某型機械設(shè)備液位計故障分析試驗設(shè)計

何 婷，邵 威，鄧習(xí)樹

（三一重工股份有限公司，湖南長沙 410100）

液位計用于測量容器中液位高低，為工程機械通用的關(guān)重件。根據(jù)使用工況，要求液位計透明，并有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、物理機械性、不黏性、耐老化性、不燃性和熱穩(wěn)定性。而外裝在某機械設(shè)備水箱上，用于觀察防凍液高度的某型液位計，在保內(nèi)出現(xiàn)液位計管子發(fā)黑，進而無法觀察到液位高度等故障，造成客戶抱怨。

故障件與全新件外觀對比如圖1所示，本文通過使用環(huán)境調(diào)查，設(shè)計了一系列材料性能與分析試驗，重現(xiàn)故障，并分析故障原因，制定解決對策以解決用戶抱怨。

圖1 故障液位計與全新液位計對比圖片F(xiàn)ig. 1 Comparison of faulty liquid level gauge and new liquid level gauge

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)計

1.1.1 液位計使用環(huán)境分析

通過現(xiàn)場走訪，安裝環(huán)境查看，對故障液位計的使用環(huán)境進行分析獲得如下信息：（1）液位計管子內(nèi)部浸泡在防凍液里；（2）液位計安裝在發(fā)動機附近，防凍液最高能達到100℃高溫；（3）防凍液成分：50%乙二醇、50%水、規(guī)定濃度的防腐劑DCA4。

通過使用環(huán)境分析，為在實驗室中重現(xiàn)出“發(fā)黑”故障，抽提出液位計變色影響因素：（1）室溫條件下，材質(zhì)與防凍液的相容性；（2）極限（100℃）高溫下，材質(zhì)自身變化；（3）高溫條件下，防凍液與材質(zhì)的相容性。

1.1.2 試驗項目設(shè)計

針對抽提出的幾個變色影響因素進行試驗項目設(shè)計：（1）液位計塑料管性能測試：耐介質(zhì)試驗、耐熱試驗；（2）塑料管與防凍液的相容性：高溫耐介質(zhì)試驗；（3）材質(zhì)分析：傅里葉變換紅外光譜；（4）塑料管熱分析：氧化誘導(dǎo)溫度。

1.2 試驗設(shè)備

差示掃描量熱儀：DSC214型，德國耐馳公司；傅立葉變換紅外光譜儀：ThermoFisher is20型，美國賽默飛世爾公司；熱空氣老化試驗箱：QLH225，合肥賽帆試驗設(shè)備有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐介質(zhì)試驗結(jié)果分析

將液位計塑料管切割成段，浸泡在裝有防凍液的燒杯中，置于23℃恒溫室中，放置600h。經(jīng)23℃恒溫，600h防凍液浸泡后，塑料管透明，無明顯變化。這說明室溫條件下，塑料管與防凍液相容性良好，不會發(fā)生早期“發(fā)黑”故障。如圖2所示。

圖2 耐介質(zhì)試驗后結(jié)果圖Fig. 2 Result picture after medium resistance test

2.2 耐熱試驗結(jié)果分析

液位計塑料管切割成段，置于100℃熱空氣老化試驗箱中，老化240h。試驗開展240h（10天）后，塑料管發(fā)生黃變，如圖3所示。黃變是在自然太陽光、紫外線、熱、氧、應(yīng)力、微量水分、雜質(zhì)、不正當工藝等作用下顏色發(fā)黃的現(xiàn)象。一般來說發(fā)生黃變有三個原因：（1）熱老化；（2）光老化；（3）熱氧老化。

圖3 液位計塑料管耐熱試驗前后對比圖Fig. 3 Comparison of plastic pipe of liquid level gauge before and after heat resistance test

熱老化主要是環(huán)境溫度升高時，塑料的分子鏈運動加劇，當分子鏈吸收的能量超過分子間化學(xué)鍵的離解能時會產(chǎn)生分子鏈的熱降解或者基團脫落。

光老化一方面是到達地面的未被高空臭氧層所吸收的波長低于290nm的紫外光，是引起高分子材料老化最主要的因素。塑料吸收紫外光能量后，光子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)態(tài)分子能產(chǎn)生光物理作用和光化學(xué)反應(yīng)。另一方面是紅外光，它對高分子材料的老化起加速作用，材料吸收紅外光后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，熱能加速材料的老化?/p>

熱氧老化與熱老化類似，主要老化過程受空氣中氧的影響。塑料在氧的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，同時產(chǎn)生含氧自由基，然后進行自由基的增長和終止反應(yīng)。熱氧老化并不是單一的過程，通常是與光照、溫度共同作用影響的。

