膠、NBR橡膠…等。

三、彈性體材料的應用亦相當廣泛，可作為輪胎、輸送帶、氣封、油封、襯墊、燈罩及管件等的材料。

四、彈性體材料發展的趨勢為輕量化、高吸音、隱形、耐高溫、特殊環境及先進密封，其中先進密封更可使用於8000psi、177℃的環境。蘇俄及英美法等軍事強國高性能的潛艦，外殼貼有高吸音的橡膠材料，可以減少音波的反射，使得聲納難以偵測他們的存在，彷如具有隱形功能。

於圖一中顯示，橡膠長分子鏈之分支結構，左邊是橡膠未硫化前的結構，為塑性聚合體結構；右邊是橡膠硫化後的結構，為彈性聚合體結構。

圖一

貳、O型環密封的類型

O型環密封的類型主要分為靜態密封及動態密封兩種（參見圖二）。

靜態密封的情況，O型環與欲密封的設備元件無相對運動，動態密封的情況，O型環與欲密封的設備元件具相對運動，而動態密封O型環，基本上又可區分為：往復式動態O型環及旋轉式動態O型環。

圖二

一、靜態密封O型環

靜態密封O型環因與欲密封的設備元件無相對運動，所以若使用適當尺寸的O型環，安裝幾乎不會失誤，相對於動態密封，鎖緊扭力不需很大，即可達到止漏效果；配合面表面性質要求較低。靜態密封有以下的特點：

(一)   O型環變形量隨系統壓力的增加而增加。

(二)   體積變化約25~30%。

(三)   正常安裝情況，O型環圓周的伸長量應小於6%；壓縮量應為1-3%。

(四)   O型環的硬度與工作壓力、密合面間隙及工件表面加工度有關。

工作壓力愈高，O型環的硬度需愈大；密合面間隙愈大，O型環的硬度需愈大；工件表面加工度愈差，O型環的硬度需愈大。

圖三中顯示，O型環使用於靜態密封時，線徑與變形量的關係。變形量一般約介於10~20%之間。

 

圖三　靜態密封-線徑與變形量的關係
　　　　（參考Parker O型環使用說明書）

二、動態密封O型環

動態密封O型環因與欲密封的設備元件具相對運動，密封效果受擠壓作用、呼吸作用、工件表面加工及O型環材料硬度影響甚鉅。

動態密封有以下的特點：

(一)   O型環的變形量小於靜態密封：因為變形量太大，摩擦阻力亦會增加，O型環容易扭曲變形。

(二)   體積膨脹率不應大於10%：有些使用於動態密封之O型環，為了增加密封效果，O型環與工作介質接觸後，體積會膨脹。體積膨脹率太大，會增加摩擦力，減少使用壽命。

(三)   為了減少摩擦力及O型環的磨耗，動態密封O型環的硬度約為70~80度(Shore A)。硬度的訂定是使用O型環必需特別注意的因素。

(四)   高壓系統，一般設計會使用背托環（Back-up Ring），以為防止O型環發生擠出。

使用動態密封O型環，以下因素亦需詳加考慮：

(一)   O型環材質與工作介質間的化學效應，例如工作介質為礦物油，O型環則應使用NBR，而不可以使用EPDM，否則O型環會快速劣化。

(二)   系統溫度，O型環使用於一般環境時，採用NBR材料；使用於高溫環境時，則採用VITON材料。

(三)   系統壓力及壓力施加的方向，了解系統壓力及壓力施加的方向，背托環才能正確安裝。

(四)   特別注意不能有外物入侵，外物入侵系統是造成O型環損壞最常發生的原因，因此動態密封系統對保持現場清潔及良好的工作習慣，有極嚴苛的要求。

(五)   封函室的材質及表面加工：封函室的材質不可與O型環或工作介質發生化學反應，選用不當的材質，常會發生腐蝕損壞的情況；封函室表面加工愈精密，磨耗愈小，O型環壽命也會愈久。

於圖四中顯示，O型環使用於動態密封時，線徑與變形量的關係。變形量一般約8~15％之間，變形量小於靜態密封。

 

