關于盾尾密封油脂抗水壓密封性和泵送性測試的探討

王德乾

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

0 引言

盾尾密封油脂是盾構尾部密封的重要材料，用來填充盾尾鋼絲刷與管片之間的空隙。密封油脂與鋼絲刷結合形成的盾尾密封層能有效阻止泥漿和地下水的入侵，使盾構的尾部實現密封。目前，國際上對于盾尾密封油脂的性能指標還沒有形成統一的標準，只有部分企業和組織對該產品的主要性能進行了評定，如文獻［1］闡述了盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試儀器、條件、方法以及評價標準等;文獻［2－5］介紹了盾尾密封油脂重要指標的測試方法等。但各方對盾尾密封油脂同一性能指標的測試和評定并不一致，這導致了國內市場上盾尾密封油脂質量良莠不齊。

目前，國外品牌的盾尾密封油脂質量較好，但價格偏高，供貨周期較長;國內盾尾密封油脂廠家較多，但質量良莠不齊。隨著我國城鎮化速度的加快，城市軌道交通蓬勃發展，利用盾構進行全斷面施工成為地下施工的主流，盾尾密封油脂作為盾構施工的消耗品，其需求量在大大增加。因此，研發性能優異的國產盾尾密封油脂和制定其性能指標的統一標準勢在必行。

本文重點分析盾尾密封油脂的2個重要性能指標(抗水壓密封性和泵送性)的國內外測試儀器、方法和評價標準，結合國內實際使用油脂積累的經驗，推薦了2個重要指標的檢驗標準，為盡早出臺盾尾密封油脂性能指標的國家標準打下了基礎。

1 國內外抗水壓密封性的測試

1.1 歐洲標準

EFNARC是由5個國際貿易聯合體(代表專用建筑產品的生產商和使用者)于1989年建立的，因在軟基隧道、噴射混凝土和自密實混凝土方面出色的規范和準則具有良好的國際聲譽。EFNARC于2005年編制了《TBM盾構機在軟基和硬巖中掘進時專用產品的使用說明和準則》，該準則詳細闡述了盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試裝置、條件、方法和評價標準等。其中，該測試裝置是一個直徑為50 mm的金屬或有機玻璃圓柱筒，其頂部設有一個進風口，底部貼有一層孔徑為1 mm或0.5 mm的金屬網(該金屬網用于為模擬盾尾刷的鋼絲束)，具體裝置如圖1所示。

圖1 EFNARC中抗水壓密封裝置的示意圖Fig.1 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in EFNARC

測試方法是在金屬網(選擇合適的金屬網孔徑)上面鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水，然后在水面加0.8 MPa的空氣壓力，用于測定水開始從底部流出的時間。抗水壓密封性的評價如表1所示。當選擇1.0 mm孔徑的金屬網時，如果油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以上不漏水，則說明油脂的抗水壓密封性很好;當選擇0.5 mm孔徑的金屬網時，油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以上不漏水，說明油脂的抗水壓密封性較好;當選擇0.5 mm孔徑的金屬網時，油脂在0.8 MPa的空氣壓力下保壓5 min以內漏水，說明油脂的抗水壓密封性一般。

表1 EFNARC中盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試條件及評價［1］Table 1 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in EFNARC［1］

1.2 美國專利

Jacopo Franchini等對盾尾密封油脂的抗水壓密封性進行了深入的研究，并提出了相關的測試裝置、條件、方法及產品評價。其測試裝置和方法與EFNARC的一致，如圖2所示。測試條件和評價方法如表2所示。在0.8 MPa的空氣壓力保壓30 min后，測量圓柱體底部流出水的體積。當流出體積超過10 mL，該油脂的抗水壓密封性很差;當體積為3～10 mL，其抗水壓密封性較好;當體積在3 mL以下時，其抗水壓密封性很好。

圖2 美國專利中抗水壓密封測試裝置的示意圖［2］Fig.2 Device for test on water-tightness of grease under high pressure in US patent［2］

表2 美國專利中盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試條件及評價［2－4］Table 2 Test conditions and evaluations of water-tightness of grease under high pressure in US patent［2－4］

