二氧化碳灭火系统容器阀密封圈的应用试验研究

■ 纪婷婷 董加强 杨慧红 南京消防器材股份有限公司

随着橡胶工业的崛起，各种性能优异的橡胶材料在气瓶容器阀中得到了广泛的应用。密封圈能够满足各种静态或动态应用要求，且具有结构简单紧凑、安装简便、经济有效的优点。目前国内用于容器阀的密封圈多为丁腈橡胶，在二氧化碳气瓶上，常常会发生密封圈失效的现象。密封圈的失效会导致泄漏甚至误喷的现象，直接威胁到生命和财产的安全。二氧化碳容器阀中密封圈失效的最重要原因是溶胀及渗透。

密封圈可能会由于吸收二氧化碳气体( 或液体) 而发生膨胀，这可能导致密封圈尺寸增加。在使用过程中，最初的膨胀可以通过增塑剂和填充剂来掩盖。机械强度和硬度的变化也会对性能有重要的影响。不同的配方、工艺会导致密封圈溶胀性有显著差异。而且无论兼容性如何，静态或动态密封的选择对性能也尤为重要。[1]

渗透是气体穿过材料的一个缓慢过程。二氧化碳通过非金属材料的渗透性是显著的。对于给定的材料，渗透速率主要取决于温度、压力、厚度以及材料与气体接触的表面积。同时气体的分子半径、增塑剂及其他配方的添加剂对某种特定的塑料或弹性体会造成更为严重的渗透率。

本文主要目的是选出一款适合二氧化碳容器阀的密封圈材质，并以此选出的密封圈进行相关试验，验证在二氧化碳容器阀上应用的可行性。

一、设计及实验

（一）密封圈材质的选取

根据ISO 11114-2 中非金属材料与二氧化碳的兼容性（见表1）[1]，甲基乙烯基硅橡胶（VMQ）、三元乙丙橡胶（EPDM）、甲基氟硅橡胶（FVMQ）、聚丙烯酸酯橡胶（ACM）、聚氨酯橡胶（PUR）与二氧化碳兼容性是可以接受的。但是VMQ、FVMQ、ACM、PUR 相对于EPDM 经济性不佳。

目前容器阀最常用的密封圈是丁腈橡胶（NBR）和三元乙丙橡胶（EPDM）， NBR 在二氧化碳中会出现溶胀和重量减轻，任何情况下均不能用于二氧化碳中。而EPDM与二氧化碳虽然也会出现溶胀和重量减轻，但可以接受。

表2 为EPDM 在各种气体中的渗透系数，EPDM 在二氧化碳中的渗透系数相对于H2O 和其他气体来说高一点，故需要通过实验来验证是否可以用于二氧化碳灭火系统中。

表1 非金属材料与二氧化碳的兼容性

表2 EPDM 的渗透系数（单位：10-8 sccm - cm/sec -cm2 – atm）

（二）密封圈密封形式的选取

密封圈性能主要与材料、材料硬度、挤压的程度、有无润滑、密封圈的截面尺寸以及被密封气体的压力、温度等相关，密封件挤压的增加会导致渗透性降低，使用润滑脂的密封圈可以降低渗透性。[2]

从上述公式中可以发现，沟槽深度越小，渗透速率越低；容器阀正常情况下处于静止状态，只有在喷放充装等少数情况下才会发生动作；故选择静态密封。

（三）实验验证

试件：实验采用2 种不同硬度EPDM 的密封圈，装配到2 种不同密封形式的容器阀中，每组准备3 个样品。

实验方案：容器阀按表3 安装对应规格的密封圈，密封形式也按表3 进行加工，装配后安装在钢瓶上，向12个钢瓶内充入二氧化碳气体。静置12 小时，将容器阀淹没到水中，去除表面残留的气泡观察容器阀泄漏情况。

表3 密封圈对比实验

实验结果及分析：结果见表3，采用动密封时密封圈压缩量比较小，安装不同硬度的密封圈，容器阀的泄漏率差别不是特别大。采用静密封时沟槽压缩量增加，安装硬度比较低的密封圈时，容器阀的泄漏率有了明显改善。采用静密封时沟槽压缩量增加的情况下同时安装硬度较高的密封圈时，容器阀的泄漏率基本为零。

（四）应用验证实验

根据实际使用工况进行温度循环泄漏实验

试件：4 个充装二氧化碳的瓶阀装配体

实验过程：对瓶阀装配体进行编号并称重，记录重量。50℃、0℃放置24h，重复3 次。25℃温度下放置24h，再重复以上温度循环试验，最后将试件25℃温度下放置24h 后结束实验。结束实验后分别对4 个瓶组进行称重，与实验前的重量进行对比。[3]

实验结果及分析：实验结束后瓶阀装配体重量与实验前一致，且启动容器阀，二氧化碳气体喷放无任何故障。

二、结语

通过试验对比研究，二氧化碳灭火系统容器阀密封圈的材质适宜选用EPDM。密封圈的硬度和密封形式对容器阀密封性能也至关重要。最后建议具体的选型及产品应用要根据应用环境及标准相关要求，与密封圈供应商技术沟通并进行验证实验，以确保满足容器阀在高低温及储存运输极限条件下密封性能可靠。