柔性石墨_编织盘根组合填料密封性能试验研究.docx

2014 年 12 月第 39 卷 第 12 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGDec. 2014Vol. 39 No. 12DOI: 10. 3969 / j. issn. 0254 0150. 2014. 12. 025柔性石墨 / 编织盘根组合填料密封性能试验研究*励行根1王成林2沈明学3励勇1励洁1彭旭东3( 1. 宁波天生密封件有限公司浙江宁波 315302; 2. 中核核电运行管理有限公司一厂浙江海盐 314300;3. 浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心浙江杭州 310032)檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿摘要: 在新型填料密封和摩擦学性能试验机上，进行柔性石墨 / 编织盘根组合填料的往复运动试验，考察填料的密 封性能和摩擦学性能，考察轴向应力、石墨环截面形状和密度对组合填料密封性能和摩擦学性能的影响。结果表明: 随 着轴向应力的增加，组合填料的泄漏率有所下降，但摩擦力会显著上升，填料的磨损加剧、密封寿命大大缩短; 优化柔 性石墨环的截面形状能改善组合填料的综合性能，V 型石墨环填料的密封性能和摩擦学性能均明显优于平口石墨环; 柔 性石墨环的密度对组合填料的密封性能和摩擦学性能也有重要影响，具有密度梯度的石墨环组合填料性能优于等密度石 墨环填料。对于等密度的石墨环组合填料，推荐使用密度为 1. 5 g / cm3 左右。关键词: 组合填料; 柔性石墨环; 编织盘根; 密封性能; 摩擦学性能中图分类号: TB42 文献标识码: A 文章编号: 0254 0150 ( 2014)12 119 6Study on Sealing Performance of Combined Packing of Flexible Graphite ing and Braided Packing ingLi Xinggen1Wang Chenglin2Shen Mingxue3Li Yong1Li Jie1Peng Xudong3( 1. Ningbo Tiansheng Sealing Packing Co. ，Ltd. ，Ningbo Zhejiang 315302，China;2. Qinshan NPP Phase I，CNNC Nuclear Power Operations and Management Co. Ltd. ，Haiyan Zhejiang 314300，China;3. Engineering esearch Center of Process Equipment and Its emanufacture，Ministry of Education， Zhejiang University of Technology，Hangzhou Zhejiang 310032，China)Abstract: The sealing and tribological properties of combined packing of flexible graphite ring and braided packing ring were investigated through reciprocating motion tests on a new testing rig The effects of axial stress，cross-section shape and density of flexible graphite ring on sealing and tribological properties were analyzed The results show that the leakage ratio of combined packing is decreased significantly with the increase of axial stress，but the friction force is increased markedly and results in accelerated wear process，thus the service life of the packing is greatly shortened The comprehensive per- formances of combined packing can be improved by optimizing the cross-section shape，and V-shape graphite packing has better sealing and tribological properties than flat shape graphite packing The combined packing with a graded density has better sealing and tribological properties than the combined packing with the same density For the combined packing with the same density，the recommended density value of graphite ring is 1. 