化工泵用O形PTFE密封圈沟槽尺寸浅析

第 51 卷第 5 期2014 年 10 月

化　工　设　备　与　管　道

PROCESS EQUIPMENT & PIPING

V ol. 51　No. 5

Oct. 2014

收稿日期：2014-04-10；修回日期：2014-06-13

作者简介：杨文军（1967—），男，陕西西安人，工程师。长期从

事泵与阀门的设计制造工作和产品的质量管理。化工泵用O形PTFE密封圈沟槽尺寸浅析

杨文军

（西安泵阀总厂有限公司，西安　710025）

摘　要　通过对标准橡胶O形圈沟槽设计要素的分析和计算，以及对比PTFE O形圈的特点，进行了PTFE O形圈的静密封沟槽的计算，并提出了适用的密封沟槽尺寸。

关键词　O形圈；溶胀；温度；静密封；压缩；沟槽

中图分类号：TQ 050.3；TH 136 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2014）05-0062-004

O形密封圈(简称O形圈)主要用于静密封和往复运动密封，O形圈断面结构极其简单，且有自密封作用，密封性能可靠，且已形成标准化，因此安装更换都非常容易。O形橡胶密封圈是密封件中用途广、产量大的密封元件[1]。O形圈密封一般安装在截面为矩形的沟槽内起密封作用。同其他密封元件相比，O 形圈密封材料品种多[2]，可以根据不同的流体进行选择：有丁腈橡胶（NBR）、氟橡胶（FKM）、硅橡胶（VMQ）、乙丙橡胶（EPDM）、氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（BU）、聚四氟乙烯（PTFE）、天然橡胶（NR）等。

我公司以生产特材泵阀产品而著名，产品以钛及其合金、镍及其合金为主要材料，现已生产锆材泵阀。特材泵阀产品大部分销往石化行业用户，工况条件复杂，液体介质多样，其泵阀结构用O形密封圈很多，其材料首先应具有化学相容性，尤其是化工流程泵往往会遇到在较高温度（＜200 ℃）下要求耐受各种化学腐蚀性介质问题。因此，橡胶O形圈受到使用介质、温度的限制，无法满足较高温度下各类介质的密封要求，如天然橡胶只能用到60 ℃。

由于化学品种类繁多，性质悬殊很大，对橡胶O形圈密封性能的影响也不同，如溶胀、收缩、材质劣化等引起机械强度下降等。

1　PTFE密封材料的优势和不足分析

PTFE是聚四氟乙烯的英文缩写，是四氟乙烯的聚合物。PTFE材料具有优异的耐温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自润滑性，PTFE能够承受除了熔融的碱金属、氟化介质以及高于300 ℃的氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水），及强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用，有“塑料王”之美称。

在橡胶O形圈无法使用的介质条件下可采用PTFE制造的O形圈，在高低温和高真空下均可使用。PTFE材料对金属面的摩擦系数比橡胶小很多，仅是橡胶摩擦系数的1/10，且对金属面不粘着，很适合要求起动摩擦小的场合。

因为PTFE材料的弹性和回弹性远不如橡胶，所以其密封性能欠佳，适宜用作静密封。此外，其耐热差、蠕变大，会发生“冷流现象”[3]，且导热性差，用于动密封时，容易因体积膨胀而产生过度变形导致泄漏。

PTFE O形圈与橡胶O形圈的比较列于表1。

2　PTFE O形圈静密封沟槽尺寸选取[4-11]

2.1　标准O形圈沟槽设计

标准规定了O形圈沟槽设计准则：O形圈沟槽尺寸应根据安装O形圈时的预拉伸率y%、预压缩率k%、压缩率z%,O形圈截面减小、溶胀等因素进行设计[4]。

资料表明[5]，为达到满意的密封和延长寿命，预拉伸率一般推荐为1%~3%，最大为5%。过小的拉伸率，O形圈安装可能不完全到位，过大的拉伸率，O形圈可能会断裂或因此承受较高的内应力而过早破坏。为获得最长的密封寿命，预压缩率推荐为12%~18%，对于某些特殊应用，预压缩率可提高到20%~25%。过大的预压缩率可能导致O形圈断裂、撕裂、挤出。

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橡胶的溶胀，是化学品(包括油)分子进入橡胶聚合物分子间，产生无规则、分散的作用力，使构成橡胶弹性的网状分子结构发生变化的结果。另一方面，橡胶的溶缩，则是胶料中的可溶性分子在化学介质中杂乱无章运动的结果。作为一般通则，性质相类似的物质，这种相互混合的过程就容易进行，如天然橡胶是碳氢化合物，它很容易溶解到同样是碳氢化合物的矿物油中去。

热的影响表现在高温会促使橡胶O 形圈胶料发生氧化、聚合或加水分解等不良化学反应。其结果使得常温下以一定压缩变形量工作的橡胶O 形圈发生明显的永久变形，特别是压缩变形率较大的O 形圈，这种影响甚至会造成泄漏。因此，对O 形圈的永久变形率作了规定。不同橡胶生产厂家由于原料和配方的差异，也对不同材料的橡胶O 形圈作了使用温度的限定。

设计O 形圈密封沟槽时，一般参考标准沟槽的结构和尺寸。在大多数场合，这些标准沟槽对密封件是适合的，然而，如果应用在高温条件下，当沟槽体积不能满足O 形圈的热膨胀时，将会导致O 形圈从配合间隙挤出，或即使不挤出也会导致环状裂纹（通常沿密封件分型线），出现上述任何一种情况，都必须增加沟槽体积来适应其热膨胀。

为了实现自紧密封，在安装O 形圈时应使它有一定的预压缩变形量。当槽壁的表面比较光洁时，此变形量即使较小也能起到自封作用。通常根据使用经验来确定压缩变形率：对圆柱面上的静密封，压

缩变形率取13%~20%；对平面或法兰上的静密封取15%~25%。O 形圈的安装沟槽示意图见图1

。

[槽宽（B 后的运动方向。]

图1　O 形圈的安装沟槽示意图

Fig.1 the grooves installation diagram

表2为标准给出了橡胶O 形圈的压缩率和径向密封沟槽深度及轴向密封沟槽深度，并以橡胶(NBR)O 形密封圈的硬度(IRHD 或邵尔A)为70士5为依据[1]。

2.2　PTFE O 形圈沟槽尺寸的计算

由于橡胶和PTFE 两种O 形圈的压缩变形量往往不一样，所以使用PTFE O 形圈时，常常设计专用的安装密封槽，或对标准尺寸密封槽进行修改。槽壁和槽底的粗糙度要求比橡胶O 形圈要高，须达到Ra0.8以上，动密封用时要在Ra0.4以上，否则

PTFE

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