1、过程装备流体动密封技术过程装备流体动密封技术(Dynamic Sealing Technology for Process Equipment)主讲人主讲人:郝木明郝木明 孙鑫晖孙鑫晖实现以人为本实现以人为本健康健康安全安全环保环保经济经济现代化生产新理念现代化生产新理念讲授内容讲授内容一、流体动密封基本类型一、流体动密封基本类型 二、填料密封技术二、填料密封技术三、接触式机械密封技术三、接触式机械密封技术 四、非接触式机械密封技术四、非接触式机械密封技术五、流阻型密封技术五、流阻型密封技术六、动力反输型密封技术六、动力反输型密封技术七、封闭式密封技术七、封闭式密封技术二、填料密封技术二、填料
2、密封技术v填料密封填料密封：v软填料密封；软填料密封；v硬填料密封（活塞环、分瓣环、锥形环）；硬填料密封（活塞环、分瓣环、锥形环）；v成型填料密封（成型填料密封（O O形圈、形圈、V V形圈等）；形圈等）；v油封和防尘密封。油封和防尘密封。v软填料密封：压盖填料（软填料密封：压盖填料（Gland Packing)Gland Packing)密封、密封、盘根（盘根（Packing)Packing)密封。密封。：v旋转运动：离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜。旋转运动：离心泵、真空泵、搅拌机、反应釜。v往复运动：往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞往复运动：往复泵、往复压缩机的柱塞或活塞杆。杆。v螺旋运动：
3、阀门的阀杆与阀座。螺旋运动：阀门的阀杆与阀座。(一一)、软填料密封技术、软填料密封技术(一一)、软填料密封技术、软填料密封技术1.1.软填料密封基本原理软填料密封基本原理 1.1 1.1 引言引言 1.2 1.2 软填料密封的原理软填料密封的原理 1.3 1.3 软填料密封的结构设计软填料密封的结构设计2.2.软填料密封材料软填料密封材料 2.1 2.1 软填料的分类、材料种类和结构软填料的分类、材料种类和结构 2.2 2.2 软填料常用材料软填料常用材料 2.3 2.3 填料的选择、安装和使用填料的选择、安装和使用3.3.软填料密封与机械密封对比软填料密封与机械密封对比4.4.软填料密封的发
4、展趋势软填料密封的发展趋势1.1.软填料密封基本原理软填料密封基本原理 1.1 1.1 密封结构密封结构 1.2 1.2 软填料密封的原理软填料密封的原理 1.3 1.3 软填料密封结构的设计软填料密封结构的设计1.1 1.1 基本结构基本结构1.2 1.2 软填料密封的原理软填料密封的原理v流体通过软填料密封泄漏的机理分析流体通过软填料密封泄漏的机理分析：v存在动力：即压力差、浓度差，或沿泄漏方向有存在动力：即压力差、浓度差，或沿泄漏方向有相对运动；相对运动；v存在泄漏通道。存在泄漏通道。：v通过填料与静止件界面的泄漏通过填料与静止件界面的泄漏v通过填料本身的泄漏（渗透泄漏）通过填料本身的泄
5、漏（渗透泄漏）v通过填料与运动界面之间的泄漏通过填料与运动界面之间的泄漏泄漏机理泄漏机理v间隙泄漏机理：流体狭逢流动规律间隙泄漏机理：流体狭逢流动规律v多孔隙泄漏机理多孔隙泄漏机理v粘附泄漏机理（往复运动）粘附泄漏机理（往复运动）v动力泄动力泄漏机理漏机理（旋转运动）（旋转运动）21221233UhLphDQUhdxdphbQp0ap0bdp0cp0油被带入收敛形狭缝油被挤入 O 行圈第一凹处图 4.16 往复运动中橡胶 O 形圈的泄漏a.介质压力作用于 O 形圈的一侧 b.放大的接触部位c.油被带入收敛形狭缝 d.油被挤入 O 形圈第一凹处v转轴密封表面上留有的螺旋形加工痕迹，具有转轴密封表
