基于不同環境的氟橡膠O形密封圈失效行為

李 玉，李 璐，徐 偉，李 嬋

（延長油田股份有限公司寶塔采油廠，陜西 延安 716000）

O形密封圈是常見密封配件，結構簡單、便于安裝、適用范圍廣泛，因此得以在石油、化工、機械等多領域實現了普遍應用[1]。當前O形密封圈的相關研究側重于失效行為、密封性，在油田作業過程中，氟橡膠密封圈的密封性能與使用壽命直接受整體環境影響，即溫度、壓力等[2]。而橡膠材料在石油集輸介質中的溶脹與老化，導致O形密封圈出現不可逆轉的塑性變形與彈性下降，從而引發密封失效，接頭位置發生滲漏，對油田生產造成了一定威脅。因此，研究氟橡膠O形密封圈的失效行為具有十分重要的現實意義。

1 氟橡膠O形密封圈的密封原理

氟橡膠O形密封圈是一種現代化機械生產普遍應用的密封配件，可適用于多類型密封模式要求、多機械運動模式、多不同密封介質，且自身結構設計制造簡單，拆裝便捷，同時具備許多材料類型可供各種使用環境選擇，所以深受業界認可[3]。氟橡膠O形密封圈的密封原理即根據材料彈性，就實際受壓狀況，自身結構形態變化，密封設備。基于氟橡膠O形密封圈的密封方式，可具體劃分為兩類，即間隙密封與接觸密封，其中間隙密封指氟橡膠O形密封圈使用時，以對運動元件運動時配合間隙的合理利用，充分發揮密封圈的密封效用；接觸密封指基于氟橡膠O形密封圈和密封設備間的壓力影響，發生彈性變形，以此有效發揮密封圈的密封作用。氟橡膠O形密封圈的接觸密封方式下，可由靜止密封與運動密封雙層面考慮，靜止密封是以密封設備初始壓力加以實現的，在發揮密封性能時，會直接承受溝槽深度與徑向密封尺寸的多方面影響；運動密封是和密封設備軸徑大小、密封圈接觸寬度、軸體結構往復運動速度、密封圈硬度等多重因素息息相關，需就使用需要整體掌握，以確保密封圈的密封性能[4]。

2 失效行為試驗準備

2.1 環境設置

以Φ10mm×10mm的氟橡膠作為試驗材料；以70、80、90、100 ℃為試驗溫度，以50%為試驗濕度；以70℃、85%RH與70℃、95%RH為濕度試驗；以1、3、6、9、12、16 d為試驗時間；以無破損、無缺陷、無氣泡、原始壓縮率30%為樣品狀態，在上述環境條件，開展失效行為試驗。

2.2 儀器設備

以老化試驗箱、高低溫濕熱交變試驗箱、專用夾具、橡膠測厚計為儀器設備，開展試驗[5]。

3 失效行為試驗結果分析

把試驗測試所得永久壓縮變形率值處理之后，獲取老化性能與老化時間之間的關系，具體見表1。

表1 基于老化時間的橡膠壓縮變形率(%)Table 1 Rubber compression deformation rate based on aging time

由表1可知，不同環境下，隨著時間增長，橡膠的壓縮變形率值逐漸增大；在熱老化試驗中，橡膠的老化性能變化趨勢相對平緩，隨著溫度上升，壓縮變形率越大；在濕熱環境下，橡膠的老化性能變化幅度相對較大，隨著濕度增大，老化性能變化越顯著，所以說濕度對于氟橡膠的影響比較明顯。

其中，壓縮變形率與老化時間之間并未呈現出顯著的線性關系，所以老化常數并不是1。據已有研究證明氟橡膠老化常數實際為0.368，設定y=ln(1-σ)，x=tμ，μ=lnE，n=-P，創建線性回歸模型[6]，即：

