Lav temperatur får gummi gradvist at overgå fra en meget elastisk tilstand til en forsinket elastisk, glasagtig eller lokalt sprødt tilstand; samtidig medfører O-ring termisk krympning, langsommere genopretning og utilstrækkelig kompressionsgenopretning, at kontaktspændingen på tætningsfladen ikke kan opretholdes kontinuerligt. Gas-tætninger er særligt følsomme, da mikroskopiske kontaktspalter eller ruhedstopper kan danne kontinuerlige mikro-lækkagekanaler, og selv hvis O-ringen ikke viser tydelige revner, kan den stadig lække gas.

1. Hvad O-ringe bygger tætning på, er ikke »hårdhed«, men vedvarende kontaktspænding

O-ringer tætning ved stuetemperatur bygger hovedsageligt på tre ting:

For det første skaber installationskompressionen en initial kontaktspænding i O-ringen.

For det andet opretholder gummiet sin egen elastiske tilbageføring en vedvarende pasform til rillen og den modstående overflade.

For det tredje bliver O-ringen under trykpåvirkning yderligere presset mod tætningsoverfladen, hvilket danner trykstøtte.

O-ringens tætningskapacitet afhænger derfor i væsentlig grad af:

Kontaktspænding ≥ medietryk + lokal lækkagerisiko forårsaget af overfladeruhed.

Problemet med lav temperatur ligger præcis i, at gummiet måske stadig er "hårdt", men ikke længere er "støddæmpende". Dette giver det et udseende af øget trykbestandighed, men i virkeligheden kan det ikke kompensere for mikrospaltændringer i rillen, termisk krympning, trykpulsationer, overfladeruhed og små spaltændringer. Nyere modellerings- og eksperimentelle undersøgelser af O-ringers opførsel ved lav temperatur viser også, at den primære utæthed ved lav temperatur skyldes termisk krympning, begrænset støddæmpningsevne, spændingsrelaksation og produktionstolerancer.

2. Hvorfor bliver gummi hårdt ved lav temperatur?

Gummiets elasticitet skyldes bevægeligheden af molekylkæde-segmenterne. Når temperaturen falder, bliver bevægelsen af segmenterne langsommere, og tiden for materialets bløde og seje egenskaber bliver længere, hvilket makroskopisk viser sig som:

Stivhedsmodulen stiger, hårdheden stiger, forlængelsesgraden falder, støddæmpningshastigheden falder, og trykafslapning bliver dårligere.

Når temperaturen fortsætter med at falde nær glasovergangstemperaturen, går gummiet gradvist fra en blød elastomer over i en glasagtig tilstand. På dette tidspunkt opfører materialet sig ikke længere som en blød elastomer, men ligner mere en stiv fast stof. Forskning på HNBR ved lave temperaturer viser, at tætningsdele oprindeligt afhænger af rebound for at kompensere for permanent kompressionsdeformation og variationer i mellemrum ved lave temperaturer; men tæt på Tg falder materialets elasticitet markant, og selv en lille adskillelse er nok til at forårsage utæthed.

Bemærk: Hærdning er ikke det samme som bedre tætning.

Ved fastlagt forskydningskompression kan stigende modul kortvarigt forbedre lokal rebound; men hvis materialet ikke kan genoprette deformationen, ikke kan udfylde grove mikrospalter eller falder væk fra tætningsfladen pga. termisk krympning, falder den faktiske tætningskapacitet i stedet.

3. Hvorfor mister det rebound ved lave temperaturer?

Tab af rebound ved lave temperaturer skyldes hovedsageligt tre mekanismer.

3.1 Molekylære kædedele er frosset, og genopretning bliver langsommere

Ved stuetemperatur efter komprimering af O-ring kan kædedelene hurtigt justere sig og opretholde elastisk støtte. Ved lav temperatur er bevægelsen af kædedelene begrænset, og materialets genopretningsproces bliver meget langsom. Test af permanent kompressionsdeformation ved lav temperatur bruges præcis til at vurdere, hvor meget mindre gummiet kan springe tilbage, efter det er blevet kølet ned; laboratoriedata viser tydeligt, at gummi ved lav temperatur gradvist mister sin elasticitet, og evnen til at dække et spalt er betydeligt reduceret.

