船配密封件加工过程中废料回收研究

【摘 要】本论文针对当前发展较快的船配企业中使用量较大的密封件，综合介绍了该类产品目前在生产过程中常用的材料，并对每种材料的特点和适用范围进行了描述。并结合密封件加工过程中产生废料目前的处置情况，对该行业将来的发展提出了建议。

【关键词】密封件；石棉；石墨； 资源回收

1.概述

密封件是设备及管道连接处以防止其漏油、漏气、漏水以及外界环境介质侵入的基础组件。工程技术人员掌握和了解密封件的性能和特点，对正确选择安装和使用密封件，防止泄漏与由此而引起的环境污染、改善产品外观、提高产品效率与性能，节约能源与材料、防止设备失效、保障人身安全都具有重要意义。密封材料要与所选用的工作液体有很好的“ 兼容性” ， 此外还要求弹性好， 永久变形小，有适当的机械强度， 耐热耐磨性很好， 摩擦因子小； 与金属接触不互相粘着和腐蚀， 容易制造，成本低。船配密封件是目前密封件生产中市场占有率较高的一类生产，目前用于密封件生产的材料主要有以下几种：

1.1非金属材料

自19世纪以来，随着生产和科学技术的进步，尤其是无机化学和有机化学工业的发展，人类以天然的矿物、植物、石油等为原料，制造和合成了许多新型非金属材料，如水泥、人造石墨、特种陶瓷、合成橡胶、合成树脂（塑料）、合成纤维等。这些非金属材料因具有各种优异的性能，为天然的非金属材料和某些金属材料所不及，从而在近代工业中的用途不断扩大，并迅速发展。非金属材料可分为无机材料和有机材料两大类。在机械工程中较常使用的有许多品种。属于无机材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等；属于有机材料的有木材、皮革、胶粘剂和高分子合成材料──合成橡胶、合成树脂、合成纤维等；此外还有以非金属纤维增强树脂基所构成的复合材料。橡胶、塑料、石棉和柔性石墨等因有良好的柔性和弹性而适于制造动态和静态的密封零件，如压缩机的活塞环、密封填料、O型和V型密封圈等。20世纪60年代以来，还出现了一种以树脂或橡胶为基体、称为液体密封胶的密封材料，适用于各种静态密封，使用方便。

非金属材料还有一项特殊用途，就是用作耐烧蚀材料，如酚醛和石棉、石英等纤维复合制成的用于宇航方面的烧蚀部件，能在2500℃以上较长时间内燃烧、分解、散热、碳化，形成隔热层，有效地保护内部结构。此外，一些非金属材料还有消音、消振、透光、无磁性等特点，可用于制造如橡胶弹簧、避振垫片、光学透镜等零件。非金属材料的强度一般不及金属材料高。其中无机非金属材料的共同缺点是质地脆、不耐冲击；有机非金属材料则耐热性不高，存在老化、尺寸稳定性较差等问题。

对于不同类型的密封，其作用机理也有所不同。静密封是依靠封闭接合面的间隙以实现密封作用。在设计合理、制造质量符合要求的情况下，才能达到长期密封的目的。对于这种接触式密封，安装后，作用于接触面的密封力（接触力）与机械载荷、流体压力作用下的内应力、重力产生的静载荷以及热载荷等有密切的关系。对于密封材料自身会产生渗透的材料，如；石棉板、纤维基非石棉材料，应考虑其本身的渗漏，机械载荷，包括螺栓的固紧力及弹性体产生弹性变形而在接触面产生的初始应力。这类垫片的密封接触面往往较宽，以达到阻止内部材料毛细微孔的通道，并通过将法兰加工成多道水线的形式，来增加单位面积的压强，减少垫片被“压馈”的现象，特别是用在气体及温度较高的场合。

1.2金属材料

由于非金属材料无法满足高温、高压的要求，为满足高温、高压工况的要求，70年代以来陆续出现了齿型垫、铁包垫、铝平垫等形式的金属垫片。这些垫片主要用在热设备、船舶蒸汽管道上、油品管道上，它对法兰配合表面的粗糙度、加工精度（如平直度），压紧程度都要求较高，使其发展在相当程度上受到限制。

“O”形圈、油封等一类橡胶密封件不适宜设备高速、高压、高温的工作部位。选用特种金属材料制做的密封件统称为金属密封。金属密封有耐磨、耐温、塑性小的优点， 但失效快、寿命短、性能不稳定却是较普遍的现象。金属密封的选材， 传统上多为硬质合金、高速钢、轴承钢等。金属密封材料主要用于静密封。常用密封件除间隙密封外，密封都是利用密封件使偶合面间的间隙控制在工作介质能通过的最小间隙之下。该最小间隙取决于工作介质的压力、粘度、相对分子质量等。通过分析金属密封件密封界面的工作特点， 揭示了金属密封性能的不稳定性。

