PTFE彈簧蓄能密封設計及應用

杜鳴杰王文東，2薛 春，2張全成，2周隱玉翟蓮娜

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海200437）

PTFE彈簧蓄能密封設計及應用

杜鳴杰1王文東1，2薛 春1，2張全成1，2周隱玉1翟蓮娜1

（1.上海材料研究所，上海200437；2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海200437）

介紹了PTFE彈簧蓄能密封結構形式和幾何形狀，并介紹了用于彈簧蓄能密封的聚四氟乙烯復合材料及其摩擦磨損性能。

聚四氟乙烯；彈簧蓄能密封；復合材料；設計

0 前言

密封是重要的機械基礎零部件，在國民經(jīng)濟的各個領域中應用廣泛，在設備運行中起著重要的作用。隨著我國自動化設備、機械、化工、石油、動力、原子能等工業(yè)以及航空航天技術的發(fā)展，密封的作用日益重要。在現(xiàn)代化工業(yè)技術迅速發(fā)展進程中，各類設備工作壓力日益提高、工作溫度高范圍寬、運行速度高，對密封的要求更加嚴格。當密封失效時，除普通的泄漏外，還可能造成爆炸、劇毒物釋放、核輻射等災難性事故，這類密封類失效直接威脅著人類的健康和生命安全。高可靠性密封是特種設備的極其重要的核心零部件，聚四氟乙烯（PTFE）彈簧蓄能密封是重要的高可靠性密封之一。

PTFE彈簧蓄能密封是由PTFE復合材料密封和耐腐蝕的不銹鋼金屬彈簧組成。密封圈安裝在溝槽內，彈簧受壓，形成向外的張力，促使密封唇緊貼密封溝槽及工作面，由于彈簧永久給密封唇提供彈力，能彌補密封磨損和配合零件的偏心，由此形成從真空到高壓范圍內的密封。另外，流體壓力對密封唇口施加應力，壓力越大，總的密封壓力升高，密封唇與溝槽及工作面貼合得越充分，由此形成高壓密封。

密封是由PTFE、PEEK、PVDF、UHMWPE、PI等及其復合材料經(jīng)機械加工制成，材料決定了彈簧蓄能密封圈的性能，適用于－260～300℃溫度范圍，密封幾乎所有的液體、化學制品和氣體。其中PTFE及其復合材料用途極其廣泛。

聚四氟乙烯具有化學穩(wěn)定性、耐高低溫、摩擦系數(shù)低、自潤滑性等優(yōu)良性能，因而它在各行各業(yè)中得到了廣泛應用。雖然聚四氟乙烯具有許多優(yōu)異的性能，但也有不足之處，因而需通過加入填充劑形成復合材料使其性能得到改善。添加填充劑后其耐磨性能大幅度提高，抵御塑性蠕變的能力提高2～3倍，由負荷作用引起的初始變形降低30%～60%，剛性提高2～3倍，受熱尺寸穩(wěn)定性增加2倍，硬度增大10%～15%。不同填充劑可以賦予復合材料不同的性能。聚四氟乙烯及其復合材料的性能見表1。根據(jù)工況選擇合適的聚四氟乙烯復合材料，提高密封的機械性能。本文針對彈簧蓄能密封的幾何形狀及其PTFE復合材料作簡單闡述。

表1 填充聚四氟乙烯摩擦性能

聚四氟乙烯復合材料先經(jīng)過機械加工制成各種形狀，再與適當?shù)慕饘購椈山M合形成PTFE彈簧蓄能密封，并且配合抗高壓承壓環(huán)的使用，進一步提高密封的抗壓性能。聚四氟乙烯復合材料及金屬彈簧的幾何形狀、尺寸對密封的性能具有較大影響，對聚四氟乙烯復合材料密封幾何形狀尺寸進行優(yōu)化、合理設計，滿足彈簧蓄能密封的各種工況要求。

金屬彈簧有多種形式可供選擇，有O型彈簧、V型彈簧、U型彈簧，滿足不同運動形式的密封要求。在有些場合可由不同材質的O形圈替代金屬彈簧作為彈性體使用。

1 彈簧蓄能密封用PTFE復合材料

聚四氟乙烯的常用填充劑為錫青銅粉、石墨、二硫化鉬、玻璃纖維、碳纖維、聚苯酯、聚酰亞胺等。通過填充改性后的聚四氟乙烯復合材料的抗壓性能有所不同，相對而言，純聚四氟乙烯抗壓強度較低；聚四氟乙烯填充石墨后，其抗壓強度較低；聚四氟乙烯填充聚苯酯后，其抗壓強度略大于純聚四氟乙烯；聚四氟乙烯填充碳纖維后，其抗壓強度略大于聚四氟乙烯填充聚苯酯；聚四氟乙烯填充銅粉后，其抗壓強度較大。根據(jù)工況條件選擇合適的聚四氟乙烯復合材料，同時考慮抗壓性能與摩擦磨損性能的平衡。

