橡膠密封件的失效分析(油封 O型圈等等)

1、橡膠密封件的失效分析 作者：明尼蘇達(dá)橡塑高級化學(xué)師 周海英 橡膠密封件廣泛地應(yīng)用於各行各業(yè)。密封件一旦失效，輕則使設(shè)備不能正常工作、造成經(jīng)濟(jì)損失；重則會造成人身傷亡事故，如1986年1月28日，由於挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)右側(cè)固體火箭助推器的O型密封圈失效，造成其在升空73秒後解體，機(jī)上7名宇航員全部遇難。 橡膠密封件的失效分析不僅可以幫助找出問題所在，便於以後采取相應(yīng)的預(yù)防措施，還可幫助客戶和密封件生產(chǎn)商改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，取得雙贏。 四大失效原因 常見的失效原因主要有4種：設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、選材錯(cuò)誤、密封件質(zhì)量問題和使用不當(dāng)。 1. 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤 設(shè)計(jì)錯(cuò)誤通常是由於設(shè)計(jì)人員對產(chǎn)品認(rèn)識不足造成的。比如對密封件承受的壓

2、力估計(jì)不足、對密封面上接觸應(yīng)力分布的認(rèn)識有誤、安放密封件的溝槽設(shè)計(jì)不合理等。 有限元分析（FEA）常常被用來輔助密封件的設(shè)計(jì)和失效分析。我們曾為某美國客戶做過一個(gè)密封件，該密封件以塑料為主體，局部包上橡膠?？蛻粼跈z測零件的過程中發(fā)現(xiàn)，塑料部分在測試時(shí)容易破裂，從而得出結(jié)論是：塑料件在二次成型時(shí)（即將橡膠包覆在塑料件上）被損壞了。經(jīng)我們分析後發(fā)現(xiàn)，塑料件都是在一個(gè)地方破裂的。通過有限元分析，我們發(fā)現(xiàn)，塑料件的破損部位實(shí)際上是密封件受到最大應(yīng)力的地方，此處應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過塑料所能承受的。 如果在設(shè)計(jì)的時(shí)候客戶就用有限元方法分析過該產(chǎn)品，不但可以避免類似的錯(cuò)誤，還可以節(jié)省其時(shí)間和金錢。當(dāng)然，想要成功

3、的分析預(yù)測橡膠密封件的性能，不但要有合適的有限元分析軟件，還要有豐富的材料經(jīng)驗(yàn)、建模經(jīng)驗(yàn)和長期的數(shù)據(jù)積累。 2. 選材錯(cuò)誤 常用的橡膠密封材料有三元乙丙橡膠（EPDM）、丁腈橡膠（NBR）、硅橡膠（VMQ）、氟橡膠（FKM或者FPM）和氯丁橡膠（CR）等。這些橡膠的特性各不相同，應(yīng)用也不同。選擇材料要從多方面考慮，比如使用溫度、材料是否耐受介質(zhì)、材料的硬度、壓縮永久變形和耐磨性等各種因素。 選材錯(cuò)誤常常是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員對各種材料的性能不熟悉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的橡膠密封件供應(yīng)商能一開始就指出選材的問題。 我們有個(gè)國內(nèi)客戶不喜歡正在使用的O圈，因?yàn)檫@個(gè)O圈很容易壞。我們檢查了更換下來的樣品，發(fā)現(xiàn)樣品表面

4、有龜裂，紋路很像臭氧老化。我們又詢問了O圈的使用環(huán)境，發(fā)現(xiàn)周圍有很多機(jī)械設(shè)備和電動馬達(dá)。這下答案就有了：電動馬達(dá)的火花能產(chǎn)生臭氧，造成了局部小環(huán)境臭氧濃度較高；而客戶所選材料為丁腈橡膠，不耐受臭氧。為了驗(yàn)證結(jié)論，我們在實(shí)驗(yàn)室臭氧老化箱中做了測試，結(jié)果客戶提供的新O圈表面也出現(xiàn)了類似的裂紋。由於該密封件只與空氣長期接觸，沒有礦物油等其他物質(zhì)，我們最終推薦了三元乙丙橡膠來代替客戶的現(xiàn)有產(chǎn)品。 有時(shí)使用環(huán)境比較復(fù)雜，或者是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)，選擇材料就不是件非常容易的事了。除了仔細(xì)甄別各種影響因素外，還需要進(jìn)行功能測試。 3. 密封件質(zhì)量 密封件的生產(chǎn)質(zhì)量與最終產(chǎn)品的可靠性密切相關(guān)。常見的問題有：原材料

