第4章　机械密封和填料静密封材料延寿

4.1　机械密封和填料静密封材料的发展现状及战略意义

机械密封和填料静密封是流体输送设备、流体输送管道、储存容器等不可缺少的重要部件，往往是成套装置和设备的核心关键部件，广泛用于石油、化工、天然气、核电等行业的各类通用机械上。机械密封和填料静密封技术是控制被密封介质沿轴与相对静止壳体、管道法兰连接之间泄漏的技术，是保证设备安全运行的关键技术。在石油化工企业中，70％的安全事故是由密封件泄漏引起的，用于维修密封装置的费用可占据非计划维修的80％；例如一个年产30万吨乙烯的大型石油化工厂中的各种装置、配套装置和辅助车间的静密封点多达120万个，是工业过程泄漏的主要来源。随着工业的发展，对密封件的密封性、可靠性和寿命要求越来越严格。为保证密封件的性能，必须用具有较低的膨胀系数、良好的导热性以及足够的弹性、强度和耐腐蚀性的材料来制造这些密封件。密封材料的性能是密封产品运行寿命和可靠性的重要保证。常用的机械密封材料包括石墨碳素材料、硬质合金、工程陶瓷、柔性石墨、高分子复合材料、弹性材料等（图2-4-1～图2-4-6）。常用的填料静密封材料包括非金属垫片、金属垫片、金属与非金属复合型垫片、编织填料、模压填料、柔性石墨等。密封材料延寿技术可以延长密封产品乃至主机的安全运行周期，增强设备的可靠性，减少泄漏事故的发生，使安全系数提高，从而保证企业的安全生产。

4.1.1　密封材料的发展现状

随着现代工业的发展，流体机械设备的运转条件越来越苛刻，同时设备趋向大型化、极端参数化和长周期运行等方向发展。高端、高参数密封产品的高速、高压、高温、高腐蚀性等极端应用条件对密封材料的性能提出了极为苛刻的要求。要求密封材料具有耐高压、耐高低温、耐磨损、耐腐蚀、抗冲击、抗疲劳、长寿命、环保等性能特点。

密封的技术进步和性能提高，有赖于各种新型工程材料的应用。近20年来，我国密封材料的制备工艺技术在原材料、生产测试设备、配方体系、新工艺、技术标准体系等方面都有了很大进步，密封材料的种类日益增多，使用参数不断提高，应用领域也不断扩大。但由于受到国外技术封锁和国内研发水平落后的限制，自主创新能力薄弱，密封材料主要以中低端产品为主，高端密封材料普遍存在技术指标和工艺水平落后、质量不稳定等问题，导致高性能的密封材料短缺，主要依赖进口。

新材料和新工艺是推动密封技术发展的重要因素。高性能碳石墨、碳化硅、碳化钨、柔性石墨、新型复合材料、新型填料等密封材料的研制和表面改性、在线加工精度测控等工艺技术的进步将成为密封材料发展的重要方向。

4.1.2　密封材料延寿的战略意义

在密封产业的发展中，材料发展是基础。随着现代工业的发展和设备的运行要求提高以及环保和节约资源意识日趋增强，材料延寿在制造工程材料制造过程中的地位越来越重要，从而使密封材料在制造过程中的要求越来越严格。这将促使企业千方百计地在工程材料制造过程中提高密封材料的性能，从而延长密封产品的使用寿命。

提高密封工程材料的制造水平，降低制造环境、制造过程对密封材料性能的影响，可以使密封材料的使用寿命延长，减少维修频率。进而延长主机运行周期，提高设备可靠性，减少安全事故发生率，提高生产效率，降低成本。密封材料延寿还可以节约资源，降低能源消耗，对于环境保护，建设生态文明，实现国家和人类的可持续发展具有重大和深远的意义。

4.2　机械密封和填料静密封材料的使用现状与差距

4.2.1　国外密封材料的使用现状

国外先进国家密封材料的发展基础好、材料品种多，原材料纯度高、性能优越，生产设备和工艺先进，智能化程度高，产品研发周期短、更新快、创新能力强，检测设备和手段完善，处于世界领先水平。例如美国杜邦公司研制出了KalrezUltra Pure系列的两种新型号的填充氟塑料的密封材料，用于制造优质的可卸式静密封件，其中Sahara Plasma　8575可在温度高达280℃的腐蚀性介质中使用，Kalrez 6375 UP可在温度高达275℃的腐蚀性介质中使用。瑞典的山特维克公司使用一种含有钴、镍和铁等元素的粘接剂，制成了一种以烧结碳化物为材料，生产的工艺性好、性能可靠的密封环，使国际密封行业取得了很大的进展。国外先进国家对密封材料的延寿技术比较重视，各种先进技术及设备不断升级换代，新产品不断得到推广及应用，对密封材料所采取的延寿技术和方法主要有以下几种。

