基于不同环境的氟橡胶O形密封圈失效行为

李 玉，李 璐，徐 伟，李 婵

（延长油田股份有限公司宝塔采油厂，陕西 延安 716000）

O形密封圈是常见密封配件，结构简单、便于安装、适用范围广泛，因此得以在石油、化工、机械等多领域实现了普遍应用[1]。当前O形密封圈的相关研究侧重于失效行为、密封性，在油田作业过程中，氟橡胶密封圈的密封性能与使用寿命直接受整体环境影响，即温度、压力等[2]。而橡胶材料在石油集输介质中的溶胀与老化，导致O形密封圈出现不可逆转的塑性变形与弹性下降，从而引发密封失效，接头位置发生渗漏，对油田生产造成了一定威胁。因此，研究氟橡胶O形密封圈的失效行为具有十分重要的现实意义。

1 氟橡胶O形密封圈的密封原理

氟橡胶O形密封圈是一种现代化机械生产普遍应用的密封配件，可适用于多类型密封模式要求、多机械运动模式、多不同密封介质，且自身结构设计制造简单，拆装便捷，同时具备许多材料类型可供各种使用环境选择，所以深受业界认可[3]。氟橡胶O形密封圈的密封原理即根据材料弹性，就实际受压状况，自身结构形态变化，密封设备。基于氟橡胶O形密封圈的密封方式，可具体划分为两类，即间隙密封与接触密封，其中间隙密封指氟橡胶O形密封圈使用时，以对运动元件运动时配合间隙的合理利用，充分发挥密封圈的密封效用；接触密封指基于氟橡胶O形密封圈和密封设备间的压力影响，发生弹性变形，以此有效发挥密封圈的密封作用。氟橡胶O形密封圈的接触密封方式下，可由静止密封与运动密封双层面考虑，静止密封是以密封设备初始压力加以实现的，在发挥密封性能时，会直接承受沟槽深度与径向密封尺寸的多方面影响；运动密封是和密封设备轴径大小、密封圈接触宽度、轴体结构往复运动速度、密封圈硬度等多重因素息息相关，需就使用需要整体掌握，以确保密封圈的密封性能[4]。

2 失效行为试验准备

2.1 环境设置

以Φ10mm×10mm的氟橡胶作为试验材料；以70、80、90、100 ℃为试验温度，以50%为试验湿度；以70℃、85%RH与70℃、95%RH为湿度试验；以1、3、6、9、12、16 d为试验时间；以无破损、无缺陷、无气泡、原始压缩率30%为样品状态，在上述环境条件，开展失效行为试验。

2.2 仪器设备

以老化试验箱、高低温湿热交变试验箱、专用夹具、橡胶测厚计为仪器设备，开展试验[5]。

3 失效行为试验结果分析

把试验测试所得永久压缩变形率值处理之后，获取老化性能与老化时间之间的关系，具体见表1。

表1 基于老化时间的橡胶压缩变形率(%)Table 1 Rubber compression deformation rate based on aging time

由表1可知，不同环境下，随着时间增长，橡胶的压缩变形率值逐渐增大；在热老化试验中，橡胶的老化性能变化趋势相对平缓，随着温度上升，压缩变形率越大；在湿热环境下，橡胶的老化性能变化幅度相对较大，随着湿度增大，老化性能变化越显著，所以说湿度对于氟橡胶的影响比较明显。

其中，压缩变形率与老化时间之间并未呈现出显著的线性关系，所以老化常数并不是1。据已有研究证明氟橡胶老化常数实际为0.368，设定y=ln(1-σ)，x=tμ，μ=lnE，n=-P，创建线性回归模型[6]，即：

其中，σ代表永久压缩变形率；t代表老化时间；μ代表老化常数；E代表试验常数；P代表老化反应速率常数。

3.1 氟橡胶O形密封圈失效行为分析

以最小二乘法对上述公式进行拟合[7]，获得m、n及其相关系数值，具体见表2。

表2 基于不同老化环境的回归参数值Table 2 Regression parameter values based on different aging environments

由表2可知，随温度上升，氟橡胶老化速率随之增大，然而高温高湿环境下，氟橡胶老化速率极速增大，而温度/湿度（70℃/85%）环境下氟橡胶O形密封圈的老化速率为70℃/50%环境下密封圈老化速率的7.14倍，而70℃/95%环境下氟橡胶O形密封圈的老化速率为70℃/50%环境下密封圈老化速率的8.28倍。可知，70℃环境下，湿度对于氟橡胶的老化性能影响较为显著。

基于表2数据可得不同温度湿度环境下氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程公式[8]。

70℃/50%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

80℃/50%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

90℃/50%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

100℃/50%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

70℃/85%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

70℃/95%环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程为：

设定氟橡胶O形密封圈压缩永久变形的临界值是26%，那么密封圈处于70℃/85%、70℃/95%环境下的寿命具体为16.3d与12.3d。

我国琼海区域年最高温度为37.7℃，年均湿度为81%，然而由于阳光充足，地面或者金属设备表面可达到更高温度[9]。若氟橡胶O形密封圈所接触法兰受各种因素影响达到70℃，而当时湿度达到85%，此现象持续60min后，会导致氟橡胶O形密封圈寿命大大缩减约71.5d。所以说高温高湿环境对于氟橡胶O形密封圈的影响非常显著；若湿度偏小，则于70℃/50%环境下静置60min，可促使氟橡胶O形密封圈寿命缩减约7.7h。对比分析可以看出，湿度对氟橡胶O形密封圈的影响十分明显[10]。

3.2 氟橡胶O形密封圈储存寿命评估分析

基于70℃/50%、80℃/50%、90℃/50%、100℃/50%环境下的老化速率常数，即0.0134、0.0152、0.0174、0.1956，拟合得出lnP和之间的关系，具体见表3。

表3 lnP和1/T的拟合关系Table 3 Fitting relationship between lnP and

表3 lnP和1/T的拟合关系Table 3 Fitting relationship between lnP and

1 T 0.00270.00280.00290.0030 lnP -3.93 -4.05 -4.17 -4.31

拟合方程具体即lnP=0.5728-1679.2615/T，据此推理可知，25℃时反应速率常数约为0.00634，试验常数均值约为0.8759，可知lnE为-0.1327，代入公式ln（1-σ）=lnE-Ptμ，可得出氟橡胶O形密封圈使用寿命约为7560d，即20.72a。由于试验存在误差，通常选择安全系数为2，那么氟橡胶于温度/湿度25℃/50%环境下，安全储存寿命约为10.36a。

4 结论

针对不同高温高湿环境下的氟橡胶O形密封圈失效行为进行了试验分析，结果表明，随温度上升，氟橡胶老化速率随之增大，然而高温高湿环境下，氟橡胶老化速率极速增大，而温度/湿度（70℃/85%）环境下氟橡胶O形密封圈的老化速率为70℃/50%环境下密封圈老化速率的7.14倍，而70℃/85%环境下氟橡胶O形密封圈的老化速率为70℃/50%环境下密封圈老化速率的8.28倍，可知70℃环境下，湿度对于氟橡胶的老化性能影响较为显著；氟橡胶于温度/湿度25℃/50%环境下，安全储存寿命约为10.36a。所以，高温高湿环境对于氟橡胶密封圈的影响比较明显，对此在日常储存与使用时，应注重温度与湿度环境，并定期检查密封圈的密封性能。