管道接口用橡胶密封圈使用寿命常规检测方法

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管道接口用橡胶密封圈使用寿命常规检测方法及规模生产的质量优势
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( _: u1 o, x7 l) O& o2 @高法训（宏力橡胶制品有限公司，安徽 马鞍山  243051）
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3 T9 j) \- W  a9 h摘要：介绍影响管道柔性接口用橡胶密封圈使用寿命自检方法及规模生产的质量比较优势。
关健词：管道接口 橡胶密封圈  使用寿命  自检方法  规模生产优势

1.前言
管道材料的使用寿命是设计、建设及投资部门十分关切的问题，管线的使用寿命要达到50年以上，显然构成管线的管子及接口密封胶圈的使用寿命则直接关系到管线的使用寿命，否则将会造成投资损失。在这里我们撇开管子的使用寿命问题，依据橡胶制品的机理，探讨管子接口胶圈的使用寿命、自检方法、规模生产优势以资供水界的同仁商榷。
2.胶圈的制造技术
! m' a0 h2 r/ \) v0 m2 t2.1原材料
  p9 K. J5 M, N. j. w+ X) Z   生产胶圈的原材料主要有生橡胶和配合剂两大类。
①. 生橡胶
% V% F) C- i  S5 s7 @# e- A生橡胶的品种非常多，性质、价位的差异非常大；作为输送饮用水的管线接口胶圈，其生橡胶一般选用天然橡胶或合成橡胶的比较多。如用于严寒地区或热带地区应考虑使用三元乙丙橡胶。
②. 配合剂
配合剂的品种更多，性质、价位差别更大；同一型号的配合剂进口的要几十万元/吨，低档的国产货几千元/吨就能买到。具体配合的要求，应依据选用的生橡胶及输送流体的性质而定。很多通用的配合剂均适用于各类橡胶，而各类橡胶也有不少专用的配合剂。饮用水管的胶圈还要是无毒无污染的原材料，且应符合涉及饮用水卫生安全产品的卫生标准。
) m0 m8 m  g  y; ]8 D. {2.2生产工艺
+ Y3 A  i9 @9 W* B" e对要求使用寿命长的胶圈设计、生产工艺时应尽可能地降低胶料的压缩永久变形、压缩应力松驰；提高胶料的老化系数；提高胶料的耐热、耐寒、耐水性能。这种工艺生产的产品能大大改善胶料的耐磨性、耐热性、耐候性、抗溶胀性和耐老化性等，使胶圈品质大幅度提高。
3．影响胶圈使用寿命的主要因素
7 w- V' b8 ~8 |) `. S1 ~- N胶圈的使用寿命主要取决于它的抗老化性能。橡胶是高弹性体，分子结构不饱和，易与空气中的臭氧、氧及其它活性物质发生化学反应，造成橡胶分子链断裂，交联等老化现象，从而使产品失去弹性，导致密封失效。
' J8 X  Z$ X3 ?/ Y橡胶的老化可分为、氧老化、热老化、臭氧老化、光效应老化、变形及应力老化、重金属催化、氧化老化、水解老化、以及霉菌的侵蚀等几大类。
3.1氧化老化
. u0 x3 \/ o/ p- V% N* X①．氧老化
% C- ^/ ^- S" n/ A4 h氧可使橡胶分子链氧化断裂，破坏橡胶分子的交联结构。氧对橡胶的老化反应首先是氧气在热因素影响下，在橡胶分子的双键及其双键附近发生反应，形成过氧化物。然后过氧化物分解成为橡胶的氧化物，同时放出活性氧，致使橡胶分子断裂。活性氧又与其他橡胶分子化合重新形成过氧化物，这样周而复始地进行连锁反应。由于这种反应，橡胶分子链的断裂降解，使橡胶发粘、变软。另外，在氧化过程中也会使橡胶分子产生活性基，使橡胶分子进行交联，其结果导致橡胶交联密度逐渐增加，橡胶变硬、变脆失去弹性。上述的降解及交联情况在整个氧化过程中都会发生，只不过有的橡胶以断链为主，有的橡胶则以交联占优势，这主要取决于橡胶的类型。其他催化橡胶氧化反应的因素有热、紫外线、重金属离子及机械应力作用等。