5、質(zhì)量不穩(wěn)定、橡膠混煉時(shí)投錯(cuò)原料、原料或者混煉膠儲存不當(dāng)（交叉污染）、膠料混煉不均勻、硫化條件（溫度、時(shí)間、壓力等）不妥、密封件產(chǎn)品保存不當(dāng)、模具使用不當(dāng)?shù)?。這些問題往往涉及到生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制。定貨方在選擇密封件生產(chǎn)廠時(shí)，應(yīng)該經(jīng)過多次考察、調(diào)研并進(jìn)行產(chǎn)品測試。在供貨的過程中，還可要求密封件的生產(chǎn)企業(yè)提供真實(shí)、準(zhǔn)確的檢驗(yàn)報(bào)告。 4. 密封件使用不當(dāng) 一個(gè)好密封件，如果使用不當(dāng)，也會造成整個(gè)產(chǎn)品失效，比如潤滑油使用錯(cuò)誤。 我們的某個(gè)客戶反饋說O圈零件的尺寸與要求差異很大。當(dāng)我們分析樣品時(shí)才發(fā)現(xiàn)，客戶用錯(cuò)了潤滑油。該O圈是由三元乙丙橡膠制成，材料本身不耐礦物油類的潤滑油?？蛻敉可线@種潤滑油，會造成

6、產(chǎn)品體積溶脹。後來讓客戶改用硅油就沒有問題了。 另外一類常見的問題為安裝錯(cuò)誤。比如在O圈裝配過程中產(chǎn)生了扭曲；由於安裝不當(dāng)而造成密封件受壓不均勻；密封件的潤滑不夠等失誤。如果這些失誤是由密封件的生產(chǎn)廠家造成的，那么這屬於生產(chǎn)質(zhì)量所控制的范圍之內(nèi)。如果由定貨方或者第三方造成，那么就屬於使用不當(dāng)了。 合理的設(shè)計(jì)是確保密封件有效使用的重要因素之一。 （圖為明尼蘇達(dá)生產(chǎn)的傘形止回閥密封件。）當(dāng)今科技日新月異，巿場上出現(xiàn)了很多新的密封件材料和工程設(shè)計(jì)，以滿足各種苛刻的使用要求。同時(shí)，大多數(shù)密封件的制造商也采用了科學(xué)的質(zhì)量管理體系。遺憾的是，這些努力都不能杜絕密封件失效。因而，失效分析就顯得更為重要了。

7、橡膠密封件失效分析 橡膠密封件失效分析不但要求技術(shù)人員具有全面的材料知識，還必須具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并且要善於使用一些分析儀器和設(shè)備，因此復(fù)雜的失效分析往往需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)來完成。 當(dāng)客戶的產(chǎn)品發(fā)生密封故障時(shí)，他們首先想到的原因往往是橡膠密封件，他們最常提出的問題是：供應(yīng)商是否換過材料？其實(shí)，從上文中可以看出，材料更換只是可能的影響因素之一。所以，當(dāng)碰到密封故障時(shí)，應(yīng)該從以下四個(gè)方面出發(fā)，全面掌握資料，根據(jù)數(shù)據(jù)而不是憑猜想作結(jié)論。 1. 選擇合適的機(jī)構(gòu)來進(jìn)行密封件失效分析 現(xiàn)實(shí)中，客戶常常首選該橡膠密封件的供應(yīng)商來做失效分析，或者找裝備精良的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室（或?qū)I(yè)測試公司）來做。但是，橡膠密封件失效分

8、析不但要求技術(shù)人員具有全面的材料知識，還必須具有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并且要善於使用一些專業(yè)的分析儀器和設(shè)備。而只有資深的橡塑元件生產(chǎn)商才有這樣的技術(shù)力量。另外，分析中可能會涉及到一些客戶的技術(shù)機(jī)密，因此，最好找一個(gè)有信譽(yù)的公司來進(jìn)行分析。 2. 搜集背景資料 遇到密封故障時(shí)，首先應(yīng)該搜集如下背景資料，用來初步判斷失效是否和材料有關(guān)： 密封件的生產(chǎn)廠家是誰；膠料名稱是什么（客戶有可能會搞錯(cuò)供應(yīng)商）。 失效產(chǎn)品中所用的密封件批號或者訂單號，這樣可以方便以後查詢。如果密封件失效僅與某批次相關(guān)，那么很有可能是由密封件生產(chǎn)中的某些變化造成的。 密封件失效是怎么被發(fā)現(xiàn)的？密封件使用的條件是什么（溫度、壓力

