Alacsony hőmérséklet hatására a gumiból fokozatosan eltűnik a nagyon rugalmas állapot, és késleltetett rugalmas, üvegszerű vagy helyileg törékeny állapot alakul ki; egyidejűleg a O-gyűrű hőmérséklet-csökkenésből eredő összehúzódás, a lassuló visszatérítés és a megfelelő tömítési nyomás hiánya miatt a tömítési felület érintkezési feszültsége nem tud folyamatosan fenntartódni. A gáztömítések különösen érzékenyek, mert mikroszinten érintkezési rések vagy érdességi csúcsok folyamatos mikro-szivárgási csatornákat képezhetnek, és még akkor is előfordulhat gázszivárgás, ha az O-gyűrűn nincsenek látható repedések.

1. Az O-gyűrűk tömítési funkcióját nem a „keménység”, hanem a folyamatos érintkezési feszültség biztosítja

O-gyűrűk a szobahőmérsékleten történő tömítés főként három dologra támaszkodik:

Elsőként a beépítési összenyomás mértéke okozza az O-gyűrű kezdeti érintkezési feszültségét.

Másodszor a gumiban rejlő saját rugalmas visszatérítés biztosítja a folyamatos illeszkedést a horpadásba és a kapcsolódó felületre.

Harmadszor nyomás hatására az O-gyűrű további irányított elmozdulása a tömítési felület felé nyomáskiegészítést eredményez.

Így az O-gyűrű tömítőképessége lényegében:

A kontaktfeszültség ≥ a közeg nyomása + a felületi érdesség miatti helyi szivárgási kockázat.

A alacsony hőmérséklet problémája éppen az, hogy a gumírozott anyag továbbra is „merev” lehet, de már nem „visszapattanó”. Ez azt eredményezi, hogy látszólag nagyobb nyomással szemben ellenállóbbnak tűnik, valójában azonban nem képes kompenzálni a hornyokban lévő mikro-rés változásait, a hőmérséklet-csökkenésből adódó összehúzódást, a nyomásingadozásokat, a felületi érdességet és a kis rések változását. A legfrissebb O-gyűrűk alacsony hőmérsékleten végzett modellezési és kísérleti kutatásai is rámutatnak: az alacsony hőmérsékleten fellépő fő szivárgás okai a hőmérséklet-csökkenésből adódó összehúzódás, a visszapattanó képesség korlátozottsága, a feszültségrelaxáció és a gyártási tűrések.

2. Miért keményedik meg a gumi alacsony hőmérsékleten?

A gumi rugalmassága a molekulális láncszakaszok mozgásképességéből ered. Amikor a hőmérséklet csökken, a láncszakaszok mozgása lelassul, és a anyag puha-és-rugalmas jellemzőinek megváltozásához szükséges idő meghosszabbodik, makroszkopikusan ez a következőképpen nyilvánul meg:

A modulus növekedése a keménység növekedését, az alakváltozási arány csökkenését, az ütközési sebesség csökkenését és a nyomás alóli visszanyerés romlását eredményezi.

Amikor a hőmérséklet tovább csökken, és megközelíti az üvegátmeneti hőmérsékletet, a gumi fokozatosan átmenetet tesz egy puha elasztomérből egy üvegszerű állapotba. Ekkor az anyag már nem viselkedik puha elasztomérként, hanem inkább merev szilárd testként. A hideg-ellenálló HNBR anyagokra vonatkozó kutatások azt mutatják, hogy a tömítőelemek eredetileg az ütközési tulajdonságra támaszkodnak a hideg-ellenálló nyomásos maradandó alakváltozás és a rés közötti eltérés kiegyenlítésére; azonban a Tg-hez közeledve az anyag rugalmassága jelentősen csökken, így akár kis szétválás is szivárgást okozhat.

Figyelni kell: a keményedés nem egyenlő a jobb tömítéssel.

Rögzített elmozdulású nyomás mellett a modulus növekedése rövid távon javíthatja a helyi ütközési tulajdonságot; ha azonban az anyag nem képes visszaállítani az alakváltozást, nem tudja kitölteni a durva mikro-részeket, vagy hőmérséklet-csökkenés miatt leválik a tömítőfelületről, akkor a tényleges tömítőképesség éppen csökken.

