تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى انتقال المطاط تدريجيًّا من حالة مرونية عالية إلى حالة مرونية متأخرة أو زجاجية أو هشة محليًّا؛ وفي الوقت نفسه، يؤدي حلقة O-ring الانكماش الحراري وبطء الارتداد وانعدام كفاية استعادة الانضغاط إلى عجز إجهاد التماس عند واجهة الإغلاق عن الحفاظ على استمراريته. وتكون إغلاقات الغاز حساسةً بشكل خاص، لأن الفجوات المجهرية في التماس أو القمم الخشنة قد تشكِّل قنوات تسرب مجهرية مستمرة، بل وقد يحدث تسرب للغاز حتى لو لم تظهر على الحلقة المطاطية (O-ring) شقوقٌ واضحة.

١. ما تعتمد عليه الحلقات المطاطية (O-Rings) لتحقيق الإغلاق ليس «الصلادة»، بل إجهاد التلامس المستمر

حلقات O يعتمد الإغلاق عند درجة حرارة الغرفة أساسًا على ثلاثة عوامل:

أولًا، مقدار الانضغاط أثناء التركيب يجعل الحلقة المطاطية تُولِّد إجهاد تلامس ابتدائي.

ثانيًا، الانتعاش المرن الذاتي للمطاط يحافظ على التماس المستمر مع الحفرة والسطح المتصل.

ثالثًا، تحت تأثير الضغط، تُدفع الحلقة المطاطية أكثر نحو سطح الإغلاق، مما يشكِّل دعمًا ضغطيًّا.

وبالتالي، فإن قدرة الحلقة المطاطية على الإغلاق تتمثل جوهريًّا في:

إجهاد التلامس ≥ ضغط الوسيط + خطر التسرب المحلي الناتج عن خشونة السطح.

تكمُن مشكلة درجات الحرارة المنخفضة بالضبط في أن المطاط قد يظل «صلبًا»، لكنه لم يعد «قابلًا للارتداد». وهذا يجعله يبدو وكأنه أكثر مقاومةً للضغط، لكنه في الواقع لا يستطيع التعويض عن التغيرات الدقيقة في الفراغات عند الحفرة، أو الانكماش الحراري، أو تقلبات الضغط، أو خشونة السطح، أو التغيرات الطفيفة في المسافات. كما تشير أبحاث النمذجة والتجارب الحديثة المتعلقة بحلقات الأختام (O-rings) عند درجات الحرارة المنخفضة إلى أن التسرب الرئيسي عند هذه الظروف يرتبط بالانكماش الحراري، وقيود قدرة المادة على الارتداد، والاسترخاء الإجهادي، والتسامح التصنيعي.

لماذا يصبح المطاط صلبًا عند درجات الحرارة المنخفضة؟

تنبع مرونة المطاط من قدرة شرائح السلسلة الجزيئية على الحركة. وعند انخفاض درجة الحرارة، تتباطأ حركة هذه الشرائح، وتزداد المدة اللازمة لتغيُّر الخصائص اللينة والمرنة للمادة، مما يظهر ظاهريًّا على المستوى الكلي كالتالي:

يرتفع معامل المرونة، وترتفع الصلادة، وتنخفض نسبة الاستطالة، وينخفض معدل الارتداد، وتزداد سوء حالة الاسترجاع بعد الانضغاط.

عندما يستمر انخفاض درجة الحرارة بالقرب من درجة انتقال الزجاج، تتحول المطاط تدريجيًّا من مادة مطيلية لينة إلى حالة زجاجية. وعند هذه النقطة، لم تعد المادة تظهر كمادة مطيلية لينة، بل تشبه أكثر ما تكون مادة صلبة جامدة. وتُشير الأبحاث المتعلقة بمطاط النتريل الهيدروجيني عالي الأداء (HNBR) عند درجات الحرارة المنخفضة إلى أن أجزاء الإغلاق كانت تعتمد في الأصل على الارتداد للتعويض عن التشوه الدائم للانضغاط عند درجات الحرارة المنخفضة والتفاوت في الفراغات بين الأسطح، لكن بالقرب من درجة انتقال الزجاج (Tg)، تنخفض مرونة المادة بشكل كبير، حتى إن الانفصال الطفيف يكفي لإحداث التسرب.

