CN108303317B - 一种橡胶密封圈失效检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种橡胶密封圈失效检测方法，步骤包括：通过应力加载、老化试验计算多个橡胶密封圈的残余压缩永久变形率；测定经老化试验后的各个橡胶密封圈表面交联密度和表面氧元素相对原子含量并建立橡胶密封圈残余压缩永久变形率回归分析预测方程，从随弹贮存T时间后的橡胶密封圈表面截取细薄片并测定其表面交联密度X₁和表面氧元素相对原子含量X₂，将测定出的数据代入回归分析预测方程，求解随弹贮存T时间后的橡胶密封圈残余压缩永久变形率，结合设计失效临界值给出检测结果。采用本发明检测方法，无需将橡胶密封圈从弹药产品上拆解下来，实现了随弹长期贮存的橡胶密封圈的无损检测，且检测结果准确、可靠，操作过程简单、快捷。

Description

一种橡胶密封圈失效检测方法

技术领域

本发明涉及一种随弹药长期贮存的橡胶密封圈，具体涉及该橡胶密封圈失效检测方法。

背景技术

常用的橡胶密封圈包括硅橡胶密封圈、氟橡胶密封圈、天然橡胶密封圈以及丁腈橡胶密封圈，这些橡胶密封圈具有良好的密封性能，广泛应用于各类弹药贮存结构中。由于橡胶自身分子结构上存在弱点，在随弹药长期贮存过程中，橡胶密封圈极易受机械应力、介质及空气中氧、温度、湿度的作用而发生吸氧老化或水解断链等老化行为，宏观上表现为橡胶密封圈产生累积永久变形，导致其压缩比减小而引起泄漏，丧失密封性能，是影响弹药产品贮存寿命的关键材料和薄弱环节。因此，合理评估随弹长贮的橡胶密封圈失效情况，极为必要。

目前，国内外一般采用两种方法检测随弹长贮的橡胶密封圈贮存失效情况，一是在实验室通过开展橡胶密封圈在3-4个恒定温度条件下的高温加速老化试验，采用阿伦尼乌斯模型外推获得自然贮存状态下的失效情况，二是到了橡胶密封圈设计寿命年限时，直接将其从弹药产品上拆下来，测定压缩永久变形率，判断其是否失效，能否满足使用要求。

阿伦尼乌斯模型外推法具有快速的优点，但由于阿伦尼乌斯模型中的表观活化能带有一定的假定性质，即加速老化试验采用的3-4个试验温度与外推贮存温度条件下的活化能不变，也即是活化能是与温度无关的常数，但这与实际情况是有出入的，一是在试验温度与贮存温度的差值较大时，加速老化机理与实际贮存老化机理可能不一致，表观活化能在加速老化过程中会发生变化，二是大量文献报道了橡胶密封圈在老化降解过程中的非阿伦尼乌斯行为，也即是在老化降解过程中表观活化能是变化的，因此这些情况都会导致高温加速老化外推获得的常温贮存寿命准确性不高。此外，采用3-4个温度点老化试验，也需要耗费大量时间、物力、人力。通过拆除橡胶密封圈并测定其压缩永久变形情况虽然具有准确性高的特点，但由于弹药属于“长期贮存、一次使用”产品，容易造成弹药浪费，拆卸费用太高，实际操作性极低。

发明内容

针对背景技术中存在的技术问题，本发明目的在于提供一种随弹长贮橡胶密封圈失效检测方法。

除特殊说明外，本发明所述高度是指橡胶密封圈本体截面的高度。

本发明目的是采用如下所述技术方案实现的。

一种随弹长贮橡胶密封圈失效检测方法，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

步骤1：选取不少于5个用于弹药贮存的全新橡胶密封圈，采用与随弹贮存过程中相同的施压方向和压缩比进行应力加载；压缩比计算公式：

P＝(h₀-h₁)/h₀*100％ [1]

式中h₀为橡胶密封圈初始高度，h₁为橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

本步骤中，应力加载所用工具可以采用国标GB/T 5720-2008《O形橡胶密封圈试验方法》中的标准压缩夹具，也可以根据橡胶密封圈的规格制作非标夹具，不论选用何种夹具，都需要确保施压方向与橡胶密封圈在使用过程中的受压方向相同；当随弹使用的橡胶密封圈为径向受压时，采用径向施压进行应力加载；当随弹使用的橡胶密封圈为轴向受压时，采用轴向施压进行应力加载；

