新型碳纖維編織填料動(dòng)密封性能試驗(yàn)

1、新型碳纖維編織填料密封性能試驗(yàn)研究 501 前言在石油、化工、醫(yī)藥、食品、煉金、能源等工業(yè)部門的過(guò)程裝備中，密封占據(jù)著重要的地位。在機(jī)械設(shè)備中密封的功能是防止泄漏，起密封作用的零件稱為密封件，簡(jiǎn)稱密封。密封件是機(jī)械產(chǎn)品中應(yīng)用最廣的零部件之一。在石油、石化、化工等的生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)運(yùn)乃至銷售環(huán)節(jié)中，常常伴隨著易燃、易爆、高溫、高壓、有毒有害和腐蝕等危險(xiǎn)因素，機(jī)器及設(shè)備在使用中工作介質(zhì)和潤(rùn)滑油的“跑、冒、滴、漏”，給生產(chǎn)帶來(lái)了極大的危害。密封的設(shè)計(jì)、制造所存在的問(wèn)題已逐步引起人們的高度重視。人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中千方百計(jì)地設(shè)法防漏和防塵。工程中不但要求做到少漏或者不漏，而且要求做到方法簡(jiǎn)便、取材容易、維修

2、方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、功耗極少。要同時(shí)滿足這許多要求常常是困難的，但卻是必須的，所以人們采用了許多密封材料，制造了許多密封元件，設(shè)計(jì)了各種密封機(jī)構(gòu)，通過(guò)不斷地試驗(yàn)、改進(jìn)，終于找到了許多有效的密封方法。同時(shí)，各國(guó)還成立了許多研究機(jī)構(gòu)，對(duì)這些方法進(jìn)行深入的理論和設(shè)計(jì)計(jì)算，還使之上升為完整的理論。因此，密封在工程上已發(fā)展為一項(xiàng)專門的技術(shù)密封技術(shù)。密封技術(shù)不僅因其產(chǎn)品性能的好壞直接影響過(guò)程設(shè)備或機(jī)器正常運(yùn)行，對(duì)提高生產(chǎn)過(guò)程或裝置的整體密封水平有其特殊、重要意義。密封本身是一門涉及固體和流體力學(xué)、傳熱學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)等多門科學(xué)的交叉學(xué)科，而從工程角度，它又涉及材料、設(shè)計(jì)、 檢驗(yàn)、運(yùn)行和管理等

3、多個(gè)工程技術(shù)門類?，F(xiàn)在，對(duì)一般的泄漏，很容易實(shí)現(xiàn)密封；對(duì)那些高溫、高壓、高速、強(qiáng)腐蝕條件下的密封，也有了許多有效的密封方法；對(duì)那些低溫、深冷（超低溫）、輻射、有毒等苛刻條件下的密封，也有很多成熟的經(jīng)驗(yàn)，而且還在不斷完善之中?？梢赃@樣說(shuō)，沒(méi)有良好的密封技術(shù)，機(jī)器就不能可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備就不能有效的工作，衛(wèi)星升空、人類航空、宇宙考察、艇潛海底等只不過(guò)是幻想！盡管隨著現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展，密封技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，密封種類繁多，應(yīng)用范圍廣泛，但就基本原理來(lái)說(shuō)，可分為即接觸式密封和非接觸式密封。絕大部分靜密封屬于接觸式密封，動(dòng)密封既有接觸式又有非接觸式。對(duì)密封的最基本要求是將泄漏控制在允許的限度內(nèi)，同時(shí)要求工作

4、可靠、使用壽命長(zhǎng)、制造維護(hù)容易、適應(yīng)性廣、經(jīng)濟(jì)性好?？傊?，優(yōu)良的密封具有卓越的性能價(jià)格比。填料密封又稱壓蓋填料密封，俗稱盤根，主要用于過(guò)程機(jī)器和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分的密封，如離心泵、真空泵、攪拌機(jī)、反應(yīng)釜等的轉(zhuǎn)軸和往復(fù)泵、往復(fù)壓縮機(jī)的柱塞或活塞桿，以及做螺旋運(yùn)動(dòng)閥門的閥桿與固定機(jī)體之間的密封。然而，隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，尤其是宇航、核電、大型石油化工、冶金和電力等工業(yè)系統(tǒng)的裝置日趨于大型化和高參數(shù)，使各流體裝置的填料密封部位的工況條件愈加苛刻，尤其是高溫固液相混的流體密封更是難以解決，原有的填料顯然已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的密封要求。與此同時(shí)，社會(huì)上對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，對(duì)填料的密封性能要求也更加嚴(yán)格。所

5、以現(xiàn)形勢(shì)下對(duì)密封的要求越來(lái)越高，在許多苛刻的工況下，填料密封被其他密封形式所代替。盡管如此，由于填料密封本身固有的特點(diǎn)，至今在許多場(chǎng)合仍是普遍使用的密封形式，特別是近年來(lái)許多新材料和新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，賦予了填料密封新的生機(jī)，獲得了新的發(fā)展1。碳纖維編織填料是一種耐磨、耐溫及耐壓性能優(yōu)異的填料，它被廣泛應(yīng)用于高壓往復(fù)泵、離心泵的泵軸密封。新型碳纖維編織填料采用了與原來(lái)碳纖維編織填料不同的編織工藝、設(shè)備，它比原來(lái)碳纖維編織填料具有更好的密封性能和耐磨性能。但目前對(duì)新型碳纖維編織填料動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究還不多，對(duì)新型碳纖維編織填料動(dòng)密封性能還不夠了解，用戶在選用、安裝新型碳纖維編織填料時(shí)，還是靠經(jīng)驗(yàn)。為了

6、更好安全、合理地使用碳纖維編織填料，我們通過(guò)對(duì)新型碳纖維編織填料進(jìn)行動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究，為填料的生產(chǎn)企業(yè)的工藝改進(jìn)和用戶合理使用、安裝填料提供理論依據(jù)，確保企業(yè)的安全生產(chǎn)，節(jié)約能源。2 文獻(xiàn)綜述2.1 密封分類密封的本質(zhì)在于控制密封空間與周圍環(huán)境之間的質(zhì)量交換，因此決定流體密封度的基本要素是流體流動(dòng)的推動(dòng)力和連接件接合面的間隙，顯然密封的關(guān)鍵在于降低推動(dòng)力和阻斷流動(dòng)間隙（增大流動(dòng)阻力）?；谶@個(gè)理論將密封分類為靜密封和動(dòng)密封，沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)靜止的接合面間的密封稱為靜密封；如各種容器、設(shè)備和管道法蘭接合面間的密封，閥門的閥座、閥體以及各種機(jī)器的機(jī)殼接合面間的密封等，而彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接合面間的

7、密封稱為動(dòng)密封，如閥門的閥桿與填料函、泵、壓縮機(jī)等螺旋桿、旋轉(zhuǎn)軸或往復(fù)桿與機(jī)體之間的密封等。密封可以按照各種方法分類，如按照密封元件的加載方式、作用原理、結(jié)構(gòu)型式、材料和應(yīng)用場(chǎng)合等。靜密封主要有無(wú)墊（直接），墊片密封和膠密封三類。動(dòng)密封根據(jù)運(yùn)動(dòng)件相對(duì)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)方式分為往復(fù)密封和旋轉(zhuǎn)密封兩種基本類型。根據(jù)密封面有否間隙分為接觸型和非接觸型密封兩大類。一般來(lái)說(shuō)，接觸密封的泄漏小，但摩擦磨損較大，使用于密封面線速度較低的場(chǎng)合；于此相反，非接觸型密封件不直接接觸，無(wú)摩擦和磨損，使用壽命長(zhǎng)但泄漏量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。填料密封又稱壓蓋密封，主要用于過(guò)程及其和設(shè)備運(yùn)動(dòng)部分的密封。接觸型密封包括軟填料密封、硬填料

