PTFE蓄能密封設(shè)計(jì)及其在氯堿化工中的應(yīng)用

于文新 王文東 師延齡

(1.河北冀衡化學(xué)股份有限公司,河北 衡水 053400；2.上海材料研究所，上海 200437)

PTFE蓄能密封設(shè)計(jì)及其在氯堿化工中的應(yīng)用

于文新1王文東2師延齡2

(1.河北冀衡化學(xué)股份有限公司,河北 衡水 053400；2.上海材料研究所，上海 200437)

闡述了聚四氟乙烯(PTFE)蓄能密封結(jié)構(gòu)形式和幾何形狀，介紹了用于蓄能密封的聚四氟乙烯復(fù)合材料的性能、蓄能密封用彈簧不銹鋼和橡膠材料，以及PTFE蓄能密封在氯堿化工行業(yè)中的應(yīng)用。

聚四氟乙烯；蓄能密封；復(fù)合材料；氯堿

0 前言

氯堿化工是基礎(chǔ)化工行業(yè)之一，采用飽和食鹽(氯化鈉)水溶液通過工業(yè)化的電解反應(yīng)制得基礎(chǔ)化工原料：燒堿(氫氧化鈉)、鹽酸、液氯、氫氣等[1]，進(jìn)一步衍生系列含氯的化工產(chǎn)品：次氯酸鈉、三氯異氰尿酸、二氯異氰尿酸鈉、二水二氯異氰尿酸鈉等。在氯堿化工生產(chǎn)過程中，各類化工泵、閥、容器、儲(chǔ)罐、反應(yīng)釜等設(shè)備需要各種動(dòng)靜密封，密封的可靠性關(guān)系到化工生產(chǎn)安全。當(dāng)密封失效時(shí)，除普通的泄露外，可能造成爆炸、劇毒釋放等災(zāi)難性事故，這密封類失效直接威脅著生產(chǎn)人員的健康和生命[2]。高可靠性密封是特種化工設(shè)備的極其重要的核心零部件，PTFE蓄能密封是重要的高可靠性密封之一。

PTFE蓄能密封是由PTFE復(fù)合材料密封和耐腐蝕的不銹鋼彈簧或者橡膠彈性體組成。密封圈安裝在溝槽內(nèi)，彈簧或者橡膠彈性體受壓，形成向外的彈性力，促使密封唇緊貼密封溝槽，由于彈簧或者橡膠彈性體永久地向密封唇提供彈力，能彌補(bǔ)PTFE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(nèi)的密封。另外系統(tǒng)壓力會(huì)進(jìn)一步促使密封蓄能，壓力越大，密封唇與溝槽貼合越充分，形成高壓密封[3-4]。

聚四氟乙烯(PTFE)具有化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性能、摩擦因數(shù)低、自潤滑性等優(yōu)良性能,PTFE及復(fù)合材料適用-260～300 ℃溫度范圍內(nèi)，密封幾乎所有的化學(xué)溶劑、強(qiáng)腐蝕化工液體和氣體，因而它在化工中得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。根據(jù)氯堿化工行業(yè)工況選擇合適的PTFE復(fù)合材料和耐腐蝕不銹鋼或橡膠材料[7-8]，對(duì)PTFE復(fù)合材料密封幾何形狀尺寸進(jìn)行優(yōu)化、合理設(shè)計(jì)，與適當(dāng)?shù)慕饘購椈苫蛘呦鹉z彈性體匹配形成蓄能密封件，滿足氯堿化工行業(yè)的各種工況密封要求。作者對(duì)蓄能密封的幾何形狀及其PTFE復(fù)合材料作了簡單闡述，根據(jù)氯堿化工行業(yè)工況介紹了蓄能密封選用的通用原則。

