聚四氟乙烯材料收縮特性的應(yīng)用

寧廣東

（艾志環(huán)保管接技術(shù)股份有限公司，江蘇南京211100）

聚四氟乙烯材料收縮特性的應(yīng)用

寧廣東

（艾志環(huán)保管接技術(shù)股份有限公司，江蘇南京211100）

聚四氟乙烯具有成型收縮的特性，經(jīng)過(guò)填充增強(qiáng)會(huì)降低收縮率，但仍有一定的收縮率。例舉說(shuō)明聚四氟乙烯密封部件如何避免這種特性帶來(lái)的不利影響，利用這種性能，更好地發(fā)揮聚四氟乙烯材料的綜合特性。

（增強(qiáng)）聚四氟乙烯；收縮；密封材料

0 前言

聚四氟乙烯是最耐腐蝕的材料之一，同時(shí)具有極低的摩擦系數(shù)、良好的自潤(rùn)滑性和耐溫性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、醫(yī)療、航天、化工等行業(yè)，它可以制成管、棒、帶、板、薄膜等；還可以通過(guò)填充玻璃纖維、金屬、石墨、二硫化鉬、碳纖纖等以提高某方面的性能。在密封領(lǐng)域，聚四氟乙烯可以加工成墊片、編織成盤(pán)根、摩擦副、密封環(huán)等。聚四氟乙烯材料的成型收縮率一般在3%～5%，經(jīng)過(guò)不同的物料填充，收縮率會(huì)相應(yīng)改變，但都會(huì)有一定的收縮比率。

1 聚四氟乙烯節(jié)流密封環(huán)

（1）應(yīng)用。（增強(qiáng)）聚四氟乙烯節(jié)流密封環(huán)，在密封裝置中比較常見(jiàn)，如采用API62方案的機(jī)械密封，可以使用聚四氟乙烯節(jié)流環(huán)對(duì)背冷流體進(jìn)行節(jié)流密封；也可以制成擋渣器安裝在密封腔體底部，配合沖洗改進(jìn)密封運(yùn)行區(qū)域環(huán)境。這種應(yīng)用中的密封環(huán)是靜止的，通過(guò)狹小的節(jié)流縫隙或迷宮結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)節(jié)流密封、隔離介質(zhì)等目的（圖1）。

（2）問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常要求節(jié)流環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸的徑向間隙較小，才能實(shí)現(xiàn)較好的密封效果。表1為碳制節(jié)流環(huán)與軸的間隙（API682）。如用聚四氟乙烯材料制作的節(jié)流環(huán)也采用這樣的間隙值，參考3%的收縮率，以100 mm的軸徑為例，節(jié)流環(huán)與軸幾乎沒(méi)有間隙。密封裝配完成后，如果較長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)流環(huán)將抱緊旋轉(zhuǎn)件，導(dǎo)致不能運(yùn)轉(zhuǎn)或密封損壞。如果環(huán)境溫度變化較大，會(huì)進(jìn)一步加劇收縮變形，聚四氟乙烯線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖1 四氟節(jié)流環(huán)用于機(jī)械密封的背冷水密封

（3）解決辦法。使用放置一定時(shí)間后的聚四氟乙烯材料，待其收縮已基本預(yù)先完成后再進(jìn)行加工，制成的密封環(huán)可以滿足一般的精度要求。如果是模具成型的密封件，仍需要考慮收縮率的影響，合理設(shè)置間隙值，但仍會(huì)有所偏差，精度難以保證。采用適當(dāng)放置后的聚四氟乙烯材料，通過(guò)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，可以提高尺寸精度，減小收縮的不利影響，所制成的聚四氟乙烯密封件可以滿足旋轉(zhuǎn)軸密封、液壓密封等對(duì)尺寸精度的要求；而采用增強(qiáng)聚四氟材料，也會(huì)降低收縮率。

表1 碳制節(jié)流環(huán)與軸的間隙

圖2 聚四氟乙烯線膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

2 聚四氟乙烯金屬座組合

（1）應(yīng)用。利用聚四氟乙烯良好的摩擦性能和化學(xué)耐性，作為動(dòng)密封摩擦副，與對(duì)磨環(huán)組成機(jī)械密封，用于強(qiáng)腐蝕的化學(xué)介質(zhì)密封；也可用作機(jī)械式油封，避免碳化硅、碳石墨材料的脆性，尤其是超大規(guī)格的應(yīng)用，在碳石墨或碳化硅等材料難以制成或在尺寸受限的情況下，聚四氟乙烯的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