8、密封、成型填料密封、油封和接觸式機(jī)械密封等。密封的具體分類如圖2-1：圖2-1 密封的分類2.2 填料密封填料密封最早是以棉麻等纖維塞在泄漏通道內(nèi)來(lái)阻止液流泄漏，主要用作提水機(jī)械的軸封。由于填料來(lái)源廣泛，加工容易，價(jià)格低廉，密封可靠，操作簡(jiǎn)單，所以沿用至今。 填料主要作動(dòng)密封件，它廣泛用作離心泵、壓縮機(jī)、真空泵、攪拌機(jī)和船舶螺旋槳的轉(zhuǎn)軸密封，活塞泵、往復(fù)式壓縮機(jī)、制冷機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸封，以及各種閥門閥桿的旋動(dòng)密封等。填料必需具備下列條件：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。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面

9、。自潤(rùn)滑性能良好。耐磨、摩擦系數(shù)小。軸存在少量偏心的，填料應(yīng)有足夠的浮動(dòng)彈性。制造簡(jiǎn)單、裝填方便。填料密封包括毛氈密封、軟填料密封、硬填料密封、擠壓型密封和唇型密封。毛氈密封是在殼體槽內(nèi)填以毛氈圈，以堵塞泄漏間隙，達(dá)到密封的目的。毛氈具有天然彈性，呈松孔海綿狀，可貯存潤(rùn)滑油和防塵。軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，毛氈又將潤(rùn)滑油從軸上刮下反復(fù)自行潤(rùn)滑。一般用于低速、常溫、常壓的電機(jī)、齒輪箱等機(jī)械中，溫度不超過(guò)90，但不適宜氣體密封。軟填料密封又稱壓蓋填料密封，是在軸和殼體之間充填軟填料（俗稱盤根），然后用壓蓋和螺釘將填料壓緊在軸的表面，以達(dá)到密封的目的。填料壓緊力沿軸向分布不均勻，軸在靠近壓蓋處磨損最快。壓力低時(shí)，軸

10、轉(zhuǎn)速可高，反之，轉(zhuǎn)速要低。軟填料密封主要用于液體或氣體介質(zhì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的密封，如各種閥門、水泵、真空泵等，泄漏率為101000mL/h。常見(jiàn)的填料主要有橡膠、合成纖維、石棉、合成樹(shù)脂、柔性填料、油浸石墨填料等。選擇適當(dāng)填料材料及結(jié)構(gòu)，可用于壓力不大于35MPa、溫度不大于600和速度不大于20m/s的場(chǎng)合。硬填料密封是指在密封箱內(nèi)裝有密封盒，盒內(nèi)裝有一組密封環(huán)。填料環(huán)在填料盒內(nèi)有適當(dāng)?shù)妮S向和徑向間隙，使其能隨軸自由浮動(dòng)。密封環(huán)材料通常為青銅、巴氏合金、石墨等。硬填料密封主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)軸的密封，如往復(fù)式壓縮機(jī)的活塞桿密封等。硬填料密封也適用于旋轉(zhuǎn)軸的密封，如高壓攪拌軸的密封。硬填料適用

11、于介質(zhì)壓350MPa、線速度為12m/s、溫度為-45400的場(chǎng)合，但需要對(duì)填料進(jìn)行冷卻或加熱。擠壓型密封按密封圈截面形狀分有O形、方形等，以O(shè)形應(yīng)用最廣。擠壓型密封就是在流體介質(zhì)沒(méi)有壓力或低壓的情況下，靠密封圈安裝在槽內(nèi)預(yù)先被擠壓，產(chǎn)生預(yù)緊力，工作時(shí)，又靠介質(zhì)壓力擠壓密封圈，使其變形增大，封閉密封間隙，達(dá)到密封的目的。擠壓型密封結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，動(dòng)摩擦阻力小，拆卸方便，成本低，用于往復(fù)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。唇型密封依靠密封唇的過(guò)盈量和工作介質(zhì)壓力所產(chǎn)生的徑向壓力即自緊作用，使密封件產(chǎn)生彈性變形，堵住漏出間隙，達(dá)到密封的目的，比擠壓型密封有更顯著的自緊作用。常用的密封材料有橡膠、皮革、聚四氟乙烯等。

12、與O形環(huán)密封相比，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，體積大，摩擦阻力大，裝填方便，更換迅速，主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封，選用適當(dāng)才材料的油封，可用于壓力達(dá)100MPa的場(chǎng)合2。目前用的最多的是編織型密封填料。編織型密封填料亦稱編制壓縮型密封填料。它是以不同種類的纖維作為骨架材料，經(jīng)過(guò)編織而成的繩狀產(chǎn)品。根據(jù)需要還可以浸漬潤(rùn)滑（填充）材料。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，再用模具壓制成環(huán)壯或所需要的其他形狀。然后裝配在填料函內(nèi)。編織密封填料廣泛應(yīng)用于石油煉制、化工、化肥、化纖、制藥、發(fā)電等工業(yè)中的貯存，輸送流體介質(zhì)的裝置上，作為防止流體跑冒滴漏的密封配件。編織密封填料裝配在密封部位，并給預(yù)壓緊力，使其產(chǎn)生彈性變形。同時(shí)產(chǎn)生與預(yù)壓緊力垂直的

13、力（徑向力），使密封填料與密封部位的表面緊密接觸，達(dá)到阻止流體泄漏的目的。編制壓縮型填料就是由此而得名。這種密封填料，是各種密封件中沿用歷史最久的一種。據(jù)史料記載，遠(yuǎn)在1782年發(fā)明蒸汽機(jī)的時(shí)候，就采用這種類型的密封填料，完成了對(duì)蒸汽的密封。隨著時(shí)代的前進(jìn)，工業(yè)的發(fā)展，編織密封填料在組成材質(zhì)、編織結(jié)構(gòu)、制造工藝等方面，都進(jìn)行了許多革新和創(chuàng)造，已經(jīng)形成了一個(gè)多品種、多型號(hào)、多規(guī)格的密封產(chǎn)品系列。由于編織密封填料具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配容易、造價(jià)便宜、密封性能可靠等特點(diǎn)，因此，這種密封產(chǎn)品在流體密封領(lǐng)域內(nèi)，占有重要的位置。2.3 填料密封原理軟填料密封俗稱盤根，是一種填塞環(huán)縫的壓緊式密封，是世界上最早的

