抗撕裂型海水蝶閥D形密封圈的研制

吳 雷，季明明，王 崇，金 鑫，徐繼亮，朱 江

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300；2.沈陽(yáng)橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110021）

隨著我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，海水蝶閥的應(yīng)用越來越廣泛。海水蝶閥在核電廠的海水冷卻系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，主要用于運(yùn)行和檢修時(shí)連通或切斷循環(huán)水系統(tǒng)，避免海水大量倒灌，影響核電機(jī)組安全。目前，秦二廠1/2號(hào)機(jī)組使用的海水蝶閥多為英國(guó)偉爾閥門和控制有限公司產(chǎn)品，閥門采用D形橡膠密封圈進(jìn)行密封。D形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便和性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于長(zhǎng)期受到海水的腐蝕、顆粒物的沖刷以及疲勞應(yīng)力的作用，常會(huì)引起密封圈的撕裂和破損，嚴(yán)重影響閥門的密封性能，威脅核電機(jī)組安全[1]。

本工作通過研究現(xiàn)有D形密封圈的失效形式，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝上改善密封圈的性能，增強(qiáng)密封圈的抗撕裂和抗破損能力，提高秦二廠1/2號(hào)機(jī)組海水蝶閥的密封性能，從而滿足暗渠隔離閥的使用要求，減少暗渠作業(yè)次數(shù)。

1 產(chǎn)品特點(diǎn)與性能要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

D形密封圈是一種斷面形狀為D形的密封產(chǎn)品，能提供較大的基部接觸面積，因而消除了扭曲和螺旋失效的可能，可為往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作環(huán)境提供良好的密封效果。

為了強(qiáng)化D形密封圈的抗撕裂和抗破損能力，在其內(nèi)部加入高強(qiáng)度骨架織物，其結(jié)構(gòu)包括外環(huán)層、骨架層和內(nèi)芯層。其中，外環(huán)層、骨架層和內(nèi)芯層之間開設(shè)有安裝用螺栓孔（如圖1所示）。

圖1 D形密封圈結(jié)構(gòu)

1.2 工作方式

D形密封圈為海水蝶閥上的橡膠密封零件。海水蝶閥主要由閥體、閥座、閥瓣、D形密封圈、壓板組成，其中D形密封圈通過壓板用螺栓固定在閥瓣上（如圖2所示），蝶閥通過閥瓣的翻轉(zhuǎn)來帶動(dòng)D形密封圈轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉時(shí)密封圈與閥座之間產(chǎn)生接觸，使密封圈徑向受壓產(chǎn)生密封作用

圖2 產(chǎn)品裝配示意

1.3 技術(shù)要求

（1）介質(zhì)。海水，氯離子含量為5 677.07 mg·L-1，含砂量為2.5 kg·m-3，砂粒粒度小于0.1 mm。（2）橡膠與骨架織物復(fù)合試片的撕裂強(qiáng)度約為85 kN·m-1。（3）使用壽命為10年。（4）70℃×24 h熱老化后膠料拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率乘積與老化前的比值≥0.7。（5）密封與耐久性試驗(yàn)。室溫下以上述海水為運(yùn)行介質(zhì)，全行程開關(guān)閥門10次，做1次密封試驗(yàn)（試驗(yàn)壓力為0.55 MPa），能實(shí)現(xiàn)雙向密封（進(jìn)口側(cè)和出口側(cè)加壓），驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為無可見泄漏，同一密封圈連續(xù)試驗(yàn)10次，即100次開關(guān)循環(huán)。試驗(yàn)完成后，再選兩條密封圈追加兩組相同試驗(yàn)。試驗(yàn)全部通過算合格。

2 材料的選擇

2.1 橡膠材料

根據(jù)產(chǎn)品的使用工況環(huán)境（海水腐蝕、顆粒物沖刷以及疲勞應(yīng)力），要求產(chǎn)品具有較好的抗撕裂和耐老化性能。因此，根據(jù)各類橡膠材料的特性，選用氫化丁腈橡膠（HNBR）作為主體膠料。HNBR是由丁腈橡膠（NBR）特殊加氫處理而得到的一種高度飽和的彈性體，具有以下優(yōu)點(diǎn)[2-3]。（1）機(jī)械性能優(yōu)良。具有強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度高、耐磨性能優(yōu)異等特點(diǎn)，以及較好的抗壓縮永久變形性能。（2）化學(xué)穩(wěn)定性好。對(duì)酸、堿、鹽、氟碳化合物以及各種含強(qiáng)腐蝕添加劑的潤(rùn)滑油和燃料油具有良好的抗耐性，以及優(yōu)異的耐臭氧性能。（3）耐油和耐老化性好。對(duì)燃料油、潤(rùn)滑油、芳香系溶劑的抗耐性良好，在150 ℃高溫下使用壽命可達(dá)1 000 h，且無裂紋。（4）耐高低溫性好。由于結(jié)構(gòu)高度飽和，具良好的耐熱性能，可耐130～180 ℃高溫，耐－55～－38 ℃低溫。綜上所述，HNBR是綜合性能優(yōu)異的膠種之一，與其他聚合物相比更能適用于海水蝶閥的使用工況。