表1 常用金属密封材料的种类和应用范围

1.3 金属橡胶

金属橡胶是一种均质的弹性多孔物质，是用一定的工艺方法，将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序地排放在冲压（或碾压）模具中，然后用冷冲压方法而成型的，其内部结构是金属丝相互交错勾联形成类似橡胶高分子材料的空间网状结构。在外力作用下，金属橡胶将克服金属丝之间的干摩擦阻尼而产生变形，外力消失后，在自身弹性力的作用下，恢复原状。它的原材料是金属丝，既具有所选金属固有的特性，又具有像橡胶一样的弹性，故名为金属橡胶。

金属橡胶作为一种先进的新型功能材料，它主要为了满足航空航天飞行器上的特殊需要，解决高低温、高压、高真空及剧烈振动等环境下的密封、减振、过滤等疑难问题。通过开展金属橡胶材料在军机密封技术和阻尼隔振技术两方面的应用研究，从根本上解决液压系统在低温条件下的活动密封泄漏问题，彻底解决因橡胶隔振器存在易腐蚀、易老化、耐高低温能力差等不足造成管路事故频发的问题。

1.4非金属和金属混合材料

到了70年代中期，特别是柔性石墨材料的出现，产生了非金属和金属材料结合使用的垫片，如增强石墨垫片、缠绕式垫片、波齿复合垫片、波纹齿组合垫片。随着密封技术的不断发展，垫片的材料和结构都有很大的发展，使密封性能有了很大提高。在材料方面，长期以来使用的传统型石棉密封材料已逐渐为新型的膨胀石墨材料所代替，在结构方面更为新型的垫片正在取代传统结构形式。过去使用较普遍的是铁包垫、金属齿型垫和缠绕式垫片等。铁包垫是在石棉橡胶垫的基础发展起来的一种较早使用的耐高温垫片，由于石棉橡胶板为金属薄板所包复，不直接与高温介质接触，在一定程度上提高了垫片的耐温、耐压性能，但从密封机理看它是金属对金属的接触密封，要达到良好的密封性就必须有相当高的比压，而在这样高的比压下所包复的石棉橡胶板往往被压坏而失去作用，再加上石棉橡胶板在高温下发生应力松弛，导致压紧比压减少，而丧失密封性。实际使用证明，铁包垫性能不好，密封性也较差。齿型垫由整体金属构成，安全可靠性高，它利用压紧时齿尖部分产生很高的应力，形成金属的线密封，可以达到较高的密封性，但齿型垫的最大缺点是没有什么弹性，在温度、压力变化的场合就会发生泄漏。因此，在高温高压的场合较多地采用缠绕式垫片。缠绕式垫片理论上具有较好密封性和弹性，能适应参数波动的场合。

2.展望

近年来，随着海洋经济的迅猛发展，临港工业也迅速扩张。船舶制造业就是这其中非常有代表性的产业之一。其中有许多船配企业开始大量应用复合材料以代替纯金属材料。例如在管件、密封垫的生产过程中开始使用无石棉芳纶板、石棉压滑板、耐高温石墨板等。这些管件、密封均采用整板冲压，大量的边角料、报废料大都没有回收利用。首先，这些废料如不进行处理将占用大量的土地，而且这些废料的由不可分解的物质组成，既不能焚烧，又无处填埋，更是对周边环境造成了严重的污染，从而成为难以处置的社会的公害。据统计，采用整体冲压生产工艺技术，边角料的废品率达到50%以上，不但使生产成本大大增加，而且加大了环境污染系数。

由于当前世界上一些主要汽配、船舶生产厂家配套的配件正向环保型方向发展，汽车、船舶的“粮草”―密封垫片也由石棉作基材向非石棉或全金属作基材的方向转变。由于各方面条件的限制，目前生产工艺采用整体冲压技术，边角料的废品率达到50%以上，不但使生产成本大大增加，而且加大了环境污染系数，因此，可以充分利用自身现有的生产设备和生产技术，发挥企业从生产初级材料一直到生产高附加值的深加工产品这一独特优势，购置基本的生产和环保关键设备，并利用以前引进的国内外先进生产工艺和技术，应用国家大力提倡的化工新材料，开发环保型复合材料，使该产品的质量达到国内先进水平并与国际接轨。

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项目资助：

舟山市科学技术局项目“船用密封件加工中废料资源化回收利用枝术研究”（计划编号：2011C22040-1）。