Η χαμηλή θερμοκρασία προκαλεί τη σταδιακή μετάβαση του καουτσούκ από μια εξαιρετικά ελαστική κατάσταση σε μια καθυστερημένη ελαστική, γυάλινη ή τοπικά εύθραυστη κατάσταση· ταυτόχρονα, η Δαχτυλίδι O θερμική συρρίκνωση, η επιβράδυνση της ανάκαμψης και η ανεπαρκής ανάκαμψη της συμπίεσης προκαλούν την αδυναμία διατήρησης της επαφής της επιφάνειας σφράγισης υπό συνεχή επαφή. Οι σφραγίσεις αερίου είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες, επειδή μικροσκοπικά κενά επαφής ή ανώμαλες κορυφές μπορούν να δημιουργήσουν συνεχείς μικρο-διαρροές, και ακόμη και αν η O-ring δεν παρουσιάζει ορατές ρωγμές, μπορεί να διαρρέει αέριο.

1. Η σφράγιση των O-rings δεν βασίζεται στη «σκληρότητα», αλλά στη συνεχή τάση επαφής

O-rings η σφράγιση σε θερμοκρασία δωματίου βασίζεται κυρίως σε τρία πράγματα:

Πρώτον, το ποσοστό συμπίεσης κατά την εγκατάσταση προκαλεί την αρχική τάση επαφής της O-ring.

Δεύτερον, η ίδια η ελαστικότητα του καουτσούκ διατηρεί τη συνεχή επαφή με το αυλάκι και την αντικρινή επιφάνεια.

Τρίτον, υπό την επίδραση πίεσης, η O-ring ωθείται περαιτέρω προς την επιφάνεια σφράγισης, δημιουργώντας ενίσχυση από την πίεση.

Έτσι, η ικανότητα σφράγισης της O-ring είναι, ουσιαστικά:

Η τάση επαφής ≥ η πίεση μέσου + ο τοπικός κίνδυνος διαρροής που προκαλείται από την τραχύτητα της επιφάνειας.

Το πρόβλημα χαμηλής θερμοκρασίας βρίσκεται ακριβώς στο γεγονός ότι το καουτσούκ μπορεί να παραμένει «σκληρό», αλλά δεν είναι πλέον «αναπηδητικό». Αυτό το καθιστά φαινομενικά πιο ανθεκτικό στην πίεση, αλλά στην πραγματικότητα δεν μπορεί να αντισταθμίσει τις μικροδιαφορές στο αυλάκι, τη θερμική συρρίκνωση, τις διακυμάνσεις πίεσης, την τραχύτητα της επιφάνειας και τις μικρές αλλαγές στην ελεύθερη ανοχή. Πρόσφατες μοντελοποιήσεις και πειραματικές έρευνες για O-ring σε χαμηλές θερμοκρασίες αναφέρουν επίσης ότι η κύρια διαρροή σε χαμηλές θερμοκρασίες σχετίζεται με τη θερμική συρρίκνωση, τον περιορισμό της ικανότητας αναπήδησης, την εκτόνωση τάσης και τις ανοχές κατασκευής.

2. Γιατί σκληραίνει το καουτσούκ σε χαμηλές θερμοκρασίες;

Η ελαστικότητα του καουτσούκ προέρχεται από την ικανότητα κίνησης των τμημάτων της μοριακής αλυσίδας. Όταν η θερμοκρασία μειώνεται, η κίνηση των τμημάτων της αλυσίδας επιβραδύνεται και ο χρόνος που απαιτείται για την αλλαγή του μαλακού και εύκαμπτου χαρακτηριστικού του υλικού μεγαλώνει, με αποτέλεσμα, σε μακροσκοπικό επίπεδο:

Η τιμή του μέτρου αυξάνεται, η σκληρότητα αυξάνεται, ο ρυθμός επιμήκυνσης μειώνεται, η ταχύτητα αναπήδησης μειώνεται και η ανάκαμψη από συμπίεση επιδεινώνεται.

