柔性石墨_编织盘根组合填料密封性能试验研究 6页

2014年12月第39卷第12期润滑与密封LUBＲICATIONENGINEEＲINGDec.2014Vol.39No.12DOI:10.3969/j.issn.0254－0150.2014.12.025柔性石墨/编织盘根组合填料密封性能试验研究*励行根1王成林2沈明学3励勇1励洁1彭旭东3(1.宁波天生密封件有限公司浙江宁波315302;2.中核核电运行管理有限公司一厂浙江海盐314300;3.浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心浙江杭州310032)檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿摘要:在新型填料密封和摩擦学性能试验机上，进行柔性石墨/编织盘根组合填料的往复运动试验，考察填料的密封性能和摩擦学性能，考察轴向应力、石墨环截面形状和密度对组合填料密封性能和摩擦学性能的影响。结果表明:随着轴向应力的增加，组合填料的泄漏率有所下降，但摩擦力会显著上升，填料的磨损加剧、密封寿命大大缩短;优化柔性石墨环的截面形状能改善组合填料的综合性能，V型石墨环填料的密封性能和摩擦学性能均明显优于平口石墨环;柔性石墨环的密度对组合填料的密封性能和摩擦学性能也有重要影响，具有密度梯度的石墨环组合填料性能优于等密度石墨环填料。对于等密度的石墨环组合填料，推荐使用密度为1.5g/cm3左右。关键词:组合填料;柔性石墨环;编织盘根;密封性能;摩擦学性能中图分类号:TB42文献标识码:A文章编号:0254－0150(2014)12－119－6StudyonSealingPerformanceofCombinedPackingofFlexibleGraphiteＲingandBraidedPackingＲingLiXinggen1WangChenglin2ShenMingxue3LiYong1LiJie1PengXudong3(1.NingboTianshengSealingPackingCo.，Ltd.，NingboZhejiang315302，China;2.QinshanNPPPhaseI，CNNCNuclearPowerOperationsandManagementCo.Ltd.，HaiyanZhejiang314300，China;3.EngineeringＲesearchCenterofProcessEquipmentandItsＲemanufacture，MinistryofEducation，ZhejiangUniversityofTechnology，HangzhouZhejiang310032，China)Abstract:Thesealingandtribologicalpropertiesofcombinedpackingofflexiblegraphiteringandbraidedpackingringwereinvestigatedthroughreciprocatingmotiontestsonanewtestingrig．Theeffectsofaxialstress，cross-sectionshapeanddensityofflexiblegraphiteringonsealingandtribologicalpropertieswereanalyzed．Theresultsshowthattheleakageratioofcombinedpackingisdecreasedsignificantlywiththeincreaseofaxialstress，butthefrictionforceisincreasedmarkedlyandresultsinacceleratedwearprocess，thustheservicelifeofthepackingisgreatlyshortened．Thecomprehensiveper-formancesofcombinedpackingcanbeimprovedbyoptimizingthecross-sectionshape，andV-shapegraphitepackinghasbettersealingandtribologicalpropertiesthanflatshapegraphitepacking．Thecombinedpackingwithagradeddensityhasbettersealingandtribologicalpropertiesthanthecombinedpackingwiththesamedensity．Forthecombinedpackingwiththesamedensity，therecommendeddensityvalueofgraphiteringis1.5g/cm3．Keywords:combinedpacking;flexiblegraphitering;braidedpacking;sealingperformance;tribologicalproperty随着航空航天、核工业、国防科技、石化工业的发展，当今密封问题所涉及的广度和深度已远远超出防止“跑、冒、滴、漏”的狭隘范围，诸如高温及超高温、低温及超低温、高压、高速、高真空以及强腐蚀等苛刻工况对密封填料提出了更高的要求［1－2］。