其中，σ代表永久壓縮變形率；t代表老化時間；μ代表老化常數；E代表試驗常數；P代表老化反應速率常數。

3.1 氟橡膠O形密封圈失效行為分析

以最小二乘法對上述公式進行擬合[7]，獲得m、n及其相關系數值，具體見表2。

表2 基于不同老化環境的回歸參數值Table 2 Regression parameter values based on different aging environments

由表2可知，隨溫度上升，氟橡膠老化速率隨之增大，然而高溫高濕環境下，氟橡膠老化速率極速增大，而溫度/濕度（70℃/85%）環境下氟橡膠O形密封圈的老化速率為70℃/50%環境下密封圈老化速率的7.14倍，而70℃/95%環境下氟橡膠O形密封圈的老化速率為70℃/50%環境下密封圈老化速率的8.28倍。可知，70℃環境下，濕度對于氟橡膠的老化性能影響較為顯著。

基于表2數據可得不同溫度濕度環境下氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程公式[8]。

70℃/50%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

80℃/50%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

90℃/50%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

100℃/50%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

70℃/85%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

70℃/95%環境下，氟橡膠O形密封圈的老化動力學方程為：

設定氟橡膠O形密封圈壓縮永久變形的臨界值是26%，那么密封圈處于70℃/85%、70℃/95%環境下的壽命具體為16.3d與12.3d。

我國瓊海區域年最高溫度為37.7℃，年均濕度為81%，然而由于陽光充足，地面或者金屬設備表面可達到更高溫度[9]。若氟橡膠O形密封圈所接觸法蘭受各種因素影響達到70℃，而當時濕度達到85%，此現象持續60min后，會導致氟橡膠O形密封圈壽命大大縮減約71.5d。所以說高溫高濕環境對于氟橡膠O形密封圈的影響非常顯著；若濕度偏小，則于70℃/50%環境下靜置60min，可促使氟橡膠O形密封圈壽命縮減約7.7h。對比分析可以看出，濕度對氟橡膠O形密封圈的影響十分明顯[10]。

3.2 氟橡膠O形密封圈儲存壽命評估分析

基于70℃/50%、80℃/50%、90℃/50%、100℃/50%環境下的老化速率常數，即0.0134、0.0152、0.0174、0.1956，擬合得出lnP和之間的關系，具體見表3。

表3 lnP和1/T的擬合關系Table 3 Fitting relationship between lnP and

表3 lnP和1/T的擬合關系Table 3 Fitting relationship between lnP and

1 T 0.00270.00280.00290.0030 lnP -3.93 -4.05 -4.17 -4.31

擬合方程具體即lnP=0.5728-1679.2615/T，據此推理可知，25℃時反應速率常數約為0.00634，試驗常數均值約為0.8759，可知lnE為-0.1327，代入公式ln（1-σ）=lnE-Ptμ，可得出氟橡膠O形密封圈使用壽命約為7560d，即20.72a。由于試驗存在誤差，通常選擇安全系數為2，那么氟橡膠于溫度/濕度25℃/50%環境下，安全儲存壽命約為10.36a。

4 結論

針對不同高溫高濕環境下的氟橡膠O形密封圈失效行為進行了試驗分析，結果表明，隨溫度上升，氟橡膠老化速率隨之增大，然而高溫高濕環境下，氟橡膠老化速率極速增大，而溫度/濕度（70℃/85%）環境下氟橡膠O形密封圈的老化速率為70℃/50%環境下密封圈老化速率的7.14倍，而70℃/85%環境下氟橡膠O形密封圈的老化速率為70℃/50%環境下密封圈老化速率的8.28倍，可知70℃環境下，濕度對于氟橡膠的老化性能影響較為顯著；氟橡膠于溫度/濕度25℃/50%環境下，安全儲存壽命約為10.36a。所以，高溫高濕環境對于氟橡膠密封圈的影響比較明顯，對此在日常儲存與使用時，應注重溫度與濕度環境，并定期檢查密封圈的密封性能。