Καθώς η θερμοκρασία συνεχίζει να μειώνεται και πλησιάζει τη θερμοκρασία μετάβασης σε γυάλινη κατάσταση (Tg), το καουτσούκ μεταβαίνει σταδιακά από μια μαλακή ελαστομερή κατάσταση προς μια γυάλινη κατάσταση. Σε αυτό το στάδιο, το υλικό δεν εμφανίζεται πλέον ως μαλακό ελαστομερές, αλλά περισσότερο ως σκληρό στερεό. Έρευνες σε HNBR σε χαμηλές θερμοκρασίες δείχνουν ότι τα σφραγιστικά εξαρτήματα βασίζονται αρχικά στην αναπήδηση για να αντισταθμίσουν τη μόνιμη παραμόρφωση από συμπίεση και τις διακυμάνσεις κενών σε χαμηλές θερμοκρασίες· όμως, καθώς η θερμοκρασία πλησιάζει την Tg, η ελαστικότητα του υλικού μειώνεται σημαντικά, και ακόμη και μια μικρή διαχωριστική κίνηση είναι επαρκής για να προκαλέσει διαρροή.

Πρέπει να σημειωθεί: η σκλήρυνση δεν είναι ισοδύναμη με καλύτερη σφράγιση.

Υπό σταθερή μετατόπιση λόγω συμπίεσης, η αύξηση του μέτρου μπορεί προσωρινά να βελτιώσει την τοπική αναπήδηση· ωστόσο, αν το υλικό δεν μπορεί να ανακτήσει την παραμόρφωσή του, να γεμίσει τις χοντρές μικρο-διακενώσεις ή να αποκολληθεί από την επιφάνεια σφράγισης λόγω θερμικής συρρίκνωσης, η πραγματική ικανότητα σφράγισης μειώνεται.

3. Γιατί χάνει την ανάκαμψή του σε χαμηλές θερμοκρασίες;

Η απώλεια ανάκαμψης σε χαμηλές θερμοκρασίες οφείλεται κυρίως σε τρεις μηχανισμούς.

3.1 Η κίνηση των μοριακών αλυσίδων παγώνει, επομένως η ανάκαμψη επιβραδύνεται

Σε θερμοκρασία δωματίου, μετά τη συμπίεση του O-ring, τα τμήματα της αλυσίδας μπορούν να προσαρμοστούν γρήγορα και να διατηρήσουν την ελαστική υποστήριξη. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η κίνηση των τμημάτων της αλυσίδας περιορίζεται και η διαδικασία ανάκαμψης του υλικού καθίσταται πολύ αργή. Οι δοκιμές μόνιμης συμπίεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται ακριβώς για να εκτιμηθεί κατά πόσο λιγότερο ελαστικό γίνεται το καουτσούκ μετά από παγωμένη έκθεση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες· τα εργαστηριακά δεδομένα δείχνουν σαφώς ότι σε χαμηλές θερμοκρασίες το καουτσούκ χάνει συνεχώς ελαστικότητα και η ταχύτητα με την οποία ανακτά την ικανότητά του να καλύπτει κενά σημαντικά μειώνεται.

3.2 Η μόνιμη συμπίεση σε κατάσταση κρύου αυξάνεται

Η μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης δεν προκύπτει μόνο μετά από γήρανση σε υψηλή θερμοκρασία. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι δακτύλιοι O-ring μπορούν επίσης να παρουσιάζουν «μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης σε κατάσταση παγώματος»: συμπιέζονται επίπεδοι και προσωρινά δεν ανακτούν το πάχος της διατομής τους. Η έρευνα σχετικά με το HNBR σε χαμηλές θερμοκρασίες δείχνει ότι η μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης αποτελεί σημαντικό δείκτη για εφαρμογές σφράγισης με δακτυλίους O-ring και παρόμοια εξαρτήματα, και κοντά στη θερμοκρασία μετάβασης γυαλιού, η μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης μπορεί να αυξηθεί σημαντικά, φτάνοντας ακόμη και σε υψηλά επίπεδα κάτω από συνθήκες έρευνας.

Αυτός ο τύπος μόνιμης παραμόρφωσης συμπίεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι μερικές φορές αντιστρέψιμος: μετά την αύξηση της θερμοκρασίας, ένα μέρος μπορεί να ανακτηθεί· ωστόσο, κατά τη διάρκεια λειτουργίας του εξοπλισμού σε κρύα κατάσταση, είναι ήδη αρκετός για να προκαλέσει διαρροές.