3.2 Permanent kompressionsdeformation i køltilstand stiger

Kompressionspermanent deformation sker ikke kun efter aldring ved høj temperatur. Ved lav temperatur kan O-ringe også udvise "frossen kompressionspermanent deformation": de bliver fladtrykt og kan midlertidigt ikke gendanne deres tværsnitsdybde. Forskning i HNBR ved lav temperatur viser, at kompressionspermanent deformation er en vigtig indikator for O-ringe og lignende tætningsanvendelser, og nær glasovergangstemperaturen kan kompressionspermanent deformation stige betydeligt – endda nå et højt niveau under forskningsbetingelser.

Denne type kompressionspermanent deformation ved lav temperatur er nogle gange omvendelig: efter temperaturstigning kan en del genoprettes; men under udstyrets køleoperationstid er den allerede tilstrækkelig til at forårsage utætheder.

3.3 Spændingsrelaksation medfører fald i tætningskraft

O-ringe under langvarig kompression i en rille, hvor tætningskraften aftager over tid; dette kaldes spændingsrelaksation. Ved lav temperatur krymper materialet samtidig med, at det bliver sværere at genoprette sig; hvis der samtidig opstår trykvariationer, pludselige ændringer i spaltens størrelse eller termiske cyklusser, vil sikkerhedsmargenen for kontaktspændingen yderligere falde. Forskning på dybhavshydrauliske O-ringe viser også, at ved lav temperatur vil gummis volumenkrympning og spændingsrelaksation gøre tætningen stadig mere ustabil, og sikkerhedsmargenen ved pludselig spalteudvidelse falder tydeligt.

4. Hvorfor er gaslækage særligt almindelig ved lav temperatur?

Gastætning er mere følsom end væsketætning, fordi gas har lavere viskositet og svagere overfladespændingsbegrænsning; kun en meget lille, sammenhængende mikrokanal er tilstrækkelig til at forårsage lækage. Ved lav temperatur begynder lækagekanaler normalt ikke med en 'helbrudt' O-ring, men med mikroskopisk kontaktfejl på tætningsfladen.

Typisk proces er som følger:

• Temperature falder, og både O-ring og metalrille krymper samtidigt.
• Gummis termiske krympning er normalt mere tydelig end metals termiske krympning; både den faktiske kompressionsmængde og kontaktbredden falder.
• Gummis tilbagefjedring bliver langsommere og kan ikke kompensere for ændringer i rillens dimensioner.
• En kontinuerlig mikrokanal opstår mellem tætningsruhederne.
• Gas lækkers langs grænsefladen.

I en undersøgelse af lavtemperatur-gaslækage ved HNBR O-ringe observeredes, at når temperaturen falder under materialets Tg-område, stiger luftlækageraten pludseligt; forskerne mener, at hovedårsagen er utilstrækkelig lavtemperatur-krympning og -genopretningsevne hos gummiet, hvilket får tætningen til at løsne sig fra den modstående overflade.

Dette forklarer et almindeligt fænomen på stedet: O-ring’en er ikke revet, ikke brudt og ser ud til at være normal i udseende; men udstyret lækker gas i køletilstand, og lækagen bliver svagere eller forsvinder, når temperaturen stiger.

5. Glasovergang, sprødhed og lavtemperatur-lækage er ikke det samme begreb

I analyse af tætning ved lav temperatur forveksles Tg, TR10, sprødhedstemperatur og permanent kompressionsdeformation ved lav temperatur ofte, men de repræsenterer forskellige problemer.

ASTM D2137's gummi-bragtpunktsprøve fokuserer på, om materialet viser ridser eller belægningsåbninger ved lavtemperatur-impact; denne indikator viser også, at denne type standard anvendes til regulering og R&D, men repræsenterer ikke nødvendigvis materialets laveste anvendelige temperatur. ASTM D746 bemærker ligeledes, at dens bragtspunktsprøvningsmetode er beregnet til regulerede betingelser for vurdering af materialets brudfunktion, og svarer ikke nødvendigvis til materialets optimale anvendelige temperatur i praksis.