يجب ملاحظة ما يلي: التصلُّب لا يعني تحسُّن الإغلاق.

تحت انضغاط ذي إزاحة ثابتة، قد يؤدي ارتفاع معامل المرونة على المدى القصير إلى تحسين الارتداد المحلي؛ لكن إذا لم تستعد المادة تشوهها، أو لم تملأ الفراغات المجهرية الخشنة، أو انفصلت عن سطح الإغلاق بسبب الانكماش الحراري، فإن قدرتها الفعلية على الإغلاق تنخفض بدلًا من أن تتحسن.

٣. لماذا يفقد المادة قدرتها على الارتداد عند درجات الحرارة المنخفضة؟

يأتي فقدان الارتداد عند درجات الحرارة المنخفضة أساسًا من ثلاث آليات.

تجمُّد حركة السلسلة الجزيئية، مما يؤدي إلى تباطؤ الاستعادة

عند درجة حرارة الغرفة وبعد ضغط الحلقة المطاطية (O-ring)، يمكن لمقاطع السلسلة أن تتكيف بسرعة وتحافظ على الدعم المرن. أما في درجات الحرارة المنخفضة، فإن حركة مقاطع السلسلة تقتصر، وبالتالي يصبح معدل استعادة المادة بطيئًا جدًّا. ويُستخدم اختبار التشوه الدائم الناتج عن الضغط في درجات الحرارة المنخفضة تحديدًا لتقييم مدى انخفاض قدرة المطاط على الارتداد بعد التبريد الشديد؛ وتُظهر البيانات المختبرية بوضوح أن المطاط يفقد مرونته تدريجيًّا في درجات الحرارة المنخفضة، كما ينخفض معدل استعادة قدرته على سد الفجوة بشكل ملحوظ.

يزداد التشوه الدائم الناتج عن الضغط في الحالة الباردة

التشوه الدائم الناتج عن الضغط لا يحدث فقط بعد التقدم في العمر عند درجات الحرارة المرتفعة. فعند درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن تُظهر الحلقات المطاطية (O-rings) أيضًا ما يُسمى «بالتشوه الدائم الناتج عن الضغط في الحالة المتجمدة»: أي تصبح مضغوطة بشكل مسطح ولا تستعيد سمك مقطعها العرضي مؤقتًا. وتُظهر الأبحاث المتعلقة بمطاط الهيدروجين المُشبَّع من نوع HNBR عند درجات الحرارة المنخفضة أن التشوه الدائم الناتج عن الضغط يُعد مؤشرًا مهمًّا في تطبيقات الإغلاق مثل الحلقات المطاطية (O-rings)، وأن هذا التشوه قد يزداد ازديادًا كبيرًا قرب درجة انتقال الزجاج، بل وقد يصل إلى مستويات مرتفعة جدًّا في ظل ظروف البحث.

هذا النوع من التشوه الدائم الناتج عن الضغط عند درجات الحرارة المنخفضة قد يكون عكسيًّا أحيانًا: إذ يعود جزءٌ منه بعد ارتفاع درجة الحرارة؛ لكن خلال فترة تشغيل المعدات في الحالة الباردة، يكون هذا التشوه كافيًا بالفعل للتسبب في التسريبات.

٣.٣ استرخاء الإجهاد يؤدي إلى انخفاض قوة الإغلاق

حلقات O تحت ضغط طويل الأمد في حفرة، وتنخفض قوة الإغلاق مع مرور الوقت، وهذه الظاهرة تُعرف باسم استرخاء الإجهاد. وعند درجات الحرارة المنخفضة، ينكمش المادة وتواجه صعوبة في الاستعادة؛ وإذا تزامن ذلك مع تقلبات الضغط أو تغيرات مفاجئة في الفجوة أو التمدد والانكماش الحراري، فإن هامش أمان الإجهاد التلامسي يتراجع أكثر. كما تشير أبحاث حلقات O الهيدروليكية المستخدمة في أعماق البحار إلى أن انكماش حجم المطاط واسترخاء الإجهاد عند درجات الحرارة المنخفضة يؤديان إلى تدهور متواصل في كفاءة الإغلاق، ويؤدي التوسع المفاجئ للفجوة إلى انخفاض واضح في هامش الأمان.

