塑料管道用天然橡胶圈使用寿命的推算研究

郑先伟 麦堪成 宋科明 李统一

（1 中山大学；2 广东联塑科技实业有限公司）

0 前言

塑料管道具有重量轻、耐腐蚀、使用寿命长等优点，在市政、建筑、消防等领域得到了广泛的应用；而塑料管道系统连接技术的优劣，直接关系到管网系统的运行效果和使用寿命。塑料管道系统连接技术包括胶黏连接、熔焊连接、机械式连接、橡胶圈柔性连接等，橡胶圈柔性连接具有安装方便、速度快、受环境影响小等优点，成为行业研究的热点连接技术。

柔性连接中使用的橡胶圈是一种高分子材料，在使用过程中仍存在一些问题，其中以橡胶圈老化变硬导致管道系统失去密封性最为严重。这是因为橡胶在长期使用过程中，会受到例如氧、热、水分、应力等多种环境因素的影响，其性能会随着时间的延长而逐渐变差，逐渐失去密封效用。因此，研究橡胶密封圈贮存寿命、使用寿命的计算方法，进而预测管道系统的服役寿命，对评价管道系统的安全性具有十分重要的意义。本文根据塑料管道结构设计了密封结构件，将天然橡胶圈装入密封结构件中，并模拟管道系统中应力、湿度等因素的影响，进行烘箱加速老化试验，推算出塑料管道用天然橡胶圈的使用寿命。

1 实验部分

1.1 实验条件

⑴样品数量：每个实验状态的样品数量不少于3组；

⑵试样要求：三组试样高度相差不超过0.05mm；

⑶实验温度：选取50℃、70℃、80℃进行热氧加速老化试验；

⑷实验时间：对试样进行5d、10d、15d、20d、25d、30d、35d、40d 和45d 的热氧加速老化试验，并测试相关样品的性能；

⑸试验设备：热老化试验箱，老化箱内相对湿度控制在95%RH，空气置换率设为8 次/h。

1.2 测试方法

将装配有天然橡胶密封圈的密封结构件放人热老化试验箱内，试验时间结束后，从老化箱中取出结构件，并将结构件中的天然橡胶圈取出放在标准实验室条件下调节24h，再按照国家标准GB/T 7759.1－2015 进行测试，计算出测试样品的压缩永久变形值，计算公式为：

式中，

h0——试样初始高度，mm；

h1——试样恢复后的高度，mm；

hs——限制器的高度，mm。

2 结果与讨论

评价橡胶老化的方法主要有自然老化法和加速老化法两种。自然老化法实验条件与实际使用情况较为接近，计算结果精确，但其试验时间较长，耗费大量的人力、物力，所以目前研究人员在研究橡胶的使用寿命时，一般采用加速老化的实验方法。对加速老化实验方法的探索经历了比较漫长的过程，大约在20 世纪20 年代，人类发明了第一台烘箱——Gerr 烘箱，产生了烘箱老化方法，经过长时间的研究表明，烘箱加速老化试验推算橡胶寿命最为准确[1]，因此橡胶老化研究多以烘箱加速老化方法为主。

目前对橡胶的寿命推算已形成了国家标准方法(GB/T 20028－2005 和HG/T 3087－2001)，该标准是基于阿伦尼乌斯方程进行外推的一种方法，大致分为两步：第一步选取与橡胶使用密切相关的性能参数，测试该性能损失随时间的变化规律，做出性能随时间变化曲线，通过方程拟合计算出该性能达到临界值所需的时间；第二步将性能变化临界值随临界时间作图，并对该曲线图进行线性回归，得出直线方程中的未知系数，利用阿伦尼乌斯方程求出服役条件下的老化速率常数，建立老化速率方程，进而推算不同温度下橡胶的使用寿命[2]。李咏今等[3-5]对橡胶老化动力学方程选取的原则及精确性做过详细研究。

本研究动力学公式的选择是经过严格的数据计算、分析，尽量减小误差的基础上得出的，天然橡胶圈老化实验数据见表1 所示。

表1 天然橡胶圈烘箱加速老化实验数据

依据表1 的数据可作出以下性能变化曲线，见图1所示。

图1 天然橡胶压缩永久变形- 时间变化曲线

通过对图1 曲线拟合可以得出天然橡胶圈在不同温度下压缩永久变形达到临界值所需的临界时间，数据见表2 所示。

表2 不同温度下压缩永久变形达到临界值所需的临界时间

根据表2 中数据可得出相应的阿累尼乌斯方程图，见图2，通过线性回归，可推算出在应力、湿度、20℃条件下，塑料管道用天然橡胶圈的使用寿命为10.8 年。

3 结论

图2 天然橡胶圈老化数据对应的阿累尼乌斯图

本文根据塑料管道结构设计了密封结构件，将天然橡胶圈装入密封结构件中，并模拟管道系统中应力、湿度等因素的影响，进行烘箱加速老化试验，推算出塑料管道用天然橡胶圈的使用寿命为10.8 年，本研究内容对于评价管道系统的安全性具有十分重要的意义。