（1）通过原材料性能提高、配方设计改进、加工工艺和制造设备等多项措施，研发新材料及复合材料。

（2）通过渗透技术、等离子喷涂技术、注射成型技术、激光表面强化技术等，提高密封材料的耐磨性、承载能力和使用寿命。例如涂层硬质合金、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）技术等。

（3）通过表面织构技术增加摩擦端面的润滑效果及承载能力，减少摩擦磨损。例如表面喷丸处理、电子束刻蚀、机械刻蚀、激光表面织构等。

（4）通过新型设计、新型密封辅助系统的开发，改善密封材料的工作环境。

（5）采用特殊的电化学方法进行柔性石墨与金属黏合，以提高材料的耐温、耐压和防吹爆性能。

（6）产品的正确使用和及时维护。

4.2.2　国内密封材料发展面临的问题

我国石化、天然气、页岩气、核电等能源产业发展迅速。百万千瓦核电、百万千瓦超超临界火电、百万吨乙烯等大型石化成套装备、大型LNG成套装备、页岩气、深海深地油气资源开采装备等大型工程相继实施，要求其中的泵、压缩机等流体输送设备、管道、有法兰容器等向大型化、规模化、集成化、极端参数化、绿色节能方向发展，设备配套的密封技术和产品面临着高压、高速、高低温等极端条件以及高可靠性、长寿命、智能化等性能要求的挑战。

我国机械密封行业起步较晚，因此密封材料与西方发达国家的技术水平差距较大。随着科技的不断进步，我国逐渐缩短了与西方的差距，但是在高端密封材料方面目前尚属起步阶段，特别是在新材料的研发、推广及应用、产品的结构设计、生产设备与工艺等方面亟待提高。目前我国密封材料发展所面临的问题主要有以下几点。

（1）国内企业生产的密封材料品种较少，工艺落后，设备更新慢，能耗高。

（2）密封材料标准不完善，各生产企业产品质量参差不齐，检测手段滞后，产品合格品率偏低。

（3）某些材质密封件的密封设计不能分离，只能整体设计，材料的利用率较低，材料浪费严重。

（4）高端密封材料与发达国家相比存在较大差距，在国际市场上缺乏竞争力。高端密封材料及制品的质量技术标准和检测方法标准还相当缺乏，检验检测设备急需完善。

（5）国内各生产企业间缺乏信息交流和沟通平台，造成资源浪费。

（6）产学研相结合力度不够，高校研发方向和企业需求不相符，企业研发、创新能力不足。

4.2.3　国内密封材料与国外的差距

目前，我国的密封材料性能普遍低于先进国家同类产品，缺少一批自主创新、在国内外有较大影响力的行业品牌和知名企业。造成差距的主要原因有：设备及工艺水平落后，产品更新速度慢，自主研发、创新能力不足，专业人才缺乏等。

在碳石墨材料方面，目前国内碳石墨材料普遍存在空隙率高、纯度低、强度差、可靠性差和不耐磨等缺陷，大规格、高性能产品在国内处于空白状态，长期依赖进口。美国、日本、德国等国家拥有生产柔性石墨的先进专用设备和自动化生产流水线，其中高纯柔性石墨只有日本等少数国家能够生产。尽管近年来我国柔性石墨材料的研究与生产发展很快，但是尚处于小规模、单品种阶段，工艺系统粗糙，自动化程度较低。与发达国家相比，无论从产品的数量还是质量上，我国都有一定差距。此外在品种规格上，发达国家根据不同的使用条件和要求，研制了抗氧化型、防腐型等上千种柔性石墨制品，而国内各生产厂家对柔性石墨产品结构参数的设置及对制造工艺的控制不尽相同，造成产品的规格性能差别很大，使用效果也达不到国外同类产品的水平。我国与先进国家相比无论是产品的数量还是质量都有一定的差距。近年来，国内已在低硫柔性石墨制备工艺、柔性石墨复合增强材料等方面取得了一定进展，如成功研发的“核电站核级石墨密封垫片”、低硫柔性石墨材料等。但是尚处于小规模、单品种阶段，工艺系统粗糙，自动化程度较低。例如在柔性石墨材料有害元素硫的控制方面，美国、日本、德国等国家可以有效控制在100μg/g以下甚至检不出，国内仅有极少数企业的“特制”产品能够达到这一指标，其余普遍在1200μg/g左右。