٤. لماذا يكون تسرب الغاز أسهل خصوصًا عند درجات الحرارة المنخفضة؟

إغلاق الغاز أشد حساسية من إغلاق السوائل، لأن لزوجة الغاز وقوة التوتر السطحي أضعف بكثير، وبالتالي يكفي وجود قناة دقيقة جدًّا مستمرة واحدة فقط لحدوث التسرب. وعند درجات الحرارة المنخفضة، لا تبدأ قنوات التسرب عادةً بانقطاع كامل لحلقة O، بل تبدأ من فشل تلامسي دقيق على سطح الإغلاق.

والعملية النموذجية تكون كالتالي:

• تنخفض درجة الحرارة، فينكمش حلقة الأُسكي (O-ring) والأخدود المعدني في الوقت نفسه.
• ينكمش المطاط حراريًّا عادةً بشكلٍ أكثر وضوحًا من انكماش المعدن، وتقل كمية الانضغاط الفعلية وعرض منطقة التلامس معًا.
• يتباطأ ارتداد المطاط، فلا يستطيع التعويض عن تغيُّر أبعاد الأخدود.
• تظهر قناة دقيقة مستمرة بين القمم الخشنة للسطح المختوم.
• يتسرب الغاز على طول الواجهة.

في بحثٍ رُصِد فيه تسرب غاز عند درجات حرارة منخفضة لحلقة أُسكي مصنوعة من مطاط HNBR، لوحظ أن معدل تسرب الهواء يزداد فجأةً عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نطاق درجة انتقال الزجاج (Tg) للمواد؛ ويعتقد الباحثون أن السبب الرئيسي هو عدم كفاية انكماش المطاط الحراري عند درجات الحرارة المنخفضة وقدرته على الاستعادة، ما يؤدي إلى انفصال الحلقة المختومة عن السطح المقابل.

وهذا يفسِّر ظاهرة شائعة في الموقع: فحلقة الأُسكي ليست متشقِّقة ولا مكسورة، ومظهرها طبيعي تمامًا؛ ومع ذلك يتسرب الغاز من الجهاز عند الحالة الباردة، ويخف التسرب أو يزول تمامًا بعد ارتفاع درجة الحرارة.

٥. انتقال الزجاج والهشاشة وتسرب الغاز عند درجات الحرارة المنخفضة ليست مفاهيم متطابقة.

في تحليل الإغلاق عند درجات الحرارة المنخفضة، يُخلَط عادةً بين درجة انتقال الزجاج (Tg) وTR10 ودرجة حرارة الهشاشة والتشوه الدائم للانضغاط عند درجات الحرارة المنخفضة، رغم أن كلًّا منها يعبّر عن مشكلة مختلفة.

يتركّز اختبار هشاشة المطاط وفق معيار ASTM D2137 على ما إذا كانت المادة تُظهر خدوشًا أو تشققات في الطبقة السطحية عند التأثير البارد، وهذه المؤشرات تدلّ على أن هذا النوع من المعايير يُطبَّق في التنظيم والبحث والتطوير، لكنه لا يمثّل بالضرورة أدنى درجة حرارة يمكن استخدام المادة عندها. وبالمثل، يشير معيار ASTM D746 إلى أن طريقة اختبار درجة الحرارة الهشة تُستخدم لتقييم فشل المادة الهش في ظروف منظمة، ولا تمثّل بالضرورة أعلى درجة حرارة مناسبة للاستخدام الفعلي للمادة.

لذلك، عدم تشقق المادة لا يعني بالضرورة أنها لا تتسرب؛ فغالبًا ما تظهر فشل ختم الحلقية O عند درجات الحرارة المنخفضة على شكل إجهاد تماسٍ غير كافٍ، وليس شقوقًا مرئية بوضوح.

لماذا يُعد مؤشر TR10 أكثر أهمية من نطاق مقاومة البرودة؟

يُعَد مؤشر TR10 مؤشرًا جوهريًّا جدًّا لاختيار مواد الختم المناسبة للظروف ذات درجات الحرارة المنخفضة. وتشكِّل المواصفة القياسية ISO 2921 الإجراء القياسي لاختبار انكماش المطاط المُسَلَّن عند درجات الحرارة المنخفضة، وتُستخدَم لتحديد خاصية استعادة المطاط المشدود لطوله الأصلي مع ارتفاع درجة الحرارة.

