O形密封圈失效机制

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作为橡胶密封件行业从事产品设计多年的工程师，本人亲自对上千种从客户泄漏的设备中拆下来的O型密封圈进行过分析。当一种独特的新失效模式出现的时候，需要进行一些额外的研究。这种情况下，将各种因素相结合，能建立一种O型垫圈失效的新机制。

        背景
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6 \: R; y' T, v9 t        在实际应用中，飞机燃油泵制造商联系到了Parker Hannifin寻求帮助，以解决一系列不正常的O型垫圈失效导致燃油泄漏的问题。2008年，三种不同的飞机的燃油泵都进行了日常的检修保养。在这所有三个例子里面，从配件市场采购的O型垫圈以及燃油泵装配在飞机服役之前，都通过了最初的泄漏测试。两个月内，所有修复好的泵都有燃油泄漏的迹象。拆卸后，所有的三个O型垫圈在凹槽处都出现断裂，每一处断裂都产生了90°的弯曲（如图1）。根据维修情况来看，这些特殊的O型垫圈并非由Parker公司制造的。然而，燃油泵制造厂家对Parker的工程领域专业技术知识是很熟悉的，因此邀请他作为专业技术支持，针对该特殊的O型垫圈失效情况进行诊断并提出解决方案。

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图1、槽内的O型密封圈失效

      外观检查
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      该失效分析中关键性的一步是要对O型垫圈的机械损坏进行彻底的检查。显然，所有的三个O型垫圈都产生了损坏，这必将会导致泄漏。令人惊讶的是，所有三个O型圈的断裂都被朝着压力源的方向，而不是背离它。然而，忽略其它可能导致失效的原因则可能会导致对更关键因素的忽视，而这些关键因素能带来最佳的预防方法。在本文的例子里面，O型垫圈并没有产生其它的机械损坏。举例来说，这种O型圈不存与压力有关的挤出失效证据，当流体的压力超过材料所能承受的强度时，橡胶会被挤压进入配件之间的空隙，留下“损毁”橡胶的区域。这种情况显然不存在于此O型垫圈上。并且没有任何的迹象表明这种O型垫圈在装配的零件之间产生了任何方式的压缩。

1 |8 I8 d  t5 a  ]8 p% O2 v  m$ R      此外，该橡胶材料也没有任何化学分解或者热降解的迹象。不同于其它损坏点，该O型垫圈没有明显的膨胀、硬化、变软、起泡、压缩变形、脆化或者抗拉强度的损失等。非常简单，与其他较明显的损毁相比不存在损坏。基于这些原因，这些密封材料的化学和热不兼容性的因素得以被证明不是失效根本原因的潜在因素。
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       对断裂进行分析

0 w0 L9 J0 X; P6 s+ g/ A+ F0 q9 d      O型垫圈的失效最常出现在为了满足应用，O形垫圈被拉伸的装配过程中。在这种情况下，虽然，O型垫圈通过了初始的泄露测试和并且使用了长达几个星期。对于被毁坏的O型垫圈这是不可能的。因此，在进行安装和初始压力测试的时候，O型垫圈必须是没有损坏的。这意味着O形垫圈肯定是在使用过程中损毁，即在它被安装在槽内之后，这是一种在静态O型垫圈密封装置中中非常罕见的情况。这种类型的使用中的损毁通常可以追溯到一个或两个原因。

      最常见的使用中的O型垫圈损毁的原因是撕裂，它是从最初的扭缩点传开的。在这种情况下，O型密封圈的一部分在安装配合的金属零件中被压碎，通常是在安装过程中意外弹出凹槽时产生的。以这种方式损毁的O型密封圈会表现出明显的机械损坏迹象，其中包括：部分被严重压碎，O型密封圈上某部分缺失，横截面上有呈半圆形的切除等。在某些情况下，一个缩紧的O型密封圈会通过初始的泄露试验并在使用过程中损毁，这是由于O型密封圈初始的缩紧损坏传播的结果。然而，在这些失效O型密封圈中没有任何缩紧损坏的证据。

      常见的使用中的O型垫圈损毁的原因是O型密封圈中的成型缺陷。如果在成型过程中，熔化的橡胶材料流动和粘结不得当，则会在该O型垫圈中留下一个机械瑕疵点，从而在压力下容易损毁。这些通常可以通过对使用中损坏的样品进行研究探讨进行诊断。如果原材料没有实现良好的粘结，损坏的部位将显现“球状-和-槽状”的损坏形式，与之相匹配的便是凸凹的损坏形状。O形垫圈内部的气泡使得凹面形状各异，可以使光滑的，圆形的甚至是波浪形的。而这种情况下被破坏的O型密封圈则具有一个非常锐利和干净的裂口，仿佛被一把锋利的刀切割过一样 (如图2)。O型密封圈制造缺陷导致这种类型的损坏是根本不可能的。这种锐利的，光滑的断裂样本与超出材料的延伸率极限相一致。

