盾構(gòu)密封脂技術(shù)特性與標(biāo)準(zhǔn)化研究

王先會(huì)

(中國石化潤滑油有限公司潤滑脂研究院 天津 300480)

盾構(gòu)施工必須隔絕外界泥水，確保盾構(gòu)內(nèi)部與盾構(gòu)殼體外部完全處于封閉狀態(tài)，以保證推進(jìn)正常和盾構(gòu)施工安全。盾構(gòu)主機(jī)的密封，包括主驅(qū)動(dòng)密封、鉸接密封和盾尾密封等三大密封系統(tǒng)[1]。采用潤滑脂來進(jìn)行密封的是主驅(qū)動(dòng)密封和盾尾密封。作為盾構(gòu)施工中使用的關(guān)鍵配套材料，盾構(gòu)密封脂包括主軸承密封脂、主軸承潤滑脂和盾尾密封脂3種產(chǎn)品[2]。

盾構(gòu)密封脂具有密封和潤滑雙重功效。但是，針對(duì)盾構(gòu)密封脂的關(guān)鍵特性指標(biāo)如何表征確定，技術(shù)特性指標(biāo)及其與現(xiàn)場(chǎng)使用效果的關(guān)聯(lián)性等問題，還缺乏深入的考察研究。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際隧道與地下空間協(xié)會(huì)(ITA)等各相關(guān)組織或協(xié)會(huì)，目前尚未發(fā)布盾構(gòu)密封脂產(chǎn)品和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)制造、隧道施工、密封脂生產(chǎn)等企業(yè)及相關(guān)行業(yè)組織，迫切要求盡快結(jié)束這種無行業(yè)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)可依的狀態(tài)。希望通過開展盾構(gòu)密封脂技術(shù)特性的系統(tǒng)研究，盡快制定出具有先進(jìn)性、規(guī)范性、權(quán)威性、統(tǒng)一性的盾構(gòu)密封脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

本文作者通過分析盾構(gòu)密封系統(tǒng)的工況條件，提出了對(duì)于盾構(gòu)密封脂的性能要求，并對(duì)盾構(gòu)密封脂的重要技術(shù)特性進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)定與研究分析；在此基礎(chǔ)上，制定出具有先進(jìn)性和規(guī)范性的盾構(gòu)密封脂產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

1 盾構(gòu)密封系統(tǒng)對(duì)于密封脂的性能要求分析

1.1 主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)

主軸承是盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件[3]，要承受切削刀盤的軸向、徑向負(fù)荷和力矩，支撐刀盤的回轉(zhuǎn)及傳動(dòng)，其可靠性、安全性、壽命是至關(guān)重要的。主軸承通過變頻電機(jī)為刀盤提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)由4排唇形密封系統(tǒng)組成，作用是防止外界泥水、碴土、砂礫等進(jìn)入主驅(qū)動(dòng)齒輪箱[4]。其中外鄰?fù)羵}或泥水艙的迷宮密封為第一道密封，使用具有一定壓力的主軸承密封脂。第一道和第二道密封之間為主軸承潤滑脂腔，注入帶一定壓力的主軸承潤滑脂。第二道與第三道密封之間為齒輪油加壓腔。第三道與第四道密封之間為空腔，用于泄漏檢測(cè)。盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)的工作原理見圖1,主驅(qū)動(dòng)密封組裝結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)工作原理

圖2 主驅(qū)動(dòng)密封組裝結(jié)構(gòu)

主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)使用主軸承密封脂和主軸承潤滑脂2種產(chǎn)品，不僅要有密封作用，阻止土倉內(nèi)的渣土進(jìn)入齒輪箱，還要求必須具有潤滑作用。若唇口密封部位潤滑效果不好，會(huì)造成唇口密封摩擦阻力增大，磨損增加，縮短密封部件使用壽命。相比較而言，主軸承脂側(cè)重密封性，而主軸承潤滑脂側(cè)重潤滑性。

主驅(qū)動(dòng)采用強(qiáng)制性的集中潤滑方式，所用密封脂尤其是主軸承密封脂，還要求具有適宜的泵送性。若泵送阻力小，則注入的密封脂壓力過低，會(huì)造成盾構(gòu)外部的泥沙進(jìn)入唇口密封，損壞唇口密封，同時(shí)也導(dǎo)致密封脂的過量消耗。