3.3 Η χαλάρωση τάσης προκαλεί μείωση της δύναμης σφράγισης

Οι δακτύλιοι O-σχήματος υπό μακροχρόνια συμπίεση σε αυλάκι παρουσιάζουν μείωση της δύναμης σφράγισης με τον χρόνο, γεγονός που ονομάζεται ανακούφιση τάσης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, το υλικό συρρικνώνεται και αντιμετωπίζει δυσκολία στην ανάκτησή του· εάν ταυτόχρονα υπάρχουν διακυμάνσεις πίεσης, αιφνίδιες αλλαγές του κενού ή θερμικοί κύκλοι, το περιθώριο ασφαλείας της επαφικής τάσης μειώνεται περαιτέρω. Η έρευνα για δακτυλίους O-σχήματος υδραυλικών συστημάτων βαθέων θαλασσών αναφέρει επίσης ότι, σε χαμηλές θερμοκρασίες, η συρρίκνωση του όγκου του ελαστομερούς και η ανακούφιση τάσης οδηγούν σε σταδιακή επιδείνωση της σφράγισης, ενώ το περιθώριο ασφαλείας για αιφνίδια διεύρυνση του κενού μειώνεται σημαντικά.

4. Γιατί η διαρροή αερίου είναι ιδιαίτερα εύκολη σε χαμηλές θερμοκρασίες;

Η σφράγιση αερίου είναι πιο ευαίσθητη από τη σφράγιση υγρού, επειδή η ιξώδες και η επιφανειακή τάση προσφέρουν ασθενέστερο περιορισμό· αρκεί μια πολύ μικρή, συνεχής μικροδιαδρομή για να προκληθεί διαρροή. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι διαδρομές διαρροής συνήθως δεν ξεκινούν από «ολική θραύση» του δακτυλίου O-σχήματος, αλλά από μικροσκοπική αποτυχία επαφής στην επιφάνεια σφράγισης.

Ο τυπικός προσδιορισμός είναι ο εξής:

• Η θερμοκρασία μειώνεται, ο δακτύλιος O-ring και η μεταλλική εγκοπή συρρικνώνονται ταυτόχρονα.
• Η θερμική συρρίκνωση του ελαστομέρους είναι συνήθως πιο εμφανής από τη θερμική συρρίκνωση του μετάλλου· η πραγματική ποσότητα συμπίεσης και το πλάτος επαφής μειώνονται και τα δύο.
• Η ανάκαμψη του ελαστομέρους επιβραδύνεται και δεν μπορεί να αντισταθμίσει την αλλαγή των διαστάσεων της εγκοπής.
• Εμφανίζεται συνεχής μικρο-διαύλιος μεταξύ των ανώμαλων κορυφών της σφράγισης.
• Το αέριο διαρρέει κατά μήκος της διεπιφάνειας.

Σε μία έρευνα για διαρροή αερίου σε χαμηλή θερμοκρασία με δακτύλιους O-ring HNBR παρατηρήθηκε ότι, όταν η θερμοκρασία πέφτει κάτω από την περιοχή της θερμοκρασίας γυάλινης μετάβασης (Tg) του υλικού, ο ρυθμός διαρροής αέρα αυξάνεται αιφνιδιαστικά· οι ερευνητές θεωρούν ότι η κύρια αιτία είναι η ανεπαρκής θερμική συρρίκνωση και ικανότητα ανάκαμψης του ελαστομέρους σε χαμηλές θερμοκρασίες, που οδηγεί στην απόκολληση της σφραγίδας από την αντικρινόμενη επιφάνεια.

Αυτό εξηγεί ένα συνηθισμένο φαινόμενο επιτόπου: ο δακτύλιος O-ring δεν είναι ραγισμένος, ούτε σπασμένος, και φαίνεται φυσιολογικός εξωτερικά· ωστόσο, η συσκευή διαρρέει αέριο σε ψυχρή κατάσταση, ενώ η διαρροή ελαφρύνεται ή εξαφανίζεται μετά την αύξηση της θερμοκρασίας.

5. Η θερμοκρασία γυάλινης μετάβασης, η ευθραυστότητα και η διαρροή σε χαμηλή θερμοκρασία δεν είναι το ίδιο έννοια.

