超高相對分子質(zhì)量聚乙烯組合密封

王文東, 單 旸, 金石磊, 李小慧

(1. 上海材料研究所, 上海200437;2. 上海市工程材料應(yīng)用評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200437)

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超高相對分子質(zhì)量聚乙烯組合密封

王文東, 單 旸, 金石磊, 李小慧

(1. 上海材料研究所, 上海200437;2. 上海市工程材料應(yīng)用評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200437)

闡述了超高相對分子質(zhì)量聚乙烯密封的組合形式和幾何形狀;介紹了用于組合密封的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯復(fù)合材料的摩擦磨損性能，以及超高相對分子質(zhì)量聚乙烯組合密封在海水及類似介質(zhì)中的應(yīng)用。

超高相對分子質(zhì)量聚乙烯； 組合密封； 摩擦； 幾何形狀

0 前言

海洋工程裝備制造業(yè)是為海洋開發(fā)提供裝備的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。隨著海洋開發(fā)步伐的加快，海洋工程裝備制造業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇,其中,海洋油氣資源開發(fā)裝備是海洋工程裝備的主體，包括各類鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、浮式生產(chǎn)儲油船、卸油船、起重船、鋪管船、海底挖溝埋管船、潛水作業(yè)船等[1]。在海洋工程裝備中密封材料是關(guān)鍵材料之一，而超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)是適用于海水環(huán)境的密封材料。

UHMWPE是平均相對分子質(zhì)量在150萬以上的線性聚乙烯，具有非常優(yōu)良的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫性能,還具有自潤滑、衛(wèi)生無毒等綜合性能[2-6]。UHMWPE板材或棒管狀材料經(jīng)過機(jī)械加工制成各種形狀，再與適當(dāng)?shù)膹椥泽w或金屬彈簧合理匹配形成組合密封，而UHMWPE及彈性體或金屬彈簧的幾何形狀對密封的性能具有較大影響，對UHMWPE密封的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化,合理設(shè)計，滿足海洋工程裝備密封的各種特殊工況要求。

1 組合密封用UHMWPE

UHMWPE的摩擦因數(shù)低，具有自潤滑性能，在水潤滑條件下，其摩擦性能優(yōu)于尼龍和聚甲醛的。砂漿磨損試驗(yàn)表明：UHMWPE的磨耗比碳鋼和黃銅的低，還優(yōu)于其他高分子材料[2]，如圖1所示。試驗(yàn)條件：砂漿組成中水與砂的質(zhì)量比為2∶3，轉(zhuǎn)速900 r/min，時間7 h。

圖1 UHMWPE與其他材料的砂漿磨耗性能

按照GB/T 3960《塑料滑動摩擦磨損試驗(yàn)方法》試驗(yàn),UHMWPE的干摩擦因數(shù)略大于聚四氟乙烯(PTFE)及其復(fù)合材料的;在水、油潤滑條件下的摩擦因數(shù)接近或略小于PTFE及其復(fù)合材料的;在干摩擦、水和油潤滑條件下的磨損量均小于PTFE及其復(fù)合材料的，如表1所示。

表1 UHMWPE與PTFE復(fù)合材料的摩擦磨損性能

在干摩擦條件下，隨著玻璃纖維與UHMWPE的質(zhì)量比增大,UHMWPE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)增大；隨著PTFE和MoS2與UHMWPE的質(zhì)量比增大,UHMWPE復(fù)合材料的摩擦因數(shù)呈下降趨勢，如圖2(a)所示。這是由于PTFE和MoS2在摩擦表面形成固體轉(zhuǎn)移膜[3-4]，改善了UHMWPE復(fù)合材料的摩擦性能。

在干摩擦條件下，隨著碳纖維與UHMWPE的質(zhì)量比增大，UHMWPE復(fù)合材料的磨損量明顯降低；隨著玻璃纖維與UHMWPE的質(zhì)量比增大，UHMWPE復(fù)合材料的磨損量逐漸降低；隨著PTFE和MoS2與UHMWPE的質(zhì)量比增大，UHMWPE復(fù)合材料的磨損量呈先降后升的趨勢，其質(zhì)量比大于20%后，由于PTFE和MoS2與UHMWPE的相容性差，因此,界面結(jié)合弱化[3-4]，影響了UHMWPE的微觀聚集態(tài)性能，使UHMWPE復(fù)合材料的綜合性能下降，如圖2(b)所示。

(a) 摩擦因數(shù)

(b) 磨損量

密封材料的抗壓性能決定其承受密封壓力的能力，UHMWPE及其復(fù)合材料在不同應(yīng)變時的抗壓強(qiáng)度均高于PTFE的,UHMWPE用于密封材料時可以抵御壓應(yīng)力產(chǎn)生的蠕變，如圖3所示。

