软填料密封存在的问题与改进

　　摘要：针对卧式轴流泵传统软填料密封的基本结构及密封原理，分析了软填料密封存在的问题，提出了从提高密封填料性能和改进密封结构来改善密封效果和提高使用寿命的几种措施。

　　关键词：软填料密封,盘根，骨架油封，轴流泵，卧式轴流泵

　　一、引言

　　软填料密封又叫压盖填料密封，俗称盘根(Packing)。它是一种填塞环缝的压紧式密封，是世界上使用最早的一种密封装置。软填料密封通常用作旋转或往复运动的元件与轴封箱之间环形空间的密封，如离心泵、转子泵、往复泵、搅拌机及反应釜的轴封，还有阀门的阀杆密封，管线膨胀节、换热器浮头及其他设备的密封。它能适应各种旋转运动、往复运动、螺旋运动及静止元件的密封，加之结构简单，成本低廉，拆装方便，故至今仍应用较广。但也存在着密封性能差，功率消耗大，工作寿命短等不足。

　　二、软填料密封的基本结构及密封原理

　　图1为一典型结构的软填料密封。软填料装在填料箱内，压盖通过压盖螺栓轴向预紧力的作用使软填料产生轴向压缩变形，同时引起填料产生径向膨胀的趋势，而填料的膨胀又受到填料箱内壁与轴表面的阻碍作用，使其与两表面之间产生紧贴，间隙被填塞而达到密封。即，软填料是在变形时依靠合适的径向力紧贴轴和填料箱内壁表面，以保证可靠的密封。

1.底衬套2.软填料3.封液环4.封液入口5.填料箱6.压盖7.压盖螺栓
图1软填料密封

　　A-软填料渗漏;B-靠箱壁侧泄漏;C-靠轴侧泄漏

　　填料与运动的轴之间因有相对运动，难免存在微小间隙而造成泄漏，此间隙即为主要泄漏通道。填料装入填料箱内以后，当拧紧压盖螺栓时，柔性软填料受压盖的轴向压紧力作用产生弹塑性变形而沿径向扩展，对轴产生压紧力，并与轴紧密接触。但由于加工等原因，轴表面总有一定的表面粗糙度，其与填料只能是部分贴合，而部分未接触，这就形成了无数个不规则的微小迷宫。当有一定压力的流体介质通过轴表面时，将被多次引起节流降压作用，这就是所谓的“迷宫效应”，正是凭借这种效应，使流体沿轴向流动受阻而达到密封。填料与轴表面的贴合、摩擦，也类似滑动轴承，故应有足够的液体进行润滑，以保证密封有一定的寿命，即所谓的“轴承效应”。

　　显然良好的软填料密封即是“轴承效应”和“迷宫效应”的综合。适当的压紧力使轴与填料之间保持必要的液体润滑膜，可减少摩擦磨损，提高使用寿命。压紧力过小，泄漏严重，而压紧力过大，则难以形成润滑液膜，密封面呈干摩擦状态，磨损严重，密封寿命将大大缩短。因此如何控制合理的压紧力是保证软填料密封具有良好密封性的关键。

　　三、软填料密封存在的问题

　　传统软填料密封主要存在以下几个方面问题。

　　1.径向压力分布不均，摩擦磨损严重

　　由于填料是弹塑性体，当受到轴向压紧后，产生摩擦力致使压紧力沿轴向逐渐减少，同时所产生的径向压紧力使填料紧贴于轴表面而阻止介质外漏。如图2所示，径向压紧压力的分布由外端(压盖)向内端，先是急剧递减后趋平缓，被密封介质压力的分布由内端逐渐向外端递减，当外端介质压力为零时，则泄漏很少，大于零时泄漏较大川。由此可见，填料径向压力的分布与介质压力的分布恰恰相反，内端介质压力最大，应给予较大的密封力，而此处填料的径向压紧力恰是最小，故压紧力没有很好的发挥作用。实际应用中，为了获得密封性能，往往增加填料的压紧力，亦即在靠近压盖端的2-3圈填料处使径向压力最大(约为平均压紧力的2-3倍)，当然摩擦力也增大，这就导致填料和轴产生如图3所示的异常磨损情况，严重影响了密封工作的稳定性。填料圈数越多，轴向高度越大，比压越不均匀。