14、一種密封裝置，在中國(guó)已有上千年的歷史。它最早是以棉、麻等纖維填塞在泄漏通道內(nèi)阻止液流泄漏，主要用作提水機(jī)械的密封。國(guó)外遲至1782年才使用填料，當(dāng)時(shí)作為蒸汽機(jī)的軸封來(lái)密封壓力為0.05MPa的蒸汽。由于軟填料密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、拆裝方便，故至今仍應(yīng)用較廣，特別是近年來(lái)出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)和新材料，又有了新的發(fā)展，其原理見(jiàn)圖2-2。當(dāng)擰緊壓蓋螺栓時(shí)，柔性軟填料受軸向壓緊力作用從而產(chǎn)生彈塑性變形，沿徑向擴(kuò)張使填料貼緊軸。由于軸表面的不平度，不可能使其在整個(gè)表面上全部接觸，從而軸與填料相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)凸起的接觸部位與凹入的非接觸部位形成了微小的不規(guī)則的迷宮，造成流體的節(jié)流減壓，也即所謂軟填料的“迷宮效應(yīng)”

15、，使流體沿軸向的流動(dòng)受到阻礙，因此被密封。1、底襯套 2、填料箱體 3、封液環(huán) 4、填料 5、壓蓋 6、壓蓋螺栓圖2-2 填料密封原理圖密封技術(shù)所要解決的問(wèn)題，簡(jiǎn)言之，就是設(shè)法防止或減少泄漏。方法有很多，但總括起來(lái)，不外從下列幾方面入手。一、盡量減少設(shè)置密封的部位。在機(jī)器的方案設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)上選擇密封部位少的方案，這一點(diǎn)對(duì)那些易燃、有毒、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)尤為重要。例如輕質(zhì)油泵，可以同時(shí)選擇單級(jí)單吸和單級(jí)雙吸兩種結(jié)構(gòu)時(shí)，則宜取前者，因?yàn)閱挝帽入p吸泵少一處密封。二、堵塞或阻隔泄漏通道。靜密封采用各式密封墊就屬于這一類。對(duì)于動(dòng)密封，高低壓相聯(lián)通的具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部位是泄漏發(fā)生的部位，因?yàn)橐鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，所以必

16、有間隙，把間隙堵塞，即可作為防漏，壓蓋填料密封、成型填料密封、滑環(huán)密封屬于這一類。隔離泄漏通道，就是在通道中間設(shè)置障礙，使通道切斷（泄漏液流亦被切斷）。機(jī)械密封、油封、防塵密封等接觸式密封以及泵的水封環(huán)等都屬于這類。三、增加泄漏通道中的阻力。根據(jù)流體力學(xué)得知，流體在通道中作泄漏流動(dòng)時(shí)，會(huì)遇到阻力（水力摩阻）。阻力的大小與通道兩端的壓差、通道的長(zhǎng)短、壁面的光潔度、棱緣的圓滑程度以及通道中是否開(kāi)槽（突然擴(kuò)大、突然收縮損失）等有關(guān)。因此，在同樣的壓差之下，可把通道加設(shè)很多齒，人為地加長(zhǎng)泄漏時(shí)的路程，或同時(shí)把齒作得尖銳，或開(kāi)各式溝槽，以增加泄漏時(shí)液流的阻力。如果阻力與壓差平衡則可作到不漏。各種型式的迷

17、宮密封就屬于這一種。四、在通道中加設(shè)小型做功元件，對(duì)泄漏液流造成壓力，與引起泄漏的壓差部分抵消或完全平衡（大小相等，方向相反），以阻止介質(zhì)泄漏。副葉輪密封、螺旋密封都屬于這類。五、借外力將少量泄漏液抽走（或送回吸入腔內(nèi)），或注入比泄漏壓力更高的密封介質(zhì)、如液化氣體泵的各種充氣密封、油膜密封以及某些向泵內(nèi)注入沖洗液的機(jī)械密封就屬于這一類。六、把兩種或兩種以上密封組合，例如迷宮填料密封或螺旋填料密封、填料水封、波紋管機(jī)械密封等等。七、其他，如磁流體密封等。在預(yù)裝填料的填料函中，流體可能的泄漏通道，主要是穿過(guò)軟填料材料本身的滲透和通過(guò)填料與軸外表面，以及填料與填料函內(nèi)壁之間的間隙的泄漏。填料的本身的

18、滲漏，一方面由于壓縮時(shí)軟填料被壓實(shí)，另一方面通過(guò)改變填料材料或結(jié)構(gòu)得以減少或杜絕。由于工作時(shí)填料與填料函內(nèi)腔無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此阻止填料與運(yùn)動(dòng)的軸（桿）之間的泄漏或逸散成為填料成功的關(guān)鍵。軟填料密封是依靠擰緊壓蓋螺栓所形成的軸向壓緊力，使填料產(chǎn)生彈塑性變形，從而形成緊貼軸的徑向接觸應(yīng)力（以下簡(jiǎn)稱徑向應(yīng)力），以致流體沿軸表面的流動(dòng)受阻，起到了密封作用。顯然，這種徑向應(yīng)力在填料密封過(guò)程中起到了重要的作用3。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)以及反應(yīng)釜的軸封，還有閥門的閥桿密封，管線膨脹節(jié)、換熱器浮頭及其他設(shè)備的密封。它能適應(yīng)各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往

19、復(fù)運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)的元件密封。2.4 填料密封的泄漏計(jì)算填料密封的泄漏，主要是以界面泄漏形式出現(xiàn)的，但編結(jié)填料則有一部分滲透泄漏。當(dāng)介質(zhì)的滲透力強(qiáng)，或?yàn)闅怏w時(shí)，這種滲透泄漏幾乎難以避免。所以通常在填料之間隔以聚四氟乙烯墊片，或增設(shè)一只液封環(huán)，以改善潤(rùn)滑并防止?jié)B透泄漏（同時(shí)也可以改善壓緊力的分布），特別是防止漏氣。正常填裝并壓緊的填料，其徑向力的分布是有規(guī)律的，可以這樣來(lái)計(jì)算：在填料接觸的長(zhǎng)度方向取填料的微分量dx，作用在此微分量上的軸向壓緊力為px，徑向壓緊力為pr，考慮到不同填料材料上的差異之后可寫出： （2-1）式中 K填料的柔軟性系數(shù)，小于或等于1.詳見(jiàn)表2.1。表2.1 填料的柔軟系數(shù)

20、填料種類系數(shù)浸潤(rùn)滑脂的填料石墨編結(jié)填料半金屬填料K0.60.80.91.00.80.9為了保證密封，填料底部的徑向壓緊力必需大于或等于介質(zhì)的內(nèi)壓力，即prpi，此處pi為填料腔以內(nèi)的介質(zhì)壓力。由于填料的塑性，px沿著接觸長(zhǎng)度方向是變化的，變化的規(guī)律由微分量dx的平衡條件來(lái)求得，即 （2-2）式中填料與軸表面、填料與腔的內(nèi)壁面之間的摩擦系數(shù)。將（1）式代入（2）式得： （2-3）由于密封時(shí)x=L處prpi（或Kpxpi），并把（R-r）用填料的厚度h表示后，積分得： 所以 （2-4）在壓蓋處x=0，故壓蓋施加的壓力（單位面積上）為： （2-5）這就是說(shuō)，壓蓋的壓緊力與介質(zhì)內(nèi)壓成正比。同時(shí)，當(dāng)填料