碳/碳复合材料是目前材料领域重点研发的一种新型结构材料，作为密封材料使用时能够在高速、高压、高温及腐蚀环境下工作。在许多高压釜化工设备和高速旋转的机械机构中，碳/碳复合材料成为首选材料。在碳/碳复合材料的制备工艺方面，国外在20世纪70年代先后推出了碳纤维多向编织技术、高压液相浸渍工艺、化学气相沉积法及化学气相浸渍法等，有效地得到高性能的碳/碳复合材料，为其制造、批量生产和应用开辟了广阔的前景；90年代以来主要开发碳/碳复合材料新工艺，缩短工艺周期，降低成本，扩大其在航空、航天方面的应用，并开始进入民用领域。目前，国内生产的碳/碳复合材料已经在飞机、高超声速飞行器、核能、化工等领域得到应用，但总体而言制备方法耗时长、成本高、性能指标落后，严重制约了其在密封材料领域的大规模应用。

在硬质合金材料方面，我国的硬质合金产品大部分为普通低档次产品，高性能、高技术含量和高附加值的产品占市场份额极少，且质量与国外水平的差距较大。国外硬质合金材料的物理力学性能指标更高、控制范围更窄。目前世界上还仅有少数国家能生产出兼具高硬度［>90（HRA）］和高强度（>3200MPa）的纳米晶硬质合金。日本、瑞典等国的大公司分别开发和研制了纳米结构的超细硬质合金，例如日本学者用0.2μm的WC粉，同时加入抑制剂进行实验研究，制备出了抗弯强度达4500MPa的硬质合金。瑞典在1997年就推出了T002超细硬质合金，其硬度为93.8（HRA），强度为4300MPa，继而开发了晶粒度为0.2μm的WC合金微型钻头。中南大学近年来已成功地开发出一种原料粉末高温还原和高温碳化的新工艺，利用该工艺制取的WC粉末具有强度高、晶粒完整、颗粒几何形状好、颗粒内可储存较高的内能和表面能等特点。目前，中南大学基于“高温粉末”制取的矿用硬质合金有“G”和“YJ”两个系列。部分牌号的基本性能已可与世界知名品牌合金媲美。国内传统机械密封环用硬质合金牌号品种单一，品种规格难以满足市场需要。国外针对不同的硬质合金应用环境有对应的材料牌号，而国内材料标准没有针对用途进行细的分类，需要补充新的牌号标准。

在陶瓷材料方面，我国的陶瓷材料制备工艺技术于20世纪80年代开始起步，90年代后进入快速发展期，许多高校和研究所在陶瓷烧结方面做了较多研究，材料性能逐步得到提升，并形成规模化生产。例如上海硅酸盐研究所以B4C和C为烧结助剂通过热压烧结工艺在2050℃下获得了强度可高达500MPa、密度可达到3.56g/cm3的SiC烧结体。但国内在增韧、高可靠性、自润滑性等高性能材料的研发，耐辐照杂质控制、耐辐照体积肿胀、空洞肿胀控制、缺陷控制、大型件、异型件的成型技术和精密加工技术方面仍面临较大的挑战，落后于发达国家。

在复合材料方面，国外的聚四氟乙烯及其改性材料经过填充剂选择、加工工艺、相容剂选择等方面的系统性研究，其密封材料制品在技术和产品性能上都处于世界领先地位。国外对聚醚醚酮也进行了纤维填料增强、粉末填料增强、有机共混或无机填充等各种改性研究，进一步改善了摩擦学性能、尺寸稳定性、耐冲击强度等，降低了成本，扩大了使用范围。如TEADIT公司研制的型号为2070的密封材料，是由EGK及扩展型聚四氟乙烯、石墨制成的加强型缠绕式密封材料，其抗挤压力是传统的聚四氟乙烯石墨密封的4倍，并具有良好的抗化学性能、自动润滑性能、低摩擦性能及优良的散热性。国内高分子复合密封材料的研究重点集中在基体与其他聚合物的共混以及填充无机粒子或金属粉末改性上，由于缺乏相关的理论和技术支持，其生产工艺、改性工艺、产品性能、牌号种类与国外相比有较大差距。