6、面上留有的螺旋形加工痕迹，具有“泵液泵液”作用，当轴转动时，痕迹槽内的液体沿螺旋槽轴向流动，作用，当轴转动时，痕迹槽内的液体沿螺旋槽轴向流动，如果流动方向与泄漏方向一致，则轴的转动造成了流体如果流动方向与泄漏方向一致，则轴的转动造成了流体泄漏率的增加，且随转速的增高，泄漏加剧。这一泄漏泄漏率的增加，且随转速的增高，泄漏加剧。这一泄漏机理即为动力泄漏。机理即为动力泄漏。密封机理的定性分析密封机理的定性分析：利用软填料密封有效地解决工业生产中遇：利用软填料密封有效地解决工业生产中遇到的密封问题，必须实现有效密封，即要求泄漏率尽到的密封问题，必须实现有效密封，即要求泄漏率尽可能小，同时必须考虑摩擦、
7、磨损和寿命问题。可能小，同时必须考虑摩擦、磨损和寿命问题。v密封机理定性分析：密封机理定性分析：v尽量小的密封泄漏间隙；尽量小的密封泄漏间隙；v良好的润滑性能；良好的润滑性能；v软填料密封机理的软填料密封机理的“轴承效应轴承效应”和和“迷宫效应迷宫效应”辨析。辨析。v从流体通过软填料密封泄漏的机理分析可以看出，只要存从流体通过软填料密封泄漏的机理分析可以看出，只要存在间隙、存在泄漏通道，就会产生泄漏。在间隙、存在泄漏通道，就会产生泄漏。v密封本质：利用密封填料柔软特性、在轴向压紧力的作用密封本质：利用密封填料柔软特性、在轴向压紧力的作用下径向膨胀阻塞可能存在的流体泄漏通道。下径向膨胀阻塞可能存
8、在的流体泄漏通道。v为达到有效密封而要求填料柔软且富有弹性。为达到有效密封而要求填料柔软且富有弹性。使使其变形后能较易填塞密封界面的微观泄漏通道，且摩擦功其变形后能较易填塞密封界面的微观泄漏通道，且摩擦功耗低；耗低；可以补偿因体积损失引起的应力松弛，可以补偿因体积损失引起的应力松弛，以降低轴不圆度及偏摆对密封作用的不利影响。以降低轴不圆度及偏摆对密封作用的不利影响。尽量小的密封泄漏间隙尽量小的密封泄漏间隙良好的润滑性能良好的润滑性能是保证密封长周期运行的必要条件，同时是保证密封长周期运行的必要条件，同时使密封具有较低的摩擦功耗和磨损速率。使密封具有较低的摩擦功耗和磨损速率。v为保证良好的润滑条
9、件，通常允许少量的泄漏存在。对于为保证良好的润滑条件，通常允许少量的泄漏存在。对于一般的填料（不包括具有自润滑性能的填料）只是对流体一般的填料（不包括具有自润滑性能的填料）只是对流体的流动泄漏起节流作用而不是将其完全阻止或封闭。的流动泄漏起节流作用而不是将其完全阻止或封闭。v填料中浸渍润滑剂或提高填料本身的自润滑能力就是为了填料中浸渍润滑剂或提高填料本身的自润滑能力就是为了保证填料具有良好的润滑性能。保证填料具有良好的润滑性能。“轴承效应轴承效应”和和“迷宫效应迷宫效应”辨析辨析v软填料装入密封腔后，经压盖对其作轴向压缩，产生径向软填料装入密封腔后，经压盖对其作轴向压缩，产生径向力并保持与轴紧
10、密接触，建立起密封状态。同时，填料中力并保持与轴紧密接触，建立起密封状态。同时，填料中浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成液膜，呈浸渍的润滑剂被挤出，在接触面之间形成液膜，呈“边界边界润滑润滑”状态，类似滑动轴承，故称为状态，类似滑动轴承，故称为“”。v ：在典型的密封装：在典型的密封装置中，流体流经很小的间隙，对于填料就像润滑剂的作用置中，流体流经很小的间隙，对于填料就像润滑剂的作用一样。当密封构件配合过紧时，流体流不进去，填料就会一样。当密封构件配合过紧时，流体流不进去，填料就会干转，除非润滑剂由别的方法来提供，干转，除非润滑剂由别的方法来提供，否则填料就会发热、否则填料就会发热、变硬，并
11、划伤轴，和轴承的破坏一样。变硬，并划伤轴，和轴承的破坏一样。v“：填料压紧后，未接触的凹部形成小沟槽，：填料压紧后，未接触的凹部形成小沟槽，有较厚的液膜，当轴与填料有相对运动时，接触部分与有较厚的液膜，当轴与填料有相对运动时，接触部分与非接触部分组成一道道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏非接触部分组成一道道不规则的迷宫，起阻止液流泄漏的作用，并认为良好的密封在于维持的作用，并认为良好的密封在于维持“迷宫效应迷宫效应”。不。不少作者都支持这一观点。少作者都支持这一观点。：众所周知，气体迷宫密封的原理是气体通过密封：众所周知，气体迷宫密封的原理是气体通过密封齿和膨胀空腔，依靠节流、膨胀和涡流摩擦使速度