主驅(qū)動(dòng)密封系統(tǒng)的密封圈材料為丁腈橡膠或聚氨酯橡膠，主軸承潤滑脂中因含有80%以上的基礎(chǔ)油，若與橡膠件相容性差，會(huì)造成密封材料的性質(zhì)破壞，嚴(yán)重影響密封效果。與密封材料的相容性，也是對(duì)密封脂的重要性能要求。

1.2 盾尾密封系統(tǒng)

在隧道盾構(gòu)推進(jìn)作業(yè)中，拼裝管片位于盾構(gòu)機(jī)械外部，造成盾殼與管片之間存在一定的間隙[5]。盾尾密封是為了防止周圍地層的土砂、地下水、背后注入漿液或掘削而產(chǎn)生的泥水或泥土等，從間隙處流向盾構(gòu)機(jī)內(nèi)而設(shè)置的密封裝置[6]。該密封裝置通常采用3排不銹鋼鋼絲刷，并且在鋼絲刷之間通過泵入設(shè)備實(shí)時(shí)填充盾尾密封脂。盾尾密封組裝結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 盾尾密封組裝結(jié)構(gòu)

盾尾密封脂首先是要求具有密封作用，此外，還要求具有適宜的泵送性、良好的抗水性和黏附性，以及對(duì)鋼絲刷及鋼結(jié)構(gòu)有減少磨損和防護(hù)的功效。

2 盾構(gòu)密封脂技術(shù)特性評(píng)定與研究分析

2.1 耐水密封性評(píng)定分析

2.1.1 耐水密封性測(cè)定儀設(shè)計(jì)開發(fā)

歐洲建筑用特殊化學(xué)品聯(lián)合會(huì)(EFNARC)的《隧道挖掘特殊產(chǎn)品規(guī)范與指南》規(guī)定,測(cè)定盾構(gòu)密封脂耐水密封試驗(yàn)要求耐水密封壓力在3.0 MPa以上[7]。參考日本松村公司MATSUMURA方法，設(shè)計(jì)開發(fā)了半自動(dòng)盾構(gòu)耐水密封性測(cè)定儀，其工作原理見圖4。

圖4 盾構(gòu)密封脂耐水密封性試驗(yàn)儀工作原理

試驗(yàn)方法是高壓氣源通過管路向試驗(yàn)筒提供高壓氣體，此時(shí)筒內(nèi)水獲得相應(yīng)高壓；高壓水穿透壓平篩板，直接作用于下部密封脂的表面或滲透于脂內(nèi)部。通過觀察試驗(yàn)筒底部是否有水滲出，稱量油脂泄漏量為試驗(yàn)結(jié)果[8]。

2.1.2 不同木質(zhì)纖維含量對(duì)耐水密封性的影響

利用上述半自動(dòng)耐水密封性測(cè)定儀，對(duì)不同木質(zhì)纖維含量的主軸承密封脂進(jìn)行測(cè)試，考察纖維含量對(duì)耐水密封性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同木質(zhì)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)主軸承密封脂耐水密封性的影響

由表1可知，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時(shí)，有水的滲漏發(fā)生；當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.5%以上時(shí)，則密封脂無水泄漏。隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐步增加，脂的稠度隨之提高，而脂的泄漏量也趨于減少。因此，提高主軸承密封脂中的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能使密封脂的三維空間結(jié)構(gòu)更加致密，有利于耐水密封性的提高。

2.1.3 國內(nèi)外主軸承密封脂樣品耐水密封性評(píng)定

選取國內(nèi)外主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂樣品B1、B2、B3、B4，在3.5 MPa試驗(yàn)壓力下進(jìn)行耐水密封性測(cè)試，將試驗(yàn)結(jié)果列于表2。

表2 國內(nèi)外密封脂樣品耐水密封性評(píng)定測(cè)試結(jié)果

由表2可知，在3.5 MPa試驗(yàn)壓力下，國內(nèi)外承密封脂樣品均未發(fā)生漏水現(xiàn)象，但盾尾密封脂的泄漏量低于主軸承密封脂。表2結(jié)果表明，在密封性方面，部分國產(chǎn)脂的質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品比較基本相當(dāng)。

2.2 泵送性評(píng)定分析

2.2.1 泵送性試驗(yàn)方法的開發(fā)