3. Miért csökken a visszatérítési képessége alacsony hőmérsékleten?

Az alacsony hőmérsékleten bekövetkező visszatérítési képesség-csökkenés főként három mechanizmusból ered.

3.1 A molekulális láncmozgás lefagy, a visszatérés lassul

Szobahőmérsékleten az O-gyűrű összenyomása után a láncszegmensek gyorsan újra tudnak állni, és fenntartják az rugalmas támasztást. Alacsony hőmérsékleten a láncszegmensek mozgása korlátozott, így az anyag visszatérési folyamata rendkívül lassúvá válik. Az alacsony hőmérsékleten végzett összenyomásos maradó deformációs vizsgálat éppen azt méri, mennyivel kevesebbet tud visszatérni a gumi, ha még hidegebb környezetben fagy meg; a laboradatok egyértelműen mutatják, hogy alacsony hőmérsékleten a gumi folyamatosan elveszti rugalmasságát, és a hézagok áthidalására való képességének helyreállítási sebessége jelentősen csökken.

3.2 A hideg állapotban az összenyomásos maradó deformáció növekszik

A nyomás okozta maradandó deformáció nem csupán magas hőmérsékleten bekövetkező öregedés után jelentkezik. Alacsony hőmérsékleten az O-gyűrűk szintén „fagyasztott állapotú nyomás okozta maradandó deformációt” produkálhatnak: laposra nyomódnak, és ideiglenesen nem tudják visszanyerni keresztmetszeti vastagságukat. Az alacsony hőmérsékleten vizsgált HNBR anyagok kutatása kimutatta, hogy a nyomás okozta maradandó deformáció fontos mutatója az O-gyűrűknek és hasonló tömítési alkalmazásoknak, és a üvegátmeneti hőmérséklet közelében ez a deformáció jelentősen növekedhet, sőt a kutatási körülmények között akár nagyon magas szintet is elérhet.

Ez az alacsony hőmérsékleten fellépő nyomás okozta maradandó deformáció néha megfordítható: a hőmérséklet emelkedése után részben visszanyerődik; azonban a berendezés hideg állapotban történő működési ideje alatt ez már elegendő ahhoz, hogy szivárgást okozzon.

3.3 Feszültségcsillapodás miatti tömítőerő-csökkenés

Az O-gyűrűk hosszú ideig tartó, hornyokban történő összenyomása során a tömítőerő idővel csökken, ezt feszültségrelaxációnak nevezik. Alacsony hőmérsékleten az anyag összehúzódik, és nehézkesen tud helyreállni; ha ezzel egyidejűleg nyomásingadozás, hirtelen résnyílás vagy hőmérsékletciklus is fellép, akkor a kontaktfeszültség biztonsági tartaléka tovább csökken. A mélytengeri hidraulikus O-gyűrűkre vonatkozó kutatások is rámutatnak arra, hogy alacsony hőmérsékleten az gumiszerű anyag térfogatcsökkenése és a feszültségrelaxáció miatt a tömítés folyamatosan romlik, és a hirtelen résnyílás biztonsági tartaléka jelentősen csökken.

4. Miért fordul elő különösen gyakran gázszivárgás alacsony hőmérsékleten?

A gáztömítés érzékenyebb, mint a folyadéktömítés, mert a gáz viszkozitása és felületi feszültsége gyengébb, így már egy nagyon kis, folyamatos mikrocsatorna is elegendő a szivárgáshoz. Alacsony hőmérsékleten a szivárgási csatornák általában nem az O-gyűrű „teljes elszakadásával” kezdődnek, hanem a tömítőfelületen létrejövő mikroszkopikus kontaktus-hibával.

A tipikus folyamat a következő:

• A hőmérséklet csökkenésekor az O-gyűrű és a fémhorpadás egyidejűleg összehúzódik.
• A gumiszalag hőmérsékletfüggő összehúzódása általában jelentősebb, mint a fémé; az aktuális összenyomódás mértéke és az érintkezési szélesség is csökken.
• A gumiszalag visszaállási sebessége lelassul, így nem képes kompenzálni a horpadás méretváltozását.
• Folyamatos mikrocsatorna alakul ki a tömítés durva csúcsai között.
• A gáz a felületi határvonal mentén szivárog.

