密封技术发展现状及与国际研究技术的差距分析(组图) —— 文章正文2015-03-23

本文阐述了密封学的概念、研究内容和研究意义，综述了目前橡塑密封、机械密封和填料密封技术的现状，分析了我国与世界密封技术先进发达国家在研究水平和新产品开发能力上的差距，并就我国未来密封领域研究的重点提出了若干建议。

    1密封技术现状

    1.1橡塑密封[3-10]

    1.1.1新材料和新工艺的应用

    新材料和新工艺的应用推动了橡塑密封技术的快速发展，不仅使橡胶材料拥有了良好的低摩擦性能，而且还使橡胶材料具有高强度等力学性能指标。如，20世纪70年代美国杜邦公司开发了氟弹性体Kalrez（称为全氟醚橡胶），日本大金公司和前苏联也开发出此类产品。该橡胶具有聚四氟乙烯的耐热、耐化学稳定，能耐氟溶剂以外的一切溶剂，由全氟醚橡胶加工的密封制品可以在260~290℃下长期使用，间断使用温度可达到315℃，是目前耐热性能最好的氟橡胶。特种工程弹性体（ACM、ECO、FKM、HNBR等）在特殊工况下取代NBR等低性能耐油橡胶；对橡胶表面进行低摩擦化改性处理，如喷涂PTFE氟塑料涂层或采用FEP（氟化丙烯）和PFA（全氟化合物）等氟塑料包覆橡胶来制造低摩擦、高耐磨橡胶，提高产品耐介质性能（溶剂、强酸、强碱）以及抗压和耐温等级；橡塑材料的极限化改性和纳米技术改性，可提升橡塑材料力学性能和赋予一些特殊功能。由杜邦公司研发生产的高性能全氟橡胶FFKM具有耐高温、耐燃气和强烈的化学腐蚀，弹性好，压缩永久变形低，弹性好等优点，在化工、食品、印刷、半导体等行业应用。

    与此同时，新材料和新工艺的应用也使工程塑料具有优良的摩擦学特性、化学稳定性和耐温性能，主要包括：

    (1)聚氨酯（PU）材料的高性能化：一是提高其高低温性能、压缩永久变形性能以及耐介质性能，如Parker公司的改性PU可长期耐温120℃。二是对PU进行低摩擦化改性，如Simrit公司独家推出用自润滑材料浸润获得的PU92AU21100，具良好的润滑性，耐超低温性能达到了20K（-253℃）。

    (2)聚四氟乙烯（PTFE）复合改性与应用：为了克服PTFE的某些物理性能方面的缺陷，采用PTFE材料为基体与各种有机或无机填料复合，如石墨、铜粉、碳纤维（CF）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚甲醛（POM）和聚苯硫醚（PPS）等材料复合，开发出适用于不同应用情况下的产品。膨体聚四氟乙烯是将聚四氟乙烯经拉伸、膨化后形成的具有强韧而多孔型、高度纤维化的新材料，不但保持了聚四氟乙烯本身独特的化学稳定性、极低的摩擦系数、广阔的操作温度，而且它的微纤维化内部结构更使其制品具有超乎想象的坚韧性。

    (3)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的应用：UHMWPE具有自润滑、耐磨损、耐冲击、耐溶剂、耐低温、不粘、憎水和卫生等优异性能，制造耐磨运输、设备衬里、机械零件，如推土机刮板、挖土机的内衬，自卸船货仓内衬板，用途十分广泛。

    1.1.2密封系统的新结构

    (1)新型油封[6]：该油封由Simrit公司独家推出，配备有测试密封（旋转密封）泄漏量的传感器，可用于设备泄漏的在线状态检测。

    (2)EVD智能密封[7]：该密封由Hunger公司独家推出。液压缸密封件磨损和变形后，通过一个专用装置，调节密封件（弹性体）的内部压力，自动调整密封件的压缩量，恢复密封功能。该结构可用于可靠性要求非常高的装备（如伺服液压缸、水力液压缸），已经在大型水

    电站液压系统、海洋钻井平台等密封件拆装十分复杂的场合得到应用。

    (3)SETCOAirShieldTM密封[8]：采用新型SETCOAirShieldTM密封的主轴集成了摩擦密封与迷宫式密封的优点。压缩空气切向送入固定前轴承座的循环槽，与主轴一起构成一个封闭的迷宫。当空气在槽内环绕主轴流动时，类似于涡流的运动会产生均匀的压力，散发流量均匀的气流。其与柔性密封唇结合，外泄汽流会将污物从主轴，主要是轴承处吹走。