Derfor betyder det ikke, at et materiale, der ikke sprækker, sikkert ikke lækker; manglende tæthedsydelse af O-ringe ved lav temperatur viser sig ofte som utilstrækkelig kontaktspænding og ikke som umiddelbart synlige revner.

6. Hvorfor er TR10 vigtigere end "koldbestandighedsområde"?

TR10 er en meget afgørende indikator ved valg af tætningsmaterialer til lavtemperaturanvendelse. ISO 2921 er den standardiserede fremgangsmåde til bestemmelse af vulkaniseret gummis temperaturtilbageføring ved lav temperatur og bruges til at fastslå spændt gummis temperaturafhængige genopretningsevne.

Ved TR10-test udstykker man typisk gummiet med 25 % eller 50 %, køler det ned til lav temperatur og registrerer derefter den temperatur, hvor materialet har trukket sig 10 % sammen igen; jo lavere denne temperatur er, desto mere bevares materialets evne til elastisk genopretning ved lave temperaturer.

I ingeniørpraksis kan man normalt forstå det således:

Jo lavere TR10-værdien er – og jo tættere den er på eller over den laveste driftstemperatur – desto mindre er risikoen for lækage ved lav temperatur.

Eksperimentelle data viser, at dynamiske eller modtagende O-ringe normalt skal fokusere på tæthedsfunktionen nær TR10; ved statiske betingelser med lav krav kan tætheden nogle gange opretholdes også ved temperaturer 10–15 °C under TR10, men dette afhænger af materiale, konstruktion og testmetode til måling af utætheder. En anden teknisk vejledning for O-ringe angiver samme princip: statisk tætning tillader normalt en temperatur ca. 10 °C under TR10, mens dynamisk tætning bør ligge tættere på TR10; samtidig kan udvidelse og krympning forårsaget af mediet ændre den reelle grænse.

7. Ved højt tryk og lav temperatur skal Tg / TR10-forskydning også overvejes

I højttryksgas, olie-gasventiler, brintsystemer, luftfarts-hydraulik og andre scenarier kan man ikke blot se på Tg eller TR10 ved normalt tryk. Trelleborgs materialedata for højttryk viser, at ved lav temperatur og højt tryk kan trykket – ved at påvirke elastomeren i kompressionsmaterialet – få polymerens Tg til at skifte mod højere temperaturer; konstruktører skal derfor tage denne Tg-afvigelse i betragtning ved udformning af tætninger til lavtemperatur- og højttryksanvendelser.

Dette betyder: Et materiale, der ved normalt tryk opfylder kravene til TR10 eller Tg, kan miste fleksibiliteten for tidligt under højttryksgas. Dette er især vigtigt for lavtemperaturventiler, højttryksgasudstyr, brintudstyr og tætning i gas- og oliebrønde.

8. Feltudseende af forskellige lavtemperaturfejltilstande

8.1 Kold utæthed, ingen utæthed i varmt tilstand

Dette er en typisk lavtemperaturfejl på grund af utilstrækkelig genopspænding eller overfladeadskillelse. Når O-ringens temperatur stiger, genoprettes kædedelenes aktivitet, kontaktspændingen og tværsnittet genoprettes godt, og utætheden forsvinder efter kort tid.

8.2 Lækage af gas ved kold start – forbedres efter et stykke kørsel

Kan skyldes temperaturtilbageføring, stigning i medietemperatur eller gradvis genopretning af materialet. Hvis udstyret kræver lufttæt forsegling ved kold start, er denne type materiale stadig ikke godkendt.

8.3 Lækage af gas ved længerevarende parkering ved lav temperatur

Længere tid ved kold opbevaring fører til mere tydelig krystallisation, stressrelaksation og utilstrækkelig genopretning af kompression. En kortvarig test ved lav temperatur, der er godkendt, betyder ikke, at udstyret er godkendt til længerevarende udendørs parkering, flyvning i høj højde eller langvarig drift i kølerum.

