密封技术发展及其应用的综述

全日制专业论文题目密封技术发展与应用综述 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I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1密封技术介绍 1.1流体密封的定义 1.2流体密封的作用 1.3流体密封的分类及其典型代表 1.4流体密封技术发展 21.4.1迷宫密封及其发展 21.4.2浮环密封及其发展 21.4.3机械密封及其发展 1.4.4干气密封及其发展 3 42.1密封的分类 42.2静密封——垫片密封 42.2.1垫片密封概述 42.2.2垫片密封的结构和原理 42.2.3垫片种类 52.2.4垫片的安装技术 62.3静密封——胶密封 62.3.1胶密封的概述 62.4动密封——软填料密封 72.4.1软填料密封机理分析 72.5动密封——机械密封 82.5.1机械密封结构、原理 82.5.2基本构件 93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 3.1.1机械密封取得的成果 3.1.2柔性石墨密封件取得的成果 3.2流体密封的主要应用领域 参考文献 11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。[1]1.2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2~3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21.4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，展和技术水平来看，石油、化工和气体工业用离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，较大泄漏，有环境污染的危险。炼油、化工等行业危第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封结构。无需润滑无旋转组件安装在轴上，不会产生附加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浮环密封及其发展气密封的第二代密封。从原理上来说，通过油楔作套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触，轴的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。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。3一定负值的情况下工作而保持密封能力，该1.4.3机械密封及其发展透平压缩机领域正逐步替代传统的浮环密封，主要有两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701.4.4干气密封及其发展宽，在动环或静环通常是硬质的旋转环的端面上加工出JohnCrane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。4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(-190~250℃)。广泛用2.2.2垫片密封的结构和原理5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，6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(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(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(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(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2~3次拧紧高压设备分4~5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1~2h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7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、2.4动密封——软填料密封工作，但对软填料密封的密封机理并没有完全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8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C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一静密封D、静环座(压盖)与设备之间的密封—静密封92.5.2基本构件(1)动环和静环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(2)弹簧加荷装置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：①起动停车或介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。197570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展，机械总开始部署机械密封定点生产企业。90年