螺纹连接密封胶圈损伤分析

朱强强 ， 许宜军

（国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000）

0 引言

O型密封胶圈具有质量小、寿命长、耐油性好等优点，在飞行器中应用广泛，对各系统的密封性起着重要作用[1-3]。美国“挑战者”号航天飞机就是由于助推器上的一个O型胶圈失效，导致燃料泄露，最终导致空中解体爆炸。飞机上密封胶圈工作周期更长、性能稳定性要求更高，而螺纹连接密封胶圈使用压缩率更大，易引起失效。因此，研究胶圈的失效特征，并提出预防措施，是保障飞机安全飞行的重要前提[4-6]。

飞机地面检查时，发现螺纹连接处有碎屑状堆积物，分解检查发现O型胶圈损伤明显。随后检查出多架飞机发生类似故障。胶圈材质为丁腈橡胶2−5013，工作环境为28 MPa油压，并伴随压力脉动和高频振动。该胶圈失效，会降低系统作业能力，给飞行安全带来隐患。

本研究通过形貌观察、间隙及硬度测量、密封结构分析，结合胶圈的受力特性，分析胶圈的失效性质、原因及过程，并提出相应的改进措施。

1 试验方法

采用体视显微镜及场发射扫描电镜，观察断口宏、微观形貌。

参照HB 5234—1983《橡胶O形圈硬度测试方法》，对胶圈进行硬度测试。同一胶圈在不同位置测量6次取中值，同时取同批次、全新的O型胶圈进行测量，用于对比分析。

配合端面擦拭干净，将接头六方螺母的边标记为1～6，分别在不供压和32 MPa的油压下，使用标准塞尺测量配合端面的间隙量。

2 试验过程与结果

2.1 外观检查

胶圈安装于接头六方螺母端面处，与顶盖螺纹相配合，顶盖上加工有一倒角，胶圈损伤均位于与顶盖倒角相接触的一侧（图1）。两胶圈损伤宏观形貌有所差异：一个胶圈为表面层次错落有致的微小掉块损伤，损伤范围约占圆周的1/3；另一个胶圈表面损伤则为较大的掉块，损伤范围约占圆周的 1/4（图2）。

图1 胶圈装配图Fig.1 Assembly drawing of seal ring

图2 大掉块胶圈损伤Fig.2 Large-size peeling-off damage of seal ring

2.2 断口宏微观观察

在体视显微镜下观察胶圈宏观形貌，发现两胶圈外侧边缘均存在一圈挤压形成的凸起台阶，说明胶圈在使用过程中发生了间隙挤出（图3）；进一步观察发现，胶圈损伤均起源于挤出台阶的边缘处，并向一侧扩展（图4）。结合图1中胶圈拆卸时的位置对应关系可知，胶圈间隙挤出位置在顶盖倒角边缘与接头螺母端面配合处，损伤方向也是沿着顶盖倒角向内扩展。

图3 胶圈外侧凸起台阶Fig.3 Step morphology of seal ring

图4 小掉块损伤胶圈表面Fig.4 Small-size peeling-off damage of seal ring

大掉块损伤胶圈断面虽发生磨损，但依旧可见清晰的疲劳弧线特征，呈点源特征[7]（图5）。疲劳源区内未见气孔、夹杂等材料缺陷；扫描电镜下观察微小掉块损伤胶圈，损伤周围表面仍可见一些未发生剥离掉块的微裂纹，该处再发展即会形成新的微小掉块（图6）。虽然两胶圈的损伤形貌有所差异，但损伤模式基本相同，均为间隙咬伤，只是间隙咬伤后具体二次损伤形式不同。

2.3 间隙测量

端面配合间隙在加压前后的测试结果如表1所示。其中，小掉块胶圈失效时，碎屑堆积物主要聚集在螺母的4、5位置，该处为胶圈损伤掉块部位。大掉块胶圈失效时，堆积物聚集在螺母的1、6位置附近，对应胶圈损伤掉块的位置。

图5 大掉块胶圈断口疲劳特征Fig.5 Fatigue features of seal ring

图6 小掉块胶圈断口周围微裂纹Fig.6 Micro-crack morphology of seal ring

表1 加压前后的间隙测量结果Table 1 Clearance measurement results before and after compression mm

由结果可知，加压后配合端面各位置间隙均会有所增加，说明使用时在脉动油压的作用下，端面间隙会有一个张开、收缩的交变过程；但各个位置的间隙增加量又有所差别，胶圈损伤位置处间隙高达0.08～0.09 mm，而未损伤位置间隙基本保持在0.06 mm以内，虽均符合工艺控制要求的0.10 mm以下，但对比发现损伤位置间隙量更大。

2.4 硬度分析

2−5013丁腈橡胶国际硬度技术要求范围为IRHD 68～83，实测结果为 IRHD 68～76，两失效件和新件硬度虽均符合要求，但均偏低，尤其是新胶圈硬度接近标准范围的下限。