垫片技术方面，在美国、日本、德国等世界主要工业国家，缠绕垫片的最高使用压力高达42MPa，最大直径超过2000mm，使用范围在-250～1000℃。目前国产非石棉纤维橡胶垫片的使用温度在-40～300℃的范围内，使用压力等级小于510MPa。国外非石棉纤维橡胶垫片的使用温度一般为-40～370℃，有些可达到480℃，使用压力达到710MPa，可用于水、饱和蒸汽、惰性气体、不饱和脂族烃、汽油、中强度酸碱等介质的密封。目前我国在垫片技术方面已经进行了比较充分的研究和性能优化，已形成了一定的生产能力，部分高参数产品已可代替国外进口，但与日本等国相比突出表现为生产设备落后、劳动生产率低、检测手段不完善、生产成本高等。

4.2.4　国内密封材料的发展方向

针对上述存在的问题和差距，我国未来密封材料的发展趋势如下所述。

（1）研发高性能的密封材料。主要包括开展新材料、纳米材料和复合材料的研发，结构紧凑密封材料的设计开发，以及新型成型加工技术，减少材料浪费及降低加工成本。如渗透技术、涂层技术、焊接技术及注射成型技术等。

（2）采用先进生产设备和工艺，设备向自动化、智能化和精密化方向发展，降低能耗，提高产品合格率。

（3）采用先进的试验设备和检测手段，确保工艺的稳定性。

（4）促进先进密封技术标准制定与科研、开发、设计、制造相结合，保证技术标准的先进性和效能性。

（5）绿色环保密封材料的研发。

（6）用于特殊工况条件的密封材料的研发，如大轴径、高速、高温高压、低温真空、特殊介质及高腐蚀等。

4.3　密封材料的失效形式及影响因素

4.3.1　密封材料的失效形式

密封材料的失效形式可概括分类为机械损坏、腐蚀损坏、热损伤损坏等，典型失效状况如图2-4-7～图2-4-19所示，具体可分为以下几类。

（1）机械损坏。包括磨损；冲蚀和汽蚀损坏；轴套磨损；O形圈堵塞或断裂；防转装置损坏；冲击损坏；弹簧件疲劳断裂。

（2）腐蚀损坏。包括表面腐蚀；点腐蚀；晶间腐蚀；应力腐蚀；缝隙腐蚀；电化学腐蚀；O形圈溶胀。

（3）热损伤损坏。包括端面变形；热裂；发泡；炭化；弹性失效；橡胶件老化；高温氧化。

4.3.2　密封材料失效典型案例分析

（1）某电厂的轴径ф220mm的机械密封失效，失效的现象为：①整体碳化硅环开槽处开裂；②橡胶老化；③弹性元件失弹。

经分析，失效的主要原因为：①整体碳化硅环开槽处由于应力集中，在泵频繁启动过程中造成密封环开裂失效；②在温度和腐蚀性介质的共同作用下造成橡胶老化，弹性失效而泄漏；③由于材质选用错误及受腐蚀介质的作用造成弹性元件失弹，密封端面没有弹性元件补偿力而泄漏。

（2）某石化公司的热油泵经常出现机械密封泄漏，检查发现失效现象为：机械密封的碳环端面出现凹坑、疤块。经分析，失效的主要原因为：在选用碳石墨材料时，没有充分考虑浸渍物与碳石墨材料结合的结合温度。随浸渍物的不同，碳石墨密封环的适用温度范围也不同，当温度超过温度范围时，树脂会分解形成硬粒和析出挥发物，形成疤痕，从而增加摩擦力，造成表面损伤而出现泄漏。

（3）某厂的热油泵机械密封泄漏着火，失效现象为：波纹管断裂。失效的主要原因为：该厂高温热油泵使用的机械密封波纹管材质大多为316L，这种材质的波纹管在高温条件下长期使用，急冷水用的是没有经过软化处理的循环水或工业水，高温条件下，易在波纹管上结垢，使波纹管失去弹性，引起端面比压不足，甚至造成波纹管断裂而泄漏。