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图2、光滑锐利的破损形状

      密封压盖的设计

9 R" D8 c* h) q6 f) Y      据经验，所有O型密封圈泄漏事件中至少有一半与装配的部件和/或在O型密封圈放置的槽的设计有关。对O型槽和配套部件进行分析是失效分析过程中的关键的一步，是绝不能被忽视的。由于通常情况下，对问题五金部件进行实际的直接测量是不可行的。则检查组件是比较可取的方法，至于基于照片和按照图片上指定说明的设计尺寸的所进行的分析是另一个较好的选择。在这种情况下，密封装置上的压缩量约为横截面厚度的20%，恰好是这种尺寸的O型密封圈所建议的10%到25%的范围。凹槽中心线周长大致与的O型密封圈中心线周长相当，所以设计中不需要做过多的中心线周长伸展。“跑道”两端的半径比建议的O型密封圈横截面最低值的六倍还要高，因此O型圈密封半径所导致的弯曲状态也不会带来损毁。

      然而，凹槽宽度和相关的密封装置并不是特有的，需要进行稍微复杂的分析（图3）。以端部半径为准，凹槽仅仅比O型圈横截面稍大一点。以直线方向为准，凹槽宽度非常均匀，是O型密封圈横截面厚度的两倍还高。标准的设计原则是要确保O型密封圈体积不大于凹槽容积的90％。在实践中，该准则使得环形槽要比为自由状态的O型密封圈的横截面宽约30-50％。这为O型密封圈横截面的径向伸展提供了空间，因为它受到的是轴向压缩。

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& r  _& ~. X% o4 \图3、损坏部位的特写

      在这种情况下，O型密封圈的体积低于总有效密封装置容积的90%是比较合适的。在所有三个例子中，未曾发现O型密封圈溢出凹槽的证据。溢出槽状态被视为橡胶的临界点，此情况下橡胶被挤压进入槽周围内外部的空隙。简言之，密封装置溢出具有一种类似O型圈的特征，即在两个方向上都能进行挤压（由流体压力产生的挤压只发生在O型密封圈的低压侧）。正如前面指出的一样，这种类型的损毁未曾发生在已被损坏的O型密封圈上。然而这种密封装置的设计与教科书上定义的理想O型密封圈密封装置不符合。成千上万的正在服务中的这类燃油泵不存在与密封相关的故障。在设计中，密封装置膨胀并不是问题。

. y9 Q4 E6 }' p& H      总之，这种O型密封圈的失效不能完全归咎于密封装置的设计。

      缺失的环节
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9 V8 x& c: `, l/ D3 _      一个额外的观测提供了“缺失环节”以确定本O形密封圈失效的根本原因。在这三个例子中，直线凹槽边对面的损毁表明，O型环从槽外壁边向槽内部壁边“蜿蜒”，然后朝向压力源，并再次返回到槽外壁（如图4）。这是与直观是相反的，O型环内部的流体压力应压迫O型圈与槽外壁相对抗。有趣的是，这种“蜿蜒”造成的回路与反面的破坏形式是一致的，但是幅度较小。

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图4、槽内的蛇形扭绕及失效

      结论
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      揭开这个“缺失环节”使得Parker的产品工程师得出一个假设，即当考虑了两个重要因素，便解释了现场的O型密封圈为何失效。
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      第一个因素是O型环本身内径。根据维修技术人员的观察结果和意见，即“这些O型密封圈似乎比正常的大”和“更难安装”等都不应该被忽视。通常情况下，一位安装O形密封圈的人比设计它们的工程师更能知道部件应当是怎么样的才能更好的装配到一起。这表明，O型密封圈的内径尺寸可能超值了，或者，最起码，在可接受的公差最大值处。这造成了两个问题。首先，操作人员需要将O型密封圈像“蛇”一样塞入槽中，从而确定装配过程中没有垫圈突出来。这导致了槽中的O型密封圈呈波浪状。在槽内的环形道中根本没有空间容纳这些波纹状的垫圈。其二，更大的内径意味着槽内的橡胶体积越大。
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5 o* h4 y, o# Z/ \0 b+ p/ \      第二个因素是不理想的密封设计。因为总的密封填充体积是在设计建议范围内的，所不同的是其圆周长度。密封填充在沟槽内部槽底处达到100％，而沿槽内的宽度方向和直线端部方向则达到50％。假定橡胶材料是固体，但它们的性能也类似于高粘度流体，跟物理压缩变形和体积变化相比，它们更容易流动和变形。在这种情况下，当密封是在y（垂直）坐标方向进行压缩的，则沿着槽底的方向则为X（向外）坐标方向，但重要的是它在Z（圆周方向）坐标是不受限制的。这导致了一旦有空间，橡胶材料则容易流向O型密封槽的直线段方向。

