O型密封圈在福田區(qū)304薄壁不銹鋼水管連接中的密封性與失效研究

　　自瑞典工程師GunnarLarsson在二十世紀(jì)50年代末發(fā)明卡壓式連接技術(shù)以來(lái)，卡壓連接已逐漸在全球水、煤氣、供暖、特種油質(zhì)等管道中廣泛運(yùn)用[1~3]。

　　在薄壁不銹鋼水管道連接密封選擇使用上，因其連接便捷可靠，且連接時(shí)為機(jī)械壓接，不會(huì)產(chǎn)生熱量，特別適用于狹窄工作面及煤氣管道連接，已成為DN50以?xún)?nèi)薄壁不銹鋼管道的主要連接方式。這種方式相對(duì)焊接方式的施工時(shí)間大幅度縮減；不需要很熟練的技術(shù)工人就可以完成操作；杜絕施工現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)明火，減少工程隱患。隨著國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)與國(guó)內(nèi)技術(shù)的發(fā)展，卡壓連接技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)廣泛應(yīng)用，其中包括廣州黃沙鐵路南站工程、寶雞鳳翔中醫(yī)院、福州長(zhǎng)樂(lè)機(jī)場(chǎng)飛行出勤樓、廣東省五白天鵝賓館、深圳市能恩偉業(yè)能源投資有限公司、中山市家麗雅電氣有限公司成都分公司、徐州新奧燃?xì)夂颓鄭u膠山珠山天然氣加氣站等不同類(lèi)型場(chǎng)所給排水和燃?xì)夤こ添?xiàng)目。

　　根據(jù)大量項(xiàng)目回訪調(diào)查，發(fā)現(xiàn)連接處密封圈老化和密封間隙是導(dǎo)致出現(xiàn)漏水、滲水、漏氣的主要原因。密封圈性能和安裝的好壞直接關(guān)系到薄壁不銹鋼管卡壓連接的成功與否和使用壽命。目前在薄壁不銹鋼卡壓連接方面，關(guān)于密封圈密封性與壓縮率的研究和探討相對(duì)少，密封圈壓縮量的取值并沒(méi)有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)支撐[4]，生產(chǎn)企業(yè)大多按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行卡壓連接，使得安裝很不規(guī)范。

　　本文重點(diǎn)分析薄壁不銹鋼管道卡壓連接中O型密封圈的壓縮率，采用逐步檢測(cè)和失效試驗(yàn)的方法對(duì)最佳壓縮率進(jìn)行試驗(yàn)，探討密封圈在不同壓縮率下的長(zhǎng)期密封性能與失效點(diǎn)。

　　1）O型密封圈介紹

　　1.1密封原理

　　薄壁不銹鋼卡壓式管件端部的溝槽內(nèi)裝有特制的O型橡膠密封圈，安裝時(shí)將不銹鋼飲用水管插入管件承口至定位臺(tái)階位置，用專(zhuān)用的卡壓工具對(duì)溝槽和溝槽一側(cè)或兩側(cè)的卡壓部位同時(shí)進(jìn)行剛性機(jī)械連接，O型密封圈受擠壓后徑向收縮抱緊從而起密封作用。另外，卡壓部位管件和管材的同時(shí)收縮變形起到抗拉拔作用，剖面形成六角形狀，防止使用中旋轉(zhuǎn)漏水，起到抗旋轉(zhuǎn)作用，從而有效地實(shí)現(xiàn)不銹鋼管道密封連接。圖1反映了O型密封圈在不銹鋼卡壓管道中卡壓前后的效果。

　　圖1O型密封圈在管道內(nèi)卡壓前后效果示意

　　1.2密封材料

　　對(duì)密封材料的一般要求是[5]：在動(dòng)或靜密封下工作時(shí)可以有良好的密封性,能夠適應(yīng)溫度和壓力的變化；不會(huì)輕易泄露所輸送介質(zhì)，能夠長(zhǎng)期工作；在工作介質(zhì)中不易發(fā)生化學(xué)變化,有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；制造加工方便，價(jià)格低廉，取材容易。對(duì)于不銹鋼管道給排水類(lèi)，EPDM三元乙丙橡膠是一個(gè)極佳的材料，它的主要性能有低密度高填充型，其密度為0.87，可大量充油和填充劑，因此可以降低成本價(jià)格。EPDM缺乏極性，不飽和度低，因而在各種化學(xué)品有較好的抗耐性，但在脂屬和芳屬溶劑中穩(wěn)定性差。它的分子內(nèi)聚能低，可在較寬范圍內(nèi)保持柔順性，分子結(jié)構(gòu)中缺少活性基團(tuán)，自粘性和互粘性差。其耐水蒸氣性能尤佳，使用溫度范圍為-50~150℃。