圖3 UHWMPE與PTFE的抗壓性能

UHWMPE可通過填充改性制備復(fù)合材料。常用填充劑為玻璃微珠、玻璃纖維、碳纖維、石墨、MoS2和PTFE等。通過填充改性提高了復(fù)合材料的硬度、抗壓強(qiáng)度,降低了摩擦因數(shù),提高了耐磨性能，滿足各類工況下密封材料的要求。UHMWPE及其復(fù)合材料合理匹配彈性體或金屬彈簧形成組合密封。

2 UHWMPE組合密封的幾何形狀

2.1 往復(fù)運(yùn)動用密封的幾何形狀

孔用雙向往復(fù)運(yùn)動用UHMWPE密封斷面的幾何形狀為矩形及其變體，如圖4(1)～圖4(4)所示,其中圖4(1)中密封斷面為矩形，運(yùn)動時接觸面積大，摩擦阻力較大；圖4(2)中密封斷面為矩形，在運(yùn)動的接觸表面加開了一個儲液槽，由于凹槽中儲存液體的潤滑作用，摩擦阻力降低；圖4(3)和圖4(4)中密封斷面為雙峰型，不僅在運(yùn)動的接觸表面形成了一個儲液槽，存在著液體的潤滑作用，而且三角峰和梯形峰斷面減小了接觸面積，摩擦阻力進(jìn)一步降低;圖4(3)中雙三角峰斷面的摩擦阻力低，承載能力略低，而圖4(4)中雙梯形峰斷面的摩擦阻力比雙三角峰斷面略大，承載能力略高。

軸用單向往復(fù)運(yùn)動用UHMWPE斷面的幾何形狀,如圖4(5)～圖4(8)所示。圖4(5)中UHMWPE密封斷面為階梯形，非對稱密封形狀，在背壓側(cè)形成6°～8°的緩斜面，在有介質(zhì)壓力側(cè)形成較窄的55°～60°的陡斜面，這種錐形面可形成所需的密封接觸應(yīng)力分布。介質(zhì)壓力越高，形成的密封接觸應(yīng)力峰值越大，壓力變化時密封狀態(tài)自動調(diào)整,密封的跟隨性能好,并且具有介質(zhì)的泵回能力，高壓密封效果好。對液壓密封系統(tǒng)而言，低壓回液性能好，潤滑液體膜的厚度較小，泄漏量很小，摩擦阻力小。圖4(6)～圖4(8)中，采用O型圈、星型圈和異型圈等橡膠彈性體的UHMWPE組合密封，橡膠提供柔和的彈性補(bǔ)償力，可用于中低壓密封，適合軸跳動較大的工況。圖4(6)中橡膠彈性體為O型圈，對唇口部位各個方向均有補(bǔ)償力。圖4(7)中橡膠彈性體為星型圈，對內(nèi)外唇口和中部提供補(bǔ)償力，可形成合理的應(yīng)力分布。圖4(8)中橡膠彈性體為異型圈，內(nèi)外唇口為橡膠彈性體接觸，UHMWPE復(fù)合材料防止橡膠的擠出，形成高壓低泄漏密封。

2.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動用密封的幾何形狀

常用UHMWPE復(fù)合材料軸用旋轉(zhuǎn)密封斷面的幾何形狀,如圖5所示。其中圖5(1)中密封斷面為矩形，在運(yùn)動的接觸表面加開了兩個儲液槽，由于兩個凹槽中儲存液體的潤滑作用，摩擦阻力降低,此密封為雙向密封。圖5(2)中密封斷面為雙峰梯形，在運(yùn)動的接觸表面形成了一個儲液槽，不僅存在液體的潤滑作用，而且梯形峰斷面減小接觸面積，摩擦阻力進(jìn)一步降低，此密封為雙向密封。圖5(3)中密封斷面為齒形，系斜面與矩形斷面的組合，在運(yùn)動的接觸表面形成了一個三角形儲液槽，摩擦阻力較低，耐高壓性能良好，可以耐60 MPa的壓力,此密封為單向密封。圖5(4)中密封斷面為矩形的變體，與運(yùn)動對偶件的接觸面為梯形，采用圓弧面矩形彈性體提供預(yù)緊力，此密封在用于擺動的旋轉(zhuǎn)設(shè)備時，隨著系統(tǒng)壓力的升高，密封圈可以稍微傾斜，達(dá)到液壓力的平衡，系統(tǒng)壓力降低時，在彈性體作用下，密封又會恢復(fù)到原來的狀態(tài),此密封為雙向密封。圖5(5)密封斷面為齒形，匹配O型橡膠圈，多肢唇口形成可靠密封，適用于低壓密封。圖5(6)中密封斷面類似于旋轉(zhuǎn)油封，匹配O型彈簧和O型橡膠圈，帶有副唇，密封唇口與旋轉(zhuǎn)軸的接觸力小，用于中低線速度的油封。圖5(7)中密封斷面為Y型圈的變體，一側(cè)密封泥漿，另一側(cè)密封液壓油，用于石油行業(yè)設(shè)備的密封。圖5(8)中密封斷面為弧形，在介質(zhì)壓力作用下，密封壓應(yīng)力高，在低壓或無壓力時，密封接觸應(yīng)力低，此密封為單向密封。

