—填料密封·材料及使用

清华大学 沈万慈

（一）密封件是机械设备的基础件之一，绝大多数机械设备都离不开密封件及相应的密封技术。对于多数机械设备，密封技术虽不是主体技术，但往往是决定设备质量和技术水平的关键技术，不能设想一台高新技术的设备存在明显的跑冒滴漏现象。密封件作为重要的功能基础件，对机械设备高效、长期、稳定、安全运行起着保证作用，并且具有盲目泄漏、节约能源、控制污染的重要功能。改革开放以来，我国经过20多年的发展及技术引进，在密封技术，材料及密封件上形成了一定的生产能力与规模。在产品的数量和质量上基本满足国内机电工业对密封件的需求。但由于我国密封产业发展起步晚，基础差，使我国在密封技术上与国际先进水平相比仍落后10年左右。我国轿车用转向、减震、制动及发动机油封等密封件基本信赖进口，大型冶金、能源设备密封件也主要靠进口。当然，在改期开放中我国也自创了一些新型的密封技术及产品，比如柔性石墨纺织填料就是我车自行研制的在国际上领先的技术及产品。由于密封技术及产品质量的差距，致使我国一些机电设备产品的通用性指标偏低，能耗偏高。1996年估测，我国国产新轿车200万辆要多耗润滑油19.4万t，润滑脂4.12万t。因此我国密封产业也面临巨大的发展前景及商机。仅汽车工业一项，2005年我国产量将达500万辆以上，所需各种密封件15亿件左右，其中冷却永泵密封500万套，如果产品质量达到国际先进水平，那么面临的将是世界6000万辆汽车的巨大市场。我国密封产业起步晚，正在迅速发展之中，难免有许多不规范之处。密封产业的发展目前急需规划、协调及信息的沟通。中国化工装备总公司组织编辑的《中国密封产品手册》在这方面无疑是跨进了一大步。

（二）本篇为填料密封。填料密封是一种最古考的密封形式，其应用历史可能追溯到千年以上，但形成一种产品广泛应用还是在18世纪工业革命以后。填料密封主要用作动密封，各种泵阀的转轴密封及往复运动轴密封都离不开填料。一些静密封场合也且用填料密封。通常所指密封填料包括编织填料及压制成型的塑性填料。而一般书刊中所说的成型填料密封件则指的是以橡塑密封产品中，不属于本篇范围。纺织填料也有称通用填料的。其主要原料为各种纤维及箔，经绞合成各种形式编织成一定规格截面的条带状。使用时根据设备的填料函（密封腔）尺寸选用合适规格截面的填料，按合适的切口方式截取一定长度填在填料函中，因此通用性较强。编织填料使用时密封间隙较大，需要在压紧压盖时仔细调整间隙。塑性填料除少数场合采用所谓绵状填料，即将混合好的填料粉直接填入填料函靠压盖压紧成型，多数是按密封函及轴的尺寸压制成填料环装填。压制填料的原料一般采用石棉/橡胶沉积原料或聚四氟乙烯等塑料及金属填料，用柔性石墨带材压制的填料环是目前性能最好的泵阀用填料，对核能及其他高技术产业的泵阀只能选用柔性石墨填料。填料采用的原料，纤维类的有棉、麻、石棉、聚四氟乙烯等高分子纤维、碳纤维及金属纤维（丝）等；箔带类有高分子材料、柔性石墨及金属箔（铅、锡、铝、铜等）。多数的填料都是采用的复合型材料，如我国自有知识产权的柔性石墨编织填料，就是以各种纤维（棉、碳纤维、金属丝等）增强的柔性石墨线（捻）编织而成。国内常用的石棉纺织填料，也多数浸有橡胶、聚四氟乙烯、石墨等。金属填料也多数与石棉/橡胶等包裹层复合。在书刊中一般将金属填料单列为一种填料类型，实际上其基本制备工艺也是编织或压制，只是主体原料采用金属。金属填料通常使用于高温高压的工况，有些场合可以用柔性石墨填料取代。在手册中金属填料产品列入的很少，可能是由于用量不大，制备工艺比较复杂，所以专业密封件制造厂甚少生产，在一些大型设备企业自产自用。

