填料密封技术最新进展综述

填料密封技术最新进展综述
摘要：对填料密封的基本结构及原理、传统密封缺点以及新型填料密封材料、技术进行介绍，展现当前最新填料密封技术的发展趋势及前景。

关键词：填料密封、泄漏、纤维、新型材料。

0.前言：
填料密封又称盘根密封，是利用填料在填料函中挤压，来阻止介质的泄漏。

主要用于往复运动、旋转运动和螺旋转运动元件的密封。

如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机、阀杆等设备的密封，以及各种阀门密封，只应用于非腐蚀性或弱腐蚀性，且对密封要求不高的介质。

由于填料材质粗糙，进而在轴周围形成一道遭空隙，形成类似于迷宫密封的密封形式。

更换填料及操作都较机械密封简单，但容易泄漏，应用周期短[1]。

1.填料密封的基本结构与密封机理
以泵体的密封为例，填料密封结构由填料轴套、挡环、冷却水管、填料和填料压盖等组成，结构如图1所示。

填料室由泵体和泵盖组成，填料装在填料室内。

其密封机理是：编织填料装入泵的填料函后，填料与轴、填料与填料函内壁接触面之间有一个环状微小间隙；泵工作时，填料一方面阻止高压水向外泄漏造成浪费，另一方面也阻止外部空气进入水泵，影响水泵的抽水性能。

填料在填料函内受到预紧力的作用而变形。

填充环状间隙，并产生径向压力。

当这种径向力大于介质压力时，便阻止介质泄漏。

实现介质密封。

可见，只有填料对轴的压紧力足够大时，才能达到密封效果；但此时，转动轴必须克服盘根的压紧力而旋转。

当填料装配紧密时。

会导致填料函过热。

轴套与填料间机械磨损大。

消耗功率大。

当填料装配疏松时，又达不到密封效果，易造成泄漏，能耗增加。

因此常引入泵内压力介质对轴套进行冷却和润滑。

也就是说，允许一定流量的介质从泵中向外泄漏。

水封管引入泵壳内的压力水进行冷却和润滑，但水太多又会造成浪费。

在填料密封中，泄漏量少时散热不足，泄漏量大时，泵的工作效率降低。

常用的填料有浸油石棉填料、石墨石棉填料[2]。

2.传统填料密封的缺点
(1)轴套磨损和电能损耗较大
因为填料密封的密封力来源于压盖对填料的轴向压力而使填料产生径向扩张力，造成填料与轴之间形成较大的摩擦，产生磨损[3]，所以需要周期更换轴套，而克服这种摩擦，必然要消耗一定的电能。

