果，但卻是促進(jìn)密封技術(shù)發(fā)展的具有導(dǎo)向性的理論依據(jù),21,行業(yè)學(xué)習(xí),密封機(jī)理的力學(xué)特性分析,應(yīng)力特征：徑向應(yīng)力分布 流體壓力分布 摩擦力和摩擦力矩 泄漏率 磨損與潤滑,22,行業(yè)學(xué)習(xí),應(yīng)力特征：徑向應(yīng)力分布,23,行業(yè)

9、學(xué)習(xí),流體壓力分布,24,行業(yè)學(xué)習(xí),摩擦力和摩擦力矩,25,行業(yè)學(xué)習(xí),軟填料密封泄漏率,26,行業(yè)學(xué)習(xí),為保證密封，理論上，填料底部的徑向壓力密封介質(zhì)壓力。介質(zhì)壓力分布與徑向壓力相反，密封力沒有發(fā)揮作用，反而相反地對軸起磨損作用有時甚至燒軸，此乃填料密封的最大缺點(diǎn)，在一般情況下很難避免,圖 軟填料密封壓力分布,27,行業(yè)學(xué)習(xí),軟填料密封的磨損與潤滑,28,行業(yè)學(xué)習(xí),1.3 軟填料密封結(jié)構(gòu)設(shè)計,結(jié)構(gòu)的基本要求： 徑向應(yīng)力分布均勻，且與泄漏介質(zhì)壓力分布規(guī)律一致； 考慮冷卻和潤滑措施，及時帶走摩擦熱； 設(shè)置自動補(bǔ)償裝置（降低應(yīng)力松弛）； 裝拆方便（集裝式、箱體剖分等）； 防止填料擠出（隔環(huán)、組合式填

10、料等）； 防止腐蝕或磨蝕； 體現(xiàn)上述思想的一些新結(jié)構(gòu)。 填料函主要結(jié)構(gòu)尺寸（圖4-9，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定,29,行業(yè)學(xué)習(xí),填料的組合安裝,30,行業(yè)學(xué)習(xí),一些新型填料函結(jié)構(gòu),31,行業(yè)學(xué)習(xí),填料函的結(jié)構(gòu)尺寸,32,行業(yè)學(xué)習(xí),2. 軟填料密封材料,2.1 軟填料的分類、材料種類和結(jié)構(gòu) 2.2 軟填料常用材料 2.3 填料的選擇、安裝和使用,33,行業(yè)學(xué)習(xí),2.1 軟填料的分類、結(jié)構(gòu)和材料,按功能：閥門用填料、離心泵用填料、往復(fù)壓縮機(jī)用填料。 按材料：橡膠、天然纖維填料、合成纖維填料和金屬填料等。 按加工方法：絞合填料、編結(jié)填料、疊層填料和模壓填料。（圖4-2） 其中的編結(jié)填料按編織方式又分為：夾心

11、套層式編結(jié)填料、發(fā)辮式編結(jié)填料、穿心式編結(jié)填料。（圖4-3,分類與結(jié)構(gòu),34,行業(yè)學(xué)習(xí),按加工方式分類的填料結(jié)構(gòu)型式,35,行業(yè)學(xué)習(xí),編結(jié)填料結(jié)構(gòu),36,行業(yè)學(xué)習(xí),軟填料材料組成,基體材料： 橡膠：天然橡膠、合成橡膠（NBR、CR、SBR、EPDM）； 纖維：礦物類（石棉、柔性石墨）； 植物類（棉花、麻）； 動物類（皮革、毛發(fā)）； 合成類（人造絲、各種合成纖維）。 輔助材料：金屬、潤滑劑、防腐蝕劑,37,行業(yè)學(xué)習(xí),2.2 軟填料常用材料,1）編織填料 亞麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯（PTFE)填料、膨脹PTFE/石墨填料、芳綸纖維填料、玻璃纖維填料、碳素纖維填料、石墨纖維填料。 （2）柔性石墨

