Nízká teplota způsobuje postupný přechod pryže z vysoce elastického stavu do zpožděně elastického, skelného nebo místně křehkého stavu; současně O-kroužek tepelná smrštěnost, zpomalení pružného návratu a nedostatečné obnovování stlačení způsobují, že kontaktní napětí na těsnicím rozhraní nelze trvale udržet. Plynová těsnění jsou zvláště citlivá, protože na mikroúrovni se mohou vytvořit kontinuální mikroúnikové kanály mezi kontaktními mezerami nebo vrcholy nerovností povrchu a i když O-kroužek nemá žádné viditelné trhliny, může přesto unikat plyn.

1. Pro těsnění O-kroužků není rozhodující „tvrdost“, ale trvalé kontaktní napětí

O-pečlivky těsnění za pokojové teploty závisí hlavně na třech věcech:

Za prvé, velikost montážního stlačení způsobuje vznik počátečního kontaktního napětí v O-kroužku.

Za druhé, vlastní pružný návrat pryže udržuje trvalé přilnutí k drážce i k protilehlému povrchu.

Za třetí, pod účinkem tlaku je O-kroužek dále tlačen směrem k těsnicímu povrchu, čímž vzniká tlaková podpora.

Schopnost O-kroužku těsnit je tedy v podstatě:

Kontaktní napětí ≥ tlak média + místní riziko úniku způsobené drsností povrchu.

Problém nízkých teplot spočívá právě v tom, že gumový materiál může být stále „tvrdý“, ale již není „schopný odpružit“. To vytváří dojem vyšší odolnosti proti tlaku, avšak ve skutečnosti nedokáže kompenzovat mikroprostory v drážce, tepelnou kontrakci, fluktuace tlaku, drsnost povrchu a malé změny vůle. Nedávné modelování a experimentální výzkum O-kroužků při nízkých teplotách rovněž ukazují, že hlavní únik při nízkých teplotách souvisí s tepelnou kontrakcí, omezenou schopností odpružit, relaxací napětí a výrobními tolerance.

2. Proč se guma za nízkých teplot ztvrdne?

Pružnost gumy vyplývá z pohybové schopnosti segmentů molekulárního řetězce. Pokles teploty zpomaluje pohyb těchto segmentů a prodlužuje čas potřebný ke změně měkkých a houževnatých vlastností materiálu, což se makroskopicky projevuje jako:

Modul roste, tvrdost roste, prodloužení klesá, rychlost odrazu klesá, obnova po stlačení se zhoršuje.

Když teplota dále klesá blízko skleněné přechodové teploty, guma postupně přechází z měkkého elastomeru do skelného stavu. V tomto stavu materiál již není měkkým elastomerem, nýbrž spíše tuhým pevným tělesem. Výzkum HNBR při nízkých teplotách ukazuje, že těsnicí díly původně závisely na odrazivosti k vyrovnání trvalého stlačení a rozdílů v mezích při nízkých teplotách, ale blízko Tg výrazně klesá pružnost materiálu; i malé oddělení je pak dostatečné k vzniku úniku.

Je třeba poznamenat: ztvrdnutí není totožné s lepším těsněním.

Při stálém stlačení se zvyšující se hodnota modulu může krátkodobě zlepšit místní odraz; pokud však materiál nedokáže deformaci obnovit, nepodaří se mu zaplnit hrubé mikroprostory nebo se odtrhne od těsnicí plochy kvůli tepelné kontrakci, skutečná těsnicí schopnost naopak klesá.

3. Proč ztrácí odpružení při nízké teplotě?

Ztráta odpružení při nízké teplotě je způsobena především třemi mechanismy.

3.1 Pohyb molekulárních řetězců je zamrzlý, obnovování se zpomaluje

Při pokojové teplotě se po stlačení O-kroužku segmenty řetězců rychle přizpůsobí a udrží pružnou podporu. Při nízké teplotě je pohyb segmentů řetězců omezen, proces obnovy materiálu se stává velmi pomalým. Zkouška trvalého stlačení při nízké teplotě se právě používá k posouzení toho, o kolik méně gumový materiál odpruží po vystavení nižších teplot; laboratorní údaje jasně ukazují, že při nízké teplotě gumový materiál postupně ztrácí pružnost a schopnost uzavřít mezeru se výrazně zpomaluje.