步骤2：对步骤1中处于加载状态下的橡胶密封圈分别进行不同老化周期的老化试验，在不同老化周期，每次取出一个橡胶密封圈，先在标准温、湿度环境下恢复1小时，然后采用橡胶测厚仪测量橡胶密封圈高度h₂(即橡胶密封圈恢复到自由状态后的高度)，精确到0.01mm，并计算其残余压缩永久变形率y；残余压缩永久变形率计算公式：

y＝{1-(h₀-h₂)/(h₀-h₁)}*100％ [2]

式中，h₀为橡胶密封圈初始高度，h₁为橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

本步骤中，老化试验采用湿热老化试验或高温老化试验，其中，湿热老化试验的试验条件为80℃、90％RH，高温老化试验的试验条件为80℃；

步骤3：从步骤2中经老化试验后的各个橡胶密封圈表面分别截取细薄片，单个橡胶密封圈的细薄片截取量为50mg-150mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面氧元素相对原子含量X₂；

步骤4：基于一对多线性回归分析的数学模型，对步骤2、步骤3中各个橡胶密封圈残余压缩永久变形率y、细薄片表面交联密度X₁、细薄片表面氧元素相对原子含量X₂进行统计分析，建立残余压缩永久变形率回归分析预测方程

式中b₀、b₁、b₂均为回归系数；

步骤5：从已随弹贮存T时间后的橡胶密封圈表面截取细薄片，截取量50mg-60mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面氧元素相对原子含量X₂；

步骤6：将步骤5中测得的数据代入步骤4的回归分析预测方程式[3]中，求解出随弹贮存了T时间后的橡胶密封圈残余压缩永久变形率，结合设计失效临界值ε_c，给出检测结果，若

则检测结果为未失效，若

则检测结果为已失效。

本发明通过建立橡胶密封圈微观损伤情况与残余压缩永久变形率(宏观性能退化)的关联模型，深入揭示了其老化过程中微观结构与力学性能的关系，能够真实、有效地检测随弹长贮的橡胶密封圈失效情况。

采用本发明检测方法，无需将橡胶密封圈从弹药产品上拆解下来，只需要在处于使用状态下的橡胶密封圈表面截取微量(50mg-60mg)细薄片，截取微量细薄片后的橡胶密封圈可以继续使用，实现了随弹长期贮存的橡胶密封圈的无损检测。

采用本发明检测方法，操作过程简单、快捷，检测费用低。

采用本发明检测方法，检测结果与实测结果非常接近，检测结果准确、可靠；实测结果通过“将橡胶密封圈从弹药产品上拆下来，采用橡胶测厚仪测其高度，并计算其残余压缩永久变形率”的方法获得。

采用本发明检测方法，不会造成弹药浪费，实际操作性高。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些非本质的改进和调整，均在本发明保护范围内。

实施例1

一种随弹长贮橡胶密封圈失效检测方法，该方法依次以下述步骤进行：

步骤1：选取6个用于弹药包装筒上的全新丁腈橡胶密封圈(高度3mm)，采用与随弹贮存过程中相同的施压方向和压缩比进行应力加载，具体地，采用非标夹具先对每个全新橡胶密封圈进行径向应力加载，其压缩比为22.3％，压缩比计算公式为P＝(h₀-h₁)/h₀*100％，式中h₀为橡胶密封圈初始高度，h₁为橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

步骤2：将步骤1中处于加载状态下的6个丁腈橡胶密封圈分别放入湿热试验箱，设定湿热试验条件为80℃、90％RH，分别开展不同老化周期的湿热老化试验；待6个丁腈橡胶密封圈分别在湿热试验箱中老化0天、10天、20天、30天、47天、75天时(即第1个丁腈橡胶密封圈的老化周期为0天、第2个丁腈橡胶密封圈老化周期为10天，以此类推)，每次取出一个橡胶密封圈置于标准温、湿度环境下恢复1小时，然后采用橡胶测厚仪测量丁腈橡胶密封圈高度h₂，即丁腈橡胶密封圈恢复到自由状态后的高度，精确到0.01mm，并根据公式y＝{1-(h₀-h₂)/(h₀-h₁)}*100％计算残余压缩永久变形率y，结果见表1；

