密封技术发展及其应用的综述分解(共14页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 全日制专业论文 题目密封技术发展与应用综述作者姓名赵剑锋导师姓名、职称樊玉光 教授专业学位领域流体机械及工程提交论文日期 2016 年 1月4 日专心-专注-专业摘 要摘要: 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概述，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概述。对静、动密封进行了分类，并对其机理进行了分析。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的应用。关键词：密封技术；密封种类；静、动密封；机械密封目 录1密封技术介绍1.1流体密封的定义防止气体、液体等流体型工作介质从机器和设备中泄漏或防止外界杂质侵入机器和设备内部的一种装置或措施成为流体密封。被密封的流体包括气体、液体、以及气体液体混合物、气体液体固体颗粒混合物，起密封作用的零部件通常称之为密封件，放置密封件的部位称为密封腔。泄漏是指具有负面作用的质量迁移。造成泄漏的原因主要有两方面一是密封面上有间隙二是密封两侧有压力差或浓度差，因此被密封的流体通常以三种形式泄漏穿漏、渗漏和扩散。穿漏是在压力差作用下通过密封间隙引起的质量迁移包括漏出和漏入。渗漏是在表面张力作用下通过密封件材料的毛细管的质量迁移。扩散是在浓度差作用下通过密封间隙的质量迁移。11.2流体密封的作用流体密封的主要作用有维持设备的正常工作条件，如高压、高真空等保证设备及人身的安全消除或减轻环境污染防止或减少物料和能源的消耗，提高设备的效率。流体密封装置或密封是流体机械、工艺和液压设备、管道、阀门等的重要组成部份。密封性能是评价机械产品质量的一个重要指标。流体密封是机械设备的易损性、关键性和基础性零部件。密封件虽然不大，但往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性。例如：震惊世界的美国“挑战者”号航天飞机的失事原因就是由橡胶密封圈的失效引起的。改进航空发动机的密封可提高其效率23个百分点；在石油化工透平机械上采用干气密封大大提高了机械工作的经济性、可靠性和耐久性，这是一个革命性的进步。1.3流体密封的分类及其典型代表流体密封按运动型式分为静密封、动密封、伪静密封或称微动密封以及转化为静密封的动密封。静密封是指密封结合面间无相对运动的密封，包括垫密封、橡胶塑料圈密封、胶密封和直接接触密封。动密封是指密封结合面间彼此有相对运动的密封，又分为往复密封、旋转密封和复合运动密封。伪静密封或微动密封是一种介于静密封与动密封之间的密封形式，表面上看是静密封，实际上处于微动状态，如机械密封或干气密封中补偿环处的副密封就属这种密封形式。为了彻底解决动密封问题，目前出现了如屏蔽泵、磁力泵和全封闭压缩机等将动密封转化为静密封的机器设备。1.4流体密封技术发展处理危险性工艺气体的透平压缩机必须采用密封性能良好的轴端密封形式，才能实现工艺气体向外界、或密封液向工艺气体的微泄漏或零泄漏。从密封的发展和技术水平来看，石油、化工和气体工业用离心压缩机的轴端密封先后经历了以下几个阶段迷宫密封、浮环密封、机械接触型密封、干气密封。1.4.1迷宫密封及其发展迷宫密封是利用流体流经一系列节流间隙与膨胀空腔组成的通道，通过抽气与充气，使工作介质产生节流效应，以节流降压来减小气体泄漏的非接触式动密封。其优点是非接触式，无摩擦、功耗少，使用寿命长结构简单，制造成本低，维护方便对高温、高压、高速和大尺寸部位密封效果特别有效。但存在的缺点是密封元件加工精度高，装配较为困难，运行维护费用高设计或组装不良，易产生较大泄漏，有环境污染的危险。炼油、化工等行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封结构。为了克服迷宫密封泄漏量大的缺点，出现了小间隙的碳环密封即在密封环内设置碳环或其他合适材料的环，也称为固定环密封。其优点是密封为干运转状态，无需润滑无旋转组件安装在轴上，不会产生附加的轴振动径向间隙小，其泄漏量不到普通迷宫密封泄漏量的。碳环密封主要用于低压压缩机和风机的轴端密封。