塑料管道用天然橡膠圈使用壽命的推算研究

鄭先偉 麥堪成 宋科明 李統(tǒng)一

（1 中山大學(xué)；2 廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司）

0 前言

塑料管道具有重量輕、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點，在市政、建筑、消防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；而塑料管道系統(tǒng)連接技術(shù)的優(yōu)劣，直接關(guān)系到管網(wǎng)系統(tǒng)的運行效果和使用壽命。塑料管道系統(tǒng)連接技術(shù)包括膠黏連接、熔焊連接、機械式連接、橡膠圈柔性連接等，橡膠圈柔性連接具有安裝方便、速度快、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，成為行業(yè)研究的熱點連接技術(shù)。

柔性連接中使用的橡膠圈是一種高分子材料，在使用過程中仍存在一些問題，其中以橡膠圈老化變硬導(dǎo)致管道系統(tǒng)失去密封性最為嚴(yán)重。這是因為橡膠在長期使用過程中，會受到例如氧、熱、水分、應(yīng)力等多種環(huán)境因素的影響，其性能會隨著時間的延長而逐漸變差，逐漸失去密封效用。因此，研究橡膠密封圈貯存壽命、使用壽命的計算方法，進而預(yù)測管道系統(tǒng)的服役壽命，對評價管道系統(tǒng)的安全性具有十分重要的意義。本文根據(jù)塑料管道結(jié)構(gòu)設(shè)計了密封結(jié)構(gòu)件，將天然橡膠圈裝入密封結(jié)構(gòu)件中，并模擬管道系統(tǒng)中應(yīng)力、濕度等因素的影響，進行烘箱加速老化試驗，推算出塑料管道用天然橡膠圈的使用壽命。

1 實驗部分

1.1 實驗條件

⑴樣品數(shù)量：每個實驗狀態(tài)的樣品數(shù)量不少于3組；

⑵試樣要求：三組試樣高度相差不超過0.05mm；

⑶實驗溫度：選取50℃、70℃、80℃進行熱氧加速老化試驗；

⑷實驗時間：對試樣進行5d、10d、15d、20d、25d、30d、35d、40d 和45d 的熱氧加速老化試驗，并測試相關(guān)樣品的性能；

⑸試驗設(shè)備：熱老化試驗箱，老化箱內(nèi)相對濕度控制在95%RH，空氣置換率設(shè)為8 次/h。

1.2 測試方法

將裝配有天然橡膠密封圈的密封結(jié)構(gòu)件放人熱老化試驗箱內(nèi)，試驗時間結(jié)束后，從老化箱中取出結(jié)構(gòu)件，并將結(jié)構(gòu)件中的天然橡膠圈取出放在標(biāo)準(zhǔn)實驗室條件下調(diào)節(jié)24h，再按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7759.1－2015 進行測試，計算出測試樣品的壓縮永久變形值，計算公式為：

式中，

h0——試樣初始高度，mm；

h1——試樣恢復(fù)后的高度，mm；

hs——限制器的高度，mm。

2 結(jié)果與討論

評價橡膠老化的方法主要有自然老化法和加速老化法兩種。自然老化法實驗條件與實際使用情況較為接近，計算結(jié)果精確，但其試驗時間較長，耗費大量的人力、物力，所以目前研究人員在研究橡膠的使用壽命時，一般采用加速老化的實驗方法。對加速老化實驗方法的探索經(jīng)歷了比較漫長的過程，大約在20 世紀(jì)20 年代，人類發(fā)明了第一臺烘箱——Gerr 烘箱，產(chǎn)生了烘箱老化方法，經(jīng)過長時間的研究表明，烘箱加速老化試驗推算橡膠壽命最為準(zhǔn)確[1]，因此橡膠老化研究多以烘箱加速老化方法為主。

目前對橡膠的壽命推算已形成了國家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T 20028－2005 和HG/T 3087－2001)，該標(biāo)準(zhǔn)是基于阿倫尼烏斯方程進行外推的一種方法，大致分為兩步：第一步選取與橡膠使用密切相關(guān)的性能參數(shù)，測試該性能損失隨時間的變化規(guī)律，做出性能隨時間變化曲線，通過方程擬合計算出該性能達到臨界值所需的時間；第二步將性能變化臨界值隨臨界時間作圖，并對該曲線圖進行線性回歸，得出直線方程中的未知系數(shù)，利用阿倫尼烏斯方程求出服役條件下的老化速率常數(shù)，建立老化速率方程，進而推算不同溫度下橡膠的使用壽命[2]。李詠今等[3-5]對橡膠老化動力學(xué)方程選取的原則及精確性做過詳細(xì)研究。

本研究動力學(xué)公式的選擇是經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)計算、分析，盡量減小誤差的基礎(chǔ)上得出的，天然橡膠圈老化實驗數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 天然橡膠圈烘箱加速老化實驗數(shù)據(jù)

依據(jù)表1 的數(shù)據(jù)可作出以下性能變化曲線，見圖1所示。

圖1 天然橡膠壓縮永久變形- 時間變化曲線

通過對圖1 曲線擬合可以得出天然橡膠圈在不同溫度下壓縮永久變形達到臨界值所需的臨界時間，數(shù)據(jù)見表2 所示。

表2 不同溫度下壓縮永久變形達到臨界值所需的臨界時間

根據(jù)表2 中數(shù)據(jù)可得出相應(yīng)的阿累尼烏斯方程圖，見圖2，通過線性回歸，可推算出在應(yīng)力、濕度、20℃條件下，塑料管道用天然橡膠圈的使用壽命為10.8 年。

3 結(jié)論

圖2 天然橡膠圈老化數(shù)據(jù)對應(yīng)的阿累尼烏斯圖

本文根據(jù)塑料管道結(jié)構(gòu)設(shè)計了密封結(jié)構(gòu)件，將天然橡膠圈裝入密封結(jié)構(gòu)件中，并模擬管道系統(tǒng)中應(yīng)力、濕度等因素的影響，進行烘箱加速老化試驗，推算出塑料管道用天然橡膠圈的使用壽命為10.8 年，本研究內(nèi)容對于評價管道系統(tǒng)的安全性具有十分重要的意義。