*基金项目:大型先进压水堆核电重大专项支撑项目(ZB02K01A)．收稿日期:2014－05－19作者简介:励行根(1962—)，男，学士，高级工程师，从事流体密封技术研究与密封新产品研发．E-mail:info@tiansh-eng.com．柔性石墨具有压缩回弹性高、应力松弛小、耐高温及耐腐蚀性强等显著优点，是一种替代石棉填料的理想填料密封材料［3－4］。为防止柔性石墨向阀杆两端和填料函间隙挤出，工程上常采用金属丝增强柔性石墨编织盘根或碳纤维编织盘根等作为上下端环，柔性石墨环作为密封主体的组合式填料［1，5］。目前，这种组合填料已广泛应用于各种泵阀、往复式压缩机、反应釜、船舶螺旋浆等作往复运动或回转运动的轴密封。填料密封是依靠密封材料良好的压缩性，通过拧紧压盖给填料密封环一定的轴向力使填料沿径向胀开，从而使密封环的内外两个面分别与轴、填料箱表 120润滑与密封第39卷面紧密贴合并产生足够的径向力来达到阻止流体泄漏的一种动密封形式［5－7］。填料密封工作时，填料与轴、填料箱间直接接触，在往复或旋转运动中会发生摩擦磨损，其中填料和杆件这对摩擦副是影响填料密封可靠性、耐久性和稳定性的主要因素［8］。一方面，填料的磨损会增加填料与轴/阀杆之间的环形间隙进而引起介质的泄漏，缩短填料的密封寿命;另一方面，摩擦力的大小直接关系到设备运行过程中的可操作性及能耗问题。现场使用石墨类填料的抽油机单机平均功耗仅为0.07kW，约为普通橡胶密封能耗的1/10［9］。然而，迄今国内外针对填料开展的相关研究报道较少，组合填料的密封性能和摩擦学特性尚不明确［4，8，10－12］。本文作者研究了柔性石墨/编织盘根组合填料的密封性能和摩擦学行为，系统考察了组合填料轴向应力、石墨环密度、截面形状等的影响，探讨了组合填料的密封机制，为提高组合填料的密封性能和使用寿命提供了理论指导。1试验材料和方法1.1填料的结构及规格为了减少填料对阀杆的摩擦和磨损、提高填料的密封性能，实际使用时通常取5～7个填料环［1］。试验用组合填料由2个Inconel合金丝增强柔性石墨编织盘根(45.6mm×30mm×11mm)的上下端环、3个柔性石墨环(45.6mm×30mm×10mm)作为中心的密封主体组合而成，测试样品由宁波天生密封件有限公司提供。组合填料的基本结构及其主要结构参数见图1，组合填料的密封主体有平口和V型2种石墨环，为避免盘根对试验结果的影响，所有试验均采用相同工艺和材质的同批次盘根。柔性石墨选用核级石墨，其主要技术参数见表1。图1组合填料结构示意图(mm)Fig1Schematicofthestructureofcombinedpacking(mm)表1组合填料用柔性石墨主要技术参数Table1Maintechnicalparametersofflexiblegraphiteusedincombinedpacking检测项目成型前密度ρ/(g·cm－3)抗拉强度σb/MPa压缩率/%回弹率δ%灰分w/%碳含量w/%氯含量c/(μg·g－1)硫含量c/(μg·g－1)指标要求0.9±0.1≥4.5≥41≥9＜0.5＞99.5＜30＜200实际值0.995.053.812.40.2699.6324701.2试验设备试验在自行研制的新型填料密封/摩擦学性能试验机上进行，该装置的结构示意图如图2所示。图2阀杆填料密封/摩擦学性能试验装置示意图Fig2Schematicofthetestdeviceofvalvestempackingonthesealingandtribologicalperformance 2014年第12期励行根等:柔性石墨/编织盘根组合填料密封性能试验研究121组合填料安装于填料函内，并由螺栓紧固压盖提供所需的轴向应力(通过螺栓扭矩可换算得到压盖施加在填料上的轴向应力［1］)，阀杆(其表面粗糙度为Ｒa0.4μm)由驱动装置牵引作往复运动，从而真实地模拟阀的打开与闭合过程。试验过程中，填料的泄漏率由氦质谱检漏仪(型号SFJ-211，分辨率为1×10－12Pa·m3/s)测得;数据采集控制系统控制阀杆驱动装置作预定行程、速度下的往复运动并实时记录泄漏率和摩擦力。1.3试验方法及参数试验时，往复行程l取80m，线速度v设为6.4mm/s，往复运动周次N=1～1000次，单侧螺栓扭矩T依次取10、15、20、25N·m，对应的轴向应力σ依次为15、22.5、30、37.5MPa。安装填料前阀杆用二甲苯和丙酮清洗，以去除表面残留的石墨等污染物。填料按图1所示组合方式叠加，装入填料后将螺栓拧紧至所需轴向比压σ的扭矩值T，开机预运行5个往复循环后再拧紧螺栓至扭矩值T，按上述方法重复3次后开始试验。用分析天平(型号FA2004，精度0.1mg)称量试验前后的每组填料，得到磨损量。相同参数下的每组试验重复3次，取平均值，以消除试验偶然性带来的误差。2结果与讨论2.1轴向比压对密封性和摩擦学特性的影响2.1.1泄漏率对比如前所述，压缩填料轴向受载后沿径向胀开，并在填料函和阀杆两密封面间形成一定的接触应力而达到密封效果［1］。因此，轴向比压对压缩填料的密封性能有重要影响。