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现代工程对密封材料的要求

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  在大多数技术领域中都有着重要意义的密封问题,已越来越被人们所重视,这不仅仅是因为物料漏泄会造成能源的浪费,更重要的是,如果易燃、易爆、有毒介质漏泄,还会导致灾难性事故。例如,1984年12月,震惊世界的印度博帕尔事件,就是因为化工厂事故漏出大量异氰酸酯而引起的;1985年8月,美国西弗吉尼亚州一个化工厂有一种杀虫剂漏泄出来,造成上百人死伤,震动了全美国;1986年初,加拿人安大略省,因运输途中泄漏出几百升多氯联苯,导致100多公里长的高速公路关闭一周;而最震撼世界的是1986年1月,美国挑战者号航天飞机的失事,是由于火箭助推器机械接头处的O型密封圈失效而引起的。就世界范围来说,由于密封失效而引起的重大事故,几乎每年都有发生。由此可见,小小的密封装置,其密封性能优劣关系到能源、环境及人身安全的重大问题。

  近年来,随着近代工程的迅速发展,高温密封、低温密封、超低温密封、高压密封、高真空密封、高速密封以及各种易燃、易爆、有毒、强腐蚀性介质、含有泥砂等悬浮性颗粒介质的密封问题相继产生,对密封相应提出了更高的要求。为了保证密封具有良好的密封性能及长久的使用寿命,除了应具有合理的密封结构及制造工艺以外,更主要的是应具有良好的密封材料。因此,对于密封装置来说,如果说结构是先导,工艺是保证的话,材料则是基础。也就是说,密封材料才是保证密封性能和使用寿命的关键所在。密封水平的进步与密封材料的发展一直是紧密联系在一起的。近代工程对密封的要求,在很大程度上是对密封材料的要求。具体的要求主要有下面几个方面:

  1.密封材料的允许温度使用范围

  在近代工程中,密封材料的温度使用范围实际上可以从超低温直至1227℃(1500K)以上左右。当然,对于不同的密封材料,其密封性能也有较大的差异。在低温情况下,对密封材料的基本要求是物理力学及热物理性器的稳定性。

  对于当前大量采用的聚合物密封材料来说,温度是限制其更广泛应用的主要因素之一。因为低温会使聚合物密封材料硬化、弹性消失以及呈现脆化。而高温则会使聚合物发生蠕变及应力松驰,对于接触型密封来说,这会使密封比压下降,并破坏密封性能的稳定性。材料的导热性能也是决定密封材料使用性能的主要因素之一。良好的导热性可以带走动密封更多的摩擦热,降低了温度,使温度变形减少,保证密封可靠性。

  对于高温密封材料,应该具有耐热强度高、抗蠕变性好、耐松驰强度高、离持久强度及耐腐蚀性好等优点。在高温下工作的密封装置其工况是比较特殊的。作为高温密封常用的密封材料金属,发生蠕变以后,温度越高,漏泄也越厉害。通常,在接触型密封装置中,密封材料许用使用温度的极值,不仅受耐热性的限制,更主要的是受一定温度下许用变形极值的限制。目前常用的高温密封材料金属陶瓷,则具有化学和热力学的综合特性。以石棉为基体,的填料密封材料,在770K(493℃)高温下仍具有良好的热稳定性。对于复合密封材料,在高温下的使用关键是热胀系数不能太大,线性尺寸变化太大是这类密封材料导致密封失效的主要原因之一。对于聚合物密封材料,其主要缺点就在于热稳定性差。从七十年代开始,耐热聚合物密封材料的研究开发颇受人们的重视,其主要研究方向是在有机硅聚合物和杂链聚合物的基体上进行填充和增强,常用的组分主要有玻璃纤维,碳纤维、硼纤维等。目前所研制的石棉塑料和石墨塑料则可在温度高达570K(299℃)的情况下使用。而氟橡胶的极限工作温度可达600K(327℃),长时间使用的工作温度可达550K(277℃),耐寒性为175~200K(一102~一73℃)。

  表1-1列出了常用密封材料的许用使用温度范围。

材料 使用工作温度范围,K 材料 使用工作温度范围,K
真空橡胶
氟塑料


耐热聚合物(聚硅氧烷,氟橡胶,聚酚醛)
橡胶石棉垫
石棉
250-373
70-570
70-440
70-473
200-600
 
90-673
90-773
铜及铜合金
硅微晶玻腐


蒙乃尔合金
不锈钢
金属陶瓷
70-873
220-873
50-925
70-1025
70-1100
50-1100
<1500

 