（2）問(wèn)題。因金屬具有強(qiáng)度、加工性能和裝配性能等優(yōu)勢(shì)，采用聚四氟乙烯制作的摩擦副通常組裝于金屬環(huán)座之中。摩擦副材料如碳化硅，靠外徑過(guò)盈熱鑲到金屬環(huán)中，在一定的溫度范圍內(nèi)，會(huì)保持適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量，使金屬與環(huán)座保持為一體。因聚四氟乙烯具有明顯的收縮性，如果靠外徑的過(guò)盈裝配會(huì)在使用中出現(xiàn)環(huán)座松動(dòng)、甚至脫離，成為不可靠的因素甚至造成密封失效。

（3）解決辦法。利用聚四氟乙烯的收縮特性，采用內(nèi)徑與金屬環(huán)座裝配或作為密封面。密封組合完成后，材料的收縮會(huì)使裝配更緊密，密封更可靠（圖3）；如果規(guī)格較大，空間充分，可增加O形圈進(jìn)一步密封，也可以增加銷釘提高傳動(dòng)的可靠性（圖4）。

3 應(yīng)用實(shí)例

（1）某鋼鐵企業(yè)無(wú)損探傷設(shè)備使用的軸徑700 mm的進(jìn)口機(jī)械密封，環(huán)面原為碳石墨材料，整體密封價(jià)格昂貴且交貨周期長(zhǎng)，常規(guī)的碳化硅或碳石墨摩擦副在國(guó)內(nèi)難以加工到這個(gè)的規(guī)格。采用增強(qiáng)聚四氟乙烯為動(dòng)環(huán)材料，并以內(nèi)徑與環(huán)座結(jié)合密封的設(shè)計(jì)方案解決了加工問(wèn)題（圖5）。實(shí)際使用效果良好。

圖3 四氟環(huán)靠?jī)?nèi)徑緊配合使用

圖4 通過(guò)銷釘及O形圈等形式組合使用

圖5 增強(qiáng)聚四氟組合摩擦副

圖6 聚四氟材料的迷宮密封環(huán)

圖7 改用銅合金材料的迷宮密封環(huán)

（2）某石化企業(yè)用增強(qiáng)聚四氟作為泵軸承箱迷宮密封結(jié)構(gòu)材料，開(kāi)始使用狀態(tài)良好，但使用至冬季極寒天氣（-30℃以下），密封整體從軸承箱中脫落。該密封的結(jié)構(gòu)如圖6所示，靜環(huán)通過(guò)O形圈與密封腔內(nèi)壁壓緊固定。檢查失效密封未發(fā)現(xiàn)部件有破損情況，常溫下環(huán)的凈尺寸和O形圈壓縮值基本合理。初步分析為溫度大幅度降低后，四氟件外徑尺寸收縮減小，使O形圈壓縮量減小甚至喪失，導(dǎo)致密封件脫落。

采用高低溫交變?cè)囼?yàn)箱，在-30℃下將上述密封環(huán)放置5 h后，通過(guò)測(cè)試密封環(huán)外徑變化，計(jì)算出平均線膨脹系數(shù)約為90×10-6/℃，根據(jù)密封件名義外徑（80 mm）處溝槽尺寸和O形圈線徑（1.78 mm）和密封腔尺寸（80 mm），推算O形圈壓縮量（常溫按20℃）約為10%。在-30℃時(shí)，外徑尺寸減小約0.36 mm，O形圈的原有壓縮量為0.356 mm（不考慮低溫變化影響），計(jì)算結(jié)果顯示原O形圈壓縮量已不復(fù)存，所以外徑會(huì)松脫。相對(duì)輕微的外徑減小不會(huì)脫落但可能表現(xiàn)為外徑滲漏。

該測(cè)試沒(méi)有考慮壓蓋在降溫時(shí)也會(huì)收縮，但一般金屬在此溫度范圍的線膨脹系數(shù)很小（45＃鋼為11×10-6/℃），因此不能使O形圈保持設(shè)計(jì)的壓縮狀態(tài)。基于上述分析，考慮到現(xiàn)場(chǎng)不允許打火花的密封要求，將原密封材料改為銅合金（圖7），銅合金的線膨脹系數(shù)19×10-6/℃，收縮（膨脹）狀態(tài)與壓蓋材料更接近，安裝后密封良好，未出現(xiàn)密封滲漏、脫落現(xiàn)象，溫度變化下始終表現(xiàn)穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

聚四氟乙烯具有良好的物理化學(xué)性能，但收縮特性不可忽視。在作為密封部件或其他結(jié)構(gòu)部件使用時(shí)，應(yīng)重視這種特性，避免尺寸變化帶來(lái)的不利影響或利用這種特性，充分發(fā)揮材料的綜合使用性能。

［1］胡國(guó)幀等.化工密封技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］API Standard 682（2014版）[S].

［3］劉立.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

〔編輯 李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.44