 
圖四　動態密封-線徑與變形量的關係
　　　　（參考Parker O型環使用說明書）

參、O型環密封的優點

使用O型環密封的優點包括操作的範圍極廣、安裝容易、質輕、便宜、使用重複性高、漸近式損壞及體積小等，茲分別說明如下：

一、操作的範圍極廣：使用O型環密封，它在溫度和壓力方面操作的範圍極廣，溫度方面可使用範圍一般可涵蓋負幾十℃到一百多℃之範圍，壓力的適用範圍可以為負壓，亦可承受達到幾千psi，如前述之先進密封更可使用於8000psi、177℃的環境。

二、安裝容易：相對於使用石棉襯墊、密封膠來密封，使用O型環密封安裝是相對容易的。

三、質輕：一般O型環重量很輕，容易攜帶。

四、便宜：一般NBR材質的O型環，市面售價約幾塊錢~幾十塊錢，VITON的O型環價格則稍貴，幾倍於NBR材質。

五、使用重複性高：不像金屬石棉墊圈，使用過後便不宜重複使用。正常使用情況，O型環使用壽命約5~10年，於使用壽命期限內，O型環重複使用多數仍能維持密封效果。

六、漸近式損壞：橡膠是彈性體材料，很容易被尖銳物刮傷，但由於具有極佳的延展性及壓縮性，因此O型環若損壞，損壞處是逐漸惡化、情況一般都較緩和。

七、體積小，不佔空間易於儲存。

肆、O型環使用注意事項

雖然使用O型環密封有那麼多的優點，但是也有許多地方須留意，使用O型環需注意的事項有腐蝕問題、硬度的選擇、安裝注意重點、儲存與清潔的重要性以及其他注意事項等五項。

一、腐蝕問題：

天然橡膠硫化過程中殘留在聚合物表面的硫元素，會與金屬反應產生硫化物，而造成腐蝕；有些彈性聚合物的表面含氯，氯與環境中的氫反應產生氯酸，腐蝕金屬；金屬化合物在O型環附近累積，而和金屬產生加凡尼（galvanic）腐蝕。以液壓系統的液壓缸（CYLINDER）為例，活塞運作過程，不只是O型環會磨耗，液壓缸內壁金屬也會磨耗，那些磨耗掉的金屬化合物會累積在O型環附近，經過長時間操作後，液壓缸內壁金屬便會因加凡尼腐蝕作用而損壞，因此液壓缸一定要定期拆檢，檢查O型環是否已過度磨損，以及將O型環、活塞及液壓缸內部清理乾淨，以免發生嚴重腐蝕問題，縮短液壓缸的壽命。

二、硬度的選擇：

(一)   低壓系統使用較軟的O型環，高壓系統使用較硬的O型環。

(二)   動態系統對O型環的硬度要求較嚴格，因較硬的O型環，摩擦阻力較小，磨耗也較少。

三、安裝注意重點：

(一)   倒角（Chamfer）-鑽孔孔內緣倒角：更嚴格的說，安裝O型環的位置，須將尖銳的地方去除，以免刮傷O型環。

(二)   清潔：廠家建議O型環安裝前應以清水洗乾淨，設備本身更應清理妥，將鐵銹、碎屑等清除，絕對不能有異物入侵，否則O型環會因不清潔而發生損壞。

(三)   使用適當尺寸的O型環：使用O型環應以廠家說明書為依據，一般廠家說明書會有O型環的尺寸或PART NUMBER的資料，若無廠家說明書可查，可參考前面已經說過，依據O型環使用於靜態密封或動態密封系統，由線徑與變形量的關係來選擇O型環尺寸。 

四、儲存與清潔的重要性：

儲存與清潔做得好不好，會影響O型環壽命︰

(一)   儲存溫度應介於20℃~-10℃、溼度約65%(濕氣會引起電解腐蝕)。

(二)   遠離熱源並防止陽光直接照射：熱與紫外線會破壞橡膠長分子鏈之分支結構，加速O型環劣化。

(三)   使用前用水清洗，再用布擦乾，且避免用砂布、鋼刷等尖銳的東西傷害O型環。

五、其他注意事項：

(一)   使用O型環時，O型環的變形量的因素也必須注意，若使用不正確的O型環，變形量將會不足或太多。另外，如前面提到的，動態密封系統與靜態密封系統，O型環的變形量也不相同。