图3示出了不同轴向比压下组合填料泄漏率随循环次数的变化。图3不同轴向比压下组合填料的泄漏率随循环次数的变化Fig3Variationofleakagerateofcombinedpackingwithnumberofcycleunderdifferentaxialpressures由图3可以看出:随着轴向比压的增加组合填料的泄漏率明显降低，如轴向比压从15MPa增加到30MPa时泄漏率降低了近2个数量级;较高的轴向比压将大大降低填料的泄漏，如轴向比压为30MPa时500次往复循环后填料的泄漏率为1.8×10－9Pa·m3/s，但10MPa时50次左右的往复循环就已达到该泄漏值。这是由于随着轴向比压的提高，密封面的接触应力也相应增加，从而有效降低了填料的泄漏率。2.1.2摩擦力对比图4所示为不同轴向比压下组合填料的摩擦力随循环次数的变化。可以看出:轴向比压越大填料的摩擦力也越大;由于填料函和阀杆的热膨胀、石墨层转移到阀杆后的黏着效应等影响［1］，在较低的轴向应力下(轴向应力σ＜37.5MPa)，摩擦力基本呈缓慢爬升趋势且总体相对稳定，而在过高的轴向应力下(如轴向应力σ=37.5MPa)，摩擦力呈先迅速下降后持续上升的阶段，试验观察发现在摩擦力上升的阶段伴随着明显的摩擦噪声并且设备伴有轻微的抖动。这表明过高的轴向应力会引起摩擦力的显著上升，因此填料在实际使用中轴向比压不能太大。图4不同轴向比压下组合填料的摩擦力随循环次数的变化Fig4Variationoffrictionforceofcombinedpackingwithnumberofcycleunderdifferentaxialpressures2.1.3填料磨损量对比图5示出了不同轴向应力下N=1000个循环周次后的磨损量，可知:当轴向应力σ＜30MPa时，组合填料的磨损量随轴向应力基本呈线性递增关系;当轴向应力σ=37.5MPa时，磨损量大幅增加。此外，从图中的误差棒也可以看出:轴向应力σ=37.5MPa时，相同试验参数下重复试验获取的磨损量相差较大。这可能由于填料在往复运动过程中伴随的摩擦振动与噪声加剧了填料的磨损。而磨损越严重填料与轴/阀杆之间的环形间隙则越大，从而引起填料泄漏率上升。这可能也是图3中轴向应力σ=37.5MPa时泄漏率持续上升的原因。 122图5不同轴向应力下组合填料的磨损量(N=1000)Fig5Wearmasslossofcombinedpackingunderdifferentaxialstresses(N=1000)润滑与密封第39卷由图6可以看出:在试验初期，V型石墨环填料的泄漏率高于平口石墨环填料;但随着循环次数的增加，在不同轴向应力下V型石墨环填料的密封性能均优于平口石墨环填料。2.2.2平口与V型填料的摩擦力对比图7示出了平口和V型石墨环填料在22.5和30MPa轴向应力下摩擦力随循环次数的变化。可知:2种填料的摩擦力随循环次数的变化规律相似，但V型石墨环填料的摩擦力远小于平口石墨环填料。显然，受柔性石墨有限的可压缩性的影响，填料轴向比压的提高受到限制，更重要的是提高轴向比压会使接触界面上的摩擦力上升并加剧填料及其对磨副的磨损，从而进一步增加设备运行的能耗［9］、缩短填料的密封寿命［5］。因此，填料在安装时需要选择适宜的轴向应力或者螺栓扭矩，如试验研究的上述填料的最佳轴向应力约为30MPa。2.2密封主体截面形状对密封性能和摩擦学特性的影响2.2.1平口与V型填料的泄漏率对比通过密封主体截面形状的优化可以改变填料侧向应力的分布进而提高其密封性能［1］。分别选取平口石墨环和V型石墨环作为组合填料的密封主体进行对比试验，在22.5和30MPa轴向应力下考察组合填料泄漏率随循环次数的变化，结果如图6所示。图6平口与V型石墨环组合填料泄漏率随循环次数的变化Fig6VariationofleakageratewithnumberofcycleforthecombinedpackingwithflatandV-shapedgraphiterings图7平口与V型石墨环组合填料摩擦力随循环次数的变化Fig7VariationoffrictionforcewithnumberofcycleforthecombinedpackingwithflatandV-shapedgraphiterings综上所述，V型石墨环填料的密封性能和摩擦学性能均明显优于平口石墨环。这主要是由于V型石墨环受到轴向应力后V型附近优先沿径向胀开，形成局部高应力的环形区域，而远离V型的密封面接触应力较小，从而建立了近似“迷宫密封”的效应。此外，V型的局部优先胀开也有利于底层填料的压实和沿径向扩胀。2.3密封主体密度对密封性能和摩擦学特性的影响据前面的分析可知，压缩填料在预紧过程中填料被不断密实，其平均密度逐渐上升但其分布具有沿轴向由压盖向内逐渐减小的趋势。因此，预紧前后填料的密度对密封性能和轴向摩擦力也有重要的影响。 2014年第12期励行根等:柔性石墨/编织盘根组合填料密封性能试验研究1232.3.1石墨环密度对泄漏率的影响通常组合填料中石墨环成型后的密度ρ在1.4～1.6g/cm3之间时填料性能较好。据此，选取3种不同密度(分别为1.4、1.5、1.6g/cm3)的4种不同组合方式(包括3种相同密度和1种密度逐渐递增的组合方式)的石墨环填料进行试验，考察石墨环密度对密封性能的影响，结果如图8所示。