轴流压气机匣O 型密封圈失效分析

2015-11-28林奇辉何飞德高永丹

失效分析与预防 2015年5期

潘柳，林奇辉，何飞德，高永丹

(中航工业南方航空工业(集团)有限公司，湖南株洲 412002)

0 引言

O 型密封圈的作用是为了防止气体或液体的泄漏，通常由O 型密封圈与金属沟槽相配合形成密封结构。实际应用大致分为2 类，一为静密封，另一为动密封。静密封指的是被O 型密封圈间隔的两相邻表面无相对运动的密封，如螺栓、管接头和加油口盖下面的密封。动密封指的是被O型密封圈间隔的两相邻表面存在相对运动的密封，O 型密封圈会发生位移［1-2］。密封圈常见的失效形式有机械损伤破坏、老化龟裂、化学浸蚀等。密封件擦伤、咬伤，唇口撕裂、局部出现凹凸不平和断裂等现象都是由于机械损伤所致;老化主要表现为密封圈的弹性、强度以及抗溶胀性能下降，密封件发粘、变硬、变脆［3-4］。

飞机大修拆卸发动机时，发现进气道内有滑油流出，经孔探仪检查，确认轴流压气机单体双排整流器第一排叶片上有滑油挂滴，第二排叶片有油迹，放气活门处无滑油痕迹。外场首次出现该故障，为查找故障原因，发动机返厂分解，发现轴流压气机匣封严套内O 型密封圈出现断裂现象。本研究通过对故障密封圈的表面及断口进行宏、微观观察，从材料符合性、使用环境、受力分析等方面分析了密封圈失效的原因，并提出改进措施，以预防故障的再次发生。

1 试验过程与结果

1.1 宏观检查

故障O 型密封圈外观见图1。胶圈断成多截，胶圈内分模面局部可见明显沟痕(图2)，沟痕位于分模线上，将胶圈沿截面切断，断面可见沟痕呈碟状凹口，凹口较浅，判断此沟痕为分模线凹陷现象，凹陷深度约为0.06 mm，宽度约为0.30 mm。

图1 故障密封圈外观Fig.1 Appearance of failed O-ring seal

图2 分模面沟痕Fig.2 Groove in die parting face

将图1 中断裂密封圈取4 段样品进行观察，分别记为A、B、C、D 段。A 段外分模面局部有轻微磨损，B 段未见明显磨损。除A、B 段外，其余段表面均有2 条裂纹，一条位于内分模面附近，一条位于内外分模面之间靠胶圈内径一侧(图3a)，外侧裂纹可见细长状剥离胶皮(图3b)，说明胶圈存在挤出破坏现象。C 段外分模面附近有明显磨损痕迹，严重区域有剥落现象(图3c)，C 段磨损比AB 段严重，说明胶圈存在偏磨现象。内裂纹表面有明显磨损剥落现象，内裂纹附近发现1 条径向微裂纹，裂纹起源于剥落损伤处，说明胶圈先有挤出破坏，然后发生径向破坏。胶圈端面呈圆形，无明显压缩变形现象，有弹性，表面无发粘、变脆、龟裂等老化现象。

1.2 微观检查

将胶圈沿外表面裂纹处切开，可见裂纹表面粗糙，源区位于胶圈表面，线源特征，源区未见材料缺陷，扩展区存在放射状撕裂棱线，呈撕裂特征，未见疲劳特征(图4)。平面断口见图5，源区位于表面裂纹处，未见材料缺陷，可见明显的扩展台阶，扩展区可见辐射状快速扭断特征，未见疲劳特征，内表面裂纹位于内分模线附近，但不起始于内分模线，因此裂纹起源与内分模线凹陷无关。斜面断口见图6，断口与径向约成45°，断口一侧表层橡胶发生严重剥落和掉块，源区位于断口表面，为扭转作用下产生的过载断裂，未见疲劳特征。

图3 故障密封圈局部形貌Fig.3 Local morphology of failed O-ring seal

由外观及断口检查分析，胶圈属挤出和扭转撕裂破坏。

1.3 材料符合性检查

1)红外光谱检测。

用Nicolet iN10 红外光谱仪对故障件、库存件及F275 氟橡胶进行红外分析，红外光谱图如图7所示。从图中可知，故障件样品分子链中只存在C—F(1 392 cm-1)、—CF2—(1 134、1 173 cm-1)，不存在—CH3(2 960、2 870cm-1)、—CH2—(2 920、2 860 cm-1)，故障件与F275 橡胶样品对比，发现其吸收峰位置和强度基本一致，为同一种材料。

图4 外表面裂纹切开后Fig.4 Crack in outside surface after cut

图5 平面断口形貌Fig.5 Flat fracture surface

图6 胶圈斜面断口观察Fig.6 Inclining fracture surface

因此，通过红外光谱分析可以确认O 型密封圈的材质为F275 橡胶。

图7 红外光谱图Fig.7 IR-spectrum

2)力学性能检测。

选取无裂纹的A、B 段故障胶圈及库存尚在保质期内的密封圈，测试其力学性能，结果见表1。

库存件力学性能符合标准要求;故障件拉伸强度接近标准值，伸长率比库存件稍低。该故障件在滑油介质中使用了约200 h，在油介质中，一些低分子的有机配合剂，尤其是防老剂、软化剂被提取出来，会造成力学性能的降低。