12、填料 （3）金屬軟填料,38,行業(yè)學(xué)習(xí),亞麻填料 亞麻纖維是人類最早使用的天然植物纖維。距今已有1萬年以上的歷史。亞麻纖維是一種稀有天然纖維，僅占纖維總量的1.5。由于它的天然、古老、高貴和優(yōu)質(zhì)，被人們稱為“纖維皇后”。 亞麻植物為一年生植物，有二大品種：纖維用亞麻、油用亞麻。纖維用亞麻徑桿高，不分枝，籽房油少。 亞麻填料由長纖維亞麻捻成粗線并加以編織，然后浸漬不同的潤滑劑而成?？蓾M意地使用在中低壓力（1.6 MPa),溫度120的淡水或海水場合。適用于采礦、鋼鐵、污水處理、造船和造紙等工業(yè)的設(shè)備中,39,行業(yè)學(xué)習(xí),石棉填料： 石棉耐熱、耐磨、耐腐蝕、價格低。石棉纖維填料廣泛應(yīng)用于泵閥,40,

13、行業(yè)學(xué)習(xí),聚四氟乙烯（PTFE)填料 以聚四氟乙烯纖維為主體材料，浸漬聚四氟乙烯乳液，經(jīng)過編織制成。 幾乎耐一切化學(xué)品，且溫度范圍較寬（-200 - +260 ），具有自潤滑性能。但熱傳導(dǎo)性差，熱膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生蠕變或冷流現(xiàn)象。因而用在線速度高的部位，須采取混合裝配或強(qiáng)制冷卻，潤滑等措施，避免造成燒壞填料和增大磨損,41,行業(yè)學(xué)習(xí),膨體聚四氟乙烯/石墨填料 用一種含石墨粒子的膨體聚四氟乙烯（ePTFE)纖維編織而成，并經(jīng)高溫硅油潤滑劑浸漬。 克服了純PTFE填料的弊端，具有良好的導(dǎo)熱性、低摩擦系數(shù)和低膨脹系數(shù)?？捎脕砻芊鈮A、溶劑、水、蒸汽、酸等介質(zhì)的離心泵、閥門、攪拌器、混合器等,ePTFE

14、密度：0.2-0.3 g/cm3 PTFE密度：2.1-2.3 g/cm3,42,行業(yè)學(xué)習(xí),芳綸纖維填料 芳綸纖維又稱為芳香族聚酰胺纖維（Aramid), 其商品名為Kevler纖維（Only by DuPont (杜邦)公司）。這種纖維強(qiáng)度高、密度低（1.44 g/cm3)、彈性好、耐腐蝕、耐磨損、耐熱。芳綸纖維填料尤其適用在有磨粒介質(zhì)的場合,43,行業(yè)學(xué)習(xí),玻璃纖維填料 一種無堿或中堿玻璃纖維膨體紗編織成有拐角、有芯子的矩形橫截面填料。適用于爐膛和加熱器門之間的絕緣，加熱輸送管道的聯(lián)接器等,44,行業(yè)學(xué)習(xí),碳素纖維填料 由碳素纖維編織而成，含95%以上的炭，有很好的耐熱性能、摩擦系數(shù)低。在

15、制造填料過程中常在表面上浸涂上一層PTFE,進(jìn)一步增強(qiáng)了其化學(xué)穩(wěn)定性,45,行業(yè)學(xué)習(xí),石墨纖維 石墨纖維是在碳素纖維的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高炭的比例，其含炭量在99%以上，因而具有極好的抗化學(xué)性和散熱性，可在400以上溫度、很高的壓力和速度條件下工作,聚丙烯腈纖維 耐焰炭纖維 碳素纖維 石墨纖維,原料有：聚丙烯腈、人造絲、瀝青纖維、木質(zhì)素纖維等。 耐焰化加工：空氣中加熱，200-400 C；（70%C) 碳素化加工：氮?dú)獗Ｗo(hù)，800-1000 C；(90-95%C) 石墨化加工：氮?dú)獗Ｗo(hù)，1000-1500 C。(99%C,柔性石墨（膨脹石墨）填料,46,行業(yè)學(xué)習(xí),石墨屬六方晶系，具有特殊層狀結(jié)構(gòu)

