超高压力温度状态液压油体积弹性模量测量装置故障分析

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(1.华中科技大学 机械学院， 湖北 武汉 430074； 2.中海油田服务股份有限公司 油田技术研究院， 河北 三河 065201)

引言

在某些特殊应用领域，如深井深海探测设备的液压系统，其工作压力高达140 MPa、工作温度高达180 ℃以上。在超高压力温度状态下工作时，液压油就不能再视作不可压缩流体，其压缩和膨胀将对液压系统的动、静态特性产生极其重要的影响。因此，测量超高压力及超高温度状态液压油的体积弹性模量和热膨胀系数对设计研究超高压力温度液压系统有着重要的理论和实际意义。杨曙东教授等依据体积弹性模量的定义研制了一套超高压力温度液压油体积弹性模量测量装置[1]，并测量研究了2种常用超高压力温度液压油的体积弹性模量，通过换算还得到了这2种液压油的热膨胀系数[2]。该测量系统模拟液压系统实际工作的超高压力温度环境，因而具有较高的测量精度。由于涉及超高压力、温度，测量系统及测量工作流程复杂，一旦操作失误或测量装置出现故障，整个测量工作将前功尽弃，造成大量的人力、物力浪费。因此，要求测量装置的可靠性高。本研究拟结合测量试验过程中出现的实际问题，对测量装置故障的原因进行具体的分析，并提出改进措施，以利于后续对不同高温高压液压油进行体积弹性模量的测量研究。

1 测量装置结构

整个测量系统包括超高压力温度环境模拟装置和测量装置两部分。超高压力温度环境模拟装置是用于测井仪器压力温度试验的成熟设备，可靠性高；这里主要分析测量装置的结构和故障。测量装置结构如图1所示。

测量装置主要由上下平衡缸体13和5、导向盖2、平衡活塞4、传感器支架11、密封头16、多芯承压接头17及压力温度位移传感器等组成。测量装置整体置于超高压力温度模拟环境装置内，通过平衡活塞和调节模拟环境装置内水工质的压力、温度来改变被测液压油的压力、温度。液压油的压力、温度由压力温度传感器23检测、液压油的体积由位移传感器12检测并计算得到，然后依据体积弹性模量的定义计算得到不同压力、温度下被测液压油的体积弹性模量，同时还可以计算得到不同压力、温度下被测液压油的热膨胀系数。

该测量装置内外压力平衡，本身变形小，且直接测量被测液压油的压力、温度和体积，因而测量结果精度较高。其技术难点是超高压力、 温度环境下的密封问题，包括多芯承压接头处的静密封和平衡活塞上的动密封。

动、静密封的工作温度环境均为-40～180 ℃，工作压力环境均为0～140 MPa。静密封一侧是被测液压油，另一侧是大气，密封两侧的温度差最大到220 ℃，压力差最大到140 MPa，不允许被测液压油泄漏，这里采用了在测井仪器中应用较为普遍的双O形圈密封结构。动密封一侧是被测液压油，另一侧是模拟环境温度、压力变化的循环水工质，密封两侧的压力、温度基本一致，仅在压力、温度变化过程中存在一定的差异。

2 测量方法与步骤

被测液压油：Mobil Jet Oil Ⅱ和UNIVIS HIV 26。

测量方法与步骤：

(1) 用抽真空循环注油法向测量装置注入被测液压油，精确称量测量装置在注油前、后的质量，以得到所注被测液压油的质量，再利用其密度换算出其在常温T0、常压p0下的原始体积V0。

(2) 将测量装置安装于超高压力温度环境模拟装置内，并将各传感器的输出信号线与相应的显示仪表相连。

(3) 保持室温T0不变，通过超高压力温度环境模拟装置的加压系统，将压力筒内的水工质压力由常压逐级升高到140 MPa，再由140 MPa逐级降低到常压；每级升压和降压的压力梯度为20 MPa、时间不低于10 min， 待压力稳定后读取被测液压油的压力值pT0和对应的活塞位移，通过活塞位移换算得到被测液压油的体积V(T0，pT0)。