Στην ανάλυση σφράγισης σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι όροι Tg, TR10, θερμοκρασία εύθραυστου μετασχηματισμού και μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης σε χαμηλή θερμοκρασία συχνά συγχέονται, αλλά αντιπροσωπεύουν διαφορετικά προβλήματα.

Η δοκιμή εύθραυστου χαρακτήρα του καουτσούκ σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D2137 εξετάζει εάν το υλικό παρουσιάζει γρατσουνιές ή ανοίγματα στο επικαλυπτικό στρώμα κατά την κρούση σε χαμηλή θερμοκρασία· αυτό το κριτήριο υποδηλώνει επίσης ότι το συγκεκριμένο πρότυπο εφαρμόζεται σε ρυθμιστικούς και ερευνητικούς σκοπούς, αλλά δεν αντιπροσωπεύει αναγκαστικά τη χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας του υλικού. Το πρότυπο ASTM D746 αναφέρει επίσης ότι η μέθοδος δοκιμής εύθραυστης θερμοκρασίας αποσκοπεί στην αξιολόγηση της εύθραυστης αστοχίας του υλικού υπό καθορισμένες συνθήκες και δεν αντιστοιχεί αναγκαστικά στη βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας του υλικού σε πραγματικές εφαρμογές.

Συνεπώς, το γεγονός ότι ένα υλικό δεν ραγίζει δεν σημαίνει απαραιτήτως ότι δεν διαρρέει· η αποτυχία σφράγισης του O-ring σε χαμηλές θερμοκρασίες εμφανίζεται συχνά ως ανεπαρκής τάση επαφής, όχι ως ραγίσματα που φαίνονται οπτικά.

6. Γιατί είναι το TR10 σημαντικότερο από το «Εύρος Αντοχής στο Κρύο»;

Το TR10 είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης για την επιλογή υλικών σφράγισης για χαμηλές θερμοκρασίες. Το ISO 2921 είναι η τυποποιημένη διαδικασία για τη μέτρηση της θερμοκρασίας συρρίκνωσης ελαστομερών με θερμοποίηση σε χαμηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του χαρακτηριστικού της θερμοκρασίας ανάκαμψης υπό τάση.

Στις δοκιμές TR10, το ελαστομερές συνήθως επιμηκύνεται κατά 25% ή 50%, καταψύχεται σε χαμηλή θερμοκρασία και στη συνέχεια καταγράφεται η θερμοκρασία στην οποία επανέρχεται κατά 10% στο αρχικό του μήκος· όσο χαμηλότερη είναι αυτή η θερμοκρασία, τόσο καλύτερη είναι η ικανότητα του υλικού να διατηρεί ορισμένη ελαστική ανάκαμψη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες.

Στην τεχνική πράξη μπορεί κανείς συνήθως να το κατανοήσει ως εξής:

Όσο χαμηλότερο είναι το TR10, και όσο πιο κοντά ή ακόμη και υψηλότερο από την ελάχιστη θερμοκρασία λειτουργίας, τόσο μικρότερος είναι ο κίνδυνος διαρροής σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Οι πειραματικές δεδομένες δείχνουν ότι, στις δυναμικές ή στις υποδοχικές εφαρμογές O-ring, η προσοχή θα πρέπει συνήθως να επικεντρώνεται στην ικανότητα στεγανοποίησης κοντά στην τιμή TR10· σε στατικές εφαρμογές με χαμηλές απαιτήσεις λειτουργίας, η θερμοκρασία μπορεί κατά περίπτωση να είναι 10–15°C χαμηλότερη της TR10 και να διατηρείται ακόμη η τεχνική στεγανοποίηση, αλλά αυτό εξαρτάται από το υλικό, τη δομή και τη μέθοδο δοκιμής διαρροής. Ένα άλλο τεχνικό εγχειρίδιο για O-ring αναφέρει επίσης παρόμοια αρχή: η στατική στεγανοποίηση επιτρέπει συνήθως θερμοκρασίες μέχρι 10°C χαμηλότερες της TR10, ενώ οι δυναμικές στεγανοποιήσεις θα πρέπει να πλησιάζουν πιο στενά την TR10· ταυτόχρονα, η συστολή και η διόγκωση που προκαλούνται από το μέσο μεταβάλλουν το πραγματικό όριο.

