盾构密封脂技术特性与标准化研究

王先会

(中国石化润滑油有限公司润滑脂研究院 天津 300480)

盾构施工必须隔绝外界泥水，确保盾构内部与盾构壳体外部完全处于封闭状态，以保证推进正常和盾构施工安全。盾构主机的密封，包括主驱动密封、铰接密封和盾尾密封等三大密封系统[1]。采用润滑脂来进行密封的是主驱动密封和盾尾密封。作为盾构施工中使用的关键配套材料，盾构密封脂包括主轴承密封脂、主轴承润滑脂和盾尾密封脂3种产品[2]。

盾构密封脂具有密封和润滑双重功效。但是，针对盾构密封脂的关键特性指标如何表征确定，技术特性指标及其与现场使用效果的关联性等问题，还缺乏深入的考察研究。国际标准化组织(ISO)、国际隧道与地下空间协会(ITA)等各相关组织或协会，目前尚未发布盾构密封脂产品和试验方法标准。

国内盾构机制造、隧道施工、密封脂生产等企业及相关行业组织，迫切要求尽快结束这种无行业指导性标准可依的状态。希望通过开展盾构密封脂技术特性的系统研究，尽快制定出具有先进性、规范性、权威性、统一性的盾构密封脂产品标准和试验方法标准。

本文作者通过分析盾构密封系统的工况条件，提出了对于盾构密封脂的性能要求，并对盾构密封脂的重要技术特性进行了系统评定与研究分析；在此基础上，制定出具有先进性和规范性的盾构密封脂产品标准和试验方法标准。

1 盾构密封系统对于密封脂的性能要求分析

1.1 主驱动密封系统

主轴承是盾构机主驱动系统的核心部件[3]，要承受切削刀盘的轴向、径向负荷和力矩，支撑刀盘的回转及传动，其可靠性、安全性、寿命是至关重要的。主轴承通过变频电机为刀盘提供旋转转矩。主驱动密封系统由4排唇形密封系统组成，作用是防止外界泥水、碴土、砂砾等进入主驱动齿轮箱[4]。其中外邻土仓或泥水舱的迷宫密封为第一道密封，使用具有一定压力的主轴承密封脂。第一道和第二道密封之间为主轴承润滑脂腔，注入带一定压力的主轴承润滑脂。第二道与第三道密封之间为齿轮油加压腔。第三道与第四道密封之间为空腔，用于泄漏检测。盾构机主驱动密封系统的工作原理见图1,主驱动密封组装结构见图2。

图1 盾构机主驱动密封系统工作原理

图2 主驱动密封组装结构

主驱动密封系统使用主轴承密封脂和主轴承润滑脂2种产品，不仅要有密封作用，阻止土仓内的渣土进入齿轮箱，还要求必须具有润滑作用。若唇口密封部位润滑效果不好，会造成唇口密封摩擦阻力增大，磨损增加，缩短密封部件使用寿命。相比较而言，主轴承脂侧重密封性，而主轴承润滑脂侧重润滑性。

主驱动采用强制性的集中润滑方式，所用密封脂尤其是主轴承密封脂，还要求具有适宜的泵送性。若泵送阻力小，则注入的密封脂压力过低，会造成盾构外部的泥沙进入唇口密封，损坏唇口密封，同时也导致密封脂的过量消耗。

主驱动密封系统的密封圈材料为丁腈橡胶或聚氨酯橡胶，主轴承润滑脂中因含有80%以上的基础油，若与橡胶件相容性差，会造成密封材料的性质破坏，严重影响密封效果。与密封材料的相容性，也是对密封脂的重要性能要求。

1.2 盾尾密封系统

在隧道盾构推进作业中，拼装管片位于盾构机械外部，造成盾壳与管片之间存在一定的间隙[5]。盾尾密封是为了防止周围地层的土砂、地下水、背后注入浆液或掘削而产生的泥水或泥土等，从间隙处流向盾构机内而设置的密封装置[6]。该密封装置通常采用3排不锈钢钢丝刷，并且在钢丝刷之间通过泵入设备实时填充盾尾密封脂。盾尾密封组装结构见图3。