21、的柔軟系數(shù)K越小、接觸寬度越大以及填料的厚度很小時(shí)，壓蓋的壓緊力也越大。應(yīng)當(dāng)指出，以上是填料裝填正常時(shí)徑向力的分布情況。當(dāng)填料裝填不好時(shí)，將大大改變此壓力的分布狀況。同時(shí)，在填料運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，由于潤(rùn)滑劑流失，填料體積變小，壓緊力松弛，徑向力的分布曲線會(huì)變得平緩。壓緊力對(duì)填料的密封性有決定性的影響，但是泄漏量卻無(wú)法精確計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，得知大致有下列關(guān)系： （2-6）就是說(shuō)，泄漏量與壓緊力的平方成反比。當(dāng)壓緊力調(diào)整至正常以后，通過(guò)填料的泄漏量可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：（1）當(dāng)填料與軸的間隙很小，泄漏量不大時(shí)，可認(rèn)定漏液作層流流動(dòng)，于是泄漏量為：（cm3/s） (2-7)式中 d軸徑（cm）； cr直

22、徑間隙（cm）； 液體的動(dòng)力粘性系數(shù)（kg·s/cm2）； L填料與軸的接觸長(zhǎng)度（cm）； p填料兩側(cè)的壓差（kg/cm2）。（2）當(dāng)泄漏量較大，可認(rèn)定漏液是紊流流動(dòng)時(shí)（可計(jì)算間隙中漏液的雷諾數(shù)來(lái)判斷是層流或者是紊流），泄漏量為（cm3/s） (2-8)式中 K修正系數(shù)。（3）若軸與填料不同心，則漏液以層流方式泄漏時(shí)的流量為 （2-9）式中 e偏心量。（4）對(duì)于氣體（cm3/s） （2-10）式中 r氣體比重（kg/cm3）； g重力加速度。經(jīng)驗(yàn)證明，實(shí)際泄漏量小于上述理論泄漏量。因此，上述公式可視為可能出現(xiàn)的最大泄漏量。同時(shí)，對(duì)氣體而言，泄漏量與比重的平方根成反比。也就是說(shuō)，氣體越

23、輕，越容易泄漏。從公式還可以看出，填料接觸長(zhǎng)度L對(duì)泄漏量無(wú)影響。也就是說(shuō)，填料根數(shù)可以取少一點(diǎn)，但實(shí)際上為了工作可靠，填料仍取3根以上。應(yīng)當(dāng)指出，泄漏量與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，所以上述計(jì)算公式對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)都適用4。2.5 填料密封的發(fā)展自機(jī)械端面密封達(dá)到了優(yōu)良的操作性能以來(lái)，填料密封和機(jī)械端面密封之間就存在著激烈的競(jìng)爭(zhēng)。采用更好的材料和更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，已使二者的壽命得以延長(zhǎng)。今后，二者在工業(yè)上還將繼續(xù)進(jìn)行更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。無(wú)論如何，填料密封和機(jī)械端面密封都已經(jīng)證明是具有很好的效果和效率的，填料能夠達(dá)到和機(jī)械端面一樣的功效。隨著聚四氟乙烯樹(shù)脂以纖維的形式問(wèn)世，將其用碳-石墨或二硫化鉬填充的填料結(jié)構(gòu)已獲得了新的

24、重要性，出現(xiàn)了許多新的形式、結(jié)構(gòu)和用途。用聚四氟乙烯纖維紡織和編結(jié)成最終斷面的填料能被壓縮到原體積的三分之一，因而提供了具有充分空隙的良好的柔性。當(dāng)填料接近其最終的壓縮狀態(tài)時(shí)，甚至能起傳熱的作用以消除摩擦熱。由于填料有潤(rùn)滑作用，因此就不會(huì)引起軸的過(guò)熱。又由于聚四氟乙烯和石墨的組合材料是一種自潤(rùn)滑的材料，因此，和石棉填料環(huán)不同用，甚至當(dāng)所有的空隙均已消失時(shí)，仍能保持其密封作用。近年，各種型式的機(jī)械密封相繼出現(xiàn)，大有取代填料密封之勢(shì)?，F(xiàn)在問(wèn)題在于，在重視機(jī)械密封的同時(shí)，卻有忽視乃至不問(wèn)填料密封的傾向，對(duì)那些本來(lái)只需用制造容易、成本低廉的填料密封可以解決問(wèn)題的，卻往往去奢求機(jī)械密封。例如原油泵、海水

25、泵、無(wú)毒無(wú)放射性化學(xué)液體泵，都可以使用不同的填料有效地密封（略有成滴的少量泄漏），但是因國(guó)內(nèi)可供選擇的填料是在太少，人們也就不再填料密封上想辦法了。從國(guó)外的情況，盡管各種機(jī)械密封相當(dāng)普遍，但對(duì)填料密封仍予重視、發(fā)展和創(chuàng)新。不論日本、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)，都不斷有新的商品填料出現(xiàn)，用于各種泵和化工設(shè)備，填料的研究工作也仍在進(jìn)行。填料密封要比機(jī)械密封容易研制，容易生產(chǎn)，容易普及，便宜，使用者的技術(shù)水平也要求不高，很適合我國(guó)的國(guó)情。作為填料材料的各種金屬纖維和非金屬纖維（如合成纖維、聚四氟纖維、陶瓷纖維、不銹鋼纖維等）也應(yīng)當(dāng)組織生產(chǎn)，并降低其成本。目前軟填料密封主要材料有纖維材料和非纖維質(zhì)材料兩大類。一

26、、纖維質(zhì)材料。按材質(zhì)可分為天然纖維、礦物纖維、合成纖維、陶瓷和金屬纖維四大類。天然纖維。天然纖維有棉、麻、毛等。麻的纖維粗，摩擦阻力大，但在水中纖維強(qiáng)度增加，柔軟性更好，一般用于清水、工業(yè)水和海水的密封。棉纖維比麻纖維軟，但它與麻相反，在水中會(huì)變硬且膨脹，因此摩擦力較大。一般用于食品、果汁、漿液等潔凈介質(zhì)的密封。礦物質(zhì)纖維。礦物質(zhì)纖維主要是石棉類纖維。由于石棉具有柔軟性好、耐熱性優(yōu)異、強(qiáng)度、耐酸堿和多種化學(xué)品以及耐磨損等一系列有點(diǎn)，它很適合作填料密封。它的缺點(diǎn)是編織后滲透泄漏，故浸漬油脂和其他潤(rùn)滑劑能防止?jié)B漏，并能保持良好的潤(rùn)滑性。一般適用于介質(zhì)為蒸汽、空氣、工業(yè)用水和重油的轉(zhuǎn)軸、往復(fù)桿或閥桿

27、的密封。但由于石棉具有致癌性，國(guó)際上已經(jīng)制定出關(guān)于限制或禁止使用石棉制品的規(guī)定。合成纖維。用于制作填料的合成纖維主要有：聚四氟乙烯纖維、碳纖維、酚醛纖維、尼龍、芳綸等等，這些材料由于其化學(xué)性能穩(wěn)定，強(qiáng)度高，耐磨，耐溫，摩擦系數(shù)較小，使填料密封的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，壽命延長(zhǎng)，解決了使用石棉材料所不能解決的一些問(wèn)題。其中，碳纖維是用聚丙烯晴纖維經(jīng)氧化和碳化而成，根據(jù)碳化程度不同，可得到碳纖維、耐焰碳纖維、石墨纖維三種產(chǎn)品。以碳纖維或加入四氟纖維編織填料經(jīng)聚四氟乙烯乳液浸漬后，可在酸、堿溶劑中應(yīng)用，特別是在尿素系統(tǒng)的高壓甲銨泵、液氨泵應(yīng)用成功表明其是一種很有發(fā)展前途的適應(yīng)于高溫、高壓、高速、強(qiáng)腐蝕場(chǎng)

