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行业动态

碳石墨密封材料疱疤现象分析及解决方法

发布时间:2024-01-23 09:15:22      点击次数:264

什么是疱疤现象

机械用碳在密封行业的应用中,很容易出现疱疤现象。所谓疱疤现象,是指碳石墨密封环在使用过程中出现鼓泡、起层甚至出现凹坑的现象。 如图疱疤现象金相图

疱疤现象的出现,会使密封面局部形成液态或气态凹流,造成液膜厚度波动,增大密封体的振幅,对密封面产生破坏。严重时甚至造成表面部分石墨起层与基体脱离,形成新的凹坑。凹凸不平的石墨表面还会相互发生碰撞,破坏已有的密封表面,从而导致泄漏的发生。





 疱疤现象的原因分析  

1   含有热固 树脂材料
     主要原因

运行过程中密封面局部发热,造成材料中的树脂溢出 

2、具体分析

在机械密封运转的过程中,动静密封环紧密贴合旋转并互相摩擦。摩擦产生的热量会使接触面的局部温度上升,当局部温度超过碳石墨环中树脂的固化温度时,树脂会软化并从石墨环摩擦面溢出, 同时产生挥发性气体,破坏原有的密封状态。

3、高温严重将出现挥发性气体

在转速较低、多变或介质粘度较大的工况条件下,环境介质温度在100℃左右时,碳石墨摩擦面的局部温度可达200~310℃。石墨密封环内的热固性树脂将发生反应并释放大量气体,放出挥发性气体的同时体积开始收缩腾出空间形成凹坑





产生的气体处于旋转受压状态下,会逐渐导致以下几种现象的出现:


PART.01

气体在粘度较高的液体之中,气体比重低于液体,产生的气体在凹坑中高速旋转;


PART.02

摩擦副紧密贴合,气体滞留在密封面之间形成气团,处于旋转受压状态下难以排出,在密封面的液膜中形成凹流;


PART.03

凹流使得液膜厚度出现波动,增加密封流体的振幅,使气体涡流能量加大,破坏力增强,以至于产生气蚀现象;


PART.04

气蚀现象严重时,造成表面部分石墨起层与基体脱离,形成新的凹坑,新的凹坑会造成局部液态或气体凹流;


PART.05

气体或液体凹流造成气膜或液膜不均产生振动严重时形成共振,并不断延伸扩大,由点到面 (颗粒之间拉扯力的薄弱点首先被气蚀或冲蚀), 使凹坑扩大的同时也破坏了正常的气膜或液膜从而产生泄漏。



2      材料各向异性



1、主要原因

在高粘度液体中,密封面剪应力超过石墨材料颗粒结合力的破坏强度时,会造成石墨材料颗粒的脱落。颗粒脱落后,会产生凹坑,从而出现疱疤现象。

2、具体分析

各向异性及其金相图



各向同性及其金相图



各向异性材料和各向同性材料的结构示意图和金相图如上图所示。两种材料由于成型方式的不同,结构具有一定的差异,结构上的差异导致了材料在性能方面的不同。各向异性材料之所以容易出现疱疤现象,与其结构有着密不可分的联系。


PART.01

各向异性材料呈层状结构,层状结构存在导热差异及分层特性,轴向导热性差。导热性差的缺陷会造成密封面过热、磨损加剧、密封面变形及局部脱落形成凹坑,极易产生疱疤现象。严重时造产品成开裂,使密封失效。 


PART.02

各向异性材料内部颗粒结合力差.粒度分布组成不合理、组织疏松。凹凸值大或分布不均,超过液膜厚度。



3

    成膜性与研磨性不匹配

1、具体分析


石墨材料的成膜性是材料自润滑性的重要保证。但作为机械用碳,在具有成膜性的同时,还需要具有研磨特性。研磨性与成膜性需在速率上具有 一定的关系,以使密封面的润滑膜始终保持一定的厚度。

2、出现后果

当材料研磨性与成膜性不匹配时,将会出现:


PART.01

成膜困难或不能成膜,会造成磨损加剧 


PART.02

研磨性差或没有研磨性,将会导致成膜过厚或部分脱落,形成侵蚀凹坑,极易发生疱疤现象。

3、案例

下图为同类型的纯碳材料对磨氧化铝陶瓷的干磨试验结果。其中,对比图左为成膜性与研磨性匹配优良的机械用碳石墨材料。可以看出,匹配特性优良的石墨材料在工作中可以持续保持温度的稳定。而匹配特性一般的材料,会导致工作面温度的明显上升。




研磨性与成膜性匹配优良            研磨性与成膜性匹配一般




 解决方法  


解决疱疤问题,要从材料内部结构、粒度、成型方法、粘接剂、成膜性和研磨性、导热性等几方面来解决。如选用各向同性石墨;避免热固性树脂在高粘度工况下使用;合理选择对磨副材料;分析电化学发生的可能性;选择热稳定性和导热性好的材料。针对疱疤的产生机理,结合多年的实践经验,解决疱疤问题的实际方法总结如下:


PART.01

选用各向同性石墨,并改善材料结构、增 强材料内部颗粒之间的结合力,同时改善材料的导热性。

各向同性材料颗粒更紧密   各向异性材料材质较疏松


PART.02

选用粒度更致密、结构更细的碳石墨材料,增强材料的致密性和强度,减少填充物质。


超细颗粒(10um)纯碳材料       通常材料(40um)


PART.03

选择高密度、细颗粒无需浸渍的纯碳石墨材料,避免浸渍物的影响,提高材料的热稳定性。


PART.04

选用耐高温性能好的填充浸渍物,减少热固性树脂的使用。


PART.05

要选用抗电化学性能的碳石墨材料,减少碳石墨材料内部的杂质成分。


PART.06

选用具有优良的成膜性和研磨性的碳石墨密封材料,并保持一定的成膜和研磨的速率。


PART.07

 选用优质硬质合金材料避免产生电化学现象。(市场上硬质合金大多都加了成分复杂的回收粉料) 


PART.08

使用推荐石墨密封牌号,相应牌号石墨的性能如下表所示。




总结

通过上述对疱疤现象的分析,希望对对疱疤问题的解决和预防具有一定的帮助作用。 


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