O型密封圈在海水中的使用壽命研究*

翟中生，鐘 星，張業(yè)鵬，胡 剛

(1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢，430068;2現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430068;3中船重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢，430079)

O型密封圈在海水中的使用壽命研究*

翟中生1，2，鐘 星1，2，張業(yè)鵬1，2，胡 剛3

(1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢，430068;2現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430068;3中船重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢，430079)

丁腈橡膠是核潛艇廣泛使用的密封件，了解其在海水中的老化失效過(guò)程和規(guī)律，對(duì)提高核潛艇的可靠性有很大的意義。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)公式和Arrhenius模型，設(shè)計(jì)了一定濃度海水下的四種溫度的高溫加速老化試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用回歸分析法推導(dǎo)出溫度與老化時(shí)間及壓縮永久變形三者之間的變化關(guān)系，并估計(jì)出不同海域中丁腈橡膠的壽命。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，丁腈橡膠在25℃海水中使用壽命為690天，與實(shí)際使用壽命基本吻合。

丁腈橡膠密封圈;加速老化;使用壽命;回歸分析

由于丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐油、耐水性、耐高低溫、耐磨性以及低壓縮變形及良好的加工性能，所以在密封件中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，丁腈橡膠作為高分子材料的一種，其老化失效問(wèn)題也是人們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。目前人們對(duì)丁腈橡膠在空氣、液壓油、乙二醇等環(huán)境中老化失效特點(diǎn)、規(guī)律展開(kāi)了系統(tǒng)的研究［1－4］。

橡膠自然老化是一個(gè)復(fù)雜且漫長(zhǎng)的過(guò)程，為較快速揭示其老化的規(guī)律并及時(shí)防止老化的發(fā)展，采用加速老化試驗(yàn)是十分必要的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者按照橡膠的性能變化與老化時(shí)間關(guān)系式及Arrhenius模型，設(shè)計(jì)了在不同溫度、不同介質(zhì)的加速老化試驗(yàn)，推算出了丁腈橡膠在各種環(huán)境溫度下的使用壽命［5－10］，但對(duì)在海水中的研究報(bào)道較少。

核潛艇、輪船的某些零部件長(zhǎng)期浸泡在海水中，因而掌握丁腈橡膠在海水中的老化規(guī)律，對(duì)于提高丁腈橡膠的耐海水性能、提高使用壽命具有很高的應(yīng)用價(jià)值。本文采用加速老化的方法，研究了丁腈橡膠在不同溫度下海水介質(zhì)中老化中性能變化規(guī)律。并以壓縮永久變形作為特性指標(biāo)，找出老化反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系，建立丁腈橡膠在海水中老化壽命的計(jì)算數(shù)學(xué)模型，從而快速的預(yù)測(cè)丁腈橡膠密封圈的使用壽命，對(duì)確定更換密封圈提供技術(shù)支持。

1 理論分析

為了預(yù)測(cè)丁腈橡膠在海水中的使用壽命，本文采用高溫強(qiáng)化試驗(yàn)方法，因?yàn)橄鹉z材料在高溫下的失效機(jī)理與其在常溫下和低溫下的失效機(jī)理是一樣的。橡膠材料性能變化與老化反應(yīng)速率和熱老化時(shí)間有著一定的關(guān)系。按HG/T3087－2001標(biāo)準(zhǔn)推薦采用的經(jīng)驗(yàn)公式，即硫化橡膠壓縮永久變形隨時(shí)間變化規(guī)律可表示為:

式中，K—老化速度系數(shù)，1/h;B—試驗(yàn)常數(shù)，隨溫度變化;τ—老化時(shí)間;α—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般不隨溫度變化，0＜α≤1。ε—壓縮永久變形，其計(jì)算公式:

式中:H0—試樣原始截面直徑;H—試樣壓縮老化后的截面直徑;H1—限制器高度(墊片厚度)。根據(jù)(1)式可知，如果某溫度下的參數(shù)B，K和α已知，則可預(yù)測(cè)出該溫度下在一定壓縮永久變形下(如50%)的老化時(shí)間τ，即使用壽命。

老化速度系數(shù)K可按照性能與老化時(shí)間的關(guān)系求得，由Arrhenius模型知，在一定范圍內(nèi)K與絕對(duì)溫度T服從以下關(guān)系:

式中，E為表面活化能，J·mol－1;R為氣體常數(shù)，J·K－1·mol－1;T為老化絕對(duì)溫度，K;A為頻率因子，h－1。從(3)式可知，不同溫度下的老化速度系數(shù)K不同，本文將設(shè)計(jì)多組高溫試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用優(yōu)化計(jì)算與回歸分析的方法估計(jì)出(1)式中參數(shù)B，K和α，從而預(yù)測(cè)出使用壽命。

2 加速老化試驗(yàn)

通常表征橡膠老化性能變化的指標(biāo)有壓力松弛、壓縮永久變形和相對(duì)伸長(zhǎng)率，本文選取壓縮永久變形作為老化的特征指標(biāo)，以溫度作為強(qiáng)化因子，按照GB/T7759—1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測(cè)定》［11］進(jìn)行。為了模擬橡膠在密封結(jié)構(gòu)中的真實(shí)受力狀態(tài)，將橡膠圈置于專(zhuān)用夾具中以25%的預(yù)壓縮量進(jìn)行高溫加速老化試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 丁腈橡膠密封圈裝入夾具高溫加速老化Fig.1 The seal of Nitrile rubber put into the fixtures with high-temperature accelerated aging

2.1 試樣的選取

丁腈橡膠密封圈試樣φ36×3.1mm，每個(gè)溫度下樣品數(shù)量30個(gè)。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前，將試樣放在濃度3.2%的鹽水中浸泡24h。試驗(yàn)溫度為70℃，85℃，100℃和115℃，每個(gè)溫度下選30個(gè)試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，將其同時(shí)置于夾具內(nèi)，待達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，卸下夾具取其中三個(gè)測(cè)量密封圈的截面直徑，取其平均值作為該時(shí)間點(diǎn)下的測(cè)量值。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有:廣州愛(ài)斯佩克(ESPEC)高低溫(交變濕熱)試驗(yàn)箱，溫度精度1℃;基恩士(Keyence)激光位移傳感器LK－G10，精度0.001mm。

2.4 老化時(shí)間

每個(gè)溫度條件下的老化時(shí)間分別為0，5，16，22，28，43，52，64，68，72h。

2.5 測(cè)試項(xiàng)目及指標(biāo)

壓縮永久變形按GB/T7759—1996測(cè)定。密封圈試樣從老化箱中取出后，卸下夾具，在室溫下冷卻30min后，立即測(cè)量截面直徑，由測(cè)得數(shù)據(jù)根據(jù)(2)式計(jì)算密封圈壓縮永久變形。

3 數(shù)據(jù)分析及壽命預(yù)測(cè)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方案，進(jìn)行70℃、85℃、100℃和115℃四種溫度試驗(yàn)，并按照試驗(yàn)方案中規(guī)定時(shí)間取出橡膠圈，利用LK－G10型激光位移傳感器測(cè)得丁腈橡膠型密封圈在不同溫度、不同老化時(shí)間下壓縮變形數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試樣在不同溫度下壓縮永久變形(ε)和老化時(shí)間Table1 Data of compression permanent deformation and the lifetime

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，四種溫度下橡膠圈的壓縮永久變形與老化時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖2。通過(guò)圖2，可以看出ln(1－ε)和時(shí)間τ近似服從指數(shù)關(guān)系。

圖2 ln(1－ε)和時(shí)間τ的關(guān)系Fig.2 The relationships between ln(1－ ε)and lifetimeτ

3.2 數(shù)據(jù)處理

為了估計(jì)出式(1)中的參數(shù)，采用回歸分析法。(1)式經(jīng)對(duì)數(shù)變換后，在自變量中含有待估定參數(shù)α，可采用逐次逼近計(jì)算方法求解［12］。逼近的準(zhǔn)則是令α估計(jì)精確到0.01時(shí)，使預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值平方和最小。即使下式取最小值:

式中:yij為第i個(gè)溫度下第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)壓縮永久變形保留測(cè)量值為第i個(gè)加速溫度下第j個(gè)測(cè)試點(diǎn)壓縮永久變形保留預(yù)測(cè)值，其公式為，其中為B的預(yù)測(cè)值為的預(yù)測(cè)值。