(2)有泄漏损耗
由泵壳引出的高压水，从轴与填料问的隙面排出，增大了泵的容积损失，从而降低了泵的效率。

(3)水封环对填料的影响
水封环起着使冷却水分散均匀及减少密封泄漏的作用，但不打开泵壳更换填料时，水封环不易取出，水封环内填料不能更换。

(4)维修工作量大
为了更换轴套，必须拆下泵轴，把联轴器、轴承取出，工作量大，拆装次数多亦影响配合精度，而且必须停机，影响供水。

3.填料密封新材料
随着许多新材料的问世，很多新型密封填料得以开发。

天然纤维棉、麻、毛填料等，因其物理、化学性能较差，使用范围有限，寿命短，故目前很少采用。

而属于矿物纤维的石棉纤维，由于具有柔软性好、耐热性优异、强度高、耐磨损和耐酸、碱及多种化学品等一系列优点，适合作密封填料。

但由于石棉已被公认为是一种对人体有害的致癌物质，会危害人体健康。

一些发达国家已明令禁止生产、使用石棉制品(包括石棉的密封材料)，但我国目前仍然使用石棉填料。

3.1.合成纤维质填料
以合成纤维为主的填料，应用越来越广泛[4]。

如聚四氟乙烯(聚四氟乙烯简称PTFE，由美国人R．J．Plumkett于1938年发明的)、碳纤维、酚醛纤维、芳纶等。

这些材料由于其化学性能稳定、强度高、耐磨、耐热、耐蚀、适应温度范围广、摩擦系数小、使用寿命长．因而具有非常好的密封性能。

3.1.1. PTFE填料
PTFE填料是一种合成纤维填料，它具有合成纤维的显著优点。

PTFE纤维填料的型号有YM3010型和YM3020型，主体材料为PTFE纤维。

这两种型号的纤维填料性能差异较大，前者优于后者，尤其是强度更为明显。

PTFE纤维编织填料在实际应用中密封效果显著。

同样工况下，其使用寿命是其他填料的十几倍。

PTFE 纤维比PTFE塑料的耐热性、化学稳定性、自润滑性和蠕变性等都有成倍的提高；在高压、腐蚀流体密封中更显示出其优点。

纯PTFE纤维填料，除具有优良性能外，也还有一些缺陷，如热胀系数大、热收缩率大和热传导性差等；通过添加适当的填充剂(如石墨)改善其性能，可提高其应用的广泛性。

3.1.2.碳纤维填料
碳纤维是用聚丙烯腈纤维氧化和碳化而成的，根据碳化程度不同，可得到碳素纤维、耐燃碳纤维、石墨纤维三种产品。

目前我国出售的碳纤维填料，95%以上都是以耐燃碳纤维为主体并经多次浸渍四氟乙烯乳液和特种润滑剂编织而成，适用于高温、高压、高速、强腐蚀等场合，是一种很有发展前途的填料。

其使用寿命比一般石棉填料高5～10倍，密封性能优于石棉填料，随着工艺的成熟和完善以及成本的降低，可逐渐取代石棉填料。

3.1.3.芳纶填料
1972年，美国杜邦公司首先开发了芳纶纤维，它是以芳纶纤维为主体与其他材料进行复合加工而制成的填料。

这种填料其突出的特点是抗张力强度非常高，质地柔软，富有弹性，耐磨性极佳，耐热性也是在合成纤维中最好的。

有较好的化学稳定性，除强酸、碱不适用外，其他液体均可适用。

芳纶填料用于油田、化工等行业的高压、高速泵。

对于固体混合物的密封，更显示出其优异的技术性能。

芳纶填料虽然价格高，但其使用寿命是一般填料的420倍，且泄漏量比一般填料小得多。

3.1.
4.酚醛纤维填料
这种填料以其阻燃性、耐酸性和耐热性(180℃)好而著称。

这种填料所用的材料价格低廉，填料的价格亦较低，广泛应用于一般流体密封工况。

3.2.非纤维质材料
石墨是应用较广的一种非纤维质材料。

与石棉填料相比，它具有密封性可靠、启闭灵活、操作方便、泄漏量小、寿命长、消耗动力少等优点。

石墨应用最多的是膨胀石墨[5]，也叫柔性石墨，是一种理想的耐高温密封材料。

1963年，由美国联合碳化物公司首先研制成功。

膨胀石墨具有优异的耐热性、耐寒性和优异的耐化学腐蚀性(膨胀石墨除在硝酸、浓硫酸、王水、高锰酸盐、氯化铁等强氧化性介质中被腐蚀外，在其他酸、碱溶剂中几乎没有腐蚀)。

它的回弹率高，适于耐冲击的场合；具有良好的自润性及较好的减磨性，摩擦系数小。

不足之处主要是机械强度较低、易蠕变、导热性差、热膨胀系数低。

随着新材料的不断出现。

新的密封材料也不断地试验成功，并不断地被推广使用。

3.3.其他新型材料
如PEEK是一种很不错的密封材料，既耐磨损、耐热，又具有抗蠕变性能。

具有极好的耐冲击性能，其缺口冲击强度达到l387J／m，耐疲劳性能是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美。

对于酸碱性，只溶于浓硫酸，对常见的化学药品皆无影响[6、7]。

美国TEADIT公司研制的型号为2070的密封材料，是由EGK及扩展型聚四氟乙烯、石墨制成的加强型密封材料。

其形式为缠绕式，极大地提高了密封的机械性能，其抗挤压力是传统的聚四氟乙烯石墨密封的4倍，并具有良好的抗化学性能、自动润滑性能、低摩擦性能及优良的散热性。

这种新型密封已应用于油田泵等，无论对环保、对设备的正常运行以及维护都带来诸多利益[8]。

4.填料密封新技术
4.1.传统硬铬镀层的替代
由于填料与设备的往复或旋转杆件之间产生直接接触和摩擦磨损，因此填料和杆件这对摩擦副成为影响填料密封工作可靠性、耐久性和稳定性的主要因素。

为提高杆件的耐磨耐蚀性能，以往一般采用硬铬镀层，强化与防护如柱塞，活塞表面、阀杆表面以及气阀表面等机械部件的表面，提高填料密封的使用寿命。

但是，镀铬所生成的废水、废渣和废气对环境有长久破坏，同时对人体健康极其不利，长期工作在电镀环境中可导致人体肾功能衰竭、心率衰竭和白血病，因此目
前人们在使用或探索性使用硬铬替代品。

