丁腈橡膠在海水浸泡環(huán)境下的壽命預(yù)測(cè)研究

何海連,李 瑩

(廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510000)

應(yīng)急吹除技術(shù)主要用于當(dāng)遇到緊急特殊情況(火災(zāi)等)時(shí),需要在很短的時(shí)間內(nèi)吹除大量的海水,實(shí)現(xiàn)緊急上浮,以保障艇員和平臺(tái)的安全。目前國(guó)外對(duì)應(yīng)急吹除技術(shù)的研究主要從試驗(yàn)和數(shù)值模擬2個(gè)方面展開(kāi),試驗(yàn)研究又包括實(shí)艇試驗(yàn)和船模試驗(yàn)2種方法。實(shí)艇水下應(yīng)急上浮試驗(yàn)危險(xiǎn)性很大[2],如果操作不當(dāng)可能釀成嚴(yán)重事故,船模試驗(yàn)是替代實(shí)艇試驗(yàn)的有效方法,但是,由于船模尺寸和試驗(yàn)水池尺寸等的限制,給船模試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)了影響,如何消除這些影響[3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)急吹除技術(shù)的研究處在方案研究階段,對(duì)于應(yīng)急吹除系統(tǒng)中涉及到的零部件可靠性壽命研究較少[4]。

應(yīng)急燃?xì)獍l(fā)生器及輔件在服役期內(nèi)需要經(jīng)歷較長(zhǎng)期艙內(nèi)貯存和隨艇航行,在執(zhí)行任務(wù)中需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)海水浸泡,因此需對(duì)應(yīng)急燃?xì)獯党到y(tǒng)燃?xì)獍l(fā)生器及輔件的海洋環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器及輔件的材質(zhì)進(jìn)行梳理分析,發(fā)現(xiàn)其中的密封圈,橡膠減震墊等關(guān)鍵部件均為丁腈橡膠,本研究選擇以丁腈橡膠減震墊作為參考件,以相同工藝制備丁腈橡膠減震墊的標(biāo)準(zhǔn)樣,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行海水浸泡環(huán)境下的壽命研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中的丁腈橡膠減震墊由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所提供。依據(jù)GB/T 10834—2008人造海水配方為:24.53 g氯化鈉(NaCl)∶11.11 g 六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)∶4.09 g無(wú)水硫酸鈉(NaSO4)∶1.16 g無(wú)水氯化鈣(CaCl2)∶0.70 g氯化鉀(KCl)∶0.20 g碳酸氫鈉(NaHCO3)∶0.10 g溴化鉀(KBr),用以上分析純級(jí)試劑溶于蒸餾水并稀釋到總量為1 L,以上試劑采購(gòu)于上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TGA2用于熱重分析的熱重分析儀,室溫～1 000 ℃,梅特勒-托利多;用于模擬海水環(huán)境的恒溫水箱,廠家為常州金壇勒普儀器有限公司;ID-S112MXB用于測(cè)試壓縮變形的厚度計(jì),廠家為Mitutoyo corp。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.3.1丁腈橡膠壽命評(píng)估應(yīng)力

本文研究對(duì)象使用環(huán)境在海水環(huán)境下[7];因此在海水浸泡環(huán)境下研究溫度對(duì)丁腈橡膠減震墊的壽命影響。

1.3.2減震墊壽命評(píng)估極限應(yīng)力

先對(duì)丁腈橡膠進(jìn)行熱失重分析[8],依據(jù)GB/T 33047.1—2016裁剪10 mg左右的樣品,剪成小顆粒并過(guò)篩,使其大小盡可能的均勻,設(shè)定熱重測(cè)試開(kāi)始溫度為40 ℃,結(jié)束溫度為800 ℃,加熱速率為20 ℃/min。橡膠減振環(huán)標(biāo)準(zhǔn)樣品的熱分解初始溫度為172 ℃。

根據(jù)熱分解初始溫度,再結(jié)合產(chǎn)品在海水浸泡環(huán)境下使用(最高溫度不超過(guò)100 ℃),分別按照95、90、85 ℃3個(gè)溫度了進(jìn)行24 h預(yù)實(shí)驗(yàn),同時(shí)根據(jù)國(guó)際橡膠硬度的數(shù)值[9]和GB/T 7759.1—2015的定義,選擇壓縮率為25%。在溫度95、90、85 ℃下對(duì)減震墊進(jìn)行24 h預(yù)實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)為了縮短測(cè)試時(shí)間,壽命試驗(yàn)最高溫度設(shè)置為90 ℃,以5 ℃溫度間隔確定壽命試驗(yàn)的溫度點(diǎn)。

表1 橡膠減震墊標(biāo)準(zhǔn)樣預(yù)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.3橡膠減震墊加速壽命試驗(yàn)

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和GJB 92.1—1986對(duì)老化溫度的要求,若以壓縮永久變形為老化參數(shù)[10],則在最高溫度下進(jìn)行24 h預(yù)實(shí)驗(yàn)后壓縮永久變形率不能大于30%,因此壽命試驗(yàn)的最高溫度設(shè)置為90 ℃[11]。以5 ℃為溫度間隔設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)溫度,選擇壽命試驗(yàn)的老化溫度依次為90、85、80、75 ℃。壽命試驗(yàn)過(guò)程中按照規(guī)定的時(shí)間間隔取出進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。

1.3.4試驗(yàn)過(guò)程及老化試驗(yàn)

按照壽命試驗(yàn)方案,將受試品分組,測(cè)試初始性能,并依次放入高溫海水環(huán)境下浸泡,定期取出標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。老化試驗(yàn)具體步驟:

(1)程序A:將第1組樣品1#～45#按照25%的壓縮率,將試樣放入75 ℃的高溫海水中進(jìn)行1 104 h的高溫海水浸泡腐蝕試驗(yàn)[12],按照表2的時(shí)間間隔定期取出試樣,進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。