經(jīng)遞歸計(jì)算，當(dāng)α =0.72時(shí)I值最小。按各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，選取衰減公式(1)式進(jìn)行最小二乘法回歸計(jì)算。表2給出了四種溫度下的K，B，ln(1－ε)和時(shí)間τα的相關(guān)系數(shù)R。

表2 不同溫度下的K，B和R值Table 2 Value K，B and R at different temperature

為了得到不同溫度下的老化速度系數(shù)K，將Arrhenius公式對(duì)數(shù)變換后為

式中:w=lnK，C=lnA，d=－E/1000R，z=1000/T。將每個(gè)試驗(yàn)溫度下的老化反應(yīng)速度系數(shù)K的對(duì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度倒數(shù)1/T代入式(5)，用最小二乘法進(jìn)行回歸處理求得C、d和相關(guān)系數(shù)R，以及每個(gè)試驗(yàn)溫度下橡膠圈的 KT的預(yù)測(cè)值=e(C+dz)，其回歸參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 回歸參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 3 Data of regression parameters

圖3給出了lnK和1000/T的關(guān)系圖，從圖3以及R=－0.998可看出，兩者近似為線(xiàn)性。

圖3 lnK和1000/T的關(guān)系Fig.3 The relationships between lnK and 1000/T

將表3數(shù)據(jù)代入式(5)計(jì)算出線(xiàn)性回歸方程為

整理得密封圈老化反應(yīng)速度系數(shù)表達(dá)式為

由(7)式可得不同溫度下，密封圈老化反應(yīng)速度系數(shù)。

3.3 壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)橡膠密封圈的性能變化模型，由式(1)可得密封圈老化性能變化的預(yù)測(cè)方程為

取ε=50%作為丁腈橡膠密封圈的臨界壓縮變形率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，渤海海水溫度為23～28℃，黃海為16～25℃，東海為14～25℃，南海則大都在10℃以下。由(7)式可計(jì)算出25℃、20℃、18℃和8℃下的老化反應(yīng)速度系數(shù)分別為:K25=0.000591、K20=0.000468、K18=0.000426、K8=0.000259。再利用(8)式，預(yù)測(cè)出不同海域下橡膠密封圈壽命如表4所示。

表4 不同海域丁腈橡膠密封圈使用壽命Table 4 The lifetime of NBR seal in different sea water

4 結(jié)論

(1)通過(guò)使用鹽水去模擬海水，雖然存在一定的誤差，但是對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。比如，在選擇橡膠圈的時(shí)候，在一些關(guān)鍵部位選擇性能較好的橡膠圈。

(2)丁腈橡膠在常溫下(25℃)海水中，壽命預(yù)測(cè)方程為:

(3)通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在25℃環(huán)境下密封圈的使用壽命接近兩年，因此建議每?jī)赡隀z查更換一次密封圈。

(4)預(yù)測(cè)的結(jié)果與已有的丁腈橡膠橡膠圈失效數(shù)據(jù)相吻合。說(shuō)明可以采用高溫加速老化試驗(yàn)方法來(lái)預(yù)測(cè)橡膠圈的使用壽命，進(jìn)而為新材料在潛艇上的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

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Predicting the Service Lifetime of O-rings in Sea Water

ZHAI Zhong-sheng1，2，ZHONG Xing1，2，ZHANG Ye-peng1，2，HU Gang3
(1 School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，Hubei China;2 HuBei Key Lab of Manufacture Quality Engineering，Wuhan 430068，Hubei China;3 The No.722 Research Institute，China Shipbulding Industry Corporation;Wuhan 430079，Hubei China)

The nitrile rubber(NBR)seals are widely used in nuclear submarines.Understanding the aging failure process and patterns of the NBR in sea water are great significant to improve the reliability of nuclear submarines.Considering the sea water condition，A heat accelerated aging test program for the NBR with four kinds high temperature was designed，based on the experience of dynamic formula and Arrhenius model.The relationships of the temperature，aging time and compression changes were presented through regression analysis methods.In the end，the lifetime of NBR in the different waters was predicted.The results show that the prediction of service lifetime of NBR is 690 days in 25℃ which are consistent with the actual results.

nitrile rubber;seals;accelerated aging;service lifetime;regression analysis.

TQ 333.7

2011－09－21

國(guó)家自然科學(xué)基金(51005072);湖北省自然科學(xué)基金(2010CDB03104);湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(Q20101405)