5 g / cm3 Keywords: combined packing; flexible graphite ring; braided packing; sealing performance; tribological property随着航空航天、核工业、国防科技、石化工业的 发展，当今密封问题所涉及的广度和深度已远远超出 防止 “跑、冒、滴、漏” 的狭隘范围，诸如高温及 超高温、低温及超低温、高压、高速、高真空以及强 腐蚀等苛刻工况对密封填料提出了更高的要求1 2。* 基金项目: 大型先进压水堆核电重大专项支撑项目( ZB02K01A) 收稿日期: 2014 05 19作者简介: 励行根 ( 1962) ，男，学士，高级工程师，从事流 体密封技术研究与密封新产品研 发 E-mail: info tiansh- eng. com柔性石墨具有压缩回弹性高、应力松弛小、耐高温及 耐腐蚀性强等显著优点，是一种替代石棉填料的理想 填料密封材料3 4。为防止柔性石墨向阀杆两端和填 料函间隙挤出，工程上常采用金属丝增强柔性石墨编 织盘根或碳纤维编织盘根等作为上下端环，柔性石墨 环作为密封主体的组合式填料1，5。目前，这种组合 填料已广泛应用于各种泵阀、往复式压缩机、反应 釜、船舶螺旋浆等作往复运动或回转运动的轴密封。 填料密封是依靠密封材料良好的压缩性，通过拧 紧压盖给填料密封环一定的轴向力使填料沿径向胀 开，从而使密封环的内外两个面分别与轴、填料箱表120润滑与密封第 39 卷面紧密贴合并产生足够的径向力来达到阻止流体泄漏 的一种动密封形式5 7。填 料密封工作时，填料与 轴、填料箱间直接接触，在往复或旋转运动中会发生 摩擦磨损，其中填料和杆件这对摩擦副是影响填料密 封可靠性、耐久性和稳定性的主要因素8。一方面， 填料的磨损会增加填料与轴 / 阀杆之间的环形间隙进 而引起介质的泄漏，缩短填料的密封寿命; 另一方 面，摩擦力的大小直接关系到设备运行过程中的可操 作性及能耗问题。现场使用石墨类填料的抽油机单机 平均功耗仅为 0. 07 kW，约为普通橡胶密封能耗的 1 /109。然而，迄今国内外针对填料开展的相关研究 报道较少，组合填料的密封性能和摩擦学特性尚不明 确4，8，10 12。本文作者研究了柔性石墨 / 编织盘根组合 填料的密封性能和摩擦学行为，系统考察了组合填料 轴向应力、石墨环密度、截面形状等的影响，探讨了 组合填料的密封机制，为提高组合填料的密封性能和 使用寿命提供了理论指导。1试验材料和方法1. 1填料的结构及规格为了减少填料对阀杆的摩擦和磨损、提高填料的 密封性能，实际使用时通常取 5 7 个填料环1。试 验用组合填料由 2 个 Inconel 合金丝增强柔性石墨编织盘根 ( 45. 6 mm 30 mm 11 mm) 的上下端环、3 个柔性石墨环 ( 45. 6 mm 30 mm 10 mm) 作为中 心的密封主体组合而成，测试样品由宁波天生密封件 有限公司提供。组合填料的基本结构及其主要结构参 数见图 1，组合填料的密封主体有平口和 V 型 2 种石 墨环，为避免盘根对试验结果的影响，所有试验均采 用相同工艺和材质的同批次盘根。柔性石墨选用核级 石墨，其主要技术参数见表 1。图 1 组合填料结构示意图 ( mm)Fig 1 Schematic of the structure of combined packing ( mm)表 1 组合填料用柔性石墨主要技术参数Table 1 Main technical parameters of flexible graphite used in combined packing检测项目成型前密度 / ( gcm 3 )抗拉强度b / MPa压缩率 /%回弹率%灰分w /%碳含量w /%氯含量 c /( gg 1 )硫含量 c /( gg 1 )指标要求0. 9 0. 14. 5419 0. 5 99. 5 30 200实际值0. 995. 053. 812. 40. 2699. 6324701. 2试验设备试验在自行研制的新型填料密封 / 摩擦学性能试验机上进行，该装置的结构示意图如图 2 所示。图 2 阀杆填料密封 / 摩擦学性能试验装置示意图Fig 2 Schematic of the test device of valve stem packing on the sealing and tribological performance2014 年第 12 期励行根等: 柔性石墨 / 编织盘根组合填料密封性能试验研究121组合填料安装于填料函内，并由螺栓紧固压盖提 供所需的轴向应力 ( 通过螺栓扭矩可换算得到压盖施加在填料上的轴向应力1) ，阀杆 ( 其表面粗糙度 为 a0. 4 m) 由驱动装置牵引作往复运动，从而真 实地模拟阀的打开与闭合过程。试验过程中，填料的泄漏率由 氦 质 谱 检 漏 仪 ( 型 号 SFJ-211， 分 辨 率 为 1 10 12 Pam3 / s) 测得; 数据采集控制系统控制阀 杆驱动装置作预定行程、速度下的往复运动并实时记 录泄漏率和摩擦力。