抗撕裂型海水蝶阀D形密封圈的研制

吴 雷，季明明，王 崇，金 鑫，徐继亮，朱 江

（1.中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300；2.沈阳橡胶研究设计院有限公司，辽宁 沈阳 110021）

随着我国核电产业的飞速发展，海水蝶阀的应用越来越广泛。海水蝶阀在核电厂的海水冷却系统中应用广泛，主要用于运行和检修时连通或切断循环水系统，避免海水大量倒灌，影响核电机组安全。目前，秦二厂1/2号机组使用的海水蝶阀多为英国伟尔阀门和控制有限公司产品，阀门采用D形橡胶密封圈进行密封。D形密封圈具有结构简单、维修方便和性能可靠等优点，但由于长期受到海水的腐蚀、颗粒物的冲刷以及疲劳应力的作用，常会引起密封圈的撕裂和破损，严重影响阀门的密封性能，威胁核电机组安全[1]。

本工作通过研究现有D形密封圈的失效形式，从结构设计与制造工艺上改善密封圈的性能，增强密封圈的抗撕裂和抗破损能力，提高秦二厂1/2号机组海水蝶阀的密封性能，从而满足暗渠隔离阀的使用要求，减少暗渠作业次数。

1 产品特点与性能要求

1.1 结构特点

D形密封圈是一种断面形状为D形的密封产品，能提供较大的基部接触面积，因而消除了扭曲和螺旋失效的可能，可为往复运动工作环境提供良好的密封效果。

为了强化D形密封圈的抗撕裂和抗破损能力，在其内部加入高强度骨架织物，其结构包括外环层、骨架层和内芯层。其中，外环层、骨架层和内芯层之间开设有安装用螺栓孔（如图1所示）。

图1 D形密封圈结构

1.2 工作方式

D形密封圈为海水蝶阀上的橡胶密封零件。海水蝶阀主要由阀体、阀座、阀瓣、D形密封圈、压板组成，其中D形密封圈通过压板用螺栓固定在阀瓣上（如图2所示），蝶阀通过阀瓣的翻转来带动D形密封圈转动，关闭时密封圈与阀座之间产生接触，使密封圈径向受压产生密封作用

图2 产品装配示意

1.3 技术要求

（1）介质。海水，氯离子含量为5 677.07 mg·L-1，含砂量为2.5 kg·m-3，砂粒粒度小于0.1 mm。（2）橡胶与骨架织物复合试片的撕裂强度约为85 kN·m-1。（3）使用寿命为10年。（4）70℃×24 h热老化后胶料拉伸强度和拉断伸长率乘积与老化前的比值≥0.7。（5）密封与耐久性试验。室温下以上述海水为运行介质，全行程开关阀门10次，做1次密封试验（试验压力为0.55 MPa），能实现双向密封（进口侧和出口侧加压），验收标准为无可见泄漏，同一密封圈连续试验10次，即100次开关循环。试验完成后，再选两条密封圈追加两组相同试验。试验全部通过算合格。

2 材料的选择

2.1 橡胶材料

根据产品的使用工况环境（海水腐蚀、颗粒物冲刷以及疲劳应力），要求产品具有较好的抗撕裂和耐老化性能。因此，根据各类橡胶材料的特性，选用氢化丁腈橡胶（HNBR）作为主体胶料。HNBR是由丁腈橡胶（NBR）特殊加氢处理而得到的一种高度饱和的弹性体，具有以下优点[2-3]。（1）机械性能优良。具有强度和撕裂强度高、耐磨性能优异等特点，以及较好的抗压缩永久变形性能。（2）化学稳定性好。对酸、碱、盐、氟碳化合物以及各种含强腐蚀添加剂的润滑油和燃料油具有良好的抗耐性，以及优异的耐臭氧性能。（3）耐油和耐老化性好。对燃料油、润滑油、芳香系溶剂的抗耐性良好，在150 ℃高温下使用寿命可达1 000 h，且无裂纹。（4）耐高低温性好。由于结构高度饱和，具良好的耐热性能，可耐130～180 ℃高温，耐－55～－38 ℃低温。综上所述，HNBR是综合性能优异的胶种之一，与其他聚合物相比更能适用于海水蝶阀的使用工况。

2.2 骨架材料

为了提高D形密封圈的抗撕裂性能，防止产生大块撕裂和破损现象，在内部加入骨架材料，并要求骨架材料具有强度高和耐疲劳性能好等特点。根据各类骨架材料的特性，本工作选用锦纶纤维作为骨架材料[4]。锦纶纤维与其他骨架材料相比具有断裂强度高、耐疲劳性能好、弹性好和耐磨性能好等优点。

2.3 粘合剂

为了使织物与橡胶具有较高的粘合强度，本工作选用在本体胶液中加入粘合剂的方式来提高其粘合强度，并在织物两面多遍涂刷本体胶液后，再与胶料压合成粘合性能好、撕裂强度高的橡胶与织物复合结构。

粘合剂选用开姆洛克205，这是一种橡胶与织物和金属粘合性能较好的粘合剂，具有良好的耐腐蚀性和耐环境性。

3 粘合试验

3.1 主要原材料

HNBR，赞南科技有限公司产品；炭黑，天津优盟化工科技有限公司产品；白炭黑，通化双龙化工股份有限公司产品；硫化剂DCP，台州市黄岩东海化工有限公司产品。

3.2 试验配方

试验配方为[5-6]：HNBR 100，炭黑 15，白炭黑 10，硫化剂DCP 4，其他 25。

3.3 试样制备

（1）混炼胶制备。采用开炼机进行胶料混炼，辊筒温度为40～60 ℃。将HNBR生胶塑炼至包辊后逐步加入炭黑、白炭黑和其他配合剂，混炼时间为17～24 min。胶料混炼均匀后经5—7次薄通后打卷下片，置于干燥器中备用。