表2 4個(gè)溫度下樣品壓縮永久變形率的均值

(2)程序B:將第2組樣品46#～90#按照25%的壓縮率,將試樣放入80 ℃的高溫海水中進(jìn)行1 104 h的高溫海水浸泡腐蝕試驗(yàn),按照表2的時(shí)間間隔定期取出試樣,進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。

(3)程序C:將第3組樣品91#～135#按照25%的壓縮率,將試樣放入75 ℃的高溫海水中進(jìn)行1 104 h的高溫海水浸泡腐蝕試驗(yàn),按照表2的時(shí)間間隔定期取出試樣,進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。

(4)程序D:將第4組樣品136#～180#按照25%的壓縮率,將試樣放入75 ℃的高溫海水中進(jìn)行1 104 h的高溫海水浸泡腐蝕試驗(yàn),按照表2的時(shí)間間隔定期取出試樣,進(jìn)行壓縮永久變形率測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

本項(xiàng)目在壽命試驗(yàn)過(guò)程中主要考慮在海水環(huán)境下的熱應(yīng)力加速老化。已知在熱老化過(guò)程中性能變化指標(biāo)y與老化時(shí)間τ的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)公式描述:

y=Be-Kτα

(1)

式中:y為對(duì)于剛度為任何一老化時(shí)間τ時(shí)的剛度與老化前剛度的比值;B為試驗(yàn)常數(shù);K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù),d-1;τ為老化時(shí)間,d;α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[13]。

速度常數(shù)K與老化溫度T之間的關(guān)系服從阿倫尼烏斯公式[14]:

K=Ae-E/RT

(2)

式中:E為表面活化能,J/mol;R為氣體常數(shù),J/(K·mol);T為老化溫度,K;A為頻率因子,d-1。

對(duì)式(1)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后,在自變量中含有待估定參數(shù)α,可采用逐次逼近的方法求解,逼近的準(zhǔn)則是令α估計(jì)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)[15],使其最小。

(3)

當(dāng)a為某一定值時(shí),對(duì)式(1)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換后可得如下直線形式:

Y=a+bX

(4)

按最小二乘法估計(jì)a和b。

由此可得p個(gè)溫度下的速度常數(shù)Ki=-2.303b和Bi=10a,則式(1)中參數(shù)B的估計(jì)值

式(2)經(jīng)對(duì)數(shù)變換后可得如下形式:

W=C+DZ

(5)

同理,用最小二乘法估計(jì)C值和D值。

當(dāng)C值和D值已知時(shí)就可查得任一試驗(yàn)溫度下的速度常數(shù)K的估計(jì)值

則在貯存溫度下的性能變化的預(yù)測(cè)方程式為:

(6)

由此可知,在一給定的臨界值時(shí),其貯存期為:

(7)

2.2 數(shù)據(jù)分析及壽命評(píng)估

本次壽命研究以壓縮永久變形率作為特征參數(shù)進(jìn)行壽命擬合計(jì)算,性能變化指標(biāo)參數(shù)為松弛系數(shù)(px)[16],表達(dá)式如下:

Px=(1-ζx)

(8)

式中:ζx為不同溫度不同時(shí)間狀態(tài)下的壓縮永久變形率。

根據(jù)表2的測(cè)試數(shù)據(jù),可計(jì)算其性能指標(biāo)參數(shù),結(jié)果表3所示。

表3 橡膠減震墊標(biāo)準(zhǔn)樣不同溫度下的指標(biāo)參數(shù)

將75、80、85、90 ℃4個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上利用對(duì)α嘗試法計(jì)算準(zhǔn)則Ⅰ,經(jīng)過(guò)9次嘗試得到α的最值選擇值為0.76,5次嘗試得到的Ⅰ值見(jiàn)表4。

表4 α不同嘗試值時(shí)的Ⅰ值

計(jì)算各個(gè)溫度下的速度常數(shù)K、B值,并作lgPx對(duì)τ0.76的關(guān)系圖,如圖1所示。當(dāng)α=0.76時(shí),用最小二乘法[17]求得a和b,由此得到各個(gè)溫度下的K、B值,結(jié)果如表5所示。

圖1 性能變化的lgPx對(duì)τ0.76關(guān)系

表5 各個(gè)溫度下的速度常數(shù)K和B

由表5可計(jì)算B的估計(jì)值即平均值為0.901 0。

建立lgK=C+D/T關(guān)系,并作統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)表5中的K,作lgK對(duì)1/T關(guān)系圖,如圖2所示。

圖2 lgK對(duì)1/T關(guān)系

根據(jù)最小二乘法計(jì)算得到C為1.41和D為-1 495.9的估計(jì)值。

由此可計(jì)算不同貯存溫度下的速度常數(shù)估計(jì)值Ki,以壓縮永久變形率作為特征參數(shù)進(jìn)行壽命預(yù)估,不同溫度下的壽命τ的計(jì)算公式如下:

(9)

以15 ℃作為實(shí)際使用溫度,壓縮永久變形率的閾值為50%,計(jì)算橡膠減震墊的使用壽命為5.4年。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)熱重分析得到橡膠減震墊的熱分解溫度,根據(jù)橡膠減震墊的使用環(huán)境和GJB 92.1—1986設(shè)計(jì)預(yù)實(shí)驗(yàn)和壽命加速試驗(yàn),確定減震墊的極限測(cè)試溫度和壽命試驗(yàn)的測(cè)試溫度。通過(guò)對(duì)橡膠減震墊進(jìn)行4個(gè)溫度的加速壽命試驗(yàn),最終得到橡膠密封圈在15 ℃下,以50%為失效閾值的話,其使用壽命為5.4年。