12、能转齿和膨胀空腔，依靠节流、膨胀和涡流摩擦使速度能转换成摩擦耗能而实现逐级降压达到密封。换成摩擦耗能而实现逐级降压达到密封。而填料密封中而填料密封中微观不平度构成的所谓微观不平度构成的所谓“迷宫迷宫”，很难有这种降压作用，很难有这种降压作用。v实际上，恰恰相反，实际上，恰恰相反，。v早在早在2020世纪世纪6060年代，年代，D F DennyD F Denny等就提到过，等就提到过，“填料函的填料函的操作像一个可调整的迷宫，迷宫的大小，决定于填料在操作像一个可调整的迷宫，迷宫的大小，决定于填料在轴向力作用下径向膨胀的能力，流体通过填料界面的泄轴向力作用下径向膨胀的能力，流体通过填料界面的泄漏
13、可以认为是通过一个有效径向间隙为漏可以认为是通过一个有效径向间隙为CrCr的环隙，以层的环隙，以层流的形式实现。间隙由无数类似迷宫的泄漏通道所组成，流的形式实现。间隙由无数类似迷宫的泄漏通道所组成，间隙的大小反比于密封比压间隙的大小反比于密封比压”。显然，这里提到的。显然，这里提到的“迷迷宫宫”，正是为流体泄漏提供的泄漏通道。，正是为流体泄漏提供的泄漏通道。v关于密封机理的研究，不像一种具体的新填料或新结构关于密封机理的研究，不像一种具体的新填料或新结构那样容易产生明显的直接效果，但却是那样容易产生明显的直接效果，但却是。密封机理的力学特性分析密封机理的力学特性分析v应力特征：径向应力分布应力
14、特征：径向应力分布v流体压力分布流体压力分布v摩擦力和摩擦力矩摩擦力和摩擦力矩v泄漏率泄漏率v磨损与润滑磨损与润滑应力特征：径向应力分布应力特征：径向应力分布1122221 122()exp()()()()exp()()()()exp()4()agriaaroaaxxxKxKxxxKxKxxK f dK f DDd221 122()/4()()aaDddxK f dK f Dx dx流体压力分布流体压力分布121/)2exp()exp()()exp()()()exp()()(KLpLxLxKxLLKLggaaorari摩擦力和摩擦力矩摩擦力和摩擦力矩2/)/exp()/exp()()/exp(
15、)(0dFMdxtfKxdKfFdxdtfKxKfdxdxfdFtfKxKxttLgctgcrctgr软填料密封泄漏率软填料密封泄漏率00203005.0/)5.11(12QQheQQLhpdQte为保证密封，理论上，填料底部的径向压力为保证密封，理论上，填料底部的径向压力 密封介质压力。密封介质压力。介质压力分布与径向压力相反，密封力没有发挥作用，反而相介质压力分布与径向压力相反，密封力没有发挥作用，反而相反地对轴起磨损作用有时甚至烧轴，此乃填料密封的最大缺点，反地对轴起磨损作用有时甚至烧轴，此乃填料密封的最大缺点，在一般情况下很难避免。在一般情况下很难避免。介质侧大气侧介质压力轴向分布密封
16、压力轴向分布密封压力不断下降压力p位移x图图 软填料密封压力分布软填料密封压力分布软填料密封的磨损与润滑软填料密封的磨损与润滑1.3 1.3 软填料密封结构设计软填料密封结构设计v径向应力分布均匀，且与泄漏介质压力分布规律一致；径向应力分布均匀，且与泄漏介质压力分布规律一致；v考虑冷却和润滑措施，及时带走摩擦热；考虑冷却和润滑措施，及时带走摩擦热；v设置自动补偿装置（降低应力松弛）；设置自动补偿装置（降低应力松弛）；v装拆方便（集装式、箱体剖分等）；装拆方便（集装式、箱体剖分等）；v防止填料挤出（隔环、组合式填料等）；防止填料挤出（隔环、组合式填料等）；v防止腐蚀或磨蚀；防止腐蚀或磨蚀；v体现
17、上述思想的一些新结构。体现上述思想的一些新结构。v填料函主要结构尺寸（图填料函主要结构尺寸（图4-94-9，根据有关标准确定）。，根据有关标准确定）。填料的组合安装填料的组合安装一些新型填料函结构一些新型填料函结构填料函的结构尺寸填料函的结构尺寸HDnBnpBd和填料函尺寸、填料圈数介质压力填料宽度轴径2.2.软填料密封材料软填料密封材料v2.1 2.1 软填料的分类、材料种类和结构软填料的分类、材料种类和结构v2.2 2.2 软填料常用材料软填料常用材料 v2.3 2.3 填料的选择、安装和使用填料的选择、安装和使用2.1 2.1 软填料的分类、结构和材料软填料的分类、结构和材料v按按：阀门
