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現代工程對密封材料的要求

文章出處:新華密封技術部 │ 網站編輯:新華密封 │ 發表時間:2015-04-03 08:05

  在大多數技術領域中都有著重要意義的密封問題,已越來越被人們所重視,這不僅僅是因為物料漏泄會造成能源的浪費,更重要的是,如果易燃、易爆、有毒介質漏泄,還會導致災難性事故。例如,1984年12月,震驚世界的印度博帕爾事件,就是因為化工廠事故漏出大量異氰酸酯而引起的;1985年8月,美國西弗吉尼亞州一個化工廠有一種殺蟲劑漏泄出來,造成上百人死傷,震動了全美國;1986年初,加拿人安大略省,因運輸途中泄漏出幾百升多氯聯苯,導致100多公里長的高速公路關閉一周;而最震撼世界的是1986年1月,美國挑戰者號航天飛機的失事,是由于火箭助推器機械接頭處的O型密封圈失效而引起的。就世界范圍來說,由于密封失效而引起的重大事故,幾乎每年都有發生。由此可見,小小的密封裝置,其密封性能優劣關系到能源、環境及人身安全的重大問題。

  近年來,隨著近代工程的迅速發展,高溫密封、低溫密封、超低溫密封、高壓密封、高真空密封、高速密封以及各種易燃、易爆、有毒、強腐蝕性介質、含有泥砂等懸浮性顆粒介質的密封問題相繼產生,對密封相應提出了更高的要求。為了保證密封具有良好的密封性能及長久的使用壽命,除了應具有合理的密封結構及制造工藝以外,更主要的是應具有良好的密封材料。因此,對于密封裝置來說,如果說結構是先導,工藝是保證的話,材料則是基礎。也就是說,密封材料才是保證密封性能和使用壽命的關鍵所在。密封水平的進步與密封材料的發展一直是緊密聯系在一起的。近代工程對密封的要求,在很大程度上是對密封材料的要求。具體的要求主要有下面幾個方面:

  1.密封材料的允許溫度使用范圍

  在近代工程中,密封材料的溫度使用范圍實際上可以從超低溫直至1227℃(1500K)以上左右。當然,對于不同的密封材料,其密封性能也有較大的差異。在低溫情況下,對密封材料的基本要求是物理力學及熱物理性器的穩定性。

  對于當前大量采用的聚合物密封材料來說,溫度是限制其更廣泛應用的主要因素之一。因為低溫會使聚合物密封材料硬化、彈性消失以及呈現脆化。而高溫則會使聚合物發生蠕變及應力松馳,對于接觸型密封來說,這會使密封比壓下降,并破壞密封性能的穩定性。材料的導熱性能也是決定密封材料使用性能的主要因素之一。良好的導熱性可以帶走動密封更多的摩擦熱,降低了溫度,使溫度變形減少,保證密封可靠性。

  對于高溫密封材料,應該具有耐熱強度高、抗蠕變性好、耐松馳強度高、離持久強度及耐腐蝕性好等優點。在高溫下工作的密封裝置其工況是比較特殊的。作為高溫密封常用的密封材料金屬,發生蠕變以后,溫度越高,漏泄也越厲害。通常,在接觸型密封裝置中,密封材料許用使用溫度的極值,不僅受耐熱性的限制,更主要的是受一定溫度下許用變形極值的限制。目前常用的高溫密封材料金屬陶瓷,則具有化學和熱力學的綜合特性。以石棉為基體,的填料密封材料,在770K(493℃)高溫下仍具有良好的熱穩定性。對于復合密封材料,在高溫下的使用關鍵是熱脹系數不能太大,線性尺寸變化太大是這類密封材料導致密封失效的主要原因之一。對于聚合物密封材料,其主要缺點就在于熱穩定性差。從七十年代開始,耐熱聚合物密封材料的研究開發頗受人們的重視,其主要研究方向是在有機硅聚合物和雜鏈聚合物的基體上進行填充和增強,常用的組分主要有玻璃纖維,碳纖維、硼纖維等。目前所研制的石棉塑料和石墨塑料則可在溫度高達570K(299℃)的情況下使用。而氟橡膠的極限工作溫度可達600K(327℃),長時間使用的工作溫度可達550K(277℃),耐寒性為175~200K(一102~一73℃)。

  表1-1列出了常用密封材料的許用使用溫度范圍。

材料 使用工作溫度范圍,K 材料 使用工作溫度范圍,K
真空橡膠
氟塑料


耐熱聚合物(聚硅氧烷,氟橡膠,聚酚醛)
橡膠石棉墊
石棉
250-373
70-570
70-440
70-473
200-600
 
90-673
90-773
銅及銅合金
硅微晶玻腐


蒙乃爾合金
不銹鋼
金屬陶瓷
70-873
220-873
50-925
70-1025
70-1100
50-1100
<1500

 

