空调球阀软密封失效机理分析

刘 迎 黄德宝 欧阳欢

（TCL 空调器（中山）有限公司 中山 528427）

引言

目前空调行业用球阀广泛应用于螺杆机、模块机、屋顶机等多种商用空调，具有操作方便、启闭迅速、阻力小、密封性好等优点。其中密封性是阀门最重要的指标，密封性失效分为软密封失效、硬密封失效，球阀结构图如图1。在对空调设备生产以及日常维护中，部分球阀上阀杆处存在泄漏情况，通过结构图可知，该位置使用密封圈进行软密封，方本孝[1]等指出球阀上阀杆处泄漏主要由于密封面进行密封过程中受到磨损，导致密封性随着使用而降低，可以通过改善密封面粗糙度、材料耐磨性能得以解决。但是经过试验发现本次遇到的故障件失效模式与方本孝等人研究成果有所差异，无法借鉴用于对产品改善。对于阀杆处密封对此类问题本文旨意通过多种试验手段对球阀密封圈软密封失效进一步分析论证并提出预防方案，降低球阀软密封泄漏的概率，进一步提高空调器的品质。

图1 球阀结构剖视图（示意图）

1 外观分析

结构上，上阀杆与阀体之间通过O 形密封圈进行密封，张幼安[2]在研究中指出，O 形密封圈是最易成型的柔软密封元件，其密封原理是通过自身的弹性形变，在密封面上产生接触压力，当接触压力大于被密封的介质则不会出现泄漏，从而起到密封作用，而压缩率是O形圈密封中至关重要的参数。如图2所示，本文研究的球阀使用的密封圈为孔用密封圈，孔用密封圈压缩率过大，密封圈在上阀杆沟槽内会出现扭曲，导致密封状态不稳定，而压缩率太小则容易引起泄漏，以上两种情况在使用过程中都存在密封失效的隐患，一般压缩率会选择在（10～15）%[3]。此外，O 形密封圈截面直径同样对密封效果存在影响，从机械密封可靠性来看，相同压缩率的情况下，截面直径越大，密封圈与孔的接触面也就越大，产生接触压力的情况下，截面直径越大的密封圈对孔所产生的压强越小，减低了密封的可靠性，由此可见，在设计以及生产过程中O 形密封圈截面直径应在推荐值内选择较小值，由此提高密封可靠性。

图2

图3 正常密封圈红外光谱测试情况

图4 泄漏密封圈红外光谱测试情况

图5 样品热分解图

图6 灰分样品3 吸潮现象

图7 EDX 测试位置示意图

对泄漏故障件进行外观解剖分析，发现上阀杆处密封圈出现扁平，但是密封圈表面未出现磨损情况，用手捏密封圈基本无弹性，取下密封圈，发现阀杆、阀体均为黄铜材质，但与密封圈接触位置出现了不同情况的变红现象。使用显微放大镜进一步观察、测试，上阀杆凹槽发红位置宽度与密封圈宽度基本一致，发红位置宽度带中间有黑色线条，为密封圈残留痕迹，发红位置与黄铜交界位置存在过渡斜坡，发红位置中间不均匀分布黄铜本色。对比未出现泄漏问题的样品，其密封圈富有弹性，压缩率、挤压间隙均在推荐值范围内，且与密封圈接触的位置均为黄铜本色。

小结：阀体、上阀杆与密封圈接触位置均出现不同程度的发红现象，密封圈与阀体、上阀杆发生了某种化学反应导致密封圈出现老化现象，密封圈老化扁平导致压缩率变小，使用过程中出现泄漏的故现象。排除O 型密封圈由于压缩率设计不合理导致本次故障的情况。

2 成分分析

2.1 红外光谱（FTIR）分析

将出现泄漏故障球阀的密封圈（样品1）以及未出泄漏问题的密封圈（样品2）均使用傅里叶变换红外光谱进行测试，如图3、4。

小结：对比测试结果，两个样品的密封圈主要成分均为氯丁橡胶，且两个样品红外光谱特征峰无明显差异。

2.2 密封圈X 射线荧光光谱分析（EDX）[5]

