橡膠密封圈失效及裂紋形成原因分析

袁朝俊

摘要：某散熱器滑油腔接頭處因橡膠密封圈損壞導(dǎo)致漏油。文章通過檢查失效膠圈的外觀、分析裂紋斷口宏微觀形貌和硬度與間隙配合，采用傅里葉紅外光譜儀 （FTIR）對失效密封圈所用材料進(jìn)行表征，結(jié)合密封圈的使用環(huán)境及其工作原理，揭示密封圈失效的原因及失效性質(zhì)，并提出預(yù)防橡膠密封圈再失效的改進(jìn)措施。結(jié)果表明，失效橡膠密封圈斷裂性質(zhì)為過載斷裂，密封槽在實際加工中其表面粗糙度遠(yuǎn)高于設(shè)計要求，過大的摩擦力導(dǎo)致密封圈在隨堵蓋旋入轉(zhuǎn)動過程中局部被劃傷，這是其裂紋形成的主要原因。文章明確密封槽在加工時的表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)要求（Ra=0.8），并且加強(qiáng)對零件加工精度的檢查，有效地降低了類似故障的發(fā)生率。

關(guān)鍵詞：橡膠密封圈；過載斷裂；硬度與間隙配合；表面粗糙度

中圖分類號：TQ330.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0094-03

0 引言

在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，橡膠密封圈主要用于飛機(jī)飛行系統(tǒng)的推進(jìn)裝置、液壓裝置和氣動裝置中的閥門、管路和箱體等處的靜態(tài)密封和動態(tài)密封，以及殼體、機(jī)翼端頭、升降副翼和防熱材料等結(jié)構(gòu)和防熱系統(tǒng)部件的密封 ［1-2］。在眾多橡膠密封材料中，氟橡膠（FPM）密封圈具有良好的高彈性、抗變壓性以及耐高溫、耐油、耐腐蝕等性能，因此被廣泛應(yīng)用于密封系統(tǒng)。近年來，隨著密封材料的使用工況越來越嚴(yán)苛，橡膠密封圈頻繁出現(xiàn)失效現(xiàn)象。其中，橡膠密封圈的變形、磨損、劃傷、老化和斷裂是其失效的主要模式，通常會導(dǎo)致密封部位流體泄漏，影響使用性能，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)工作癱瘓，甚至引起爆炸或火災(zāi)事故發(fā)生，造成機(jī)毀人亡的重大惡性事故。據(jù)統(tǒng)計，所有機(jī)械設(shè)備質(zhì)量事故中，有1/3以上都是由橡膠密封件損壞失效引起的 ［3-4］ 。因此，橡膠密封圈的失效分析應(yīng)被高度重視。橡膠密封圈失效的主要原因包括原材料問題、密封系統(tǒng)設(shè)計不合理、密封件的加工和安裝不合規(guī)范、使用工況不合理等。原材料問題產(chǎn)生的失效主要由材料選用不當(dāng)和自身存在缺陷引起；密封系統(tǒng)設(shè)計不合理主要包括密封的件截面尺寸過大或過小，密封溝槽和密封間隙大小設(shè)計不當(dāng)產(chǎn)生背壓效應(yīng)等；密封件的加工、安裝不合規(guī)范主要包括密封件表面有缺陷、精度沒有達(dá)到規(guī)定的要求、裝配過程使用不當(dāng)導(dǎo)致局部塑性變形等；密封件的使用工況則包括迪塞爾效應(yīng)、氣蝕現(xiàn)象、焦耳熱效應(yīng)等 ［5-9］。一般來說，通過分析橡膠密封件的斷口形態(tài)，可以找到橡膠密封件失效的原因并制定相應(yīng)的解決措施。

某散熱器滑油腔螺紋接頭處橡膠密封圈開裂發(fā)生漏油現(xiàn)象，膠圈的一側(cè)用于液壓系統(tǒng)的密封，正常工作壓力為1.2 MPa，? 最大工作壓力約3 MPa? （表壓）；另一側(cè)由堵帽固定，該膠圈的密封方式為徑向靜密封，所選用的膠圈材料為氟橡膠。本文從失效膠圈的外觀、裂紋斷口宏微觀形貌以及硬度與間隙配合等方面進(jìn)行分析，對密封圈所用材料進(jìn)行傅立葉紅外光譜表征，在此基礎(chǔ)上確定橡膠密封圈的失效性質(zhì)及裂紋形成原因，進(jìn)而提出避免失效的相應(yīng)解決方案。

