基于高温环境的氟橡胶O形密封圈失效行为分析

栾东岳,顾悦,李晓静

摘  要：氟橡胶O形密封圈具有良好的工作性能，被广泛应用在石油、化工、机械等场景中。从密封圈的实际应用情况发现，如果将氟橡胶O形密封圈置于超出其本身承受力的高温环境中，会改变氟橡胶O形密封圈的工作性能造成失效。基于此，本文首先分析了氟橡胶O形密封圈的工作特性，对其密封原理做了简单陈述；其次通过实验，重点研究了在高温状态下，氟橡胶O形密封圈的失效行为的原因，并从耐温材料、密封圈质量方面提出了预防措施；最后，根据实验结果得出高温环境会对氟橡胶O形密封圈的性能造成严重影响的结论。

关键词：高温环境；氟橡胶O形密封圈；失效行为

O形密封圈具有结构简易、制作简单、安装方便、工作性能良好等诸多特征，被广泛使用在石油、化工、机械等多场景中。目前，行业中对于O形密封圈的研究，多集中在失效行为、密封性等方面[1]。O形密封圈种类多样，其中以氟橡胶O形密封圈由于其良好的性能而被普遍应用于汽车、航天、电子等领域。氟橡胶O形密封圈是一种人工合成的高弹性聚合物。在其主链或者侧链碳原子位置含有氟原子，由于加入氟原子，使得氟橡胶具有良好的稳定性和耐高温、耐老化性等性能。氟橡胶O形密封圈是所有弹性体中耐介质性、耐高温性较好的一种。通过研究发现，随着温度的上升，氟橡胶O形密封圈的老化速率也逐渐增大。在高温环境下，随着温度升高，氟橡胶O形密封圈的老化速率快速增长[2]。高温环境会造成氟橡胶O形密封圈失效，该失效行为通常表现为老化失效以及机械失效[3]。其中，老化失效指的是密封圈由于受到光热辐射、生物降解的影响，使得自身弹性、拉伸强度性能减弱，导致密封圈出现变硬、发粘的现象。机械失效是指在设备运行过程中，密封圈在受力后出现断裂、龟裂等情况所造成的失效。设备运行过程中，如果发生密封圈失效，将会对器械设备、人员安全造成影响。基于此，分析氟橡胶O形密封圈失效原因，并根据原因进行合理防范，对于避免由于密封圈失效而导致的设备设施损坏意义重大。

一、氟橡胶O形密封圈工作特性分析

O形密封圈，通常上是指包含圆形截面的闭环状橡胶密封圈，因其截面呈现为O形，故被称为O形密封圈。在流体动力系统中，机械设备使用氟橡胶O形密封圈进行密封，防止静态情况下发生机械部件液体、气体等介质外泄的情况。氟橡胶O形密封圈的工作原理是利用密封圈的弹性变形。当密封件受到压力时，在密封件接触表面形成接触压力，如果接触压力大于被密封介质压力，则形成密封。

在所有弹性体中，氟橡胶的耐高温性最优。从实际使用中发现：在250℃高温环境下，氟橡胶能够长时间使用而不发生破损；在300℃高温环境下，氟橡胶使用时间较短；在350℃高温环境下，将氟橡胶老化16小时后，发现其依然具有很好的弹性；在400℃高温环境下，将氟橡胶老化110分钟后，发现某些含有喷雾炭黑、碳纤维的胶料伸长率有所提高，强度降低，但弹性性能良好。

二、氟橡胶O形密封圈失效行为实验检测

（一）行为实验检测前期工作

1.实验环境准备

选取规格为Φ9.501mm×11.001mm的氟橡胶作为实验对象；实验温度标准为70℃-100℃；实验时间分别是1d、3d、6d、10d、14d、19d；选取实验样品时，应仔细查验样品是否有损坏、是否有气泡等状况。最终选择无损坏、无气泡、原始压缩率30%的实验样品开展实验。