泵送性是衡量密封脂泵送阻力的指標(biāo)，實(shí)際反映密封脂內(nèi)摩擦力大小。溫度對(duì)盾尾脂管路壓力損失有較大的影響[9]。 在不同的施工環(huán)境溫度下，選擇與之匹配的密封脂[10]。地質(zhì)條件與油脂消耗量也存在較顯著的線性關(guān)系[11]。在國際上，盾構(gòu)密封脂泵送性試驗(yàn)無規(guī)范統(tǒng)一的試驗(yàn)儀器及方法[12]。通過改進(jìn)美國科勒公司低溫流動(dòng)性試驗(yàn)儀來測(cè)定盾構(gòu)密封脂的泵送性，同時(shí)制定了相應(yīng)試驗(yàn)方法。盾構(gòu)密封脂泵送性測(cè)試儀工作原理與ASTM D1092相一致，其結(jié)構(gòu)組成見圖5。

圖5 盾構(gòu)密封脂泵送性測(cè)試儀工作原理

試驗(yàn)方法是在試驗(yàn)圓筒內(nèi)裝入一定量密封脂，設(shè)置恒定溫度，通入高壓氣體并保持1.0 MPa壓力。最后以每分鐘通過毛細(xì)流出的密封脂量，來表示盾構(gòu)密封脂泵送性(g/min)。

2.2.2 國內(nèi)外主軸承密封脂樣品泵送性評(píng)定

對(duì)上述選取的國內(nèi)外主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4和A5，進(jìn)行泵送性測(cè)試。試驗(yàn)溫度為25 ℃，壓力為1.0 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 國內(nèi)外樣品泵送性試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，國內(nèi)外樣品的泵送性試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，表現(xiàn)為樣品A3實(shí)測(cè)值較高，而A5樣品實(shí)測(cè)值最低。這與各公司產(chǎn)品稠化劑用纖維、增黏劑、基礎(chǔ)油等的種類及加入量等因素直接相關(guān)。綜合考慮，目前國內(nèi)外盾構(gòu)密封脂生產(chǎn)廠商認(rèn)為泵送性范圍控制在40～45 g/min時(shí)較為適宜。泵送性試驗(yàn)實(shí)測(cè)值低，表明脂的流動(dòng)阻力大，在盾構(gòu)施工中易出現(xiàn)堵塞盾構(gòu)機(jī)送脂管路事故；而實(shí)測(cè)值過高，則可能導(dǎo)致密封脂消耗量過大，且密封效果變差等相關(guān)問題發(fā)生。

2.2.3 主軸承脂泵送性試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)消耗量的相關(guān)性

為了考察實(shí)驗(yàn)室泵送性試驗(yàn)結(jié)果與盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)脂消耗量的關(guān)聯(lián)性，選擇了某公司生產(chǎn)的4批次主軸承密封脂，在氣溫20～35 ℃下，選擇某盾構(gòu)施工區(qū)段進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

在盾構(gòu)施工過程中，通常是以每推進(jìn)1環(huán)(1.2 m或1.5 m)來統(tǒng)計(jì)密封脂的實(shí)際消耗量。由圖7可知，試驗(yàn)室泵送性結(jié)果越大，施工中實(shí)際脂消耗則越大。這表明利用文中試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法，所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確地反映出盾構(gòu)密封脂的泵送效果，試驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)脂消耗量存在穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。

圖7 泵送性試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)脂消耗量的相關(guān)性

2.3 密度評(píng)定分析

2.3.1 密度測(cè)定器及試驗(yàn)方法的開發(fā)

密度可以間接反映密封脂中重質(zhì)填充物的含量。因盾構(gòu)密封脂極特殊的黏稠纖維狀態(tài)，現(xiàn)有GB/T 1884、GB/T 2540、GB/T 13377、GB/T 13477標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于石油產(chǎn)品或建筑黏結(jié)劑密度試驗(yàn)方法，用于測(cè)定盾構(gòu)密封脂密度時(shí)重復(fù)性和再現(xiàn)性均較差。為此，開發(fā)了密封脂密度專用測(cè)定器及試驗(yàn)方法。密度測(cè)定器見圖8。試驗(yàn)方法是在密度測(cè)定器內(nèi),充滿等體積的試樣。稱量試樣質(zhì)量,用樣品質(zhì)量除以容積得到試樣密度。

