建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.007建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析韩文滔（中国联合工程有限公司，浙江杭州3 10 0 0 0）摘要：为延长给排水管道橡胶密封圈的使用寿命，通过建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试，分析其密封性能。以固定质量分数的三元乙丙橡胶、炭黑N115、氧化锌、硬脂酸与不同质量分数的硫磺、防老剂4 0 10 NA、促进剂TMTD/NS、增塑剂A为配方材料，制备不同配比的建筑给排水管道三元乙丙橡胶密封圈。采用正交试验法通过在8 5 污水介质下，研究不同配方材料添加量对三元乙丙橡胶密封圈老化性能指标的影响，获取三元乙丙橡胶密封圈试件最佳配比；通过对试验管道作漏水检测以及不同热氧老化试验，分析试件的耐老化性能与密封性能。试验结果表明：硫磺、防老剂4 0 10 NA、促进剂TMTA、促进剂NS、增塑剂A的配比为0.6:2.2:1.8:1.5:2时，制备的密封圈试件压缩率指标最高、压缩永久变形指标值最小；热氧老化温度为8 5,10 0 时，经9 0 d老化，密封圈试件密封性能最突出；热氧老化温度升至115,13 0，分别经17,5 d老化后，其密封性能明显下降；2 4%压缩率下，管道可承受的最大压力为4 MPa,在该压力下仍能保证管道不漏水。关键词：密封性能；橡胶密封圈；建筑给排水管道；老化测试中图分类号：TB42;TQ333.4Aging Degree Testing and Sealing Performance Analysis of Rubber SealingRings for Building Water Supply and Drainage Pipelines(China United Engineering Corporation Limited,Hangzhou 310000,China)Abstract:To extend the service life of rubber sealing rings in water supply and drainage pipelines,the aging degree of rubber sealing rings inbuilding water supply and drainage pipelines was tested to analyze their sealing performance.Using fixed mass fraction EPDM rubber,carbonblack N115,zinc oxide,stearic acid,and different mass fractions of sulfur,antioxidant 4010NA,accelerator TMTD/NS,and plasticizer A asformula materials,prepare EPDM sealing rings with different ratios for building water supply and drainage pipelines.By using the orthogonalexperimental method,the effect of different formula material additions on the aging performance indicators of EPDM rubber sealing rings wasstudied under 85 C sewage medium,and the optimal ratio of EPDM rubber sealing ring specimens was obtained;Analyze the aging resistanceand sealing performance of the test piece by conducting water leakage detection on the test pipeline and conducting dfferent thermal oxygenaging tests.The experimental results show that when the ratio of sulfur,antioxidant 4010NA,accelerator TMTA,accelerator NS,andplasticizer A is 0.6:2.2:1.8:1.5:2,the compression rate index of the prepared sealing ring specimen is the highest and the compressionpermanent deformation index value is the lowest;When the thermal