9、、介質(zhì)、使用頻率等）？ 如果結(jié)構(gòu)特殊，可能還需要圖紙或者組合件的照片。 失效產(chǎn)品占多少比例（%）。 如有可能，請客戶送回部分樣品：失效的密封件、沒有失效的密封件、以及同批號中沒有使用過的密封件。這樣便於以後做比較測試。值得注意的是，有些樣品可能殘留有毒物質(zhì)，一定要提醒客戶和相關(guān)人員做好防護(hù)措施，并且妥善送交樣品。 得到這些信息後，分析員最好能夠建立相應(yīng)的檔案。一來便於今後追蹤跟進(jìn)調(diào)查情況；二來可以為將來的類似案例提供線索。 3. 初步分析 如果是由密封件供應(yīng)商進(jìn)行失效分析，在得到樣品後，最好還是先做一些簡單的材料分析（比如硬度、拉伸強(qiáng)度、永久壓縮變形、比重等物性測試和尺寸檢查），以再次確認(rèn)該產(chǎn)

10、品的確是自己的產(chǎn)品。因?yàn)楹芏嘞鹉z件看起來都一樣（比如O圈）。 我們就有這樣的經(jīng)歷，客戶一再強(qiáng)調(diào)是我們的產(chǎn)品XYZ。但是經(jīng)過材料分析後，樣品的成分和性能與我們的XYZ產(chǎn)品大相徑庭。同時(shí)，也可以用這些測試結(jié)果來判斷材料是否有問題。 有時(shí)候還可以在失效密封件上找到一些特征。有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員憑這些特征就可以初步斷定失效原因。另外，在失效特征的附近，還要注意觀察是否有異物、氣泡、流痕或者毛邊等異常情況。這些特征常常和密封件生產(chǎn)質(zhì)量有關(guān)?？赏ㄟ^肉眼、放大鏡、顯微鏡和電子掃描顯微鏡（SEM）等進(jìn)行觀察。 根據(jù)以上這些線索，可以初步辨別造成失效的大致原因，如果需要，可進(jìn)一步安排其他分析測試。 4. 深度分析

11、如果初步分析無法解決材料方面的疑問，那么就需要采用一些更精密的化學(xué)分析方法。 常見的有示差掃描量熱儀（DSC），熱重分析儀（TGA），動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）和熱機(jī)械分析儀（TMA）等熱分析技術(shù)和傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等光譜方法。這些分析儀器大都很貴，但是一般在幾天內(nèi)就可獲得分析結(jié)果。 示差掃描量熱儀（DSC）常用來測試橡膠材料的玻璃化溫度，在失效分析中可以用來檢查橡膠材料的耐低溫性能。 熱重分析儀（TGA）常用來研究材料的組分，借此可以快速間接地看出某些成分是否有問題。 動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）常用來測試在一定條件下材料的剛度與阻尼，借此可以判斷在實(shí)際使用環(huán)境中該密封件是否合適（比

12、如抗沖擊性能）。 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）常用來測定分子組成和結(jié)構(gòu)，在失效分析中可以用來確定橡膠本身和某些成分是什么、密封件上的異物成分、在使用中密封件發(fā)生了什么化學(xué)變化等信息。 這些技術(shù)曾僅用於大學(xué)和科研院所的基礎(chǔ)科學(xué)研究。而今，在橡膠工業(yè)中，尤其是歐美一些高端技術(shù)企業(yè)中，這些技術(shù)成功地用在密封件失效分析上。對於這些技術(shù)，很多文獻(xiàn)都有更詳細(xì)的論述和使用實(shí)例，在此不再贅述。 除了憑借經(jīng)驗(yàn)和上述的各種測試外，有限元分析（FEA）也常常被用來輔助密封件的失效分析。上文在“機(jī)械設(shè)計(jì)錯(cuò)誤”中所舉的就是一個(gè)很好的例子。 5. 實(shí)地考察 失效分析的一個(gè)重要部分是實(shí)地考察密封件生產(chǎn)過程或者使用方的安裝、使用過程。因?yàn)橛袝r(shí)僅憑實(shí)驗(yàn)室的分析還不能夠得出最終結(jié)論。 比如經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分析，密封件物料可能有污染。為了確認(rèn)這種猜測，分析人員最好實(shí)地到生產(chǎn)廠家考察，看看有什么操作漏洞，并在各個(gè)可能的生產(chǎn)環(huán)節(jié)取樣。如果實(shí)地樣品驗(yàn)證了分析結(jié)果，那么就可以確診了。其結(jié)果可幫助生產(chǎn)廠家改善生產(chǎn)流程，以避免將來發(fā)生類似的問題。 再如，我們曾有一個(gè)產(chǎn)品在使用中沒有達(dá)到預(yù)期的壽命就失效了。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室分析和對密封件生產(chǎn)廠的考察，我們?nèi)匀粺o法找出原因。最後，我們的技術(shù)人員去參觀了客戶的安裝流水線後發(fā)現(xiàn)，裝配過程中所使用的一個(gè)元