聚四氟乙烯復合材料的配方可以采用填充劑并用，如聚四氟乙烯、銅粉、二硫化鉬／石墨、碳纖維并用；聚四氟乙烯、玻璃纖維、二硫化鉬／石墨并用；聚四氟乙烯、聚苯酯、二硫化鉬／石墨、碳纖維并用；聚四氟乙烯、聚酰亞胺、二硫化鉬。通過多元共混，采用不同比例的固體潤滑劑－二硫化鉬或石墨，兼顧聚四氟乙烯復合材料抗壓性能與摩擦磨損性能，提高聚四氟乙烯復合材料密封的工作壽命。聚四氟乙烯及其復合材料的性能見表1和表2。

表2 填充聚四氟乙烯材料性能

2 PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀

2.1 往復運動PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀

往復運動PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀具體參見圖1。圖1.1密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧。密封與摩擦對偶件的接觸表面為PTFE復合材料，摩擦阻力小，密封與摩擦對偶件的接觸面積小，并且V型不銹鋼彈簧對PTFE復合材料密封唇口的彈性補償力可形成合理的壓應力分布曲線和密封峰值應力，高低壓密封性能良好，可以密封20～60 MPa壓力。圖1.2密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧。它與圖1.1所示密封斷面的區(qū)別為V型不銹鋼彈簧唇口傾斜角度不同，圖1.1中V型不銹鋼彈簧唇口向內徑方向傾斜，圖1.2中V型不銹鋼彈簧唇口向外徑方向傾斜，它不易造成應力損傷PTFE復合材料，適宜于高低溫密封，可以適用于－250～260℃?？梢悦芊?5～60 MPa壓力。圖1.3密封斷面為U型，匹配V型不銹鋼彈簧。U型密封的背壓側帶有兩個可以滑移的三角形高壓承壓環(huán)，防止聚四氟乙烯復合材料高壓擠出，可以密封100～200 MPa壓力。圖1.4密封斷面為厚壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，并且在密封的內外緣的工作面上附有梯形凹槽，在介質的壓力作用下，可以形成若干個峰值應力，可以密封最高100 MPa的高壓。圖1.5密封斷面為密封由兩個U型復合而成，匹配兩個V型不銹鋼彈簧。在密封的內外工作面形成有效的密封，可以密封20～60 MPa壓力。圖1.6密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼絲或者薄片狀彈簧，匹配L形承壓環(huán)，可以密封20～80 MPa壓力，適合低速工作條件；彈簧為傾斜螺旋不銹鋼薄片狀時，可以適用于低壓及真空密封。圖1.7密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼絲或者薄片狀彈簧，匹配三角形承壓環(huán)，并且在密封的內外緣的工作面上附有梯形凹槽，在介質的壓力作用下，可以形成若干個峰值應力，適合低速工作條件，可以密封真空至80 MPa壓力。圖1.8密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧，匹配矩形承壓環(huán)，適合低速工作條件，可以密封真空至80 MPa壓力。圖1.9密封斷面為薄壁雙U型，匹配兩個V型不銹鋼彈簧，在密封的軸向工作面兩個方向形成有效的密封，可以密封兩種介質雙向壓力。以上密封工作面均為內徑，通過對密封唇形進行相應的變換設計，也可用于密封工作面為外徑的工況。

圖1 往復運動PTFE彈簧蓄能密封斷面示意圖

2.2 旋轉運動PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀

旋轉運動PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀具體參見圖2。圖2.1密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，V型不銹鋼彈簧唇口向外徑方向傾斜，它不易造成應力損傷PTFE復合材料，適宜于高低溫密封，可以適用于－250～260℃?？梢悦芊?5～60 MPa壓力。圖2.2密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼絲或者薄片狀彈簧，它附有一個定位矩形凸臺階，具有防止密封外緣轉動的作用。圖2.3密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，它附有一個定位矩形凸臺階，具有防止密封外緣轉動的作用。圖2.4密封斷面為厚壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，并且在密封的內外緣的工作面上附有梯形凹槽，在介質的壓力作用下，可以形成若干個峰值應力，可以密封最高200 MPa的高壓。圖2.5密封斷面類似于旋轉油封，匹配V型彈簧和O型橡膠圈，密封唇口與旋轉軸接觸力小，用于中低線速度油封。