液位計塑料管經(jīng)100℃恒溫放置，240h發(fā)生黃變，說明發(fā)生熱老化或熱氧老化。發(fā)動機水箱的長期使用溫度為80~90 ℃，與售后故障報修時間相對一致。說明該液位計耐高溫性能不滿足技術(shù)要求。

2.3 高溫耐介質(zhì)綜合試驗結(jié)果分析

為深入驗證售后問題原因，將該液位計塑料管切割三段，浸泡在防凍液中，置于高溫（100℃）、耐介質(zhì)（防凍液）雙重因素交互影響的環(huán)境中，試驗進行240h。240h后，重現(xiàn)“發(fā)黑”故障，如圖4所示。同時，塑料管發(fā)生破碎，表面可見裂紋明顯，失去強度，如圖5所示。試驗結(jié)果說明，在無氧氣參與的高溫作用下，塑料管同樣發(fā)生變色，表明塑料管發(fā)生熱老化變色。而在高溫與防凍液作用下，塑料管發(fā)生降解，高分子鏈破壞。

圖5 液位計塑料管高溫耐介質(zhì)試驗后開裂圖Fig. 5 Cracking of plastic pipe of liquid level gauge after high temperature medium resistance test

2.4 傅立葉變換紅外光譜結(jié)果分析

為確定液位計材質(zhì)，對該材料進行了紅外分析。采用美國賽默飛世爾is20型中/遠紅外光譜儀，在400~4000 cm-1范圍內(nèi)測定紅外光譜。試樣采用直接取樣的方式，液位計塑料管清洗后，用刀片刮膜，壓平。樣品掃描次數(shù)32，分辨率4，檢測器DTGS，ATR（Ge）。

紅外譜圖如圖6所示。塑料管樣品在3500~3200 cm-1出現(xiàn)中強的N-H伸縮振動峰，1745~1640 cm-1出現(xiàn)酯羰基、酰胺羰基、脲羰基的C=O強伸縮振動峰，此為聚氨酯材料的特征峰。這一結(jié)論與文獻［1-2］報道數(shù)據(jù)一致。故液位計塑料管材質(zhì)為聚氨酯。

圖6 液位計塑料管紅外光譜圖Fig. 6 Infrared spectrum of plastic tube of liquid level gauge

由于聚氨酯材料中殘留不飽和鍵，受溫度或空氣等因素影響會逐漸被氧化成醛酮和羧酸結(jié)構(gòu)，并進一步老化降解，生成了共軛雙鍵或三鍵生色基團，產(chǎn)生黃變。其次，制備聚氨酯材料需用的異氰酸酯，在受光照或熱時，異氰酸酯中的芳香體系會被逐漸氧化成醌式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致聚氨酯制品發(fā)黃。這也進一步說明了文中耐熱試驗塑料管發(fā)生黃變的原因，并與文獻［3-6］的研究結(jié)論一致。

此外，由于防凍液主要成分為乙二醇、水，聚氨酯材料在高溫下易發(fā)生水解，分子鏈破壞。這就是2.3高溫耐介質(zhì)試驗中，塑料管不但出現(xiàn)了“發(fā)黑”，還出現(xiàn)了裂紋的原因。

綜上，該使用工況下的液位計不適合用聚氨酯材料制作，應(yīng)該尋求一種耐熱、化學(xué)惰性、耐水、耐老化且透明的塑料制作。“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)是一種滿足要求的惰性塑料，耐高溫、耐溶劑、耐老化，但其為熱固性塑料，加工上存在一定的困難。經(jīng)查，可熔性聚四氟乙烯材料(PFA)性能上和加工上具備可行性。

PFA為四氟乙烯(TFE)與全氟丙基乙烯醚(PPVE)的共聚物，文獻［7-9］研究認為，PFA 擁有良好機械加工性能的同時，保持了聚四氟乙烯優(yōu)良的物理機械特性、電性能、耐溶劑性能和化學(xué)性能等性能。與“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)相比， 最大的優(yōu)點是可熔融加工，即可采用常規(guī)的熱塑性樹脂加工方法加工，加工上具備可行性。另外，PFA 在高溫下的機械強度是普通 PTFE的 2 倍左右。

2.5 PFA液位計性能驗證結(jié)果分析

取PFA材料制作的液位計，開展前述耐介質(zhì)、耐熱、高溫耐介質(zhì)實驗，PFA液位計未發(fā)生黃變、開裂、破碎等狀況，外觀透明。實驗結(jié)果如圖7、圖8所示。此外，由于高溫耐介質(zhì)實驗最接近實際工況，且為故障發(fā)生的主要因素，故延長PFA液位計高溫耐介質(zhì)的實驗時間，從240h延長至1000h，實驗結(jié)果顯示，PFA材質(zhì)液位計未發(fā)生任何外觀破壞和強度破壞。