2.2 骨架材料

為了提高D形密封圈的抗撕裂性能，防止產(chǎn)生大塊撕裂和破損現(xiàn)象，在內(nèi)部加入骨架材料，并要求骨架材料具有強(qiáng)度高和耐疲勞性能好等特點(diǎn)。根據(jù)各類骨架材料的特性，本工作選用錦綸纖維作為骨架材料[4]。錦綸纖維與其他骨架材料相比具有斷裂強(qiáng)度高、耐疲勞性能好、彈性好和耐磨性能好等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 粘合劑

為了使織物與橡膠具有較高的粘合強(qiáng)度，本工作選用在本體膠液中加入粘合劑的方式來提高其粘合強(qiáng)度，并在織物兩面多遍涂刷本體膠液后，再與膠料壓合成粘合性能好、撕裂強(qiáng)度高的橡膠與織物復(fù)合結(jié)構(gòu)。

粘合劑選用開姆洛克205，這是一種橡膠與織物和金屬粘合性能較好的粘合劑，具有良好的耐腐蝕性和耐環(huán)境性。

3 粘合試驗(yàn)

3.1 主要原材料

HNBR，贊南科技有限公司產(chǎn)品；炭黑，天津優(yōu)盟化工科技有限公司產(chǎn)品；白炭黑，通化雙龍化工股份有限公司產(chǎn)品；硫化劑DCP，臺(tái)州市黃巖東海化工有限公司產(chǎn)品。

3.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方為[5-6]：HNBR 100，炭黑 15，白炭黑 10，硫化劑DCP 4，其他 25。

3.3 試樣制備

（1）混煉膠制備。采用開煉機(jī)進(jìn)行膠料混煉，輥筒溫度為40～60 ℃。將HNBR生膠塑煉至包輥后逐步加入炭黑、白炭黑和其他配合劑，混煉時(shí)間為17～24 min。膠料混煉均勻后經(jīng)5—7次薄通后打卷下片，置于干燥器中備用。

（2）膠液制備?；鞜捘z經(jīng)充分返煉后下片（厚度為1.5～2 mm），然后剪成100 mm×100 mm小塊，置于甲苯和乙酯中浸泡24 h 后，倒入攪拌機(jī)中攪拌不短于8 h，制成膠料與溶劑質(zhì)量比為1∶3的膠液。膠液在40 ℃以下的環(huán)境中保存。

（3）織物表面處理?？椢锉砻鏌o油污和水分，并有一定的新鮮表面，才能與橡膠材料粘合牢固，因此織物必須進(jìn)行表面處理，即用酸堿清洗處理去掉油污，并高溫干燥處理。

（4）粘合試樣制備。選擇幾種不同牌號(hào)的錦綸織物進(jìn)行粘合試驗(yàn)。先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的開姆洛克205加入膠液中攪拌均勻，然后將其分別均勻涂在3種錦綸織物上。在室溫下干燥30 h后，將表面處理過的錦綸織物鋪放在熱模具中，再將HNBR混煉膠片鋪在錦綸織物上，采用平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化條件為（165±5）℃/15 MPa×40 min。不同牌號(hào)錦綸織物-橡膠粘合試樣的性能見表1。

表1 不同牌號(hào)錦綸織物-橡膠粘合試樣的性能

從表1可以看出，錦綸織物543與橡膠粘合試樣的粘合強(qiáng)度最大。本工作選取錦綸織物543為骨架材料。

4 模具設(shè)計(jì)

模具是制作橡膠制品的重要工藝裝備。模具的結(jié)構(gòu)、精度、型腔的表面粗糙度以及使用壽命等因素都直接影響橡膠制品的尺寸精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率等[7]。

