某橡膠油管發生多處滲漏現象,其宏觀形貌如圖1所示。該油管材料為橡膠,由復合多層合成纖維層纏繞,配有螺旋鋼絲加強,用于輸送油體介質。委托者對油管進行加壓測試,并標記出多處漏點。筆者采用一系列理化檢驗方法對油管滲漏原因進行分析,以防止該類問題再次發生。 

圖  1  橡膠滲漏油管宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

從油管上截取漏點管段,漏點管段宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：管段可見6條清晰裂紋,裂紋長度為10~12 mm,6條裂紋環向并行排列,且間隔均勻、平齊規整；漏點管段內表面光滑,富有光澤,無明顯裂縫及橡膠老化、龜裂現象；材料存在兩處擦傷痕跡；第3條裂紋為單條裂紋,未見其他裂紋分支,裂紋附近纖維織物排列緊密,除兩處擦傷外,無爆裂特征,無明顯老化開裂現象。將第1,2,3條裂紋分別編號為1號裂紋、2號裂紋、3號裂紋,在3條裂紋剖面處打開,宏觀形貌如圖2g）~2i）所示。可見油管由內層、增強層、外層3層復合而成,除1號裂紋外,2,3號裂紋均已穿透第一層外表面橡膠,抵達增強層,裂紋裂口平整,且呈一定傾角,具有機械損傷特征,未觀察到裂紋貫穿內層橡膠。 

圖  2  漏點管段宏觀形貌

1.2   力學性能分析

選取3號裂紋管段內、外層距離裂紋6 mm處的10個位置進行邵氏硬度測試,并選取平整小塊無裂紋管段的內、外層的10個位置進行邵氏硬度測試,結果如表1所示。由表1可知：內、外管層和裂紋處硬度差距并不明顯,符合出廠要求,說明內、外層橡膠材料沒有出現因老化導致橡膠硬度變高的現象[1-6]。 

1.3   掃描電鏡(SEM)和能譜分析

將裂紋剖面試樣置于掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：裂紋邊緣橡膠光滑平整,未觀察到老化、龜裂特征；裂紋源區呈帶狀分布特征,裂紋源區橡膠存在擠壓撕扯變形現象,為機械損傷特征；裂紋擴展區主要呈鏡面擴展特征,有臺階狀形貌。 

圖  3  橡膠油管裂紋剖面SEM形貌

將裂紋置于掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：除裂紋源區有橡膠變形特征外,整體較光滑,未發現橡膠老化現象。 

圖  4  橡膠油管裂紋SEM形貌

對裂紋進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知：橡膠管的主要成分為C、O、Si、S等元素,新切裂紋處C、O元素質量分數分別為56.62%和16.57%,漏點裂紋處C、O元素質量分數分別為61.85%和19.42%,可知漏點裂紋處O元素含量并未出現異常變高的現象。 

圖  5  橡膠油管裂紋處能譜分析結果

1.4   紅外光譜分析

切取油管外層、增強層、內層橡膠薄片,采用裂解后涂膜透射紅外分析方法對薄片進行分析,結果如圖6所示。由圖6可知：3條曲線從上到下依次為外層、增強層、內層橡膠的紅外光譜,3條紅外曲線峰位相似；波數為2 917 cm–1和2 851 cm–1附近有兩個飽和烷基—C—H伸縮振動峰,波數為969 cm–1附近有丁二烯反式1,4結構的吸收峰,波數為918 cm–1附近有丁二烯中端基乙烯基的吸收峰。三層材料具有明顯的丁腈橡膠特征峰[7-9]。 

圖  6  油管材料的紅外光譜圖

2.   綜合分析

滲漏油管裂紋長度為10~12 mm,幾條裂紋環向并行排列,且間隔均勻,平齊規整。管段內層材料光滑,富有光澤,未觀察到明顯裂縫及橡膠老化、龜裂現象。裂紋已經穿透第一層外表面橡膠,抵達增強層,未觀察到裂紋貫穿內層橡膠,裂紋裂口平整,具有機械損傷特征。 

裂紋源區附近橡膠光滑平整,未觀察到老化、龜裂特征。裂紋源區呈帶狀分布特征,源區附近橡膠存在擠壓撕扯變形現象,為機械損傷特征；裂紋擴展區主要呈鏡面擴展特征,有臺階狀形貌。 

漏點舊裂紋O元素含量相較于新切裂紋O元素含量正常,未出現橡膠因老化導致O元素含量異常升高的現象。 

由內、外管層橡膠材料的硬度測試結果可知,油管內、外層沒有出現因老化導致橡膠硬度變高的現象。 

綜合以上分析可知,該油管滲漏原因為外來硬物機械損傷,裂紋源區橡膠存在擠壓撕扯變形現象,為機械損傷特征。油管內、外層橡膠硬度符合出廠要求,沒有老化變硬現象。油管內層未觀察到滲漏裂紋,這是因為橡膠彈性大,常壓下無法觀察出裂紋,加壓后液體從內層縫隙經外層裂紋滲漏而出。 

3.   結論

送檢橡膠油管材料為丁腈橡膠,無由內向外爆裂特征,未出現老化、龜裂現象。送檢油管的滲漏原因為外來硬物機械損傷。

文章來源——材料與測試網