PTFE蓄能密封设计及其在氯碱化工中的应用

于文新 王文东 师延龄

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

PTFE蓄能密封设计及其在氯碱化工中的应用

于文新1王文东2师延龄2

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

阐述了聚四氟乙烯(PTFE)蓄能密封结构形式和几何形状，介绍了用于蓄能密封的聚四氟乙烯复合材料的性能、蓄能密封用弹簧不锈钢和橡胶材料，以及PTFE蓄能密封在氯碱化工行业中的应用。

聚四氟乙烯；蓄能密封；复合材料；氯碱

0 前言

氯碱化工是基础化工行业之一，采用饱和食盐(氯化钠)水溶液通过工业化的电解反应制得基础化工原料：烧碱(氢氧化钠)、盐酸、液氯、氢气等[1]，进一步衍生系列含氯的化工产品：次氯酸钠、三氯异氰尿酸、二氯异氰尿酸钠、二水二氯异氰尿酸钠等。在氯碱化工生产过程中，各类化工泵、阀、容器、储罐、反应釜等设备需要各种动静密封，密封的可靠性关系到化工生产安全。当密封失效时，除普通的泄露外，可能造成爆炸、剧毒释放等灾难性事故，这密封类失效直接威胁着生产人员的健康和生命[2]。高可靠性密封是特种化工设备的极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复合材料密封和耐腐蚀的不锈钢弹簧或者橡胶弹性体组成。密封圈安装在沟槽内，弹簧或者橡胶弹性体受压，形成向外的弹性力，促使密封唇紧贴密封沟槽，由于弹簧或者橡胶弹性体永久地向密封唇提供弹力，能弥补PTFE密封磨损和配合零件的偏心，由此形成从真空到高压范围内的密封。另外系统压力会进一步促使密封蓄能，压力越大，密封唇与沟槽贴合越充分，形成高压密封[3-4]。

聚四氟乙烯(PTFE)具有化学稳定性、耐高低温性能、摩擦因数低、自润滑性等优良性能,PTFE及复合材料适用-260～300 ℃温度范围内，密封几乎所有的化学溶剂、强腐蚀化工液体和气体，因而它在化工中得到了广泛应用[3-6]。根据氯碱化工行业工况选择合适的PTFE复合材料和耐腐蚀不锈钢或橡胶材料[7-8]，对PTFE复合材料密封几何形状尺寸进行优化、合理设计，与适当的金属弹簧或者橡胶弹性体匹配形成蓄能密封件，满足氯碱化工行业的各种工况密封要求。作者对蓄能密封的几何形状及其PTFE复合材料作了简单阐述，根据氯碱化工行业工况介绍了蓄能密封选用的通用原则。

1 蓄能密封材料

1.1 蓄能密封用PTFE复合材料

聚四氟乙烯的常用填充剂为：锡青铜粉、石墨、二硫化钼、玻璃纤维、碳纤维、聚苯酯、聚酰亚胺等，通过填充改性后的聚四氟乙烯复合材料的抗压性能有所不同，相对而言，纯聚四氟乙烯抗压强度较低；聚四氟乙烯填充石墨后，其抗压强度较低；聚四氟乙烯填充聚苯酯后，其抗压强度略大于纯聚四氟乙烯；聚四氟乙烯填充碳纤维后，其抗压强度略大于聚四氟乙烯填充聚苯酯；聚四氟乙烯填充锡青铜粉后，其抗压强度较大。根据工况条件选择合适的聚四氟乙烯复合材料，同时考虑抗压性能与摩擦磨损性能的平衡。

聚四氟乙烯复合材料的配方可以采用填充剂并用，如聚四氟乙烯、铜粉、二硫化钼/石墨、碳纤维并用；聚四氟乙烯、玻璃纤维、二硫化钼/石墨并用；聚四氟乙烯、聚苯酯、二硫化钼/石墨、碳纤维并用;聚四氟乙烯、聚酰亚胺、二硫化钼。通过多元共混，采用不同比例的固体润滑剂-二硫化钼或石墨，兼顾聚四氟乙烯复合材料抗压性能与摩擦磨损性能，提高聚四氟乙烯复合材料密封的使用寿命。聚四氟乙烯及其复合材料的性能见表1。在氯碱化工行业中的高浓度氯离子的溶液或者含氯的强氧化物介质中，聚四氟乙烯锡青铜粉复合材料可产生化学腐蚀，主要选用聚四氟乙烯碳纤维复合材料。

