一种盾尾密封油脂的配方研究与性能表征

王德乾

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

0 引言

目前，为了不影响已建地面建筑和人们的日常生活，人口密集型城市地下工程建设主要采用盾构施工法［1］，施工的主要机械为盾构。盾构在掘进时，盾尾与已装管片间存在相对滑动，为了防止外部地下水和泥浆涌入盾首，必须在盾尾和管片之间装有盾尾密封装置。盾尾密封油脂是盾尾和管片之间的主要密封材料之一，具有密封和润滑作用，可有效地保护盾尾，隔绝地下水和泥浆，保证盾构顺利推进;同时，还具有防止盾构腐蚀和减少磨损的作用［2－4］。因此，盾尾密封油脂必须具有良好的抗水压密封性、泵送性和粘附性。

就盾尾密封油脂的研发而言，法国CONDAT公司掌握着最先进的盾尾密封油脂配方和工艺技术，然而目前没有发现该公司的专利和相关的文献资料。据最新的国外研究资料显示，Ellenberger［5］对盾尾密封油脂的配方优化以及性能表征做了详细的工作，并发表了专利。国内，钱建华等［6］也制备了国产盾尾密封油脂，也有盾尾密封油脂的发明专利［7－9］。但是关于盾尾密封油脂的配方优化及性能表征方面的研究很少。在国内市场，国产盾尾密封油脂良莠不齐，尤其是其泵送性远低于国外同类产品，相关的实验室研究成果比较少。目前，国内研发盾尾密封油脂的主要目的在于生产使用，在进一步优化配方和生产工艺以及力求赶超国际水平方面的实验室工作还比较少。

本实验的特色为采用正交试验法获得WY盾尾密封油脂的相对优化配方，并表征其抗水压密封性和泵送性，将结果与法国CONDAT和国内某品牌产品进行比较。该研究工作能为国产盾尾密封油脂在配方优化上提供一种方法，为研发出性价比更高的盾尾密封油脂打下基础。

1 盾尾密封油脂的密封原理

盾构盾尾密封一般分为刚性密封和柔性密封。刚性密封对管片的生产和拼装质量要求较高，现已逐渐被柔性密封所取代。目前，绝大多数的盾构都采用在多道钢丝刷之间填充密封油脂的柔性盾尾密封方式(如图1所示)。油脂借助压力注入，充满钢丝刷排的空间，同时挤入钢丝刷的钢丝间隙，增强钢丝刷的密封性能，防止土砂和注浆材料的侵入。盾构在推进过程中，边推进边注入密封油脂，借助油脂的挤压力，填充在盾构掘进过程中隧道衬砌与钢丝刷之间的运动间隙，进而油脂与钢板、钢丝刷共同作用，形成一圈密封环，起到优异的密封作用。借助密封油脂与钢板和管片的良好粘附性，起到防水与润滑的双重作用［10－12］。

图1 盾尾密封油脂的密封原理示意图Fig.1 Principle of sealing by shield tail sealing grease

2 实验内容

2.1 实验原料及表征仪器

1)实验原料。包括:32#机械液压油(北京欣环诚润滑油有限公司，工业级);增黏剂T613(吉林市星云化工有限公司，工业级);C9石油树脂(山东齐邦树脂有限公司，工业级);极压锂基脂(北京欣环诚润滑油有限公司，工业级);碳酸钙(粒径45 μm，北京粉体科兰有限公司，工业级);天然可降解木质纤维(0.5～1 mm，上海邦维市政工程有限公司，工业级)。

2)表征仪器。有:抗水压密封装置(北京铁五院工程机械有限公司，自制)和XNR－400熔体流动速率测定仪(毛细管直径2.095 mm，北京金威鑫检测仪器有限公司)。

2.2 实验步骤

将一定量32#机械液压油、黏度指数改进剂(m(C9)∶m(T613)=0～4)和极压锂基脂加入捏合机中，在搅拌捏合的同时升温至60～90℃，继续搅拌捏合1～4 h，然后降温至30～50℃。加入一定量碳酸钙(分批加入5∶3∶2)，恒温搅拌 5 ～10 min，再加入一定量天然可降解木质纤维，继续恒温捏合搅拌1～3 h，即可得到WY盾尾密封油脂。

2.3 性能测试

2.3.1 抗水压密封性测试

铁五院自制的抗水压密封装置采用的原理是用3层钢丝网模拟盾构施工中盾尾密封装置第1道盾尾刷的结构，其结构外形也参照国内其他单位(如上海隧道公司的盾尾油脂的抗水压密封性装置)进行设计。具体实验内容为:将一定量被检验盾尾密封油脂置于3.5 MPa水压下，检测油脂是否漏水，若不漏水，则表明抗水压密封性满足实际使用要求。