(二)   彈性聚合物的熱膨脹係數約為鋼的十倍，系統溫度的高低會影響O型環密封的效果，動態系統中，摩擦產生的熱量會造成O型環熱膨脹，因此我們選用O型環時，工作溫度必須特別注意。

(三)   不同的工作介質，必須選擇不同的材質，比如工作介質為礦物油，須使用NBR、而不適用EPDM；工作介質為臭氧，須使用EPDM、而不適用NBR。

(四)   磨耗：O型環與元件間因運動摩擦會造成損耗，因此動態密封O型環宜選用較耐磨的NBR、EPDM及VITON等材質。

(五)   工作壓力變化：了解系統壓力的變化，才能正確安裝O型環及背托環，有些O型環安裝是有方向性的，千萬不可疏忽大意。

(六)   老化：『老化』是指O型環喪失物理性質的現象，橡膠長分子鏈之分支結構，因受化學作用而發生改變，因而改變橡膠物理性質，因此使用O型環需注意是否已超過儲存年限。

伍、O型環發生損壞的種類

O型環常發生的損壞機制有老化、壓縮、扭曲及擠出等。O型環發生不正常之損壞，與使用不當之材質、選用不正確的硬度、工件尺寸設計不當、使用尺寸不正確的O型環，儲存方式不當及施工方法不正確有密切的關係。

一、老化：

即O型環喪失物理性質的現象，橡膠長分子鏈之分支結構，受化學作用而發生改變，因而改變橡膠物理性質。

(一)   引起老化的機制包括：1、裂開－長分子鏈受臭氧、紫外線或輻射線照射而斷裂，2、交錯連結－熱與氧化作用所引起分子鏈間的交錯連結，3、分子鏈之分支結構因化學反應而發生改變－O型環長期與工作流體或金屬發生化學反應而發生老化現象。

(二)   改善O型環提前老化的方法包括：

1. 使用正確的材質。

2. 良好的儲存環境，使用前避免遭受日曬及遠離輻射源。

二、壓縮：

靜態密封O型環變形量隨系統壓力的增加而增加，體積變化約介於25%到30%之間，正常安裝情況下，O型環壓縮量應為1-3%；動態密封O型環的變形量小於靜態密封，體積膨脹率不應大於10%。O型環壓縮量太大或體積膨脹率太大便會發生『壓縮』的問題。

(一)   引起O型環被過度壓縮的原因包括：1、O型環材質壓縮性質不佳，2、工件尺寸設計錯誤，3、過高的工作溫度，4、工作介質造成O型環發生膨脹，5、O型環變形量太大，6、O型環品質不良。

(二)   改善O型環被過度壓縮的方法包括：1、選擇適當O型之尺寸與材質，2、降低操作溫度，3、使用正確尺寸的工件，4、依據工作流體性質，使用正確材質之O型環。

三、扭曲：

動態密封O型環欲密封的設備元件具相對運動，假如O型環變形量太大，或發生潤滑不足的現象，將導致摩擦阻力增加，O型環因此容易發生扭曲變形。

(一)   引起O型環被扭曲變形的原因包括：

1. O型環材質太軟。

2. 封函蓋表面太粗糙。

3. 安裝不當。

4. 工件設計之間隙太大。

5. O型環型式不正確。

6. 失去潤滑油或潤滑不足。

(二)   改善O型環發生扭曲變形的方法包括：

1. 選擇適當O型（材質、硬度及型式）。

2. 封函蓋表面予以加工。

3. 使用正確尺寸的工件。

4. 防止潤滑不足現象發生。

四、擠出：

高壓系統最常遇見O型環發生擠出破壞的問題，一般是O型環不耐工作壓力之負荷而發生O型環被擠出封函凹槽外，為防止O型環因壓力太高而發生擠出，在承受壓力處會設計加裝背托環，安裝背托環時對壓力施加的方向尤需特別小心。

