聚四氟乙烯材料收縮特性的應用

寧廣東

（艾志環保管接技術股份有限公司，江蘇南京211100）

聚四氟乙烯材料收縮特性的應用

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聚四氟乙烯具有成型收縮的特性，經過填充增強會降低收縮率，但仍有一定的收縮率。例舉說明聚四氟乙烯密封部件如何避免這種特性帶來的不利影響，利用這種性能，更好地發揮聚四氟乙烯材料的綜合特性。

（增強）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，同時具有極低的摩擦系數、良好的自潤滑性和耐溫性，廣泛應用于機械、醫療、航天、化工等行業，它可以制成管、棒、帶、板、薄膜等；還可以通過填充玻璃纖維、金屬、石墨、二硫化鉬、碳纖纖等以提高某方面的性能。在密封領域，聚四氟乙烯可以加工成墊片、編織成盤根、摩擦副、密封環等。聚四氟乙烯材料的成型收縮率一般在3%～5%，經過不同的物料填充，收縮率會相應改變，但都會有一定的收縮比率。

1 聚四氟乙烯節流密封環

（1）應用。（增強）聚四氟乙烯節流密封環，在密封裝置中比較常見，如采用API62方案的機械密封，可以使用聚四氟乙烯節流環對背冷流體進行節流密封；也可以制成擋渣器安裝在密封腔體底部，配合沖洗改進密封運行區域環境。這種應用中的密封環是靜止的，通過狹小的節流縫隙或迷宮結構，實現節流密封、隔離介質等目的（圖1）。

（2）問題。該結構設計通常要求節流環與旋轉軸的徑向間隙較小，才能實現較好的密封效果。表1為碳制節流環與軸的間隙（API682）。如用聚四氟乙烯材料制作的節流環也采用這樣的間隙值，參考3%的收縮率，以100 mm的軸徑為例，節流環與軸幾乎沒有間隙。密封裝配完成后，如果較長時間沒有運轉，節流環將抱緊旋轉件，導致不能運轉或密封損壞。如果環境溫度變化較大，會進一步加劇收縮變形，聚四氟乙烯線膨脹系數與溫度的關系曲線見圖2。

圖1 四氟節流環用于機械密封的背冷水密封

（3）解決辦法。使用放置一定時間后的聚四氟乙烯材料，待其收縮已基本預先完成后再進行加工，制成的密封環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，合理設置間隙值，但仍會有所偏差，精度難以保證。采用適當放置后的聚四氟乙烯材料，通過數控機床進行加工，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軸密封、液壓密封等對尺寸精度的要求；而采用增強聚四氟材料，也會降低收縮率。

表1 碳制節流環與軸的間隙

圖2 聚四氟乙烯線膨脹系數與溫度的關系曲線

2 聚四氟乙烯金屬座組合

（1）應用。利用聚四氟乙烯良好的摩擦性能和化學耐性，作為動密封摩擦副，與對磨環組成機械密封，用于強腐蝕的化學介質密封；也可用作機械式油封，避免碳化硅、碳石墨材料的脆性，尤其是超大規格的應用，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，聚四氟乙烯的優勢更為明顯。

（2）問題。因金屬具有強度、加工性能和裝配性能等優勢，采用聚四氟乙烯制作的摩擦副通常組裝于金屬環座之中。摩擦副材料如碳化硅，靠外徑過盈熱鑲到金屬環中，在一定的溫度范圍內，會保持適當的過盈量，使金屬與環座保持為一體。因聚四氟乙烯具有明顯的收縮性，如果靠外徑的過盈裝配會在使用中出現環座松動、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，采用內徑與金屬環座裝配或作為密封面。密封組合完成后，材料的收縮會使裝配更緊密，密封更可靠（圖3）；如果規格較大，空間充分，可增加O形圈進一步密封，也可以增加銷釘提高傳動的可靠性（圖4）。

3 應用實例

（1）某鋼鐵企業無損探傷設備使用的軸徑700 mm的進口機械密封，環面原為碳石墨材料，整體密封價格昂貴且交貨周期長，常規的碳化硅或碳石墨摩擦副在國內難以加工到這個的規格。采用增強聚四氟乙烯為動環材料，并以內徑與環座結合密封的設計方案解決了加工問題（圖5）。實際使用效果良好。

圖3 四氟環靠內徑緊配合使用

圖4 通過銷釘及O形圈等形式組合使用

圖5 增強聚四氟組合摩擦副

圖6 聚四氟材料的迷宮密封環

圖7 改用銅合金材料的迷宮密封環

（2）某石化企業用增強聚四氟作為泵軸承箱迷宮密封結構材料，開始使用狀態良好，但使用至冬季極寒天氣（-30℃以下），密封整體從軸承箱中脫落。該密封的結構如圖6所示，靜環通過O形圈與密封腔內壁壓緊固定。檢查失效密封未發現部件有破損情況，常溫下環的凈尺寸和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，導致密封件脫落。

采用高低溫交變試驗箱，在-30℃下將上述密封環放置5 h后，通過測試密封環外徑變化，計算出平均線膨脹系數約為90×10-6/℃，根據密封件名義外徑（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，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），計算結果顯示原O形圈壓縮量已不復存，所以外徑會松脫。相對輕微的外徑減小不會脫落但可能表現為外徑滲漏。

該測試沒有考慮壓蓋在降溫時也會收縮，但一般金屬在此溫度范圍的線膨脹系數很小（45＃鋼為11×10-6/℃），因此不能使O形圈保持設計的壓縮狀態。基于上述分析，考慮到現場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19×10-6/℃，收縮（膨脹）狀態與壓蓋材料更接近，安裝后密封良好，未出現密封滲漏、脫落現象，溫度變化下始終表現穩定。

4 結語

聚四氟乙烯具有良好的物理化學性能，但收縮特性不可忽視。在作為密封部件或其他結構部件使用時，應重視這種特性，避免尺寸變化帶來的不利影響或利用這種特性，充分發揮材料的綜合使用性能。

［1］胡國幀等.化工密封技術[M].北京：化學工業出版社，2006.

［2］API Standard 682（2014版）[S].

［3］劉立.流體力學泵與風機（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2009.

〔編輯 李波〕

TH145

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.03.44