某型機械設備液位計故障分析試驗設計

何 婷，邵 威，鄧習樹

（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重件。根據使用工況，要求液位計透明，并有優良的化學穩定性、物理機械性、不黏性、耐老化性、不燃性和熱穩定性。而外裝在某機械設備水箱上，用于觀察防凍液高度的某型液位計，在保內出現液位計管子發黑，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，本文通過使用環境調查，設計了一系列材料性能與分析試驗，重現故障，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Fig. 1 Comparison of faulty liquid level gauge and new liquid level gauge

1 試驗部分

1.1 試驗設計

1.1.1 液位計使用環境分析

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

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

1.1.2 試驗項目設計

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

1.2 試驗設備

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，合肥賽帆試驗設備有限公司。

2 結果與討論

2.1 耐介質試驗結果分析

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，不會發生早期“發黑”故障。如圖2所示。

圖2 耐介質試驗后結果圖Fig. 2 Result picture after medium resistance test

2.2 耐熱試驗結果分析

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，塑料管發生黃變，如圖3所示。黃變是在自然太陽光、紫外線、熱、氧、應力、微量水分、雜質、不正當工藝等作用下顏色發黃的現象。一般來說發生黃變有三個原因：（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鍵的離解能時會產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，光子處于激發狀態，這種激發態分子能產生光物理作用和光化學反應。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變為熱能，熱能加速材料的老化。

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生氧化反應，同時產生含氧自由基，然后進行自由基的增長和終止反應。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100℃恒溫放置，240h發生黃變，說明發生熱老化或熱氧老化。發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要求。

2.3 高溫耐介質綜合試驗結果分析

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（防凍液）雙重因素交互影響的環境中，試驗進行240h。240h后，重現“發黑”故障，如圖4所示。同時，塑料管發生破碎，表面可見裂紋明顯，失去強度，如圖5所示。試驗結果說明，在無氧氣參與的高溫作用下，塑料管同樣發生變色，表明塑料管發生熱老化變色。而在高溫與防凍液作用下，塑料管發生降解，高分子鏈破壞。

圖5 液位計塑料管高溫耐介質試驗后開裂圖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果分析

為確定液位計材質，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出現中強的N-H伸縮振動峰，1745~1640 cm-1出現酯羰基、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。這一結論與文獻［1-2］報道數據一致。故液位計塑料管材質為聚氨酯。

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構，并進一步老化降解，生成了共軛雙鍵或三鍵生色基團，產生黃變。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構，導致聚氨酯制品發黃。這也進一步說明了文中耐熱試驗塑料管發生黃變的原因，并與文獻［3-6］的研究結論一致。

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生水解，分子鏈破壞。這就是2.3高溫耐介質試驗中，塑料管不但出現了“發黑”，還出現了裂紋的原因。

綜上，該使用工況下的液位計不適合用聚氨酯材料制作，應該尋求一種耐熱、化學惰性、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良的物理機械特性、電性能、耐溶劑性能和化學性能等性能。與“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)相比， 最大的優點是可熔融加工，即可采用常規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液位計性能驗證結果分析

取PFA材料制作的液位計，開展前述耐介質、耐熱、高溫耐介質實驗，PFA液位計未發生黃變、開裂、破碎等狀況，外觀透明。實驗結果如圖7、圖8所示。此外，由于高溫耐介質實驗最接近實際工況，且為故障發生的主要因素，故延長PFA液位計高溫耐介質的實驗時間，從240h延長至1000h，實驗結果顯示，PFA材質液位計未發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 氧化誘導溫度結果分析

氧化誘導溫度是材料抗氧化的熱力學參數，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定性，對PU液位計與PFA液位計開展氧化誘導溫度實驗。

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溫度，應用十分普遍。本實驗采用ISO 11357-6:2008《塑料—差示掃描量熱法(DSC)第6部分：氧化誘導時間(等溫OIT)和氧化誘導溫度(動態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，經清洗后，分別開展氧化誘導溫度測試，DSC測試圖譜如圖9所示。試驗結果顯示，液位計塑料掃描至117℃左右出現氧化放熱峰，而PFA塑料掃描至260℃左右才出現氧化放熱峰。證明PFA塑料熱氧穩定性大大優于該液位計所用塑料的熱氧穩定性。

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

鄒文樵等［10］研究發現PFA 熱降解反應最可能機制屬于無規成核模型, 動力學方程相當于一級反應。降解活化能隨降解率呈非單調變化，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℃。實驗結果與文獻結果一致。

綜上，某型機械設備發動機水箱附近液位計由于使用環境及惡劣工況，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生熱氧老化及水解。

3 結論

通過現場走訪，安裝環境查看，對故障件液位計的使用環境進行分析。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計，重現了故障，并分析故障發生的原因。同時，制定了對策，并對對策進行了驗證，對策具備可行性。

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

(2)高溫耐介質結果顯示原液位計材料在高溫下及防凍液介質作用下發生開裂解體破壞，結合材質分析試驗結果推測為聚氨酯材料高溫下發生水解。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、高溫耐介質試驗，結果顯示未發生黃變、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溫度測試，試驗結果顯示PFA塑料熱氧穩定性大大優于故障件液位計所用材質，驗證了分析結論，指導了改進方向。