橡膠密封圈失效分析方法探討

王占彬，范金娟，肖淑華，劉小辰

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095)

0 引言

橡膠因具有優(yōu)異的彈性性能和抗壓變性能，可有效地阻止壓力介質(zhì)的泄漏，因此被廣泛應(yīng)用于密封領(lǐng)域。與此同時(shí)，因橡膠密封件失效引起的故障也在不斷增加，比例占到橡膠制品故障的30%［1-3］。另外，橡膠密封也都是極其關(guān)鍵的技術(shù)，往往是一個(gè)不起眼的密封元件的失效，可以造成價(jià)值數(shù)百萬(wàn)元甚至數(shù)億元的損失，有時(shí)還可能造成不可挽回的環(huán)境污染和人員傷害，一個(gè)重要例證就是1986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)因固體火箭助推器密封結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致密封失效燃?xì)馔庑梗斐蓛r(jià)值幾十億美元的航天飛機(jī)空中解體、機(jī)組人員喪生的空前悲劇。

橡膠密封圈在模具中硫化成型后，用于安裝在各種機(jī)械設(shè)備上，在規(guī)定的溫度壓力以及不同的液體和氣體中，于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下起密封作用。其在成型工藝、形狀、裝配、功能上具有一定的一致性，這也使得很多橡膠密封圈在失效形式和原因上具有相似性，程序上很多時(shí)候遵循相同原則性，在分析思路和方法上也形成一定的規(guī)律性。目前報(bào)道的密封圈的失效分析多針對(duì)單個(gè)失效件的原因分析，對(duì)失效共性的總結(jié)與研究相對(duì)較少［4-5］，特別是程序與方法更是鮮有報(bào)道。因此，本研究在總結(jié)和歸納橡膠密封圈的失效類(lèi)型和失效原因的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了密封圈的失效分析程序、思路和方法，對(duì)改進(jìn)密封圈的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝，規(guī)范其使用方法和環(huán)境，找出可行的預(yù)防措施或改進(jìn)措施，減少橡膠密封失效而導(dǎo)致的故障，充分發(fā)揮橡膠密封特性和優(yōu)勢(shì)具有重要意義。

1 橡膠密封圈密封原理

橡膠密封是依靠自身的彈性、并存在原始裝配過(guò)盈量或預(yù)加載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其原理是:當(dāng)密封圈裝入密封安裝槽后，受到一種初始擠壓或壓縮作用，這種擠壓或壓縮作用提供了初始密封壓力P1。而在工作過(guò)程中密封圈與介質(zhì)接觸表面會(huì)受到來(lái)自流體壓力P0，從而使得密封面的接觸壓力增加到P2，此時(shí)密封面的接觸壓力P2就會(huì)大于流體壓力P0，就起到阻擋介質(zhì)流動(dòng)的作用，進(jìn)而起到密封作用。

2 橡膠密封圈常見(jiàn)的失效模式

2.1 密封圈常見(jiàn)的失效形式

密封圈常見(jiàn)的失效形式主要有6 種:1)密封圈自身完好而密封系統(tǒng)發(fā)生泄漏;2)開(kāi)裂、斷裂;3)扭曲、異常變形、磨損;4)鼓泡、掉塊、耍圈;5)軟化、硬化、龜裂、出油、出沫;6)收縮、溶脹。

2.2 失效性質(zhì)

從斷裂或開(kāi)裂的失效性質(zhì)上，橡膠密封圈與塑料、復(fù)合材料等非金屬材料性質(zhì)相同，分為過(guò)載與疲勞開(kāi)/斷裂。

1)過(guò)載。密封圈發(fā)生過(guò)載斷裂時(shí)，斷口通常為韌性斷口，整體上較為粗糙，可見(jiàn)一定韌窩狀特征或放射狀棱線等撕裂特征，典型的形貌見(jiàn)圖1。

圖1 密封圈的拉伸斷口形貌Fig.1 Tension fracture morphology of rubber seal ring

2)疲勞。密封圈發(fā)生疲勞斷裂時(shí)，斷口源區(qū)通常較為平滑，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)一定的疲勞弧線或疲勞條帶(對(duì)于密封圈而言最常見(jiàn)的為疲勞弧線，條帶較為少見(jiàn))，而快速擴(kuò)展區(qū)或擴(kuò)展后期則相對(duì)粗糙，斷面起伏通常也較源區(qū)大，典型的形貌見(jiàn)圖2。