7. Σε συνθήκες λειτουργίας υψηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη η μετατόπιση της Tg / TR10

Σε σενάρια υψηλής πίεσης αερίου, βαλβίδων αερίου-πετρελαίου, υδρογονούχων συστημάτων, αεροδιαστημικών υδραυλικών συστημάτων και άλλων, δεν επαρκεί να εξετάζεται μόνο το Tg ή το TR10 σε κανονική πίεση. Τα δεδομένα υλικών υψηλής πίεσης της Trelleborg δείχνουν ότι, σε χαμηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση, η ανταπόκριση του ελαστομερούς υλικού συμπίεσης μπορεί να οδηγήσει σε μετατόπιση του Tg του πολυμερούς προς τα πάνω λόγω της πίεσης· ο σχεδιαστής πρέπει να λαμβάνει υπόψη αυτή την απόκλιση του Tg κατά το σχεδιασμό σφραγίδων για χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις.

Αυτό σημαίνει ότι ένα υλικό που φαίνεται εντάξει σε κανονική πίεση ως προς το TR10 ή το Tg μπορεί να χάσει πρόωρα την ελαστικότητά του υπό συνθήκες υψηλής πίεσης αερίου. Για βαλβίδες χαμηλής θερμοκρασίας, εξοπλισμό υψηλής πίεσης αερίου, εξοπλισμό υδρογόνου και σφράγιση γεωτρήσεων αερίου-πετρελαίου, αυτό το σημείο είναι ιδιαίτερα σημαντικό.

8. Εμφάνιση στο πεδίο διαφορετικών τρόπων αποτυχίας σε χαμηλές θερμοκρασίες

8.1 Ψυχρή διαρροή, χωρίς διαρροή σε θερμή κατάσταση

Πρόκειται για τυπική ανεπαρκή ανάκαμψη σε χαμηλή θερμοκρασία ή διαχωρισμό διεπαφής. Μετά τη θέρμανση του O-ring, η δραστηριότητα των αλυσίδων του πολυμερούς ανακτάται, ενώ η επαφή και η διατομή ανακτούν επίσης καλά την επαφή τους· η διαρροή μειώνεται αντίστοιχα.

8.2 Διαρροή αερίου κατά την ψυχρή εκκίνηση, βελτιώνεται μετά από λίγο λειτουργία

Μπορεί να οφείλεται σε ανάκαμψη της θερμοκρασίας, αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου ή σταδιακή ανάκαμψη του υλικού. Εάν η συσκευή πρέπει να διατηρεί αεροστεγή σφράγιση κατά την ψυχρή εκκίνηση, αυτό το είδος υλικού θεωρείται ακόμα ακατάλληλο.

8.3 Διαρροή αερίου κατά τη διάρκεια μακροχρόνιας παραμονής σε χαμηλή θερμοκρασία

Μεγαλύτερη διάρκεια ψύξης, πιο έντονη κρυστάλλωση, χαλάρωση τάσεων και ανεπαρκής ανάκαμψη της συμπίεσης. Η επιτυχία σε σύντομες δοκιμές χαμηλής θερμοκρασίας δεν σημαίνει αυτόματα ότι το υλικό είναι κατάλληλο για μακροχρόνια εξωτερική στάθμευση, πτήση σε υψηλό αεροδρόμιο ή μακροχρόνια λειτουργία σε ψυχρά αποθηκευτικά χώρους.

8.4 Επαναλαμβανόμενη διαρροή σε χαμηλή θερμοκρασία μετά από θερμική ηλικία

Η υψηλή θερμοκρασία ή η γήρανση από το μέσο προκαλούν μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης, σκλήρυνση, συρρίκνωση ή απώλεια πλαστικοποιητή· στη συνέχεια, όταν το O-ring εκτίθεται σε χαμηλή θερμοκρασία, το υπόλοιπο περιθώριο ανάκαμψης μειώνεται και η διαρροή συμβαίνει ευκολότερα.