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2.3 金屬彈簧組合密封的幾何形狀

常用UHMWPE復(fù)合材料金屬彈簧組合密封斷面的幾何形狀,如圖6所示。此類密封一般用于旋轉(zhuǎn)軸密封。

圖6(1)中密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，密封與摩擦對偶件的接觸表面為UHMWPE復(fù)合材料，摩擦阻力小，密封與摩擦對偶件的接觸面積小，并且V型不銹鋼彈簧對UHMWPE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)力分布和密封峰值應(yīng)力，高、低壓密封性能良好。圖6(2)中密封斷面為薄壁U型，匹配U型不銹鋼彈簧,它與圖6(1)中所示的密封斷面區(qū)別：U/V型不銹鋼彈簧唇口的傾斜角度不同，圖6(1)中V型不銹鋼彈簧唇口向內(nèi)徑方向傾斜，圖6(2)中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UHMWPE復(fù)合材料，適用于高、低溫密封。圖6(3)中密封斷面為薄壁U型，匹配U型不銹鋼彈簧，它與圖6(2)中所示的密封斷面區(qū)別：它附有一個定位矩形凸臺階，具有防止密封外緣轉(zhuǎn)動的作用。圖6(4)中密封斷面為薄壁雙U型，匹配兩個U型不銹鋼彈簧，在密封的內(nèi)外工作面形成有效的密封。圖6(5)中密封斷面為薄壁U型，匹配O型不銹鋼彈簧，在介質(zhì)的壓力作用下，O型彈簧的橢圓度可以隨著介質(zhì)壓力的變化，高低壓密封性能良好，摩擦阻力較小。圖6(6)中密封斷面為薄壁U型，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，可以形成若干個峰值應(yīng)力，匹配O型不銹鋼彈簧，可以耐最高100 MPa的高壓。圖6(7)為旋轉(zhuǎn)軸向密封，密封斷面為薄壁U型，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UHMWPE復(fù)合材料，在UHMWPE復(fù)合材料內(nèi)部鑲嵌了不銹鋼彈簧片,起到固定作用，達(dá)到防轉(zhuǎn)效果，代替旋轉(zhuǎn)油封，適用于高低溫密封，可以承受30 MPa的壓力。圖6(8)中密封斷面類似于旋轉(zhuǎn)油封，匹配V型彈簧和O型橡膠圈，密封唇口與旋轉(zhuǎn)軸的接觸力小，用于中、低線速度油封。

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3 UHMWPE組合密封的應(yīng)用

UHMWPE組合密封廣泛應(yīng)用于高壓海水泥漿密封、涂料高壓噴涂設(shè)備密封、水和海水旋轉(zhuǎn)密封、氯堿化工行業(yè)鹽水設(shè)備密封、核電耐海水密封等。UHMWPE組合密封可用于水性介質(zhì)及各類水溶液的動、靜密封。

4 結(jié)語

各類機(jī)械密封采用UHMWPE復(fù)合材料，充分利用摩擦因數(shù)低和耐磨損等性能；采用不同的填充劑制備各種配方的UHMWPE復(fù)合材料，摩擦磨損性能可控可調(diào)。設(shè)計合理的UHMWPE復(fù)合材料密封的幾何形狀，匹配各種異型的橡膠彈性體或金屬彈簧，組合成UHMWPE復(fù)合材料密封，在保證密封性能的前提下，達(dá)到運(yùn)行摩擦阻力小，保證海洋工程裝備啟動快捷、運(yùn)行平穩(wěn)、控制靈敏、精確定位，提高了生產(chǎn)效率、技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，保障海洋工程等特殊行業(yè)生產(chǎn)安全，降低能源資源消耗，實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化和綠色化。

[1] 馬延德. 海洋工程裝備〔M〕.北京：清華大學(xué)出版社，2013：1-50.

[2] 劉廣建.超高相對分子質(zhì)量聚乙烯[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：1-77.

[3] 胡永樂.超高相對分子質(zhì)量聚乙烯復(fù)合摩擦學(xué)材料的研制及其性能研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)， 2011.

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Ultra-high Relative Molecular Mass Polyethylene Composite Seal

WANG Wen-dong1,2, SHAN Yang1, JIN Shi-lei1, LI Xiao-hui1,2

(1. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China;2. Shanghai Research Key Laboratory for Engineering Materials Evaluation,Shanghai 200437, China)

The composite structure and geometry of ultra high relative molecular mass polyethylene seal were described. The friction and wear properties of ultra high relative molecular mass polyethylene composites used for the composite seal, and the applications of ultra high relatine molecular mass polyethylene composite seal in seawater and similar mediums were introduced.

ultra high relative molecular mass polyethylene; composite seal; friction; geometry

王文東(1966—)，男，高級工程師，從事高分子復(fù)合材料及密封材料的研究

TQ 320

A

1009-5993(2016)02-0059-05

上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會上海市軍民結(jié)合專項(xiàng)2014年度第二批(JM20146201202)

2016-03-08)