为方便识别、选用和研究分析,可以将静密封分为无垫密封、垫片密封、密封胶和密封圈。
无垫密封主要指研合面密封。它是指靠两密封面的精密研磨与配合消除间隙,并通过施加外力压紧(如螺栓)来起到密封作用的元件。比如,汽轮机的缸盖接合面、变速箱的箱体与箱盖接触面之间的密封一般采用研合面密封。此密封一般适用于压力不大于100兆帕,最高工作温度在550℃以下的场合。
各种纤维和橡胶类材料黏结的板状垫片是垫片的典型代表。最常用的方式是通过紧固件将垫片夹持在一对法兰之间,起到封堵内部流体介质的作用。密封圈作为静密封的典型代表是放置在密封槽内的弹性体O形圈。
弹性体或橡胶O形圈是最普通的一种静密封元件。其结构简单、装拆方便、成本低廉、应用广泛,且既可以用于静密封,也可以用于往复或回转密封;不仅可以单独使用,也可以作为密封机构中的一个组件。弹性体O形圈作为静密封,可用作轴向平面密封(法兰密封),也可用作径向圆柱密封,取决于使用场合和弹性体材料。弹性体O形圈的工作范围宽广,工作压力从真空到高压(100兆帕以上),工作温度从低温(-60℃)到高温(316℃),尤其广泛应用于液压和气动传动系统。尽管弹性体O形圈的密封机理比较简单,放置O形圈的沟槽结构也不复杂,但是O形圈弹性体材料和尺寸选择、沟槽设计、安装及使用都必须符合一定要求,才能取得良好和可靠的密封效果。1986年美国挑战者号航天飞机的空难事故正是弹性体O形圈失效引起的突发事故。
密封胶是一种高分子密封材料。它的最初形态是干性或不干性的黏稠物,可用来很容易地填充构件或零部件之间的缝隙,起到密封作用。一般分为液态密封胶和厌氧性密封胶两大类。常用于机械产品的静止接合面间的密封,也可用于接合面较复杂的螺纹等部位,以防止泄漏,适用于中低压场合;液态密封胶还可用于封装微型电子元件、保护仪器仪表和密封飞机座舱等。
静密封常用的形式是在凸缘之间放置密封垫片,这种密封称为凸缘垫片式强制密封(图1)。旋紧螺栓压紧垫片,即可堵塞泄漏缝隙以达到密封的目的。垫片的材料和形式根据设备操作温度、压力和介质的腐蚀性等条件选用。如常温、中低压设备可用橡胶垫片;在低温下或腐蚀性工作介质中工作的设备可用聚四氟乙烯垫片;温度较高的设备可依据实际工况采用填充改性聚四氟乙烯垫片、石墨垫片或金属缠绕垫片;高温高压设备可用金属垫片。垫片的型式主要有矩形截面的平垫片和圆形截面的O形圈。垫片常用单一材料或复合材料制造,如可防腐的外包聚四氟乙烯的石棉橡胶垫和可提高垫片强度的内布金属丝或外包金属箔的平垫片。
工作压力在10~100兆帕的高压容器或设备上用的密封常称为高压密封。高压密封有强制密封和自紧密封两类。
强制密封主要用于直径小于1000毫米、压力低于20兆帕或直径小于600毫米、压力低于32兆帕的高压设备上。凸缘垫片式强制密封依靠螺栓的预紧力使垫片压紧,当设备工作时容器的内压力使垫片所受的压力有所降低,但仍应有足够压力保证密封。高压密封常采用较硬、较窄的金属垫片。采取自紧密封(图2)时,压紧垫片的密封压力来自锁紧螺栓和被密封介质,介质压力越大,密封性能越好。
较新型的自紧密封有金属C形环密封和金属O形环密封。C形环密封依靠凸出圆弧与顶盖和筒体接触,接触面积很小。当锁紧顶盖时,接触面产生很大压力以保证密封。当介质压力升高,C形环内腔受压,产生轴向伸张力,又增加密封表面的压力,提高密封能力。C形环密封结构简单,预紧力小,拆装方便,密封可靠,多用于直径小于1000毫米、温度低于200℃、压力低于35兆帕的场合。O形环密封有充气式和自紧式两种。充气式环内充有惰性气体,工作温度升高时环内气压随之增加,从而提高密封能力,它适用于工作温度较高的场合。自紧式环的内侧有小孔,工作时环内具有操作压力,能增强密封能力。O形环密封能形成轴向与径向的自紧能力,密封性能很好,密封压力可达280兆帕。