1. 3 试验方法及参数试验时，往复行程 l 取 80 m，线速度 v 设为 6. 4 mm / s，往复运动周次 N = 1 1 000 次，单侧螺栓扭 矩 T 依次取 10、15、20、25 Nm，对应的轴向应力 依次为 15、22. 5、30、37. 5 MPa。安装填料前阀杆 用二甲苯和丙酮清洗，以去除表面残留的石墨等污染物。填料按图 1 所示组合方式叠加，装入填料后将螺 栓拧紧至所需轴向比压 的扭矩值 T，开机预运行 5 个往复循环后再拧紧螺栓至扭矩值 T，按上述方法重 复 3 次后开始试验。用分析天平 ( 型号 FA2004，精度 0. 1 mg) 称量试验前后的每组填料，得到磨损量。 相同参数下的每组试验重复 3 次，取平均值，以消除 试验偶然性带来的误差。2 结果与讨论2. 1 轴向比压对密封性和摩擦学特性的影响2. 1. 1 泄漏率对比如前所述，压缩填料轴向受载后沿径向胀开，并 在填料函和阀杆两密封面间形成一定的接触应力而达 到密封效果1。因此，轴向比压对压缩填料的密封性 能有重要影响。图 3 示出了不同轴向比压下组合填料 泄漏率随循环次数的变化。图 3 不同轴向比压下组合填料的泄漏率随循环次数的变化Fig 3 Variation of leakage rate of combined packing with number of cycle under different axial pressures由图 3 可以看出: 随着轴向比压的增加组合填料 的泄漏率明显降低，如轴向比压从 15 MPa 增 加 到30 MPa 时泄漏率降低了近 2 个数量级; 较高的轴向 比压将大大降低填料的泄漏，如轴向比压为 30 MPa 时 500 次 往 复 循 环 后 填 料 的 泄 漏 率 为 1. 8 10 9 Pam3 / s，但 10 MPa 时 50 次左右的往复循环就已达 到该泄漏值。这是由于随着轴向比压的提高，密封 面的接触应力也相应增加，从而有效降低了填料的 泄漏率。2. 1. 2摩擦力对比图 4 所示为不同轴向比压下组合填料的摩擦力 随循环次数的变化。可以看出: 轴向比压越大填料 的摩擦力也越大; 由于填料函和阀杆的热膨胀、石 墨层转移到阀杆后的黏着效应等影响1，在 较低的 轴向应力下 ( 轴向应力 37. 5 MPa) ，摩擦力基 本呈缓慢爬升趋势且总体相对稳定，而在过高的轴 向应力下 ( 如轴向应力 = 37. 5 MPa) ，摩擦力呈 先迅速下降后持续上升的阶段，试验观察发现在摩 擦力上升的阶段伴随着明显的摩擦噪声并且设备伴 有轻微的抖动。这表明过高的轴向应力会引起摩擦 力的显著上升，因此填料在实际使用中轴向比压不 能太大。图 4 不同轴向比压下组合填料的摩擦力随循环次数的变化Fig 4 Variation of friction force of combined packing with number of cycle under different axial pressures2. 1. 3填料磨损量对比图 5 示出了不同轴向应力下 N = 1 000 个循环周次后的磨损量，可知: 当轴向应力 30 MPa 时， 组合填料的磨损量随轴向应力基本呈线性递增关系; 当轴向应力 = 37. 5 MPa 时，磨损量大幅增加。此 外，从图中的误差棒也可以看出: 轴向应力 = 37. 5 MPa 时，相同试验参数下重复试验获取的磨损量相差 较大。这可能由于填料在往复运动过程中伴随的摩擦 振动与噪声加剧了填料的磨损。而磨损越严重填料与 轴 / 阀杆之间的环形间隙则越大，从而引起填料泄漏 率上升。这可能也是图 3 中轴向应力 = 37. 5 MPa 时 泄漏率持续上升的原因。122图 5 不同轴向应力下组合填料的磨损量 ( N = 1 000) Fig 5 Wear mass loss of combined packing under different axial stresses ( N = 1 000)润滑与密封第 39 卷由图 6 可以看出: 在试验初期，V 型石墨环填料 的泄漏率高于平口石墨环填料; 但随着循环次数的增 加，在不同轴向应力下 V 型石墨环填料的密封性能 均优于平口石墨环填料。2. 2. 2平口与 V 型填料的摩擦力对比图 7 示出了平口和 V 型石墨环填料在 22. 5 和 30 MPa 轴向应力下摩擦力随循环次数的变化。可知: 2 种填料的摩擦力随循环次数的变化规律相似，但 V 型石墨环填料的摩擦力远小于平口石墨环填料。显然，受柔性石墨有限的可压缩性的影响，填料 轴向比压的提高受到限制，更重要的是提高轴向比压 会使接触界面上的摩擦力上升并加剧填料及其对磨副 的磨损，从而进一步增加设备运行的能耗9、缩短填 料的密封寿命5。因此，填料在安装时需要选择适宜 的轴向应力或者螺栓扭矩，如试验研究的上述填料的 最佳轴向应力约为 30 MPa。2. 2密封主体截面形状对密封性能和摩擦学特性的影响2. 2. 1平口与 V 型填料的泄漏率对比通过密封主体截面形状的优化可以改变填料侧向 应力的分布进而提高其密封性能1。分别选取平口石 墨环和 V 型石墨环作为组合填料的密封主体进行对 比试验，在 22. 