3.2 Trvalé stlačení ve studeném stavu roste

Trvalá deformace způsobená tlakem nenastává pouze po stárnutí za vysoké teploty. Při nízké teplotě mohou O-kroužky také vykazovat tzv. „trvalou deformaci způsobenou tlakem ve zmrazeném stavu“: jsou zploštělé a dočasně nedokáží obnovit tloušťku průřezu. Výzkum HNBR při nízkých teplotách ukazuje, že trvalá deformace způsobená tlakem je důležitým ukazatelem pro O-kroužky a podobné těsnicí aplikace; v blízkosti teploty skelného přechodu může trvalá deformace způsobená tlakem výrazně vzrůst, dokonce dosáhnout vysoké úrovně za podmínek výzkumu.

Tento typ trvalé deformace způsobené tlakem při nízké teplotě je někdy reverzibilní: po zvýšení teploty se část materiálu může obnovit; během chladného provozu zařízení však již může dojít k únikům.

3.3 Uvolnění napětí způsobuje pokles těsnicí síly

O-kroužky pod dlouhodobým tlakem v drážce ztrácejí těsnicí sílu v průběhu času – tomu se říká relaxace napětí. Při nízké teplotě se materiál smršťuje a současně se obtížně vrací do původního stavu; pokud k tomu ještě dochází ke kolísání tlaku, náhlé změně mezery nebo tepelnému cyklování, bezpečná mez kontaktového napětí dále klesá. Výzkum O-kroužků pro hydraulické systémy v hlubokém moři rovněž ukazuje, že při nízké teplotě smršťování objemu gumy a relaxace napětí zhoršují těsnicí funkci stále více a bezpečná mez náhlého rozšíření mezery výrazně klesá.

4. Proč je únik plynu zvláště snadný při nízké teplotě?

Těsnění plynu je citlivější než těsnění kapalin, protože viskozita plynu a povrchové napětí jsou slabší a stačí již velmi malý nepřetržitý mikrokanál k úniku. Při nízké teplotě se únikové kanály obvykle nezačínají „úplným přerušením“ O-kroužku, nýbrž mikroskopickým selháním kontaktu na těsnicí ploše.

Typický postup je následující:

• Teplota klesá, O-kroužek i kovová drážka se současně smršťují.
• Tepelná smršťování pryže je obvykle výraznější než tepelná smršťování kovu; skutečná míra stlačení i šířka styku obě klesají.
• Pryžové pružné zpětné působení zpomaluje, nedokáže kompenzovat změnu rozměrů drážky.
• Mezi hrubými vrcholy těsnění se vytváří trvalý mikrokanál.
• Plyn uniká podél rozhraní.

V jednom výzkumu nízkoteplotního úniku plynu u HNBR O-kroužků bylo pozorováno, že při teplotách pod okolím skleněného přechodu materiálu se rychlost úniku vzduchu náhle zvyšuje; výzkumníci považují za hlavní příčinu nedostatečné tepelné smršťování pryže a její nízkoteplotní schopnosti obnovit původní tvar, což způsobuje odtržení těsnění od protilehlé plochy.

To vysvětluje běžný jev na místě použití: O-kroužek není prasklý, není poškozený a vizuálně vypadá normálně; přesto však za studena dochází k úniku plynu z vybavení, který se při zvýšení teploty zmenšuje či zcela zmizí.

5. Skleněný přechod, křehkost a nízkoteplotní únik nejsou totožné pojmy

Při analýze těsnění za nízkých teplot se často zaměňují pojmy Tg, TR10, teplota křehkosti a trvalá deformace stlačení za nízkých teplot, avšak každý z nich představuje jiný problém.

Test křehkosti gumy dle ASTM D2137 se zaměřuje na to, zda materiál ukazuje po nárazu při nízké teplotě škrábance nebo praskliny povrchového povlaku; tento ukazatel také naznačuje, že daný standard se vztahuje na regulaci a výzkum a vývoj, avšak nemusí nutně odpovídat nejnižší použitelné teplotě materiálu. ASTM D746 rovněž uvádí, že metoda testování křehkosti při teplotě slouží k vyhodnocení křehkého selhání materiálu za regulovaných podmínek a nemusí nutně odpovídat optimální provozní teplotě materiálu v reálném nasazení.

Proto materiál, který se neruší, nemusí nutně znamenat, že netěsní; selhání těsnění O-kroužku při nízkých teplotách se často projevuje nedostatečným kontaktním napětím, nikoli viditelnými trhlinami.