可以看出:具有密度梯度的组合填料密封性能较好;而在3种具有相同密度的石墨环组合填料中，密度为1.5g/cm3的组合填料的密封性能最佳。图8石墨环密度对泄漏率的影响(σ=30MPa)Fig8Effectofthedensityofgraphiteringonleakagerate(σ=30MPa)2.3.2石墨环密度对摩擦力的影响图9示出了不同石墨环密度的组合填料摩擦力随循环次数的变化。可以看出:密度为1.5g/cm3的石墨环组合填料摩擦力最稳定且较小;具有密度梯度的填料其摩擦力在前期(N＜500)比具有相同密度的石墨组合填料均要小，随后其摩擦力保持缓慢增加，最终摩擦力介于密度为1.4g/cm3和1.5g/cm3的石墨环组合填料之间。图9石墨环密度对摩擦力的影响(σ=30MPa)Fig9Effectofthedensityofgraphiteringonfrictionforce(σ=30MPa)2.3.3石墨环密度对螺栓残余扭矩值的影响图10所示为不同密度石墨环填料在1000次往复循环后两侧螺栓的残余扭矩值(初始值T=20N·m)。可知:具有密度梯度的石墨环填料残余扭矩最高，其次为密度ρ=1.5g/cm3的石墨环组合填料。对比图8可以看出:螺栓残余扭矩值对填料的密封性能有重要影响，这是由于残余扭矩值越高填料的径向压力越大，因此填料的密封性能也越好。图10石墨环密度对螺栓残余扭矩值的影响(σ=30MPa)Fig10Effectofthedensityofgraphiteringontheresidualtorque(σ=30MPa)综上所述，对于组合填料来说，密封主体的石墨环密度对密封性能和摩擦学特性有重要影响，有条件的情况下建议使用变密度的组合填料，若使用等密度的石墨环组合填料选择石墨环密度为1.5g/cm3左右为宜。3结论(1)组合填料的密封性能和摩擦学行为与轴向应力密切相关，随着轴向应力的提高泄漏率呈下降趋势，但过高的轴向应力会引起摩擦力的显著上升并加剧填料的过度磨损，从而缩短填料的密封寿命，试验用组合填料的最佳轴向密封应力在30MPa左右。(2)改变柔性石墨环的截面形状能有效提高密封性能、降低组合填料的摩擦力。V型石墨环填料可以建立类似“迷宫密封”效应，在V型附件形成局部高应力的环形区域，因此其密封性能和摩擦学性能均明显优于平口石墨环。(3)柔性石墨的密度对组合填料的密封性能和摩擦学性能也有重要影响。使用具有密度梯度的组合填料相比等密度的组合填料密封性能和摩擦学性能均由不同程度的改善。因此，有条件的情况下建议使用具有密度梯度的组合填料，对于等密度石墨环组合填料，推荐使用密度1.5g/cm3左右。 124润滑与密封第39卷参考文献【1】蔡仁良．流体密封技术—原理与工程应用［M］．北京:化学工业出版社，2013．【2】于美杰，吴益民，朱波，等．碳纤维密封盘根耐烧蚀性能的研究［J］．润滑与密封，2011，36(8):11－14．YuMeijie，WuYimin，ZhuBo，etal．Ablationpropertiesofcar-bonfiber-basedsealpackings［J］．LubricationEngineering，2011，36(8):11－14．【3】LuoXiangcheng，ChungDDL．Flexiblegraphiteunderrepeatedcompressionstudiedbyelectricalresistancemeasurements［J］．Carbon，2001，39:985－990．【4】HoXJ，SaulotA，BusquetM，etal．Tribologicalinvestigationofpackingfrictionalongthestemofavalve［J］．TribologyInterna-tional，2013，65:354－362．【5】彭旭东．改善高压柱塞泵的软填料密封［J］．石油化工设备技术，1998，19(2):58－62．PengXudong．Improvementofsoftpackedsealforhighpressureplungerpump［J］．PetroChemicalEquipmentTechnology，1998，19(2):58－62．【6】张向钊．提高密封性能的新型密封填料［J］．流体机械，1999，27(7):30－37．ZhangXiangzhao．Thenewsealingpackingofimprovedsealingperformance［J］．FluidMachinery，1999，27(7):30－37．【7】DianyM，BouzidA．Analyticalevaluationofstressesanddis-placementsofstufng-boxpackingbasedonaexibilityanalysis［J］．TribologyInternational，2009，42(6):980－986．【8】彭旭东，王玉明，黄兴，等．密封技术的现状与发展趋势［J］．液压气动与密封，2009(4):5－11．PengXudong，WangYuming，HuangXing，etal．