根據(jù)海水蝶閥D形密封圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，模具設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮產(chǎn)品的加工工藝，選擇合理的結(jié)構(gòu)，以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝以及模具操作要求，這是產(chǎn)品加工成功與否的關(guān)鍵。因此，海水蝶閥D形密封圈模具設(shè)計(jì)為三段分體的組合模具，以保證成型方便以及膠料與織物在特定工藝條件下的有效粘合，從而提高產(chǎn)品的綜合性能。其次，確定模具型腔尺寸還需考慮產(chǎn)品的收縮率，包括膠料種類及硬度、骨架材料的收縮率、產(chǎn)品尺寸和形狀等因素。最后，還要考慮模具的機(jī)械加工工藝，主體結(jié)構(gòu)采用數(shù)控加工中心進(jìn)行精準(zhǔn)加工，確保產(chǎn)品尺寸的穩(wěn)定性、均一性、精度以及平整度，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品表面光潔度的要求，采用機(jī)械拋光使模具型腔達(dá)到鏡亮的標(biāo)準(zhǔn)。

5 制造工藝

海水蝶閥D形密封圈的制造工藝流程如圖3所示，制造工藝主要分為以下幾個(gè)方面。

圖3 海水蝶閥D形密封圈的制造工藝流程

（1）材料選取。主要包括膠種和骨架材料。

（2）半成品制備。主要包括膠料混煉出片、膠液制造及骨架織物涂覆粘合劑。

（3）半成品性能檢測(cè)。主要包括膠料性能檢測(cè)、骨架織物與膠料粘合性能檢測(cè)。

（4）硫化成型。主要包括鋪設(shè)3層半成品膠片，在每?jī)蓪幽z片之間鋪設(shè)骨架織物。

（5）首件產(chǎn)品性能鑒定，產(chǎn)品定型。

通過執(zhí)行上述制造工藝，D形密封圈的尺寸和外觀質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證D形密封圈的使用性能，本工作設(shè)計(jì)開發(fā)了一套海水蝶閥密封性試驗(yàn)裝置[8]，如圖4所示。

圖4 海水蝶閥密封性試驗(yàn)裝置示意

該試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了打壓水室、閥門、觀察水室及運(yùn)輸車，不僅具有海水蝶閥實(shí)際使用的連通和切斷功能，同時(shí)還具備檢驗(yàn)密封圈安裝尺寸以及模擬海水蝶閥實(shí)際使用工況的功能，并且可通過具體的試驗(yàn)方法來驗(yàn)證密封圈的抗撕裂性能和密封性能等。試驗(yàn)裝置具有操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地要求簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

6.2 試驗(yàn)過程

（1）將水、沙粒和鹽粒按要求配比混合，用于模擬含泥沙的海水介質(zhì)。

（2）打開閥門使兩側(cè)水室連通，向觀察水室內(nèi)注入模擬海水介質(zhì)至注滿為止，同時(shí)向工裝底部通入氣體來攪動(dòng)海水介質(zhì)。在手動(dòng)開關(guān)閥門10次后，關(guān)閉試驗(yàn)裝置內(nèi)閥瓣，打開觀察水室的排水閥進(jìn)行排水，將排出的海水介質(zhì)排到水槽內(nèi)，循環(huán)使用。

（3）打開觀察水室上的觀察口蓋板，并對(duì)打壓水室加壓至0.55 MPa，保壓5 min，從觀察口觀察密封圈處是否有介質(zhì)泄漏。上述過程為1次密封試驗(yàn)，同一密封圈連續(xù)進(jìn)行10次密封試驗(yàn)。

（4）將兩側(cè)的水室工裝位置互換，按上述操作方法進(jìn)行另一側(cè)密封試驗(yàn)。

（5）同一件密封圈兩側(cè)各連續(xù)進(jìn)行10次密封試驗(yàn)后均無介質(zhì)泄漏，視為合格。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)D形密封圈的密封與耐久性進(jìn)行連續(xù)的幾組試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，加入高強(qiáng)度錦綸織物的D形密封圈在經(jīng)歷海水介質(zhì)的腐蝕、沖刷以及反復(fù)開關(guān)的疲勞應(yīng)力后，密封圈外表均無破損和撕裂現(xiàn)象，且密封處無介質(zhì)泄漏，滿足產(chǎn)品的使用性能要求。產(chǎn)品質(zhì)量均一，性能穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。

7 結(jié)論

本工作依據(jù)秦二廠海水蝶閥D形密封圈性能技術(shù)規(guī)格書的要求，開發(fā)了一種抗撕裂型海水蝶閥D形密封圈，并根據(jù)密封圈的使用工況特點(diǎn)，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，選擇HNBR為主體材料、錦綸織物543為骨架材料、開姆洛克205為粘合劑，同時(shí)改進(jìn)了產(chǎn)品制造加工工藝，并通過設(shè)計(jì)的海水蝶閥密封性試驗(yàn)裝置驗(yàn)證了密封圈的使用性能。結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的海水蝶閥D形密封圈，其抗撕裂性能和密封性能顯著提高，滿足秦二廠1/2號(hào)機(jī)組暗渠隔離閥的使用要求，減少了暗渠作業(yè)次數(shù)。