oxygen aging temperature is 85 C and 100 C,after 90 days of aging,thesealing performance of the sealing ring specimen is the most outstanding;The thermal oxygen aging temperature increased to 115 C and130 C,and after 17 and 5 days of aging,its sealing performance significantly decreased;At a compression rate of 24%,the maximumpressure that the pipeline can withstand is 4MPa,and at this pressure,it can still ensure that the pipeline is not leaking.Key words:sealing performance;rubber sealing ring;building water supply and drainage pipelines;aging test收稿日期：2 0 2 3-0 5-16基金项目：浙江省科技计划项目（2 0 2 1F10139）作者简介：韩文滔（19 9 0-），男，浙江绍兴人，高级工程师，硕士，研究方向：建筑消防、海绵城市。48文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 4 8-0 6HANWen-tao0引言合适的管材、密封性突出的橡胶密封圈是确保建筑给排水管道安全运行的关键1-3 ，如今管材性能已得到行业的广泛关注与高度重视，但对密封圈的重视程度仍有不足 4-5 ,由密封圈老化导致的建筑给排水管道漏水问题时有发生，这不仅会加大建筑给排水管Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024道的维护保养难度，也会给社会正常运转带来诸多不1.2试验设备及仪器便 6-7 。因此,设计适合应用于建筑给排水管道的耐试验设备和仪器包括：东莞市宝轮精密检测仪器老化密封圈显得尤为重要 8-10 。王清清等在水介质环有限公司的BL-6175型开炼机，东莞市厚天科技有限境下对0 形丁腈橡胶密封圈的密封性进行研究，发现公司的密炼机，扬州市源峰检测有限公司的YF-8017水压是影响其密封性的重要因素,压缩率的变化也能平板硫化机，海恒克仪器科技有限公司的橡胶无转子改变其密封性能，但影响效果低于水压。该密封圈不硫化仪,PG5062型高温热空气加速老化试验箱，来自耐高温、氧老化性能低,故难以应用在建筑给排水管道东莞市品高检测仪器有限公司，河南众测机电设备有环境中 1;杜钢等对湿热老化条件下丁腈、氟、三元乙限公司的智能电子拉力试验机，山东山材试验仪器有丙橡胶密封圈的性能进行对比分析，发现三元乙丙橡限公司的LX-AD型便携式邵氏橡胶硬度计。胶密封圈更耐湿热老化,稳定性更突出 12 。1.3炼胶方法三元乙丙橡胶(Ethylene-Propylene-Diene Monomer,以建筑给排水管道橡胶密封圈制备配方中的材料EPDM)主链主要为饱和烃,具有强稳定性特点,而侧链L,F,CT,CN,ZA的加人量为试验变量,通过5 个等级由不饱和双键构成 13 。该橡胶的分子结构决定了其在描述各个变量，通过5 个等级5 个变量的正交试验确耐臭氧、抗老化以及抗酸碱腐蚀等上的突出性能,故广定各配方材料配比，分析制备的三元乙丙橡胶密封胶泛采用此橡胶材料进行密封圈的制备，以提高三元乙老化性能,正交试验变量与等级具体如表2 所示。丙橡胶密封圈的使用寿命 14-15 。本研究为实现建筑表2 正交试验变量与等级给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析，将三元乙丙橡胶作为建筑给排水管道密封圈制备的主要原料，通过研究制备配方其他材料添加量对密封圈老化性能的影响，确定最优制备配方，再通过热氧老化试验分析制备的三元乙丙橡胶密封圈的耐老化、密封性能，以提高其使用寿命。1试验材料与方法1.1试验材料建筑给排水管道橡胶密封圈制备所需材料如表1所示。表1建筑给排水管道橡胶密封圈制备配方质量分配方材料数/%三元乙丙橡胶45炭黑N11529.1潍坊博拉碳材料有限公司氧化锌5硬脂酸1防老剂4 0 10 NA(F)变量南通润丰石油化工有限公司硫磺(L)变量湖北实顺生物科技有限公司克莱因（山东）生物科技有限促进剂 TMTD(CT)变量公司促进剂 NS(CN)变量石家庄协大化工科技有限公司增塑剂 A(ZA)变量武汉亿科德精细化工有限公司等级LA0.6B1.2C1.8D2.4E3.0按顺序将三元乙丙橡胶、ZA、氧化锌、硬脂酸、F、1/2炭黑N115、1/2 炭黑N115分别放置到密炼机中。