(一)   引起O型環被擠出的原因包括：

1. 工件間隙太大。

2. 工作壓力太高。

3. O型環材質太軟。

4. O型環物、化性發生改變。

5. 封函室（凹槽）邊緣太銳利。

6. O型環尺寸不當。

(二)   改善O型環發生擠出損壞的方法包括：

1. 間隙變小。

2. 使用背托環。

3. 增加O型環硬度。

4. 確認工作介質與O型環的相容性。

5. 防止偏心的情況發生。

選擇正確的材料成分，及對影響O型環密封功能的因素充分了解，才能使O型環擁有最長的壽命及最佳的可靠度。

下面圖五中Fig.1~ Fig.4，為O型環承受壓力發生擠出的示意圖，O型環會發生擠出，可能原因為：

1. 間隙太大。

2. 系統壓力太高。

3. O型環材質太軟。

4. 硬度不夠。

5. O型環材質物、化性發生改變。

6. 封函蓋邊緣太銳利刮傷O型環。

7. 使用不正確之O型環。

什麼是不正確之O型環呢？一般是指尺寸不當，另一種是使用已刮傷的O型環，另外是安裝O型環時，忘記安裝背托環。

 
圖五

下面照片顯示是O型環發生擠出破壞的情形。

 

陸、O型環的驗收方法

從事現場維護工作，可能會遇到購買O型環修理包時，發生原廠商已停產，或者價格太昂貴，逼不得已需在國內定製的情況。假如修理包是購自原廠，驗收就比較單純，只要原廠出示出廠證明文件，以及品質保證書，就可以驗收合格。國內定製或是非原廠製造的呢？用於重要設備的O型環，驗收可能就不容易了。

在此，重要設備的O型環修理包，建議採購原廠產品，千萬不要輕易嘗試非原廠產品，因為O型環的配方是既神祕又複雜的，要明定驗收標準並不容易，要確切檢驗也非常困難，所以用於重要設備之O型環一定要採購原廠產品。

關於O型環的驗收，以下介紹四種廠家提供的方法（參考Parker O型環使用說明書）：分別是浸泡法、燃燒法、烤燒法及比重法。

一、浸泡法：將異辛烷與甲苯以1：1比例混合，於23℃的溫度下，將O型環浸泡70小時，VITON材質體積膨脹5%~7%；NBR材質體積膨脹30%以上；EPDM材質體積膨脹150%。

二、燃燒法：VITON之材質，火源移走即不燃燒；非VITON之材質火源移走仍會燃燒。

三、烤燒法：將O型環置入烤箱70小時，VITON材質於約於300℃時破壞；NBR約於180℃破壞；EPDM材質使用於加硫系統，在過氧環境約210℃破壞，於硫磺環境約180℃時破壞。

四、比重法：VITON材質的比重約1.85，NBR之比重介於1.23到1.25之間。

柒 、結論與建議  

在詳細介紹完O型環的使用材料、O型環密封的種類、使用O型環密封的優點、使用O型環應注意事項以及有關O型環的驗收方法後，我們應對O型環各種特性、功能有了深刻的了解，故於電廠設備維修時，須考慮設備構造、O型環使用環境狀況等因素，謹慎選擇使用正確之O型環；O型環安裝時亦須嚴格遵照上述之O型環安裝應注意事項落實安裝O型環。若O型環選擇或安裝不當，機組運轉中會因O型環的失效造成設備故障，進而影響機組運轉安全，嚴重者甚至會引起跳機事故，不可不謹慎為之，故電廠營運要能平順安全，對O型環使用應注意事項，絕不可以輕忽。最後仍有三點我們在此必須再加以強調與建議：

一、從事O型環儲存管理時，應註明該批O型環的交貨日期及有效日期，以免使用已老化的備品，造成維護品質不良。

二、O型環的儲存環境應符合要求，且千萬不可接受日曬，熱源及紫外線照射是造成O型環劣化的主因。

三、O型環非常容易被尖銳物所刮傷，而且若不小心刮傷了，亦不容易發現，所以安裝O型環若需通過螺牙或尖銳處，一定要整理，將尖銳處磨圓。

四、建議O型環經過螺牙或尖銳處時，加防護套，以防止O型環被刮傷損壞。

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