圖8 盾構(gòu)密封脂密度測(cè)定器結(jié)構(gòu)(mm)

2.3.2 國內(nèi)外密封脂樣品密度評(píng)定

選取上述主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4、A5，以及盾尾密封脂樣品B1、B2、B3、B4，進(jìn)行密度測(cè)定。將試驗(yàn)結(jié)果列于圖9。

由圖9可知：盾尾密封脂的密度普遍高于主軸承密封脂，這表明盾尾密封脂中，固體填充物成分更高一些；而相同產(chǎn)品間的密度有一定差異，則是由密封脂的配方體系、制造工藝等不同造成的。

圖9 國內(nèi)外盾構(gòu)密封脂樣品密度測(cè)試結(jié)果

2.4 黏附性評(píng)定分析

2.4.1 黏附性試驗(yàn)方法的開發(fā)

黏附性主要反映盾尾密封脂與水泥管片的黏附能力。參考GB/T 13477的第6部分《建筑密封材料試驗(yàn)方法 流動(dòng)性的測(cè)定》，制定了盾構(gòu)密封脂黏附性試驗(yàn)方法。該方法與日本JIS A5758也具有可比性。將盾構(gòu)密封脂填充到規(guī)定尺寸的長方體模具中，在不同溫度下以垂直保持規(guī)定的時(shí)間，報(bào)告試樣流出模具端部的長度。密封脂黏附性試驗(yàn)器見圖10。

圖10 盾構(gòu)密封脂黏附性試驗(yàn)器(mm)

2.4.2 國內(nèi)外密封脂樣品黏附性評(píng)定

選取上述主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂樣品B1、B2、B3、B4，進(jìn)行黏附性試驗(yàn)。將試驗(yàn)結(jié)果列于圖11。

圖11 國內(nèi)外盾構(gòu)密封脂樣品黏附性測(cè)試結(jié)果

由圖11可知，相比于主軸承密封脂，盾尾密封脂具有更好的黏附性。這表明盾尾密封脂與水泥管片之間，可形成有較強(qiáng)的黏附力。A3樣品流出長度略高，表明其黏附性稍差。

2.5 其他特性評(píng)定分析

2.5.1 潤滑性

盾構(gòu)機(jī)作為特大型工程裝備，主軸承密封系統(tǒng)在沖擊、振動(dòng)、重載等條件下工作。主軸承密封脂要求具有一定的抗磨性能，而主軸承潤滑脂則要求具有更好的減摩和極壓性能。采用SH/T 0204《潤滑脂抗磨性能測(cè)定法(四球法)》和SH/T 0203《潤滑脂極壓性能測(cè)定法(四球法)》，對(duì)上述主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4、A5進(jìn)行抗磨性能評(píng)定，結(jié)果見圖12。從市場(chǎng)上選取國內(nèi)外主軸承潤滑脂樣品C1、C2、C3、C4、C5，進(jìn)行抗磨性能和極壓性能評(píng)定，結(jié)果見表3。所選樣品錐入度范圍為2號(hào)。

表3 國內(nèi)外主軸承潤滑脂抗磨和極壓性能

圖12 國內(nèi)外主軸承密封脂樣品的抗磨性能

由圖12可知，除A3樣品外，其他樣品磨痕直徑差異均不大。表明國內(nèi)外主軸承密封脂抗磨性能基本相當(dāng)。

由表3可知，除C4樣品pD值較低外，其他樣品的抗磨性能和極壓性能基本相當(dāng)。

2.5.2 抗水性

抗水性可以反映密封脂在高壓水沖擊下，不乳化、不流失的能力，試驗(yàn)方法采用SH/T 0643《潤滑脂抗水噴霧性測(cè)定法》。該方法與ASTM D4049一致。選取上述主軸承密封脂樣品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂樣品B1、B2、B3、B4，進(jìn)行黏附性試驗(yàn)。將試驗(yàn)結(jié)果列于圖13。

