聚四氟乙烯材料收缩特性的应用

宁广东

（艾志环保管接技术股份有限公司，江苏南京211100）

聚四氟乙烯材料收缩特性的应用

宁广东

（艾志环保管接技术股份有限公司，江苏南京211100）

聚四氟乙烯具有成型收缩的特性，经过填充增强会降低收缩率，但仍有一定的收缩率。例举说明聚四氟乙烯密封部件如何避免这种特性带来的不利影响，利用这种性能，更好地发挥聚四氟乙烯材料的综合特性。

（增强）聚四氟乙烯；收缩；密封材料

0 前言

聚四氟乙烯是最耐腐蚀的材料之一，同时具有极低的摩擦系数、良好的自润滑性和耐温性，广泛应用于机械、医疗、航天、化工等行业，它可以制成管、棒、带、板、薄膜等；还可以通过填充玻璃纤维、金属、石墨、二硫化钼、碳纤纤等以提高某方面的性能。在密封领域，聚四氟乙烯可以加工成垫片、编织成盘根、摩擦副、密封环等。聚四氟乙烯材料的成型收缩率一般在3%～5%，经过不同的物料填充，收缩率会相应改变，但都会有一定的收缩比率。

1 聚四氟乙烯节流密封环

（1）应用。（增强）聚四氟乙烯节流密封环，在密封装置中比较常见，如采用API62方案的机械密封，可以使用聚四氟乙烯节流环对背冷流体进行节流密封；也可以制成挡渣器安装在密封腔体底部，配合冲洗改进密封运行区域环境。这种应用中的密封环是静止的，通过狭小的节流缝隙或迷宫结构，实现节流密封、隔离介质等目的（图1）。

（2）问题。该结构设计通常要求节流环与旋转轴的径向间隙较小，才能实现较好的密封效果。表1为碳制节流环与轴的间隙（API682）。如用聚四氟乙烯材料制作的节流环也采用这样的间隙值，参考3%的收缩率，以100 mm的轴径为例，节流环与轴几乎没有间隙。密封装配完成后，如果较长时间没有运转，节流环将抱紧旋转件，导致不能运转或密封损坏。如果环境温度变化较大，会进一步加剧收缩变形，聚四氟乙烯线膨胀系数与温度的关系曲线见图2。

图1 四氟节流环用于机械密封的背冷水密封

（3）解决办法。使用放置一定时间后的聚四氟乙烯材料，待其收缩已基本预先完成后再进行加工，制成的密封环可以满足一般的精度要求。如果是模具成型的密封件，仍需要考虑收缩率的影响，合理设置间隙值，但仍会有所偏差，精度难以保证。采用适当放置后的聚四氟乙烯材料，通过数控机床进行加工，可以提高尺寸精度，减小收缩的不利影响，所制成的聚四氟乙烯密封件可以满足旋转轴密封、液压密封等对尺寸精度的要求；而采用增强聚四氟材料，也会降低收缩率。

表1 碳制节流环与轴的间隙

图2 聚四氟乙烯线膨胀系数与温度的关系曲线

2 聚四氟乙烯金属座组合

（1）应用。利用聚四氟乙烯良好的摩擦性能和化学耐性，作为动密封摩擦副，与对磨环组成机械密封，用于强腐蚀的化学介质密封；也可用作机械式油封，避免碳化硅、碳石墨材料的脆性，尤其是超大规格的应用，在碳石墨或碳化硅等材料难以制成或在尺寸受限的情况下，聚四氟乙烯的优势更为明显。

（2）问题。因金属具有强度、加工性能和装配性能等优势，采用聚四氟乙烯制作的摩擦副通常组装于金属环座之中。摩擦副材料如碳化硅，靠外径过盈热镶到金属环中，在一定的温度范围内，会保持适当的过盈量，使金属与环座保持为一体。因聚四氟乙烯具有明显的收缩性，如果靠外径的过盈装配会在使用中出现环座松动、甚至脱离，成为不可靠的因素甚至造成密封失效。

（3）解决办法。利用聚四氟乙烯的收缩特性，采用内径与金属环座装配或作为密封面。密封组合完成后，材料的收缩会使装配更紧密，密封更可靠（图3）；如果规格较大，空间充分，可增加O形圈进一步密封，也可以增加销钉提高传动的可靠性（图4）。

3 应用实例

（1）某钢铁企业无损探伤设备使用的轴径700 mm的进口机械密封，环面原为碳石墨材料，整体密封价格昂贵且交货周期长，常规的碳化硅或碳石墨摩擦副在国内难以加工到这个的规格。采用增强聚四氟乙烯为动环材料，并以内径与环座结合密封的设计方案解决了加工问题（图5）。实际使用效果良好。

图3 四氟环靠内径紧配合使用

图4 通过销钉及O形圈等形式组合使用

图5 增强聚四氟组合摩擦副

图6 聚四氟材料的迷宫密封环

图7 改用铜合金材料的迷宫密封环

（2）某石化企业用增强聚四氟作为泵轴承箱迷宫密封结构材料，开始使用状态良好，但使用至冬季极寒天气（-30℃以下），密封整体从轴承箱中脱落。该密封的结构如图6所示，静环通过O形圈与密封腔内壁压紧固定。检查失效密封未发现部件有破损情况，常温下环的净尺寸和O形圈压缩值基本合理。初步分析为温度大幅度降低后，四氟件外径尺寸收缩减小，使O形圈压缩量减小甚至丧失，导致密封件脱落。

采用高低温交变试验箱，在-30℃下将上述密封环放置5 h后，通过测试密封环外径变化，计算出平均线膨胀系数约为90×10-6/℃，根据密封件名义外径（80 mm）处沟槽尺寸和O形圈线径（1.78 mm）和密封腔尺寸（80 mm），推算O形圈压缩量（常温按20℃）约为10%。在-30℃时，外径尺寸减小约0.36 mm，O形圈的原有压缩量为0.356 mm（不考虑低温变化影响），计算结果显示原O形圈压缩量已不复存，所以外径会松脱。相对轻微的外径减小不会脱落但可能表现为外径渗漏。

该测试没有考虑压盖在降温时也会收缩，但一般金属在此温度范围的线膨胀系数很小（45＃钢为11×10-6/℃），因此不能使O形圈保持设计的压缩状态。基于上述分析，考虑到现场不允许打火花的密封要求，将原密封材料改为铜合金（图7），铜合金的线膨胀系数19×10-6/℃，收缩（膨胀）状态与压盖材料更接近，安装后密封良好，未出现密封渗漏、脱落现象，温度变化下始终表现稳定。

4 结语

聚四氟乙烯具有良好的物理化学性能，但收缩特性不可忽视。在作为密封部件或其他结构部件使用时，应重视这种特性，避免尺寸变化带来的不利影响或利用这种特性，充分发挥材料的综合使用性能。

［1］胡国帧等.化工密封技术[M].北京：化学工业出版社，2006.

［2］API Standard 682（2014版）[S].

［3］刘立.流体力学泵与风机（第二版）[M].北京：中国电力出版社，2009.

〔编辑 李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.44