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橡胶密封件的失效分析 |
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作者：明尼苏达橡塑高级化学师 周海英 |
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橡胶密封件广泛地应用於各行各业。密封件一旦失效，轻则使设备不能正常工作、造成经济损失；重则会造成人身伤亡事故，如1986年1月28日，由於挑战者号航天飞机右侧固体火箭助推器的O型密封圈失效，造成其在升空73秒後解体，机上7名宇航员全部遇难。
橡胶密封件的失效分析不仅可以帮助找出问题所在，便於以後采取相应的预防措施，还可帮助客户和密封件生产商改进现有技术，取得双赢。
四大失效原因
常见的失效原因主要有4种：设计错误、选材错误、密封件质量问题和使用不当。
1. 设计错误
设计错误通常是由於设计人员对产品认识不足造成的。比如对密封件承受的压力估计不足、对密封面上接触应力分布的认识有误、安放密封件的沟槽设计不合理等。
有限元分析（FEA）常常被用来辅助密封件的设计和失效分析。我们曾为某美国客户做过一个密封件，该密封件以塑料为主体，局部包上橡胶。客户在检测零件的过程中发现，塑料部分在测试时容易破裂，从而得出结论是：塑料件在二次成型时（即将橡胶包覆在塑料件上）被损坏了。经我们分析後发现，塑料件都是在一个地方破裂的。通过有限元分析，我们发现，塑料件的破损部位实际上是密封件受到最大应力的地方，此处应力已经远远超过塑料所能承受的。
如果在设计的时候客户就用有限元方法分析过该产品，不但可以避免类似的错误，还可以节省其时间和金钱。当然，想要成功的分析预测橡胶密封件的性能，不但要有合适的有限元分析软件，还要有丰富的材料经验、建模经验和长期的数据积累。
2. 选材错误
常用的橡胶密封材料有三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、硅橡胶（VMQ）、氟橡胶（FKM或者FPM）和氯丁橡胶（CR）等。这些橡胶的特性各不相同，应用也不同。选择材料要从多方面考虑，比如使用温度、材料是否耐受介质、材料的硬度、压缩永久变形和耐磨性等各种因素。
选材错误常常是因为设计人员对各种材料的性能不熟悉。一个经验丰富的橡胶密封件供应商能一开始就指出选材的问题。
我们有个国内客户不喜欢正在使用的O圈，因为这个O圈很容易坏。我们检查了更换下来的样品，发现样品表面有龟裂，纹路很像臭氧老化。我们又询问了O圈的使用环境，发现周围有很多机械设备和电动马达。这下答案就有了：电动马达的火花能产生臭氧，造成了局部小环境臭氧浓度较高；而客户所选材料为丁腈橡胶，不耐受臭氧。为了验证结论，我们在实验室臭氧老化箱中做了测试，结果客户提供的新O圈表面也出现了类似的裂纹。由於该密封件只与空气长期接触，没有矿物油等其他物质，我们最终推荐了三元乙丙橡胶来代替客户的现有产品。
有时使用环境比较复杂，或者是一个全新的设计，选择材料就不是件非常容易的事了。除了仔细甄别各种影响因素外，还需要进行功能测试。
3. 密封件质量
密封件的生产质量与最终产品的可靠性密切相关。常见的问题有：原材料质量不稳定、橡胶混炼时投错原料、原料或者混炼胶储存不当（交叉污染）、胶料混炼不均匀、硫化条件（温度、时间、压力等）不妥、密封件产品保存不当、模具使用不当等。这些问题往往涉及到生产过程中的质量控制。定货方在选择密封件生产厂时，应该经过多次考察、调研并进行产品测试。在供货的过程中，还可要求密封件的生产企业提供真实、准确的检验报告。
4. 密封件使用不当
一个好密封件，如果使用不当，也会造成整个产品失效，比如润滑油使用错误。
我们的某个客户反馈说O圈零件的尺寸与要求差异很大。当我们分析样品时才发现，客户用错了润滑油。该O圈是由三元乙丙橡胶制成，材料本身不耐矿物油类的润滑油。客户涂上这种润滑油，会造成产品体积溶胀。後来让客户改用硅油就没有问题了。
另外一类常见的问题为安装错误。比如在O圈装配过程中产生了扭曲；由於安装不当而造成密封件受压不均匀；密封件的润滑不够等失误。如果这些失误是由密封件的生产厂家造成的，那么这属於生产质量所控制的范围之内。如果由定货方或者第三方造成，那么就属於使用不当了。
合理的设计是确保密封件有效使用的重要因素之一。
（图为明尼苏达生产的伞形止回阀密封件。）
当今科技日新月异，巿场上出现了很多新的密封件材料和工程设计，以满足各种苛刻的使用要求。同时，大多数密封件的制造商也采用了科学的质量管理体系。遗憾的是，这些努力都不能杜绝密封件失效。因而，失效分析就显得更为重要了。
橡胶密封件失效分析
橡胶密封件失效分析不但要求技术人员具有全面的材料知识，还必须具有丰富的工程经验，并且要善於使用一些分析仪器和设备，因此复杂的失效分析往往需要一个团队来完成。
当客户的产品发生密封故障时，他们首先想到的原因往往是橡胶密封件，他们最常提出的问题是：供应商是否换过材料？其实，从上文中可以看出，材料更换只是可能的影响因素之一。所以，当碰到密封故障时，应该从以下四个方面出发，全面掌握资料，根据数据而不是凭猜想作结论。
1. 选择合适的机构来进行密封件失效分析