其中,三元乙丙橡胶的放人时间为0.5 min,1/2炭黑N115、1/2 炭黑N115的放入时间分别为2.5 min和生产公司1min,然后以7 0 r/min转子速度、0.7 填充因数开始混江苏金泰密封科技有限公司炼。炼制10 min后,将得到的高温胶料放人到开炼机内进行快速降温，直至胶料温度下降到室温条件，且辊筒温度大约为（5 0 5），此时向开炼机内加入L，廊坊乾耀科技有限公司CT,CN,注意要持续均匀添加。完成上述操作后,将混山东茂发化工有限公司炼胶静置2 4 h，并利用无转子硫化仪测量胶料硫化时长,再通过平板硫化机对其作硫化处理。1.4测试方法三元乙丙橡胶密封圈高压缩率意味着橡胶收缩能力强，但也会催化橡胶的老化，降低其使用寿命。同时,高压缩永久变形率表明三元乙丙橡胶密封圈的压缩回弹能力差，易发生永久变形并破坏其密封性能，从49试验变量加人量/%FCT00.61.11.22.21.83.32.44.43.0CN0.30.60.91.21.5ZA02468液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期而影响橡胶的使用寿命。因此,为了延长橡胶密封件的使用寿命,测试过程中,以压缩率和压缩永久变形率为指标进行测试。具体测试过程为：三元乙丙橡胶密封圈制备完毕后，将其置于8 5 污水介质中，通过对其压缩率、压缩永久变形率指标进行分析，研究不同配方材料添加量下的三元乙丙橡胶密封圈老化性能；将其分别放在8 5，10 0，115，13 0 热氧老化环境中,通过分析其硬度、拉伸强度指标的变化研究其密封性能；通过对卡压连接下的DN50管道进行漏水测试,研究三元乙丙橡胶密封圈的密封性。在外界压力作用下，三元乙丙橡胶密封圈直径的该变量占压缩前截面直径的百分比称作压缩率，其计算公式描述为：100(do-d,)W=do其中,d。为压力作用前的三元乙丙橡胶密封圈截面直径,mm;d,为压力作用下的三元乙丙橡胶密封圈在挤压方向的截面直径,mm。对三元乙丙橡胶密封圈压缩后，将造成其物理性能等的改变，撤去外界作用力后，三元乙丙橡胶密封圈也无法复原到原始状态，由此就形成了压缩永久变形，它有关三元乙丙橡胶密封圈的弹性与复原,通过该指标不仅能分析三元乙丙橡胶密封圈密封性能的优劣，也能完成其使用寿命的判断。压缩永久变形率的计算公式描述为：100(do-d,)Cd.-d,其中,d为撤去外力后三元乙丙橡胶密封圈在挤压方向的截面直径,mm。2试验结果分析2.1配方材料用量对橡胶密封圈老化性能的影响建筑给排水管道橡胶密封圈制备配方材料的用量对其老化性能具有直接影响,将其放置在8 5 污水介质中进行连续一周的加速老化试验。1）压缩率、压缩永久变形指标变化分析通过对不同配方材料用量下的压缩率、压缩永久变形指标变化进行分析，试验结果分别如图1图4所示。图1图4 中的加人量均为质量分数，分析图1可知,在其他配方材料用量不变的条件下，改变建筑给排水管道三元乙丙橡胶密封圈配方中硫磺的含量，将会对三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标产生影响，其值5085807065600.685一-压缩率压缩永久变形率80(1)%/率期王75706560085一一-压缩率80F压缩永久变形率(2)7065600.685一-压缩率80压缩永久变形率7065600.320一-压缩率压缩永久变形率11.2硫磺加入量/%图1矿硫磺用量分析11.12.2防老剂4 0 10 NA加入量/%图2 防老剂用量分析11.21.8促进剂TMTD加入量/%(a）促进剂TMTD用量0.60.9促进剂NS加入量/%(b)促进剂NS用量图3 促进剂用量分析18%/1614元12101.82.43.32.41.23.02012104.4720161412103.072018%/161412101.5Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024三元乙丙橡胶密封圈具有较好的耐老化性能。促进剂85720-压缩率压缩永久变形率8065600与硫磺用量成反比关系，使用过多的硫磺，将会使三元乙丙橡胶密封圈的分子结构中含有更多的硫键，热老化过程中,此硫键遭受破坏的概率较高。该指标值与硫磺用量成正比关系，添加更多的硫磺，可使三元乙丙橡胶密封圈分子结构中含有更多的多硫键，当三元乙丙橡胶密封圈长期处于湿热环境或有持续外力施加到其上时,将会降低其多硫键的稳定性,造成该结构的破坏，最终导致当三元乙丙橡胶密封圈发生永久变形，影响其耐老化性能。分析图2 可知，三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标随着防老剂的增多总体呈升高规律变化，当添加2.2%防老剂时，其指标值上升到最大值，之后再继续添加防老剂，压缩率指标值基本无明显变化，说明添加2.2%防老剂时，三元乙丙橡胶密封圈的耐老化性能最突出。加入少量防老剂，三元乙丙橡胶密封圈的压缩永久变形指标值较高，当添加量达到2.2%时，该指标值下降至最低水平，继续增加防老剂用量，三元乙丙橡胶密封圈遭受老化伤害程度也增大。