圖13 國內(nèi)外主軸承密封脂樣品抗水性測(cè)試結(jié)果

由圖13可知，A2樣品抗水噴霧流失量大，表明抗水性較差。將主軸承密封脂和盾尾密封脂比較，盾尾密封脂抗水性更好一些。

2.5.3 橡膠相容性

橡膠相容性反映密封脂不侵蝕丁腈橡膠或聚氨酯橡膠密封圈的能力。試驗(yàn)方法為GB/T 1690《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐液體試驗(yàn)方法》、GB/T 531.1《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法 第一部分:邵式硬度計(jì)法(邵爾硬度)》及GB/T 528《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》。對(duì)上述主軸承潤滑脂樣品C1、C2、C3、C4、C5，進(jìn)行橡膠相容性試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 主軸承潤滑脂橡膠相容性試驗(yàn)結(jié)果(100 ℃，72 h)

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知，除C5樣品外，主軸承潤滑脂均有促使2種橡膠試件發(fā)生硬化及體積膨脹的趨勢(shì)，但拉伸強(qiáng)度變化率和扯斷伸長率變化率的或增或減則相對(duì)復(fù)雜。主軸承潤滑脂與橡膠密封材料的相容性，主要取決于基礎(chǔ)油中烷烴、環(huán)烷烴及芳烴的含量大小，加入的某些添加劑組分也會(huì)產(chǎn)生一定影響。要獲得更好的橡膠相容性，主軸承潤滑脂適宜選擇高黏度、高黏度指數(shù)的礦物基礎(chǔ)油或合成烴基礎(chǔ)油。

3 國內(nèi)外盾構(gòu)密封脂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

將國外某公司主軸承密封脂的典型數(shù)據(jù)列于表5，國外某公司盾尾密封脂的典型數(shù)據(jù)列于表6，國內(nèi)某公司盾尾密封脂的技術(shù)指標(biāo)列于表7。

表5 國外某公司主軸承密封脂典型數(shù)據(jù)

表6 國外某公司盾尾密封脂典型數(shù)據(jù)

表7 國內(nèi)某公司盾尾密封脂技術(shù)指標(biāo)

通過表5—7可以看出，國外盾構(gòu)密封脂產(chǎn)品在試驗(yàn)方法方面尚不規(guī)范，如耐水密封性試驗(yàn)只是參照日本松村石油MATSUMURA方法，泵送性參照ASTM D1092或NFT60139，而保油性試驗(yàn)方法JISA 5751在日本已經(jīng)被廢止。由表7可知，國內(nèi)產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)化方面存在更多問題，如泵送性以黃油槍“可打出油脂”作控制范圍，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性低，誤差大。

4 盾構(gòu)密封脂石化團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定

基于對(duì)盾構(gòu)密封脂技術(shù)特性的系統(tǒng)評(píng)定與研究分析，并結(jié)合國內(nèi)盾構(gòu)密封脂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研，中國石化潤滑油有限公司和中鐵裝備集團(tuán)有限公司，會(huì)同其他有關(guān)科研院所制定了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)(CPCIF)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《盾構(gòu)密封脂系列產(chǎn)品及試驗(yàn)方法》。將3種產(chǎn)品石化團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，分別列于表8、表9和表10中。

表8 主軸承密封脂石化聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CPCIF 0042.3—2020)[13]

表9 主軸承潤滑脂石化聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CPCIF 0042.2—2020)[14]

表10 盾尾密封脂石化聯(lián)合會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CPCIF 0042.1—2020)[15]

5 結(jié)束語

(1)通過分析主軸承密封系統(tǒng)和盾尾密封系統(tǒng)的工況條件，指出盾構(gòu)密封脂必須具備優(yōu)良耐水密封性、泵送性、潤滑性，以及良好的抗水性、黏附性、橡膠相容性。

(2)通過開發(fā)的耐水密封性、泵送性、密度、黏附性等專用試驗(yàn)儀器和方法，對(duì)盾構(gòu)密封脂重要技術(shù)特性進(jìn)行分析研究,指出提高纖維含量有利于改善脂耐水密封性,證明現(xiàn)泵送性試驗(yàn)結(jié)果越大現(xiàn)場(chǎng)消耗量越高,部分國產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量已與國外水平基本相當(dāng)。

(3)基于對(duì)盾構(gòu)密封脂技術(shù)特性與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究分析，在國際上率先制定出中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)(CPCIF)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《盾構(gòu)密封脂系列產(chǎn)品及試驗(yàn)方法》，對(duì)于提高盾構(gòu)密封脂生產(chǎn)和質(zhì)量檢測(cè)水平，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工安全高效，具有重要價(jià)值和意義。