　　常用的O型密封圈硬度為40～90IRHD。硬度是評(píng)定密封性能最好的指標(biāo)，它決定了O型密封圈的壓縮量和溝槽最大允許擠出間隙。硬度低，安裝方便，但容易出現(xiàn)剝落、安裝損傷、擠出甚至壓力爆炸；硬度過(guò)高，安裝不方便。

　　1.3壓縮率與壓縮永久變形

　　在卡壓式連接中，密封圈受到壓縮，在壓縮方向上其截面直徑會(huì)變小。壓縮率為密封圈受壓后直徑的變化量與其初始截面直徑的比值，可表示為：

　　式中W--壓縮率，%；

　　d0--密封圈初始截面直徑，mm；

　　d2--壓縮狀態(tài)下，密封圈沿壓縮方向的截面直徑，mm。

　　密封圈在壓縮狀態(tài)時(shí)，必然會(huì)發(fā)生物理變化和化學(xué)變化。當(dāng)壓縮力消失后，這些變化阻止橡膠恢復(fù)到期原來(lái)的狀態(tài)，于是就產(chǎn)生了壓縮永久變形。壓縮永久變形性能涉及到橡膠的彈性與恢復(fù)，是衡量橡膠制品密封性能的好壞及使用壽命長(zhǎng)短的重要指標(biāo)之一。壓縮永久變形率c（%）按式（2）計(jì)算[6]：

　　式中d1——復(fù)后，密封圈沿壓縮方向的截面直徑，mm。

　　密封圈的老化因素有很多，主要是熱、氧化、機(jī)械應(yīng)力和油介質(zhì)等。一般情況下在使用期間管道內(nèi)水壓波動(dòng)、水流速度、溫度值交替變化也會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生影響，會(huì)出現(xiàn)一些密封性下降，老化速率加快的問(wèn)題。在不銹鋼水管的靜態(tài)密封中，熱和水的影響是引起老化的主要因素，其表現(xiàn)為密封圈的永久變形增大，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)，密封圈失去密封性，出現(xiàn)漏水，也就意味著密封圈失效。

　　2）試驗(yàn)材料與方法

　　2.1試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)用O型密封圈為德國(guó)進(jìn)口三元乙丙橡膠密封圈，硬度75邵氏度，拉伸強(qiáng)度13.48MPa，扯斷伸長(zhǎng)率為388%，壓縮率分為10%、15%、20%、25%和30%。

　　2.2試驗(yàn)方法

　　2.2.1密封性檢測(cè)方法

　　最直觀的檢驗(yàn)密封性的好壞是觀察管道在規(guī)定的壓力下是否會(huì)出現(xiàn)漏水。本次密封性測(cè)試采用DN50不銹鋼管道，在指定的壓縮率下進(jìn)行卡壓連接，然后將連接件內(nèi)灌滿(mǎn)水，利用手動(dòng)水壓泵進(jìn)行加壓，如圖2所示。壓力值從0開(kāi)始，緩慢升高，直至密封處漏水為止，記錄漏水時(shí)的壓力值。試驗(yàn)選用多組卡壓連接件，經(jīng)多次測(cè)試后，取其中一個(gè)最小值作為連接件的承受壓力值。

　　圖2手動(dòng)水壓泵示意

　　2.2.2壓縮永久變形率與使用壽命預(yù)測(cè)方法

　　根據(jù)橡膠材料壓縮永久變形測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[6]，利用密封圈壓縮板擠壓O型密封圈，用螺絲鎖緊至限制板高，限制板厚度由壓縮量決定，然后進(jìn)行壓縮永久變形試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：在壓縮器限制板上涂一層對(duì)試驗(yàn)無(wú)影響的潤(rùn)滑劑，隨機(jī)抽取合格O型密封圈放入壓縮板內(nèi)，用螺絲通過(guò)中心的螺絲孔鎖緊、固定進(jìn)行壓縮，然后放置測(cè)試環(huán)境中，達(dá)到規(guī)定時(shí)間后，去除壓縮，放到室溫條件下30mim左右進(jìn)行厚度測(cè)量，然后由（2）式計(jì)算壓縮永久變形率c。

　　在高溫下，橡膠的老化會(huì)明顯加速。在一定的溫度范圍內(nèi)，橡膠圈在高溫下的老化與使用溫度下的老化機(jī)理是相同的。因此，可以通過(guò)高溫下一系列的加速老化試驗(yàn)，用回歸分析的方法，找出各個(gè)溫度下的變化常數(shù)，由各個(gè)溫度下的常數(shù)，根據(jù)阿侖尼烏斯公式就可以推算出使用溫度下的變化常數(shù)，從而預(yù)測(cè)密封圈在使用溫度下的壽命。為加速橡膠圈老化，選用130~170℃的靜態(tài)過(guò)熱蒸餾水為測(cè)試條件。壓縮率選用為25%。