分析图3 a可知,促进剂TMTD的增加,将使压缩率指标呈先增后减趋势变化，当TMTD添加量达到1.8%时，该指标取最大值；分析图3 b可知，增加促进剂NS,三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标呈不断增长规律变化,其原因在于促进剂NS的使用,可使得三元乙丙橡胶密封圈分子结构中产生更多的交联键，它能够对分子链的热运动起到抑制作用，从而使得三元乙丙橡胶密封圈获得增强。而促进剂TMTD的增加,将使压缩率指标呈先增后减趋势变化，当TMTD添加量达到1.8%时,该指标取最大值。促进剂 NS 的添加可有效降低三元乙丙橡胶密封圈的压缩永久变形指标，这是因为它的加人，增强了橡胶分子链的交联性大小，使得分子链间更紧固，减小滑移现象的发生，从而使得TMTD的加人量在1.8%、增塑剂为2%时,压缩永久变18形指标值可取得最小值。%/分析图4 可知,不同增塑剂A用量下,压缩率曲线16的走势同样呈现先增后减规律，当添加2%增塑剂后，14压缩率达到最大。压缩永久变形率呈现先减后增的规律，当添加2%增塑剂后，压缩永久变形率达到最小。122）压缩率极差分析通过对指标作极差分析可确定其与各变量的关联1024增塑剂A加入量/%图4 增塑剂用量分析68性,并获得三元乙丙橡胶密封圈制备配方材料对其老化性能的影响程度。表3 为该指标的极差分析结果。表3 压缩率的极差分析结果老化性能项目L加人F加人CT加入CN加人ZA加入量/%量/%KA77.25KB74.21Kc72.37KD72.37Ke71.63R5.51最佳等级A表3 中,KA,K,Kc,Kp,K分别表示A,B,C,D,E5个变量等级下的老化性能均值,各变量的极差通过R表示，用于描述各变量添加量的改变对三元乙丙橡胶密封圈老化性能的变化大小；不同变量等级下的橡胶密封圈老化性能均值通过Kx反映。结合表2 中的试验变量加入量可知,当L,F,CT,CN,ZA的用量分别为0.6%,4.4%,1.8%,1.5%,2%时,可确保老化后的三元乙丙橡胶密封圈的压缩率达到最优,提高CN的添加量或降低L的加入量都能达到提升压缩率的目的。3）压缩永久变形率极差分析三元乙丙橡胶密封圈配方成分用量的改变，也会对其压缩永久变形指标产生影响，该指标的极差分析结果如表4 所示。结合表2 分析表4 可知,当L,F,CT,CN,ZA的用量分别为0.6%,2.2%，1.8%，1.5%，2%时，可确保老化后的三元乙丙橡胶密封圈的压缩永久变形率指标达到最优,降低L的添加量或提高CN的加入量都能达到降低压缩永久变形率的目的。51量/%72.9372.337373.774.3575.2174.273.874.3772.812.332.77EC量/%量/%72.2373.0773.2774.7774.9573.4174.0373.5174.3573.072.011.60EB液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期表4 压缩永久变形率的极差分析结果老化性能项目L加人F加人CT加人CN加人ZA加人量/%量/%KA11.36KB12.89Kc14.89Kp13.65Ke14.79R3.33最佳等级A综合上述3 组试验确定硫磺、防老剂、促进剂TMTD、促进剂NS和增塑剂A的比例为0.6:2.2:1.8：1.5:2,此时，三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标最高，压缩永久变形率最小,其耐老化性能最优。2.2建筑给排水管道橡胶密封圈密封性分析建筑给排水管道橡胶密封圈密封性能的优劣可通过对不同压力条件下的管道漏水检测进行判别，本研究以DN50不锈钢管道为试验目标，设定三元乙丙橡胶密封圈的压缩率分别为4%，8%，12%，16%，2 0%，24%，依据以上压缩率对DN50作卡压连接试验，再将水倒人到连接件中直至其被填满，通过手动水压泵对其施加压力，当管道密封位置漏水停止施压，并记录此时的压力值。通过对不同压缩率取值下的连接件压力值进行变化分析,研究三元乙丙橡胶密封圈的密封性能，试验结果如图5 所示。54310图5 不同压缩率取值下的连接件压力值的变化分析分析图5 可知，连接件所受压力与三元乙丙橡胶密封圈的压缩率成正比关系，压缩率由4%增长至16%时,连接件所受压力呈大幅增长趋势变化,继续加52大三元乙丙橡胶密封圈压缩率,受到的压力值增长幅度变缓，当压缩率增长到2 4%，压力值开始趋于平稳，并达到4 MPa,国家标准压力界定值为1.6 MPa,此时已超出其2.5 倍，但管道未出现漏水问题。鉴于现实量/%量/%13.4313.3113.213.2513.9312.6713.0313.21213.170.480.62CC14量/%13.6113.113.312.7513.213.113.0113.3112.4713.331.030.56EB一812162024压缩率/%卡压连接过程中因工具磨损等导致的压缩率过小的问题，并考虑管道直径大小等，将压缩率设定为2 0%较为合适。2.3#热氧老化下的三元乙丙橡胶密封圈的密封性能分析多种因素会引起建筑给排水管道橡胶密封圈老化，高温是建筑给排水管道中普遍存在的一个重要影响因素。