橡膠O型圈的材料選擇分析

張翠彬

(順益體系(集團(tuán)),廣東 珠海 519020)

橡膠O型圈的材料選擇分析

張翠彬

(順益體系(集團(tuán)),廣東 珠海 519020)

橡膠O型圈在各種設(shè)備上使用非常普遍,常被認(rèn)為是低價(jià)格的、標(biāo)準(zhǔn)化的、可以更換的"易耗品".然而,這種容易被忽視的橡膠O型圈卻保證了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),保證了生產(chǎn)的無(wú)故障運(yùn)行.橡膠O型圈失效所導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)、環(huán)境污染等會(huì)引起很大的損失.本文簡(jiǎn)單闡述了如何對(duì)橡膠O型圈的材料進(jìn)行選擇.

橡膠O型圈;O型密封圈;橡膠密封件 Kalrez

在企業(yè)經(jīng)濟(jì)管理的ABC分類法中,橡膠O型圈屬于C類.對(duì)于企業(yè)采購(gòu)人員來(lái)說(shuō),橡膠O型圈常被認(rèn)為是低價(jià)格、標(biāo)準(zhǔn)化、可以更換的"易耗品".然而,這種容易被忽視的橡膠O型圈卻保證了設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),保證了生產(chǎn)的無(wú)故障運(yùn)行."低價(jià)值"橡膠O型圈失效所導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)、環(huán)境污染等會(huì)引起很大的損失.

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì),每年全球因橡膠O型圈失效所帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)千萬(wàn)美元,其中 包括設(shè)備停機(jī)、產(chǎn)品召回、產(chǎn)品保修和環(huán)境污染等.其實(shí),比這更直接、損失更嚴(yán)重的是公司和品牌形象的價(jià)值.

歐洲有機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析:橡膠O型圈的失效中,材料選擇不當(dāng)約占30%,O型圈尺寸和溝槽不匹配所占近20%,裝配不良約占10%.所以,通過(guò)對(duì)橡膠O型圈正確的材料選擇、溝槽設(shè)計(jì)和合適安裝,可以避免大部分的橡膠O型圈的失效及其造成的損失.

1 橡膠O型圈的材料選擇

根據(jù) 《ASTM D2000汽車橡膠產(chǎn)品分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》,所有橡膠制品的性質(zhì)可以劃分入特有的材料牌號(hào), 這些牌號(hào)被由基于耐熱老化的TYPE(類別)和基于耐油溶脹CLASSES(等級(jí)),結(jié)合描述附加要求的值,從而建立基本的LEVELS(水平),這些值允許全面描述所有彈性材料的質(zhì)量(圖1).

圖1 基于ASTM D2000標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橡膠材料性能的劃分

其中,第一,耐熱性--最高溫度,指橡膠在這個(gè)溫度、70小時(shí)熱老化性能變化率:拉伸強(qiáng)度變化不大于±30%,伸長(zhǎng)率不超過(guò)-50%,硬度變化不超過(guò)±15;第二,耐油性--浸泡在ASTM IRM 903油中70小時(shí)的體積變化率.從上圖我們可以看出,不同的橡膠材料的耐熱以及耐油性有很大的區(qū)別.

橡膠O型圈的材料,需要根據(jù)O型圈所在的工況來(lái)選擇,主要包括工作溫度、工作介質(zhì)和工作壓力.同時(shí),一些特殊行業(yè)或設(shè)備有特殊的要求需要參考,比如食品醫(yī)藥行業(yè)需要評(píng)估橡膠材料的潔凈度和析出率,甚至需要有FDA、USP等相關(guān)認(rèn)證.

圖2 各種橡膠材料建議的工作溫度范圍

2 工作溫度

針對(duì)橡膠O型圈的工作溫度,如圖2所示,需要注意以下幾點(diǎn).

所有橡膠材料的最寬泛耐溫范圍-73~+327℃,工作溫度超過(guò)這個(gè)溫度范圍,則密封件材料就不能選擇橡膠.

所有推薦的橡膠最高使用溫度,都是指在空氣中的最高使用溫度.

橡膠材料建議的最高使用溫度,一般都是根據(jù)ASTM D573等橡膠熱老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),采用熱空氣加速老化測(cè)試出來(lái)的結(jié)果.在實(shí)際應(yīng)用工況中,需要結(jié)合工作介質(zhì)的腐蝕性,預(yù)留一定的安全余量,例如FKM在空氣中長(zhǎng)期最高使用溫度是204℃,但在潤(rùn)滑油介質(zhì)中安全的使用溫度建議在180度以內(nèi).

選擇O型圈材料必須根據(jù)長(zhǎng)期工作溫度.以氟橡膠FPM(即FKM)為例,推薦的最高使用溫度是204℃,但在圖3中可以看出FPM最高瞬時(shí)可以沖擊500℃左右.

同一大類橡膠材料,不同的配方耐溫也會(huì)有不同.如杜邦Kalrez? 全氟橡膠中, Kalrez? 6375最低使用溫度是-20℃,最高使用溫度是275℃;而Kalrez? 0040最低使用溫度是-42℃(靜態(tài)); Kalrez? 7075的最高使用溫度是327℃.

3 工作介質(zhì)

圖3 部分橡膠的溫度-工作時(shí)間曲線圖

圖1 中橫坐標(biāo)是根據(jù)《ASTM D2000汽車橡膠產(chǎn)品分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》,評(píng)估各種橡膠材料耐油體積溶脹性能的CLASSES(等級(jí)) ,進(jìn)而評(píng)估橡膠的耐油性.實(shí)際上,在評(píng)估橡膠材料性能,或者在選擇橡膠密封件材料時(shí),很重要的另外一個(gè)根據(jù)就是橡膠材料的耐化學(xué)性.