1.4.2浮环密封及其发展浮环密封是利用浮动圆环进行密封的一种非接触式动密封，采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏。从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的第二代密封。从原理上来说，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触，轴的高速回转和振动对密封的影响较小。因此到目前为止，在压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的实际应用型式中仍然占据一定地位，特别是在一些老机组和高压领域内。浮环密封存在两大缺点密封元件制造精度要求高，密封效果易受影响，因而泄漏量较大，回收处理内泄漏油污油的设备比较复杂庞大浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。正是由于上述两大缺点，且浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资，浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。为了克服普通浮环密封内泄漏量较大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的螺旋浮环密封形式。其基本结构特征为在内浮环内孔的外侧，即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用的螺旋槽，形成具有增压效果的增压段在靠近被密封气体的内侧加工出一段起反向泵送作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段两者中间为光滑的浮升段。螺旋浮环结构密封可以在油气压差为零、甚至为一定负值的情况下工作而保持密封能力，该密封具有可靠性高和内泄漏小的突出优点。1.4.3机械密封及其发展在中低压工艺气体透平压缩机领域，用机械浮环组合密封或双端面机械密封替代传统的浮环密封是国内外密封行业一个重要的技术进步。这类密封在中低压透平压缩机领域正逐步替代传统的浮环密封，主要有两方面原因一是克服了浮环密封内泄漏量过大的缺点其次，这类密封的油气压差由浮环密封的饰提高到巧为，控制的安全可靠性提高，系统较简单。与浮环密封相比，密封本体投资加大，但系统投资减少，总投资下降，运行维护费用降低。为了彻底解决高速机械密封的内泄漏问题和磨损问题，国内从20世纪70年代开始致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开发与推广应用。目前，油膜螺旋槽端面密封在技术上己经完全成熟，端面线速度可达，内泄漏量接近于零。该密封系统在大量的工业应用中实现了高周速、微泄漏、微磨损、长寿命，其性能全面超过了进口的机械密封产品。1.4.4干气密封及其发展干气密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，即干运转的自动气体润滑机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封型式。其密封的结构与普通机械密封相似，所不同的是动、静环密封端面较宽，在动环或静环通常是硬质的旋转环的端面上加工出特殊型式的流体动压槽，槽深一般在3-10m之间。当环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在密封端面间形成一层厚度为2-5m的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触运转。干气密封的气膜厚度虽然很薄，但刚度很大，一旦出现外界干扰使密封面间隙变化时，它能迅速回复到原来的平衡位置，具有很强的抗外界干扰的能力。这种密封有以下突出优点端面非接触，寿命长，可靠性高密封功耗低，节约能源省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小消除了密封油对工艺回路污染的可能性运行和维护费用低。John Crane公司从20世纪60年代中期开始研究气膜润滑端面密封技术，到20世纪80年代初己完全达到实用化的程度。