（4）某电厂汽轮机机组运行一段时间后就开始出现渗漏现象，而且逐渐增大。应该厂的请求，国内一家密封件制造企业到该厂现场，从设计图纸到生产现场都做了全面检查。最后发现问题出在密封部位密封垫片的结构设计上。由于设计上的不足，导致密封垫片在使用过程中出现“径向屈曲”，致使密封效果随时间推移而变差的结果。当采取改进垫片结构并更改垫片所用材料等措施后，现场情况立即改善。该项改进解决了特大电厂非正常停机这一重大问题。

（5）2012年3月，某大型化工企业向其密封件供货单位反映：所提供的缠绕垫片发生“大面积泄漏”，认为垫片有“质量问题”。所反映情况难以置信。就缠绕垫片这种密封材料而言，其密封性能在所有垫片品种里应该是稳定、可靠的，出现“大面积”密封效果不佳的可能性几乎不可能出现。到装置现场查看后，发现问题完全是由于现场没有按垫片的安装要求正确安装所致。一是没有按要求仔细清理法兰表面的锈蚀，二是使用过的锈蚀螺栓没有经过除锈和润滑措施直接重复使用，或者新旧螺栓混合使用，三是没有按照螺栓拧紧的公认步骤来拧紧螺栓，四是密封垫片在安装时没有注意对中导致垫片偏心。经过现场示范，使用认为存在“质量问题”的垫片，结果密封效果均良好。

4.3.3　密封材料失效的影响因素

（1）结构设计的影响。密封结构设计不合理，往往容易造成腐蚀、加速磨损、增加疲劳等失效形式，例如：

①因结构设计不合理产生应力集中，造成构件强度下降甚至疲劳开裂；

②选用摩擦副材料及辅助件不合适，产生腐蚀；

③镶装结构不合理，造成密封环变形，影响密封性能；

④辅助系统和冲洗方案选用不合理，造成密封材料结垢、热裂等；

⑤采用散装式密封结构，杂质易进入密封端面和弹性元件，造成磨损。

（2）加工过程的影响。密封材料在生产过程中的加工工艺主要有：金属材料热处理工艺、密封件磨削及抛光加工工艺、橡胶硫化工艺、涂层工艺等。在选择上述加工工艺时，要充分考虑到材料的原有性能，合理安排加工工艺。如加工过程选用不合理，容易破坏材料固有的耐环境作用的能力，造成密封材料失效。

①冷加工过程的影响。在对硬质合金、碳化硅和氧化铝陶瓷的磨削加工及抛光过程中，采用不同的磨削用量、采用不同硬度和粒度的金刚石砂轮，会在试样和密封环表面形成不同的表面缺陷和边角裂纹，对同样材料的试样的抗弯强度测试表明，其数值相差达20％～50％。应尽可能采用小的磨削用量、采用细粒度的磨具进行磨削加工，密封环锐角倒角或倒钝，防止碰伤。

②EDM电火花加工的影响。对硬质合金进行电火花和线切割加工时，因为电极高达万度的放电温度不可避免地在密封环被加工面上留下细小裂纹，大大降低产品可靠性能。图2-4-20～图2-4-22为线切割硬质合金表面破坏情况。建议少使用EDM工艺，即使使用也必须完善损伤最小的工艺。

③将密封材料进行磨削和抛光等机械加工，制作成为密封元件的冷、热加工过程中，不同磨具和磨削加工工艺会使密封材料形成不同的表面状态，和表面缺陷状态，从而直接影响密封材料的使用寿命。

④目前国内的轧制成型设备除一部分具备计算机自动控制功能外，多数为机械连扎辊压设备，轧辊精度低、刚性差，甚至无在线检测能力，且为开环控制，自我纠偏、调整能力差，产品的力学性能和密度均匀性差，导致密封制品存在泄漏隐患、使用寿命离散性大。

（3）制造环境的影响

①制造环境中灰尘、杂质的存在，会使密封材料中有气孔、杂质点等缺陷，从而降低材料的性能（图2-4-23）。

②化学处理过程中氧化剂的添加会将一些有害元素带入到密封材料中，如硫/氯/氟；还有一些重金属元素等，影响材料的纯度从而导致出现腐蚀、密封效果差甚至失效等问题。

③生产过程中器具的不整洁及外来杂质元素的引进，会使产品出现斑点，影响产品的质量外观。如氧化铝陶瓷密封件的生产中某些元素处理不彻底，会在产品抛光面上产生红点等缺陷。

