建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析

建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析

郝晓霞

天津圣清建筑工程有限公司 天津市  邮编300450

摘要：

为延长给排水管道橡胶密封圈的使用寿命，通过建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试，分析其密封性能。以固定质量分数的三元乙丙橡胶、炭黑N115、氧化锌、硬脂酸与不同质量分数的硫磺、防老剂4010NA、促进剂TMTD/NS、增塑剂A为配方材料，制备不同配比的建筑给排水管道三元乙丙橡胶密封圈。采用正交试验法通过在85℃污水介质下，研究不同配方材料添加量对三元乙丙橡胶密封圈老化性能指标的影响，获取三元乙丙橡胶密封圈试件最佳配比；通过对试验管道作漏水检测以及不同热氧老化试验，分析试件的耐老化性能与密封性能。试验结果表明：硫磺、防老剂4010NA、促进剂TMTA、促进剂NS、增塑剂A的配比为0.6∶2.2∶1.8∶1.5∶2时，制备的密封圈试件压缩率指标最高、压缩永久变形指标值最小；热氧老化温度为85,100℃时，经90 d老化，密封圈试件密封性能最突出；热氧老化温度升至115,130℃,分别经17,5 d老化后，其密封性能明显下降；24%压缩率下，管道可承受的最大压力为4 MPa,在该压力下仍能保证管道不漏水。

关键词：密封性能;橡胶密封圈;建筑给排水管道;老化测试;

合适的管材、密封性突出的橡胶密封圈是确保建筑给排水管道安全运行的关键,如今管材性能已得到行业的广泛关注与高度重视，但对密封圈的重视程度仍有不足,由密封圈老化导致的建筑给排水管道漏水问题时有发生，这不仅会加大建筑给排水管道的维护保养难度，也会给社会正常运转带来诸多不便。因此，设计适合应用于建筑给排水管道的耐老化密封圈显得尤为重要。

本研究为实现建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析，将三元乙丙橡胶作为建筑给排水管道密封圈制备的主要原料，通过研究制备配方其他材料添加量对密封圈老化性能的影响，确定最优制备配方，再通过热氧老化试验分析制备的三元乙丙橡胶密封圈的耐老化、密封性能，以提高其使用寿命。

1 试验

1.1 试验设备

试验设备采用上海试验机厂和上海林频试验机厂生产的401, 402, LP系列老化试验箱。

1.2 试验件及试验介质

试验件采用某型发动机配套的O形橡胶圈, 胶料种类包括F275-31氟橡胶和G402-31氟硅橡胶。试验介质包括3号喷气燃料和特种高温润滑油。

1.3 老化条件及试验工装

燃油介质中老化温度为110℃, 润滑油温度中老化温度为130℃。

1.4 试验项目

1) 对比不同初始压缩率对压缩永久变形影响。

2) 对比不同密封形式对压缩永久变形影响。

3) 对比不同封存介质对压缩永久变形影响。

1.5 性能测试

老化性能指标选取压缩永久变形, 以O形橡胶圈的小径截面直径为测量对象, 不定期测量小径直径的变化情况。端面密封形式受拆装影响较小, 可以重复测量, 测量完毕后将试样重新装回工装, 然后置于老化试验箱继续老化;径向密封形式受拆装影响较大, 测量完毕后退出试验。测试环境条件:温度 (23±2) ℃, 相对湿度 (50±5) %。

2 结果与讨论

2.1 不同初始压缩率对压缩永久变形影响

分别选取两种橡胶材料的典型O形橡胶圈 (Ф9.55×Ф1.9) 分别按照15%, 25%和30%初始压缩率进行加速老化试验。

2.1.1 F275-31氟橡胶试验数据

F275-31氟橡胶老化参数变化曲线, 经过60 d老化后, 不同初始压缩率试样压缩率降低幅度相当, 三组曲线均比较平稳, 在相当长的时间内未出现交叉点。换算成压缩永久变形, 15%初始压缩率的试验变化明显快于其它两组试验, 更容易达到压缩永久变形临界值, 密封失效。因此分析得出, 初始压缩率低, 贮存寿命将较短。