在压缩率为2 0%条件下，将三元乙丙橡胶密封圈分别放置在8 5,10 0,115,13 0 环境下进行3 0,60,90,120,150,180d的热氧老化试验，通过对不同老化温度下的三元乙丙橡胶密封圈的硬度、拉伸强度指标进行分析,研究其密封性能，试验结果分别如图6 和图7 所示。8076726864600图6三元乙丙橡胶密封圈硬度分析分析图6 可知，将三元乙丙橡胶密封圈放置在不同热氧老化温度下，其硬度指标与老化时间具有正比例关系,即老化时间越长,其硬度越大,热氧老化使得三元乙丙橡胶密封圈原有的柔韧性遭到破坏,不再富有弹性。这是由于高温环境促使三元乙丙橡胶密封圈内部分子链交联反应增强，提高了交联密度，进而使得其硬度指标值明显上升。其中8 5,10 0 热氧老化条件下的老化时间硬度曲线具有相似的走势规律，前60d老化过程中，三元乙丙橡胶密封圈硬度指标上升的最快,6 0 9 0 d其值呈缓慢增加态势发展,继续老化，其值开始迅速上升，且热氧老化温度越高，其硬度越大;115，13 0 热氧老化条件下，三元乙丙橡胶密封圈硬度指标增长速度快于8 5,10 0 热氧老化条件，三元乙丙橡胶密封圈在13 0 热氧老化环境下的硬度值最高。三元乙丙橡胶密封圈的密封性能与硬度指标成-85老化.1.0老化-115老化-.-130老化3060老化时间/d90120150180Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024反比关系，硬度越高，密封性能越差。试验结果表明，高、压缩永久变形率最小,其耐老化性能最突出。三元乙丙橡胶密封圈对温度的敏感度高，高温环境下，（2）2 4%压缩率下，管道可承受的最大压力为因硬度变大导致其密封性能下降。4MPa,且保证管道不漏水。15（3）8 5，10 0 热氧老化温度下，三元乙丙橡胶密封圈在经过9 0 d老化时,密封性能最突出;115,13 0 14温度时，分别经17,5 d老化后,其密封性能明显下降。/131211100图7三元乙丙橡胶密封圈拉伸强度分析分析图7 可知,热氧老化条件下，三元乙丙橡胶密封圈拉伸强度曲线呈现先上升后下降规律变化。当将三元乙丙橡胶密封圈放在温度为8 5,10 0 的老化环境中时，大约需经9 0 d老化,其拉伸强度才开始下降，且前者下降幅度小于后者；115 老化条件时,大约经过17 d老化,其拉伸强度就上升到最高水平,继续进行老化处理,其值又迅速下降;13 0 老化温度下,其拉伸强度上升速度最快，大约经过5 d老化其值即可达到最大,之后又以最快的速度下降。这是由于在对三元乙丙橡胶密封圈进行热氧老化的初始阶段，其交联密度快速升高,其内部分子链中产生更多的交联点，使得其拉伸强度升高，这个过程受温度影响更大，高温会加快其拉伸强度的增长速率，缩短其老化时间。继续老化，将会引发其分子链断裂，拉伸强度减小。3结论本研究采用正交试验法分析三元乙丙橡胶密封圈制备配方材料添加量对其老化性能的影响，确定具有最佳配比的三元乙丙橡胶密封圈制备配方，通过不同热氧老化温度条件以及漏水检测试验分析制备的三元乙丙橡胶密封圈的耐老化性能以及密封性能。试验结果表明：（1）8 5 污水介质下，硫磺：防老剂4 0 10 NA：促进剂TMTA：促进剂NS:增塑剂A比例为0.6:2.2:1.8:1.5:2时，三元乙丙橡胶密封圈的压缩率指标最引用本文：韩文滔.建筑给排水管道橡胶密封圈老化程度测试及密封性能分析 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4（4）：4 8-5 3.HAN Wentao.Aging Degree Testing and Sealing Performance Analysis of Rubber Sealing Rings for Building Water Supply and DrainagePipelines J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(4):48-53.53参考文献1李安达,孙颖慧，叶烈伟，等.建筑给排水隔震柔性管道设-85老化计方法 J.中国给水排水,2 0 2 1,3 7（8）：5 9-6 4.-115老化1-130老化上13060老化时间/d2盛丽媛，彭超，李京，等.非金属管道在核电厂室外工程给排水直埋管道中的应用分析J给水排水，2 0 2 0,5 690120150180(S1):91-94.3孙敏强.现代化市政给排水工程管道防渗漏施工控制技术 J.建筑技术开发,2 0 2 1,4 8（2 4）：7 7-7 8.4常勤辉,刘明保,陆龙飞.滑人式T型球墨铸铁管橡胶密封圈使用寿命预测 J.特种橡胶制品,2 0 2 0,4 1（6)：5 9-6 1.5 陆怡，查涵清，姚润盐.特大口径全焊接球阀的密封性分析及结构改进 J.计算机仿真,2 0 2 2,3 9（8）：4 4 1-4 4 5,4 5 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