圖2 旋轉運動PTFE彈簧蓄能密封斷面示意圖

2.3 端面PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀

端面用PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀具體參見圖3。圖3.1密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧，可以密封真空至80 MPa的壓力，壓力來自于內徑方向。圖3.2密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧，可以密封真空至80 MPa的壓力，壓力來自于外徑方向。此類產(chǎn)品用于真空、氣體和高低溫法蘭密封。

圖3 端面PTFE彈簧蓄能密封斷面示意圖

2.4 特殊PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀

特殊PTFE彈簧蓄能密封幾何形狀具體參見圖4。圖4.1密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，為整體活塞式密封，便于維護安裝。圖4.2密封斷面為厚壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，在密封的內外緣的工作面上附有梯形凹槽，并且附帶副唇，具有一定的防塵作用。圖4.3密封斷面為厚壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，V型腔體內可以充填高溫硅膠或者塞入彈性體，用于需要清洗高潔凈的工作條件下。圖4.4密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧和傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧，外骨架為硬質耐高溫聚合物－PEEK／PI，用于高溫條件。圖4.5密封腔體為矩形，密封由兩個相互垂直方向的U型復合而成，匹配兩個V型不銹鋼彈簧，在密封的內外工作面以及側面形成有效的密封。圖4.6密封腔體為密閉的矩形，密封唇口通過一定尺寸的孔起到密封作用，防止唇口擠出變形，適合于長壽命密封。圖4.7為組合式潔凈密封，V型不銹鋼彈簧安裝于異形半包圍PTFE復合材料密封中，采用不銹鋼或硬質耐高溫聚合物PEEK／PI固定彈簧，密封安全可靠。

圖4 特殊PTFE彈簧蓄能密封斷面示意圖

3 PTFE彈簧蓄能密封匹配的承壓環(huán)材料

提高PTFE彈簧蓄能密封的耐壓性能，一方面取決于密封材料和密封的幾何形狀，另一方面取決于不同材料的組合形式，承壓環(huán)材料對于PTFE彈簧蓄能密封高壓性能起著至關重要的作用。

承壓環(huán)材料采用硬質材料，硬質塑料為聚醚醚酮、聚酰亞胺，金屬材料為銅合金－錫青銅、鋁青銅、鈹青銅和其他耐腐蝕合金。聚醚醚酮高分子主鏈為含有苯環(huán)的線性結構，結晶度高，其物理機械性能優(yōu)異，玻璃纖維或者碳纖維增強聚醚醚酮在100℃時抗壓強度大于150 MPa。聚酰亞胺高分子主鏈由苯環(huán)與雜環(huán)直接聯(lián)接而成，鏈剛性大，其高溫機械強度高，耐輻照性能優(yōu)異。

表3 常用承壓環(huán)材料性能

在具有一定間隙的模具中進行抗壓強度測試時，聚酰亞胺和聚醚醚酮的抗壓強度均可達到280 MPa以上。

在高壓系統(tǒng)中，合理控制間隙，采用銅合金材料作為承壓環(huán)，彈簧蓄能密封的承壓可以達到600 MPa。

4 PTFE彈簧蓄能密封適用工況及設計

PTFE彈簧蓄能密封可以設計成各種幾何形狀和結構，根據(jù)具體工況設計合理的形狀結構，選擇合適的PTFE復合材料和彈簧金屬材料，具體參見表4。表中列出常見的幾類工況下的適用材料，除此以外，還有許多材料可以用于彈簧蓄能密封，比如金屬材料：Inconel718、Elgiloy游絲合金、1717PH不銹鋼、Hastelloy C276鎳基合金、302不銹鋼，根據(jù)介質溫度壓力等選擇合適的不銹鋼材料。

PTFE彈簧蓄能密封性能與其運動狀態(tài)及形式密切相關。同樣密封結構，靜態(tài)密封時耐壓高一些，V型不銹鋼彈簧、傾斜螺旋不銹鋼絲彈簧、傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧均可用于靜態(tài)PTFE彈簧蓄能密封，其中以傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧為主。對于動密封需要兼顧耐壓及摩擦磨損性能，其工作壓力相對靜密封略低一些。V型不銹鋼彈簧適用于中低速往復運動和旋轉運動，耐壓最高可達300 MPa；傾斜螺旋不銹鋼絲彈簧適用于中低速往復運動和旋轉運動，耐壓可達20 MPa；傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧適用于低速往復運動和旋轉運動，耐壓可達20 MPa，也可用于真空環(huán)境。