2.实验器械准备

实验器械包括：老化试验箱、高低温交变试验箱、夹具、橡胶测厚计等仪器设备。

（二）氟橡胶O形密封圈失效行为实验结果分析

在对实验所测出的永久压缩变形率值经过修改后，得出了老化性能和时间的关系，详细内容见表1。

表1不同时间、温度下的橡胶压缩变形率（%）

实验温度	实验时间
	1d	3d	6d	10d	14d	19d
60℃	-0.108	-0.118	-0.123	-0.128	-0.133	-0.138
75℃	-0.118	-0.128	-0.138	-0.143	-0.148	-0.153
90℃	-0.153	-0.158	-0.163	-0.168	-0.073	-0.178
105℃	-0.163	-0.168	-0.173	-0.178	-0.183	-0.188

从表1中能够发现，在不同温度环境中，压缩变形率随着时间的增加而增加。测试热老化的过程中，橡胶的老化性能整体变化值趋于平稳，压缩变形率随着温度的增加而增加。此外，从压缩变形率和老化时间的实验数据发现，二者之间并不存在明显的线性关系，因此也可以判定老化常数不是1。根据已有研究资料证明，实际的氟橡胶老化常数是0.368[3]。

设创建线性回归模型，即：

各项参数含义为：表示永久压缩变形率；表示老化时间；表示老化常数；表示实验常数；表示老化反应速率常数。

利用最小二乘法拟合公式，获得d、b及相关系数值，具体见表2。

表2 不同温度下的回归参数值

实验温度	d	b	相关系数	老化反应速率常数	实验常数
60℃	-0.117	-0.012	0.973	0.012	0.883
75℃	-0.123	-0.014	0.963	0.014	0.878
90℃	-0.140	-0.016	0.979	0.016	0.865
105℃	-0.146	-0.018	0.976	0.018	0.862

从表2可以看出，随着温度的升高，氟橡胶的老化速率逐渐提高。由表2各参数可得出不同温度环境下，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程式。温度为60℃时，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程式：

温度为75℃时，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程式：

温度为90℃时，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程式：

温度为105℃时，氟橡胶O形密封圈的老化动力学方程式：

通过以上研究发现，高温环境会进一步加快氟橡胶材料的老化速度，温度与压缩变形量的变化呈正相关。随着温度的升高，氟橡胶O形密封圈的压缩变形量越大。

（三）预防措施

第一，使用耐温材料。由于使用环境不同，当O形密封圈工作温度超出自身所能承受温度的最大值，将会出现弹性体硬化、增塑剂发生氧化的情况，造成密封圈失效。对于这种情况，制作过程中应使用抗氧化性高以及耐高温材料，有效缓解过高工作温度对O形密封圈产生的破坏性。

第二，提升加工质量。在制作O形密封圈的过程中，工作人员要严格控制误差，确保密封圈表面的粗糙度以及密封圈尺寸大小等因素的误差在可允许范围内，防止由于制作质量问题而导致O形密封圈在工作状态下扭曲形变[4]。

三、结论

通过实验研究发现，氟橡胶O形密封圈的老化速率是随着温度的升高而升高，然而，过高的温度将会导致氟橡胶O形密封圈失效。因此，在对含有氟橡胶O形密封圈的设备设施进行存放及使用时，重点关注其所处环境是否符合要求。同时，应该加强维护，要组织人员按时检查密封圈密封性能，避免由于密封圈失效而造成损失。

参考文献

[1]冉迪,郑鹏,王宁，等.低压铸造中O形密封圈密封特性分析[J].液压与气动,2022,46(02):56-62.

[2]李玉,李璐,徐伟，等.基于不同环境的氟橡胶O形密封圈失效行为[J].合成材料老化与应用，2021，50(06):100-101+27.

[3]代晓瑛，雷兴平.丁腈橡胶O形密封圈失效原因分析[J].橡胶科技，2020,18(01):17-22.

[4]郑文明，刘雨，刘森，等.浅谈O形密封圈管理[J].液压气动与密封，2021,41(08):64-68.

栾东岳，1991.1.18,男，汉族，籍贯：江苏盐城，职称：工程师，单位：苏州华旃航天电器有限公司，研究方向：连接器设计