圖2 密封圈的疲勞斷口形貌Fig.2 Fatigue fracture morphology of rubber seal ring

其他性質(zhì)還有老化、外物損傷、腐蝕等，其中老化是必然的，也是最為常見(jiàn)的。

3)老化。通常情況下，橡膠密封圈發(fā)生老化時(shí)的表現(xiàn)形式主要有:表面逐漸變色、噴霜、發(fā)粘變軟、龜裂或微裂紋、發(fā)脆變硬，同時(shí)橡膠的物理機(jī)械性能下降，強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等大幅下降，透氣率增大。但不同種類(lèi)橡膠的老化現(xiàn)象不同［10-13］，對(duì)應(yīng)的形式見(jiàn)表1，典型形貌見(jiàn)圖3。

表1 橡膠老化的表現(xiàn)形式Table 1 Formation of rubber aged

圖3 密封圈老化形貌Fig.3 Apperance of aged rubber seal ring

4)外物損傷。密封圈的外物損傷通常表現(xiàn)為銳物劃傷、摩擦磨損、拉拔擠壓等，典型形貌見(jiàn)圖4。

5)腐蝕。對(duì)橡膠密封圈而言，腐蝕絕大多數(shù)體現(xiàn)在與密封介質(zhì)的不適應(yīng)或不匹配性上，具體表現(xiàn)為溶脹、物質(zhì)交換或體積收縮等。

3 橡膠密封圈常見(jiàn)的失效原因

引起橡膠件失效的因素分布在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中，原因包括選用材料不合理、工藝控制不當(dāng)、外物損傷、裝配使用變形、環(huán)境應(yīng)力等幾方面。

圖4 外物損傷形貌Fig.4 Damage morphology

3.1 材料

密封圈在選擇材料時(shí)，對(duì)實(shí)際工況考慮不夠全面或存在偏差，忽略了某種受力、溫度、介質(zhì)等對(duì)橡膠的影響，導(dǎo)致密封形式不適當(dāng)。1)與使用環(huán)境溫度不符，材料與介質(zhì)發(fā)生物質(zhì)交換收縮或溶脹、化學(xué)損傷等從而導(dǎo)致密封件擠入間隙或變形過(guò)大、快速老化，進(jìn)而提前失效;2)材料誤用或錯(cuò)用，主要為的材料名稱、批號(hào)等標(biāo)記不清，膠料儲(chǔ)存過(guò)期、混入沙土、棉紗等雜物;3)材料的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率或硬度等選擇不合適，使得膠圈在使用過(guò)程中變形過(guò)大或過(guò)小。

密封圈在選材時(shí)，根據(jù)使用環(huán)境不同，選用的密封材料不同。一般在耐油時(shí)采用丁腈橡膠，耐候和臭氧通常選用氯丁橡膠，高溫時(shí)常選用硅橡膠或氟橡膠，耐壓或耐磨時(shí)用聚氨酯橡膠，耐寒同時(shí)耐油用共聚氯酯橡膠，耐酸堿用聚四氟乙烯等［6］。

3.2 設(shè)計(jì)

密封圈的設(shè)計(jì)方面考慮不周。1)密封圈、安裝槽、活塞桿等的尺寸、公差設(shè)計(jì)不正確，使得密封圈壓縮率過(guò)大或過(guò)小，密封圈發(fā)熱損壞、滾動(dòng)爬行、擠入間隙、咬傷;2)接觸壓力或流體流速過(guò)大、缺少合理的冷卻系統(tǒng)或散熱系統(tǒng)等問(wèn)題，導(dǎo)致膠圈老化、變硬變脆;3)管接頭與壓力、使用條件不符，因振動(dòng)高壓造成密封圈泄露。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)文獻(xiàn)［7-9］報(bào)道:對(duì)液壓油密封系統(tǒng)密封圈設(shè)計(jì)時(shí)，通常遵循以下原則:靜密封時(shí)，密封圈的拉伸量為1.03～1.04 mm、壓縮率為15%～25%，槽壁粗糙度Ra 通常為6.3～3.2 μm;往復(fù)動(dòng)密封時(shí)，密封圈的拉伸量在1.02 mm左右、壓縮率在12%～17%范圍內(nèi)，Ra 通常要求在1.6 μm 以下;旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封時(shí)，密封圈的拉伸量在0.95～1.00 mm、壓縮率在5%～10%范圍內(nèi)，Ra 為0.4 μm 或拋光。密封溝槽的尺寸參數(shù)取決于密封圈的尺寸，一般O 形密封圈的截面面積應(yīng)在溝槽截面面積的85%以上，密封槽寬度應(yīng)大于密封圈壓縮變形后的最大尺寸，大多為密封圈截面直徑的1.1～1.5 倍。溝槽的深度則主要取決于密封圈的壓縮率，通常要小于自由狀態(tài)下密封圈的截面直徑。