选取4 个不同球阀O 形密封圈，对其表面元素含量进行测试，测试结果如表1。

表1 EDX 测试结果

氯丁橡胶是由氯丁二烯（2-氯-1,3-丁二烯）为主要原料聚合而生产的合成橡胶，故测试出含有Cl 元素。

黄家明等[4]分析橡胶多用碳酸钙作为添加剂，能够提高橡胶拉伸强度及耐磨性能，故测试出含有Ca 元素。

小结：结合表1 的测试情况，对比样件3～6，出现泄漏问题的样件3、4 外观有硬化情况，其Cl 含量较低，Ca 含量较高。判定样件3、4 氯丁橡胶密封圈在使用过程发生了某种化学反应生产了含氯元素的化合物导致氯元素减少，下一步对反应产生的化合物实验验证。

2.3 密封圈灰分分析

取上文样品3（故障件）、样品5（正常件）使用坩埚+马弗炉进行热分解得到残留灰分。试验后发现两个样品试验后所得样品外观状态以及物理特性均存在差异：灰分样品3（故障件灰分）外观呈现黑色，灰分样品5（正常件灰分）外观呈现黄色；且样品3（故障件灰分）在空气中出现了吸潮现象。

对样品3、样品5 的灰分使用X 射线荧光光谱进行测试，结果如表2。

表2 密封圈热分解后成分对比表

小结：结合测试数据可得，故障件与正常件密封圈热分解以后的灰分成分有很大区别，故障件的密封圈灰分后产物Ca、Cl 含量较高。

2.4 上阀杆发红位置X 射线荧光光谱分析（EDX）

对上阀杆处发红部位（A 点）和未发红部位（B 点）进行成分测试，测试数据如表3。

表3 上阀杆不同位置成分对比表

小结：发红部位Zn 含量相对于阀杆部位含量较低，Cu 含量相对较高对上阀杆处发红部位；Zn 在常温下为活泼金属，一定条件下会与酸反应，Cu 为不活泼金属，常温下不与酸反应。故发红位置为黄铜中的Zn 元素与酸反应析出，铜含量升高，锌含量降低，黄铜与密封圈接触位置呈现出铜的紫红色。

2.5 离子色谱仪分析（HPIC）

将上文2.2 中选取的4 个球阀密封圈，分别置于纯水中，进行超声波振荡萃取，使用离子色谱仪测试氯离子含量,数据结果如表4。

表4 EDX 测试结果

小结：样品5、6 氯离子含量远低于样品3、4，表明样品3、4 在使用过程中有氯离子析出。

3 失效机理分析

氯丁橡胶由氯丁二烯进行聚合合成，氯丁橡胶在受热条件下吸收氧[6]，会发生分解反应，释放出HCl。

黄铜材质主要为Cu+Zn 的合金[7]，而Zn 属于活泼金属，且活性强于Cu，氯丁橡胶分解释放出来的HCl 在空气微量水分中形成HCl 溶液合金中表面Zn 进行反应，使其表面仅存在铜含量升高，呈现铜的紫红色现象。反应方程式如下：

同时氯丁橡胶分解释放出来的HCl 还与密封圈中的填料CaCO3发生化学反应，生成吸湿性很强的CaCl2。化学反应方程式如下：

式中:

Zn—锌化学式，阀体合金的主要成分；

HCl—氯化氢学式，橡胶老化产物；

ZnCl2—氯化锌学式

H2—氢气化学式；

CaCO3—碳酸钙化学式；

H2O—水化学式；

CO2—二氧化碳化学式。

4 结束语

通过多种设备以及实验方式验证了上阀杆密封圈泄漏以及所出现的相关现象进行了解析：

1）球阀出现泄漏的主要原因为氯丁橡胶密封圈出现老化分解变硬，无弹性起不到密封作用，从而导致泄漏。

2）密封圈硬化原因为氯丁橡胶出现老化分解变硬，呈现出硬化无弹性现象，老化分解释放出HCl，HCl 与黄铜中的Zn 发生反应，造成上阀杆表面腐蚀呈现发红现象，并且HCl 也会与密封圈填料CaCO3发生反应，生成吸潮性强的物质CaCl2。

3）从正常件与故障件灰分元素的情况，两者的密封圈的材料成分有差异，故障件含钙量高，填料添加量偏高从而影响氯丁橡胶密封圈性能，出现易老化分解变硬现象，为导致球阀泄漏的主要原因。此外，高树峰等[8]研究表明碳酸钙加入使胶料拉伸强度先增大后减少，而撕裂强度、拉断永久变形量会随着碳酸钙加入量增大而增大，综合来看碳酸钙的添加量对于橡胶的性能是先强化后降低。故在生产中管控碳酸钙的添加量至关重要。