表1 力学性能检测数据Table 1 Test results of mechanical properties

1.4 尺寸计量

对同批次库存件胶圈及封严套尺寸进行计量(表2)，检测结果显示尺寸均符合设计要求，可排除零件加工尺寸问题造成的胶圈偏磨现象。库存密封圈与失效件为同批次产品，此故障外场首次发现，此类密封圈未出现过相同故障。

表2 封严套及库存O 型密封圈尺寸计量结果Table 2 Measurement results of the seal cartridge and the O-ring seal of the inventory mm

2 分析与讨论

2.1 断裂性质

按设计图纸要求，O 型密封圈选用F275 耐热氟橡胶。对故障件、库存件进行红外光谱对比分析可知，故障件的材质为F275 氟橡胶。对库存件(含部分故障件)进行物理化学性能检测，库存件力学性能符合GJB 251—1987 关于F275 氟橡胶胶料的技术条件要求，而故障件伸长率符合要求，拉伸强度接近标准值，可以排除混料、欠硫化以及O 型圈超过保质期的可能。

从外观检查可知，故障件密封圈端面基本保持圆形，无明显压缩变形现象，有弹性，表面无发粘、硬化、龟裂等高温老化或者氧化老化现象，也排除了老化造成失效的可能。

综合故障件密封圈断口特征，平面断口呈现辐射状快速扭转断裂特征，斜面断口为扭转特征，外表面裂纹为撕裂裂纹，均未见疲劳特征，因此，O 型密封圈失效应属于挤出和扭转撕裂破坏。

2.2 失效原因分析

该O 型密封圈装配时，先在封严环沟槽涂上润滑脂，再将密封圈装入沟槽，然后将封严套垂直装入与压气机匣内，最后用50～60 N·m 的力矩紧固(图8)。

胶圈在通过装配间隙时，胶圈外分模面受到向上的摩擦力F1和压力P1作用，当装配用力不均匀出现倾斜时，会导致胶圈受摩擦力不一致，摩擦力较大的一侧出现滚动，而摩擦力较小的一侧处于滑动状态，O 型密封圈便产生扭转现象［6］。严重时胶圈A 点与沟槽上棱接触，同时B 点受到较大的接触应力，在摩擦力F1、紧固力及压缩力的共同作用下，胶圈在A、B 两点受到较大的应力作用，严重时可能产生挤出撕裂和扭转破坏。

图8 胶圈受力分析Fig.8 Mechanics analysis of the O-ring seal

该密封圈装配间隙为0.010～0.048 mm，胶圈截面直径为2 mm，安装沟槽深度为1.6 mm，高出的0.4 mm 胶圈需要通过0.010～0.048 mm 的装配间隙。O 型密封圈的一部分被强制通过很小的间隙时，将会发生挤出现象。在装配或组装元件时，如果用力过大且不均匀，或在运转压力和温度过高时，将会发生挤出破坏［7］。此故障外场首次发现，此发动机未发现过正常未失效密封圈挤出现象。

该故障件位于轴承部位，为静态密封，最高滑油温度为115 ℃，此处滑油靠重力往下流，因此该密封圈基本不受滑油压力，因此使用过程中滑油压力P2可忽略不计，因此可以排除介质压力或温度过高而造成的胶圈破坏。

O 型密封圈选用F275 耐热氟橡胶，该橡胶在空气中工作温度为-40～250 ℃，在航空油料中为-40～180 ℃，对于某些使用部位温度可低于-40 ℃，或高于250 ℃，其耐高温、耐介质性能优良，但耐热撕裂性能较差［8-9］。故障件表面存在分模线凹陷，该缺陷是模具分模线边缘存在变形造成的。一方面，在外力作用下，容易从该处破损;另一方面，此类缺陷会导致胶圈表面粗糙，在装配和密封中会造成胶圈在B 点所受摩擦力增大，如果装配不当，胶圈容易与压气机匣内壁摩擦，造成胶圈撕裂损伤。

综上分析，O 型密封圈失效主要原因为装配不当所致。密封圈表面存在分模线缺陷也容易诱发撕裂损伤。

3 改进措施

F275 耐热氟橡胶O 型密封圈目前按GJB 248—1987 进行外观检查，对分模线凹陷此类表面缺陷没有具体要求，建议提高胶圈表面质量要求，降低胶圈磨损几率。同时考虑到氟橡胶耐热撕裂性能较差，在装配使用不当时，容易产生表面撕裂损伤，因此，要求在装配密封圈时，在胶圈表面涂抹润滑脂，减小胶圈外表面摩擦力，防止损伤。在封严套装配后，应进行深度及水平度尺寸检测，确保胶圈装配到位后再进行紧固操作，均匀施加紧固力，防止胶圈受力不匀而产生扭转破坏。