5 W8 M2 H  f' M# R8 M: I* a4 m②．热老化
热引起上述氧化连锁反应，并加速其进行，它对氧化的影响很大。橡胶制品不论外部受热或因连续变形引起内部升温，对其老化都有影响。一般来讲，温度每升高10℃，氧化速度约增加1倍左右。当温度高达120℃以上时，氧化速度就已相当迅速，如橡胶制品在100℃时的氧化速度至少是20℃时的256倍。因此在常温下橡胶制品可用几年，在100~200℃下，则几个月甚至几天就失去弹性和强度。而在没有氧气的环境下，橡胶制品在200℃的高温下，也能使用较长时间。
③．光老化
( `0 \) L6 V: Z! I  s光也会加速氧化反应，橡胶吸收光能以后形成活性基，活性基与氧进行氧化反应。因此在光能的作用下橡胶的老化现象也是很明显的。引起橡胶光老化的，主要是波长小于400μm的紫外线。紫外线除加速氧化作用外，还能引起橡胶的异构化，也会直接引起橡胶的断链和交联，引起橡胶制品表面失去弹性或发脆，产生龟裂。所以避免阳光 照射，就可以防止龟裂。如使用条件无法避免阳光照射，应在制品中添加能喷到表面的紫外线吸收剂。这一点，对于暴露于野外并有可能直接受到阳光照射的橡胶制品是必须要考虑的，尤其对于烯烃类的普通橡胶则尤为重要。因此，胶圈在使用以前，在贮存，运输等过程中，应最大限度地避免光的照射。
紫外线以及受热引起的老化，都与氧气的存在有很大的关系，但在氧气不多的土壤中和水中，通常意味着老化进行得极为缓慢。
3.2 臭氧老化
* i5 i3 q' W* v- d6 g- @" v! h臭氧是一种强的氧化剂；臭氧的氧化作用，是橡胶老化的一个相当重要地因素。虽然地球表面层的臭氧量浓度并不高，但对长期伸长、压缩变形条件下的橡胶制品，其老化作用特别明显。臭氧的活性比氧高，它对橡胶的作用大体是先在橡胶的双键外生成臭氧化物，而后分解使橡胶分子断裂，具体表现为橡胶制品表面龟裂。如果不存在伸长、压缩变形等情况，则臭氧化物就发生分解而生成氧化物，造成制品外表出现类似喷霜的现象，又叫做“泛白”，这一现象一般发生在湿热气候条件下。
, m9 v; y6 C4 [3 E2 E* B3.3变形及应力老化
. e; X0 _5 Q% n" J9 E4 m橡胶制品的机械变形或连续曲折变形，能引起橡胶结构物理的和化学的复杂变化，从而改变橡胶的物理机械性能。橡胶受外力的作用能加速其氧化作用，橡胶在多次变形中氧化速度会大大提高。橡胶制品长期在拉伸或压缩应力作用下，产生的拉伸或压缩应力松驰，也是橡胶制品失效的一个十分重要因素。
3.4化学腐蚀
化学元素介质能引起橡胶化学结构发生不可逆变化。这类介质包括强氟化剂、无机酸、无机碱、无机盐和卤化物等。硫化胶在腐蚀性能介质中的膨胀是不可逆和不平衡的。化学腐蚀介质是一种多组分体系，每一组分在膨胀聚合物中的扩散速度和含量相差很大。硫化胶在化学腐蚀中会产生交联结构的降解。
橡胶的耐腐蚀性能主要取决于橡胶的饱和性和取代基性质。具有高度饱和结构、不存在活泼取代基、或活泼部分被稳定均可提高橡胶的耐腐蚀性。分子间力强、分子排列紧密、定向和结晶等也都可提高对腐蚀介质的稳定性。
8 y0 K* l2 p% D; h0 N: c3.5金属离子老化
橡胶制品中如果存在微量过渡金属离子，如：铜、铁、锰等会强烈催化橡胶的氧化过程，加速橡胶的氧化破坏。
3.6生物老化
橡胶制品遭受微生物（如霉菌类）、水生物和昆虫类等的作用而使橡胶性能降低，称之为“生物老化”，也是人们通常所说的“生物降解”；事实上橡胶的有些配合剂自身即为杀虫剂，所以橡胶生物老化过程相当缓慢。
* M0 k% c  G" @. o9 i6 b, `4.胶圈使用寿命的理论评估
4.1  变形和应力松驰的增加率随着时间的延长而变小，压缩永久变形与应力松驰有密切关系，均为表示橡胶材料寿命特性的指标。胶圈在安装后的初期永久变形增加很快，随着时间的推移，其增加率变小。优质的原材料和严格的生产工艺，能够保证胶圈经过数十年后，仍能保持充分的密封性能。