(4) 通过超高压力温度环境模拟装置的温度调节系统，将压力筒内水工质的温度逐级升高并稳定到Ti不变(Ti分别等于0、 10、 20、 30、…、180 ℃)。再重复(3)的升压和降压步骤，得到温度Ti时被测液压油的压力pTi和体积V(Ti，pTi)。

1.堵头 2.导向盖 3.水工质腔 4.平衡活塞 5.下缸体 6.导向环 7、18、21、22.O形圈 8.拉簧9.拉簧座 10、15.快旋螺母 11.传感器支架 12.位移传感器 13.上缸体 14.注油咀 16.密封头17.多芯承压接头 19.位移传感器信号线 20.压力温度传感器信号线 23.压力温度传感器 24.液压油腔 25.缸体端盖图1 测量装置结构图

依据试验数据， 按文献[3] 采用初始值差值法计算可得到被测液压油在温度Ti、压力为pTi时的等温正割体积弹性模量，即：

(1)

式中：V0i为压力p0、温度Ti时被测液压油的体积。

同理，亦采用初始值差值法计算，得到温度为Ti、压力为pTi时被测液压油的热膨胀系数：

(2)

3 故障现象及原因分析

理论上，液压油的体积是随压力的升高而减小、随温度的升高而增大的。也就是说：在测量过程中，在某一温度下，随着被测液压油压力的升高，活塞的位移应当减小；随着被测液压油压力的降低，活塞的位移应当增大。

测量研究共进行了4次，情况如下：

(1) 被测液压油为Mobil Jet Oil Ⅱ。液压油温度到160 ℃的降压测量时，发现显示的活塞位移数据基本不变，测量出现异常。降压、降温、取出测量装置拆检发现活塞上的O形圈损坏，如图2a所示，该密封圈选用的是Parker的V75° FKM 材料O形圈；其他部位密封圈完好。

(2) 被测液压油为Mobil Jet Oil Ⅱ。液压油温度到180 ℃、压力到140 MPa，整个测量过程没有出现异常。降压、降温、取出测量装置拆检发现所有密封圈完好，平衡活塞上的密封圈改用的是Parker的V95° FKM 材料O形圈。

(3) 被测液压油为UNIVIS HIV 26。液压油温度到140 ℃的升压测量时，发现显示的活塞位移数据基本不变，测量出现异常。降压、降温、取出测量装置拆检发现活塞上的O形圈损坏，如图2b所示，该密封圈选用的是Parker的V95° FKM 材料O形圈；其他部位密封圈完好。

图2 平衡活塞上O形密封圈失效图

(4) 被测液压油为UNIVIS HIV 26。液压油温度到160 ℃的降压测量时，发现显示的活塞位移数据基本不变，测量出现异常。降压、降温、取出测量装置拆检发现活塞上的O形圈损坏，该密封圈选用的是Parker的V95° FKM 材料O形圈；其它部位密封圈完好。

4次测试，3次出现故障，故障频率很高；而且3次故障均是在140～160 ℃的高温条件下，平衡活塞上的O形圈失效，导致了被测液压油与水工质的互渗。实践上也证明了平衡活塞动密封对测量装置的至关重要作用。

平衡活塞动密封O形圈失效可能有以下原因：

(1) 磨损失效 有研究表明，O形圈经常工作在半干摩擦条件下，其耐磨性常取决于材料的性能、介质的润滑性、工作表面的粗糙度及工作条件等[4]。

4次测试的工作条件完全相同。下缸体内表面光洁度实测为Ra 0.2。Mobil Jet Oil Ⅱ及UNIVIS HIV 26基本理化特性见表1和表2。

表1 Mobil Jet Oil Ⅱ的理化特性

表2 UNIVIS HVI 26的理化特性

第1次测试失效，O形圈的硬度为邵氏75度，考虑到材料化合物及强度等问题，第2次测试改用了邵氏95度的O形圈，成功完成了测试而没有出现平衡活塞动密封O形圈失效的问题。第3次、第4次测试。

采用的是与第2次测试同批次的O形圈，硬度也一样，但都出现了密封失效的问题；除了高温条件，被测液压油不同，但二者的理化特性差异不大，摩擦润滑性能可能稍有差异，但不应是O形圈密封失效的主要原因。