5 和 30 MPa 轴向应力下考察组合填料 泄漏率随循环次数的变化，结果如图 6 所示。图 6 平口与 V 型石墨环组合填料泄漏率随循环次数的变化Fig 6 Variation of leakage rate with number of cycle for the combined packing with flat and V-shaped graphite rings图 7 平口与 V 型石墨环组合填料摩擦力随循环次数的变化Fig 7 Variation of friction force with number of cycle for the combined packing with flat and V-shaped graphite rings综上所述，V 型石墨环填料的密封性能和摩擦学 性能均明显优于平口石墨环。这主要是由于 V 型石 墨环受到轴向应力后 V 型附近优先沿径向胀开，形 成局部高应力的环形区域，而远离 V 型的密封面接 触应力较小，从而建立了近似 “迷宫密封” 的效应。 此外，V 型的局部优先胀开也有利于底层填料的压实 和沿径向扩胀。2. 3密封主体密度对密封性能和摩擦学特性的影响据前面的分析可知，压缩填料在预紧过程中填料 被不断密实，其平均密度逐渐上升但其分布具有沿轴 向由压盖向内逐渐减小的趋势。因此，预紧前后填料 的密度对密封性能和轴向摩擦力也有重要的影响。2014 年第 12 期励行根等: 柔性石墨 / 编织盘根组合填料密封性能试验研究1232. 3. 1 石墨环密度对泄漏率的影响通常组合填料中石墨环成型后的密度 在 1. 4 1. 6 g / cm3 之间时填料性能较好。据此，选取 3 种不 同密度 ( 分别为 1. 4、1. 5、1. 6 g / cm3 ) 的 4 种不同 组合方式 ( 包括 3 种相同密度和 1 种密度逐渐递增的 组合方式) 的石墨环填料进行试验，考察石墨环密 度对密封性能的影响，结果如图 8 所示。可以看出: 具有密度梯度的组合填料密封性能较好; 而在 3 种具 有相同密度的石墨环组合填料中，密度为 1. 5 g / cm3 的组合填料的密封性能最佳。图 8 石墨环密度对泄漏率的影响 ( = 30 MPa)Fig 8 Effect of the density of graphite ring on leakage rate ( = 30 MPa)2. 3. 2 石墨环密度对摩擦力的影响图 9 示出了不同石墨环密度的组合填料摩擦力随 循环次数的变化。可以看出: 密度为 1. 5 g / cm3 的石墨环组合填料摩擦力最稳定且较小; 具有密度梯度的 填料其摩擦力在前期 ( N 500 ) 比具有相同密度的 石墨组合填料均要小，随后其摩擦力保持缓慢增加，最终摩擦力介于密度为 1. 4 g / cm3 和 1. 5 g / cm3 的石 墨环组合填料之间。图 9 石墨环密度对摩擦力的影响 ( = 30 MPa)Fig 9 Effect of the density of graphite ring on friction force ( = 30 MPa)2. 3. 3 石墨环密度对螺栓残余扭矩值的影响图 10 所示为不同密度石墨环填料在 1 000 次往 复循环 后 两 侧 螺 栓 的 残 余 扭 矩 值 ( 初 始 值 T = 20 Nm) 。可知: 具有密度梯度的石墨环填料残余扭矩最高，其次为密度 = 1. 5 g / cm3 的石墨环组合填 料。对比图 8 可以看出: 螺栓残余扭矩值对填料的密 封性能有重要影响，这是由于残余扭矩值越高填料的 径向压力越大，因此填料的密封性能也越好。图 10 石墨环密度对螺栓残余扭矩值的影响 ( = 30 MPa)Fig 10 Effect of the density of graphite ring on the residual torque ( = 30 MPa)综上所述，对于组合填料来说，密封主体的石墨 环密度对密封性能和摩擦学特性有重要影响，有条件 的情况下建议使用变密度的组合填料，若使用等密度 的石墨环组合填料选择石墨环密度为 1. 5 g / cm3 左右 为宜。3 结论( 1) 组合填料的密封性能和摩擦学行为与轴向 应力密切相关，随着轴向应力的提高泄漏率呈下降趋 势，但过高的轴向应力会引起摩擦力的显著上升并加 剧填料的过度磨损，从而缩短填料的密封寿命，试验 用组合填料的最佳轴向密封应力在 30 MPa 左右。( 2) 改变柔性石墨环的截面形状能有效提高密 封性能、降低组合填料的摩擦力。V 型石墨环填料可 以建立类似 “迷宫密封” 效应，在 V 型附件形成局 部高应力的环形区域，因此其密封性能和摩擦学性能 均明显优于平口石墨环。( 3) 柔性石墨的密度对组合填料的密封性能和 摩擦学性能也有重要影响。使用具有密度梯度的组合 填料相比等密度的组合填料密封性能和摩擦学性能均 由不同程度的改善。因此，有条件的情况下建议使用 具有密度梯度的组合填料，对于等密度石墨环组合填 料，推荐使用密度 1. 5 g / cm3 左右。