橡胶硬度对间隙挤出现象具有十分显著的影响，硬度越低，间隙挤出现象就会越严重。表2列出了HB/Z 4—1995中规定的不同硬度、不同工作压力的胶圈配合时允许的最大径向间隙量。参考15～21 MPa工作压力、邵尔硬度80的胶圈，允许的最大间隙仅为0.04～0.06 mm。而本研究中失效胶圈邵尔硬度标准为68～83，工作油压有时甚至会超过28 MPa，其允许的配合间隙应更小。而实测加压后胶圈损伤处间隙最高已达0.09 mm，明显偏大。

表2 橡胶间隙选择[8]Table 2 Rubber clearance selection

2.5 密封结构分析

接头六方螺母螺纹根部凹槽直径d0为φ39.6h11，顶盖孔径D1为φ42.5H11，顶盖倒角外边缘尺寸D2为胶圈内径d1为截面直径d2为测量结果显示：胶圈及密封结构的尺寸均符合标准要求。

顶盖倒角外边缘至螺母根部凹槽的距离为g：

式中：ES、EI分别为D2上偏差和下偏差；es、ei分别为d0上偏差和下偏差。

结果显示：d2＞g，导致装配时可能发生胶圈直径位于倒角外部的情况，端面间隙容易咬住胶圈外边缘造成损伤，简化装配图见图7。而参照HB 4-59—1987《螺纹连接件的密封结构》，此处的螺纹密封结构倒角外边缘公称直径标准为46 mm，而顶盖倒角公称直径仅为44.3 mm，低于标准要求，因此造成了d2＞g，胶圈外边缘容易被咬伤。

图7 简化装配图Fig.7 Simplified assembly drawing

近似使用顶盖孔径和螺母根部凹槽间隙h来计算胶圈的压缩率。

密封凹槽间隙量h：

式中：ES、EI分别为D1上偏差和下偏差。

密封圈压缩率Y：

O形密封圈靠预压缩产生的回弹力给密封接触面一定压力，达到密封的效果，因此压缩率的选择至关重要。一般为12%～45%，静密封选大值、动密封选小值，而螺纹连接件密封压缩率由于其结构的特殊性则要更高[9-12]，见表3。理论计算胶圈压缩率33.19%～44.01%，基本符合标准要求。

表3 压缩率选择[8]Table 3 Compression rate selection

3 分析与讨论

胶圈损伤均起始于间隙挤出形成的台阶边缘，然后沿顶盖倒角向内扩展，损伤性质均为间隙咬伤，但两胶圈的二次损伤形式有所不同。

间隙咬伤主要与胶圈硬度及间隙量有关，硬度值越低、配合间隙量越大，则越容易间隙挤出发生咬伤。由测试结果可知，胶圈硬度值接近标准要求的下限；而胶圈未损伤处间隙基本在0.06 mm内，损伤处间隙则为0.08～0.09 mm，虽符合工艺要求的0.10 mm以内，但明显高于HB/Z 4—1995的要求。综合分析橡胶的硬度偏低及端面间隙量偏大，是胶圈发生间隙咬伤的主要原因。

对胶圈进行简化受力分析，如图8所示。当不受油压或油压较小时，胶圈主要受拧紧力F、沿顶盖倒角向外部的静摩擦力f以及倒角处的挤压力G；当油压P较大时，胶圈有向端面间隙一侧挤入的趋势，此时摩擦力f与安装时相反，沿着顶盖倒角向内部方向，其他力方向不变（图8中虚线所示）。实际工况下，胶圈外边缘部分被挤入间隙中，m点处应力最大，严重时首先会发生破坏，在油压的脉动和高频振动的耦合作用下，会使胶圈倒角处受力成为一个复杂的交变过程，从而使胶圈间隙咬伤后，二次损伤的形式呈现多样化。

图8 受力分析图Fig.8 Simplified force analysis chart

综合分析胶圈的损伤过程：在高油压的作用下，胶圈在端面配合间隙量最大的位置处挤出严重，发生间隙咬伤，该处随即成为薄弱点。然后在脉动油压及高频振动等因素耦合作用下，胶圈沿着倒角向内发生损伤。

4 结论与改进措施

1）胶圈损伤性质为间隙咬伤。

2）胶圈损伤主要与胶圈硬度偏低以及端面配合间隙量较大有关，同时顶盖倒角边缘设计尺寸小于标准要求，也容易导致胶圈被咬伤。

3）结合理论及实际应用情况，端面配合间隙控制在0.06 mm内，可有效降低胶圈发生咬伤失效的机率。

4）在保证胶圈强度等其他性能指标满足技术要求的条件下，还可考虑适度的提高密封胶圈的硬度。