  2.減摩性和耐磨性

  隨著近代工程的發展,對密封的使用壽命要求也越來越高,因此對密封材料來說,就必須具有良好的減摩性和耐磨性才能滿足這一要求。

  要提高密封材料的減摩性和耐磨性方法很多,比如很早以前就采用的邊界潤滑和半液體潤滑,近來在動密封摩擦副中,利用選擇性轉移,從而開辟了提高密封材料耐磨性的新的可能性。

  近年來,在密封材料領域中,出現了許多具有良好減摩性和耐磨性的新材料,比如以芳香族聚合物和固體潤滑劑為主的混合體,在耐磨性方面明顯優于聚四氟乙烯。在提高密封材料耐磨性方面,利用以氟塑料為基體的復合材料,能夠解決許多密封難題。除此而外,在橡膠上面覆上一層聚四氟乙烯也是十分有意義的,這種材料的摩擦系數和對金屬的粘附力要比橡膠低好幾倍。在化學工業設備中,利用這種材料,密封腐蝕性介質是有廣闊前途的。

  對于密封材料,要解決磨損的問題,首先要提高密封材料的硬度。在以磨粒磨損為主要形式的密封中,利用陶瓷、碳化鎢等高硬材料是十分有益的,但這也不是萬能的。現代的磨損觀點認為磨損與材料的耐磨性有關,而材料的耐磨性并不總是隨材料硬度的提高而改善。由現代摩擦學的奠基人之一克拉蓋爾斯基所建立的疲勞強度理論,把磨損與薄層表面上的局部剪切變形,及無損傷積累時承受多次變形的能力關聯起來,認為采用提高材料硬度的方法來防止外部損傷造成的表面磨損不是很有效的。因為在硬度增加的同時,接觸應力集中也會增加;同時,硬度的增加并不會使摩擦力降低。密封實踐證明,提高密封材料耐磨性和減摩性應從以下幾個方面進行:

  (1)根據非常符合理想密封材料性能的物理——機械特點,開發復合材料。

  (2)開發在選擇性轉移狀態下工作的密封材料,比如金屬聚合物材料及潤滑合金等。

  (3)利用具有表面活性組分的金屬潤滑劑,在密封材料表面形成軟金屬層,以防止或減少磨損。

  3.對密封介質作用的穩定性

  在密封裝置中,密封材料的工作能力首先是由密封介質中材料的穩定性所決定的,密封材料在密封介質中的穩定性是包括多種特性的綜合判據。首先,它必須以密封材料與密封介質之間不發生化學反應為前提。其次,密封材料還要具有對接觸應力松馳和蠕變的穩定性。密封材料的蠕變會導致密封件從密封間隙中被擠出,并伴隨著產生密封應力的松馳,從而使漏泄增加。

  4。工藝性和經濟牲

  密封材料的工藝性與密封制造的經濟技術要求是密切相關的。對于密封件來說,除考慮結構、密封材料的性能外,還要同時考慮材料的工藝性,因為材料的工藝性關系到密封件的加工制造工時、能量消耗以及加工質量。因此材料的工藝性直接與加工制造成本有關,也就是說與經濟性是緊密相連的。

  比如,對于機械密封密封環的端面,由于表面粗糙度及平面度要求都比較高,一般都需要研磨加工,那么對于不同材料,其研磨加工的工藝差異很大,這不僅包括研磨機的特性,還包括研磨機在加工時轉速、壓重、研磨盤材質選擇、磨料的種類、粒度等多種因素。對于不同材質的密封環,由于研磨工藝的不同,顯然研磨的工時及成本相差都會很大。這自然會影響機械密封的價格競爭能力及質量。

  在密封材料中,作為高工藝性材料的例子就是密封膠,其特點是密封膠能夠按密封結構自成型。密封膠同時還具有應用簡單的特點,易掌握使用要領。

  對于非接觸密封,對材料的工藝性要求相當嚴格。通常,動力型非接觸密封的迴轉零件具有復雜的外形,材料消耗顯著。這類密封的經濟性主要取決于加工制造時,密封材料加工應用高生產率工藝方法的程度,比如采用壓力鑄造、模壓、滾壓等。而工作圓環的表面加工粗糙度則是重要因素,假若采用工程塑料來代替金屬材料,則由于比較高的表面光潔度,不僅可減少加工工時,還可提高離心密封的效率3~5%。

  應用非金屬密封材料,特別是工程塑料,從經濟性角度來看是十分合理的。近來,由于化學工業、石油化學工業的發展,聚合物密封材料已經可以在很廣的使用范圍內采用。用工程塑料來代替有色金屬和合金、不銹鋼是最有效的。而代替黑色金屬和鉛時,只有采用廉價的工程塑料,而且是大批量生產,經濟性才明顯。用聚合物材料代替有色金屬產生節支的原因主要是:第一,塑料成本低;第二,在密封件制造和使用時所花費的工時少。

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