1.填料箱2.填料3.压盖
(a)径向结构(b)径向压力(c)介质压力
图2软填料密封的压力分布

图3软填料密封的异常磨损

　　2.散热、冷却能力不够

　　软填料密封中，滑动接触面较大，摩擦产生的热量较大，而散热时，热量需通过较厚的填料，且多数软填料的导热性能都较差。摩擦热不易传出，致使摩擦面温度升高，摩擦面间的液膜蒸发，形成干摩擦，磨损加剧，密封寿命会显著降低。

　　3.应力松弛现象严重，密封工作的稳定性差

　　由密封填料的勃弹性分析可知，在恒定应变作用下，密封填料产生明显的应力松弛，严重的应力松弛必然导致软填料密封的早期失效。传统的软填料密封，螺栓所施加给填料的预紧力是恒定的，由于磨损引起填料的压缩变形量稍有减少，就会加剧填料的应力松弛，从而降低了密封工作的稳定性和可靠性。

　　4.自动补偿能力较差

　　软填料磨损后，填料与轴杆、填料箱内壁之间的间隙加大，而传统软填料密封结构无自动补偿压紧力的能力，随着间隙增大，泄漏量也逐渐增大。因此，须频繁地拧紧压盖螺栓。

　　5.偏摆或振动的影响

　　某些机器(如压缩机等)或设备(如反应釜等)在工作时，轴有较大的振动和偏摆，轴与旋转中心之间将会出现较大偏心。如图4所示，若轴的中心与旋转中心不重合，偏心距为e，则轴与填料之最大间隙就为2e，最小间隙为零。间隙沿圆周的分布像月牙形。月牙形的间隙位置随着轴的转动而周期性变化，因此起到了类似容积泵的增压作用，这对密封是非常不利的。

图4偏心对间隙的影响

　　四、改进措施

　　1.提高密封填料性能

　　(1)采用填料的组合使用

　　即采用不同种类密封填料分段混合配置。不同的填料其侧压系数和回弹性能不同，通过合理选择不同的填料进行组合，可以极大地提高其密封效果。例如，对于膨胀石墨由于其抗拉及抗剪切能力较低，所以一般将膨胀石墨填料与石棉填料或碳纤维填料组合使用，这样既可防止膨胀石墨填料被挤人轴隙，强烈磨损而引起介质泄漏，又可使填料径向压力分布均匀，增进密封效果。

　　实验表明，组合填料一般比各组分单一填料的密封性能好。同样，填料的组合方式不同，工作寿命也不同。为得到最佳密封效果，填料组装应符合下列原则：组合填料各圈由压盖到密封箱底，填料的侧压系数有增大趋势，填料的摩擦因数依次减小，表示压力下降速度的填料综合系数呈减小趋势。

　　(2)对填料预压成形

　　填料预压成形就是对填料先以一定的压力进行预压缩，然后再装入填料箱。填料在经过预压缩后，在相同的压盖压力下，抵抗介质压力的能力增强，变形减少，介质泄漏的阻力增大，密封效果明显改善。

　　填料经过预压缩后，与未经预压缩的相比，装入填料箱后其径向压力分布比较均匀合理，密封效果提高。预压缩的比压应高于介质压力，其值可取介质压力的1.2倍。预压后填料应及时装入填料腔中，以免填料恢复弹性。如果进行预压缩时，对填料施加的压力不同，靠近压盖的填料压力小，离压盖越远则预压缩压力越大，这样的填料装入填料箱压紧后其径向压力分布更接近泄漏介质沿泄漏通道的压力分布，密封效果与寿命有很大改善。

　　(3)采用新型密封填料

　　泥状混合填料是一种新型的密封填料，它由纯合成纤维、高纯度石墨或高分子硅脂、聚四氟乙烯、有机密封剂进行混合，形成一种无规格限制的胶泥状物质。泥状混合填料密封结构如图5所示，在轴的运转过程中，泥状混合填料由于分子间吸引力极小，具有很强的可塑性，可以紧紧缠绕在轴上，并随轴同步旋转，形成一个“旋转层”;随着“旋转层”的直径逐步增大，轴对纤维的缠绕能力逐步减小，没有与轴缠绕的填料则与填料箱保持相对静止，形成一个“不动层”，如图6所示。这样在泥状混合填料中间形成一个剪切分层面，而不是填料与轴之间。

1.泥状混合填料2.快速接管3.泵体4.注射系统5.压盖6、9.盘根7.轴套8.轴
图5泥状混合填料密封结构

　　泥状混合填料密封的特点是：无泄漏，密封可靠，对轴(或轴套)无磨损;安装简单，维修时可在线修复，降低了劳动强度;不需要冲洗和冷却;轴功率损耗小，只有普通软填料密封的22%左右。目前国内使用较多的泥状混合填料主要有CMS2000和BP720两种，其相关参数如表1所示。