PTFE彈簧蓄能密封動態(tài)性能與其摩擦磨損性能密切相關，根據(jù)工況選擇低摩擦系數(shù)耐磨損的PTFE復合材料，合理設計密封唇形結構和幾何尺寸，在密封工作時形成合理的密封應力曲線，合理控制PTFE彈簧蓄能密封摩擦力，需要選擇PTFE彈簧蓄能密封動態(tài)工作的PV值，調控摩擦生熱。設計密封時，PTFE復合材料PV值范圍：潤滑一般時PV值≤2 MPa·m／s、潤滑充分時PV值≤5 MPa· m／s、潤滑充分、冷卻好時PV值≤10 MPa·m／s， PTFE彈簧蓄能密封動態(tài)工作的PV值對于旋轉運動密封的可靠性至關重要。

表4 聚四氟乙烯組合密封件材料選用

PTFE彈簧蓄能密封性能與機械零部件配合間隙密切相關，高溫、高壓、高速運動、低硬度密封材料采用較小配合間隙，常溫、低壓、低速運動、高硬度密封材料采用略大配合間隙，超低溫密封應采用較小間隙。

PTFE彈簧蓄能密封性能與機械零部件硬度、表面粗糙度密切相關。密封對應的機械零部件硬度大于HRC40，適宜的硬度HRC60～70。密封對磨的機械零部件表面粗糙度和表面質量影響密封的可靠性及其壽命，控制機械零部件表面粗糙度Ra、Rz、Rmax，充分考慮材料的接觸區(qū)域Mr；對于旋轉運動，密封低溫低分子氣體，機械零部件表面粗糙度Ra≤0.1，密封其他流體，機械零部件表面粗糙度Ra≤0.2；對于往復運動，密封低溫低分子氣體，機械零部件表面粗糙度Ra≤0.2，密封其他流體，根據(jù)流體粘度，機械零部件表面粗糙度Ra≤0.3～0.4；對于靜密封，密封低溫低分子氣體，機械零部件溝槽表面粗糙度Ra≤0.3，密封其他流體，根據(jù)流體黏度，機械零部件溝槽表面粗糙度Ra≤0.4～0.8。

5 結語

彈簧蓄能密封采用PTFE復合材料，充分發(fā)揮PTFE摩擦系數(shù)低和自潤滑的性能，采用不同的填充劑制備各種配方的PTFE復合材料，其摩擦磨損性能和機械性能優(yōu)異，設計合理的PTFE復合材料密封幾何形狀，匹配各種金屬彈簧、承壓環(huán)，組合形成PTFE彈簧蓄能密封，確保穩(wěn)定可靠的密封性能，廣泛應用于各類苛刻工況條件，滿足核電、冶金、石油化工、航空航天、船舶、汽車、軍工等行業(yè)特殊工況的需要。

［1］王文東，師延齡.聚四氟乙烯復合材料與彈性體的組合應用［J］.有機氟工業(yè)，2005（1）：11－14.

［2］王文東，金石磊，師延齡.聚四氟乙烯復合材料密封幾何尺寸對其工作性能的影響［J］.有機氟工業(yè)，2011（2）：9－16.

［3］石淼森.固體潤滑材料［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000，9：178－201.

［4］徐灝.密封［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1993，3：112－197.

［5］繆京媛，葉牧.氟塑料－加工應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1987，10：122－141.

［6］趙純，張玉龍.聚醚醚酮［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008，7：8－54.

［7］Müller H K，Nau B S.Fluid sealing technology：principles and applications［M］.程傳慶，譯.北京：化學工業(yè)出版社，2002，7：74－112.

Design and App lication of Spring－Energized PTFE Seals

Du Mingjie1，Wang Wendong1，2，Xue Chun1，2，Zhang Quancheng1，2，Zhou Yinyu1，Zhai Lianna1
（1.Shanghai Research Institute of Materials，Shanghai200437，China；
2.Shanghai Research Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation，Shanghai200437，China）

The composite structure and geometry of spring－energized seals is presented in article.The friction and wear properties of polytetrafluoroethylene（PTFE）－based composites used for the spring－energized seals are introduced.

polytetrafluoroethylene；spring－energized seal；composites；design

王文東，男，高級工程師。主要從事高分子復合材料及密封材料的研究和產(chǎn)品開發(fā)。