    (4)聚四氟乙烯密封件结构创新：PTFE密封件衍生出许多新结构，应用于往复密封、旋转密封和静密封，如AQ封、PTFE-V型圈、泛塞封等。

    (5)流体动力效应结构[9]：密封件的摩擦界面上开设流体动力螺旋槽，油膜将受到槽的泵汲作用，避免了泄漏。动力槽不仅已经应用于油封，而且在往复密封件上也有应用。如NOK-Freudenberg公司的新型低摩擦聚氨酯Y型圈LF300内密封唇下部设计为波浪形摩擦界面，根部采用楔形倒角（见图2），抗缝隙挤出能力强，具有储油能力强、摩擦力小、运转平稳和密封能力强等特点，压力达到10MPa时的摩擦力较同类Y形圈要小得多。

图2NOK-Freudenberg公司的新型LF300密封

(6)计算机模拟仿真设计新结构[10,11]：通过采用有限元分析（FEA）和ANSYS等商业软件，模拟应用条件下密封件的接触应力状态，通过结构参数调整消除边缘应力集中或应力峰，使整体应力分布均匀，摩擦界面上的润滑油膜更易形成且不易挤出，因此摩擦力降低，

    耐磨性能提高，使用寿命延长。此外，计算机模拟仿真设计还可节省大量试验经费和人力、物力，大大缩短产品开发周期，提高可靠性。

1.1.3制造工艺、设备及检测技术

    目前，密封件生产装备和检测技术正朝着自动化、低成本和高可靠性的方向发展。

    (1)高效混炼设备。全自动控制的密炼机系统结合转子改型，实现了节能高效，减少了对环境的污染，同时制造出了高品质的混炼胶料。

    (2)高效、先进、高品质的橡胶注射成型加工技术。

    Parker公司生产O型圈，采用注射机做出飞边很小的产品，配合液氮冷冻修边、塑料粒修边及水石洗这三道工序，产品外观达到了相当高的水平。

    (3)先进的光学检测系统。Freudenberg等公司采用KMK公司开发的第三代新型光学检测系统，完全取代了人工检测，成功地将密封件的质量检测完全集成到生产过程中，这种图像处理系统达到了极高的检测速度和检测精度，可检测密封件表面最微小的缺陷，如裂缝、气泡、杂质和滑移线等。

    (4)国内密封件企业也引进了测量油封唇口张力为主要依据的油封检测装置，以检测气压变化测量油封唇口密封性能的气敏检测仪，具有较高的检测速率，每小时可检测1200～1800个油封。

    1.1.4模具设计与加工工艺

    (1)模具设计与生产：目前，模具设计与生产正朝信息化、数字化、无图化、精细化、自动化的方向发展，要求生产厂家既要重视设计软件的二次开发，还要具备模具型腔材料的加工流动性分析能力。

    (2)加工制造与工艺：目前我国加工制造方面已普遍采用了数控装备，专业模具制造公司已基本实现全数控化，模具精度、表观质量均达到相当高的水平，大大提高了生产效率。

    (3)一体化加工：橡塑密封模具的加工目前已经采用加工中心，这种中心集装卡、粗/精加工于一体，具有高功率、高速、高精度和高效率的特点，可一次加工五面。

    1.2机械密封

    1.2.1泵轴端新型机械密封

    (1)润滑槽密封[12]：“润滑槽”（LubricationGroove）就是在密封面上沿切线方向刻出窄槽。当流体流经密封面时，这些槽能改善流体在密封面上的压力分布，有助于保持端面间的液膜稳定并防止液膜汽化。“润滑槽”型式密封是由Flowserve公司生产的。

    (2)流体动压垫/热流体动压楔密封[13]：在动静环的任一密封面上从外缘沿径向朝里开出凹槽或企口，当密封工作时，凹槽及其周边因流体冷却产生变形较小，而远离凹槽的端面因冷却程度低而产生较大变形，因此在端面上产生周向波度而引起流体动压效应，即流体动压垫（HydrodynamicPad）。凹槽深度可以从几μm到3mm，一般为0.8～2.4mm。这种型式密封最初由Bergmann公司生产，已在循环水泵轴端密封上应用长达50年而经久不衰。