步骤3：从步骤2中经老化试验后的丁腈橡胶密封圈表面分别截取细薄片，单个丁腈橡胶密封圈的细薄片截取量为100-150mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面氧元素相对原子含量X₂，测试数据见表1；

表1丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率、表面交联密度与表面氧元素相对原子含量

步骤4：基于一对多线性回归分析的数学模型，对步骤2和步骤3中经老化试验后的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率y(随机变量)、细薄片表面交联密度X₁(自变量)、细薄片表面氧元素相对原子含量X₂(自变量)进行相关关系统计分析，建立残余压缩永久变形率回归分析预测方程，即：

经计算:

于是，正规方程组为

解此方程组，得回归系数值为

b₁＝-1.63，b₂＝-3.98

又

因此，所求预测回归方程为：

步骤5：从已随弹贮存10年时间的丁腈橡胶密封圈表面截取细薄片，截取量50mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测得该细薄片表面交联密度X₁为12.91*10^-5mol/cm³，采用X射线光电子能谱仪测得该细薄片表面的氧元素相对原子含量X₂为19.2％；

步骤6：将步骤5中测定出的数据代入步骤4式的回归分析预测方程式[4]中，求解出随弹贮存10年时间后的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率为63.41％，结合设计失效临界值ε_c＝50％，可见

说明该丁腈橡胶密封圈未失效，不需更换橡胶密封圈，可继续使用。

对比实施例1，采用实测法检测随弹长贮橡胶密封圈的失效情况。将已随弹贮存10年时间的丁腈橡胶密封圈(该丁腈橡胶密封圈对应的原始高度h₀为3mm,使用过程中受压时的高度h₁为2.33mm，压缩比为22.3％)从弹药产品上拆下来，均匀选取五个部位，采用橡胶测厚仪测量其恢复到自由状态时的高度h₂，并计算其残余压缩永久变形率，结果见表2；

表2随弹贮存10年时间的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率

比较实施例1步骤6中的检测结果与对比实施例1中的检测结果可知，随弹贮存了10年时间的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率误差较小，差值为4.61％。

实施例2

一种随弹长贮橡胶密封圈失效检测方法，该方法依次以下述步骤进行：

步骤1：选取6个用于弹药驾驶仪上的新丁腈橡胶密封圈(高度2.5mm)，采用与随弹贮存过程中相同的施压方向和压缩比进行应力加载，具体地，采用非标夹具先对每个全新橡胶密封圈进行径向应力加载，其压缩比为25％，压缩比计算公式为P＝(h₀-h₁)/h₀*100％，式中h₀为丁腈橡胶密封圈初始高度，h₁为丁腈橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

步骤2：将步骤1中处于加载状态下的6个丁腈橡胶密封圈分别放入高温老化试验箱，设定高温试验条件为80℃，分别开展不同老化周期的高温老化试验；待6个丁腈橡胶密封圈分别在高温老化试验箱中老化0天、3天、17天、32天、59天、94天后(即第1个丁腈橡胶密封圈的老化周期为0天、第2个丁腈橡胶密封圈的老化周期为3天，以此类推)，每次取出一个橡胶密封圈置于标准温、湿度环境下恢复1小时，然后采用橡胶测厚仪测量丁腈橡胶密封圈高度h₂，即丁腈橡胶密封圈恢复到自由状态后的高度，精确到0.01mm，并根据公式y＝{1-(h₀-h₂)/(h₀-h₁)}*100％计算残余压缩永久变形率y，结果见表3；

步骤3：从步骤2中经老化试验后的丁腈橡胶密封圈表面分别截取细薄片，单个丁腈橡胶密封圈的细薄片截取量为50-150mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面的氧元素相对原子含量X₂，测试数据见表3；