3.3 工藝

生產(chǎn)過(guò)程中管理或操控不當(dāng)。1)膠料欠硫或過(guò)硫、添加成分混煉不均或顆粒較大，使得膠圈力學(xué)性能、硬度等無(wú)法滿足使用要求，或者批次間存在明顯差異;2)成型的幾何尺寸和精度不符合要求;3)存在氣孔、夾雜等缺陷;4)存在飛邊、毛刺，分模面未打磨到位或在打磨過(guò)程中損傷;5)零件密封溝槽的加工質(zhì)量、幾何精度、表面粗糙度等加工不合格，造成密封圈磨損劇烈。

為合理的控制工藝或管理不當(dāng)，建議在出廠前或裝配前，檢查密封圈表面質(zhì)量，重點(diǎn)檢查是否存在明顯的氣孔、毛刺、裂痕、切邊、飛邊等缺陷;條件允許時(shí)，還應(yīng)檢查密封圈的尺寸以及密封溝槽的加工質(zhì)量，粗糙度等是否滿足相關(guān)要求。

3.4 裝配

安裝過(guò)程中產(chǎn)生損傷。1)強(qiáng)行將密封圈壓入安裝槽，造成橡膠圈局部異常變形、扭曲、偏心;2)密封面在安裝時(shí)被零件銳邊處的毛刺劃傷;3)裝配的工裝設(shè)計(jì)不合理，使得膠圈安裝不到位或產(chǎn)生偏斜，或是膠圈遭受過(guò)大的拉伸引起塑性變形;4)膠圈或安裝槽裝配時(shí)帶入沙粒或金屬碎屑，造成密封圈磨損。

為防止裝配損傷，裝配前建議對(duì)密封溝槽、密封耦合面進(jìn)行清洗，并對(duì)密封圈裝配中的觸及面涂潤(rùn)滑劑。裝配后檢查密封圈是否扭曲、劃傷或偏心。

3.5 儲(chǔ)存運(yùn)輸

未按密封件產(chǎn)品的說(shuō)明進(jìn)行儲(chǔ)存或運(yùn)輸，造成材料性能劣化。1)在存放或運(yùn)輸過(guò)程中遭受陽(yáng)光紫外照射、受熱、受潮;2)儲(chǔ)存或運(yùn)輸過(guò)程與有害溶劑、油液、酸、堿等接觸;3)遭受外物劃傷、擠壓、磨損;4)懸掛、擠壓放置造成密封圈加速老化或尺寸變化。

3.6 使用

操作不當(dāng)或過(guò)度使用，接頭螺桿等松動(dòng)、振動(dòng)或傾斜等造成密封圈損傷;或使用環(huán)境(溫度、應(yīng)力等)較預(yù)期更為惡劣，使得膠圈性能退化速率加快，提前老化。

3.7 其他

工作環(huán)境或密封的油液存在污染，造成膠圈溶脹或腐蝕;或混入固體顆粒，造成密封件研磨磨損等。

4 橡膠密封圈失效分析程序

橡膠密封失效可能原因的往往有很多，與其相關(guān)的影響因素也更為繁雜，因此只有確立合理的分析邏輯順序，才能獲得更多、更準(zhǔn)確有效的信息。對(duì)于失效分析而言，材料種類(lèi)的不同時(shí)往往形態(tài)、特性之間差異非常大。如金屬、復(fù)合材料、塑料等通常具有特定對(duì)應(yīng)的分析程序［14］。對(duì)于密封圈失效而言，根據(jù)以往失效分析工作經(jīng)驗(yàn)，建議采用以下程序:

1)收集整理歷史背景和信息。盡可能全面的收集密封圈的背景信息，包括:材料、工藝、設(shè)計(jì)、載荷、尺寸、介質(zhì)、溫度、壓力、振動(dòng)、貯存與服役歷史等方面;另外還要了解收集與密封圈接觸的安裝槽、密封件、密封介質(zhì)等的有關(guān)信息。

2)外觀檢查。檢查裝配系統(tǒng)泄露情況、密封組件與裝配前的變化情況，包括:安裝槽及密封件表面是否磨損、是否存在顏色變化、是否存在明顯顆粒物;密封介質(zhì)的顏色與污染情況;觀察密封圈的外觀是否存在異常變形或機(jī)械損傷、是否存在顏色變化。