Egy HNBR O-gyűrűn végzett alacsony hőmérsékleten zajló gasszivárgási kutatás során megfigyelték, hogy amikor a hőmérséklet a anyag üvegátmeneti hőmérséklete (Tg) környékére csökken, a levegőszivárgás mértéke hirtelen növekszik; a kutatók szerint a fő ok a gumiszalag alacsony hőmérsékleten tapasztalt elégtelen hőmérsékletfüggő összehúzódása és visszaállási képessége, ami miatt a tömítés leválik a kapcsolódó felületről.

Ez magyarázza a gyakori gyakorlati jelenséget: az O-gyűrű nem repedt, nem tört, külső megjelenése normális; mégis a berendezés hideg állapotban gázt szivárogtat, és a szivárgás enyhül vagy eltűnik, amint a hőmérséklet emelkedik.

5. Az üvegátmenet, a törékenység és az alacsony hőmérsékleten bekövetkező szivárgás nem azonos fogalmak

Az alacsony hőmérsékleten történő tömítés elemzésében gyakran összekeverik a Tg-t, a TR10-et, a ridegségi hőmérsékletet és az alacsony hőmérsékleten bekövetkező nyomásos maradandó deformációt, pedig ezek különböző problémákat jelentenek.

Az ASTM D2137-es gumibrittelenségi vizsgálat célja annak megítélése, hogy az anyag alacsony hőmérsékleten ütés hatására karcolódást vagy bevonatfelszakadást mutat-e; ez a mutató szintén azt jelzi, hogy az ilyen típusú szabvány szabályozási és kutatási-fejlesztési célokra alkalmazható, de nem feltétlenül tükrözi az anyag legalacsonyabb alkalmazható hőmérsékletét. Az ASTM D746 szintén megjegyzi, hogy brittelenségi hőmérséklet-vizsgálati módszere az anyag rideg törésének értékelésére szolgál szabályozott körülmények mellett, és szintén nem feltétlenül egyezik meg az anyag optimális alkalmazható hőmérsékletével a gyakorlati felhasználásban.

Ezért az anyag repedésmentessége nem jelenti feltétlenül, hogy nem szivárog; az O-gyűrűk alacsony hőmérsékleten bekövetkező tömítési hibája gyakran a megfelelő érintkezési feszültség hiányában nyilvánul meg, nem pedig látható repedések formájában.

6. Miért fontosabb a TR10, mint a „hidegállósági tartomány”?

A TR10 egy rendkívül fontos mutató az alacsony hőmérsékleten is tömítő anyagok kiválasztásánál. Az ISO 2921 szabvány a vulkanizált gumik alacsony hőmérsékleten történő hőmérséklet-visszahúzódásának meghatározására szolgáló szabványos eljárás, amelyet a feszített gumik hőmérséklet-visszanyerési tulajdonságainak meghatározására használnak.

A TR10-teszt során általában 25%-kal vagy 50%-kal megnyújtják a gumit, majd alacsony hőmérsékletre hűtik, és feljegyzik azt a hőmérsékletet, amelynél a gumiszalag 10%-ot zsugorodik vissza; minél alacsonyabb ez a hőmérséklet, annál jobban megőrzi az anyag az alacsony hőmérsékleten is bizonyos rugalmas visszanyerő képességét.

Műszaki szempontból általában így értelmezhető:

Minél alacsonyabb a TR10 érték, és minél közelebb van – vagy akár magasabb is – a működési környezet legalacsonyabb hőmérsékletéhez, annál kisebb az alacsony hőmérsékleten fellépő szivárgás kockázata.

A kísérleti adatok megjelenítései szerint a dinamikus vagy fogadó gyűrűk általában a TR10-hez közeli tömítőképességre fókuszálnak; a statikus, alacsony követelményű működési körülmények esetén néha 10–15 °C-kal alacsonyabb hőmérséklet is technikailag elfogadható tömítést biztosít, de ez anyagtól, szerkezettől és szivárgásmérési teszttől függ. Egy másik O-gyűrű technikai kézikönyv is hasonló elvet fogalmaz meg: a statikus tömítés általában 10 °C-kal alacsonyabb TR10-ig engedélyezett, a dinamikus tömítéseknél azonban közelebb kell kerülni a TR10-hez, miközben a közeg okozta összehúzódás és duzzadás módosítja a tényleges határt.