1 I2 d4 N; M& l$ g压缩永久变形的测定较为简单，结果的再现性好，所以受到重视。在GB9876-88、HG/T3091-2000（ISO4633：1996）中规定，经70℃、24小时加速老化试验以后，压缩永久变形应在20%以下。
4.2  根据ISO11346：1997（E）定义，寿命为在使用温度条件下试验时，试验材料的性能改变到临界值时所经历的时间。
密封胶圈使用寿命试验，选择的试验项目为“压缩应力松驰”。按ISO4633：1996“橡胶密封件 给排水管及污水管道用接口胶圈材料规范”的规定，测定在7d×23℃、100d×23℃条件下相应的性能变化值，同时计算出性能变化的速度。要求性能变化值和变化速度均不超过规范中的标准值。详细的试验方法和计算公式请参阅上述标准。在规定的试验程序可估计算出被试验产品的使用寿命。
5．胶圈质量常规检测方法
: o9 ?' n4 T3 f6 L定量测算胶圈使用寿命是一个非常复杂的过程且周期长、专用测试设备多，对于非专业的组织很难做到，经长期的实践，以下三种方法能对比胶圈的品质。
5.1曲绕：将胶圈对折弯曲成180℃置于阳光下照射一段时间，看其表面有无龟裂现象，龟裂同时间成正比；龟裂少的，品质越好。
5.2水煮：将胶圈切成片壮放在水中煮几个小时，看其水的色度、浑蚀度，色度越低、浑蚀度越小，说明胶圈满足卫生要求的可靠性越大。此方法能直观的反应胶圈符合卫生标准的程度。
" m% j7 Q0 L. Z4 n# n5 A5.3压缩：用两块板夹住胶圈使其压缩25~30%，在23℃压缩状态下停放3天后松开看其变形量，变形越小，说明品质越好。
8 a7 l" }3 r# S% M& I: }$ q$ H6. 优质胶圈生产的基本措施及规模生产的优势
: V" ]2 x0 t) v/ l. P: @   品质上乘的胶圈其生产一般要经过原材料检测，合理的材料配比、生胶塑炼、各类材料的合成加工（混炼）、胶圈截面形状的挤出、尺寸重量的成型、加热物理反应的硫化、检验包装仓储等多道工序，这么多生产环节；生产企业必须有健全的质量管理体系，否则其生产的胶圈质量将难有保证。
' |5 Y; j8 t1 l) i' D   6.1原材料检测及胶料物理性能测试
    高品质的原材料是生产优质胶圈的基础，近三十种材料要逐一进行成份分析、含量测定（包括有毒、有害成份的测定）合成加工后的胶料要逐批全数进行检测，其物理性能完全符合相关标准后方可投入生产，同时在生产过程中的各道工序要跟踪检测，并有完整的记录；在此基础上，每年至少要进行一次国家级的质量检测。
3 ]" @* Q7 b6 l' p完成上述企业内部的质量控制所需的检测设备，其价值就近百万元。这对一般不正规的企业是很难做到的。
  c! H" F3 f' u6.2材料配比的设计
7 H- @7 Z( Z8 R4 d0 h! P* E材料配比的设计是保证胶圈胶料符合相关标准的基础，各种材料合理组合能大幅度提升胶料的质量，此项工作的专业性很强，要有相关专业素质的人员完成。
6.3生胶的塑炼
橡胶是网状分子结构的材料，由其本身高弹性性质所确定它的初始可塑度很低，几乎不能做成一定形状的产品，胶圈生产要对生胶进行提高可塑性的塑炼，其方法是用相对差速的辊子对生胶反复的剪切，破坏网状分子结构，塑炼设备的大小直接影响成本和质量。
5 d3 b1 {: u# k6.4原材料合成加工（混炼）
纯橡胶是不能做出满足各种性能要求产品的。应根据不同产品性能要求加进一些配合剂，进行混炼。混炼的方法、混炼后配合剂的亲和性、均匀性都对产品质量产生影响。
2 h, {7 f& X# H4 P2 s6.5胶圈截面形状的挤出、成型
8 z) ?- R4 j2 q  n. M胶圈在混炼过程中，或材料本身使用胶料中掺入一些气体。这些气体如果不能在胶料中排除，就要影响成品质量。挤出就是用一种专用设备把胶料挤成和胶圈相似的半成品，排除胶料中的气体，使材料分子排列更紧密，挤出后的半成品要根据胶料截面规格的大小计称出相应的投料量，胶料多了、少了都直接损害胶圈质量。具我们所知，市场上低劣胶圈生产时多数没有这两道工序。