图3 盾尾密封组装结构

盾尾密封脂首先是要求具有密封作用，此外，还要求具有适宜的泵送性、良好的抗水性和黏附性，以及对钢丝刷及钢结构有减少磨损和防护的功效。

2 盾构密封脂技术特性评定与研究分析

2.1 耐水密封性评定分析

2.1.1 耐水密封性测定仪设计开发

欧洲建筑用特殊化学品联合会(EFNARC)的《隧道挖掘特殊产品规范与指南》规定,测定盾构密封脂耐水密封试验要求耐水密封压力在3.0 MPa以上[7]。参考日本松村公司MATSUMURA方法，设计开发了半自动盾构耐水密封性测定仪，其工作原理见图4。

图4 盾构密封脂耐水密封性试验仪工作原理

试验方法是高压气源通过管路向试验筒提供高压气体，此时筒内水获得相应高压；高压水穿透压平筛板，直接作用于下部密封脂的表面或渗透于脂内部。通过观察试验筒底部是否有水渗出，称量油脂泄漏量为试验结果[8]。

2.1.2 不同木质纤维含量对耐水密封性的影响

利用上述半自动耐水密封性测定仪，对不同木质纤维含量的主轴承密封脂进行测试，考察纤维含量对耐水密封性的影响。试验结果见表1。

表1 不同木质纤维质量分数对主轴承密封脂耐水密封性的影响

由表1可知，当纤维质量分数小于1.0%时，有水的渗漏发生；当纤维质量分数达到1.5%以上时，则密封脂无水泄漏。随着纤维质量分数的逐步增加，脂的稠度随之提高，而脂的泄漏量也趋于减少。因此，提高主轴承密封脂中的纤维质量分数，能使密封脂的三维空间结构更加致密，有利于耐水密封性的提高。

2.1.3 国内外主轴承密封脂样品耐水密封性评定

选取国内外主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂样品B1、B2、B3、B4，在3.5 MPa试验压力下进行耐水密封性测试，将试验结果列于表2。

表2 国内外密封脂样品耐水密封性评定测试结果

由表2可知，在3.5 MPa试验压力下，国内外承密封脂样品均未发生漏水现象，但盾尾密封脂的泄漏量低于主轴承密封脂。表2结果表明，在密封性方面，部分国产脂的质量与国外同类产品比较基本相当。

2.2 泵送性评定分析

2.2.1 泵送性试验方法的开发

泵送性是衡量密封脂泵送阻力的指标，实际反映密封脂内摩擦力大小。温度对盾尾脂管路压力损失有较大的影响[9]。 在不同的施工环境温度下，选择与之匹配的密封脂[10]。地质条件与油脂消耗量也存在较显著的线性关系[11]。在国际上，盾构密封脂泵送性试验无规范统一的试验仪器及方法[12]。通过改进美国科勒公司低温流动性试验仪来测定盾构密封脂的泵送性，同时制定了相应试验方法。盾构密封脂泵送性测试仪工作原理与ASTM D1092相一致，其结构组成见图5。

图5 盾构密封脂泵送性测试仪工作原理

试验方法是在试验圆筒内装入一定量密封脂，设置恒定温度，通入高压气体并保持1.0 MPa压力。最后以每分钟通过毛细流出的密封脂量，来表示盾构密封脂泵送性(g/min)。

2.2.2 国内外主轴承密封脂样品泵送性评定

对上述选取的国内外主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4和A5，进行泵送性测试。试验温度为25 ℃，压力为1.0 MPa。试验结果见图6。

图6 国内外样品泵送性试验结果

由图6可知，国内外样品的泵送性试验结果存在一定差异，表现为样品A3实测值较高，而A5样品实测值最低。这与各公司产品稠化剂用纤维、增黏剂、基础油等的种类及加入量等因素直接相关。综合考虑，目前国内外盾构密封脂生产厂商认为泵送性范围控制在40～45 g/min时较为适宜。泵送性试验实测值低，表明脂的流动阻力大，在盾构施工中易出现堵塞盾构机送脂管路事故；而实测值过高，则可能导致密封脂消耗量过大，且密封效果变差等相关问题发生。