28、合的填料。目前，我國(guó)市售的碳纖維填料大多都是以耐焰碳纖維為主體并經(jīng)過(guò)多次浸漬四氟乙烯乳液和特種潤(rùn)滑劑編織而成，其使用壽命比一般石棉填料高5到10倍，密度是石棉填料的四分之三，密封性能優(yōu)于石棉填料，隨著工藝的成熟和完善及成本的降低，有可能逐步取代石棉填料。二、非纖維質(zhì)材料。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的中的雜質(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。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

29、就是說(shuō)填料材料的選擇是沒(méi)有特定規(guī)律的，但材料的正確選用時(shí)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5。傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-3，圖中Pi為介質(zhì)壓力，Pm為壓蓋施加的壓力。填料裝入填料箱以后，壓蓋對(duì)它作軸向壓縮因而產(chǎn)生徑向力，并與軸緊密接觸。與此同時(shí)，填料中浸漬的潤(rùn)滑劑被擠出，在接觸面之間形成油膜。由于接觸狀態(tài)不很均勻，接觸部位形成較薄油膜，而未接觸的凹部形成小油槽，有較厚的油膜，當(dāng)軸與填料有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接觸部位與非接觸部位組

30、成一道不規(guī)則的迷宮，起阻止液流泄漏的作用，即迷宮效應(yīng)。顯然，良好的密封在于保持良好的潤(rùn)滑和適當(dāng)?shù)膲壕o，若潤(rùn)滑不良或壓過(guò)緊都會(huì)使得油膜中斷，造成填料與軸之間出現(xiàn)干摩擦，最后導(dǎo)致燒軸和出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。1壓蓋 2填料 3填料筒 4軸圖2-3 傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖因此，新型填料密封結(jié)構(gòu)應(yīng)該是一種能夠自動(dòng)根據(jù)被密封介質(zhì)壓力的變化而改變密封力的填料密封結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2-4：1軸 2軸封 3軸封腔套 4填料 5密封圈6壓蓋 7彈簧 8軸封腔套螺栓 9調(diào)節(jié)螺母圖2-4 新型填料密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖此新型填料因變形而產(chǎn)生的徑向力正好由密封腔的內(nèi)端向外端逐漸遞減，在靠?jī)?nèi)側(cè)，實(shí)際上填料對(duì)軸表面產(chǎn)生的徑向壓力在軸向剛好同介質(zhì)壓力分

31、布趨勢(shì)一致，這就從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了加大密封力的要求。由于在軸封腔套的連接螺栓上加了彈簧，可以實(shí)現(xiàn)填料對(duì)軸的密封力可隨密封介質(zhì)壓力的變化而變化，維護(hù)了填料的彈性，從而達(dá)到了填料具有良好密封性能和延長(zhǎng)使用壽命的目的。此新結(jié)構(gòu)還有兩個(gè)特點(diǎn),一是軸封箱與軸封腔套底端端面之間有一伸縮間隙,此伸縮間隙除了滿足填料的伸縮外還具有迷宮效應(yīng)和起到均勻分布介質(zhì)壓力的作用。其次是軸封腔套底端內(nèi)孔設(shè)計(jì)有螺旋槽，與軸的外表面之間構(gòu)成螺旋槽密封6。2.6 填料密封的應(yīng)用由于設(shè)備的工作條件不同，所以填料必需具備下列條件：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。填料不被介質(zhì)泡脹

32、，填料中的浸漬劑不被介質(zhì)溶解，填料本身不腐蝕密封面。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。沒(méi)有一種單一的材料能夠全面滿足這些要求，通常都以某種材料為主而其他材料為輔制成填料。主材滿足耐熱性、耐化學(xué)品性方面的要求，多用各種非金屬纖維和金屬箔、帶、絲等；輔材滿足潤(rùn)滑性、防腐性以及防滲透泄漏等要求，多用油脂、石墨、氟油、硅油等。即使填料沒(méi)有問(wèn)題，也可能失效。在這種特殊的情況下，是沒(méi)有什么能改善其工作性能的臨時(shí)措施的。當(dāng)系統(tǒng)的許多機(jī)械因素不正常時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。因此，必須在填料能起正常作用之前矯正這些機(jī)械因素，否則即使是理想的填

33、料也不能有效地工作7。密封介質(zhì)沿填料與軸之間的環(huán)形間隙的泄漏，可視為流體做層流流動(dòng)，理想條件下的泄漏量與填料兩側(cè)的壓力差、軸的直徑成正比，與介質(zhì)粘度、填料安裝長(zhǎng)度呈反比，與半徑方向間隙的三次方成正比。所以軟填料泄漏不僅僅是計(jì)算問(wèn)題，調(diào)節(jié)填料使用與軸緊密接觸，是保證軟填料密封達(dá)到允許泄漏量的關(guān)鍵。實(shí)際使用中，軟填料密封要達(dá)到最低的泄漏量，與設(shè)計(jì)、制造和安裝的好壞有直接關(guān)系，如軸與箱體的同軸度或圓度不符要求，軸的偏斜、偏心和撓度、徑向跳動(dòng)以及橫向振動(dòng)等諸如此類的形式出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)干擾。泄漏率將迅速增大。此外，由于填料本身的蠕變導(dǎo)致接觸應(yīng)力松弛，泄漏率同樣會(huì)隨時(shí)間推移而增加，所以軟填料密封需根據(jù)實(shí)際操作

34、情況，定期給予壓緊填料，重新調(diào)整壓縮載荷。由于填料對(duì)軸的徑向力沿填料函長(zhǎng)度的分布規(guī)律與泄漏流體壓力分布恰好相反，因此為解決這一不協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)軟填料密封結(jié)構(gòu)又提出以下改進(jìn)要求：（1）填料沿填料函長(zhǎng)度方向的徑向應(yīng)力分布均勻，且與泄漏介質(zhì)的壓力分布規(guī)律一致，以減少軸的磨損及其不均勻性，并滿足密封的要求。（2）根據(jù)密封介質(zhì)的壓力、溫度和軸的速度大小，考慮冷卻和潤(rùn)滑措施，及時(shí)帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，延長(zhǎng)填料的使用壽命。（3）設(shè)置及時(shí)或自動(dòng)補(bǔ)償填料磨損的結(jié)構(gòu)；裝拆方便，以能及時(shí)更換填料，縮短檢修停工時(shí)間。（4）在填料函底部設(shè)置底套，以防止填料擠出；為防止含固體顆粒介質(zhì)的磨蝕和腐蝕性介質(zhì)的腐蝕，采用中間封液環(huán)；

35、注入封液（自身或外來(lái)封液），起沖洗和提高密封性的作用。（5）采用由不同材質(zhì)的填料環(huán)組合的結(jié)構(gòu)，如柔性石墨和碳纖維填料環(huán)的組合，提高了填料的密封性能8。同時(shí),填料的組合與安裝是否正確對(duì)密封的效果和使用壽命影響很大。不正確的組合和安裝主要指：填料組合方式不當(dāng)、切割填料的尺寸錯(cuò)誤、填料裝填方式不當(dāng)、壓蓋螺栓預(yù)緊不夠或不均勻或過(guò)度預(yù)緊等，往往造成同一設(shè)備、相同結(jié)構(gòu)形式、相同填料，而出現(xiàn)密封效果懸殊很大的情況。很顯然，這種不正確的安裝時(shí)導(dǎo)致軟填料密封發(fā)生過(guò)量泄漏和密封過(guò)早失效的主要原因之一。所以，對(duì)安裝的技術(shù)要求必須引起足夠的重視。安裝要注意一下的幾個(gè)方面的要求：（1）填料函端面內(nèi)孔邊要有一定的倒角。（