8.5 Πρόβλημα δυναμικής σφράγισης σε χαμηλή θερμοκρασία: φθορά και διαρροή

Οι δυναμικές σφραγίδες, εκτός από την απώλεια επαφής, απαιτούν επίσης χαμηλή τριβή και γρήγορη ανάκαμψη. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, το υλικό σκληραίνεται, η τριβή αυξάνεται, η λίπανση επιδεινώνεται και η σφραγιστική γλώσσα ή ο δακτύλιος O-ring ενδέχεται να μην μπορεί να ακολουθεί γρήγορα την αντίστοιχη επιφάνεια, προκαλώντας διαλείπουσα διαρροή, καθυστέρηση (crawl), στρέψη ή φθορά.

9. Η επιλογή υλικού δεν μπορεί να περιορίζεται απλώς στην ένδειξη «ανθεκτικό στο κρύο»

Για εφαρμογές ψύξης, αεροδιαστημικής, εξωτερικού εξοπλισμού και βαλβίδων για χαμηλές θερμοκρασίες, η σελίδα υλικού πρέπει να διασπά τον όρο «ανθεκτικό στο κρύο» σε επαληθεύσιμους δείκτες, όχι απλώς να αναφέρει μία μοναδική θερμοκρασιακή περιοχή.

Τα προτεινόμενα πεδία είναι τα ακόλουθα:

10. Λογική επιλογής υλικών για χαμηλές θερμοκρασίες

NBR / NBR χαμηλής θερμοκρασίας

Η απόδοση του NBR σε χαμηλές θερμοκρασίες σχετίζεται στενά με το περιεχόμενο ακρυλονιτριλίου, τη σύνθεση και το σύστημα προσθηκών. Το NBR χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί να βελτιώσει την ευκαμψία σε χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά συνήθως απαιτείται συμβιβασμός μεταξύ αντοχής σε λάδι, συμβατότητας με καύσιμα και αναπήδησης σε χαμηλές θερμοκρασίες. Εφαρμόζεται σε σενάρια που σχετίζονται με λάδι, υδρογλυκόλη, γενικά υδραυλικά συστήματα και ψύξη· απαιτείται επιβεβαίωση του μέσου εφαρμογής.

HNBR

Το HNBR προσφέρει καλύτερη αντοχή στη θερμότητα, αντοχή σε λάδι και μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με το συνηθισμένο NBR, αλλά η απόδοσή του σε χαμηλές θερμοκρασίες εξακολουθεί να εξαρτάται σημαντικά από τη σύνθεσή του. Για εξοπλισμό υψηλής πίεσης αερίου ή λαδιού-αερίου σε χαμηλές θερμοκρασίες, δεν αρκεί η αναφορά στο όνομα HNBR· απαιτούνται δοκιμές για TR10, μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες και πραγματικές δοκιμές διαρροής.

EPDM

Το EPDM συνήθως κατάλλητο για νερό, ατμό, ψυκτικό υγρό, εξωτερικές συνθήκες με όζον και ψυχρό αντίστοιχο περιβάλλον, αλλά δεν είναι κατάλληλο για την πλειοψηφία των πετρελαιοειδών προϊόντων. Χρησιμοποιείται για εξωτερικό εξοπλισμό, δίκτυα ψυκτικού νερού και συστήματα αιθυλενογλυκόλης χαμηλής θερμοκρασίας· απαιτείται επαλήθευση της TR10 και της ανάκαμψης σε χαμηλές θερμοκρασίες για τη συγκεκριμένη σύνθεση.

VMQ/Σιλικόνης Ελαστομερές

Η ευκαμψία του ελαστομερούς σιλικόνης σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι συνήθως καλή, αλλά η αντοχή σε διάσπαση, η αντίσταση στη φθορά, ο ρυθμός διαπερατότητας αερίων και η συμβατότητα με καύσιμα και λάδια μπορεί να αποτελούν περιορισμούς. Κατάλληλο για ορισμένες στατικές σφραγίδες χαμηλής θερμοκρασίας, τρόφιμα, ιατρικές εφαρμογές και περιβάλλοντα με φόρτιση, αλλά δεν είναι αναγκαστικά κατάλληλο για υψηλής πίεσης αέρια ή έντονη δυναμική φθορά.

