柔性石墨/编织盘根组合填料密封性能试验研究
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. 5 g /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
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]。
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. 07 kW，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. 6 mm × 30 mm × 11 mm) 的上下端环、3个柔性石墨环( 45. 6 mm × 30 mm × 10 mm) 作为中心的密封主体组合而成，测试样品由浙江某密封件公司提供。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。
1. 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。
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. 4 μm) 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 - 12 Pa·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80 m，线速度v 设为6. 4mm/s，往复运动周次N = 1 ～ 1 000 次，单侧螺栓扭矩T 依次取10、15、20、25 N·m，对应的轴向应力σ 依次为15、22. 5、30、37. 5 MPa。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. 1 mg) 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。
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15 MPa 增加到30 MPa 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30 MPa时500 次往复循环后填料的泄漏率为1. 8 × 10 - 9Pa·m3 /s，但10 MPa 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. 5 MPa) ，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. 5 MPa) ，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。
2. 1. 3 填料磨损量对比
图5 示出了不同轴向应力下N = 1 000 个循环周次后的磨损量，可知: 当轴向应力σ < 30 MPa 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. 5 MPa 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. 5 MPa 时泄漏率持续上升的原因。
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极佳轴向应力约为30 MPa。
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30 MPa 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。
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。
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。
2. 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. 6 g /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. 6 g /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. 5 g /cm3的组合填料的密封性能极佳。
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. 5 g /cm3 的石墨环组合填料摩擦力极其稳定且较小; 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，终了摩擦力介于密度为1. 4 g /cm3 和1. 5 g /cm3 的石墨环组合填料之间。
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1 000 次往复循环后两侧螺栓的残余扭矩值( 初始值T =20 N·m) 。可知: 具有密度梯度的石墨环填料残余扭矩极高，其次为密度ρ = 1. 5 g /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。
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. 5 g /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，试验用组合填料的极佳轴向密封应力在30 MPa 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. 5 g /cm3 左右。
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