State-of-the-artandfuturedevelopmentofsealingtechnology［J］．HydraulicsPneumatics＆Seals，2009(4):5－11．【9】蒋勇．抽油机盘根盒松紧度对能耗影响的现场试验分析［J］．石油石化节能，2012(10):45－47．JiangYong．Analysisonfieldtestofinfluenceoftheenergycon-sumptiononthetightnessofstuffingboxofpumpingunit［J］．EnergyConservationinPetroleum＆PetrochemicalIndustry，2012(10):45－47．【10】宋鹏云．软填料密封机理分析［J］．润滑与密封，2000，25(6):64－66．SongPengyun．Ananalysisofthesealingmechanismofasoft-packedstuffing-boxseal［J］．LubricationEngineering，2000，25(6):64－66．【11】FluidSealingAssociation．Whatistheimpactofpackingfric-tiononequipmentperformance［J］．Pumps＆SystemsMaga-zine，2009(2):74－76．【12】郭立晓，伍开松，袁新生，等．抽油杆盘根密封机理研究［J］．石油矿场机械，2008，37(3):29－32．GuoLixiao，WuKaisong，YuanXinsheng，etal．Studyofseal-ingmechanismofsuckerrodpacker［J］．OilFileldEquip-ment，2008，37(3):29－32．(上接第92页)数目逐渐增加，涡流形状逐渐由规则变为不规则，转速增大到一定程度，涡流数目逐渐减少，涡流的出现和消失呈周期性变化。由于Taylor涡的出现使压力产生脉动，影响油膜的稳定性。参考文献【1】GuoZenglin，HiranoToshio，GordonKirkＲ．Applicationofcom-putationalfluiddynamicanalysisforrotatingmachinery:PartI．hydrodynamic，hydrostaticbearingandsqueezefilmdamper［J］．JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower，2005，127:445－451．【2】AmirJourak．CFDAnalysisofajournalbearingwithamicro-grooveontheshaft［D］．Lulea:LuleaUniversityofTechnology，2008．【3】BogdanＲ，Kueinschi，AbdollahA．ALattice-Boltzmannappro-achtofluidfilmlubrication［J］．ASMEJournalofTribology，2010，32:1－6．【4】AmitChauhan，ＲakeshSehgal，ＲajeshKumarSharma．Thermo-hydronamicsanalysisofellipticaljournalbearingwithdifferentgradeoils［J］．TribologyInternational，2010，43:1970－1977．【5】ＲoyL．Thermo-hydrodynamicperformanceofgroovedoiljournalbearing［J］．TribologyInternational，2009，42:1187－1198．【6】GargHC．KumarViiay，ShardaHB．Performanceofslot-entryhybridjournalbearingsconsideringcombinedinfluencesofther-maleffectsandnon-Newtonianbehavioroflubricant［J］．Tribol-ogyInternational，2010，43:1518－1531．【7】袁艳平，吉洪湖，高久好，等．Taylor-Couette流与旋转圆柱轴间流体膜润滑与密封［J］．润滑与密封，2006，31(9):192－196．YuanYanping，JiHonghu，GaoJiuhao，etal．Taylor-Couetteflowandlubricationorsealbyhydro-membranebetweentherotatingcylinders［J］．LubricationEngineering，2006，31(9):192－196．【8】蔡林．流体动压滑动轴承静特性研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2012．【9】SchumackaMＲ．Taylorvorticesbetweenellipticalcylinders［J］．PhysicsofFluidsA，1992，4(11):2578－2581．