7. A nagynyomású, alacsony hőmérsékletű működési körülmények esetén a Tg / TR10-el tolódást is figyelembe kell venni

Magasnyomású gáz-, olaj-gáz-szelep-, hidrogénrendszer-, űrkutatási hidraulikai és egyéb alkalmazásokban nem elegendő csak a Tg-t vagy a TR10-et normál nyomáson figyelembe venni. A Trelleborg magasnyomású anyagadatai azt mutatják, hogy alacsony hőmérsékleten és magas nyomáson a tömítőanyagként használt elasztomerek nyomás alatti viselkedése miatt a nyomás elmozdíthatja a polimer Tg-jét felfelé; a tervezőknek ezt a Tg-eltérést is figyelembe kell venniük alacsony hőmérsékletű, magas nyomású tömítések tervezésekor.

Ez azt jelenti: egy anyag normál nyomáson mért TR10-je vagy Tg-je megfelelőnek tűnhet, de magasnyomású gáz hatására előidézhető rugalmasságvesztés. Alacsony hőmérsékletű szelepek, magasnyomású gázkészülékek, hidrogénberendezések és gáz-olajfúrókút-tömítések esetében ez különösen fontos szempont.

8. Különböző alacsony hőmérsékletű meghibásodási módok mezőbeli megjelenése

8.1 Hideg szivárgás, meleg állapotban nincs szivárgás

Ez tipikusan az alacsony hőmérsékleten elégtelen visszaállásra vagy felületi szétválásra utal. Az O-gyűrű felmelegedése után a láncszegmensek mozgása helyreáll, a kontaktfeszültség és a keresztmetszet is jól helyreáll, így a szivárgás csökken.

8.2 Hidegindításnál fellépő gázszivárgás, a működés folyamán javul

Lehetséges hőmérséklet-visszacsapódás, közeg hőmérsékletének emelkedése vagy az anyag fokozatos helyreállása. Ha a berendezésnek hidegindításkor is gázzártnak kell lennie, akkor ez az anyagtípus továbbra sem felel meg.

8.3 Hosszú ideig alacsony hőmérsékleten álló jármű gázszivárgása

Hosszabb hidegállás ideje, erősebb kristályosodás, feszültségelengedés, elégtelen tömítési visszatérés. Rövid idejű alacsony hőmérsékletű teszt sikeres eredménye nem jelenti azt, hogy a hosszú ideig kültéri parkolás, légi közlekedés magas repülési magasságban vagy hűtött raktározás hosszú távú üzemeltetése is megfelelő.

8.4 Hőöregedés utáni újbóli szivárgás alacsony hőmérsékleten

Magas hőmérséklet vagy közeg hatására bekövetkező öregedés állandó tömítési deformációt, keményedést, összehúzódást vagy lágyítószer-vesztést okozhat; ezt követően alacsony hőmérsékleten az O-gyűrű visszapattanási tartaléka csökken, és így könnyebben szivároghat.

8.5 Dinamikus tömítés alacsony hőmérsékleten: elakadás, kopás, szivárgás

A dinamik tömítések nemcsak a kapcsolódási feszültség elvesztésétől szenvednek, hanem alacsony súrlódást és gyors visszaállást is igényelnek. Alacsony hőmérsékleten az anyag keményedik, a súrlódás növekszik, a kenés romlik, és a tömítő ajak vagy O-gyűrű esetleg nem képes gyorsan követni a párosított felületet, ami időszakos szivárgást, csúszást, torzulást vagy kopást eredményez.

9. Az anyagválasztásnál nem elegendő csupán a „hidegállóság” megadása

Hűtőberendezések, űrkutatási alkalmazások, kültéri berendezések és alacsony hőmérsékleten működő szelepek ügyfelei számára az anyaglapot úgy kell elkészíteni, hogy a „hidegállóság” fogalmát ellenőrizhető mutatókra bontsák, ne csak egyetlen hőmérséklet-tartományt adjanak meg.