从20世纪90年代初，与进口高速透平压缩机配套的干气密封开始进入中国市场。由于优点突出，它在炼油、化工等行业高速透平压缩机上的应用越来越广，己逐步成为工艺气体用高速透平压缩机新机轴端密封的首选。我国在90年代后期，开始逐步引进国外干气密封技术应用于大型离心压缩机，国内外干气密封产品价格也开始逐步下降，其性价比远远高于浮环密封和机械密封。因此原来一些采用浮环密封或机械密封的压缩机，不论是国外进口的还是国产的，也逐步改为干气密封。实践证明，干气密封具有非常明显的优势，是最先进的一代透平压缩机轴端密封形式，已发展成为目前大机组新机项目和改造项目的首选轴端密封型式。2动、静密封技术原理2.1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。 2.2静密封垫片密封 2.2.1垫片密封概述 垫片密封是过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封形式。密封垫有非金属密封垫、非金属与金属复合密封垫、金属密封垫三大类。常用的材料有无石棉混合材料、橡胶、皮革、纸制品、石棉、软木、聚四氟乙烯、铁、钢、铝、铜和不锈钢等。最简单的垫片为平垫片 整个垫片由同一种材料组成，用于机械设备一般接合面的静密封如减速箱的密封等。理想的垫片结构是：表层为塑性层内层为弹性体。塑性表面层保证两个密封面相互紧贴甚至嵌合而内层允许补偿密封面的少许分离并在密封面上经常保持一定大小的压缩应力。许多组合垫片都是基于这一原理设计的。如PTFE塑性好、有优异的抗化学腐蚀性和较宽的工作温度范围（-190250）。广泛用于静密封平垫。 2.2.2垫片密封的结构和原理 图1垫片密封结构上图为垫片密封结构，典型的垫片密封结构，一般由连接件、垫片和紧固件等组成。垫片密封是靠外力压紧密封垫片，使其本身发生弹性或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现密封。也就是利用密封面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。 2.2.3垫片种类 （1）非金属垫片 非金属垫片包括橡胶垫、石棉垫、石棉橡胶垫、柔性石墨垫和聚四氟乙烯垫等。非金属垫片质地柔软、耐腐蚀、价格便宜但耐温和耐压性能差。多用于常温和中温的中、低压容器或管道的法兰密封。 （2）半金属垫片 半金属垫片是用不同材料的金属薄板把非金属材料包裹起来压制成型的。金属材料在外层，可耐高温；非金属材料在内层，使垫片具有良好的弹性和回弹性。这样组合后的垫片可满足高温和较高压力的使用要求。半金属垫片主要有金属包裹垫片、金属缠绕垫片、金属波纹复合垫片、金属齿形复合垫片等。 尽管垫片密封种类很多，但在不同的场合要求下，使用垫片选择也是有要求的。垫片的选择应根据工作系统的温度、压力以及被密封介质种类、化学性能(如腐蚀性、毒性、易燃易爆性、污染性等)、物理性能(密度、私度等)和密封面的形状等考虑。一般要求垫片材料不污染工作介质、具有良好的变形能力和回弹力，垫片的耐用温度应大于操作温度要有一定的机械强度和适当的柔软性，在工作温度下不易变质硬化或软化。 2.2.4垫片的安装技术 垫片安装涉及密封、使用寿命。 （1）安装前，应检查法兰的形式是否符合要求、密封面的粗糙度是否合格、有无机械损伤、径向刻痕和锈蚀等。 （2）对螺栓及螺母进行下列检查；螺纹不允许有断缺现象；螺栓不允许有弯曲现象。 （3）对垫片进行检查，垫片的材质、形式、尺寸是否符合要求，是否与法兰密封面相匹配。垫片表面不允许有机械损伤、径向刻痕、严重锈蚀、内外边缘破损等缺陷。 （4）安装椭圆形、八角形截面金属垫圈前应检查垫圈的截面尺寸是否与法兰的梯形槽尺寸一致，槽内表面粗糙度是否符合要求。在垫圈接触面上涂红铅油，检查接触是否良好。如接触不良，应进行研磨。 （5）安装垫片前，应检查管道及法兰安装质量是否缺陷。 （6）两法兰必须在同一中心线上并且平行。 （7）垫片必须安装准确，以保证受压均匀。 （8）为防止石棉橡胶垫粘在法兰密封面上不便于清理，可在垫片两面均匀涂上一层薄薄的密封糊料或石墨涂料。 （9）安装螺栓螺母时，螺栓上钢印的位置应便于检查。螺栓的螺纹部分涂沫石墨粉或二硫化钼。 （10）高压设备螺栓的拧紧提倡使用液压拉伸器。（11）拧紧螺栓必须多次进行。一般中、低压设备分23次拧紧高压设备分45次拧紧。 （12）一般对操作温度超过300的设备，在升温运行了一段时间后，需进行热紧。这是因为垫片在压缩状态下会产生应力松弛现象。一般在通入介质后的12h 内压紧应力的下降占总下降值的70%80%。2小时后下降变的缓和。 （13）换装垫片时，对那些输送易燃介质(例如氢、液化天然气和液化石油气等)的管道，应使用安全工具，以免因工具与法兰或螺栓相碰，产生火花，导致火灾。安全工具的材料为铍铜合金，它是含铍0.6%、含钴2.5%的铜合金。 2.3静密封胶密封 2.3.1胶密封的概述 主要起密封作用的胶黏剂称为“密封胶“，亦称为液体垫片（填料）或高分子液体密封剂。它较容易地填充在法兰、阀门、弯头、接头、插口、筒体及接合面较复杂的螺纹连接等连接部分的间隙中，形成均匀、连续、稳定的剥离的或黏性、粘弹性的薄膜，阻止流体介质泄露，起到类似密封垫片和填料作用。 密封胶既不像涂料涂在机械产品表面起保护作用，又不像黏合剂靠胶的结合力将设备各部件粘接在一起，而是作为一种密封填料，加在设备各部件的接合面之间或泄露点处起密封作用。密封胶具有流动性，不存在固体垫片和填料起密封作用时必须要有的压缩变形，因而没有内应力、松弛、蠕变和弹性疲劳破坏等导致泄露的因素。 密封胶一般呈液态或膏状，具有较好的密封性能，又有良好的耐热、耐压、耐油、耐化学试剂等特性，使用方便，价格便宜，因此在机械行业应用广泛。采用密封胶进行密封的技术称为胶密封技术。根据密封胶使用方法、适用场合的不同胶密封技术可分为带压注剂密封技术和粘接密封技术。带压注剂密封技术为带压堵漏，即不停车堵漏技术的一种。所谓不停车堵漏是指在发现生产系统中的介质泄露后，在无需停车和降低操作压力及温度的情况下所进行的堵漏作业。带压注剂密封技术亦称注胶堵漏，它是通过注胶枪将密封胶注入在泄露点周围预先设置好的护胶卡具内待密封胶固化后起到堵泄漏通道，实现密封的目的。粘接密封通常是指将密封胶涂敷在连接的接合面处或对泄露点，如管道、容器上的空洞、裂纹进行涂胶贴补，待胶固化后形成一定的粘接强度，从而阻止流体介质泄露起到密封的作用。 2.4动密封软填料密封 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。2.4.1软填料密封机理分析 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间的界面进行，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、计算分析和理论探讨，提出了有关介质泄漏和密封机理的众多见解，这些成果对揭示软填料密封介质泄漏机理很有启发。 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和磨损速率。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。 2.5动密封机械密封 2.5.1机械密封结构、原理 1-静环座 2-动环辅助密封圈 3-静环辅助密封圈 4-防转销5-静环 6-动环 7-弹簧 8-弹簧座 9- 紧定螺钉图2机械密封结构机械密封主要是将较易泄漏的轴向密封改为不易泄漏的端面密封。当轴转动时带动了弹簧座、弹簧压板、动环等零件一起转动，由于弹簧力的作用使动环紧紧压在静环上。轴旋转时，动环与轴一起旋转，而静环则固定在座架上静止不动，这样动环与静环相接触的环形密封面阻止了介质的泄漏。 上图中机械密封的主要特点主是密封面为垂直于旋转轴线的端面。机械密封一般有四个密封处： A、动环与静环之间的密封动密封 B、动环与轴或轴套之间的密封相对静密封 C、静环与静环座之间的密封静密封 D、静环座（压盖）与设备之间的密封静密封 2.5.2基本构件 （1）动环和静环 一般动环的硬度比静环的硬度大。动环的材料可用铸铁、硬质合金、高合金钢等在有腐蚀介质的条件下可用不锈钢或不锈钢表面（端面）堆焊硬质合金、陶瓷等静环的材料可用铸铁、磷青铜、巴氏合金等，也常用浸渍石墨或填充聚四氟乙烯。 （2）弹簧加荷装置 作用：产生压紧力，保持动、静环端而后紧密接触，且是一个缓冲元件，可以补偿轴的跳动及加工误差而引起的摩擦面不贴合。