（三）随着技术的进步，在动密封领域出现了机械密封等更先进的密封方式。但填料密封虽然是最原始的密封方法，但迄今仍广泛应用，其原因在于其原料广泛，加工简单，成本低，并且使用操作简单，密封可靠。随着新材料的使用其应用范围还在不断扩大，一些高温（≥400℃)、高pv值（≥10MPa·m·s-1）的场合，填料仍然有很好密封效果。对于不同的设备及工况条件，在选择和使用填料密封时必须注意以下的一些相关性能：填料的塑性：填料密封要求在轴向压紧填料时，填料在径向变形与轴紧密接触，从而产生径向紧压力。只有在径向压紧力大于（至少等于）被密封介质的内压力时才能保证密封效果。径向压紧力与所加油向压紧力的比值即填料的柔软性系数K，K一般小于或等于显然K值越大，达到同样密封效果所需加在压盖上的压紧力越小。一般的加有润滑脂的填料由于填料K值的测量比较困难，可以利用填料材料的压缩率和回弹率来大致判断，压缩率和回弹率高的材料，其填料的柔软性系数一般也较高。填料压紧后的弹性：这对于设备装备时轴存在小的偏心时仍能保证密封很重要。有的书刊上称之为浮动弹性，这可能填料材料的回弹率来近似表示。填料的化学稳定性：在服役期内，填料不被介质腐蚀、泡涨，不污染介质，不造成密封面的腐蚀。填料材料及润滑剂与介质的化学适应性，在书刊中都有介绍。通常炭-石墨材料、聚四氟乙烯等高分子材料一般具有很好的耐酸碱性，金属类材料抗酸性差，石棉等无机矿物材料通常为硅酸盐类物质，对碱性人质的抵抗能力差。必须指出填料-介质系统对密封界面造成的电化学腐蚀在一些高精度设备中值得注意。石墨由于其高度的化学稳定性，在电化学系统中一般处在阴极状态，从而使密封界面或设备构件受到阳极氧化腐蚀。国外已经有缓蚀型柔性石墨商品牌号，通常在石墨中添加钼酸盐、磷酸盐等缓蚀剂，可以大大降低密封界面的电化学腐蚀。国内缓蚀型柔性石墨技术已经在国家八五攻关项目中完成，但尚未商品化生产。自润滑性能：填料密封主要用于转轴、往复轴的密封，密封面的润滑对降低摩擦系数、减少能耗、减小磨损很重要。由于一般填料密封设计比较简单，很少可以后续添加润滑剂，所以填料通常应具有自润滑功能。聚四氟乙烯及石墨填料，具有很好的自润滑性能，聚四氟乙烯对钢的摩擦系数一般在0.1以下，柔性石墨为0.05~0.15，在填料密封中使用效果很好。棉麻、石棉类对钢的摩擦系数在0.5~0.7，金属类填料为0.3~0.4。因此这一类填料都要预先浸渍润滑剂或浸渍聚四氟乙烯、涂敷石墨等。

（四）密封的目的是堵塞泄漏。填料密封发生的泄漏主要是界面泄漏，编织填料则往往还存在渗透泄漏。界面泄漏主要是填料与运动轴之间的界面发生泄漏。填料与填料函的界面是静密封界面，一般填料尺寸合适，使用得当不会发生可察觉的泄漏。渗透泄漏则是编织原料纤维或箔片之间的界面间隙，因连通形成泄漏通道所致。所以编织填料通常都应进行浸渍处理，浸渍的目的不仅是改善润滑条件，而且浸渍物可以堵塞、截断渗透泄漏通道。填料的压盖拧紧作轴向压缩时产生变形，贴紧轴面并产生径向压力，填料中的润滑剂被挤出在界面形成油膜。界面的接触是不均匀的，接触点与非接触点因相对运动而形成不规则的迷宫，即迷宫效应。这两种效应是填料密封的机理。所以，要取得良好的填料密封效果，在设备运行中需要维持好轴承效应和迷宫效应。这通常是要保持良好的润滑和必需的压紧力。在材料选择上，自润滑好的填料能取得很好的密封效果，如柔性石墨、聚四氟乙烯等。柔性石墨不仅具有优异的自润滑性，而且它本身特殊的固/气两相结构非常适宜作密封材料。其特殊的气相结构是均匀、微小的密封气孔，它不仅不会形成泄漏通道，而且使材料具有优越的压缩性和回弹性，从而保证了优良的密封特性。0.125mm厚的柔性石墨薄膜，其氦气的透过率仅为2×10-4cm3·s-1，在真空技术中也常采用柔性石墨密封。为了保证填料密封的润滑，一般填料常浸渍润滑剂，在使用过程中润滑剂逐渐消耗，不仅润滑性能降低，而且填料体积会减小使压紧力下降，因此填料密封应定期拧紧压盖保证压紧力及润滑。对要求高的填料密封，填补函应考虑有添加润滑剂的设计。在使用过程中，填料会有磨损，磨损与压紧力及润滑状态有关。通常靠压盖的一端因压紧力较大，磨损较大，不正确的装填会导致快速磨损。过度磨损会导致密封失效，应及时更换填料。填料及填料函的尺寸与轴的尺寸及介质压力有关，可以根据经验及书刊的参考图表选取。对要求高的设备，填料函的设计还应考虑冷却系统。填料的装填必须用专用工具及按照操作规程，不合理的装填是密封失效的主要原因之一。

（五）密封技术及材料的落后必然制约机械设备的质量。我国改革开放以来密封技术及材料已经有了长跑的进步。跑冒滴漏问题已经有了重大的改善，过去车辆“停下来一大片、跑起来一条线”的现象已基本杜绝。但总体来说，我国密封技术及材料的水平还落后于世界先进水平。在新材料的研制和应用上，在渗漏的定量测试技术上，在密封材料及制品的规范化和系列化上以及涉及密封领域的技术引进、信息网络等，这许多方面的工作有待业内人士、企业及科研院所、高校的努力及有关部位的组织，协调。我们相信随着我国加入WTO，我国机电产品进一步面向全球市场，我国的密封技术和材料会有更大的进步和发展。