现实中，客户常常首选该橡胶密封件的供应商来做失效分析，或者找装备精良的大学实验室（或专业测试公司）来做。但是，橡胶密封件失效分析不但要求技术人员具有全面的材料知识，还必须具有丰富的工程设计经验，并且要善於使用一些专业的分析仪器和设备。而只有资深的橡塑元件生产商才有这样的技术力量。另外，分析中可能会涉及到一些客户的技术机密，因此，最好找一个有信誉的公司来进行分析。
2. 搜集背景资料
遇到密封故障时，首先应该搜集如下背景资料，用来初步判断失效是否和材料有关：
·密封件的生产厂家是谁；胶料名称是什么（客户有可能会搞错供应商）。
·失效产品中所用的密封件批号或者订单号，这样可以方便以後查询。如果密封件失效仅与某批次相关，那么很有可能是由密封件生产中的某些变化造成的。
·密封件失效是怎么被发现的？密封件使用的条件是什么（温度、压力、介质、使用频率等）？ 如果结构特殊，可能还需要图纸或者组合件的照片。
·失效产品占多少比例（%）。
·如有可能，请客户送回部分样品：失效的密封件、没有失效的密封件、以及同批号中没有使用过的密封件。这样便於以後做比较测试。值得注意的是，有些样品可能残留有毒物质，一定要提醒客户和相关人员做好防护措施，并且妥善送交样品。
得到这些信息後，分析员最好能够建立相应的档案。一来便於今後追踪跟进调查情况；二来可以为将来的类似案例提供线索。
3. 初步分析
如果是由密封件供应商进行失效分析，在得到样品後，最好还是先做一些简单的材料分析（比如硬度、拉伸强度、永久压缩变形、比重等物性测试和尺寸检查），以再次确认该产品的确是自己的产品。因为很多橡胶件看起来都一样（比如O圈）。
我们就有这样的经历，客户一再强调是我们的产品XYZ。但是经过材料分析後，样品的成分和性能与我们的XYZ产品大相径庭。同时，也可以用这些测试结果来判断材料是否有问题。
有时候还可以在失效密封件上找到一些特征。有经验的技术人员凭这些特征就可以初步断定失效原因。另外，在失效特征的附近，还要注意观察是否有异物、气泡、流痕或者毛边等异常情况。这些特征常常和密封件生产质量有关。可通过肉眼、放大镜、显微镜和电子扫描显微镜（SEM）等进行观察。
根据以上这些线索，可以初步辨别造成失效的大致原因，如果需要，可进一步安排其他分析测试。
4. 深度分析
如果初步分析无法解决材料方面的疑问，那么就需要采用一些更精密的化学分析方法。
常见的有示差扫描量热仪（DSC），热重分析仪（TGA），动态力学分析仪（DMA）和热机械分析仪（TMA）等热分析技术和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等光谱方法。这些分析仪器大都很贵，但是一般在几天内就可获得分析结果。
示差扫描量热仪（DSC）常用来测试橡胶材料的玻璃化温度，在失效分析中可以用来检查橡胶材料的耐低温性能。
热重分析仪（TGA）常用来研究材料的组分，借此可以快速间接地看出某些成分是否有问题。
动态力学分析仪（DMA）常用来测试在一定条件下材料的刚度与阻尼，借此可以判断在实际使用环境中该密封件是否合适（比如抗冲击性能）。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）常用来测定分子组成和结构，在失效分析中可以用来确定橡胶本身和某些成分是什么、密封件上的异物成分、在使用中密封件发生了什么化学变化等信息。
这些技术曾仅用於大学和科研院所的基础科学研究。而今，在橡胶工业中，尤其是欧美一些高端技术企业中，这些技术成功地用在密封件失效分析上。对於这些技术，很多文献都有更详细的论述和使用实例，在此不再赘述。
除了凭借经验和上述的各种测试外，有限元分析（FEA）也常常被用来辅助密封件的失效分析。上文在“机械设计错误”中所举的就是一个很好的例子。
5. 实地考察
失效分析的一个重要部分是实地考察密封件生产过程或者使用方的安装、使用过程。因为有时仅凭实验室的分析还不能够得出最终结论。
比如经实验室分析，密封件物料可能有污染。为了确认这种猜测，分析人员最好实地到生产厂家考察，看看有什么操作漏洞，并在各个可能的生产环节取样。如果实地样品验证了分析结果，那么就可以确诊了。其结果可帮助生产厂家改善生产流程，以避免将来发生类似的问题。
再如，我们曾有一个产品在使用中没有达到预期的寿命就失效了。经过实验室分析和对密封件生产厂的考察，我们仍然无法找出原因。最後，我们的技术人员去参观了客户的安装流水线後发现，装配过程中所使用的一个元件上有毛刺，装配中橡胶件表面被划伤，从而造成橡胶密封件在使用中过早失效。在客户更换了这种元件後，橡胶密封件就完全达到使用要求了。
综上所述，橡胶密封件的失效分析常常是一个复杂的工作。技术人员不仅需要有丰富的经验和知识，还要有认真仔细的态度、坚韧不拔的毅力和一定的逻辑推理能力。同时，失效分析对分析仪器和设备等硬件也有一定的要求。
即使这样，失效分析也不是万能的。有时由於各种原因，有些问题可能找不出答案。
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(6/19/2010) |
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