④生产车间不封闭，不同材料体系易出现混合现象，从而改变材料配方，影响材料性能。

⑤不同产品烧结时烧结炉不能混用，否则炉内氛围将影响产品的烧结，进而影响产品的性能。

⑥在组装过程中，需要减少组装件表面的灰尘、油污等杂物，否则可能会降低产品的密封性能，造成泄漏。

（4）服役环境的影响。密封材料在复杂苛刻的服役环境下使用时，容易加速失效。服役环境的失效影响因素主要有：①极端使用温度；②高工作压力；③强腐蚀介质；④介质中含有较硬杂质；⑤易汽化介质；⑥高黏度介质；⑦高速；⑧窜动等。这些影响因素应在材料选择和设计时充分考虑。

4.4　延寿技术在密封材料领域的应用

4.4.1　材料选用和质量控制技术

选择密封材料时，必须充分了解设备和装置的工况条件，包括使用的温度、压力、介质特性以及可能承受的冲击、振动和工艺状况的波动等。同时要考虑材料的相容性、匹配性、加工性和经济性。

（1）开发新型密封材料和复合材料，以满足不同工况下的适应性，开展相关材料性能模拟试验，收集相关试验数据，为新产品的开发提供理论依据。

（2）控制密封材料中可能引起腐蚀的杂质含量；对于金属材料要考虑材料的耐腐蚀性，对于非金属材料尤其是高分子材料要考虑材料的耐久性和抗蠕变性能；对密封高度毒性和危险性的介质，要求密封材料具有更大的安全性。

（3）选择耐环境作用的材料表面保护涂层，通过新型表面涂层、浸渍技术等，提高材料的耐腐蚀性、耐温性、耐磨性、承载能力和使用寿命。

（4）根据不同的材料使用工况而选择合适的材料型号。如具有弹性模量大、密度小、导热性好、热膨胀系数低、耐热裂和热冲击性好、抗老化、耐烧蚀、机械强度高、自润滑性好、摩擦系数低等特点的材料。

（5）完善密封材料标准体系，在满足使用要求的前提下，选用低成本的密封材料，降低成本，避免造成不必要的浪费。

4.4.2　先进设计与加工制造技术

各种密封材料都有固有的特性，如果设计、加工工艺或制造技术不合理，往往会影响材料原有的某些特性，如果采用先进的设计加工制造工艺，则会较好的保护材料原有的各项特性，从而增强材料的密封效果。

（1）进行合理的结构设计，扩大材料适用范围

①在材料性能、微观结构分析方面，采用先进的扫描电镜能谱仪、X射线分析仪、超景深电子显微镜、金相显微镜、差热分析仪、激光粒度分析仪等。

②通过合理的结构设计，避免产生残余应力、应力集中和镶装变形。

③采用集装式密封，防止杂质进入密封端面和弹性元件，造成磨损。

④选用合适的摩擦副材料及辅助件，选择缓蚀型密封材料或者采取电化学保护技术措施，使杂质环境和侵蚀环境不易侵入材料内部，避免产生腐蚀。例如在腐蚀性介质中，弹簧往往会发生腐蚀，如果在其外部采用聚四氟乙烯波纹管可以有效地保护弹簧不被介质腐蚀，如图2-4-24所示。