36、2）填料函內(nèi)表面與軸表面不應(yīng)有劃傷（特別是軸向劃痕）和銹蝕，要求表面要光滑。（3）填料環(huán)尺寸要與填料函和軸的尺寸相協(xié)調(diào)，對(duì)不符合規(guī)格的應(yīng)考慮更換。（4）切割后的填料環(huán)不能任意將其變形，安裝時(shí)，將有切口的填料環(huán)軸向扭轉(zhuǎn)從軸端套于軸上，并可用對(duì)剖開(kāi)的軸套圓筒將其往軸后端推入，且其切口應(yīng)錯(cuò)開(kāi)。（5）安裝完后，用手適當(dāng)擰緊壓蓋螺栓的螺母，之后用手盤動(dòng)，以手感適度為宜，再進(jìn)行調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)并允許有少量泄漏，但隨后應(yīng)逐漸減少，如果泄漏量仍然較大，可再適當(dāng)擰緊螺栓，但不能擰得過(guò)緊，以免燒軸。（6）已經(jīng)失效的填料密封，如果原因在填料，可采用更換或添加填料的方法來(lái)處理，使之正常運(yùn)轉(zhuǎn)9。并且，盤根要保持良好的潤(rùn)滑和適當(dāng)

37、壓緊。若潤(rùn)滑不良，或壓得過(guò)緊都會(huì)使油膜中斷，造成填料與軸之間出現(xiàn)干摩擦，最后導(dǎo)致燒軸和出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。為此，需要經(jīng)常對(duì)填料的壓緊程度進(jìn)行調(diào)整，以便填料中的潤(rùn)滑劑在運(yùn)行一段時(shí)間流失之后，再擠出一些潤(rùn)滑劑，同時(shí)補(bǔ)償填料因體積變化所造成壓緊力松弛。顯然，這樣經(jīng)常擠壓填料，最終將使浸漬劑枯竭，所以定期更換填料是必要的。此外，為了維護(hù)液膜和帶走摩擦熱，有意讓填料處有少量泄漏也是必要的。應(yīng)經(jīng)常檢查泄漏情況。如發(fā)現(xiàn)泄漏量超過(guò)允許值時(shí)，應(yīng)及時(shí)壓緊調(diào)整。軸的磨損、彎曲或是偏心嚴(yán)重是造成泄漏的主要原因。所以應(yīng)定期檢查軸承是否損壞，并盡可能將填料腔設(shè)在軸承不遠(yuǎn)處。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械時(shí)，轉(zhuǎn)子的不平衡量應(yīng)在允許范圍內(nèi)，以免振動(dòng)過(guò)大

38、。軟硬不同的填料組合使用，有良好的密封效果，但裝填時(shí)硬填料應(yīng)在深部，軟填料應(yīng)在壓蓋附近。液封環(huán)的兩側(cè)（包括外加注油孔的兩側(cè)）應(yīng)裝同硬度的填料。填料應(yīng)定期更換。拆卸填料時(shí)，注意不得劃傷填料腔內(nèi)壁和軸的表面。當(dāng)填料寬度與填料腔的寬度不符時(shí)，嚴(yán)禁用強(qiáng)力敲扁。當(dāng)從外部注入潤(rùn)滑軸和對(duì)填料腔進(jìn)行冷卻時(shí)，應(yīng)保證油路、水路暢通，注入的壓力只需略大于填料腔內(nèi)的壓力即可，通常取其壓差為0.050.10MPa9。填料密封故障原因及糾正措施見(jiàn)表2.2表2.2 填料密封故障原因及糾正措施故障原因糾正措施泵打不出液體泵不能啟動(dòng)（填料松動(dòng)或損壞使空氣漏入吸入口）上緊填料或更換填料并起動(dòng)泵泵輸送液體量不足空氣漏入填料函1、運(yùn)

39、轉(zhuǎn)時(shí)檢查填料函泄漏若上緊后無(wú)泄漏，需要用新填料2、密封液環(huán)被堵塞或位置不對(duì)，應(yīng)與密封液接頭對(duì)齊3、密封液管線堵塞4、填料下方的軸或軸套被劃傷，將空氣吸入泵內(nèi)填料損壞更換填料檢查軸或軸套表面粗糙度續(xù)表2.2泵壓力不足填料損壞更換填料檢查軸或軸套表面粗糙度泵工作一段時(shí)間就停止工作空氣漏入填料函更換填料檢查軸或軸套表面粗糙度泵功率消耗大填料上得太緊放松壓蓋，重新上緊，保持有泄漏量，如果沒(méi)有，應(yīng)檢查填料、軸或軸套泵填料處泄漏嚴(yán)重填料損壞更換磨損填料，更換由于缺乏潤(rùn)滑劑而損壞的填料填料形式不對(duì)更換不正確安裝的填料或運(yùn)轉(zhuǎn)不正確的填料，更換成與輸送液體合適的填料軸或軸套被劃傷放在車床上并加工正確，光滑或更換

40、之填料函過(guò)熱填料上得太緊放松以減少壓蓋的壓緊壓力填料無(wú)潤(rùn)滑減少壓蓋壓緊力。如果填料燒壞或損壞應(yīng)予以更換填料種類不適合檢查泵或填料制造廠的填料種類是否正確夾套中冷卻水不足檢查供液線上閥門是否打開(kāi)或管線是否堵塞填料填裝不當(dāng)重新填裝填料填料磨損過(guò)快軸或軸套損壞或劃傷重新機(jī)加工或更換之潤(rùn)滑不足或缺乏潤(rùn)滑重裝填料，確認(rèn)填料泄漏為允許值填料填裝不當(dāng)重新正確安裝，確認(rèn)所有舊填料都已拆除并將填料函清理干凈填料種類有誤更換為合適的填料外部封液線有脈沖壓力消除脈沖造成的原因3 碳纖維編織填料填料密封具有成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備中作軸封。盡管機(jī)械密封、磁力密封等密封新技術(shù)層出不窮，但填料密封因其突

41、出的優(yōu)點(diǎn)，仍在密封領(lǐng)域中占據(jù)一席之地。隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是宇航、核電站、圍防工業(yè)、連續(xù)性生產(chǎn)的石化工業(yè)的發(fā)展，對(duì)密封問(wèn)題提出了更高的要求。所以，傳統(tǒng)的石棉填料因適用壓力、溫度較低、泄漏量大，已滿足不了特殊介質(zhì)和工況的使用要求。隨著密封材料的開(kāi)發(fā)，新型的填料密封材料也正不斷問(wèn)世 碳纖維正是日前廣為應(yīng)用的一種新密封材料。為了降低生產(chǎn)成本，研制以碳纖維填料替代進(jìn)口填料并使之應(yīng)用于生產(chǎn)裝置中。碳纖維主要是由聚丙烯腈纖維或?yàn)r青基纖維高溫炭化而成。碳纖維填料是以碳纖維為主體材料經(jīng)編織成型的密封填料，由于碳纖維具備優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，在高溫高壓的工況中正逐步取代往密封產(chǎn)品所采用的石棉、棉紗、尼龍等纖維1