ويتكوَّن اختبار TR10 عادةً من شد المطاط بنسبة ٢٥٪ أو ٥٠٪، ثم تبريده عند درجة حرارة منخفضة، ثم تسجيل درجة الحرارة التي يعود عندها إلى انكماش قدره ١٠٪؛ وكلما انخفضت هذه الدرجة، زادت قدرة المادة على الاحتفاظ بقدرٍ معينٍ من القابلية للانتعاش المرن عند درجات الحرارة الأدنى.

ويمكن في المجال الهندسي فهم ذلك عادةً بهذه الطريقة:

فكلما انخفض مؤشر TR10، واقترب من أدنى درجة حرارة في ظروف التشغيل أو تجاوزها، انخفض خطر التسرب عند درجات الحرارة المنخفضة.

تُظهر البيانات التجريبية أن الحلقات المطاطية الدائرية (O-rings) الديناميكية أو تلك التي تتلقى حملاً يجب أن تركز عادةً على قدرة الإغلاق القريبة من درجة حرارة الانعطاف TR10؛ أما في ظروف العمل الثابتة ومنخفضة المتطلبات، فقد تحافظ أحيانًا على الإغلاق التقني حتى عند درجات حرارة أقل من TR10 بمقدار ١٠–١٥°م، لكن هذا يعتمد على نوع المادة والتصميم واختبار قياس التسرب. كما يشير دليل فني آخر للحلقات المطاطية الدائرية إلى مبدأ مشابه: فالإغلاق الثابت يسمح عمومًا بانخفاض درجة الحرارة إلى حوالي ١٠°م دون TR10، بينما يجب أن تقترب الحلقات الديناميكية من TR10 بشكل أوثق، مع الأخذ في الاعتبار أن الانكماش أو الانتفاخ الناجمين عن الوسط المستخدم قد يغيران الحد الفعلي.

٧. يجب أيضًا أخذ انزياح درجة انتقال الزجاج Tg‏ / TR10 في الاعتبار عند ظروف التشغيل ذات الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة

في سيناريوهات الضغط العالي للغاز والزيت-الغاز والصمامات وأنظمة الهيدروجين والهيدروليك الفضائية وغيرها، لا يكفي الاعتماد فقط على درجة الانتقال الزجاجي (Tg) أو درجة الحرارة التي تنخفض فيها المرونة إلى 10% (TR10) عند الضغط العادي. وتشير بيانات تريلبورغ للمواد الخاصة بالضغط العالي إلى أنه، عند درجات الحرارة المنخفضة والضغط العالي، قد يؤدي الضغط—باستخدام مطاط مضغوط كمادة عازلة—إلى رفع درجة الانتقال الزجاجي للبوليمر، لذا يجب على المصمم أخذ هذه الانحرافات في درجة الانتقال الزجاجي بعين الاعتبار عند تصميم الأختام المقاومة للبرد والضغط العالي.

وهذا يعني أن مادةً ما قد تبدو مؤهلة عند الضغط العادي بناءً على قيمتي TR10 أو Tg، لكنها قد تفقد مرونتها مبكراً تحت غاز عالي الضغط. وهذه النقطة بالغة الأهمية خصوصاً في صمامات درجات الحرارة المنخفضة ومعدات الغاز عالي الضغط ومعدات الهيدروجين وختم آبار النفط والغاز.

٨. المظهر الميداني لمختلف أنماط الفشل عند درجات الحرارة المنخفضة

٨.١ التسرب البارد مع عدم التسرب في الحالة الساخنة

وهذا نموذجي لعدم كفاية الارتداد عند انخفاض الحرارة أو لانفصال السطح المتلامس. فعند ارتفاع حرارة الحلقة O بعد التشغيل، تستعيد سلاسل البوليمر نشاطها، وتستعيد إجهادات التلامس والمقطع العرضي أدائها جيداً، فيتوقف التسرب تدريجياً.