18、用填料、离心泵用填料、往复压缩机用填：阀门用填料、离心泵用填料、往复压缩机用填料。料。v按按：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料和金属填：橡胶、天然纤维填料、合成纤维填料和金属填料等。料等。v按按：绞合填料、编结填料、叠层填料和模压填：绞合填料、编结填料、叠层填料和模压填料。（图料。（图4-24-2）v其中的编结填料按编织方式又分为：夹心套层式编结填其中的编结填料按编织方式又分为：夹心套层式编结填料、发辫式编结填料、穿心式编结填料。（图料、发辫式编结填料、穿心式编结填料。（图4-34-3）分类与结构：分类与结构：按加工方式分类的填料结构型式按加工方式分类的填料结构型式编结填料结构编结填料结构软填
19、料材料组成软填料材料组成：v橡胶：天然橡胶、合成橡胶（橡胶：天然橡胶、合成橡胶（NBRNBR、CRCR、SBRSBR、EPDMEPDM）；）；v纤维：矿物类（石棉、柔性石墨）；纤维：矿物类（石棉、柔性石墨）；v植物类（棉花、麻）；植物类（棉花、麻）；v动物类（皮革、毛发）；动物类（皮革、毛发）；v合成类（人造丝、各种合成纤维）。合成类（人造丝、各种合成纤维）。：金属、润滑剂、防腐蚀剂：金属、润滑剂、防腐蚀剂 2.2 2.2 软填料常用材料软填料常用材料v（1 1）编织填料）编织填料v亚麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯（亚麻填料、石棉填料、聚四氟乙烯（PTFE)PTFE)填料、膨胀填料、膨胀PTFE
20、/PTFE/石墨填料、芳纶纤维填料、玻璃纤维填料、碳素纤石墨填料、芳纶纤维填料、玻璃纤维填料、碳素纤维填料、石墨纤维填料。维填料、石墨纤维填料。v（2 2）柔性石墨填料）柔性石墨填料v（3 3）金属软填料）金属软填料v亚麻填料亚麻填料v亚麻纤维是人类最早使用的天然植物纤维。距今已有亚麻纤维是人类最早使用的天然植物纤维。距今已有1 1万万年以上的历史。亚麻纤维是一种稀有天然纤维，仅占纤年以上的历史。亚麻纤维是一种稀有天然纤维，仅占纤维总量的维总量的1.51.5。由于它的天然、古老、高贵和优质，被。由于它的天然、古老、高贵和优质，被人们称为人们称为“纤维皇后纤维皇后”。v亚麻植物为一年生植物，有二
21、大品种：纤维用亚麻、油亚麻植物为一年生植物，有二大品种：纤维用亚麻、油用亚麻。纤维用亚麻径杆高，不分枝，籽房油少。用亚麻。纤维用亚麻径杆高，不分枝，籽房油少。v亚麻填料由长纤维亚麻捻成粗线并加以编织，然后浸渍亚麻填料由长纤维亚麻捻成粗线并加以编织，然后浸渍不同的润滑剂而成。可满意地使用在中低压力（不同的润滑剂而成。可满意地使用在中低压力（1.6 1000q1000qq(5ml/h)q(5ml/h)使用寿命使用寿命2 23 3个月个月1 1年以上年以上摩擦功耗摩擦功耗大（为机封的大（为机封的1010倍以上）倍以上）小小轴套磨损轴套磨损有有无无密封稳定性密封稳定性低低高高适用范围适用范围静密封、动
22、密封静密封、动密封(包括包括旋转、往复、螺旋旋转、往复、螺旋)旋转动密封旋转动密封结构形式结构形式简单简单复杂复杂更换、维修更换、维修容易容易困难困难密封压力密封压力低低高一超高高一超高低低高高使用温度使用温度低低高一超高高一超高低低中中适用流体适用流体几乎所有流体几乎所有流体有所限制有所限制突发性事故突发性事故少少多多价格价格低低高高加工质量要求加工质量要求低低高高性能价格比性能价格比低低高高4.4.软填料密封的发展趋势软填料密封的发展趋势v软填料密封作为一种古老的密封形式，在现在密封技术领域软填料密封作为一种古老的密封形式，在现在密封技术领域仍占有相当重要的地位。仍占有相当重要的地位。v尽