FVMQ/Φθοροσιλικόνης Ελαστομερές

Το φθοροσιλικόνης ελαστομερές προσφέρει καλύτερη ισορροπία μεταξύ ευκαμψίας σε χαμηλές θερμοκρασίες και συμβατότητας με καύσιμα και λάδια, και χρησιμοποιείται συνήθως για στατικές σφραγίδες καυσίμων στην αεροδιαστημική βιομηχανία και σε προϊόντα λαδιού χαμηλής θερμοκρασίας. Ωστόσο, η μηχανική του αντοχή και η αντίσταση στη φθορά απαιτούν επιπλέον αξιολόγηση· δεν μπορεί απλώς να αντικαταστήσει όλα τα FKM ή NBR.

FKM / FKM χαμηλής θερμοκρασίας

Το συνηθισμένο FKM είναι γνωστό για την αντοχή του σε υψηλές θερμοκρασίες, σε λάδια και σε χημικά μέσα, αλλά η ανάκαμψή του σε χαμηλές θερμοκρασίες είναι συχνά περιορισμένη. Για βαλβίδες χαμηλής θερμοκρασίας, καύσιμα αεροδιαστημικών οχημάτων και εξοπλισμό λαδιού για εξωτερική χρήση, πρέπει να επιλέγεται προτιμησιακά FKM χαμηλής θερμοκρασίας ή παρόμοιες ειδικές συνθέσεις, ενώ πρέπει να επαληθεύονται οι τιμές TR10, Tg και η μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες.

FFKM

Το πλεονέκτημα του FFKM είναι η εξαιρετική αντοχή του σε χημικά μέσα και σε υψηλές θερμοκρασίες, αλλά πολλές συνηθισμένες εκδόσεις FFKM παρουσιάζουν αδύναμη ελαστικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητη η χρήση FFKM σε βαλβίδες υψηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας ή σε εξοπλισμό πετρελαίου-αερίου, πρέπει να επιλέγεται σύνθεση FFKM χαμηλής θερμοκρασίας και να επαληθεύεται η διαρροή υπό υψηλής πίεσης και χαμηλής θερμοκρασίας.

Τα δεδομένα της Trelleborg επίσης δείχνουν ότι οι διαφορές στην απόκριση TR10/Tg διαφόρων συνθέσεων FFKM χαμηλής θερμοκρασίας υπό υψηλή πίεση είναι σημαντικές.

11. Πώς η σχεδιαστική δομή μειώνει τον κίνδυνο διαρροής σε χαμηλές θερμοκρασίες;

Το υλικό είναι μόνο το πρώτο βήμα· οι δακτύλιοι O χαμηλής θερμοκρασίας πρέπει επίσης να ελέγχονται ως προς τον κίνδυνο μέσω του σχεδιασμού της εγκοπής και της συναρμολόγησης.

Πρώτον, διασφαλίστε επαρκές ποσό συμπίεσης στην Tmin. Πρέπει να υπολογιστεί η διαφορά θερμικής συρρίκνωσης μεταξύ της μεταλλικής εγκοπής και του ελαστομερούς· δεν επιτρέπεται να γίνει σχεδιασμός απλώς με βάση τις συνηθισμένες διαστάσεις.

Δεύτερον, οι στατικές σφραγίδες μπορούν κατάλληλα να αυξήσουν το ποσό συμπίεσης λόγω πίεσης, αλλά δεν πρέπει να υπερβαίνουν τα όρια γεμίσματος της εγκοπής και συναρμολόγησης. Ανεπαρκές ποσό συμπίεσης θα οδηγήσει πρόωρα σε διαρροή· υπερβολικό ποσό συμπίεσης μπορεί να προκαλέσει ζημιά κατά τη συναρμολόγηση, εξώθηση λόγω θερμικής διαστολής, αύξηση της τριβής ή μόνιμη παραμόρφωση.

Τρίτον, οι δυναμικές σφραγίδες δεν μπορούν να αυξήσουν αυθαίρετα το ποσό συμπίεσης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες η τριβή αυξάνεται· υπερβολικό ποσό συμπίεσης θα οδηγήσει σε αντίσταση κατά την εκκίνηση, φθορά, στρέψη και κρούστα.

