適用于最佳膠管性能的測(cè)試方法

黃元昌

(全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心 北京 100143)

人們要預(yù)測(cè)膠管的使用壽命并確定其故障源是非常困難的，因?yàn)槟z管何時(shí)發(fā)生故障及怎樣發(fā)生故障取決于時(shí)間、溫度和壓力。而各種產(chǎn)品的使用條件及故障情況經(jīng)常發(fā)生變化。一般在正常操作條件下，膠管初次使用之前，如果不經(jīng)過(guò)測(cè)試，則故障模式是末知的。而對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用，在加速試驗(yàn)中，不可能完全重復(fù)操作條件。故障機(jī)理并非總是在變，但產(chǎn)品性能卻是逐步改變。

而膠管故障可由幾種因素引起的。典型的故障模式是膠管的彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉伸程度低于其規(guī)定的彎曲半徑。在卷曲過(guò)程中，如果壓力過(guò)低，則會(huì)引起膠管從彎曲處脫離；而壓力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致膠管內(nèi)部撕裂。不合適的裝配，如膠管與連接頭不匹配或缺少接頭及管夾，均會(huì)導(dǎo)致膠管破裂或泄漏（圖1和圖2）。另外，膠管磨損或其他表面的摩擦，也均會(huì)引起其周圍的變化，致導(dǎo)與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)不相符。

圖1 無(wú)夾緊而導(dǎo)致膠管脫離

圖2 不合適的裝配連接導(dǎo)致膠管故障

1 質(zhì)量測(cè)試——須考慮的關(guān)鍵因素

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一些關(guān)鍵因素決定了產(chǎn)品最終的應(yīng)用性能（見(jiàn)表1），通過(guò)測(cè)試，可了解聚合物在特定應(yīng)用中的性能，并可測(cè)試在單獨(dú)條件下不同環(huán)境因素的影響。而產(chǎn)品測(cè)試可有效重復(fù)操作條件，但只涉及一些特定的產(chǎn)品。常見(jiàn)的行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括用于汽車業(yè)的FMVSS106、SAEJ1610、SAEJ2260、SAE J2044/J2045、GMW16153、GMW14785以及用于工業(yè)的SAEJ343、SAEJ517等。此外，由于在膠管中加入了各種增強(qiáng)材料及組分，所以，在原料和產(chǎn)品測(cè)試中會(huì)存在輕微的相容性問(wèn)題。

在開(kāi)始測(cè)試之前，應(yīng)確定所測(cè)試的產(chǎn)品的性能、應(yīng)用的主要功能，以及為獲得真實(shí)、具有可比性結(jié)果時(shí)所需重復(fù)的關(guān)鍵條件。這些問(wèn)題包括判斷膠管失效或達(dá)到臨界值的標(biāo)準(zhǔn)是什么？通常是，盡管性能喪失50%的膠管仍在使用，但應(yīng)該有個(gè)判斷其是否可繼續(xù)使用的方法。測(cè)試試樣的厚度會(huì)影響氣體或液體進(jìn)入材料的擴(kuò)散速率。薄壁件易短期降解，大組件的性能的性能幾乎不受影響。在規(guī)定時(shí)間后進(jìn)行產(chǎn)品性能的試驗(yàn)比測(cè)定故障要容易，因?yàn)楹笳唔毧紤]運(yùn)行時(shí)限、工作溫度、流體滲漏、安裝以及其他活動(dòng)部件等因素。