6. Proč je TR10 důležitější než „rozmezí odolnosti proti chladu“?

TR10 je velmi klíčový ukazatel pro výběr materiálů pro těsnění při nízkých teplotách. ISO 2921 je standardní postup pro měření teplotního stahu vulkanizovaného kaučuku při nízkých teplotách, který se používá k určení charakteristiky teplotního návratu napnutého kaučuku.

Při zkoušce TR10 se kaučuk obvykle natáhne o 25 % nebo 50 %, poté se ochladí na nízkou teplotu a zaznamená se teplota, při níž se zkrátí o 10 %; čím je tato teplota nižší, tím lépe si materiál zachovává určitou schopnost elastického návratu při nižších teplotách.

V technické praxi lze toto obvykle pochopit takto:

Čím je TR10 nižší, tím více se blíží nebo dokonce překračuje nejnižší teplotu provozních podmínek, a tím je riziko úniku při nízkých teplotách nižší.

Experimentální údaje ukazují, že dynamické nebo přijímací O-kroužky by obvykle měly zaměřovat pozornost na těsnicí schopnost v blízkosti TR10; u statických podmínek s nízkými požadavky se někdy teplota o 10–15 °C nižší než TR10 stále považuje za technicky dostatečnou pro těsnění, avšak to závisí na materiálu, konstrukci a metodě měření úniku. Jiný technický manuál pro O-kroužky uvádí podobný princip: u statického těsnění je obvykle přípustné snížení teploty o cca 10 °C pod TR10, zatímco u dynamického těsnění by měla být teplota co nejblíže TR10; současně však změny smrštění a roztažení způsobené prostředím ovlivňují skutečnou mez.

7. U podmínek vysokého tlaku a nízké teploty je nutné také vzít v úvahu posun Tg / TR10

V prostředích s vysokým tlakem plynu, olej-plynových ventilů, vodíkových systémů, hydraulických systémů pro letecký a kosmický průmysl a podobně nelze posuzovat pouze Tg nebo TR10 za normálního tlaku. Data Trelleborgu o materiálech pro vysoký tlak ukazují, že při nízké teplotě a vysokém tlaku může tlak způsobit posun Tg polymerního elastomeru používaného pro stlačení směrem nahoru; konstruktér musí tento posun Tg vzít v úvahu při návrhu těsnění pro nízkoteplotní aplikace za vysokého tlaku.

To znamená, že jeden materiál, který za normálního tlaku splňuje požadavky na TR10 nebo Tg, může při vysokém tlaku plynu předčasně ztratit pružnost. Tento fakt je zvláště důležitý pro nízkoteplotní ventily, zařízení pro vysokotlaký plyn, vodíková zařízení a těsnění pro ropné a plynové vrty.

8. Vzhled různých poruchových režimů při nízkých teplotách v provozu

8.1 Studené prosakování, při teplém stavu netěsní

Jedná se o typickou poruchu způsobenou nedostatečným návratem do původního tvaru při nízké teplotě nebo oddělením rozhraní. Po ohřátí O-kroužku se obnoví pohyblivost řetězcových segmentů, kontaktové napětí i průřez se dobře obnoví a těsnění se zlepší.

8.2 Únik plynu při studeném startu, po nějaké době provozu se zlepší

Může jít o teplotní odraz, zvýšení teploty média nebo postupné obnovení materiálu. Pokud musí být zařízení při studeném startu dokonale utěsněno proti úniku plynu, tento typ materiálu je stále nevhodný.

8.3 Únik plynu po dlouhodobém parkování za nízkých teplot

Delší doba chlazení za nízkých teplot vede k výraznější krystalizaci, relaxaci napětí a nedostatečnému obnovení tlaku. Úspěšný krátkodobý test za nízkých teplot neznamená, že materiál vyhovuje pro dlouhodobé parkování venku, lety vysokou nadmořskou výškou nebo dlouhodobý provoz v chladných skladovacích prostorách.

8.4 Opakovaný únik plynu při nízkých teplotách po tepelném stárnutí

Tepelné nebo prostředím podmíněné stárnutí způsobuje trvalou kompresní deformaci, ztvrdnutí, zmenšení objemu nebo ztrátu plastifikátoru; poté při expozici nízkým teplotám zůstane u těsnicího kroužku O-ring menší rezerva pružného odpružení a dochází k úniku snadněji.

