二氧化碳滅火系統(tǒng)容器閥密封圈的應(yīng)用試驗研究

■ 紀(jì)婷婷 董加強 楊慧紅 南京消防器材股份有限公司

隨著橡膠工業(yè)的崛起，各種性能優(yōu)異的橡膠材料在氣瓶容器閥中得到了廣泛的應(yīng)用。密封圈能夠滿足各種靜態(tài)或動態(tài)應(yīng)用要求，且具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安裝簡便、經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)點。目前國內(nèi)用于容器閥的密封圈多為丁腈橡膠，在二氧化碳?xì)馄可希３l(fā)生密封圈失效的現(xiàn)象。密封圈的失效會導(dǎo)致泄漏甚至誤噴的現(xiàn)象，直接威脅到生命和財產(chǎn)的安全。二氧化碳容器閥中密封圈失效的最重要原因是溶脹及滲透。

密封圈可能會由于吸收二氧化碳?xì)怏w( 或液體) 而發(fā)生膨脹，這可能導(dǎo)致密封圈尺寸增加。在使用過程中，最初的膨脹可以通過增塑劑和填充劑來掩蓋。機械強度和硬度的變化也會對性能有重要的影響。不同的配方、工藝會導(dǎo)致密封圈溶脹性有顯著差異。而且無論兼容性如何，靜態(tài)或動態(tài)密封的選擇對性能也尤為重要。[1]

滲透是氣體穿過材料的一個緩慢過程。二氧化碳通過非金屬材料的滲透性是顯著的。對于給定的材料，滲透速率主要取決于溫度、壓力、厚度以及材料與氣體接觸的表面積。同時氣體的分子半徑、增塑劑及其他配方的添加劑對某種特定的塑料或彈性體會造成更為嚴(yán)重的滲透率。

本文主要目的是選出一款適合二氧化碳容器閥的密封圈材質(zhì)，并以此選出的密封圈進(jìn)行相關(guān)試驗，驗證在二氧化碳容器閥上應(yīng)用的可行性。

一、設(shè)計及實驗

（一）密封圈材質(zhì)的選取

根據(jù)ISO 11114-2 中非金屬材料與二氧化碳的兼容性（見表1）[1]，甲基乙烯基硅橡膠（VMQ）、三元乙丙橡膠（EPDM）、甲基氟硅橡膠（FVMQ）、聚丙烯酸酯橡膠（ACM）、聚氨酯橡膠（PUR）與二氧化碳兼容性是可以接受的。但是VMQ、FVMQ、ACM、PUR 相對于EPDM 經(jīng)濟(jì)性不佳。

目前容器閥最常用的密封圈是丁腈橡膠（NBR）和三元乙丙橡膠（EPDM）， NBR 在二氧化碳中會出現(xiàn)溶脹和重量減輕，任何情況下均不能用于二氧化碳中。而EPDM與二氧化碳雖然也會出現(xiàn)溶脹和重量減輕，但可以接受。

表2 為EPDM 在各種氣體中的滲透系數(shù)，EPDM 在二氧化碳中的滲透系數(shù)相對于H2O 和其他氣體來說高一點，故需要通過實驗來驗證是否可以用于二氧化碳滅火系統(tǒng)中。

表1 非金屬材料與二氧化碳的兼容性

表2 EPDM 的滲透系數(shù)（單位：10-8 sccm - cm/sec -cm2 – atm）

（二）密封圈密封形式的選取

密封圈性能主要與材料、材料硬度、擠壓的程度、有無潤滑、密封圈的截面尺寸以及被密封氣體的壓力、溫度等相關(guān)，密封件擠壓的增加會導(dǎo)致滲透性降低，使用潤滑脂的密封圈可以降低滲透性。[2]

從上述公式中可以發(fā)現(xiàn)，溝槽深度越小，滲透速率越低；容器閥正常情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，只有在噴放充裝等少數(shù)情況下才會發(fā)生動作；故選擇靜態(tài)密封。

（三）實驗驗證

試件：實驗采用2 種不同硬度EPDM 的密封圈，裝配到2 種不同密封形式的容器閥中，每組準(zhǔn)備3 個樣品。

實驗方案：容器閥按表3 安裝對應(yīng)規(guī)格的密封圈，密封形式也按表3 進(jìn)行加工，裝配后安裝在鋼瓶上，向12個鋼瓶內(nèi)充入二氧化碳?xì)怏w。靜置12 小時，將容器閥淹沒到水中，去除表面殘留的氣泡觀察容器閥泄漏情況。

表3 密封圈對比實驗

實驗結(jié)果及分析：結(jié)果見表3，采用動密封時密封圈壓縮量比較小，安裝不同硬度的密封圈，容器閥的泄漏率差別不是特別大。采用靜密封時溝槽壓縮量增加，安裝硬度比較低的密封圈時，容器閥的泄漏率有了明顯改善。采用靜密封時溝槽壓縮量增加的情況下同時安裝硬度較高的密封圈時，容器閥的泄漏率基本為零。

（四）應(yīng)用驗證實驗

根據(jù)實際使用工況進(jìn)行溫度循環(huán)泄漏實驗

試件：4 個充裝二氧化碳的瓶閥裝配體

實驗過程：對瓶閥裝配體進(jìn)行編號并稱重，記錄重量。50℃、0℃放置24h，重復(fù)3 次。25℃溫度下放置24h，再重復(fù)以上溫度循環(huán)試驗，最后將試件25℃溫度下放置24h 后結(jié)束實驗。結(jié)束實驗后分別對4 個瓶組進(jìn)行稱重，與實驗前的重量進(jìn)行對比。[3]

實驗結(jié)果及分析：實驗結(jié)束后瓶閥裝配體重量與實驗前一致，且啟動容器閥，二氧化碳?xì)怏w噴放無任何故障。

二、結(jié)語

通過試驗對比研究，二氧化碳滅火系統(tǒng)容器閥密封圈的材質(zhì)適宜選用EPDM。密封圈的硬度和密封形式對容器閥密封性能也至關(guān)重要。最后建議具體的選型及產(chǎn)品應(yīng)用要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，與密封圈供應(yīng)商技術(shù)溝通并進(jìn)行驗證實驗，以確保滿足容器閥在高低溫及儲存運輸極限條件下密封性能可靠。