1 蓄能密封材料

1.1 蓄能密封用PTFE復(fù)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(fù)合材料的抗壓性能有所不同，相對(duì)而言，純聚四氟乙烯抗壓強(qiáng)度較低；聚四氟乙烯填充石墨后，其抗壓強(qiáng)度較低；聚四氟乙烯填充聚苯酯后，其抗壓強(qiáng)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(qiáng)度略大于聚四氟乙烯填充聚苯酯；聚四氟乙烯填充錫青銅粉后，其抗壓強(qiáng)度較大。根據(jù)工況條件選擇合適的聚四氟乙烯復(fù)合材料，同時(shí)考慮抗壓性能與摩擦磨損性能的平衡。

聚四氟乙烯復(fù)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(fù)合材料抗壓性能與摩擦磨損性能，提高聚四氟乙烯復(fù)合材料密封的使用壽命。聚四氟乙烯及其復(fù)合材料的性能見表1。在氯堿化工行業(yè)中的高濃度氯離子的溶液或者含氯的強(qiáng)氧化物介質(zhì)中，聚四氟乙烯錫青銅粉復(fù)合材料可產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，主要選用聚四氟乙烯碳纖維復(fù)合材料。

表1 填充聚四氟乙烯材料性能

注：配方1：純PTFE； 2：PTFE+20%碳纖維；3：PTFE+20%玻璃纖維+5%石墨 ；4：PTFE+25%玻璃纖維；5：PTFE+20%玻璃纖維；6：PTFE+15%石墨；7：PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2；8：PTFE+40%青銅粉+5%MoS2。

1.2 蓄能密封用彈簧金屬材料

PTFE蓄能密封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，滿足不形式的密封需要，彈簧金屬材料以各種不銹鋼為主，見表2。在氯堿化工行業(yè)中的氯離子(Cl-)對(duì)金屬材料的腐蝕是各種化工泵、閥失效的主要原因之一，在鹽水工序氯化鈉濃度高達(dá)305～315 g/L,根據(jù)氯離子濃度的高低選用耐腐蝕性能良好的彈簧金屬材料是保證PTFE蓄能密封壽命的關(guān)鍵。不銹鋼301、304在20%氯化鈉溶液中可產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，不銹鋼316、316L可在中等濃度的氯化鈉溶液、稀酸稀堿中耐腐蝕性能良好，Hastelloy c-276具有出色的耐點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能，耐潮濕氯氣、次氯酸鹽及二氧化氯溶液的腐蝕，對(duì)高濃度的氯化鈉溶液有顯著的耐蝕性，適用于各種濃度的硫酸溶液和熱濃硫酸溶液。Elgiloy鎳基高溫合金，含鎳50%以上，在650～1 100 ℃溫度范圍具有較高強(qiáng)度、較好的抗氧化和耐腐蝕性能。Inconel718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在650 ℃溫度以下時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有優(yōu)良的耐腐蝕性[7-8]。

表2 彈簧用金屬材料選用

1.3 蓄能密封用橡膠材料

PTFE蓄能密封也可由不同橡膠材料的O形圈或者異形圈替代金屬彈簧作為彈性體使用，在氯堿化工行業(yè)中常用的橡膠材料主要是丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、丁基橡膠、氟橡膠等。在空氣、水等中性介質(zhì)中根據(jù)溫度分別選用丁腈橡膠、氟橡膠；在鹽水、鹽酸、氫氧化鈉等酸堿介質(zhì)中根據(jù)溫度分別選用三元乙丙橡膠、丁基橡膠、氟橡膠；在含氯、強(qiáng)氧化劑等腐蝕等介質(zhì)中選用全氟醚橡膠[3-4]。