另外，采用正交试验进行配方优化时，需要一个与抗水压密封性相关的定量指标;因此，选用漏脂百分含量，即将一定量被检验盾尾密封油脂置于一定水压下，检测一定时间内油脂漏出的量。漏出的油脂量过多或过少，都说明该配方不够合理。本实验首次提出利用漏脂百分含量作为正交实验的一个重要指标进行配方优化。

称取500 g(W1)盾尾密封油脂加入抗水压密封设备的空腔中(如图2所示)，用金属网片压实，然后在油脂上方的空腔处，加入25℃的自来水，盖上上顶盖后，密封并加压至0.6 MPa。随着时间延长，少量油脂从下底盖的孔中滴到下方的滤纸(W2)上。在0.6 MPa下保持1 h，取出滤纸，称量为W3，则漏脂百分含量

M=(W3－W2)/W1×100%。

式中:W1为初始加入油脂质量;W2为滤纸的质量;W3为漏出油脂和滤纸的质量。

图2 抗水压密封装置图［2，13］Fig.2 Device for test on water-tightness of grease under pressure［2，13］

2.3.2 泵送性测试

盾尾密封油脂的泵送性采用ASTM D1092标准进行测试，即:在25℃，1 MPa压力的条件下，油脂通过一定孔径毛细管的流量，以 g/min表示(如图3所示)。油脂的流出量与毛细管的孔径有关，孔径不同，测定值差别很大［14］。例如，法国 CONDAT产品泵送性的指标是40～50 g/min，然而若用XNR－400型熔体流动速率仪(毛细管直径为2.095 mm)，在相同的实验条件下，所测结果为14.86 g/min。

图3 熔体流动速率仪Fig.3 Melt flow rate test device

3 结果与讨论

3.1 盾尾密封油脂的制备

通过正交实验(L54)方法设计16个盾尾密封油脂配方，按照其制备工艺得到16种产品，然后测试其抗水压密封性和泵送性。根据实验结果综合分析出2个相对合理的油脂配方，并命名为WY－Ⅰ和WY－Ⅱ。其中，WY－Ⅰ的配方组成为0.20 kg 32#机械液压油、0.28 kg黏度指数改进剂(m(C9)∶m(T613)=1∶1)、0.16 kg极压锂基脂，0.84 kg 碳酸钙和0.08 kg 天然可降解木质纤维;WY－Ⅱ的配方组成为0.30 kg 32#机械液压油、0.30 kg黏度指数改进剂 T613、0.16 kg极压锂基脂、0.72 kg碳酸钙和0.08 kg天然可降解木质纤维。

3.2 盾尾密封油脂的抗水压密封性

试验所得产品使用铁五院自制的抗水压密封装置进行测试，参照法国CONDAT的实验条件3.5 MPa下是否漏水，对我们自制产品进行了表证测试。结果表明，WY－Ⅰ和WY－Ⅱ产品在3.5 MPa下，均不漏水，达到实际使用要求。另外，在盾尾密封油脂的正交试验时，提出了与抗水压密封性相关的漏脂百分含量，作为一个定量指标，从侧面反映配方的优劣，从而为以后进一步优化配方，最终得到性价比更高的盾尾密封油脂打下基础。

3.3 盾尾密封油脂的泵送性

自制产品与法国CONDAT产品和国内某品牌同类产品的泵送性比较如表1所示。实验结果表明，自制产品WY－Ⅰ和WY－Ⅱ的泵送性分别为2.72 g/min和3.30 g/min，其值明显低于法国 CONDAT产品的14.86 g/min。然而与国内某品牌同类产品相比，自制产品的泵送性分别是它的2倍和2.45倍，即自制盾尾密封油脂的泵送性介于国外产品和国内同类产品之间。

表1 实验室自制产品与国内外同类产品的性能对比Table 1 Comparison and contrast between property of self-made grease，property of other grease made in China and property of grease made abroad

4 结论与体会

1)本实验室自制盾尾密封油脂的抗水压密封性与国内外同类产品一致，在3.5 MPa下，不漏水;泵送性是国内某品牌同类产品的2～3倍。然而泵送性与国际水平还有一段距离，需要进一步做好配方优化方面的工作。

2)重点阐述了利用正交试验法对盾尾密封油脂进行配方优化，还首次使用了漏脂百分含量作为配方优化的定量指标，为其他研发人员提供了参考。

3)目前在国产盾尾密封油脂的性能指标中，泵送性的提高仍需要深入研究。希望国内研发人员能研发出综合性能达到或超越国际水平的产品，从而满足我国蓬勃发展的城市轨道交通建设的需要。

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