2.1.2 G402-31氟硅橡胶试验数据

G402-31氟硅橡胶老化参数变化曲线, G402-31氟硅橡胶不同初始压缩率老化后压缩率变化趋势与F275-31氟橡胶相似, 即初始压缩率低, 贮存寿命将较短。G402-31氟硅橡胶老化过程中, 产生压缩永久变形的程度严重, 老化50 d后已接近100%, 压缩率降至0, 相比F275-31氟橡胶, 其贮存寿命较短。

综上所述, 30%初始压缩率的密封结构贮存寿命最长, 25%初始压缩率次之, 15%初始压缩率最短。得到最长贮存寿命对于评估装备贮存寿命无实际意义;25%初始压缩率代表了较多压缩状态, 其贮存寿命很重要;15%初始压缩率出现的概率较低, 但其较短的贮存寿命可能暴露装备贮存薄弱环节。

2.2 不同密封形式对压缩永久变形影响

选用O形橡胶圈 (φ9.55 mm×φ1.9 mm) 分别以端面密封和径向密封形式进行加速老化试验, 试验时间为60 d。

2.2.1 F275-31氟橡胶试验数据

F275-31氟橡胶老化参数变化曲线, 两种密封形式的压缩率衰减程度基本相当, 端面密封的压缩率降低程度略大于径向密封的降低程度, 端面密封的贮存寿命应略短于或等于径向密封的贮存寿命。

2.2.2 G402-31氟硅橡胶试验数据

G402-31氟硅橡胶老化参数变化曲线, 端面密封形式的压缩率衰减程度快于径向密封形式。G402-31氟硅橡胶硬度较F275-31氟橡胶偏低, 容易产生压缩永久变形, 而径向密封重复测量对压缩状态有较大影响, G402-31氟硅橡胶尤为明显, 导致径向密封老化试验未能准确表征橡胶圈的性能退化真实状态。G402-31氟硅橡胶端面密封的压缩率降低程度大于径向密封的降低程度, 端面密封的贮存寿命应短于径向密封的贮存寿命。

综上所述, 端面密封的压缩率降低程度大于或等于径向密封的降低程度, 端面密封的贮存寿命短于或等于径向密封的贮存寿命。

2.3傅里叶红外光谱分析

取未经过老化的样品作为未老化的丁腈橡胶，从哑铃型样品上取样作为湿热老化后的丁腈橡胶，从圆柱型样品压缩过程中与空气接触一面上取样，作为湿热老化且受应力压缩的丁腈橡胶，分别对其编号NBR1、NBR2、NBR3，并对其测试傅里叶红外光谱并进行对比。

分析丁腈橡胶的红外光谱，2 918、2 849 cm-1的峰为C-H键的伸缩振动，966 cm-1的峰为反式丁二烯结构中C-H键的变形振动，1 733、1 533 cm-1的峰为-C=O的振动，可对羰基进行表征，1 640 cm-1的峰可对不饱和键-C=C-表征。

综上分析可见，不同于热氧老化的氧化、交联、断链，最终断链与交联达成平衡的机制，丁腈橡胶湿热老化中不以氧化反应为主，主要发生水解和交联，从而形成更严密的网络结构。

结论

(1) 85 ℃污水介质下，硫磺：防老剂4010NA:促进剂TMTA:促进剂NS:增塑剂A比例为0.6∶2.2∶1.8∶1.5∶2时， 三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标最高、压缩永久变形率最小，其耐老化性能最突出。

(2) 24%压缩率下，管道可承受的最大压力为4MPa, 且保证管道不漏水。

(3) 85,100 ℃热氧老化温度下，三元乙丙橡胶密封圈在经过90d老化时，密封性能最突出；115,130 ℃温度时，分别经17,5 d老化后，其密封性能明显下降。

参考文献

[1]李安达，孙颖慧，叶烈伟，等.建筑给排水隔震柔性管道设计方法[J].中国给水排水，2021,37(8):59-64.

[2]盛丽媛，彭超，李京，等.非金属管道在核电厂室外工程给排水直埋管道中的应用分析[J].给水排水，2020,56(S1):91-94.