　　3）試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1密封性

　　不同壓縮率下，卡壓連接件所能承受的壓力值如圖3所示?？梢钥闯?，卡壓連接件所能承受的壓力隨壓縮率增大而變大。在10%～25%的壓縮率范圍內(nèi)，壓力隨壓縮率增大而明顯變大，壓縮率超過(guò)25%以后，壓力的增幅顯著變緩。在25%壓縮率為時(shí)，壓力達(dá)到4.01MPa不漏水，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（1.6MPa）[7]的2.5倍。雖然試驗(yàn)中壓縮率大于15%時(shí)的壓力數(shù)據(jù)都大于國(guó)標(biāo)，但是在實(shí)際過(guò)程中，由于產(chǎn)品制造公差、工具反復(fù)使用造成的磨損、安裝時(shí)卡壓不到位等情況，會(huì)使實(shí)際壓縮率偏小。同時(shí)，考慮到過(guò)高的變形量不便于安裝，也會(huì)縮減管道有效直徑。因此，在綜合考慮承壓值和實(shí)際安裝的情況下，最佳壓縮率選定為25%。

　　圖3不同壓縮率下DN50卡壓連接件承受的壓力值

　　3.2壓縮永久變形率與使用壽命預(yù)測(cè)

　　由高溫加速老化試驗(yàn)所測(cè)得的永久變形率和時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

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　　圖4不同溫度下密封圈壓縮永久變形與時(shí)間的關(guān)系

　　在高溫下，橡膠的老化會(huì)明顯加速。在一定的溫度范圍內(nèi)，高溫加速老化與橡膠圈在使用溫度下的老化機(jī)理是相同的。因此，可以通過(guò)高溫下一系列的老化試驗(yàn)，用回歸分析的方法，找出各個(gè)溫度下的變化常數(shù)，再由各個(gè)溫度下的常數(shù)就可以推算出使用溫度下的橡膠圈的性能[8]。

　　在靜密封下，密封圈的使用壽命可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式[8]來(lái)預(yù)測(cè)：

　表1不同溫度下計(jì)算的k值

　　選定溫度T分別為常溫（25℃）、70℃、80℃和90℃，將常數(shù)B、k、a值代入公式（5），得到密封圈在水中的壓縮永久變形率和時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

　　圖5密封圈在水中壓縮永久變形率與時(shí)間的關(guān)系

　　如果定義密封圈的失效臨界值為y0=0.3，即永久變形率c=1-y0=70%時(shí)密封圈失效，那么從（5）式可以計(jì)算，密封圈在常溫、70℃、80℃和90℃的熱水中的使用壽命分別為306年、128年、80年和52年。從圖5可以看到，在不同的溫度下，密封圈在使用第一年時(shí)永久變形率變化較大，從5%左右迅速增大20%～30%，隨后增速變緩，直至達(dá)到臨界值而失效。以密封圈在80℃熱水中的計(jì)算結(jié)果為例，t=1d時(shí)，c=5.1%；t=365d（1年）時(shí)，c=30.4%；當(dāng)t=29200d（80年）時(shí)，c=70%，密封圈失效。也就是說(shuō)，O型圈在80℃的熱水中，只用了一年時(shí)間就達(dá)到了30.4%的永久變形率，而隨后c從30.4%增加70%需要79年的時(shí)間。因此，可以認(rèn)為初始的0～30%以?xún)?nèi)的永久變形率對(duì)于在熱水中使用的O型圈的壽命沒(méi)有太大的影響，而溫度是影響O型圈壽命的最主要因素。實(shí)際O型圈在安裝中，隨著給定壓縮率的不同，會(huì)有不同的永久變形率，我們只需要選擇一個(gè)合適的壓縮率，使永久變形率不超過(guò)30%，便不會(huì)對(duì)O型圈的使用壽命造成很大的影響。

　　4）結(jié)論

　　（1）隨著安裝中壓縮率的增大，薄壁不銹鋼水管卡壓連接件承受的壓力也隨之增大，壓縮率超過(guò)25%以后承受壓力增幅不明顯。在25%壓縮率下，連接件能穩(wěn)定承受的壓力不小于4.0MPa。

　?。?）壓縮率為25%時(shí)，在常溫、70℃、80℃和90℃的熱水中，預(yù)測(cè)的O型圈的使用壽命分別為306年、128年、80年和52年。溫度對(duì)O型圈的壽命影響最大。

　　綜上，考慮到產(chǎn)品制造公差和安裝工具的磨損等實(shí)際情況，薄壁不銹鋼管道卡壓連接時(shí)的O型圈的壓縮量應(yīng)在25%左右最佳，這樣既有良好的密封性，使得不容易失效，也有長(zhǎng)久的使用壽命。

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