1 失效分析過程

1.1 外觀檢查與分析

失效密封圈的外觀如圖1所示，密封圈內(nèi)徑尺寸約28 mm，截面直徑約2 mm。從圖1中可以看出，膠圈與油接觸面［圖1（a）］存在一條明顯的“人”字形徑向穿透性裂紋，裂紋長度約13 mm，裂紋附近區(qū)域表面光澤度較差，僅在遠(yuǎn)離裂紋的小部分區(qū)域存在反光特征。膠圈與堵蓋接觸面［圖1（b）］同時存在明顯的裂紋且有輕微磨損現(xiàn)象，其他區(qū)域表面平整光滑，未見明顯出油、噴霜等老化跡象。

1.2 斷口宏微觀形貌與分析

圖2為失效密封圈斷口宏觀形貌，從圖2中可以看出，失效密封圈宏觀斷口整體呈現(xiàn)密排裂紋，裂紋分布相對均勻，中間存在一處將裂紋隔開的平整區(qū)域，局部放大后 （如圖2下部分所示），未觀察到明顯的斷裂特征。對失效密封圈微觀形貌進(jìn)行SEM電鏡掃描，結(jié)果如圖3所示，損傷區(qū)域左側(cè)和右側(cè)存在明顯且清晰的撕裂棱線，劃圏位置為斷口中間較平整的區(qū)域，無斷裂棱線出現(xiàn)。斷裂從損傷區(qū)域的邊緣起源，整個斷口未見明顯的疲勞特征，亦無氣孔、夾雜等缺陷，由此可判斷失效密封圈斷裂性質(zhì)為典型的過載開裂［10-11］。結(jié)合圖2的斷口宏觀特征分析，可推測裂紋來源可能為局部劃傷所致的機(jī)械損傷。

1.3 橡膠密封圈硬度與間隙配合分析

對失效密封圈1#和未使用過的新膠圈2#依據(jù)《中國航空材料手冊》（第2版）中的要求進(jìn)行邵爾A硬度測試，2個膠圈各取6個位置的測量中值，結(jié)果見表1。該氟橡膠材料硬度技術(shù)要求范圍為58～68，1#失效密封圈和2#新膠圈邵爾硬度數(shù)值中位數(shù)分別為64.5和65.6，硬度均在指標(biāo)范圍內(nèi)。表2為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《“O”形密封圈及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求》（HB/Z4—95）中給出的不同硬度、不同工作壓力下橡膠圈配合時允許的最大徑向間隙量，邵爾硬度為70、工作壓力小于5 MPa的膠圈允許的最大間隙為0.10～0.15 mm，而本文所用膠圈的邵爾硬度低于70，其允許的配合間隙應(yīng)低于0.10 mm。

1.4 紅外光譜分析（FTIR）

失效密封圈1#和未使用過的新膠圈2#的紅外譜曲線如圖4所示，2種材料紅外曲線特征峰形狀及出現(xiàn)位置基本相同，紅外光譜曲線無明顯差異，其中材料在1 398 cm-1位置出現(xiàn)尖銳的CH2=CF2彎曲振動吸收峰， 1 159 cm-1位置出現(xiàn)明顯的-CF伸縮振動吸收峰，887 cm-1位置出現(xiàn)CH2=CF2的面外變形振動吸收峰。由此判斷，失效密封圈與未使用過的新膠圈均為同一牌號氟橡膠材料，可以排除受損密封圈因用錯材料而引起失效的可能性。

2 分析結(jié)果討論

由失效密封圈斷口宏微觀形貌可以看出，斷口有明顯的撕裂棱線，損傷區(qū)域周圍可見清晰的斷裂棱線且損傷中間存在一處較平整區(qū)域，無明顯的斷裂特征，斷裂從損傷邊緣起源，主要為撕裂棱線特征，斷口上未見明顯的氣孔、夾雜等缺陷，密封圈表面其他區(qū)域未見任何損傷，失效密封圈和未使用過的新膠圈邵氏硬度相同。密封圈失效形式為典型的過載斷裂，裂紋的產(chǎn)生為局部受到劃傷所致。