3)痕跡檢查。收集密封圈及安裝組件表面痕跡，包括是否存在變形痕跡、撞擊、摩擦痕跡、腐蝕痕跡、灼燒痕跡、污染痕跡、分離物痕跡、機(jī)械加工痕跡等;

4)尺寸檢查。檢查密封組件密封圈尺寸(厚度、內(nèi)外直徑等)、安裝槽活塞桿等組件的尺寸是滿足要求、計(jì)算驗(yàn)證壓縮量、密封間隙是否合適。

5)裂紋、斷口。裂紋與斷口的主要形貌特征，包括:斷口的平直情況、顏色情況、變形情況、源區(qū)、性質(zhì)，斷口與周?chē)鷵p傷、缺陷、微裂紋之間的關(guān)系，斷口與成型方向(軋制方向、分模面方向)、斷口與主正應(yīng)力方向的關(guān)系。若為多處斷裂或殘骸，應(yīng)對(duì)斷裂/殘骸進(jìn)行拼接，給出裂紋擴(kuò)展方向，找出裂紋源或缺陷存在部位。

6)性能測(cè)試。對(duì)膠圈的進(jìn)行必要的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、硬度、耐介質(zhì)性能，介質(zhì)的粘度、酸堿度、顆粒度等方面的測(cè)試檢驗(yàn)，確定是否符合技術(shù)要求。

7)成分分析。對(duì)膠圈成分分析，檢查膠料的結(jié)構(gòu)成分是否存在異常、是否存在老化、吸油、變質(zhì)等變化。

8)綜合評(píng)定分析結(jié)果。綜合分析比較，從現(xiàn)象到本質(zhì)，確定失效性質(zhì)、串聯(lián)印證解釋失效過(guò)程。對(duì)疑點(diǎn)進(jìn)行模擬試驗(yàn)或驗(yàn)證試驗(yàn)。

5 橡膠密封圈失效通常的診斷思路

對(duì)于密封圈失效，首先判斷密封圈是否完好。若外觀完好，則需要檢查密封圈與溝槽尺寸是否合適、密封組件是否安裝到位、檢查密封圈硬度和伸長(zhǎng)率是否適當(dāng)。若密封圈發(fā)生扭曲、擠壓變形時(shí)，通常重點(diǎn)對(duì)裝配過(guò)程、溝槽倒角、配合面角度、密封圈壓縮率等進(jìn)行檢查。表面存在磨痕、劃傷、掉塊時(shí)通常重點(diǎn)關(guān)注膠圈表面處理過(guò)程、溝槽等的粗糙度、是否有金屬磨損碎屑、油液或系統(tǒng)內(nèi)是否有異物進(jìn)入。密封圈表面龜裂、碳化、顏色變化時(shí)，應(yīng)關(guān)注環(huán)境溫度是否正常。密封圈發(fā)生溶脹、鼓泡、收縮等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)關(guān)注密封介質(zhì)是否異常以及密封圈的耐介質(zhì)性能。密封圈表面存在較多微裂紋時(shí)，應(yīng)綜合材質(zhì)、硬度、性能等判定材料是否已經(jīng)老化。當(dāng)密封圈發(fā)生開(kāi)裂或斷裂時(shí)，通常首先尋找開(kāi)裂/斷裂的起源位置，通過(guò)斷口形貌判定斷裂性質(zhì)，重點(diǎn)關(guān)注源區(qū)及附近區(qū)域是否存在缺陷或損傷，進(jìn)而結(jié)合密封圈的受力情況、環(huán)境、材質(zhì)性能等綜合分析、相互印證，進(jìn)而尋找失效原因。

6 結(jié)束語(yǔ)

本研究在密封圈失效分析與案例總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，給出橡膠密封圈常見(jiàn)的失效形式和原因，列舉了密封圈典型損傷特征及斷裂失效斷口的形貌特點(diǎn)，探討了橡膠密封圈常用的失效分析方法和思路，為密封圈故障分析提供參考。但在實(shí)際工況條件下，很多橡膠密封圈失效往往不是單一原因所致，常常是多種應(yīng)力環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果。特別是裂紋和斷裂失效，斷口的形貌特征與形成原因往往非常復(fù)雜，應(yīng)針對(duì)密封圈的具體使用情況進(jìn)行綜合分析，從而找出確切原因，提出可行的預(yù)防措施或改進(jìn)措施，才能有效的減少橡膠密封圈故障的發(fā)生。

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