⑤采用合理的冲洗方案，使密封摩擦副保持常温低压和良好润滑运行。防止密封材料结垢、热裂等。

（2）采用先进的材料制备工艺，提高材料质量

①在粉末冶金制粉工艺中，采用封闭式喷雾干燥工艺制粉，替换原有的生产工艺，使粉料颗粒度均匀、粉料流动性好、压制性提高、压坯密度得到保障，提高了产品的性能。

②对碳化钨、碳化硅、氧化铝等硬质材料应用热压、热等静压无缺陷烧结和后处理技术。

③在碳化硅烧结工艺中，采用先进制造工艺替代传统落后工艺，无论是生产效率、节能降耗和产品质量都有了质的提升。

（3）用先进加工制造工艺，降低材料浪费

①采用封闭式喷雾干燥工艺制造粉料，减少产品的报废率，降低材料的浪费。

②产品素坯采用数控切削代替手动仪表车，提升产品的合格率，减少材料的浪费。

③添加粉料回收装置，既保护环境，又能提高材料的利用率。

④通过表面工程技术，例如表面涂层、表面改性或多种表面技术复合处理，有效改善材料的耐高温、防腐蚀、耐磨损等性能。

（4）采用先进生产装备，提高材料加工效率，保证材料性能

通过采用先进的生产设备（典型的先进加工生产设备如图2-4-25～图2-4-39所示），生产过程中整体产品合格率可大幅提升，提高了材料的加工效率和利用率。

①在粉料生产方面，利用大型喷雾干燥塔生产设备，提高粉料的产量。

②在压制成型方面，采用多功能自动液压机、高精度双向压机、大型压机、注射成型机、挤压机等。

③在产品烧结方面，引进国外先进的热压烧结炉及烧结工艺，真空烧结炉、气压烧结炉、双孔高温推板炉、CVD/PVD涂层炉等先进烧结设备。

④在机加工工艺上引进全自动粉末压机，粉末液压机床，数控车床，数控磨床，数控线切割机床，数控研磨抛光机床以及炮塔式铣床等加工设备；引进超精密切削、超精密磨削、超精密研磨以及超精密特种加工等高精密加工设备。

⑤利用工业CT、远红外热成像、超声波在内的各种无损探伤技术实现工程材料制品的零缺陷控制。这些先进设备提高了材料的加工效率，充分保证了材料的性能。

4.4.3　降低制造环境对材料性能损伤的影响

（1）不同粉料生产车间采取隔离措施，防止粉料交叉污染。

（2）不同材料使用专用烧结设备。

（3）在硬质材料的粉末冶金生产过程，使用高纯度粉末、使用超细粉末原料。烧结过程中，尽可能使用热等静压或低压热等静压工艺，消除材料中的空隙和孔洞。

（4）采用具有较高工序能力的生产线，实现闭环控制，提高产品性能的稳定性，降低有害物质的残留。

（5）将车间封闭并安装吸尘装置，减少空气中粉尘、杂质的影响。专门操作人员统一着装，降低污染概率。非本车间员工禁止入内。

（6）产品用干净整洁的周转箱存放，生产过程中所使用的器具、设备需要保持整洁。

如图2-4-40～图2-4-45。

4.4.4　应用材料服役全寿命成本预测体系及控制技术

材料服役过程全寿命成本是指制造、购置、安装、操作、维护、修理及环保等费用。生产企业方面主要为：材料的选购、生产定额、能耗。在用户方面产品的服役过程全寿命成本包括：选型、购置、安装操作、维护修理和停机等费用。

（1）建立材料服役过程全寿命成本预测体系

①建立市场调研和成本核算体系。

②建立生产过程持续改进体系，优化生产过程，降低成本。

③建立研发新材料及采用新技术体系，在符合材料服役过程性能指标的前提下，降低成本。

④建立健全的仓库保管体系。

⑤用户严格按照产品的使用说明操作，减少不必要的浪费。

（2）材料服役过程全寿命成本预测体系的应用

①建立分析模型。详细模型，是根据产品的工时、人工和原料的消耗量及价格估算产品和各种辅助工作的费用；参数模型，是基于该材料的历史数据确定系统变量来预测材料的费用；类推模型，是基于相似产品或零件的费用，根据其与最终产品的不同而加以调节。

②密封材料服役过程全寿命成本预测体系的应用以机械密封件系统为例，包括十大费用：维持费用；主机维修；易损件更换；主机停机；环保；能耗；购置；安装；保管；状态监测和故障诊断。