2 PTFE蓄能密封幾何形狀

2.1 通用形狀

PTFE蓄能密封結(jié)構(gòu)幾何形狀多樣，最常用的幾種典型結(jié)構(gòu)如圖1。圖1.1密封斷面為薄壁Y型，匹配V型片狀懸臂不銹鋼彈簧，密封與摩擦對(duì)偶件的接觸表面為PTFE復(fù)合材料，摩擦阻力小，密封與摩擦對(duì)偶件的接觸面積小，并且V型不銹鋼彈簧對(duì)PTFE復(fù)合材料密封唇口的彈性補(bǔ)償力可形成合理的壓應(yīng)力分布曲線和密封峰值應(yīng)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U型片狀懸臂不銹鋼彈簧，它與圖1.1所示密封斷面的區(qū)別為：U型不銹鋼彈簧唇口傾斜角度不同，圖1.1中U型不銹鋼彈簧唇口向內(nèi)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(yīng)力損傷PTFE復(fù)合材料，適宜于高低溫密封，可以適用于-250～260 ℃溫度,可以密封20～60 MPa壓力。圖1.3為圖1.1密封內(nèi)部匹配PTFE復(fù)合材料V形塞子，固定彈簧，防止彈簧在片狀間隔處腐蝕應(yīng)力導(dǎo)致的拉鏈?zhǔn)綌嗔?，延長壽命。圖1.4密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼薄片狀彈簧，可承受高負(fù)載，適合低速工作條件，可以密封真空至80 MPa壓力。圖1.5密封斷面為薄壁U型，匹配傾斜螺旋不銹鋼圓形鋼絲彈簧，并且在密封的內(nèi)外緣的工作面上附有梯形凹槽，在介質(zhì)的壓力作用下，可以形成若干個(gè)峰值應(yīng)力，適合中高速工作條件，可以密封1～60 MPa壓力。

圖1 常用PTFE蓄能密封斷面示意圖

PTFE蓄能密封的金屬彈簧給密封提供彈性力，保證密封具有持久的彈性補(bǔ)償性能，圖2為PTFE蓄能密封常用的3種類型彈簧的特性曲線，彈簧的彈性力決定了蓄能密封的密封能力、摩擦力和磨損率，變形范圍影響蓄能密封承受磨損和補(bǔ)償溝槽尺寸波動(dòng)的能力。V型/U型彈簧類似懸臂梁結(jié)構(gòu)，其彈性力主要集中于密封唇口的前緣，它可承受中等載荷并具有中等的變形范圍。傾斜螺旋薄片狀彈簧可承較大的載荷并具有較小的變形范圍，它適合于靜態(tài)和緩慢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)條件。傾斜螺旋圓形鋼絲彈簧可承受較小的載荷并具有較大的變形范圍，其彈性力比較穩(wěn)定，密封的摩擦力可保持平穩(wěn)，彈簧不易損傷。

圖2 彈簧彈性力-變形率特性曲線

2.2 靜密封

氯堿化工行業(yè)管道、儲(chǔ)罐、反應(yīng)釜等連接處的端面及法蘭之間靜密封的可靠性及其重要，必須保證在規(guī)定的服役周期內(nèi)(1年～10年不等)無泄漏，PTFE蓄能密封具有持久的彈性密封應(yīng)力，能夠保證密封的可靠性，對(duì)于PTFE蓄能密封，V型/U型彈簧或者傾斜螺旋圓形鋼絲彈簧均可用于靜密封，傾斜螺旋薄片狀彈簧用于靜密封更加可靠，具體結(jié)構(gòu)參見圖3。圖3.1壓力來自于內(nèi)徑方向；圖3.2壓力來自于外徑方向或者內(nèi)部真空；此類產(chǎn)品用于真空、氣體和高低溫工況。

圖3 PTFE蓄能密封-靜密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 徑向閥門密封

圖4為徑向閥門密封用PTFE蓄能密封,采用傾斜螺旋薄片狀彈簧，可承受較大的載荷，可用于高壓腐蝕性液氣介質(zhì)密封，由于PTFE復(fù)合材料摩擦因數(shù)低，此類閥門密封開啟靈活。

圖4 PTFE蓄能密封-徑向閥門密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 旋轉(zhuǎn)端面密封

圖5.1為旋轉(zhuǎn)端面PTFE蓄能密封，匹配V型片狀懸臂不銹鋼彈簧，密封與摩擦對(duì)偶件的接觸表面為PTFE復(fù)合材料，摩擦阻力小，密封與摩擦對(duì)偶件的接觸面積小，密封唇口的彈性補(bǔ)償力可形成合理的應(yīng)力分布曲線，高低壓密封性能良好，同時(shí)具有良好的高速性能。