8.4 Genopståen lækage ved lav temperatur efter varmealdring

Høj temperatur eller aldring af mediet kan føre til permanent kompressionsdeformation, udførshedsstigning, krympning eller tab af plastificeringsmiddel; når O-ringens efterfølgende udsættes for lav temperatur, bliver dens genopretningsmargin mindre, og lækage opstår lettere.

8.5 Dynamisk tætning – lavtemperaturproblemer, slid og lækage

Dynamiske tætninger kræver ud over tab af kontaktspænding også lav friktion og hurtig genopretning. Ved lave temperaturer bliver materialet mere stift, friktionen stiger, smøringen forværres, og tætningslæben eller O-ringens evne til at følge den modstående overflade hurtigt kan falde bort, hvilket fører til periodisk utæthed, krybning, vridning eller slid.

9. Materialevalg må ikke kun angive «koldbestandig»

For køleanlæg, luft- og rumfart, udstyr til udendørs brug samt kunde til lavtemperaturventiler skal materialebeskrivelsen opdele «koldbestandig» i verificerbare indikatorer – ikke blot angive et enkelt temperaturområde.

Anbefalede felter er som følger:

10. Fælles materialers logik for valg ved lav temperatur

NBR / NBR til lav temperatur

NBRs ydeevne ved lav temperatur er tæt forbundet med acrylonitrilindholdet, sammensætningen og forøgelsessystemet. NBR til lav temperatur kan forbedre blødhed ved lav temperatur, men kræver normalt en afvejning mellem oliebestandighed, brændstofkompatibilitet og elastisk genopretning ved lav temperatur. Anvendes i forbindelse med olie, vand-glykol, almindelige hydrauliske systemer og køleanlæg; der skal altid bekræftes, hvilke medier der anvendes.

HNBR

HNBR har bedre varmebestandighed, oliebestandighed og mekaniske egenskaber end almindeligt NBR, men ydeevnen ved lav temperatur afhænger stadig stærkt af sammensætningen. Ved udstyr til højt tryk eller olie-gas ved lav temperatur må man ikke blot se på betegnelsen HNBR, men kræve TR10-værdier, kompressionsmæssig permanent deformation ved lav temperatur samt faktiske utæthedsprøver.

EPDM

EPDM er normalt egnet til brug med vand, damp, kølevæske, udendørs ozon og koldbestandige miljøer, men er ikke egnet til de fleste petroleumsole. Anvendes til udendørs udstyr, kølevandsledninger og ethylenglykol-systemer til lav temperatur; specifik formulering skal dog verificeres for TR10 og lavtemperatur-genopretning.

VMQ/silikonkautschuk

Silikonkautschuks blødhed ved lav temperatur er normalt god, men revstyrke, slidstyrke, gasgennemtrængelighed og kompatibilitet med olie- og brændstof kan udgøre begrænsninger. Egnet til visse statiske tætninger ved lav temperatur samt til fødevarer, medicinsk udstyr og belastede miljøer, men ikke nødvendigvis egnet til højtryksgas eller stærk dynamisk slitage.

FVMQ/fluorsilikonkautschuk

Fluorsilikonkautschuk kombinerer bedre lavtemperatur-fleksibilitet med kompatibilitet til brændstof og olie og anvendes ofte til statiske tætninger i luftfartsbrændstof- og lavtemperatur-olieanlæg. Dens mekaniske styrke og slidstyrke kræver dog individuel vurdering; den kan ikke blot erstatte alle FKM- eller NBR-materialer.

FKM / Lavtemperatur-FKM

Almindelig FKM er kendt for sin modstandsdygtighed over for høje temperaturer, olie og kemiske medier, men dens evne til at genoprette sig ved lave temperaturer er ofte begrænset. Ved lavtemperaturventiler, rumfartsbrændstof og udstyr til udendørs olieprodukter bør lavtemperatur-FKM og lignende specialformuleringer foretrækkes, og TR10-, Tg- samt kompressionsmæssig permanent deformation ved lave temperaturer bør verificeres.

