O型密封圈在海水中的使用壽命研究*

翟中生，鐘 星，張業鵬，胡 剛

(1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢，430068;2現代制造質量工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430068;3中船重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢，430079)

O型密封圈在海水中的使用壽命研究*

翟中生1，2，鐘 星1，2，張業鵬1，2，胡 剛3

(1湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢，430068;2現代制造質量工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430068;3中船重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢，430079)

丁腈橡膠是核潛艇廣泛使用的密封件，了解其在海水中的老化失效過程和規律，對提高核潛艇的可靠性有很大的意義。根據經驗動力學公式和Arrhenius模型，設計了一定濃度海水下的四種溫度的高溫加速老化試驗方案。根據試驗數據采用回歸分析法推導出溫度與老化時間及壓縮永久變形三者之間的變化關系，并估計出不同海域中丁腈橡膠的壽命。預測結果表明，丁腈橡膠在25℃海水中使用壽命為690天，與實際使用壽命基本吻合。

丁腈橡膠密封圈;加速老化;使用壽命;回歸分析

由于丁腈橡膠具有優良的耐油、耐水性、耐高低溫、耐磨性以及低壓縮變形及良好的加工性能，所以在密封件中得到廣泛應用。同時，丁腈橡膠作為高分子材料的一種，其老化失效問題也是人們廣泛關注的問題。目前人們對丁腈橡膠在空氣、液壓油、乙二醇等環境中老化失效特點、規律展開了系統的研究［1－4］。

橡膠自然老化是一個復雜且漫長的過程，為較快速揭示其老化的規律并及時防止老化的發展，采用加速老化試驗是十分必要的。國內外學者按照橡膠的性能變化與老化時間關系式及Arrhenius模型，設計了在不同溫度、不同介質的加速老化試驗，推算出了丁腈橡膠在各種環境溫度下的使用壽命［5－10］，但對在海水中的研究報道較少。

核潛艇、輪船的某些零部件長期浸泡在海水中，因而掌握丁腈橡膠在海水中的老化規律，對于提高丁腈橡膠的耐海水性能、提高使用壽命具有很高的應用價值。本文采用加速老化的方法，研究了丁腈橡膠在不同溫度下海水介質中老化中性能變化規律。并以壓縮永久變形作為特性指標，找出老化反應速率與溫度的關系，建立丁腈橡膠在海水中老化壽命的計算數學模型，從而快速的預測丁腈橡膠密封圈的使用壽命，對確定更換密封圈提供技術支持。

1 理論分析

為了預測丁腈橡膠在海水中的使用壽命，本文采用高溫強化試驗方法，因為橡膠材料在高溫下的失效機理與其在常溫下和低溫下的失效機理是一樣的。橡膠材料性能變化與老化反應速率和熱老化時間有著一定的關系。按HG/T3087－2001標準推薦采用的經驗公式，即硫化橡膠壓縮永久變形隨時間變化規律可表示為:

式中，K—老化速度系數，1/h;B—試驗常數，隨溫度變化;τ—老化時間;α—經驗常數，一般不隨溫度變化，0＜α≤1。ε—壓縮永久變形，其計算公式:

式中:H0—試樣原始截面直徑;H—試樣壓縮老化后的截面直徑;H1—限制器高度(墊片厚度)。根據(1)式可知，如果某溫度下的參數B，K和α已知，則可預測出該溫度下在一定壓縮永久變形下(如50%)的老化時間τ，即使用壽命。

老化速度系數K可按照性能與老化時間的關系求得，由Arrhenius模型知，在一定范圍內K與絕對溫度T服從以下關系:

式中，E為表面活化能，J·mol－1;R為氣體常數，J·K－1·mol－1;T為老化絕對溫度，K;A為頻率因子，h－1。從(3)式可知，不同溫度下的老化速度系數K不同，本文將設計多組高溫試驗，根據試驗數據采用優化計算與回歸分析的方法估計出(1)式中參數B，K和α，從而預測出使用壽命。

2 加速老化試驗

通常表征橡膠老化性能變化的指標有壓力松弛、壓縮永久變形和相對伸長率，本文選取壓縮永久變形作為老化的特征指標，以溫度作為強化因子，按照GB/T7759—1996《硫化橡膠、熱塑性橡膠常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測定》［11］進行。為了模擬橡膠在密封結構中的真實受力狀態，將橡膠圈置于專用夾具中以25%的預壓縮量進行高溫加速老化試驗，如圖1所示。

圖1 丁腈橡膠密封圈裝入夾具高溫加速老化Fig.1 The seal of Nitrile rubber put into the fixtures with high-temperature accelerated aging

2.1 試樣的選取

丁腈橡膠密封圈試樣φ36×3.1mm，每個溫度下樣品數量30個。

2.2 試驗條件

試驗前，將試樣放在濃度3.2%的鹽水中浸泡24h。試驗溫度為70℃，85℃，100℃和115℃，每個溫度下選30個試樣進行壓縮試驗，將其同時置于夾具內，待達到規定時間后，卸下夾具取其中三個測量密封圈的截面直徑，取其平均值作為該時間點下的測量值。

2.3 試驗設備

試驗設備主要有:廣州愛斯佩克(ESPEC)高低溫(交變濕熱)試驗箱，溫度精度1℃;基恩士(Keyence)激光位移傳感器LK－G10，精度0.001mm。

2.4 老化時間

每個溫度條件下的老化時間分別為0，5，16，22，28，43，52，64，68，72h。

2.5 測試項目及指標

壓縮永久變形按GB/T7759—1996測定。密封圈試樣從老化箱中取出后，卸下夾具，在室溫下冷卻30min后，立即測量截面直徑，由測得數據根據(2)式計算密封圈壓縮永久變形。