（2）胶液制备。混炼胶经充分返炼后下片（厚度为1.5～2 mm），然后剪成100 mm×100 mm小块，置于甲苯和乙酯中浸泡24 h 后，倒入搅拌机中搅拌不短于8 h，制成胶料与溶剂质量比为1∶3的胶液。胶液在40 ℃以下的环境中保存。

（3）织物表面处理。织物表面无油污和水分，并有一定的新鲜表面，才能与橡胶材料粘合牢固，因此织物必须进行表面处理，即用酸碱清洗处理去掉油污，并高温干燥处理。

（4）粘合试样制备。选择几种不同牌号的锦纶织物进行粘合试验。先将质量分数为20%的开姆洛克205加入胶液中搅拌均匀，然后将其分别均匀涂在3种锦纶织物上。在室温下干燥30 h后，将表面处理过的锦纶织物铺放在热模具中，再将HNBR混炼胶片铺在锦纶织物上，采用平板硫化机进行硫化，硫化条件为（165±5）℃/15 MPa×40 min。不同牌号锦纶织物-橡胶粘合试样的性能见表1。

表1 不同牌号锦纶织物-橡胶粘合试样的性能

从表1可以看出，锦纶织物543与橡胶粘合试样的粘合强度最大。本工作选取锦纶织物543为骨架材料。

4 模具设计

模具是制作橡胶制品的重要工艺装备。模具的结构、精度、型腔的表面粗糙度以及使用寿命等因素都直接影响橡胶制品的尺寸精度、表面质量、生产成本和生产效率等[7]。

根据海水蝶阀D形密封圈的结构特点，模具设计首先应考虑产品的加工工艺，选择合理的结构，以满足产品设计、生产工艺以及模具操作要求，这是产品加工成功与否的关键。因此，海水蝶阀D形密封圈模具设计为三段分体的组合模具，以保证成型方便以及胶料与织物在特定工艺条件下的有效粘合，从而提高产品的综合性能。其次，确定模具型腔尺寸还需考虑产品的收缩率，包括胶料种类及硬度、骨架材料的收缩率、产品尺寸和形状等因素。最后，还要考虑模具的机械加工工艺，主体结构采用数控加工中心进行精准加工，确保产品尺寸的稳定性、均一性、精度以及平整度，同时根据产品表面光洁度的要求，采用机械抛光使模具型腔达到镜亮的标准。

5 制造工艺

海水蝶阀D形密封圈的制造工艺流程如图3所示，制造工艺主要分为以下几个方面。

图3 海水蝶阀D形密封圈的制造工艺流程

（1）材料选取。主要包括胶种和骨架材料。

（2）半成品制备。主要包括胶料混炼出片、胶液制造及骨架织物涂覆粘合剂。

（3）半成品性能检测。主要包括胶料性能检测、骨架织物与胶料粘合性能检测。

（4）硫化成型。主要包括铺设3层半成品胶片，在每两层胶片之间铺设骨架织物。

（5）首件产品性能鉴定，产品定型。

通过执行上述制造工艺，D形密封圈的尺寸和外观质量达到了设计要求。

6 试验验证

6.1 试验工装设计

为了验证D形密封圈的使用性能，本工作设计开发了一套海水蝶阀密封性试验装置[8]，如图4所示。

图4 海水蝶阀密封性试验装置示意

该试验装置结构上设计了打压水室、阀门、观察水室及运输车，不仅具有海水蝶阀实际使用的连通和切断功能，同时还具备检验密封圈安装尺寸以及模拟海水蝶阀实际使用工况的功能，并且可通过具体的试验方法来验证密封圈的抗撕裂性能和密封性能等。试验装置具有操作简单、移动方便、对试验场地要求简单等优点。

6.2 试验过程

（1）将水、沙粒和盐粒按要求配比混合，用于模拟含泥沙的海水介质。

（2）打开阀门使两侧水室连通，向观察水室内注入模拟海水介质至注满为止，同时向工装底部通入气体来搅动海水介质。在手动开关阀门10次后，关闭试验装置内阀瓣，打开观察水室的排水阀进行排水，将排出的海水介质排到水槽内，循环使用。

（3）打开观察水室上的观察口盖板，并对打压水室加压至0.55 MPa，保压5 min，从观察口观察密封圈处是否有介质泄漏。上述过程为1次密封试验，同一密封圈连续进行10次密封试验。

（4）将两侧的水室工装位置互换，按上述操作方法进行另一侧密封试验。

（5）同一件密封圈两侧各连续进行10次密封试验后均无介质泄漏，视为合格。

6.3 试验结果

通过对D形密封圈的密封与耐久性进行连续的几组试验验证，结果表明，加入高强度锦纶织物的D形密封圈在经历海水介质的腐蚀、冲刷以及反复开关的疲劳应力后，密封圈外表均无破损和撕裂现象，且密封处无介质泄漏，满足产品的使用性能要求。产品质量均一，性能稳定，可靠性强。

7 结论

本工作依据秦二厂海水蝶阀D形密封圈性能技术规格书的要求，开发了一种抗撕裂型海水蝶阀D形密封圈，并根据密封圈的使用工况特点，优化了产品结构，选择HNBR为主体材料、锦纶织物543为骨架材料、开姆洛克205为粘合剂，同时改进了产品制造加工工艺，并通过设计的海水蝶阀密封性试验装置验证了密封圈的使用性能。结果表明，经过优化设计的海水蝶阀D形密封圈，其抗撕裂性能和密封性能显著提高，满足秦二厂1/2号机组暗渠隔离阀的使用要求，减少了暗渠作业次数。