Ajánlott mezők a következők:

10. Gyakori anyagok alacsony hőmérsékleten történő kiválasztásának logikája

NBR / Alacsony hőmérsékleten használható NBR

Az NBR alacsony hőmérsékleten mutatott teljesítménye szorosan összefügg az akrilnitril-tartalommal, a formulációval és az adalékrendszerrel. Az alacsony hőmérsékleten használható NBR javíthatja az alacsony hőmérsékleten való puhaságot, de általában kompromisszumot kell kötni az olajállóság, az üzemanyag-kompatibilitás és az alacsony hőmérsékleten való rugalmasság között. Olajra, víz-glikolra, általános hidraulikus és hűtési alkalmazásokra alkalmas; a közeg megerősítése szükséges.

HNBR

Az HNBR jobb hőállósággal, olajállósággal és mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a szokásos NBR, de alacsony hőmérsékleten való teljesítménye továbbra is erősen függ a formulációtól. Alacsony hőmérsékleten működő, magas nyomású gáz- vagy olaj-gáz-berendezések esetében nem elég csupán az HNBR megnevezését figyelembe venni; a TR10 érték, az alacsony hőmérsékleten bekövetkező tömítési maradandó deformáció és a gyakorlati szivárgásvizsgálat kötelező előírása.

EPDM

Az EPDM általában alkalmas vízre, gőzre, hűtőfolyadékra, kültéri ózonnal szembeni ellenállásra és hidegállóságra, de nem alkalmas a legtöbb petróleum alapú olajtermékre. Kültéri berendezésekhez, hűtővízvezetékekhez, alacsony hőmérsékletű etilénglikol rendszerekhez használják; az adott összetétel TR10-értékét és alacsony hőmérsékleten való visszaállási képességét ellenőrizni kell.

VMQ/szilikon gumikaučuk

A szilikon gumikaučuk alacsony hőmérsékleten való puhasága általában jó, de szakítószilárdsága, kopásállósága, gázáteresztési sebessége és olaj- illetve üzemanyag-állósága korlátozhatja alkalmazását. Alkalmas bizonyos alacsony hőmérsékletű statikus tömítésekre, élelmiszeripari és orvosi környezetekre, valamint terhelés alatt álló alkalmazásokra, de nem feltétlenül megfelelő nagynyomású gáz vagy erős dinamikus kopás esetén.

FVMQ/fluoroszilikon gumikaučuk

A fluoroszilikon gumikaučuk jobban egyensúlyozza az alacsony hőmérsékleten való rugalmasságot és az üzemanyag- illetve olajállóságot; gyakran használják űrkutatási üzemanyagok és alacsony hőmérsékletű olajtermékek statikus tömítésére. Mechanikai szilárdsága és kopásállósága azonban továbbra is értékelésre szorul, ezért nem lehet egyszerűen helyettesíteni minden FKM- vagy NBR-típusú anyaggal.

FKM / Alacsony-hőmérsékletű FKM

A szokványos FKM jól ismert a magas hőmérséklet-állóságáról, olajállóságáról és kémiai közeg-állóságáról, azonban alacsony hőmérsékleten gyakran rövid a visszazáródási ideje. Alacsony hőmérsékletű szelepek, űrkutatási üzemanyagok és kültéri olajtermék-felszerelések esetén elsősorban alacsony hőmérsékletű FKM-et és hasonló speciális összetételű anyagokat érdemes választani, valamint ellenőrizni kell a TR10, Tg és az alacsony hőmérsékleten mért nyomásálló maradó alakváltozást.

FFKM

Az FFKM előnye a kivételes kémiai és magas hőmérséklet-állóság, de sok szokványos FFKM alacsony hőmérsékleten gyenge rugalmasságot mutat. Ha alacsony hőmérsékletű, nagynyomású szelepeknél vagy olaj-gáz felszereléseknél feltétlenül FFKM-re van szükség, akkor alacsony hőmérsékletre optimalizált FFKM-összetételt kell választani, és ellenőrizni kell a nagynyomású, alacsony hőmérsékletű szivárgást.

A Trelleborg adatbázisa is azt mutatja, hogy különböző alacsony hőmérsékletre optimalizált FFKM-összetételek TR10/Tg-válasza jelentősen eltér nagynyomású körülmények között.