16、，層與層之間結(jié)合力較弱，通過氧化處理可使異種分子或原子插入其間，形成層間化合物。200以上高溫時，吸留在層形點(diǎn)陣中化合物分解，開始膨脹，并在1100 時達(dá)到最大體積。使其任意膨脹，最終體積可達(dá)初始時的280倍。 膨脹后的石墨由原鱗片狀變成密度很低的蠕蟲狀，可壓制成為各種形狀，壓制后的石墨稱為柔性石墨。作為密封填料有兩種形式：編織填料和模壓填料,47,行業(yè)學(xué)習(xí),柔性石墨編織填料,編織填料是以其它纖維（如玻璃纖維、碳纖維等）作為骨架，再結(jié)合柔性石墨編成繩狀填料，因此比模壓填料強(qiáng)度高、彈性和柔軟性好、裝填或拆除方便。此外，柔性石墨編織填料還采用Aramid纖維或因科鎳金屬絲增強(qiáng)的方式，以提高其耐溫性

17、和強(qiáng)度，用于高速、高壓場合,48,行業(yè)學(xué)習(xí),柔性石墨模壓填料,柔性石墨模壓填料：即柔性石墨環(huán)，由柔性石墨板材、帶材直接進(jìn)行模壓制而成，適用于一般應(yīng)用場合，尤其是閥門的閥桿密封。 與其它填料組合裝配，效果比較好,49,行業(yè)學(xué)習(xí),金屬軟填料,在高溫（450）、高壓（20MPa)、高速（20 m/s)條件下，通常采用軟金屬類填料。 軟金屬類填料包括：軟金屬絲（因科鎳絲、銅絲、鎳絲等）增強(qiáng)填料；軟金屬箔（銅箔、鉛箔、鋁箔等）包覆石棉、合成纖維或柔性石墨填料等；單純用軟金屬箔折疊或纏繞制成全軟金屬填料,50,行業(yè)學(xué)習(xí),2.3 填料的選擇、安裝和使用,1）密封填料的正確選擇 選擇填料是要考慮的因素： .設(shè)

18、備的種類和運(yùn)動方式； .介質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)； .工作溫度和工作壓力； .運(yùn)動速度。 .數(shù)值特征：表征磨損與發(fā)熱特性的工作溫度T和PV值。標(biāo)志腐蝕性強(qiáng)弱的pH值,51,行業(yè)學(xué)習(xí),2）填料的合理安裝 .閥桿填料的安裝； .泵用填料的安裝； .閥門壓蓋螺栓載荷的確定：控制填料壓縮量法；控制壓蓋螺栓轉(zhuǎn)矩法,52,行業(yè)學(xué)習(xí),3.軟填料密封與機(jī)械密封對比,53,行業(yè)學(xué)習(xí),4.軟填料密封的發(fā)展趨勢,軟填料密封作為一種古老的密封形式，在現(xiàn)在密封技術(shù)領(lǐng)域仍占有相當(dāng)重要的地位。 盡管有其泄漏嚴(yán)重、壽命短等缺撼，但其結(jié)構(gòu)簡單、操作更換方便，填料材料來源廣泛，加工容易、成本較低、適用范圍廣、密封可靠，尤其近二十多年來，新結(jié)構(gòu)、新材料陸續(xù)開發(fā)、推廣，使人們又開始重視填料密封的研究開發(fā)；填料密封在一些場合甚至可與機(jī)械密封相匹敵。 可見，有必要深入廣泛地從事填料密封的研究探討。 其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在如下幾個方面,54,行業(yè)學(xué)習(xí),4.軟填料密封的發(fā)展趨勢,填料密封機(jī)理、密封理論的發(fā)展、完善 盡管有些學(xué)者對軟填料密封機(jī)理作了大量研究工作，提出了較為可信的密封理論，如Denny和Turnbull(1960)提出的“填料底部側(cè)向壓力大于密