      如图5所示，这两种因素能互相刺激加重。从油槽底端流出的橡胶的多余长度使得其在凹槽直线方向材料‘波动’，最后弯曲形成一个半径很小的环。当该系统被加压时，燃料迫使密封装置紧贴槽的后壁，并且使环的两侧互相压紧。由此造成了环端部产生较大的180°弯曲以及环的每一侧都有90°的弯曲。最初，O型环能够承受180°弯曲时所产生的极端张应力，同时O型环也已通过最初的泄漏测试。经过几周的使用之后，不管怎样，重复的加压循环会导致环的压力最高点产生损坏，这种180°的弯曲最终导致O型密封圈的破损以及泄漏的产生。

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' W; w+ T& M+ _/ L% d% r1 q图5、失效的机械机制

      在这种情况下，失效原因归结于两个不相关的因素的相互作用。光有它们本身，也不可能导致失效。在应用中，这两种因素的每一个都放大了另一个的影响，导致了O型密封圈的失效以及随之而来的泄漏。

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确认及更正
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      许多常见的O型密封圈失效模式，都是众所周知的并由本行业记录在案。本文所述并非其中之一。在任何特殊条件比如本文中所述的，理想的做法便是在可控的实验室条件下对失效进行重现；直到问题可以被“打开”和“关闭”，而理论方面的解释则依旧期待被证明。

      不幸的是，没办法拿与O型密封圈相配的问题部件进行测试，因为更换新的O型垫圈之后，这些飞机部件重新开始了工作，同样也没有大号的O型垫圈用于实验。相反，客户要求Parker公司运用他们的工程专业知识来对失效情况进行诊断，并解释在应用极不寻常的表现。

* t$ }, K) c" d: N: c0 k      几个星期后，Parker的工程师给客户提供了这一设想，同时客户发现的第四个不寻常的O型密封圈失效，似乎证实了这一理论。该O型密封圈是从一个没有泄露的油泵移出的，和之前三个损坏的O型密封圈位于同一区域，它的圆周上有一个呈V形的缺口，指向流体压力源（见图6）。由于应用过程中热累计正常，该O型密封圈O保持了跟凹槽环形道一样的形状，因此，很明显的，V形缺口的位置是在槽道的直线端，与裂缝的位置一样。当对该缺口施压进行压缩，O形垫圈呈现出上面所描述的形状，即损坏之前的中间相。同样没有任何迹象表明该区域存在成型的缺陷，同时O型密封圈的硬度和挠度特性都正常。

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图6、弯曲，但是没有折断

      因为产生这样的原因有两个，非典型性的槽和可能出现的过大的O型密封圈内径等等，为了防止问题有复发的可能，我们提供了两种可行的措施。沿半径方向的O型密封圈槽的宽度可以增加，以配合所推荐的传统的O型密封圈槽。这种情况下，针对硬件的维修将会相当昂贵同时这会被当做一次重大的设计变化将需要进行大量的测试。鉴于此故障模式的稀有性，一种可替代的解决方案被采纳。所有O型环的尺寸在安装之前被核实，维修中心被告知安装一个尺寸超值的O型圈可能产生过早的密封失效。在这之前，并没有类似的失效模式的日子，以及，超过18个月后，应用中O型密封圈损坏的报告也不再出现。
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1 V1 u7 C+ P3 M1 Z, u/ X* i/ @: I      综述

      大多数O型环失效遵循完善的样本观察模式，并且是严重偏离设计原则的结果。然而，新的和独特的失效模式偶尔会出现。在这种情况下，新的失效模型将不仅仅是由于单一的违背某条设计原则而导致的。相反，它们更倾向于违背多种设计原则，这种原则的组合之一即可导致不可预料的失效。幸运的是，Parker公司能够诊断造成这种失效的原因，同时，客户也可以消除相同状况下的问题。