1.3 日本松井公司

日本松井公司研發的盾尾密封油脂抗水壓測試裝置與美國和歐洲的類似，如圖3所示。只是外加壓力達到3.5 MPa(有的文獻為3.4 MPa)，且金屬網的孔徑為20目(0.84 mm)。朱祖熹教授認為該壓力太大，實際意義不明顯［5］。在國內隧道建設的實際使用中，普通埋深(20～30 m)下，所設置的同步注漿壓力為0.4～0.5 MPa;在某些過江過河的深度埋深(50～60 m)下，所設置的同步注漿壓力為0.7～0.8 MPa;只有在油脂泵注入油脂的瞬間，壓力可能達到3.0 MPa。因此，設置3.5 MPa的測試壓力確實過大，意義也不明顯。另外，一味追求超強的抗水壓性能勢必會犧牲油脂的泵送性和油脂配方的選擇性。以安全系數為2計，推薦盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試壓力為1.6 MPa。

1.4 中鐵五院集團公司

中鐵五院參考歐美日等地區和國家的盾尾密封油脂抗水壓密封測試裝置的設計原理，借鑒其國內測試裝置的結構外形［5－6］，自制了油脂抗水壓密封裝置，如圖4所示。該裝置用3層且目數較大的金屬網模擬盾構機施工中密封裝置的盾尾刷鋼絲束結構，較之國外的一層且目數較小的金屬網更接近實際［4］。測試過程是將一定量盾尾密封油脂置于油脂腔中，施加3.5 MPa的空氣壓力以檢測油脂是否漏水。如果不漏水，則表明油脂的抗水壓密封性滿足實際使用要求［7］。

圖3 日本松井公司的抗水壓密封裝置示意圖［5］Fig.3 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from Matsui company［5］

圖4 中鐵五院的盾尾密封油脂抗水壓密封的測試裝置圖［7］Fig.4 Device for test on water-tightness of grease under high pressure from China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.［7］

通過對歐美日以及國內的抗水壓密封裝置的進一步了解，參照歐美日的測試儀器和測試方法，結合國內隧道施工中盾尾密封油脂的實際使用情況，并借鑒朱祖熹教授的“測試壓力太大，意義不大”的觀點，推薦抗水壓密封性的測試儀器、方法及評價為:

測試裝置是一個內徑為50 mm的金屬圓柱筒，頂部設1個進風口，底部貼3層200目(0.075 mm)的金屬網(該金屬網用于模擬盾尾刷的鋼絲束)。在網上面鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水，然后施加1.6 MPa的空氣壓力。若在1.6 MPa的空氣壓力下保壓30 min不漏水，且在3.5 MPa的空氣壓力下瞬間不漏水，則說明盾尾密封油脂的抗水壓密封性優良。

2 國內外泵送性的相關測試

盾尾密封油脂是土壓盾構盾尾密封的專用產品，就其泵送性而言，目前沒有標準的測試儀器。國外一些盾尾密封油脂的生產廠家借用潤滑脂表觀黏度的標準測試儀器對其泵送性進行表征，該測試裝置如圖5所示。按照ASTM D1092標準，盾尾密封油脂在25℃和1.0 MPa的空氣壓力條件下，通過一定孔徑毛細管時的流量(g/min)，可以定量表征油脂流動性的大小。

圖5 潤滑脂表觀黏度的標準測試儀器示意圖［8］Fig.5 Device for standard test on apparent viscosity of grease［8］

相比于國外，國產盾尾密封油脂泵送性指標的評價比較混亂。有的廠家給出以g/min為單位的定量數值，有的廠家給出“中號黃油槍可打出”的定性評價，有的廠家沒有給出任何油脂泵送性的表征結果。筆者就該情況進行了詳細的調研，從上海人和儀器有限公司的專業儀器部門得知，應用于ASTM D1092中潤滑脂表觀黏度測試儀器的真空泵已經停產，目前該設備處于停售狀態。筆者又詢問了中國科學院化學研究所、中國科學院理化技術研究所、北京大學化學學院、北京理化分析中心和青島科標化工有限公司等單位的相關人員，他們對美國標準ASTM D1092中的設備都不了解。因此，雖然國外一些企業利用該設備測試出了盾尾密封油脂的泵送性為40～50 g/min［5，9－10］，但由于國內買不到相同的設備，所以才出現了國產盾尾密封油脂泵送性指標不統一的混亂局面。綜上所述，找到一個代替該設備的儀器用于盾尾密封油脂泵送性的表征尤為重要。