例如，通过在摩擦件表面沉积抗磨润滑Ni基纳米/非晶合金等[9、10]，通过工艺条件的选择与控制，在表面上形成功能梯度镀层材料；通过物理／化学气相沉积法(PVD／CVD)，激光真空弧薄膜沉积技术(VLDT)，超音速氧燃气火焰喷涂(HVOF)[11]，超音速等离子喷涂(HEPJet)等技术与方法，在表面上获得高致密涂层。

镀层粉料有CrN、CrAlN、CrTiN、NiCo和复合陶瓷。

4.2. CMS2000密封系统
CMS2000层状剪切式是美国赤土盾公司开发的一种全新填料密封新产品，采用高纯度的石墨、纯合成纤维、PTFE和有机密封剂进行混合，形成一种无规格限制的胶泥状物质，该密封系统由前编结端环、注射系统、后编结端环及填料压盖组成[12]。

由于CMS2000填料在使用中会粘住内侧轴和外侧的填料函壁。

软填料会发生内部层状剪切，转动出现在分子间引力较小的软填料内部，而不是相对于轴套运动，因此可以保护设备，降低摩擦损耗功率，节省电能。

该填料形成的合成材料环与填料箱或轴套的不规则处完全吻合，不会有渗漏，也无需进行冲洗，对轴套外表面机加工精度要求低，可节省冲洗水和避免因轴套被磨损后表面精度达不到要求而频繁更换轴套，降低了维修的工作量。

无规格方面的要求可重复使用，从而节省库存。

填装简单，连续运行时间长，可实现在线维护、且维护量小。

适用条件：温度-18～200℃；轴转速8 m/s；化学介质耐受性：pH值4-13；耐压0．7 MPa[13]。

CMS2000填料密封可明显降低电耗、水耗、备件损耗、设备损耗，降低了检修维护劳动强度，也因此降低了事故发生率，在实际生产中较为经济实用，具有广泛的推广价值和应用前景。

4.3. JamPak密封箱系统
美国TEADIT公司研发了JamPak27，一种可注射的泵和阀门填料密封剂。

当泵和阀门发生泄漏时，可以在不停机的情况下，注入这种具有延展性的填料来防止泄漏。

TEADIT公司根据实际的需求，研发的JamPak密封箱系统，结合特殊配方的TEADIT JamPak27密封剂使用，显著提高了可注射密封填料技术用于轴密封的完整性和可行性。

JamPak27是由高品质的合成纤维和精心选择的不同油脂混合物和粘合剂组成的一种新型密封剂，并有几种不同型号的密封剂可供选择。

这种特殊的纤维和粘合物的混合物可以使密封系统完全无泄漏。

JamPak 27无污染，对人体无损伤。

这种密封剂的密封结构同样不是靠介质的泄漏来保证润滑的，因此完全可以避免由于摩擦过热而导致的压缩密封失效。

这种可注射的JamPak 27密封剂可以用任何平刃刀具甚至可以用手指进行操作，塞满填料盒。

JamPak密封箱系统是一个可有效完成注射密封操作的系统。

它可以确保填料密封用的顶环和底环保持恒压，有效避免可注射性填料随时间而减少，出现压力降低而导致的密封失效。

JamPak密封箱系统提高了可注射密封填料的可操作性和可行性，避免了操作过程中由于轴的位移及振动、磨损而导致注射过程中的密封剂喷出现象。

应用该项技术，需要在原来的填料腔上钻一个小注射孔，将原来的密封装置用新的TEADIT密封箱装置和Teadit 2070压紧环所取代。

一个压紧环沿轴放在填料盒的底部，另一个同样材质的顶环盖在填料函的顶部，并由弹性载荷压紧。

如果需要填充密封剂，无需清除原来的填充物，可以直接用装塞注射枪向填料函内加入新的密封剂[14]。

5.总结：
填料密封是一种常用的密封形式，但由于其密封结构及原理，易出现介质泄漏、轴过热、摩擦阻力大等缺点。

为了解决传统的填料密封所存在的问题，国内外不断研发密封新型材料与技术。

新型密封材料及密封技术的出现，扩大了填料密封的适用范围及密封性能，使填料密封的应用前景越来越广泛。

参考文献：
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