٨.٢ تسرب الغاز عند التشغيل البارد، ويتحسن بعد التشغيل لفترة من الوقت

قد يكون ذلك بسبب ارتداد درجة الحرارة أو ارتفاع درجة حرارة الوسيط أو استعادة المادة تدريجيًّا. وإذا كان المعدات يتطلب إحكامًا غازيًّا عند مرحلة التشغيل البارد، فإن هذه المادة لا تزال غير مؤهلة.

٨.٣ تسرب الغاز أثناء الوقوف الطويل في درجات حرارة منخفضة

كلما زاد وقت التبريد الطويل، زاد وضوح التبلور واسترخاء الإجهاد، وضعف استعادة الانضغاط. والاختبار المؤهل في درجات حرارة منخفضة لفترة قصيرة لا يعني بالضرورة أن المادة مؤهلة للوقوف الخارجي الطويل أو للطيران على ارتفاعات عالية أو للتشغيل طويل الأمد في التخزين البارد.

٨.٤ تسرب مجدد عند درجات حرارة منخفضة بعد التقدم في العمر الحراري

قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة أو تقدم العمر الوسيطي إلى تشوه انضغاط دائم، أو تصلُّب، أو انكماش، أو فقدان المُليِّنات؛ وبعدها، عند الدخول في بيئة ذات درجة حرارة منخفضة، يقل هامش ارتداد الحلقة O المتبقية، ما يجعل التسرب أكثر سهولة.

٨.٥ انسداد وارتداء وتسرب الحلقات المحكمة ديناميكيًّا عند درجات حرارة منخفضة

تتطلب الأختام الديناميكية، بالإضافة إلى فقدان إجهاد التلامس، احتكاكًا منخفضًا وارتدادًا سريعًا. وعند درجات الحرارة المنخفضة، تزداد صلابة المادة، ويتصاعد الاحتكاك، وتتفاقم أداء التشحيم، وقد لا يتمكن شفاه الختم أو الحلقات المطاطية (O-rings) من متابعة السطح المقابل بسرعة كافية، ما يؤدي إلى تسرب متقطع أو زحف أو التواء أو تآكل.

٩. اختيار المادة لا يكفي أن يُكتب فقط «مقاومة للبرد»

بالنسبة لتطبيقات التبريد والفضاء الجوي والمعدات الخارجية وصمامات درجات الحرارة المنخفضة، يجب تقسيم حقل «مقاومة البرد» في صفحة المواصفات الفنية للمادة إلى مؤشرات قابلة للتحقق، وليس الاكتفاء بذكر مدى حراري واحد فقط.

الحقول المقترحة هي كما يلي:

١٠. منطق اختيار المواد الشائعة عند درجات الحرارة المنخفضة

نبر / نبر مقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة

أداء النبر عند درجات الحرارة المنخفضة مرتبط ارتباطًا وثيقًا بمحتوى الأكريلونيتريل والتركيبة ونظام التحسين. ويمكن للنبر المقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة تحسين ليونة المادة عند درجات الحرارة المنخفضة، لكنه عادةً ما يتطلب تحقيق توازن بين مقاومة الزيت وتوافق الوقود والمرونة عند درجات الحرارة المنخفضة. ويُستخدم في بيئات تتضمن الزيت وسوائل الجليكول المائية والأنظمة الهيدروليكية العامة وأنظمة التبريد، مع ضرورة التأكُّد من توافق المادة مع الوسط المستخدم.

HNBR

يتفوَّق الهنبر على النبر العادي من حيث مقاومة الحرارة ومقاومة الزيت والخصائص الميكانيكية، لكن أداؤه عند درجات الحرارة المنخفضة لا يزال يعتمد بشكل كبير على التركيبة. وفي المعدات التي تعمل عند درجات حرارة منخفضة وتتعامل مع الغاز عالي الضغط أو خليط الزيت والغاز، لا يكفي الاعتماد فقط على اسم المادة «هنبر»، بل يجب طلب بيانات اختبار TR10 وانحراف الانضغاط الدائم عند درجات الحرارة المنخفضة واختبار التسرب الفعلي.