表1 填充聚四氟乙烯材料性能

注：配方1：纯PTFE； 2：PTFE+20%碳纤维；3：PTFE+20%玻璃纤维+5%石墨 ；4：PTFE+25%玻璃纤维；5：PTFE+20%玻璃纤维；6：PTFE+15%石墨；7：PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2；8：PTFE+40%青铜粉+5%MoS2。

1.2 蓄能密封用弹簧金属材料

PTFE蓄能密封金属弹簧有多种形式可供选择，有O型弹簧，V型弹簧，U型弹簧，满足不形式的密封需要，弹簧金属材料以各种不锈钢为主，见表2。在氯碱化工行业中的氯离子(Cl-)对金属材料的腐蚀是各种化工泵、阀失效的主要原因之一，在盐水工序氯化钠浓度高达305～315 g/L,根据氯离子浓度的高低选用耐腐蚀性能良好的弹簧金属材料是保证PTFE蓄能密封寿命的关键。不锈钢301、304在20%氯化钠溶液中可产生晶间腐蚀和应力腐蚀，不锈钢316、316L可在中等浓度的氯化钠溶液、稀酸稀碱中耐腐蚀性能良好，Hastelloy c-276具有出色的耐点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀性能，耐潮湿氯气、次氯酸盐及二氧化氯溶液的腐蚀，对高浓度的氯化钠溶液有显著的耐蚀性，适用于各种浓度的硫酸溶液和热浓硫酸溶液。Elgiloy镍基高温合金，含镍50%以上，在650～1 100 ℃温度范围具有较高强度、较好的抗氧化和耐腐蚀性能。Inconel718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，在650 ℃温度以下时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有优良的耐腐蚀性[7-8]。

表2 弹簧用金属材料选用

1.3 蓄能密封用橡胶材料

PTFE蓄能密封也可由不同橡胶材料的O形圈或者异形圈替代金属弹簧作为弹性体使用，在氯碱化工行业中常用的橡胶材料主要是丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁基橡胶、氟橡胶等。在空气、水等中性介质中根据温度分别选用丁腈橡胶、氟橡胶；在盐水、盐酸、氢氧化钠等酸碱介质中根据温度分别选用三元乙丙橡胶、丁基橡胶、氟橡胶；在含氯、强氧化剂等腐蚀等介质中选用全氟醚橡胶[3-4]。

2 PTFE蓄能密封几何形状

2.1 通用形状

PTFE蓄能密封结构几何形状多样，最常用的几种典型结构如图1。图1.1密封断面为薄壁Y型，匹配V型片状悬臂不锈钢弹簧，密封与摩擦对偶件的接触表面为PTFE复合材料，摩擦阻力小，密封与摩擦对偶件的接触面积小，并且V型不锈钢弹簧对PTFE复合材料密封唇口的弹性补偿力可形成合理的压应力分布曲线和密封峰值应力，高低压密封性能良好，可以密封20～60 MPa压力。图1.2密封断面为薄壁U型，匹配U型片状悬臂不锈钢弹簧，它与图1.1所示密封断面的区别为：U型不锈钢弹簧唇口倾斜角度不同，图1.1中U型不锈钢弹簧唇口向内径方向倾斜，图1.2中V型不锈钢弹簧唇口向外径方向倾斜，它不易造成应力损伤PTFE复合材料，适宜于高低温密封，可以适用于-250～260 ℃温度,可以密封20～60 MPa压力。图1.3为图1.1密封内部匹配PTFE复合材料V形塞子，固定弹簧，防止弹簧在片状间隔处腐蚀应力导致的拉链式断裂，延长寿命。图1.4密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢薄片状弹簧，可承受高负载，适合低速工作条件，可以密封真空至80 MPa压力。图1.5密封断面为薄壁U型，匹配倾斜螺旋不锈钢圆形钢丝弹簧，并且在密封的内外缘的工作面上附有梯形凹槽，在介质的压力作用下，可以形成若干个峰值应力，适合中高速工作条件，可以密封1～60 MPa压力。