圖5 PTFE蓄能密封-旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 旋轉(zhuǎn)軸向密封

圖5.2 和5.3為旋轉(zhuǎn)軸向密封，圖5.2密封斷面為薄壁U型，附帶防轉(zhuǎn)凸緣，匹配U型片狀懸臂不銹鋼彈簧，U型不銹鋼彈簧唇口向外徑方向傾斜，它不易造成應(yīng)力損傷PTFE復(fù)合材料，適宜于高低溫密封，可以適用于-250～260 ℃溫度,可以密封真空至60 MPa壓力，旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)1 m/s。圖5.3密封斷面與圖5.2區(qū)別為：無防轉(zhuǎn)凸緣，而是在PTFE復(fù)合材料內(nèi)部鑲嵌了不銹鋼彈簧片起到起固定作用達(dá)到防轉(zhuǎn)效果，代替旋轉(zhuǎn)油封，用于高溫真空泵，用于各種化工腐蝕性氣體介質(zhì)。

2.6 橡膠彈性體蓄能密封

圖6所示，采用O型圈、星型圈、異型圈等橡膠彈性體代替彈簧的PTFE蓄能密封，橡膠提供柔和的彈性補(bǔ)償力，可用于中低壓密封，適合軸跳動(dòng)較大的工況。圖6.1中橡膠彈性體為V型，對(duì)唇口部位補(bǔ)償力較大。圖6.2中橡膠彈性體為O型圈，對(duì)唇口部位各個(gè)方向均有補(bǔ)償力。圖6.3中橡膠彈性體為星型圈，對(duì)內(nèi)外唇口和中部提供補(bǔ)償力，可形成合理的應(yīng)力分布曲線。圖6.4中橡膠彈性體為異型圈，內(nèi)外唇口為橡膠彈性體接觸，PTFE復(fù)合材料防止橡膠的擠出，形成高壓低泄漏密封。

圖6 PTFE蓄能密封-橡膠彈性體蓄能密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

采用不同的填充劑制備各種配方的PTFE復(fù)合材料，充分發(fā)揮其摩擦因數(shù)低、自潤滑性能和耐化學(xué)腐蝕性能，設(shè)計(jì)合理的PTFE復(fù)合材料密封幾何形狀，合理匹配各種耐腐蝕的異型橡膠彈性體或不銹鋼彈簧，組合形成PTFE蓄能密封，滿足氯堿化工行業(yè)各種腐蝕工況的動(dòng)靜密封的需要。

[1] 陳秀清. 氯堿生產(chǎn)工藝研究探討[J]. 廣州化工， 2011, 39(3): 157-159.

[2] 程傳慶譯. 流體密封技術(shù)-原理與應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

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

[4] 杜鳴杰, 王文東, 薛春, 等. PTFE彈簧蓄能密封設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 有機(jī)氟工業(yè), 2014(3): 32-36.

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

[6] 繆京媛. 氟塑料-加工應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1987: 122-141.

[7] 劉浩華, 賀桃香. 耐腐蝕材料在氯堿化工中的應(yīng)用[J]. 中國氯堿, 2010(10): 25-27.

[8] 王昆譯. 不銹鋼-耐蝕鋼的發(fā)展[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007: 24-41, 93-127.

Design of Energy-Stored PTFE Seals and Applicationin in Chlor-Alkali Chemical Industry

Yu Wenxin1, Wang Wendong2, Shi Yanling2

(1.Hebei Jiheng Chemical Co., Ltd., Hengshui 053400, China;2.Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

The structure & geometry of energy-stored PTFE seals were presented in the article. The properties of polytetrafluoroethylene(PTFE)-based composites for the energy-stored seals were introduced . The stainless steel and rubber material for the seals were briefly introduced. The application of the seals in chlor-alkali chemical industry were introduced .

polytetrafluoroethylene; energy-stored seal; composites; chloro-alkali

于文新(1964—)，女，工程師，主要從事氯堿化工設(shè)備設(shè)計(jì)和管理工作。