42、0。3.1 碳纖維編織填料碳纖維填料是一種新型填料。它以優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能、耐高、低溫性能和耐化學(xué)品性能引起人們極大的注意。而且作為壓縮填料的彈性和柔軟性也極為良好。缺點(diǎn)僅在于滲透泄漏，但浸漬聚四氟乙烯或其他粘接劑之后可以防止。目前其成本較高，但隨著技術(shù)現(xiàn)代化以及碳纖維的普及，成本定將降低。因此，碳纖維填料是一種最為理想和最有希望的填料。碳纖維是上世紀(jì)60年代才研制成功的一種新材料，它在國(guó)外成批生產(chǎn)也不過(guò)早50年的事。它是以人造絲或丙烯腈纖維經(jīng)高溫碳化而成，有高強(qiáng)度、高模量、低比重、耐高溫、耐磨損等特點(diǎn)，用來(lái)增強(qiáng)塑料、金屬、陶瓷、石墨和橡膠等，經(jīng)復(fù)合后可制成多種優(yōu)異材料，廣泛用于尖端科學(xué)技術(shù)部門

43、，如飛船、飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈及原子能工程部門，作為填料僅是其應(yīng)用之一例。碳纖維填料是編結(jié)填料，常浸漬四氟乙烯。美國(guó)使用碳纖維填料最早，日本1970年才出現(xiàn)碳纖維填料的專利。經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和實(shí)際使用證明，其密封性能極為良好，其他性能也較之一般填料優(yōu)異。目前國(guó)內(nèi)外使用的碳纖維原料大多是聚丙烯腈纖維(耐焰碳纖維)，纖維直徑131 5m，拉伸強(qiáng)度230320MPa，伸長(zhǎng)率l0% 16 %，含碳率70% ，熱膨脹系數(shù)13×10-5/。為了增強(qiáng)碳纖維填料的致密性，用聚四氟乙烯乳液和甲基硅油作為填料的浸漬材料。該碳纖維填料密封編織基材具有結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定、抗高溫高壓、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿的特性且該工藝合理，生產(chǎn)

44、成本低，廣泛適用于化工、石油、冶金、電力等行業(yè)中。碳纖維與常用填料的比較見(jiàn)表3.1。表3.1 碳纖維填料與常用填料的比較項(xiàng)目聚四氟乙烯浸漬碳纖維填料常用填料材料碳化纖維 + 聚四氟乙烯 +潤(rùn)滑油石棉 + 潤(rùn)滑脂 + 石墨性能溫度 200麻或木棉：80;石棉：200壓力MPa1.50.5周速m/s210（80以下）10PH值112只能用于水和油干轉(zhuǎn)可能不可能發(fā)生燒軸的填料性即使發(fā)燒，也不抱軸，可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。泄漏會(huì)增加，填料中的潤(rùn)滑脂流出來(lái)，以致不能使用。軸磨損正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損很小，燒軸時(shí)也不產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。正常運(yùn)轉(zhuǎn)也有磨損。調(diào)整填料裝入后基本上不變形，調(diào)節(jié)容易，性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)壓緊力的次數(shù)減少。

45、即使正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也因?yàn)槟p發(fā)熱而使填料中的潤(rùn)滑脂流出，需要經(jīng)常調(diào)整。用途除特殊的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外，全部可以使用。碳纖維是纖維狀的一種新型碳素材料。碳纖維與普通碳素材料相比,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、柔軟可編織成各種織物和編織填料、使用方便、同時(shí)又具有碳素材料的其它特性,如耐腐蝕、自潤(rùn)滑、耐高溫、耐熱性好、尺寸穩(wěn)定性好、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)。制造碳纖維的原料主要有三種,即聚丙烯睛纖維（PAN）、粘膠纖維（又稱人造絲纖維）、以及從瀝青紡制的瀝青纖維,目前工藝上比較成熟、大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維主要是以聚丙烯睛纖維制成的,制造過(guò)程如下：用于制作填料的碳纖維物理性能為：比重1.76g/cm3抗拉強(qiáng)度200MPa彈性模量2

46、.1×104kg/mm2含碳量>90%碳纖維在不同介質(zhì)中的穩(wěn)定性如表2.2所示。表3.2 碳纖維在不同介質(zhì)中的穩(wěn)定性試劑直徑m溫度強(qiáng)度MPa模量×10-5MPa對(duì)比試樣6.23021404.0450%（V/V）HCl5.95018804.1450%(V/V)H2SO46.35015404.0450%(W/V)NaOH6.55017703.6550%(W/W)H4P2O66.55015904.2150%(V/V)HNO36.55014714.3850%H3PO36.55017104.21冰醋酸6.12019704.3490%（W/W）甲酸6.12018504.2132%

47、（W/V）苯磺酸6.52020604.440.88NH4OH6.32021004.21注：碳纖維浸漬時(shí)間為275晝夜3.2 編制填料成型工藝及性能試驗(yàn)碳纖維編織填料的制造工藝主要分為兩大部分，一是預(yù)氧纖維的編織成型；二是編織成型后的碳化。制作填料的碳纖維的直徑大都在8m以上，曲率半徑較大，所以脆性較大。因此直接用碳纖維編織密封填料無(wú)疑會(huì)增大材料的損耗、增加成本，為了簡(jiǎn)化工藝過(guò)程及降低成本，各密封填料生產(chǎn)廠都把碳化放在預(yù)氧纖維編織后進(jìn)行。碳纖維編織填料的工藝流程如下：丙烯腈纖維預(yù)氧化編織碳化氟樹(shù)脂或潤(rùn)滑油浸漬干燥整形產(chǎn)品目前碳纖維編織填料采用了先進(jìn)的串芯編織方法（也稱格子形編織），這種編織法每股

48、繩子與填料橫截面成45°角，使得填料彈性好、致密度高、表面磨損后不易松散，在高磨損場(chǎng)合甚至在壓力很高的條件下使用都是令人滿意的。另一種編織型式是方形編織（也稱發(fā)辮編織），每股繩子以45°角逆向穿過(guò)其上、下方繩子，特別適合低壓下使用，特殊情況下也可用于高速旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合。如圖3-1所示。圖3-1 兩種不同的編織填料但編織填料未經(jīng)浸漬，不管它表面致密度如何，總是有一定的層間間隙，在高壓下液體會(huì)從層間隙中滲入，向填料的受力方向滲出，從而導(dǎo)致密封的失效。此外，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的密封部位，如果填料的磨損得不到適應(yīng)密封條件的補(bǔ)償，填料的密封壽命將隨著纖維的磨損而結(jié)束。為了彌補(bǔ)編織填料這種不足之處，