2.2.3 主轴承脂泵送性试验结果与现场消耗量的相关性

为了考察实验室泵送性试验结果与盾构施工现场脂消耗量的关联性，选择了某公司生产的4批次主轴承密封脂，在气温20～35 ℃下，选择某盾构施工区段进行试验。试验结果见图7。

在盾构施工过程中，通常是以每推进1环(1.2 m或1.5 m)来统计密封脂的实际消耗量。由图7可知，试验室泵送性结果越大，施工中实际脂消耗则越大。这表明利用文中试验仪器及试验方法，所得到的试验数据能够准确地反映出盾构密封脂的泵送效果，试验室测定结果与现场脂消耗量存在稳定的关联性。

图7 泵送性试验结果与现场脂消耗量的相关性

2.3 密度评定分析

2.3.1 密度测定器及试验方法的开发

密度可以间接反映密封脂中重质填充物的含量。因盾构密封脂极特殊的黏稠纤维状态，现有GB/T 1884、GB/T 2540、GB/T 13377、GB/T 13477标准中关于石油产品或建筑黏结剂密度试验方法，用于测定盾构密封脂密度时重复性和再现性均较差。为此，开发了密封脂密度专用测定器及试验方法。密度测定器见图8。试验方法是在密度测定器内,充满等体积的试样。称量试样质量,用样品质量除以容积得到试样密度。

图8 盾构密封脂密度测定器结构(mm)

2.3.2 国内外密封脂样品密度评定

选取上述主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4、A5，以及盾尾密封脂样品B1、B2、B3、B4，进行密度测定。将试验结果列于图9。

由图9可知：盾尾密封脂的密度普遍高于主轴承密封脂，这表明盾尾密封脂中，固体填充物成分更高一些；而相同产品间的密度有一定差异，则是由密封脂的配方体系、制造工艺等不同造成的。

图9 国内外盾构密封脂样品密度测试结果

2.4 黏附性评定分析

2.4.1 黏附性试验方法的开发

黏附性主要反映盾尾密封脂与水泥管片的黏附能力。参考GB/T 13477的第6部分《建筑密封材料试验方法 流动性的测定》，制定了盾构密封脂黏附性试验方法。该方法与日本JIS A5758也具有可比性。将盾构密封脂填充到规定尺寸的长方体模具中，在不同温度下以垂直保持规定的时间，报告试样流出模具端部的长度。密封脂黏附性试验器见图10。

图10 盾构密封脂黏附性试验器(mm)

2.4.2 国内外密封脂样品黏附性评定

选取上述主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂样品B1、B2、B3、B4，进行黏附性试验。将试验结果列于图11。

图11 国内外盾构密封脂样品黏附性测试结果

由图11可知，相比于主轴承密封脂，盾尾密封脂具有更好的黏附性。这表明盾尾密封脂与水泥管片之间，可形成有较强的黏附力。A3样品流出长度略高，表明其黏附性稍差。

2.5 其他特性评定分析

2.5.1 润滑性

盾构机作为特大型工程装备，主轴承密封系统在冲击、振动、重载等条件下工作。主轴承密封脂要求具有一定的抗磨性能，而主轴承润滑脂则要求具有更好的减摩和极压性能。采用SH/T 0204《润滑脂抗磨性能测定法(四球法)》和SH/T 0203《润滑脂极压性能测定法(四球法)》，对上述主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4、A5进行抗磨性能评定，结果见图12。从市场上选取国内外主轴承润滑脂样品C1、C2、C3、C4、C5，进行抗磨性能和极压性能评定，结果见表3。所选样品锥入度范围为2号。

表3 国内外主轴承润滑脂抗磨和极压性能

图12 国内外主轴承密封脂样品的抗磨性能

由图12可知，除A3样品外，其他样品磨痕直径差异均不大。表明国内外主轴承密封脂抗磨性能基本相当。

由表3可知，除C4样品pD值较低外，其他样品的抗磨性能和极压性能基本相当。

2.5.2 抗水性

抗水性可以反映密封脂在高压水冲击下，不乳化、不流失的能力，试验方法采用SH/T 0643《润滑脂抗水喷雾性测定法》。该方法与ASTM D4049一致。选取上述主轴承密封脂样品A1、A2、A3、A4、A5，盾尾密封脂样品B1、B2、B3、B4，进行黏附性试验。将试验结果列于图13。