(2) 气爆失效 密封圈气爆失效的机理为：在含有气体的高压环境中工作时，高压气体会进入到密封圈的内部。当压力急剧降低时，密封圈内部的气体将迅速膨胀逸出，使密封圈表面形成微小裂缝。伴随着压力的循环升高、降低，裂缝逐渐扩展，最后使密封圈开裂而失效。图3是美国Parker公司O形密封圈产品手册中给出的典型气爆失效图[5]。

图3 Parker产品手册给出的O形圈气爆失效图

比较图2和图3，二者非常吻合，再结合测试时出现的故障现象，可以推断平衡活塞用O形圈的失效主要是气爆失效。

测量装置在注油时内部可能残留空气，高温时被测液压油中游离和溶解的空气也会部分逸出，被测液压油本身也可能部分汽化。在测试的升压过程中，这些游离的气体被加压而进入O形圈内部；当降压时，如果降压速率太大，进入O形圈内部的超高压气体便会迅速膨胀逸出，使O形圈产生裂纹；在高温条件下，多次循环升压、降压，O形圈上的裂纹便会不断扩展、加深，再加上往复运动摩擦的作用，O形圈最终因气爆而失效。O形圈材料的强度和缸体内表面的光洁度也会影响气爆失效的进程。

4 改进措施

由上述分析可知，测量装置平衡活塞动密封用O形圈失效的主要原因是气爆失效。尽管这种密封结构在测井仪的内外压力平衡活塞上也常用，但也经常发生密封失效问题。要有效解决类似工作条件下密封元件的失效问题，首先应该从密封材料和密封结构入手，以提高本质抗气爆能力。可采用GT圈或CGT圈，如图4所示。其中：挡圈用聚醚醚酮P9，T形密封圈用氟橡胶FKM，摩擦环用聚四氟乙烯PTFE。

1.活塞 2.缸体 3.挡圈 4.T形密封圈 5.摩擦环图4 GT圈和CGT圈密封结构示意图

GT圈和CGT圈具有良好的抗气爆能力，其工作压力可达300 MPa，工作温度可达230 ℃。相比于O形圈，GT圈抗挤压性能好，能有效防止密封圈转动，在低压时能有效密封，使用寿命长[6]。CGT圈由GT圈和PTFE摩擦环组合而成，除了具有GT圈的优点以外，其滑动摩擦很小，尤其适用于长行程动密封场合，使用寿命更长[7]。

另外，测量装置注油时应排尽油腔中的空气，尽量选用饱和含气量低的高温高压液压油介质；测量时，升、降压梯度和升、降温梯度合理，Parker公司抗气爆试验的降压速率为2 MPa/min，测量时的降压速率应小于此值。

5 结论

通过对超高压力温度状态液压油体积弹性模量测量装置的故障现象分析，发现平衡活塞O形圈气爆失效是其发生故障的根本原因。提出了改进平衡活塞密封结构、选择抗气爆性能好的密封材料、避免残留空气及制定合理的测量规程等提高测量装置可靠性的相关措施，为后续展开对不同高温高压液压油进行体积弹性模量测量研究奠定了基础，也为类似在超高压力温度下工作动密封装置的设计提供了一定的借鉴作用。

参考文献：

[1] 杨曙东，周林,等.超高压力温度状态液压油体积弹性模量测量装置设计研究[J].液压与气动，2014，(7)：27-30.

[2] 周林.超高压力温度状态液压油体积弹性模量测量装置设计研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[3] ASTM D6793-02，Standard Test Method for Determination of Isothermal Secant and Tangent Bulk Modulus[S].

[4] 陈超.液压油体积弹性模量在线检测装置设计及研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[5] Parker Hannifin Corporation．ORD 5700 Parker O-Ring Handbook[DB/OL]．http://www.parkerorings.com

[6] Greene Tweed Corporation，GT Ring Production Data[DB/OL]．http://www.gtweed.com

[7] Greene Tweed Corporation，CGT Ring Production Data[DB/OL]．http://www.gtweed.com