8.5 Nízkoteplotní porucha dynamického těsnění: uvíznutí, opotřebení, únik

Dynamická těsnění kromě ztráty kontaktního napětí také vyžadují nízké tření a rychlé obnovování tvaru. Při nízkých teplotách se materiál ztvrdne, tření stoupá, mazání se zhorší a těsnicí okraje nebo O-kroužky nemusí být schopny rychle sledovat povrch protilehlé součásti, což může způsobit občasné úniky, plazivý pohyb, zkroucení nebo opotřebení.

9. Výběr materiálu nesmí uvádět pouze „odolný vůči chladu“

U chladicích zařízení, letecké a kosmické techniky, venkovních zařízení a nízkoteplotních ventilů pro zákazníky by měla stránka s materiály rozdělit pojem „odolný vůči chladu“ na ověřitelné parametry, nikoli pouze uvádět jediný teplotní rozsah.

Doporučené položky jsou následující:

10. Logika výběru běžných materiálů pro nízké teploty

NBR / NBR pro nízké teploty

Nízkoteplotní vlastnosti NBR úzce souvisí s obsahem akrylonitrilu, složením směsi a systémem plniva. NBR pro nízké teploty zlepšuje měkčení při nízkých teplotách, ale obvykle vyžaduje kompromis mezi odolností vůči oleji, kompatibilitou s palivy a nízkoteplotním odrazem. Použitelné v prostředích s olejem, vodou s glykolem, obecnými hydraulickými kapalinami a chladicími prostředími; je nutné ověřit kompatibilitu s konkrétním prostředím.

HNBR

HNBR má lepší tepelnou odolnost, odolnost vůči oleji a mechanické vlastnosti než běžný NBR, avšak nízkoteplotní vlastnosti stále značně závisí na složení směsi. U zařízení pro vysokotlaký plyn nebo olej-plyn provozovaných při nízkých teplotách nestačí pouze označení HNBR; je nutné požadovat hodnotu TR10, nízkoteplotní trvalou deformaci při stlačení a skutečné testy těsnosti.

EPDM

EPDM obvykle vyhovuje pro vodu, páru, chladicí kapaliny, venkovní ozón a prostředí odolná vůči mrazu, ale není vhodný pro většinu petrolejových olejů. Používá se pro venkovní zařízení, chladicí vodní okruhy a systémy s nízkoteplotním ethylenglykolem; je nutné ověřit TR10 a nízkoteplotní obnovu konkrétního složení.

VMQ / Křemičitanová pryž

Nízkoteplotní měkkost křemičitanové pryže je obvykle dobrá, avšak pevnost v trhání, odolnost proti opotřebení, rychlost průniku plynů a schopnost odolávat palivům a olejům mohou být omezením. Je vhodná pro určité nízkoteplotní statické těsnění, potravinářské a lékařské aplikace i zatížená prostředí, ale nemusí být vhodná pro vysokotlaké plyny nebo intenzivní dynamické opotřebení.

FVMQ / Fluorkřemičitanová pryž

Fluorkřemičitanová pryž nabízí lepší rovnováhu mezi nízkoteplotní pružností a kompatibilitou s palivy a oleji; často se používá pro statické těsnění paliv a nízkoteplotních olejových produktů v leteckém a kosmickém průmyslu. Její mechanická pevnost a odolnost proti opotřebení však stále vyžadují posouzení – nelze ji jednoduše nahradit za všechny typy FKM nebo NBR.

FKM / FKM pro nízké teploty

Běžný FKM je známý svou odolností vůči vysokým teplotám, olejům a chemickým prostředkům, avšak jeho pružnost při nízkých teplotách často klesá. U ventilů pro nízké teploty, paliv pro leteckou a kosmickou techniku a zařízení pro venkovní použití olejových produktů je třeba upřednostňovat FKM pro nízké teploty a podobné specializované složení a ověřit hodnoty TR10, Tg a trvalou deformaci stlačením při nízkých teplotách.

FFKM

Výhodou FFKM je extrémní odolnost vůči chemikáliím a vysokým teplotám, avšak mnoho běžných FFKM má slabou pružnost při nízkých teplotách. Pokud je nutné použít FFKM u ventilů s vysokým tlakem a nízkou teplotou nebo u zařízení pro těžbu ropy a zemního plynu, je třeba zvolit složení FFKM pro nízké teploty a ověřit netěsnost při vysokém tlaku a nízké teplotě.