124润滑与密封第 39 卷参考文献【1】蔡仁良 流体密封技术原理与工程应用M 北京: 化学 工业出版社，2013【2】于美杰，吴益民，朱波，等 碳纤维密封盘根耐烧蚀性能的研 究J 润滑与密封，2011，36( 8) : 11 14Yu Meijie，Wu Yimin，Zhu Bo，et al Ablation properties of car- bon fiber-based seal packingsJ Lubrication Engineering， 2011，36( 8) : 11 14【3】Luo Xiangcheng，Chung D D L Flexible graphite under repeated compression studied byelectrical resistance measurementsJ Carbon，2001，39: 985 990【4】Ho X J，Saulot A，Busquet M，et al Tribological investigation of packing friction along the stem of a valveJ Tribology Interna- tional，2013，65: 354 362【5】彭旭东 改善高压柱塞泵的软填料密封J 石油化工设备 技术，1998，19( 2) : 58 62Peng Xudong Improvement of soft packed seal for high pressure plunger pump J Petro Chemical Equipment Technology， 1998，19( 2) : 58 62【6】张 向钊 提高密封性能的新型密封填 料J 流 体 机 械，1999，27( 7) : 30 37Zhang Xiangzhao The new sealing packing of improved sealing performanceJ Fluid Machinery，1999，27( 7) : 30 37【7 】Diany M，Bouzid A Analytical evaluation of stresses and dis- placements ofstuf ng-box packing based on a exibility analysisJ Tribology International，2009，42( 6) : 980 986【8】彭旭东，王玉明，黄兴，等 密封技术的现状与发展趋势J 液压气动与密封，2009( 4) : 5 11Peng Xudong，Wang Yuming，Huang Xing，et al State-of-the-art and future development of sealing technologyJ Hydraulics Pneumatics Seals，2009( 4) : 5 11【9】蒋勇 抽油机盘根盒松紧度对能耗影响的现场试验分析 J 石油石化节能，2012( 10) : 45 47Jiang Yong Analysis on field test of influence of the energy con- sumption on the tightness of stuffing box of pumping unitJ Energy Conservation in Petroleum Petrochemical Industry， 2012( 10) : 45 47【10】宋鹏云 软填料密封机理分 析J 润滑与密封，2000，25( 6) : 64 66Song Pengyun An analysis of the sealing mechanism of a soft- packed stuffing-box sealJ Lubrication Engineering，2000， 25( 6) : 64 66【11】Fluid Sealing Association What is the impact of packing fric- tion on equipment performanceJ Pumps Systems Maga- zine，2009( 2) : 74 76【12】郭立晓，伍 开松，袁 新生，等 抽油杆盘根密封机理研究 J 石油矿场机械，2008，37( 3) : 29 32Guo Lixiao，Wu Kaisong，Yuan Xinsheng，et al Study of seal- ing mechanism of sucker rod packerJ Oil Fileld Equip- ment，2008，37( 3) : 29 32( 上接第 92 页) 数目逐渐增加，涡流形状逐渐由规则变为不规则，转 速增大到一定程度，涡流数目逐渐减少，涡流的出现 和消失呈周期性变化。由于 Taylor 涡的出现使压力产 生脉动，影响油膜的稳定性。参考文献【1】Guo Zenglin，Hirano Toshio，Gordon Kirk Application of com- putational fluid dynamic analysis for rotating machinery: Part I hydrodynamic，hydrostatic bearing and squeeze film damperJ Journal of Engineer