1.泵壳2.不动层3.旋转层4.轴5.剪切层
图6泥状混合填料工作原埋

　　2.改进密封结构

　　(1)改进径向压紧力的结构

　　使填料沿填料箱长度方向的径向压紧力分布尽可能均匀，并且与泄漏介质的压力分布趋势尽可能一致。其主要目的是减小轴和填料的磨损及其不均匀性，同时满足对密封的要求。可采取以下措施。

　　a.采用变截面的阶梯式结构

　　如图7a所示，从压盖起到底环处填料截面逐段缩小而径向压力逐渐增大，接近介质压力分布。

　　b.双填料箱分段式压紧结构

　　如图b7所示，两个填料箱轴向叠加，使后箱体底端兼作前箱体压盖，当填料环总数较多时，将其分段装人前后箱体内，使压紧力较为均匀，可适当提高其密封能力。

　　c.填料压盖自紧式结构

　　如图7c所示，利用流体介质压力直接作用于填料压盖前端面上，以提高在介质端部的填料受的压紧力，也使压紧力沿轴向的分布更趋于合理，当介质压力增高时，这种作用将更强。

　　d.集装式结构圈

　　如图7d所示，由一组软填料环装填在一个可以沿轴向移动的金属套筒之中，填料和套筒预紧力由压盖螺栓(螺母下有弹簧进行调节。工作时由于介质压力作用在套筒底上，进一步压缩软填料，增加了套筒内底部软填料对轴的压紧作用，从而使径向压紧力的分布沿轴向与密封介质的压力分布相配合。

　　e.采用分级软填料密封结构

　　如图7e所示，由软填料环、金属环、圆柱形弹簧交替安装组合而成。它通过弹簧分别调节各层填料环的压紧力，使之得到最佳的径向压紧力分布，同时，弹簧还可以对径向压紧力的松弛起到补偿作用。

　　f.采用径向加载软填料密封结构

　　如图7f所示，此密封是通过油嘴将润滑脂挤人弹性套，从填料外围均匀加压，使填料沿轴方向的径向压紧力分布均匀。

　　(2)自动补偿的软填料密封结构

　　设置补偿结构，目的是对填料的磨损进行及时的或自动的补偿;而且拆装、检修方便，以缩短因此而引起的停工时间。采用液压加载和弹簧加载可以自动补偿(如图7c、d、e)。

a.变截面阶梯结构b.双填料箱分段式压紧结构c.填料压盖自紧式结构d.集装式结构e.分级软填料密封结构f.径向加载软填料密封结构
图7软填料结构的改进

　　图8所示为自动补偿径向压紧软填料密封结构，具有以下优点：

　　①其径向压力和间隙中介质的压力在数值上很接近，符合软填料密封机理。

　　②和传统软填料密封结构相比，摩擦功耗低。

　　③各圈填料受压套径向压力的作用，可始终紧压轴表面，可保证有效密封。

　　④自动补偿机构可连续补偿径向压力，提高了密封的可靠性。

　　⑤在同样的密封条件下，减轻了轴与填料的磨损，可延长轴和填料的使用寿命。

　　(3)采用浮动填料箱的结构

　　图9a、b分别为内圆和外圆可浮动的填料箱结构，该结构适用于轴和壳体不同心或在转动时摆动、跳动较大的场合。结构中利用弹性或柔软性良好的材料(如橡胶)作过渡体，起吸振作用，使填料箱或轴处于浮动状态，补偿壳体和轴的偏心。

1.转轴2.外挡板3.调整螺母4.弹簧5.壳体6.O形圈7.压套8.软填料
图8自动补偿径向压紧软填料密封

a.内圆浮动式填料箱b.外圆浮动式填料箱
图9浮动式填料箱

　　五、结语

　　软填料密封由于结构简单，成本低廉，拆装方便，而且能适应各种旋转运动、往复运动、螺旋运动及静止元件的密封，因此，目前仍被广泛使用。但传统的软填料密封也存在着许多不足之处。本文针对传统软填料密封的基本结构及密封原理，分析了软填料密封存在的问题，提出了从提高密封填料性能和改进密封结构来改善密封效果和提高使用寿命的几种措施。随着新型密封填料的不断出现和对软填料密封结构及机理研究的不断深入，软填料密封的适用工况范围必将不断扩大，密封性能及寿命也将大幅提高。