（3）建立控制材料损伤的质量保证体系

①建立和完善控制材料损伤的质量保证体系，对材料从选用、加工、检验、安装、调试及使用维护施行过程控制，严格按照ISO 9001质量保证体系的要求运作。

②进行潜在的密封材料失效模式及后果分析（过程FMEA）。

③贯彻执行相关技术标准，实行标准化作业，使生产过程得到有效控制。

④针对不同的产品制定其合适的工艺流程和作业指导书。

⑤从原材料进厂到产品出厂，做好各道工序的检验、检测工作，保证材料、产品合格。

（4）应用材料服役过程全寿命控制技术

①合理选材。

②储藏保管技术的建立。

③合理的生产加工工艺的制定。

④合理的结构设计和正确选型。

⑤在密封产品使用时应严格按照材料的使用要求和操作规范来使用，严禁违规使用。

⑥安装调试过程中进行合理的检漏试验。

⑦运行阶段日常维护、维修、检查和定期检修。

⑧重视辅助系统在产品服役期间的作用，改善产品的使用环境。

4.4.5　加强材料维护、维修和管理

（1）维护工程师严格执行和有意识地增加材料及其制成品的使用寿命

①维护工程师应该严格记录备品的生产日期，要做到先进先出，避免长时间存放。

②应该注意存放环境，避免高温和日晒对产品造成老化。

③做好产品的使用记录，定期进行维护保养，延长产品的使用寿命。

④通过观察和详细记录，获取重要技术数据，总结摸索出密封材料在各种工况条件下的使用规律，以指导设计、制造和维护。

（2）提出合理的使用说明书，指导使用维护。到目前为止我国密封件生产单位产品出厂附带说明书的很少，基本上是只附产品合格。应提供合理的使用说明书，指出贮存、安装、调试、维护过程的要求和注意事项，对延长密封材料使用寿命、避免事故发生有实际指导作用。说明书中应含有以下内容。

①该密封产品的装、卸步骤以及注意事项。

②该密封产品的使用条件（如温度、压力、介质等）及注意事项。

③维护、保养的内容和周期。

④对特种机械密封用户，应由制造企业专业工程技术人员进行现场培训和指导。

4.5　密封材料延寿与持续发展对策

4.5.1　密封材料未来发展重点

（1）密封材料的先进设计工艺和加工制造技术研发。通过对密封系统、密封材料、生产工艺系统性研究以及密封可靠性应用技术研究，提升设计与加工制造工艺技术水平。

①进一步开展密封材料设计与制造技术以及材料制备与工艺技术的研究，加快新型材料的研发。

②利用先进数控装备、模具，制造免机械加工材料，提高生产效率，降低制造成本。

③研发材料表面强化处理方法，开发复合、镀膜、涂层新型材料，大幅度提高薄膜与基体的结合力、摩擦性能以及承载能力。

（2）材料使用的全寿命管理和成本体系建设。通过学习借鉴先进经验和结合国内企业的实际情况建立材料使用的全寿命管理和成本体系，建立完善的材料使用管理机制。运用该体系合理确定性能指标、安装调试过程、运行阶段日常维护、维修、检查和定期检修。该体系可以降低密封材料及其制品的生产成本，增强产品的性能，减少安全事故的发生率，最大限度延长使用寿命，对我国制造工程的安全生产起到保驾护航的作用，同时对于环境的保护和可持续发展有重要的意义。

（3）材料使用的规范化、标准化建设。我国密封材料行业的材料选用、设计制造、性能试验和维护规范、标准应该尽快建立与完善，并指导、督促企业的落实。企业必须严格遵守各项质量控制标准，产品出厂必须配备完整、详细的使用说明书及注意事项，指导用户正确使用和维护密封产品；企业必须建立健全材料的维护使用档案，按照产品的设计要求定期进行对材料的维护和保养，从而延长材料的使用寿命。

4.5.2　设想和建议

（1）政府、社会、研究机构、高校、企业共同努力，完善密封材料发展的“产、学、研”体系，进一步鼓励企业加大对先进密封材料研发的投入，积极引进吸收国外先进技术，加强自主研发创新能力，促进成果转化。

（2）发展密封材料的现代设计、工艺和加工制造技术。加大技术改造投入力度，提升材料制造数字化、自动化、智能化和绿色化水平，采用节能、降耗、清洁的生产方式，提高材料利用率和生产效率，全面提高密封材料性能水平。

（3）加快工程材料技术标准体系的建设，促进新材料、新技术、新工艺的推广应用。跟踪国际先进技术发展趋势，积极参与国际标准的制（修）订工作。通过技术标准的修订和提升，淘汰性能落后、可靠性差、污染严重的产品，促进自主创新产品进入国际市场。

（4）为密封材料技术进步和人才培养提供良好的交流机制和平台，定期组织企业、院所、高效进行多种形式的交流与讨论。加强专业科技人才培养，为密封材料产业持续发展创新提供人才保障。