橡膠O型圈的材料選擇分析

張翠彬

(順益體系(集團),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),廣東 珠海 519020)

橡膠O型圈在各種設備上使用非常普遍,常被認為是低價格的、標準化的、可以更換的"易耗品".然而,這種容易被忽視的橡膠O型圈卻保證了設備的正常運轉,保證了生產的無故障運行.橡膠O型圈失效所導致的設備停機、環境污染等會引起很大的損失.本文簡單闡述了如何對橡膠O型圈的材料進行選擇.

橡膠O型圈;O型密封圈;橡膠密封件 Kalrez

在企業經濟管理的ABC分類法中,橡膠O型圈屬于C類.對于企業采購人員來說,橡膠O型圈常被認為是低價格、標準化、可以更換的"易耗品".然而,這種容易被忽視的橡膠O型圈卻保證了設備的正常運轉,保證了生產的無故障運行."低價值"橡膠O型圈失效所導致的設備停機、環境污染等會引起很大的損失.

據相關統計,每年全球因橡膠O型圈失效所帶來的直接和間接經濟損失高達千萬美元,其中 包括設備停機、產品召回、產品保修和環境污染等.其實,比這更直接、損失更嚴重的是公司和品牌形象的價值.

歐洲有機構統計分析:橡膠O型圈的失效中,材料選擇不當約占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,通過對橡膠O型圈正確的材料選擇、溝槽設計和合適安裝,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 《ASTM D2000汽車橡膠產品分類系統標準》,所有橡膠制品的性質可以劃分入特有的材料牌號, 這些牌號被由基于耐熱老化的TYPE(類別)和基于耐油溶脹CLASSES(等級),結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量(圖1).

圖1 基于ASTM D2000標準對橡膠材料性能的劃分

其中,第一,耐熱性--最高溫度,指橡膠在這個溫度、70小時熱老化性能變化率:拉伸強度變化不大于±30%,伸長率不超過-50%,硬度變化不超過±15;第二,耐油性--浸泡在ASTM IRM 903油中70小時的體積變化率.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別.

橡膠O型圈的材料,需要根據O型圈所在的工況來選擇,主要包括工作溫度、工作介質和工作壓力.同時,一些特殊行業或設備有特殊的要求需要參考,比如食品醫藥行業需要評估橡膠材料的潔凈度和析出率,甚至需要有FDA、USP等相關認證.

圖2 各種橡膠材料建議的工作溫度范圍

2 工作溫度

針對橡膠O型圈的工作溫度,如圖2所示,需要注意以下幾點.

所有橡膠材料的最寬泛耐溫范圍-73~+327℃,工作溫度超過這個溫度范圍,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ASTM D573等橡膠熱老化測試標準,采用熱空氣加速老化測試出來的結果.在實際應用工況中,需要結合工作介質的腐蝕性,預留一定的安全余量,例如FKM在空氣中長期最高使用溫度是204℃,但在潤滑油介質中安全的使用溫度建議在180度以內.

選擇O型圈材料必須根據長期工作溫度.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最高瞬時可以沖擊500℃左右.

同一大類橡膠材料,不同的配方耐溫也會有不同.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); Kalrez? 7075的最高使用溫度是327℃.

3 工作介質

圖3 部分橡膠的溫度-工作時間曲線圖

圖1 中橫坐標是根據《ASTM D2000汽車橡膠產品分類系統標準》,評估各種橡膠材料耐油體積溶脹性能的CLASSES(等級) ,進而評估橡膠的耐油性.實際上,在評估橡膠材料性能,或者在選擇橡膠密封件材料時,很重要的另外一個根據就是橡膠材料的耐化學性.

橡膠材料的耐化學性,也就是橡膠材料與化學介質的兼容性,通常通過將橡膠件放在化學介質中浸泡測試來評估,最主要、最直觀的評估就是浸泡后橡膠O型圈的體積溶脹率.一般評估結果參考下表1.

橡膠O型圈發生體積溶脹,會影響其物理特性(主要包括斷裂伸長率、拉伸強度、定伸應力等)的變化,同時也會影響橡膠O型圈在溝槽中的狀態(主要包括內徑拉伸率、線徑壓縮率、溝槽空余體積率等),進而影響橡膠O型圈的密封效果和密封壽命.

針對橡膠O型圈的工作溫度,需要注意以下幾點:

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

當工作介質是多種化學介質混合時,需要考慮橡膠材料對每種化學介質的耐受性,同時也要考慮混合介質中每種成分的含量.

比如,在水和環氧乙烷混合介質中,若是水含量在4%以內,則Kalrez? 6375耐受性也非常好;若是水含量超過4%,則Kalrez? 6375相對耐受性就差很多.

評估橡膠材料與化學介質兼容性時,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,以免產生"擠出"、"咬蝕"現象.

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)設計恰當,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),徑向間隙過大,橡膠O型圈就很容易被擠到溝槽間隙中去,產生擠出,甚至咬蝕失效(圖5).

圖5 未裝擋圈時,O型圈硬度選用圖

例如,當選擇橡膠O型圈硬度在Shorez A 70時,工作壓力若是在40bar時,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),超出則有產生擠出失效的風險.

同時,可以通過增加擋圈(背托環),獲得比單獨使用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 、氣液混合物環境),當橡膠體在高壓下與氣體接觸一段時間后,氣體會滲入到其內部,形成一定的微小空間,氣體繼續滲入直至內外壓力達到平衡,壓力越高,滲入的氣體也就越多.

當橡膠密封件周圍的壓力突然撤銷,進入密封件內的氣體膨脹并試圖向低壓方向逸散,橡膠體內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,就會在不同位置出現裂紋或表面形成氣泡,密封件受到嚴重破壞,導致不能有效地密封.在外壓撤銷時,這種損壞不會立即顯現,有時要幾個小時后才會呈現.

發生瞬間爆炸性減壓(內爆)時,非抗內爆等級橡膠O型圈發生的典型開裂和鼓泡失效.國際上對于抗內爆橡膠有相關的認證,如Total、NORSOK 和Shell等標準,最通用的是NORSOK-M710標準.

在相關行業標準,如《GB/T 30818-2014,石油和天然氣工業管線輸送系統用全焊接球閥》及《API 6D-2008石油和天然氣工業管線輸送系統管線閥門》(通ISO 14313:2007)中,對抗內爆橡膠材料有明確要求:壓力在PN100/Class 600或其以上用于碳氫化合物氣體輸送的閥門,應選擇防爆炸性減壓的彈性材料.

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

5 結語

相對企業設備,橡膠O型圈價格相對較低,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

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1671-0711(2017)11(上)-0155-03