23、管有其泄漏严重、寿命短等缺撼，但其结构简单、操作更尽管有其泄漏严重、寿命短等缺撼，但其结构简单、操作更换方便，填料材料来源广泛，加工容易、成本较低、适用范换方便，填料材料来源广泛，加工容易、成本较低、适用范围广、密封可靠，尤其近二十多年来，新结构、新材料陆续围广、密封可靠，尤其近二十多年来，新结构、新材料陆续开发、推广，使人们又开始重视填料密封的研究开发；填料开发、推广，使人们又开始重视填料密封的研究开发；填料密封在一些场合甚至可与机械密封相匹敌。密封在一些场合甚至可与机械密封相匹敌。v可见，有必要深入广泛地从事填料密封的研究探讨。可见，有必要深入广泛地从事填料密封的研究探讨。v其发展趋势主要
24、表现在如下几个方面：其发展趋势主要表现在如下几个方面：4.4.软填料密封的发展趋势软填料密封的发展趋势v.填料密封机理、密封理论的发展、完善填料密封机理、密封理论的发展、完善v尽管有些学者对软填料密封机理作了大量研究工作，提出了尽管有些学者对软填料密封机理作了大量研究工作，提出了较为可信的密封理论，如较为可信的密封理论，如DennyDenny和和Turnbull(1960)Turnbull(1960)提出的提出的“填料底部侧向压力大于密封介质压力是密封可靠的先决条填料底部侧向压力大于密封介质压力是密封可靠的先决条件件”的传统观点；的传统观点；Thomson(1958)Thomson(1958)
25、提出的提出的“自动调节理论自动调节理论”，这些理论对以后填料密封的研究和发展起一定的作用，但以这些理论对以后填料密封的研究和发展起一定的作用，但以上理论的提出是在静态条件下提出的，即缺乏可信的理论依上理论的提出是在静态条件下提出的，即缺乏可信的理论依据，又缺乏充分的实验证明，未能充分提示填料密封的密封据，又缺乏充分的实验证明，未能充分提示填料密封的密封机理。机理。v应当基于软填料密封真实的工作状态，探讨填料密封的动态应当基于软填料密封真实的工作状态，探讨填料密封的动态特性，尤其是密封填料的基本动力特性（如应力松弛、回弹特性，尤其是密封填料的基本动力特性（如应力松弛、回弹性能、弹塑特性对密封动力
26、特性的影响，摩擦、磨损特性及性能、弹塑特性对密封动力特性的影响，摩擦、磨损特性及其众多的影响因素，从而进入定量分析阶段，并用于指导工其众多的影响因素，从而进入定量分析阶段，并用于指导工程设计、使用，以提高其密封性能和使用周期。程设计、使用，以提高其密封性能和使用周期。4.4.软填料密封的发展趋势软填料密封的发展趋势v.新型组合填料、复合填料的开发、使用新型组合填料、复合填料的开发、使用v组合填料是几种填料的匹配组合，根据填料密封稳定性和可组合填料是几种填料的匹配组合，根据填料密封稳定性和可靠性的研究结果，任何一种形式的密封填料不论性能如何优靠性的研究结果，任何一种形式的密封填料不论性能如何优良
27、，都难以具有综合优异的基本特性；这就需要使两种以上良，都难以具有综合优异的基本特性；这就需要使两种以上的填料组合使用，借以扬长避短，发挥各自的优势。的填料组合使用，借以扬长避短，发挥各自的优势。v复合填料是由两种以上的材料复合制成的塑料，其目的是材复合填料是由两种以上的材料复合制成的塑料，其目的是材料的优良性能综合在一起，使填料具备综合优良的基本特性，料的优良性能综合在一起，使填料具备综合优良的基本特性，尤其是动力特性、摩擦磨损特性等，以提高密封的稳定性和尤其是动力特性、摩擦磨损特性等，以提高密封的稳定性和可靠性。可靠性。v.集装式填料密封的研制、开发集装式填料密封的研制、开发v集装式填料密封不仅仅是出于装配方面的考虑，而应是新型集装式填料密封不仅仅是出于装配方面的考虑，而应是新型材料、组合填料的使用、缓冲补偿机构、新型结构及辅助系材料、组合填料的使用、缓冲补偿机构、新型结构及辅助系统的综合体现。统的综合体现。重点内容重点内容n 软填料密封的工作原理；软填料密封的工作原理；n 软填料密封结构设计的基本要求；软填料密封结构设计的基本要求；n 软填料密封与机械密封对比的优缺点软填料密封与机械密封对比的优缺点。back