EPDM

يُستخدم مطاط الإثيلين بروبيلين ثنائي المونومر عادةً في بيئات الماء وبخار الماء والسوائل المبردة والأوزون الخارجي وبيئات مقاومة البرودة، لكنه غير مناسب لمعظم منتجات النفط البترولي. ويُستخدم في المعدات الخارجية وأنظمة تبريد المياه والأنظمة ذات درجة الحرارة المنخفضة التي تعتمد على إيثيلين جلايكول، مع ضرورة التحقق من قيم TR10 واستعادة الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة للتركيبة المحددة.

مطاط السيليكون (VMQ)

تتميز ليونة مطاط السيليكون عند درجات الحرارة المنخفضة عادةً بأداء جيد، لكن مقاومته للتمزق ومقاومته للتآكل ومعدل نفاذية الغاز وقدرته على مقاومة الزيوت والوقود قد تشكل قيودًا. وهو مناسب لبعض التطبيقات الثابتة عند درجات الحرارة المنخفضة، وللاستخدامات الغذائية والطبية والبيئات الخاضعة لأحمال، لكنه ليس بالضرورة مناسبًا للغازات ذات الضغط العالي أو للتآكل الديناميكي القوي.

مطاط الفلوروسيليكون (FVMQ)

يوازن مطاط الفلوروسيليكون بين المرونة الجيدة عند درجات الحرارة المنخفضة والتوافق مع الوقود والزيوت، ويُستخدم عادةً في ختم الوقود في تطبيقات الطيران الفضائي وختم الزيوت عند درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، لا يزال يجب تقييم مقاومته الميكانيكية ومقاومته للتآكل بدقة، ولا يمكن استبداله بشكل آلي بمطاط الفلورو (FKM) أو مطاط النتريل (NBR).

إف كي إم / إف كي إم مقاومة للحرارة المنخفضة

تُعرف إف كي إم العادية بمقاومتها العالية للحرارة والزيوت ووسائط المواد الكيميائية، لكن ارتدادها عند درجات الحرارة المنخفضة غالبًا ما يكون ضعيفًا. ويجب في صمامات الحرارة المنخفضة ومعدات الوقود الفضائية ومعدات الزيوت الخارجية تفضيل استخدام إف كي إم مقاومة للحرارة المنخفضة وتركيبات مخصصة مشابهة، مع التحقق من قيمتي تي آر ١٠ وتي جي والتشوه الدائم للانضغاط عند درجات الحرارة المنخفضة.

اف اف كي ام

تتمثّل ميزة إف إف كي إم في مقاومتها القصوى للمواد الكيميائية ودرجات الحرارة المرتفعة، لكن مرونتها عند درجات الحرارة المنخفضة ضعيفة في كثير من إف إف كي إم العادية. وفي حال كان لا بد من استخدام إف إف كي إم في صمامات عالية الضغط وعند درجات حرارة منخفضة أو في معدات النفط والغاز، فيجب اختيار تركيبة إف إف كي إم مقاومة للحرارة المنخفضة، والتحقق من التسرب عند الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة.

كما تظهر بيانات تريلبورغ اختلافات كبيرة في استجابة تركيبات إف إف كي إم المختلفة المقاومة للحرارة المنخفضة لقيمتَي تي آر ١٠ وتي جي تحت الضغط العالي.

١١. كيف يقلّل التصميم الهيكلي من خطر التسرب عند درجات الحرارة المنخفضة؟

المواد هي فقط الخطوة الأولى؛ ويجب أيضًا التحكم في المخاطر المتعلقة بحلقات الأختام الدائرية التي تعمل عند درجات حرارة منخفضة عبر تصميم الحفرة والتركيب.

أولاً، تأكَّد من وجود مقدار كافٍ من الانضغاط عند أقل درجة حرارة (Tmin). يجب حساب الفرق في الانكماش الحراري بين الحفرة المعدنية والمطاط، ولا يجوز التصميم بناءً على الأبعاد الاعتيادية فقط.

ثانياً، يمكن رفع مقدار انضغاط الأختام الثابتة بشكل مناسب، لكن دون تجاوز حدود ملء الحفرة أو حدود التركيب. إن قلة مقدار الانضغاط تؤدي مبكراً إلى التسرب؛ أما زيادته بشكل مفرط فقد تتسبب في تلف أثناء التركيب أو في خروج المادة بسبب التمدد الحراري أو ازدياد الاحتكاك أو التشوه الدائم.