Údaje společnosti Trelleborg rovněž ukazují, že rozdíly v odezvě TR10/Tg různých složení FFKM pro nízké teploty za vysokého tlaku jsou výrazné.

11. Jak návrh konstrukce snižuje riziko netěsnosti při nízkých teplotách?

Materiál je pouze prvním krokem; nízkoteplotní O-kroužky také vyžadují řízení rizik prostřednictvím návrhu drážky a montáže.

Za prvé zajistěte dostatečnou míru stlačení při Tmin. Je nutné vypočítat rozdíl tepelné smrštěnosti mezi kovovou drážkou a gumou; návrh nelze provést pouze podle běžných rozměrů.

Za druhé u statických těsnění lze míru stlačení vhodně zvýšit, avšak nesmí překročit limity vyplnění drážky a montážní limity. Nedostatečná míra stlačení povede předčasně k úniku; nadměrná míra stlačení může způsobit poškození při montáži, extruzi způsobenou tepelnou roztažností, zvýšení tření nebo trvalou deformaci.

Za třetí u dynamických těsnění nelze míru stlačení libovolně zvyšovat. Při nízké teplotě se zvyšuje tření; nadměrná míra stlačení způsobí odpor při spuštění, opotřebení, zkroucení a plazivý pohyb.

Za čtvrté řídit drsnost a kulovitost těsnicí plochy. Při nízké teplotě klesá schopnost gumy vyplnit hrubé vrcholy; drsnost povrchu více ovlivňuje těsnost.

Páté: V případě potřeby používejte záložní kroužky, opěrné kroužky nebo pružinově vybavené konstrukce. U těsnění působících za vysokého tlaku a nízké teploty, která jsou pro plynové prostředí založena výhradně na vlastní pružnosti pryže, je riziko vyšší; spolehlivější mohou být pružinově vybavená těsnění z PTFE, obalené O-kroužky, těsnění se speciálním průřezem nebo kovová těsnění.

Šesté: Mazací mazivo musí být kompatibilní s nízkou teplotou. Běžné mazací mazivo se při nízké teplotě zhoustne nebo zamrzne, čímž zvýší tření a ovlivní přesnost pasování na rozhraní; zejména u ventilů a aplikací v leteckém a kosmickém průmyslu je nutné ověřit kompatibilitu maziva s pryží, médium a nejnižší provozní teplotou.

12. Doporučená metoda ověření

U chladicích zařízení, leteckých a kosmických aplikací, venkovních zařízení a ventilů určených pro nízké teploty se doporučuje provádět ověření za nízké teploty jako kombinovaný test, nikoli jako samostatný test materiálu.

Doporučený postup testování:

• Na úrovni materiálu: skleněná teplota (Tg), teplota trhliny při 10 % protažení (TR10), křehkostní teplota, trvalá deformace při stlačení za nízké teploty.
• Úroveň média: znovu zkontrolovat rozměry, tvrdost, TR10 a trvalou deformaci po ponoření do chladiva, oleje, paliva, vzduchu, CO₂, vodíku nebo skutečného média.
• Úroveň konstrukce: shoda s aktuálním drážkou, aktuálním množstvím stlačení a aktuální drsností povrchu namontovaného O-kroužku.
• Úroveň podmínek: chladové vydržení při nejnižší teplotě, dostatečná doba vydržení následovaná kontrolou těsnosti plynu.
• Úroveň cyklu: cyklování mezi vysokou a nízkou teplotou, cyklování tlaku, cyklování spuštění a zastavení, následná opakovaná kontrola úniku.
• Úroveň stárnutí: po tepelném stárnutí nebo stárnutí v médiu následuje opakovaná kontrola při nízké teplotě.

Minimální požadavky by neměly být pouze „materiál odolný vůči -40 °C“, ale měly by být formulovány takto:

Při -40 °C, ve specifikovaném médiu, za specifikovaného tlaku, po specifikované době chladového vydržení, v specifikované drážce a se specifikovanou drsností povrchu musí být rychlost úniku ≤ cílová hodnota; O-kroužek nesmí mít žádné praskliny, žádnou abnormální trvalou deformaci a musí udržet přijatelné odpružení před i po testování.