表1 設(shè)立測(cè)試方法須考慮的問(wèn)題

2 測(cè)試方法

膠管的測(cè)試評(píng)估有4種類型：壓力、流體相容性、熱老化和振動(dòng)（圖3）。

圖3 膠管測(cè)試評(píng)估的類型

2.1 壓力測(cè)試

每種膠管均有一個(gè)最大允許工作壓力（MAWP）。通種采用以下三種壓力測(cè)試方法，來(lái)確定膠管及膠管裝配的壓力范圍：

（1）靜態(tài)（泄漏檢查或確認(rèn)測(cè)試）：在壓力為MAWP下測(cè)試，以確認(rèn)膠管未破裂及裝配處（如彎曲面）有無(wú)泄漏；

（2）脈沖：將高壓/低壓作用于膠管裝配處，以模擬泵的開(kāi)啟與關(guān)閉；

（3）破裂：在膠管裝配處內(nèi)側(cè)，持續(xù)增加壓力，直到膠管發(fā)生破裂。這樣可測(cè)定安全系數(shù)。

2.2 溫度測(cè)試

在加速老化評(píng)價(jià)時(shí)，常采用升溫法來(lái)加速測(cè)試。高溫為反應(yīng)提供較大的能量，以便在較短的時(shí)間內(nèi)完成膠管的老化試驗(yàn)。但高溫會(huì)引發(fā)多種反應(yīng)，這就要求材料在測(cè)試溫度范圍內(nèi)須無(wú)任何變化。保持低于推薦操作溫度的上限以獲得優(yōu)化結(jié)果。

在對(duì)膠管進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，故障通常發(fā)生在中間部位，這就容易檢測(cè)產(chǎn)品中的故障點(diǎn)。聚合物的性能表征包括拉伸強(qiáng)度、硬度及伸長(zhǎng)率的變化。在突變下，可能發(fā)生韌一脆轉(zhuǎn)變。

而在恒定負(fù)荷下，蠕變?cè)囼?yàn)可以測(cè)定材料的變形（蠕變應(yīng)變）。TTS被用作推斷數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)膠管使用壽命。蠕變斷裂是蠕變的最終結(jié)果。這也可以測(cè)定材料在恒定拉伸負(fù)荷下失效的時(shí)間。

采用溫度循環(huán)法，以評(píng)價(jià)產(chǎn)品暴露在溫度高低極限變化過(guò)程中的性能。而在本實(shí)驗(yàn)中，可使用循環(huán)溫度環(huán)境艙。

2.3 振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)測(cè)試用于模擬膠管在彎曲或振動(dòng)時(shí)受到的影響，包括屈撓疲勞和振動(dòng)類型的測(cè)試。屈撓疲勞測(cè)試時(shí)，膠管在進(jìn)行低頻、高位移下運(yùn)動(dòng)，其一端為典型移動(dòng)，而另一端為靜止。振動(dòng)測(cè)試時(shí)，膠管在進(jìn)行高頻、低位下移運(yùn)動(dòng)，也是一端移動(dòng)，而一端靜止。

2.4 流體相容性測(cè)試

流體相容性測(cè)試通常用于成品材料，研究須證實(shí)膠管是否經(jīng)得起長(zhǎng)時(shí)間與流體接觸、典型的流體相容性測(cè)試方法為ASTM D471。通過(guò)測(cè)定材料物理性能（如拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，硬度和溶脹體積）的變化，或材料與高溫流體（如燃料類、油類、冷卻劑、制動(dòng)液、清潔劑等）的反應(yīng)，可以評(píng)價(jià)材料與流體的相容性。

3 提高測(cè)試效率

在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，內(nèi)部性能測(cè)試已成為產(chǎn)品檢測(cè)階段的瓶頸。如果延誤而導(dǎo)致時(shí)間的損失，則使得產(chǎn)品不能按計(jì)劃投放市場(chǎng)，將致使經(jīng)濟(jì)效益受到損失。然而，這個(gè)問(wèn)題可以得到解決。使用外部測(cè)試能夠節(jié)約時(shí)間和資金，可進(jìn)行不同變量、多次迭代及對(duì)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的基準(zhǔn)測(cè)試等。外部測(cè)試可作為內(nèi)部測(cè)試的補(bǔ)充，以加快產(chǎn)品上市，縮短檢測(cè)階段。

Smithers Rapra 公司開(kāi)發(fā)出一種商業(yè)工具，依照其獨(dú)特的環(huán)境，用于內(nèi)外部測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比。基于預(yù)估的最終產(chǎn)品的零售市場(chǎng)價(jià)格、月銷售量、內(nèi)部測(cè)試導(dǎo)致的延誤、外部測(cè)試對(duì)延誤的調(diào)整及外部測(cè)試的成本等，該工具可精確預(yù)測(cè)潛在的收益和損失。