ثالثاً، لا يجوز رفع مقدار الانضغاط عشوائياً في الأختام الديناميكية. عند درجات الحرارة المنخفضة، يزداد الاحتكاك، وبالتالي فإن زيادة مقدار الانضغاط بشكل مفرط تؤدي إلى مقاومة عند بدء التشغيل وارتداء وتَلَوّي وانزلاق غير منتظم.

رابعاً، يجب التحكم في خشونة سطح الإغلاق وانحنائه الدائري. عند درجات الحرارة المنخفضة، تنخفض قدرة المطاط على ملء القمم الخشنة، ما يجعل خشونة السطح تؤثر أكثر على إحكام الإغلاق.

خامسًا، استخدم حلقات احتياطية أو حلقات داعمة أو هياكل مُشَحَّنة بزنبركات عند الحاجة. في حالات الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة، يرتفع خطر الاعتماد فقط على قدرة المطاط الانضغاطية الذاتية لختم الغاز؛ لذا قد تكون أختام البوليتيترافلوروإيثيلين المشحونة بزنبركات، أو الحلقات الدائرية المغلفة، أو الأختام ذات المقاطع العرضية الخاصة، أو الأختام المعدنية أكثر موثوقية.

سادسًا، يجب أن تكون مادة التشحيم متوافقة مع درجات الحرارة المنخفضة. تصبح مواد التشحيم العادية لزجة أو تتجمد عند درجات الحرارة المنخفضة، ما يؤدي إلى زيادة الاحتكاك ويؤثر على تركيب السطوح المتلامسة؛ ولذلك يجب التحقق خصوصًا من توافق مادة التشحيم مع المطاط والوسيط المستخدم وأدنى درجة حرارة تشغيل في التطبيقات الخاصة بالصمامات ذات درجات الحرارة المنخفضة والتطبيقات الفضائية.

١٢. طريقة التحقق الموصى بها

لتطبيقات التبريد والفضاء والمعدات الخارجية والصمامات ذات درجات الحرارة المنخفضة، يُوصى بأن يكون التحقق من الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة اختبارًا متكاملًا وليس اختبارًا ماديًّا منفردًا.

سلسلة الاختبارات الموصى بها:

• على مستوى المادة: درجة انتقال الزجاج (Tg)، ودرجة الحرارة التي تنكمش فيها العينة بنسبة ١٠٪ (TR10)، ودرجة الحرارة التي تصبح عندها المادة هشّة، وتشوه الانضغاط الدائم عند درجات الحرارة المنخفضة.
• مستوى الوسيط: إعادة فحص الأبعاد والصلادة وقيمة TR10 والتشوه الدائم للانضغاط بعد الغمر في مادة التبريد أو الزيت أو الوقود أو الهواء أو ثاني أكسيد الكربون أو الهيدروجين أو الوسيط الفعلي.
• مستوى البنية: مطابقة المقطع المُستخدم فعليًّا، ومقدار الانضغاط الفعلي، وخشونة السطح الفعلية للحلقة O المركَّبة.
• مستوى الظروف: التبريد العميق حتى أدنى درجة حرارة، ثم الإبقاء لمدة كافية قبل إجراء اختبار إحكام الغاز.
• مستوى الدورات: تكرار دورات ارتفاع وانخفاض الحرارة، وتكرار دورات الضغط، وتكرار دورات التشغيل والإيقاف، ثم إعادة اختبار التسريب.
• مستوى الشيخوخة: بعد التعرض للحرارة أو للوسيط لفترة زمنية تُحاكي الشيخوخة، ثم إعادة اختبار الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة.

الحد الأدنى من المتطلبات لا ينبغي أن يقتصر على عبارة «المادة مقاومة لدرجة حرارة -٤٠°م»، بل يجب صياغته على النحو التالي:

عند درجة حرارة -٤٠°م، وفي وجود الوسيط المحدد والضغط المحدد وفترة التبريد العميق المحددة والمقطع المحدد وخشونة السطح المحددة، يجب أن تكون نسبة التسريب ≤ القيمة المستهدفة؛ كما يجب ألا تظهر شقوق في الحلقة O، ولا تشوه دائم غير طبيعي، ويجب أن تحتفظ الحلقة بمعدل ارتداد مقبول قبل الاختبار وبعده.