图1 常用PTFE蓄能密封断面示意图

PTFE蓄能密封的金属弹簧给密封提供弹性力，保证密封具有持久的弹性补偿性能，图2为PTFE蓄能密封常用的3种类型弹簧的特性曲线，弹簧的弹性力决定了蓄能密封的密封能力、摩擦力和磨损率，变形范围影响蓄能密封承受磨损和补偿沟槽尺寸波动的能力。V型/U型弹簧类似悬臂梁结构，其弹性力主要集中于密封唇口的前缘，它可承受中等载荷并具有中等的变形范围。倾斜螺旋薄片状弹簧可承较大的载荷并具有较小的变形范围，它适合于静态和缓慢运动的动态条件。倾斜螺旋圆形钢丝弹簧可承受较小的载荷并具有较大的变形范围，其弹性力比较稳定，密封的摩擦力可保持平稳，弹簧不易损伤。

图2 弹簧弹性力-变形率特性曲线

2.2 静密封

氯碱化工行业管道、储罐、反应釜等连接处的端面及法兰之间静密封的可靠性及其重要，必须保证在规定的服役周期内(1年～10年不等)无泄漏，PTFE蓄能密封具有持久的弹性密封应力，能够保证密封的可靠性，对于PTFE蓄能密封，V型/U型弹簧或者倾斜螺旋圆形钢丝弹簧均可用于静密封，倾斜螺旋薄片状弹簧用于静密封更加可靠，具体结构参见图3。图3.1压力来自于内径方向；图3.2压力来自于外径方向或者内部真空；此类产品用于真空、气体和高低温工况。

图3 PTFE蓄能密封-静密封结构示意图

2.3 径向阀门密封

图4为径向阀门密封用PTFE蓄能密封,采用倾斜螺旋薄片状弹簧，可承受较大的载荷，可用于高压腐蚀性液气介质密封，由于PTFE复合材料摩擦因数低，此类阀门密封开启灵活。

图4 PTFE蓄能密封-径向阀门密封结构示意图

2.4 旋转端面密封

图5.1为旋转端面PTFE蓄能密封，匹配V型片状悬臂不锈钢弹簧，密封与摩擦对偶件的接触表面为PTFE复合材料，摩擦阻力小，密封与摩擦对偶件的接触面积小，密封唇口的弹性补偿力可形成合理的应力分布曲线，高低压密封性能良好，同时具有良好的高速性能。

图5 PTFE蓄能密封-旋转密封结构示意图

2.5 旋转轴向密封

图5.2 和5.3为旋转轴向密封，图5.2密封断面为薄壁U型，附带防转凸缘，匹配U型片状悬臂不锈钢弹簧，U型不锈钢弹簧唇口向外径方向倾斜，它不易造成应力损伤PTFE复合材料，适宜于高低温密封，可以适用于-250～260 ℃温度,可以密封真空至60 MPa压力，旋转速度可达1 m/s。图5.3密封断面与图5.2区别为：无防转凸缘，而是在PTFE复合材料内部镶嵌了不锈钢弹簧片起到起固定作用达到防转效果，代替旋转油封，用于高温真空泵，用于各种化工腐蚀性气体介质。

2.6 橡胶弹性体蓄能密封

图6所示，采用O型圈、星型圈、异型圈等橡胶弹性体代替弹簧的PTFE蓄能密封，橡胶提供柔和的弹性补偿力，可用于中低压密封，适合轴跳动较大的工况。图6.1中橡胶弹性体为V型，对唇口部位补偿力较大。图6.2中橡胶弹性体为O型圈，对唇口部位各个方向均有补偿力。图6.3中橡胶弹性体为星型圈，对内外唇口和中部提供补偿力，可形成合理的应力分布曲线。图6.4中橡胶弹性体为异型圈，内外唇口为橡胶弹性体接触，PTFE复合材料防止橡胶的挤出，形成高压低泄漏密封。

图6 PTFE蓄能密封-橡胶弹性体蓄能密封结构示意图

3 结语

采用不同的填充剂制备各种配方的PTFE复合材料，充分发挥其摩擦因数低、自润滑性能和耐化学腐蚀性能，设计合理的PTFE复合材料密封几何形状，合理匹配各种耐腐蚀的异型橡胶弹性体或不锈钢弹簧，组合形成PTFE蓄能密封，满足氯碱化工行业各种腐蚀工况的动静密封的需要。

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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，工程师，主要从事氯碱化工设备设计和管理工作。