图13 国内外主轴承密封脂样品抗水性测试结果

由图13可知，A2样品抗水喷雾流失量大，表明抗水性较差。将主轴承密封脂和盾尾密封脂比较，盾尾密封脂抗水性更好一些。

2.5.3 橡胶相容性

橡胶相容性反映密封脂不侵蚀丁腈橡胶或聚氨酯橡胶密封圈的能力。试验方法为GB/T 1690《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐液体试验方法》、GB/T 531.1《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法 第一部分:邵式硬度计法(邵尔硬度)》及GB/T 528《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》。对上述主轴承润滑脂样品C1、C2、C3、C4、C5，进行橡胶相容性试验，结果见表4。

表4 主轴承润滑脂橡胶相容性试验结果(100 ℃，72 h)

由表4试验结果可知，除C5样品外，主轴承润滑脂均有促使2种橡胶试件发生硬化及体积膨胀的趋势，但拉伸强度变化率和扯断伸长率变化率的或增或减则相对复杂。主轴承润滑脂与橡胶密封材料的相容性，主要取决于基础油中烷烃、环烷烃及芳烃的含量大小，加入的某些添加剂组分也会产生一定影响。要获得更好的橡胶相容性，主轴承润滑脂适宜选择高黏度、高黏度指数的矿物基础油或合成烃基础油。

3 国内外盾构密封脂质量标准现状

将国外某公司主轴承密封脂的典型数据列于表5，国外某公司盾尾密封脂的典型数据列于表6，国内某公司盾尾密封脂的技术指标列于表7。

表5 国外某公司主轴承密封脂典型数据

表6 国外某公司盾尾密封脂典型数据

表7 国内某公司盾尾密封脂技术指标

通过表5—7可以看出，国外盾构密封脂产品在试验方法方面尚不规范，如耐水密封性试验只是参照日本松村石油MATSUMURA方法，泵送性参照ASTM D1092或NFT60139，而保油性试验方法JISA 5751在日本已经被废止。由表7可知，国内产品在标准化方面存在更多问题，如泵送性以黄油枪“可打出油脂”作控制范围，试验结果准确性低，误差大。

4 盾构密封脂石化团体标准的制定

基于对盾构密封脂技术特性的系统评定与研究分析，并结合国内盾构密封脂质量标准的调研，中国石化润滑油有限公司和中铁装备集团有限公司，会同其他有关科研院所制定了中国石油和化学工业联合会(CPCIF)团体标准《盾构密封脂系列产品及试验方法》。将3种产品石化团体标准，分别列于表8、表9和表10中。

表8 主轴承密封脂石化联合会团体标准(T/CPCIF 0042.3—2020)[13]

表9 主轴承润滑脂石化联合会团体标准(T/CPCIF 0042.2—2020)[14]

表10 盾尾密封脂石化联合会团体标准(T/CPCIF 0042.1—2020)[15]

5 结束语

(1)通过分析主轴承密封系统和盾尾密封系统的工况条件，指出盾构密封脂必须具备优良耐水密封性、泵送性、润滑性，以及良好的抗水性、黏附性、橡胶相容性。

(2)通过开发的耐水密封性、泵送性、密度、黏附性等专用试验仪器和方法，对盾构密封脂重要技术特性进行分析研究,指出提高纤维含量有利于改善脂耐水密封性,证明现泵送性试验结果越大现场消耗量越高,部分国产产品质量已与国外水平基本相当。

(3)基于对盾构密封脂技术特性与质量标准的研究分析，在国际上率先制定出中国石油和化学工业联合会(CPCIF)团体标准《盾构密封脂系列产品及试验方法》，对于提高盾构密封脂生产和质量检测水平，实现盾构施工安全高效，具有重要价值和意义。