影响动密封性的因素及解决措施*

2014-03-27刘栋

机械研究与应用 2014年3期

刘栋

(中国船舶重工集团公司第七一O研究所，湖北宜昌 443003)

0 引言

过程工业中使用的机器设备普遍设有密封装置，有密封必然存在泄漏，这已被事实所证明。密封装置的泄漏带来的问题有造成能源浪费、污染环境、产品使用性能下降，以至损坏设备，严重时可能危及人身安全。虽然密封件仅是零部件，但却能决定设备的安全与使用性，特别是在石油化工企业中，处理的大都是具有腐蚀或易燃等介质，通常还具有较高的压力和温度，一旦出现泄漏将造成无法预计的危害。因此，防止设备泄漏对工业生产来说是必须解决的关键技术之一。

1 密封机理简述

密封机理就是防止流体通过密封面由一侧传递到另一侧。通常被密封的介质是以穿漏、渗漏或扩散的形式通过密封件而泄漏的。早期认为密封端面间稳定可靠的密封主要是由表面张力作用的结果，忽略了密封端面实际上并非理想的平直平面，其端面由于加工还会带来粗糙不平的突起，从而引起该处成直线接触。另外旋转轴运动时精度引起的端面倾斜和振动以及密封件的变形等因素均没考虑在内，因此仅认为是表面张力作用的结果显然存在缺陷。此后考虑到密封端面间的边界润滑膜会产生吸附作用，认为边界润滑也是构成密封的主要因素，但此时仍没有考虑端面间的磨损和摩擦热给密封件带来的变形影响，因此也不能构成稳定的密封。随着对密封机理的进一步研究，发现影响密封的因素太多，要在如此小的端面缝隙进行探测性研究较为困难，因而采用经验性设计与机理研究相结合的方式较为合理。

(1)穿漏:通常将通过密封面间隙的泄漏称之为穿漏。此时被密封流体在密封件两侧压力差Δp泄漏，该泄漏属单向泄漏。

(2)渗漏:在密封件两侧压力差作用下，被密封流体通过密封件材料的毛细管的泄漏称之为渗漏，该泄漏属单向泄漏。

(3)扩散:在浓度差的作用下，被密封介质通过密封间隙或密封材料的毛细管产生的物质传递称为扩散。扩散泄漏分为密封件的吸收液或气体，介质通过密封件扩散和介质从密封件的另一侧析出三个阶段。扩散过程是双向进行的。

2 影响因素分析及解决措施

密封的使命是防止工作介质泄漏和外界介质侵入。造成泄漏的主要原因为:①密封连接处存有间隙;②密封连接处两侧存在压力或浓度差。究其原因是多方面的，大致可分为四类，现将其归纳成图1所示，同时针对这些在工程应用中常出现的问题加以分析，提出相应的解决措施［1］。

对与静密封来说，要达到无泄漏其技术较成熟了。对于动密封由于接触密封面的任何相对位移都会给结合面上的粗糙处带来一定的泄漏量。以下对影响动密封性能的主要因素加以分析并提出相应的解决措施。

图1 泄漏原因

2.1 密封件及工作环境

密封件的选型应依据使用工况与外界环境进行综合考虑后确定。工作压力及运动速度是密封性能设计的主要依据之一，低压时选用低摩擦、启动阻力小的密封件，如压力在2.5 MPa以下时，尽量不选用聚氨脂材料制成的构件;高压时需考虑密封件受压变形的情况，解决途径是设置防挤出挡圈，同时采用刚性大的密封圈。当密封构件运动速度低至0.03 m/s以下时，需考虑设备运行的平稳性和是否出现“爬行”现象;如高于0.8 m/s时，起润滑作用的油膜易破坏，密封处得不到润滑而摩擦发热，材质性能下降加速磨损，导致寿命降低［2］。此外低温会使橡塑材料弹性降低，导致材料硬化而引起泄漏;高温易使密封材料膨胀、变软，造成摩擦阻力增大、耐压性能降低，其解决措施是在热源附近的密封装置应进行耐热性设计，以防过热损伤密封性能。

2.2 工作介质及受力状态

体现液压系统工作时其性能优劣程度的重要表现之一是密封性能。该性能取决于使用的介质与所用密封件的纸质。因为油液的老化或污染不仅使系统中的器件出现故障，加速密封件老化与磨损，而且介质中形成的赃物易嵌入密封处，导致穿漏或渗漏［3］。因此需定时检查油液品质及清洁度。对于高压、高速运行的液压设备，由于油液中残留的空气在构件高速运行时会膨胀，再经高压压缩会产生高温而烧坏密封件，严重时可导致炭化，为此在设备运行初期应进行排气处理。对于往复运动或重载机械应在运动件上装配支撑环，确保其承受较大的载荷;对于承受侧向力的机构，必须在密封处设置支撑环，以防密封件在偏心的条件下工作时引起泄漏与磨损;对于高压大流量液压系统在工作中易产生液压冲击，此冲击产生的瞬间高压可能是系统工作压力的几倍，在极短时间内密封件撕裂或将其局部挤入间隙内而使其损坏。解决方法是在做往复运动的构件上安装缓冲环和挡圈，目的是缓冲环装配在密封件前面可吸收部分冲击力。挡圈可防密封件在高压下挤入间隙。

2.3 设计加工及装配

密封件是实现密封性能的主要构件，在装拆时可能会损伤密封件上的密封面，设计时应采取保护性设计，采用专用工装装配。如对螺纹结尾部设置缓阶，装配是对螺纹部分加装保护套;对密封件入口处、沉槽、台肩等设有倒角或坡口，同时应去除毛刺。对固定件的内表面需珩磨、抛光或滚压，其表面要求达到Ra 0.1～0.8 μm的粗糙度，且不得有纵横向刀纹;对于运动件要求其表面粗糙度为Ra 0.2～0.4 μm，为防运动件被杂物划伤，应将表面硬度设计在HRC 60以上;对于沟槽棱边应加工成倒角，防止安装时密封件损伤，一般粗糙度选定在Ra1.6～3.2 μm。装配前使用清洗液清洗密封槽及密封面，检查密封有无方向性要求，装配时不得将密封件旋入槽内，以免造成扭转翻转，必要时可涂抹润滑剂增加润滑以便安装。