筆者采用中國科學院化學研究所的熔體流動速率儀(毛細管直徑為2.095 mm)，在25℃和1.0 MPa的空氣壓力條件下，對盾尾密封油脂的泵送性進行了定量測試(如圖6所示)。結果顯示，自制產品WY－I、WY－II的泵送性分別為2.72 g/min和3.30 g/min，法國CONDAT產品的泵送性為14.86 g/min［7］。該測試結果與CONDAT產品在文獻資料中報道的40～50 g/min［5，9－10］相差很大。近期筆者在盾尾密封油脂配方的進一步優化實驗中發現，此前文章中泵送性的測試壓力并不是1.0 MPa，而是0.5 MPa。這是筆者疏忽所致，借此做出修正。

對自制產品WY－I、WY－II、國產產品和法國CONDAT產品的泵送性重新進行表征，自制產品、國產產品和法國CONDAT產品泵送性測定的結果如表3所示。在測試溫度25℃和測試壓力1.0 MPa的條件下，自制產品WY－I、WY－II的泵送性結果分別為28.7 g/min和34.6 g/min，法國CONDAT產品的結果為35.3 g/min，該數值與文獻資料報道的泵送性數值40～50 g/min［5，9－10］相近。

圖6 熔體流動速率儀［7］Fig.6 Melt flow rate test device［7］

表3 自制盾尾密封油脂與國產產品、CONDAT產品的泵送性對比Table 3 Comparison and contrast among self-made grease，other grease made in China and grease made from CONDAT in terms of pumpability (g/min)

因此，國內科研機構、大學和第三方檢測機構在沒有美國標準ASTM D1092中的設備時，可以依靠現有的設備對盾尾密封油脂的泵送性進行表征。例如，在測試溫度25℃和測試壓力1.0 MPa的條件下，利用盾尾密封油脂通過熔體流動速率儀2.095 mm孔徑毛細管的流量來表征其泵送性，以g/min表示。使用該方法測試盾尾密封油脂的泵送性可以作為一種標準方法的參考，對國產盾尾密封油脂泵送性指標的統一具有實際意義。

3 結論與建議

1)參考國內外對盾尾密封油脂的研究資料，結合中鐵五院對該產品的研發和使用情況，推薦盾尾密封油脂抗水壓密封性的測試儀器、測試方法與評價結果如下:測試裝置是一個內徑為50 mm的金屬圓柱筒，底部貼有3層200目(0.075 mm)的金屬網。網上鋪一層25 mm厚的盾尾密封油脂，油脂上方充滿水并施加1.6 MPa的空氣壓力。試驗在1.6 MPa的空氣壓力下保壓30 min不漏水，在3.5 MPa的空氣壓力下瞬間不漏水，說明盾尾密封油脂的抗水壓密封性優良。

2)參考國內外對盾尾密封油脂的研究資料，結合中鐵五院對該產品的研發和使用情況，推薦盾尾密封油脂泵送性的測試儀器、方法與評價如下:在測試溫度為25℃和測試壓力為1.0 MPa的條件下，盾尾密封油脂通過熔體流動速率儀2.095 mm孔徑毛細管時的流量來表征其泵送性的大小，以g/min表示。若該數值達到30 g/min以上時，說明盾尾密封油脂的泵送性很好。

3)目前國內市場上，國產盾尾密封油脂性能指標及測試方法不統一導致質量良莠不齊，且國產盾尾密封油脂一般應用于普通埋深(20～30 m)或普通地層(含水率較小、滲透性較小及施工工況較好)，而大埋深(50～60 m)或復雜地層(含水率較大、滲透性較大及施工工況相對復雜)主要使用國外產品。本文的主要目的是希望同行們能夠相互學習借鑒，充分了解盾尾密封油脂性能指標的測試原理與方法、測試設備與評價，逐漸形成統一的標準，繼而不斷優化產品配方，最終把國產產品做優做強，來滿足國內大埋深或復雜地層下施工的需要。

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