該密封圈為“O”形圈，所用材料為FX-4氟橡膠，是一種具有良好耐熱性能且與散熱器使用油液有良好介質(zhì)相容性的高彈性材料，尺寸可以在外界壓力的影響下發(fā)生自由變化，產(chǎn)生較大的可逆變形［8］。當(dāng)“O”形圈用于靜態(tài)密封時，隨著流體壓力的增大，與其接觸的上表面和下表面壓力也相應(yīng)增加，最大接觸壓力與流體壓力呈線性關(guān)系且最大接觸壓力往往處于高于流體壓力的狀態(tài)，從而實現(xiàn)其自密封。

首先，影響“O”形圈密封性能的主要原因之一是密封槽的設(shè)計問題，涉及圓角半徑、端面間隙大小、表面粗糙度等。密封槽尺寸過寬，會增大密封圈的空行程，過窄則會產(chǎn)生很大的摩擦力，還會使密封圈材料被擠進(jìn)縫隙中，增大裝配難度。一般來說，密封槽的圓角半徑由槽棱圓角半徑和槽底圓角半徑組成。槽棱倒圓角可以防止密封圈裝配時被刮傷，設(shè)計半徑通常不超過0.3 mm，而槽底倒圓角的設(shè)計主要是防止該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，其半徑尺寸范圍一般選取0.3 ～ 0.7 mm ［12］。本文提出密封槽的設(shè)計寬度為4 mm，同時采用槽棱及槽底圓角設(shè)計，圓角半徑尺寸分別為0.3 mm和0.5 mm，均符合設(shè)計規(guī)范的要求。

其次，膠圈硬度與密封端面間隙尺寸的配合對密封圈變形有顯著影響。密封圈在油壓作用下，會隨著壓力增大，導(dǎo)致配合端面各位置間隙均有所增加。通常，硬度值越低，配合間隙量越大，則越容易發(fā)生間隙擠出咬傷現(xiàn)象。由測試結(jié)果可知，膠圈邵爾A硬度值低于70，工作油壓最大壓力小于5 MPa時，膠圈配合時的最大徑向間隙量應(yīng)低于0.10 mm ， 本文提出的工藝控制要求應(yīng)在0.07 mm以內(nèi)，該值符合硬度與間隙配合尺寸。

再次，密封槽密封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、表面粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求也會導(dǎo)致密封圈失效。本文提出密封圈所使用的密封槽采用擰入式直通管接頭密封連接，尺寸符合設(shè)計圖紙要求，入口角度較小，轉(zhuǎn)角處過渡面積大，不易形成尖角，能有效改善密封圈進(jìn)入密封槽時的受力情況，從而避免密封圈在裝配過程中由于切割或擠壓造成的劃傷，經(jīng)大量驗證表明，該結(jié)構(gòu)設(shè)計形式成熟可靠。

最后，合理選擇密封槽的表面粗糙度，對延長密封圈使用壽命具有很大的作用。密封槽表面粗糙度如果過大，密封圈易被擠壓劃傷，也會影響其密封性能而導(dǎo)致失效。本文提出的密封槽表面粗糙度Ra=0.8，而失效件密封槽表面粗糙度在實際加工過程中Ra=1.2，過大的摩擦力導(dǎo)致密封圈在隨堵蓋旋入轉(zhuǎn)動過程局部被劃傷，進(jìn)而擴(kuò)展形成裂紋。

3 結(jié)論

綜上所述，由于密封槽表面粗糙度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，橡膠密封圈在隨堵蓋旋入轉(zhuǎn)動過程，摩擦力過大致使密封圈局部被劃傷發(fā)生過載斷裂，裂紋起源于損傷區(qū)邊緣，進(jìn)而擴(kuò)展失效造成散熱器漏油。

（1）密封槽在加工過程中表面粗糙度遠(yuǎn)高于設(shè)計要求，導(dǎo)致橡膠密封圈局部被劃傷，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展是其失效的主要原因。

（2）結(jié)合理論及實際應(yīng)用情況，明確密封槽在實際加工過程表面粗糙度Ra的標(biāo)準(zhǔn)要求為0.8。此外，加強(qiáng)零件加工精度的檢查，可以降低橡膠密封圈在裝配過程中出現(xiàn)因劃傷而失效的概率。

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