4 R5 J5 j9 B) K* f) r1 n. m6.6加热硫化
( H! I5 d/ }/ o3 C* G组合好的胶料在未加热前各种特性是表现不出来的，只有在一定温度、压力、时间（俗称硫化三要素）的情况下胶料中分子才能重新排列好，并逐步稳定下来。准确的执行硫化三要素，质量才有保证，哪种凭感觉或连基本温度、压力监控手段都没有是做不出好的产品的。
6.7检验包装
最终产品出来后要逐条全数检验符合设计的标准后方能进入包装工序，涉水胶圈包装应是全封闭、无污染材料包装。
/ z; ~/ j9 w2 k6.8仓储
胶圈使用寿命直接与前述的各种老化因数有关，因此胶圈要放在避免阳光照射且空气流通好，温度适宜的仓库中贮存。因产品在硫化后，虽然分子排列就绪，但仍有少量分子在缓慢移动，刚硫化好的产品要停放一段时间（时效处理）方可使用，这就要求企业有相当的库容，按照先进、先出的原则有序交付顾客。在运输过程中除了考虑这些因素还要防止硬物刺伤产品。
7.结论
7.1 据测算，国内最好的胶圈其价格也只占管线价格的0.8~1%,占总工程造价的0.2~0.3%，真可谓是微不足道。但胶圈质量的优劣所带来的风险却和管子一样，胶圈的质量与管子的质量不匹配，同样影响管线的使用寿命。
$ D9 y7 H. u& w0 D2 g6 I* B/ x! y7.2 从外表上看，不同质量的胶圈并没有什么大的区别，甚至装在管线上暂时也看不出什么问题，但由于原材料及生产工艺的选择上的不同，胶圈的内在质量存在着巨大的差异，如：有的企业用1#橡胶且采用进口助剂；有的企业用2#、3#胶生产（每个等级的橡胶价差为1500~1800元/吨），更有甚者干脆用再生胶生产，用有毒害、有严重污染的配合剂，并采用高温快速硫化等偷工减料的不当手段以牟取利润。由此造成的后果也很多，如：2000年某城市一条DN250的管线运行不到2周，由于胶圈失效引起漏水被迫返工，损失惨重等等，此类事件不只一次发生。中国水协肖绍雍先生曾说：“全国城市管网漏水率平均为15.6%，有的城市达到30%以上”。这其中有的是刚性接口受外界腐蚀，外力冲击地层沉降等因素造成，但不可否认一些柔性接口的漏水则主要是胶圈的质量低劣、耐久性差所带来的结果。
" x! P8 y6 R" F; n. z' S- @$ g! {7.3 输水、输气等管道（尤其是埋设管道）胶圈所承受外力、压缩变形及其应力松驰，随胶圈应用年限增长逐渐降低，同时也是其失去接口密封连接效能的主要因素。所以要求管子接口的密封设计应在满足管道接口密封的条件下，尽可能地降低胶圈的最大截面压缩变形率；因此胶圈应用的耐久性必然不会低于管材的设计应用年限。国内外多项几十年、上百年的胶圈接口管道工程的应用实例，充分说明上述胶圈应用的耐久性，必然不会低于管材的设计应用年限，且具有可靠的实践依据。
. D. r2 P  e& H; l, h参考文献：
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7 g. J% r7 s" Q⑸．管道接口的橡胶密封 长尾正三著  杨福将译  
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⑺．Dunkley W.E管道接口橡胶密封圈的应用年限  rubber Developlments
0 S+ b$ M# W( c8 [8 v- P' V⑻．给水管道柔性接口密封设计的探计　 王明杰　市政技术　
⑼．特种橡胶制品  西北橡胶塑料研究设计院

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宏力橡胶制品有限公司生产的管道密封圈质量不错。我见过直径1600MM的。