我们把弹簧施加到密封环带单位面积上的压紧力称为弹簧比压ps，那么ps的作用有两点：起动停车或介质压力波动时使密封面维持足够的比压；克服密封圈与轴的摩擦力，保持动环沿轴向移动，以补偿端面的磨损。 因此有人把机械密封定义为：机械密封是一种带有缓冲机构，并通过与旋转轴大体垂直并做相对转动的密封端面进行密封的装置。3 密封技术取得的成果和应用领域3.1我国密封技术的发展 众所周知，在我们国家，密封行业可说是最小的行业了，但产品却可与大工业配套使用的。无论航空、航海、石油、化工还是机械、发电、冶金、矿山等均离不开密封件。总之凡是有机、泵、管、阀的地方均依赖于密封件。所以行业虽小，牵涉的面却很广。近几年来，随着经济的发展，密封行业的发展也很快。就技术力量来讲，多数企业科技人员所占比例较小，很多企业缺乏正牌科班出身的技术人员，技术力量薄弱，因此企业就缺乏相应的开发和改造能力。自欧盟成立以来，联合带来的强大促使欧盟提高并建立新的欧洲密封质量标准，取代以前依赖美国流体协会制定的系列标准。在新的欧洲密封质量标准中出现和强调泄漏率。我国产品现在的泄漏率一般在10-1mg/s级，而欧洲已经出现了泄漏率达10-4mg/s级的高强石墨复合板。尽管如此，我国在这方面密封技术研究还是有些突破性的进展，主要的研究成果有：橡胶密封、机械密封、柔性石墨密封。下面主要介绍有关机械密封和柔性石墨密封件取得的研究成果。 3.1.1机械密封取得的成果 1959年，兰州炼油厂为解决工艺流程中泵的泄漏，开始研制机械密封。1963年一机部通用机械所开始研究硫化氢压缩机机械密封。 1964年该成立密封研究组，开始研究开发机械密封，首先对离心机用机械密封进行攻关研究将引进设备上的机械密封国产化。60年代末期，在天津市成产了中国第一家机械密封专业生产厂-天津市机械密封件厂同期沈阳水泵厂、上海水泵厂、大连耐酸泵厂相继成立生产机械密封的车间。1969年10月在天津召开全国第一届密封技术交流会。1972年至1975年，一机部、石油部、化工部组织泵用机械密封联合设计。1975年一机部批准103、104、114平衡型、非平衡型内装式、外装式机械密封标准。70年代后期合肥通用所、沈阳鼓风机厂联合开发成功离心压缩机用浮环系列密封，兰州炼油厂也研制成功金属波纹管系列机械密封针对中国机械密封技术的发展，机械总开始部署机械密封定点生产企业。90年代又有天津市机械密封件厂与英国JOHECRANE公司西安永华机械密封件厂与美国SEALOL公司上海水泵厂机械密封分厂、大连耐酸泵厂机械密封分厂与德国BURGMANE公司，沈阳水泵厂机械密封分厂与日本皮拉公司组建合资企业。 (10) 90至年代末，中国中型系列泵用机械密封在设计上已基本赶上国外同类产品水平。反映世界当代密封技术水平的干气密封，已由天津鼎名密封有限公司开发，1999年4月国家专利局批准专利申请。3.1.2柔性石墨密封件取得的成果1979年一机部合肥通用机械研究所、上海材料所先后开展了柔性石墨密封材料的研制工作，并于80年代初进行了工业化的生产研究，标志着我国填料静密封的发展进入了一个新阶段。鞍山石棉制品厂与中国科学院化学所合作。于1978年开发了碳纤维浸渍聚四氟乙烯编织材料，此后并形成了碳纤维编织填料的系列产品。1988年慈溪密封材料厂研制成功柔性石墨复合编织盘根并申报了美、日、德、英、法等西方主要工业化国家的专利，产品很快进了国际市场提高了中国密封件产品在国际上的声誉和地位。3.2流体密封的主要应用领域流体密封虽然只是机器和设备的一个零部件，但应用范围极其广泛，几乎涵盖了生产、生活的各个方面，凡是需要将参数不同的两种流体腔体隔离的地方都需要流体密封。目前，流体密封的主要应用领域包括石油和天然气开采和输送，炼厂的各种动、静设备，石化行业的动、静设备，能源工业水力、火力和核发电，矿山和工程机械，轻工造纸等，食品，医药，水陆交通汽车、火车、舰艇、船舶，航空发动机、液压系统、机舱，航天液体火箭发动机、飞船等。参考文献1 蔡仁良.过程装备密封技术M.北京：化学工业出版版社，2006. 2 李多民.化工过程机器M.中国石化出版社，2006. 3 黄志坚.现代密封技术应用M.机械工业出版社，2008.4 王玉明.流体密封枝术.液压气动与密封J，2004，(3).5 郝木明.过程装备密封技术M.中国石化出版社，2010. 6 孙见君.机械密封泄漏预测理论及其应用M.中国电力出版社，2011.