Τέταρτον, ελέγξτε την τραχύτητα και την κυκλικότητα της επιφάνειας σφράγισης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες η ικανότητα του ελαστομερούς να γεμίζει τις ακριβείς κορυφές μειώνεται· η τραχύτητα της επιφάνειας επηρεάζει περισσότερο τη στεγανότητα.

Πέμπτον, χρησιμοποιήστε δακτυλίους ασφαλείας, δακτυλίους υποστήριξης ή ελατηριωτά δομικά στοιχεία, όταν αυτό είναι απαραίτητο. Σε υψηλές πιέσεις και χαμηλές θερμοκρασίες, η σφράγιση αερίου με εξαρτώμενη αποκλειστικά στην ιδιοκτησία του ελαστικού ανάκαμψη ενέχει μεγαλύτερο κίνδυνο· η σφράγιση PTFE με ελατήριο, ο ενσωματωμένος δακτύλιος O, η σφράγιση με ειδική διατομή ή η μεταλλική σφράγιση μπορεί να είναι πιο αξιόπιστη.

Έκτον, το λιπαντικό γράσο πρέπει να είναι συμβατό με χαμηλές θερμοκρασίες. Το συνηθισμένο λιπαντικό γράσο γίνεται ιξώδες ή παγώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες, προκαλώντας αύξηση της τριβής και επηρεάζοντας την πρόσφυση στη διεπιφάνεια· ειδικά σε βαλβίδες χαμηλής θερμοκρασίας και εφαρμογές αεροδιαστημικής, πρέπει να επαληθευθεί η συμβατότητα του λιπαντικού με το ελαστικό, το μέσο και την ελάχιστη θερμοκρασία.

12. Προτεινόμενη μέθοδος επαλήθευσης

Για ψυκτικά συστήματα, αεροδιαστημικές εφαρμογές, εξοπλισμό για εξωτερικούς χώρους και βαλβίδες χαμηλής θερμοκρασίας, συνιστάται η επαλήθευση σε χαμηλές θερμοκρασίες να πραγματοποιείται ως συνδυασμένος έλεγχος, όχι ως μονοσήμαντος έλεγχος υλικού.

Προτεινόμενη αλυσίδα δοκιμών:

• Επίπεδο υλικού: Tg, TR10, θερμοκρασία εύθραυστου, μόνιμη παραμόρφωση συμπίεσης σε χαμηλή θερμοκρασία.
• Επίπεδο Μέσου: επανέλεγχος διαστάσεων, σκληρότητας, TR10 και μόνιμης παραμόρφωσης συμπίεσης μετά από βύθιση σε ψυκτικό, λάδι, καύσιμο, αέρα, CO₂, υδρογόνο ή το πραγματικό μέσο.
• Επίπεδο Δομής: αντιστοιχία με το πραγματικό αυλάκι, το πραγματικό ποσό συμπίεσης και την πραγματική τραχύτητα επιφάνειας του τοποθετημένου O-ring.
• Επίπεδο Συνθηκών: ψύξη στη χαμηλότερη θερμοκρασία, διατήρηση για επαρκή χρονικό διάστημα και στη συνέχεια δοκιμή στεγανότητας αερίου.
• Επίπεδο Κύκλων: κύκλοι υψηλής-χαμηλής θερμοκρασίας, κύκλοι πίεσης, κύκλοι ενεργοποίησης-απενεργοποίησης και στη συνέχεια επαναδοκιμή διαρροής.
• Επίπεδο Γήρανσης: μετά από θερμική γήρανση ή γήρανση σε μέσο, επαναδοκιμή σε χαμηλή θερμοκρασία.

Οι ελάχιστες απαιτήσεις δεν πρέπει να περιορίζονται απλώς στη διατύπωση «υλικό ανθεκτικό σε -40°C», αλλά να διατυπώνονται ως:

Στους -40°C, με το καθορισμένο μέσο, την καθορισμένη πίεση, τον καθορισμένο χρόνο ψύξης, το καθορισμένο αυλάκι και την καθορισμένη τραχύτητα επιφάνειας, ο ρυθμός διαρροής ≤ της στόχου τιμής· ο O-ring δεν πρέπει να παρουσιάζει ρωγμές, ούτε ασυνήθη μόνιμη παραμόρφωση, και πρέπει να διατηρεί αποδεκτή ελαστικότητα πριν και μετά τη δοκιμή.