49、在編織后需浸漬適量的填充劑，這種填充劑必須耐高溫、耐腐蝕、而且具有自潤(rùn)滑性和彈性。纖維表面的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)特征決定著纖維表面能的大小,而表面自由能的大小又決定了纖維的浸潤(rùn)能力。碳纖維表面有弱酸基或非酸性基團(tuán)時(shí),由于含氧官能團(tuán)的存在,纖維能更好地被基體潤(rùn)濕,而且彼此結(jié)合增強(qiáng),從金相照片的分析來(lái)看,氟樹(shù)脂和碳纖維的結(jié)合是緊密而且是相當(dāng)均勻的（圖3-2）。圖3-2 碳纖維填充聚四氟乙烯的金相照片（×50）試驗(yàn)證明 碳纖維吸附聚四氟乙烯的量相當(dāng)大。但聚四氟乙烯含量太高,便得填料彈性差,強(qiáng)度低,反之則 填 料 過(guò)份 松散、致密性差。為了獲得制品優(yōu)良的性能，四氟的浸漬量要在工藝上加以控制。碳纖維

50、編織填料壓縮回彈曲線如圖3-3所示。圖3-3 碳纖維填料的壓縮回彈曲線碳纖維浸漬聚四氟乙烯編織密封填料的綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它各類密封填料11。3.3 碳纖維填料性能特點(diǎn)碳纖維以人造絲或丙烯腈纖維經(jīng)高溫碳化而成，具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐高溫和耐磨損等特點(diǎn)。碳纖維填料是以碳纖維為主體材料經(jīng)編織成型的密封填料，常需浸漬聚四氟乙烯。碳纖維填料的主要特點(diǎn)如下：1、強(qiáng)度高碳纖維填料是用連續(xù)長(zhǎng)絲預(yù)氧化編織而成，且在連續(xù)炭化時(shí)施加張力牽伸。具有較高的拉伸強(qiáng)度，在機(jī)械緊固力作用下產(chǎn)生徑向應(yīng)力可均勻地傳遞到填料函深處，達(dá)到良好的密封效果。2、摩擦系數(shù)小碳纖維填料的摩擦系數(shù)比較小。摩擦系數(shù)是摩擦力施加在摩擦部

51、件的垂直負(fù)荷之比值。作為動(dòng)密封填料，摩擦系數(shù)小，滑動(dòng)摩擦熱少，動(dòng)力消耗少，能達(dá)到節(jié)能的目的。3、耐磨性能好碳纖維具有亂石層墨結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)賦予其自潤(rùn)滑性。因而耐磨性能較好。作為動(dòng)密封填料，耐磨性能愈好，使用壽命愈長(zhǎng)。4、熱導(dǎo)率大和熱膨脹系數(shù)小碳纖維密封填料的熱導(dǎo)率比較大，形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)可以把摩擦熱很快傳遞散走，加之熱膨脹系數(shù)小，是較為理想的動(dòng)密封填料。5、壓縮回彈性好碳纖維密封填料具有良好的壓縮回彈性，在運(yùn)動(dòng)軸發(fā)生振動(dòng)、竄動(dòng)或偏心時(shí)，能追隨軸運(yùn)動(dòng)變化而與軸保持適宜間隙，避免泄漏。6、耐蝕性碳纖維密封材料具有優(yōu)異的耐蝕性能。除王水、發(fā)煙硫酸、發(fā)煙硝酸和濃鉻酸外，適用于任何酸、堿、鹽和有機(jī)溶劑等，這一

52、優(yōu)異性能使碳纖維密封填料能廣泛用于石油化學(xué)工業(yè)等方面，具有較大的發(fā)展前景12。碳纖維填料作為一種新型填料，其優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能，耐高、低溫性能和耐化學(xué)品性能日益引起重視。作為壓縮填料，其彈性和柔軟性極為良好、密封性能好、摩擦阻力小、使用壽命長(zhǎng)。特別是應(yīng)用在比較苛刻的工況條件下，如高溫、高壓或有固體顆粒的工業(yè)設(shè)備上，密封效果及使用壽命明顯要好于其他非金屬填料。碳纖維填料的缺點(diǎn)是滲透泄漏，但浸漬聚四氟乙烯或其他粘結(jié)劑之后可以防止。目前的主要問(wèn)題是成本較高，但隨著碳纖維工業(yè)的發(fā)展，碳纖維填料必將在高溫高壓的工況中逐步取代石棉、棉紗、尼龍等傳統(tǒng)纖維填料。碳纖維填料與常用填料的性能比較見(jiàn)表3.313。表3

53、.3 碳纖維填料與常用填料的性能比較項(xiàng)目聚四氟乙烯浸漬碳纖維填料常用填料材料碳化纖維+聚四氟乙烯+潤(rùn)滑油石棉+潤(rùn)滑脂+石墨性能溫度/200麻或木棉：80，石棉：200壓力/MPa1.50.5速度/m·s-12510pH值2-10（80以下為1-12）只能用于水和油千運(yùn)轉(zhuǎn)允許不允許發(fā)生燒軸高溫下不抱軸，可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)溫度升高，泄漏會(huì)增加，填料中的潤(rùn)滑脂流出來(lái)，密封不能使用續(xù)表3.3軸磨損正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損很小，繞軸時(shí)也不產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損正常運(yùn)轉(zhuǎn)也有磨損調(diào)整維護(hù)填料裝入后基本上不變形，調(diào)節(jié)容易，性能穩(wěn)定，調(diào)節(jié)壓緊力的次數(shù)減少即使正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也因?yàn)槟p發(fā)熱而使填料中的潤(rùn)滑脂流出，需要經(jīng)常調(diào)整密封

54、介質(zhì)除特殊的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿外，全部可以使用僅能用于水、油和蒸汽4 技術(shù)路線1. 碳纖維編織填料壓縮回彈性能試驗(yàn)研究通過(guò)對(duì)碳纖維編織填料的加載，測(cè)得碳纖維編織填料在壓縮階段不同壓縮應(yīng)力時(shí)填料的變性量，并在最終載荷時(shí)測(cè)得填料的壓縮率；達(dá)到最終載荷后開(kāi)始卸載，測(cè)得碳纖維編織填料在回彈階段不同壓縮應(yīng)力時(shí)填料的變性量，并在載荷卸載到初載荷時(shí)測(cè)得填料的回彈率。填料壓縮回彈性能試驗(yàn)的試驗(yàn)方法采用GB/T 63712008碳化纖維編織填料試驗(yàn)方法，墊片的壓縮率和回彈率分別按公式（4-1）和公式（4-2）計(jì)算。 壓縮率（%）= (4-1)回彈率（%）= (4-2) 式中：-試樣在初載荷下的厚度，單位為毫米（mm）;-試樣在總載荷下的壓縮量，單位為毫米（mm）；-試樣在返回至初載荷下的未回復(fù)的壓縮量，單位為毫米（mm）。2、碳纖維編織填料動(dòng)密封性能試驗(yàn)研究a. 不同填料預(yù)緊壓力對(duì)碳纖維編織填料動(dòng)密封性能的影響。將填料試樣分別在20MPa、25MPa和30MPa的三種不同的填料壓蓋預(yù)緊載荷下進(jìn)行填料密封性能實(shí)驗(yàn)。將填料裝入干凈的填料函內(nèi), 均勻、平穩(wěn)地?cái)Q緊壓蓋螺母，使壓蓋壓緊力達(dá)到試驗(yàn)條件規(guī)定值，輸入介質(zhì)，使介質(zhì)壓力達(dá)到3MPa，開(kāi)啟介質(zhì)加熱裝置，加熱介質(zhì)，使介質(zhì)溫度達(dá)到250，啟動(dòng)閥桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，使閥桿均勻、平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，記錄此時(shí)的壓蓋壓緊力及泄漏率。每隔30