橡膠材料的耐化學(xué)性,也就是橡膠材料與化學(xué)介質(zhì)的兼容性,通常通過(guò)將橡膠件放在化學(xué)介質(zhì)中浸泡測(cè)試來(lái)評(píng)估,最主要、最直觀的評(píng)估就是浸泡后橡膠O型圈的體積溶脹率.一般評(píng)估結(jié)果參考下表1.

橡膠O型圈發(fā)生體積溶脹,會(huì)影響其物理特性(主要包括斷裂伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力等)的變化,同時(shí)也會(huì)影響橡膠O型圈在溝槽中的狀態(tài)(主要包括內(nèi)徑拉伸率、線徑壓縮率、溝槽空余體積率等),進(jìn)而影響橡膠O型圈的密封效果和密封壽命.

針對(duì)橡膠O型圈的工作溫度,需要注意以下幾點(diǎn):

同一大類橡膠材料,不同的配方耐化學(xué)介質(zhì)也會(huì)有不同,比如針對(duì)冰醋酸介質(zhì),同屬于杜邦Kalrez? 全氟橡膠,Kalrez? 6375耐受性非常好,而Kalrez? 1050LF則體積溶脹會(huì)非常大,杜邦明確不建議使用.

當(dāng)工作介質(zhì)是多種化學(xué)介質(zhì)混合時(shí),需要考慮橡膠材料對(duì)每種化學(xué)介質(zhì)的耐受性,同時(shí)也要考慮混合介質(zhì)中每種成分的含量.

比如,在水和環(huán)氧乙烷混合介質(zhì)中,若是水含量在4%以內(nèi),則Kalrez? 6375耐受性也非常好;若是水含量超過(guò)4%,則Kalrez? 6375相對(duì)耐受性就差很多.

評(píng)估橡膠材料與化學(xué)介質(zhì)兼容性時(shí),需要綜合考慮溫度的影響.

表1

4 工作壓力

工作壓力主要是影響橡膠O型圈硬度的選擇,主要包括一下方面.

工作壓力、溝槽間隙、O型圈硬度需綜合考量,以免產(chǎn)生"擠出"、"咬蝕"現(xiàn)象.

為了使O型圈具有良好的密封作用和較高的使用壽命,必須使O型圈的安裝溝槽和密封部位的間隙,即徑向間隙(又稱擠出間隙)設(shè)計(jì)恰當(dāng),徑向間隙如圖4所示.

圖4 徑向間隙圖

若是工作壓力較大,橡膠O型圈硬度較小(O型圈較軟),徑向間隙過(guò)大,橡膠O型圈就很容易被擠到溝槽間隙中去,產(chǎn)生擠出,甚至咬蝕失效(圖5).

圖5 未裝擋圈時(shí),O型圈硬度選用圖

例如,當(dāng)選擇橡膠O型圈硬度在Shorez A 70時(shí),工作壓力若是在40bar時(shí),則允許的最大總尺寸間隙在0.4mm左右(即單邊徑向間隙在0.2mm),超出則有產(chǎn)生擠出失效的風(fēng)險(xiǎn).

同時(shí),可以通過(guò)增加擋圈(背托環(huán)),獲得比單獨(dú)使用O型圈承受更高壓力的能力.

在存在瞬間爆炸性減壓的密封部位,需要選擇AED抗內(nèi)爆橡膠材料(高硬度).

所有橡膠彈性材料都有一定的滲透性(氣體、氣體混合物 、氣液混合物環(huán)境),當(dāng)橡膠體在高壓下與氣體接觸一段時(shí)間后,氣體會(huì)滲入到其內(nèi)部,形成一定的微小空間,氣體繼續(xù)滲入直至內(nèi)外壓力達(dá)到平衡,壓力越高,滲入的氣體也就越多.

當(dāng)橡膠密封件周圍的壓力突然撤銷,進(jìn)入密封件內(nèi)的氣體膨脹并試圖向低壓方向逸散,橡膠體內(nèi)的壓縮氣體不能足夠快的釋放,形成壓力差.橡膠密封件材料在不具備充足的抵抗能力,就會(huì)在不同位置出現(xiàn)裂紋或表面形成氣泡,密封件受到嚴(yán)重破壞,導(dǎo)致不能有效地密封.在外壓撤銷時(shí),這種損壞不會(huì)立即顯現(xiàn),有時(shí)要幾個(gè)小時(shí)后才會(huì)呈現(xiàn).

發(fā)生瞬間爆炸性減壓(內(nèi)爆)時(shí),非抗內(nèi)爆等級(jí)橡膠O型圈發(fā)生的典型開(kāi)裂和鼓泡失效.國(guó)際上對(duì)于抗內(nèi)爆橡膠有相關(guān)的認(rèn)證,如Total、NORSOK 和Shell等標(biāo)準(zhǔn),最通用的是NORSOK-M710標(biāo)準(zhǔn).

在相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),如《GB/T 30818-2014,石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用全焊接球閥》及《API 6D-2008石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門》(通ISO 14313:2007)中,對(duì)抗內(nèi)爆橡膠材料有明確要求:壓力在PN100/Class 600或其以上用于碳?xì)浠衔餁怏w輸送的閥門,應(yīng)選擇防爆炸性減壓的彈性材料.

所以,針對(duì)存在氣體的快速泄壓的場(chǎng)合,需要考慮選擇抗內(nèi)爆等級(jí)橡膠材料(AED橡膠材料的硬度,都在Shore A 90附近).

5 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)企業(yè)設(shè)備,橡膠O型圈價(jià)格相對(duì)較低,但其非常重要.只有合理的選用和使用橡膠O型圈,才能有效避免橡膠O型圈的失效.

TQ33

A

1671-0711(2017)11(上)-0155-03