FFKM

FFKM’s fordel er ekstrem kemisk modstandsdygtighed og højtemperaturbestandighed, men mange almindelige FFKM-materialer har svag elasticitet ved lave temperaturer. Hvis lavtemperatur-højtryksventiler eller olie- og gasudstyr kræver anvendelse af FFKM, bør en lavtemperatur-FFKM-formulering vælges, og tætheden ved højt tryk og lave temperaturer bør verificeres.

Trelleborgs data viser også betydelige forskelle i TR10/Tg-responsen for forskellige lavtemperatur-FFKM-formuleringer under højt tryk.

11. Hvordan reducerer konstruktionsdesign risikoen for utæthed ved lave temperaturer?

Materialet er kun det første trin; lavtemperatur-O-ringe skal også risikostyring via spore- og monteringsdesign.

Først skal der sikres tilstrækkelig kompressionsmængde ved Tmin. Der skal beregnes den termiske krympningsforskel mellem metal-sporet og gummiet; der må ikke udelukkende designes ud fra konventionelle mål.

Andet: statiske tætninger kan passende øge trykkompressionsmængden, men den må ikke overskride sporfyldnings- og monteringsgrænserne. Utilstrækkelig kompressionsmængde vil for tidligt føre til utæthed; for stor kompressionsmængde kan forårsage monteringsbeskadigelse, termisk udvidelsesudpressning, øget friktion eller permanent deformation.

Tredje: dynamiske tætninger må ikke vilkårligt øge kompressionsmængden. Ved lav temperatur stiger friktionen; for stor kompressionsmængde vil føre til startmodstand, slid, vridning og kravlen.

Fjerde: kontroller tætningsfladens ruhed og rundhed. Ved lav temperatur falder gummiets evne til at udfylde grove toppe; overfladeruhed påvirker tætheden mere.

Femte: Brug bagstøtteringe, understøtningsringe eller fjederdrevne konstruktioner, når det er nødvendigt. Ved højt tryk, lav temperatur og gas-tætning, der udelukkende bygger på gummis egen elastiske genopretning, er risikoen større; fjederdrevne PTFE-tætninger, indkapslede O-ringe, specielle tværsnits-tætninger eller metal-tætninger kan være mere pålidelige.

Sjette: Smørefedt skal være kompatibelt med lave temperaturer. Almindeligt smørefedt bliver viskøst eller fryser ved lave temperaturer, hvilket øger friktionen og påvirker overfladepasformen; især ved lavtemperaturventiler og luft- og rumfartsanvendelser skal kompatibiliteten mellem smørefedt, gummi og medium samt den laveste driftstemperatur verificeres.

12. Anbefalet verifikationsmetode

Ved køleanlæg, luft- og rumfartsanvendelser, udstyr til udendørs brug samt lavtemperaturventiler anbefales det at udføre lavtemperaturverifikation som en kombineret test, ikke som en enkelt materiale-test.

Anbefalet testrække:

• På materieniveau: Tg, TR10, sprødhedstemperatur, permanent kompressionsdeformation ved lav temperatur.
• Medieniveau: genkontroller dimension, hårdhed, TR10 og permanent kompressionsdeformation efter nedsænkning i kølemiddel, olie, brændstof, luft, CO₂, brint eller den faktiske medie.
• Strukturniveau: match den faktiske rille, den faktiske kompressionsmængde og den faktiske overfladestrukturen for monteret O-ring.
• Tilstands niveau: køling til laveste temperatur, hold tilstrækkelig tid, derefter udfør gastæthedsprøve.
• Cyklusniveau: cykling mellem høj og lav temperatur, trykcycling, start-stop-cykling, derefter genafprøv for utæthed.
• Aldringniveau: efter varmealdring eller mediealdring, derefter genafprøv ved lav temperatur.

Minimumskrav bør ikke blot være "materiale modstandsdygtigt ved -40 °C", men skal formuleres som:

Ved -40 °C, specificeret medie, specificeret tryk, specificeret kølingstid, specificeret rille og overfladestruktur: utæthedsrate ≤ målværdi; O-ring må ikke have revner, ingen unormale permanente deformationer og skal opretholde acceptabel rebound før og efter test.