表3丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率、表面交联密度与表面氧元素相对原子含量

步骤4：基于一对多线性回归分析的数学模型，对步骤2和步骤3中经老化试验后的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率y(随机变量)、细薄片表面交联密度X₁(自变量)、细薄片表面氧元素相对原子含量X₂(自变量)进行相关关系统计分析，建立残余压缩永久变形率回归分析预测方程，即：

经计算:

于是正规方程组为

解此方程组，得回归系数值为

b₁＝-10.16，b₂＝-5.62

又

因此所求预测回归方程为：

步骤5：从已随弹贮存10年时间的丁腈橡胶密封圈表面截取细薄片，截取量60mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测得该细薄片表面交联密度X₁为12.65*10^-5mol/cm³，采用X射线光电子能谱仪测得该细薄片表面氧元素相对原子含量X₂为17.21％；

步骤6：将步骤5中测定出的数据代入步骤4的回归分析预测方程式[5]中，求解出随弹贮存10年时间后的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率为56.53％，结合设计失效临界值ε_c＝50％，可见

说明该丁腈橡胶密封圈未失效，不需更换橡胶密封圈，可继续使用。

对比实施例2，采用实测法检测随弹长贮橡胶密封圈的失效情况。将已随弹贮存了10时间的丁腈橡胶密封圈(该丁腈橡胶密封圈对应的原始高度h₀为2.5mm,使用过程中受压时的高度h₁为1.875mm，压缩比为25％)从弹药产品上拆下来，均匀选取五个部位，采用橡胶测厚仪测量其恢复到自由状态时的高度h₂，并计算其残余压缩永久变形率，结果见表4；

表4随弹贮存10年时间的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率

比较实施例2步骤5中的检测结果与对比实施例2中的检测结果可知，随弹贮存了10年时间的丁腈橡胶密封圈残余压缩永久变形率误差较小，差值为4.53％。

参照实施例1或实施例2，弹药产品上硅橡胶密封圈、氟橡胶密封圈和天然橡胶密封圈的失效情况均可以采用本发明所述方法检测。

Claims (1)

1.一种橡胶密封圈失效检测方法，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

步骤1：选取不少于5个用于弹药贮存的全新橡胶密封圈，采用与随弹贮存过程中相同的施压方向和压缩比进行应力加载；压缩比计算公式：

P＝(h₀-h₁)/h₀*100％ [1]

式中，P为橡胶密封圈的压缩比，h₀为橡胶密封圈初始高度，h₁为橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

步骤2：对步骤1中处于加载状态下的橡胶密封圈分别进行不同老化周期的老化试验，在不同老化周期，每次取出一个橡胶密封圈，先在标准温、湿度环境下恢复1小时，然后采用橡胶测厚仪测量橡胶密封圈高度h₂，精确到0.01mm，并计算其残余压缩永久变形率y；残余压缩永久变形率计算公式：

y＝{1-(h₀-h₂)/(h₀-h₁)}*100％ [2]

式中，h₀为橡胶密封圈初始高度，h₁为橡胶密封圈经应力加载后达到的规定高度；

步骤3：从步骤2中经老化试验后的各个橡胶密封圈表面分别截取细薄片，单个橡胶密封圈的细薄片截取量为50mg-150mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面氧元素相对原子含量X₂；

步骤4：基于一对多线性回归分析的数学模型，对步骤2、步骤3中各个橡胶密封圈残余压缩永久变形率y、细薄片表面交联密度X₁、细薄片表面氧元素相对原子含量X₂进行统计分析，建立残余压缩永久变形率回归分析预测方程

式中，

表示橡胶密封圈残余压缩永久变形率的计算值，b₀、b₁、b₂均为回归系数；

步骤5：从已随弹贮存T时间后的橡胶密封圈表面截取细薄片，截取量50mg-60mg，精确到0.1mg，采用核磁共振交联密度仪测定细薄片表面交联密度X₁，采用X射线光电子能谱仪测定细薄片表面氧元素相对原子含量X₂；

步骤6：将步骤5中测定出的数据代入步骤4的回归分析预测方程式[3]中，求解出随弹贮存T时间后的橡胶密封圈残余压缩永久变形率，结合设计失效临界值ε_c，给出检测结果，若

则检测结果为未失效，若

则检测结果为已失效。