    (3)上游泵送密封[14,15]：在动静环的任一密封面的下游或低压侧上加工出螺旋槽等型槽，当密封工作时，受型槽动压效应作用很少量流体从密封面下游被泵送至上游，若该剪切流完全抵消密封面的上下游压差引起的流动时，则密封可以达到零泄漏。这类密封称为“上游泵送密封”（Up-streamPumpingSeals），由美国JohnCrane公司发明，常用于易燃、易爆、有毒和润滑性差的介质密封。

    (4)干气密封[16,17]：非接触式干气端面密封概念（Drygasfaceseal）的提出始于1969年，它是在气体润滑轴承的基础上发展起来的，其中以螺旋槽密封最为典型。

    干气密封在结构方面与普通机械密封的主要区别在于：干气密封动、静环任一密封面上精加工有均匀分布的浅槽，槽深度一般小于20μm。由于干气密封的非接触、使用寿命长，可以实现零泄漏，因此正在一些易汽化介质泵轴封上成为主流。常见型槽形式如图3所示。

    (a)JohnCrane公司干气密封（左-单向螺旋槽，右-双向螺旋槽）

    (b)JohnCrane-Timing公司干气密封（上-单向双列螺旋槽，下-双向棕树槽）

    (c)Flowsever公司干气密封（上-单向螺旋槽，下-双向T型槽）

图6螺旋式浮环密封装置示意图

    机械式密封中典型的非接触式端面密封的型式及其特征如表1所示，常见的流体动、静压及其组合密封型式如表2所示。

表1典型非接触式流体密封的型式及其特征

1.2.8机械式轴封设计理论与方法[41]

    机械密封及其辅助系统的设计是一个复杂的过程，是一个系统工程，特别是对高参数（高温、高压、高速）机械密封更是如此。设计过程一般是通过对已知条件的分析，依据确定的设计计算原则（常常选择泄漏量和流体膜刚度为设计原则），运用CAD技术，完成对机械密封的现代设计。目前，国外著名的密封公司大多拥有自主开发的机械密封设计软件，如JohnCrane公司的软件中包含了多个大型功能模块，可对密封性能进行模拟仿真，而我国在这方面的研究开发工作还只是处于起步阶段。

    目前，国外对干式气体端面密封的设计方法已日趋成熟，而湿式机械端面密封特别是液体润滑机械密封的性能预测以及设计理论与方法因涉及空化、相变、粘度等物性随温度和压力的变化、热力变形等诸多因素的耦合与解耦使研究难度更大。   

表2非接触式端面密封的型式及其特征

1.3填料密封

    1.3.1传统硬铬镀层的替代

    目前，填料密封主要应用于阀门、往复机械、液压气动装置、部分旋转机械和釜等设备，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[42,43]，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）[44]，超音速氧燃气火焰喷涂（HVOF）[45]，超音速等离子喷涂（HEPJet）[46]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。

    1.3.2填料结构、材质与组合

    确保填料密封有效工作，除了摩擦偶件表面达到一定力学指标之外，填料函形式和填料也是非常重要的因素。

    (1)填料函：为避免结构不连续产生应力集中，导致相邻密封产生微动磨损和剧烈温升，要求填料函结构上要采用圆角过渡形式。

    (2)填料材质：以往的填料材质主要选用聚四氟乙烯、柔性石墨和石棉石墨盘根等，限于环保要求，石棉产品逐渐退出市场，目前已经开发并应用了一些性能优异的材料作为填料。比如，氟硅氧烷（FSR）在低温下具有良好弹性和延展性，而在高温下性能保持力强；纳

    米颗粒填充PTFE赋予PTFE良好的综合摩擦性能；超高分子量聚乙烯UHWPE具有很强的抗磨能力，填充改性可以提高其耐热性；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[37,47,48]。

    (3)填料组合：实践证明，在同一密封腔内填充单一填料的使用寿命一般比填充多种填料短，填料的组合形式对密封的耐磨性能、密封性产生大的影响。

    (本文作者：1.浙江工业大学机械工程学院彭旭东；2.清华大学机械设计工程研究所王玉明；3.广州机械科学研究院黄兴；4.合肥通用机械研究院李鲲）