圖7 PFA液位計耐熱實驗前后對比圖Fig. 7 Comparison of PFA level gauge before and after heat resistance test

圖8 PFA液位計高溫耐介質(zhì)實驗前后對比圖Fig. 8 Comparison of PFA level gauge before and after high temperature medium resistance test

2.6 氧化誘導(dǎo)溫度結(jié)果分析

氧化誘導(dǎo)溫度是材料抗氧化的熱力學(xué)參數(shù)，反映的是試樣中抗氧化體系抑制其氧化所需要的溫度，廣泛用于分析材料的熱氧穩(wěn)定性和耐熱老化性評價。為進一步驗證PFA液位計材料的熱氧穩(wěn)定性，對PU液位計與PFA液位計開展氧化誘導(dǎo)溫度實驗。

采用差示掃描量熱法可以簡單快速測量高分子材料的氧化誘導(dǎo)溫度，應(yīng)用十分普遍。本實驗采用ISO 11357-6:2008《塑料—差示掃描量熱法(DSC)第6部分：氧化誘導(dǎo)時間(等溫OIT)和氧化誘導(dǎo)溫度(動態(tài)OIT)的測定》進行測試，起始溫度25℃，升溫速率10℃/min，氣氛為氧氣。

取試驗液位計塑料管與PFA塑料標準試樣少量，經(jīng)清洗后，分別開展氧化誘導(dǎo)溫度測試，DSC測試圖譜如圖9所示。試驗結(jié)果顯示，液位計塑料掃描至117℃左右出現(xiàn)氧化放熱峰，而PFA塑料掃描至260℃左右才出現(xiàn)氧化放熱峰。證明PFA塑料熱氧穩(wěn)定性大大優(yōu)于該液位計所用塑料的熱氧穩(wěn)定性。

圖9 PU塑料與PFA塑料氧化誘導(dǎo)溫度測試結(jié)果對比圖Fig. 9 Comparison of oxidation induced temperature test results of PU plastic and PFA plastic

鄒文樵等［10］研究發(fā)現(xiàn)PFA 熱降解反應(yīng)最可能機制屬于無規(guī)成核模型, 動力學(xué)方程相當于一級反應(yīng)。降解活化能隨降解率呈非單調(diào)變化，在降解過程的平均活化能為246.7kJ?mol-1，起始熱老化溫度為280℃。實驗結(jié)果與文獻結(jié)果一致。

綜上，某型機械設(shè)備發(fā)動機水箱附近液位計由于使用環(huán)境及惡劣工況，不宜采用PU材料制作，可以使用PFA等聚四氟類的惰性塑料，以防止其在惡劣工況下發(fā)生熱氧老化及水解。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場走訪，安裝環(huán)境查看，對故障件液位計的使用環(huán)境進行分析。通過分析，抽提出液位計變色的可能影響因素。通過對這幾個因素進行試驗項目設(shè)計，重現(xiàn)了故障，并分析故障發(fā)生的原因。同時，制定了對策，并對對策進行了驗證，對策具備可行性。

(1)通過一系列試驗設(shè)計，重現(xiàn)了液位計發(fā)黑的故障現(xiàn)象，該批液位計短期“發(fā)黑”故障發(fā)生的直接原因為聚氨酯材料在熱作用下的結(jié)果，液位計由于安裝在發(fā)動機附近，遭受熱老化的影響與破壞，耐熱試驗與高溫耐介質(zhì)試驗都重現(xiàn)了此故障。

(2)高溫耐介質(zhì)結(jié)果顯示原液位計材料在高溫下及防凍液介質(zhì)作用下發(fā)生開裂解體破壞，結(jié)合材質(zhì)分析試驗結(jié)果推測為聚氨酯材料高溫下發(fā)生水解。該工況下的液位計不宜采用聚氨酯材料制作。

(3)對PFA材料同步開展耐熱、耐介質(zhì)、高溫耐介質(zhì)試驗，結(jié)果顯示未發(fā)生黃變、開裂等故障，延長試驗時間后，液位計外觀無變化，依然透明可顯示液位，建議該工況下液位計采用PFA材料制作。

(4)鑒于熱氧穩(wěn)定性為工況下使用的主要性能，對PFA材料液位計及故障件液位計塑料管開展了氧化誘導(dǎo)溫度測試，試驗結(jié)果顯示PFA塑料熱氧穩(wěn)定性大大優(yōu)于故障件液位計所用材質(zhì)，驗證了分析結(jié)論，指導(dǎo)了改進方向。