  2.减摩性和耐磨性

  随着近代工程的发展,对密封的使用寿命要求也越来越高,因此对密封材料来说,就必须具有良好的减摩性和耐磨性才能满足这一要求。

  要提高密封材料的减摩性和耐磨性方法很多,比如很早以前就采用的边界润滑和半液体润滑,近来在动密封摩擦副中,利用选择性转移,从而开辟了提高密封材料耐磨性的新的可能性。

  近年来,在密封材料领域中,出现了许多具有良好减摩性和耐磨性的新材料,比如以芳香族聚合物和固体润滑剂为主的混合体,在耐磨性方面明显优于聚四氟乙烯。在提高密封材料耐磨性方面,利用以氟塑料为基体的复合材料,能够解决许多密封难题。除此而外,在橡胶上面覆上一层聚四氟乙烯也是十分有意义的,这种材料的摩擦系数和对金属的粘附力要比橡胶低好几倍。在化学工业设备中,利用这种材料,密封腐蚀性介质是有广阔前途的。

  对于密封材料,要解决磨损的问题,首先要提高密封材料的硬度。在以磨粒磨损为主要形式的密封中,利用陶瓷、碳化钨等高硬材料是十分有益的,但这也不是万能的。现代的磨损观点认为磨损与材料的耐磨性有关,而材料的耐磨性并不总是随材料硬度的提高而改善。由现代摩擦学的奠基人之一克拉盖尔斯基所建立的疲劳强度理论,把磨损与薄层表面上的局部剪切变形,及无损伤积累时承受多次变形的能力关联起来,认为采用提高材料硬度的方法来防止外部损伤造成的表面磨损不是很有效的。因为在硬度增加的同时,接触应力集中也会增加;同时,硬度的增加并不会使摩擦力降低。密封实践证明,提高密封材料耐磨性和减摩性应从以下几个方面进行:

  (1)根据非常符合理想密封材料性能的物理——机械特点,开发复合材料。

  (2)开发在选择性转移状态下工作的密封材料,比如金属聚合物材料及润滑合金等。

  (3)利用具有表面活性组分的金属润滑剂,在密封材料表面形成软金属层,以防止或减少磨损。

  3.对密封介质作用的稳定性

  在密封装置中,密封材料的工作能力首先是由密封介质中材料的稳定性所决定的,密封材料在密封介质中的稳定性是包括多种特性的综合判据。首先,它必须以密封材料与密封介质之间不发生化学反应为前提。其次,密封材料还要具有对接触应力松驰和蠕变的稳定性。密封材料的蠕变会导致密封件从密封间隙中被挤出,并伴随着产生密封应力的松驰,从而使漏泄增加。

  4。工艺性和经济牲

  密封材料的工艺性与密封制造的经济技术要求是密切相关的。对于密封件来说,除考虑结构、密封材料的性能外,还要同时考虑材料的工艺性,因为材料的工艺性关系到密封件的加工制造工时、能量消耗以及加工质量。因此材料的工艺性直接与加工制造成本有关,也就是说与经济性是紧密相连的。

  比如,对于机械密封密封环的端面,由于表面粗糙度及平面度要求都比较高,一般都需要研磨加工,那么对于不同材料,其研磨加工的工艺差异很大,这不仅包括研磨机的特性,还包括研磨机在加工时转速、压重、研磨盘材质选择、磨料的种类、粒度等多种因素。对于不同材质的密封环,由于研磨工艺的不同,显然研磨的工时及成本相差都会很大。这自然会影响机械密封的价格竞争能力及质量。

  在密封材料中,作为高工艺性材料的例子就是密封胶,其特点是密封胶能够按密封结构自成型。密封胶同时还具有应用简单的特点,易掌握使用要领。

  对于非接触密封,对材料的工艺性要求相当严格。通常,动力型非接触密封的迴转零件具有复杂的外形,材料消耗显著。这类密封的经济性主要取决于加工制造时,密封材料加工应用高生产率工艺方法的程度,比如采用压力铸造、模压、滚压等。而工作圆环的表面加工粗糙度则是重要因素,假若采用工程塑料来代替金属材料,则由于比较高的表面光洁度,不仅可减少加工工时,还可提高离心密封的效率3~5%。

  应用非金属密封材料,特别是工程塑料,从经济性角度来看是十分合理的。近来,由于化学工业、石油化学工业的发展,聚合物密封材料已经可以在很广的使用范围内采用。用工程塑料来代替有色金属和合金、不锈钢是最有效的。而代替黑色金属和铅时,只有采用廉价的工程塑料,而且是大批量生产,经济性才明显。用聚合物材料代替有色金属产生节支的原因主要是:第一,塑料成本低;第二,在密封件制造和使用时所花费的工时少。

上一条:密封行业的应用

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