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作者姓名赵剑锋导师姓名、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 日摘要摘要: 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；机械密封目录1密封技术介绍 (1)1.1流体密封的定义 (1)1.2流体密封的作用 (1)1.3流体密封的分类及其典型代表 (1)1.4流体密封技术发展 (2)1.4.1迷宫密封及其发展 (2)1.4.2浮环密封及其发展 (2)1.4.3机械密封及其发展 (3)1.4.4干气密封及其发展 (3)2动、静密封技术原理 (4)2.1密封的分类 (4)2.2静密封——垫片密封 (4)2.2.1垫片密封概述 (4)2.2.2垫片密封的结构和原理 (4)2.2.3垫片种类 (5)2.2.4垫片的安装技术 (6)2.3静密封——胶密封 (6)2.3.1胶密封的概述 (6)2.4动密封——软填料密封 (7)2.4.1软填料密封机理分析 (7)2.5动密封——机械密封 (8)2.5.1机械密封结构、原理 (8)2.5.2基本构件 (9)3 密封技术取得的成果和应用领域 (9)3.1我国密封技术的发展 (9)3.1.1机械密封取得的成果 (9)3.1.2柔性石墨密封件取得的成果 (10)3.2流体密封的主要应用领域 (10)参考文献 (11)1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将动密封转化为静密封的机器设备。

1.4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，才能实现工艺气体向外界、或密封液向工艺气体的微泄漏或零泄漏。

从密封的发展和技术水平来看，石油、化工和气体工业用离心压缩机的轴端密封先后经历了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迷宫密封及其发展迷宫密封是利用流体流经一系列节流间隙与膨胀空腔组成的通道，通过抽气与充气，使工作介质产生节流效应，以节流降压来减小气体泄漏的非接触式动密封。

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，维护方便对高温、高压、高速和大尺寸部位密封效果特别有效。

但存在的缺点是密封元件加工精度高，装配较为困难，运行维护费用高设计或组装不良，易产生较大泄漏，有环境污染的危险。

炼油、化工等行业危险性工艺气体压缩机使用的第一代轴端密封就是迷宫式抽充气密封结构。

为了克服迷宫密封泄漏量大的缺点，出现了小间隙的碳环密封即在密封环内设置碳环或其他合适材料的环，也称为固定环密封。

其优点是密封为干运转状态，无需润滑无旋转组件安装在轴上，不会产生附加的轴振动径向间隙小，其泄漏量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浮环密封及其发展浮环密封是利用浮动圆环进行密封的一种非接触式动密封，采用“以油封气”的原理来实现被密封气体的零泄漏。

从发展历史看，这种密封是替代迷宫式抽充气密封的第二代密封。

从原理上来说，通过油楔作用使浮环克服自重而与轴或轴套保持一定的间隙，避免固体间的直接接触，轴的高速回转和振动对密封的影响较小。

因此到目前为止，在压缩危险性工艺气体的透平压缩机轴端密封的实际应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。

浮环密封存在两大缺点密封元件制造精度要求高，密封效果易受影响，因而泄漏量较大，回收处理内泄漏油污油的设备比较复杂庞大浮环密封的油气压差很小，控制系统复杂。

正是由于上述两大缺点，且浮环密封辅助系统的投资远远高于密封本身的投资，浮环密封受到了更先进的密封型式的严重挑战。

为了克服普通浮环密封内泄漏量较大的缺点，出现了一种由螺旋密封与浮环密封组合的螺旋浮环密封形式。

其基本结构特征为在内浮环内孔的外侧，即靠近轴承的一侧加工出一段起增压作用的螺旋槽，形成具有增压效果的增压段在靠近被密封气体的内侧加工出一段起反向泵送作用的螺旋槽，形成具有防漏效果的防漏段两者中间为光滑的浮升段。

螺旋浮环结构密封可以在油气压差为零、甚至为一定负值的情况下工作而保持密封能力，该密封具有可靠性高和内泄漏小的突出优点。

1.4.3机械密封及其发展在中低压工艺气体透平压缩机领域，用机械浮环组合密封或双端面机械密封替代传统的浮环密封是国内外密封行业一个重要的技术进步。

这类密封在中低压透平压缩机领域正逐步替代传统的浮环密封，主要有两方面原因一是克服了浮环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为，控制的安全可靠性提高，系统较简单。

与浮环密封相比，密封本体投资加大，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70年代开始致力于油膜螺旋槽端面密封的研究开发与推广应用。

目前，油膜螺旋槽端面密封在技术上己经完全成熟，端面线速度可达，内泄漏量接近于零。

该密封系统在大量的工业应用中实现了高周速、微泄漏、微磨损、长寿命，其性能全面超过了进口的机械密封产品。

1.4.4干气密封及其发展干气密封是采用“以气封气”、流体动静压结合的非接触式机械密封，即干运转的自动气体润滑机械密封，是目前世界上最先进的一代高速透平压缩机轴端密封型式。

其密封的结构与普通机械密封相似，所不同的是动、静环密封端面较宽，在动环或静环通常是硬质的旋转环的端面上加工出特殊型式的流体动压槽，槽深一般在3-10μm之间。

当环旋转时，在流槽的作用下气体被泵入密封端面，在密封端面间形成一层厚度为2-5μm的气膜，将两密封面隔开，使密封保持非接触运转。

干气密封的气膜厚度虽然很薄，但刚度很大，一旦出现外界干扰使密封面间隙变化时，它能迅速回复到原来的平衡位置，具有很强的抗外界干扰的能力。

这种密封有以下突出优点端面非接触，寿命长，可靠性高密封功耗低，节约能源省去了庞大的密封油系统，重量轻，占地面积小消除了密封油对工艺回路污染的可能性运行和维护费用低。

John Crane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，与进口高速透平压缩机配套的干气密封开始进入中国市场。

由于优点突出，它在炼油、化工等行业高速透平压缩机上的应用越来越广，己逐步成为工艺气体用高速透平压缩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应用于大型离心压缩机，国内外干气密封产品价格也开始逐步下降，其性价比远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。

实践证明，干气密封具有非常明显的优势，是最先进的一代透平压缩机轴端密封形式，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密封的分类密封可分为静密封和动密封两大类。

静密封主要有垫片密封、胶密封。

根据工作压力静密封又可分为中、低压静密封和高压静密封。

中、低压静密封通常采用材质较软、接触较宽的垫密封高压静密封则采用材质较硬、接触宽度很窄的金属垫片或复合垫片。

按密封件与和其作相对运动的零部件是否接触，动密封可分为接触式密封和非接触式密封。

而接触密封有填料密封、往复轴密封、机械密封，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、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆连接处最主要的静密封形式。

密封垫有非金属密封垫、非金属与金属复合密封垫、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、铜和不锈钢等。

最简单的垫片为平垫片整个垫片由同一种材料组成，用于机械设备一般接合面的静密封如减速箱的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℃）。

广泛用于静密封平垫。

2.2.2垫片密封的结构和原理图1垫片密封结构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。