3 數據分析及壽命預測

3.1 試驗結果

根據上述試驗方案，進行70℃、85℃、100℃和115℃四種溫度試驗，并按照試驗方案中規定時間取出橡膠圈，利用LK－G10型激光位移傳感器測得丁腈橡膠型密封圈在不同溫度、不同老化時間下壓縮變形數據如表1所示。

表1 試樣在不同溫度下壓縮永久變形(ε)和老化時間Table1 Data of compression permanent deformation and the lifetime

根據表1的數據，四種溫度下橡膠圈的壓縮永久變形與老化時間的關系見圖2。通過圖2，可以看出ln(1－ε)和時間τ近似服從指數關系。

圖2 ln(1－ε)和時間τ的關系Fig.2 The relationships between ln(1－ ε)and lifetimeτ

3.2 數據處理

為了估計出式(1)中的參數，采用回歸分析法。(1)式經對數變換后，在自變量中含有待估定參數α，可采用逐次逼近計算方法求解［12］。逼近的準則是令α估計精確到0.01時，使預測值與試驗值平方和最小。即使下式取最小值:

式中:yij為第i個溫度下第j個測試點壓縮永久變形保留測量值為第i個加速溫度下第j個測試點壓縮永久變形保留預測值，其公式為，其中為B的預測值為的預測值。

經遞歸計算，當α =0.72時I值最小。按各測試點的數據，選取衰減公式(1)式進行最小二乘法回歸計算。表2給出了四種溫度下的K，B，ln(1－ε)和時間τα的相關系數R。

表2 不同溫度下的K，B和R值Table 2 Value K，B and R at different temperature

為了得到不同溫度下的老化速度系數K，將Arrhenius公式對數變換后為

式中:w=lnK，C=lnA，d=－E/1000R，z=1000/T。將每個試驗溫度下的老化反應速度系數K的對數和對應的絕對溫度倒數1/T代入式(5)，用最小二乘法進行回歸處理求得C、d和相關系數R，以及每個試驗溫度下橡膠圈的 KT的預測值=e(C+dz)，其回歸參數計算結果見表3。

表3 回歸參數計算結果Table 3 Data of regression parameters

圖3給出了lnK和1000/T的關系圖，從圖3以及R=－0.998可看出，兩者近似為線性。

圖3 lnK和1000/T的關系Fig.3 The relationships between lnK and 1000/T

將表3數據代入式(5)計算出線性回歸方程為

整理得密封圈老化反應速度系數表達式為

由(7)式可得不同溫度下，密封圈老化反應速度系數。

3.3 壽命預測

根據橡膠密封圈的性能變化模型，由式(1)可得密封圈老化性能變化的預測方程為

取ε=50%作為丁腈橡膠密封圈的臨界壓縮變形率。據統計，渤海海水溫度為23～28℃，黃海為16～25℃，東海為14～25℃，南海則大都在10℃以下。由(7)式可計算出25℃、20℃、18℃和8℃下的老化反應速度系數分別為:K25=0.000591、K20=0.000468、K18=0.000426、K8=0.000259。再利用(8)式，預測出不同海域下橡膠密封圈壽命如表4所示。

表4 不同海域丁腈橡膠密封圈使用壽命Table 4 The lifetime of NBR seal in different sea water

4 結論

(1)通過使用鹽水去模擬海水，雖然存在一定的誤差，但是對實際應用具有一定的指導作用。比如，在選擇橡膠圈的時候，在一些關鍵部位選擇性能較好的橡膠圈。

(2)丁腈橡膠在常溫下(25℃)海水中，壽命預測方程為:

(3)通過計算發現在25℃環境下密封圈的使用壽命接近兩年，因此建議每兩年檢查更換一次密封圈。

(4)預測的結果與已有的丁腈橡膠橡膠圈失效數據相吻合。說明可以采用高溫加速老化試驗方法來預測橡膠圈的使用壽命，進而為新材料在潛艇上的應用提供技術支持。

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Predicting the Service Lifetime of O-rings in Sea Water

ZHAI Zhong-sheng1，2，ZHONG Xing1，2，ZHANG Ye-peng1，2，HU Gang3
(1 School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，Hubei China;2 HuBei Key Lab of Manufacture Quality Engineering，Wuhan 430068，Hubei China;3 The No.722 Research Institute，China Shipbulding Industry Corporation;Wuhan 430079，Hubei China)

The nitrile rubber(NBR)seals are widely used in nuclear submarines.Understanding the aging failure process and patterns of the NBR in sea water are great significant to improve the reliability of nuclear submarines.Considering the sea water condition，A heat accelerated aging test program for the NBR with four kinds high temperature was designed，based on the experience of dynamic formula and Arrhenius model.The relationships of the temperature，aging time and compression changes were presented through regression analysis methods.In the end，the lifetime of NBR in the different waters was predicted.The results show that the prediction of service lifetime of NBR is 690 days in 25℃ which are consistent with the actual results.

nitrile rubber;seals;accelerated aging;service lifetime;regression analysis.

TQ 333.7

2011－09－21

國家自然科學基金(51005072);湖北省自然科學基金(2010CDB03104);湖北省教育廳科學技術研究項目(Q20101405)