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新工具有望准确预测密封件长期使用寿命

日期:2020-03-16  作者:佚名

在大型能源和工业设施中使用静态密封装置存在安装和更换的困难。因此,这些密封装置必须能确保完美使用20年以上。到目前为止,用现有工具计算此类应用所需的密封材料长期性能时,往往会使得密封组件的尺寸超出实际需求。

科德宝密封技术公司新开发出一种方法,在预测密封材料的长期耐久性时,将分子尺度上的材料变化纳入考虑。新方法比以前的模型更可靠,并确保所用的材料更少。

影响精确预测密封件寿命的因素

在装置或工厂中使用的密封件一旦安装完毕,必须有很长的使用寿命。如,为了保护海上风电机组塔架免受盐的侵蚀,客户通常会要求密封组件完好地使用20年以上。密封件的使用寿命一方面受到参数设置或拉伸(物理松弛)的影响,另一方面,随着时间的推移,由于化学变化,密封材料会失去弹性。

在大气中的氧气或臭氧的影响下,可以观察到影响密封老化的两种基本情况:第一,聚合物链和网络在机械应力作用下断裂;第二,由于氧化过程的存在,聚合物网络产生额外的氧桥。这两种情况都会影响密封件的重要相关特性,如刚度、接触压力或变形后恢复其原始形状的能力,也称抗变形能力。

用Arrhenius方程外推

为了确定一种材料是否真正满足特定应用的要求,工程师通常会进行所谓的“贮存试验”,即试样在远高于100°C的温度下暴露更长时间(通常为1000小时),以预测与温度有关的老化。

工程师通常使用阿伦尼乌斯方程(Arrhenius Equation)对测量值进行外推,这是一种以瑞典化学家、诺贝尔奖获得者Svante August Arrhenius命名的方法。

该方程是反应速率与温度的关系式,其中,温度每升高10°C会导致反应速率加倍。这使得只要选择正确的试验参数、试验方法可靠,就可以通过高温加速老化试验对材料性能进行预测。但如果缺乏正确的参数,就无法准确预测材料的使用寿命,只能用需要较长测试周期的测量值进行验证。因此,需要改进方法。

科德宝的材料专家采用了双重方法来开发新的过程。他们通过将化学氧化方程(如,弹性体上的氧侵蚀)与材料的结构力学行为相联系,显著改善了使用寿命的预测模型。

为了有效地计算任何可能的几何结构,新方法采用了数值计算和商业有限元程序。这样,就可以用科德宝方法计算局部氧化过程及其对材料力学行为的影响。

同时,科德宝的专家还进一步发展了用于确定材料模型参数的测量方法,例如,计算老化过程中消耗的氧气量。氧含量是判断化学侵蚀程度的重要参数。

进行合作开发

 “由于测量方法以及材料模型的改进,加上可采用三维构件,现在已经成功开发出一种能精确预测密封材料使用寿命的方法,”科德宝密封技术公司负责全球材料发展的Boris Traber博士介绍。

这一工艺与科德宝公司的研发部门、科德宝技术创新部门联合开发而成,并首次在不同直径的材料样品上得到验证,目前被应用于包括建造海上风力涡轮机在内的初步应用。但Traber认为这只是一个新的仿真时代的开始。

他说:“未来,我们可以为负责装置或工厂建设的客户提供可靠的、理想的长寿命产品”。

目前,正在创建一个包含各种材料和构件几何模型的数据库。同时,还在丰富仿真,以便可以计算出随温度和机械负荷变化的特定密封产品的寿命。”

 

 
 
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