11. Hogyan csökkenti a szerkezeti tervezés az alacsony hőmérsékleten fellépő szivárgás kockázatát?

Az anyag csak az első lépés; a alacsony hőmérsékleten működő O-gyűrűk esetében a hornyok és az összeszerelés tervezésével is kockázatkezelést kell végezni.

Először biztosítani kell a megfelelő összenyomódási mértéket a Tmin-nél. Számítani kell a fém horony és a gumiszegély hőmérsékletfüggő összehúzódásának különbségét; nem lehet a szokásos méretek alapján tervezni.

Másodszor, a statikus tömítések esetében megfelelően növelhető az összenyomódási mérték, de nem haladhatja meg a horony kitöltésének és az összeszerelési korlátoknak megfelelő értékeket. A túl alacsony összenyomódási mérték korai szivárgáshoz vezet; a túl magas összenyomódási mérték összeszerelési károsodást, hőtágulásból adódó kinyomódást, súrlódásnövekedést vagy maradandó deformációt okozhat.

Harmadszor, a dinamikus tömítéseknél nem lehet tetszőlegesen növelni az összenyomódási mértéket. Alacsony hőmérsékleten a súrlódás nő; a túl magas összenyomódási mérték indítási ellenállást, kopást, csavarodást és csúszást okozhat.

Negyedszer, szabályozni kell a tömítőfelület érdességét és kerekességét. Alacsony hőmérsékleten a gumiszegély képessége a durva csúcsok kitöltésére csökken; az érdesség nagyobb mértékben befolyásolja a tömíthetőséget.

Ötödik: Szükség esetén segédtömítéseket, támasztógyűrűket vagy rugóerővel működtetett szerkezeteket kell használni. Magas nyomás és alacsony hőmérséklet mellett a gáztömítés kizárólag a gumis anyag saját visszatérő képességére épülő változata nagyobb kockázatot jelent; megbízhatóbb megoldás lehet a rugóerővel működtetett PTFE-tömítés, az beburkolt O-gyűrű, a speciális keresztmetszetű tömítés vagy a fém tömítés.

Hatodik: A kenőzsírnak alacsony hőmérsékleten is kompatibilisnek kell lennie. A szokványos kenőzsír alacsony hőmérsékleten megvastagodik vagy megfagy, ami növeli a súrlódást és befolyásolja a felületi illeszkedést; különösen fontos az alacsony hőmérsékleten működő szelepek és űrkutatási alkalmazások esetében ellenőrizni a kenőzsír kompatibilitását a gumival, a közeggel és a legalacsonyabb üzemelési hőmérséklettel.

12. Ajánlott ellenőrzési módszer

Hűtőberendezésekhez, űrkutatási alkalmazásokhoz, kültéri berendezésekhez és alacsony hőmérsékleten működő szelepekhez ajánlott az alacsony hőmérsékletre vonatkozó ellenőrzést kombinált tesztként elvégezni, nem pedig kizárólag anyagszinten.

Ajánlott tesztlánc:

• Anyagszint: Tg, TR10, ridegségi hőmérséklet, alacsony hőmérsékleten mért nyomómaradó alakváltozás.
• Médiaszint: ellenőrizze újra a méretet, a keménységet, a TR10 értéket és a sűrítés utáni maradó alakváltozást hűtőközegben, olajban, üzemanyagban, levegőben, CO₂-ben, hidrogénben vagy tényleges közegben való áztatás után.
• Szerkezetszint: illeszkedjen a tényleges horpadáshoz, a tényleges sűrítési mértékhez és a tényleges felületi érdességhez a felszerelt O-gyűrű esetében.
• Állapotszint: hideg szoktatás a legalacsonyabb hőmérsékletre, elegendő időtartamig tartva, majd gázszoros vizsgálat elvégzése.
• Ciklusszint: magas-alacsony hőmérséklet-ciklusok, nyomásciklusok, indítás-leállítás ciklusok, majd újra szivárgásvizsgálat.
• Öregedési szint: hőhatásra vagy közeg hatására bekövetkező öregedés után újra alacsony hőmérsékleten végzett vizsgálat.

A minimális követelmények nem csupán az „-40 °C-ra ellenálló anyag” megfogalmazásban szerepelhetnek, hanem így kell megfogalmazni:

-40 °C-on, megadott közeg mellett, megadott nyomás mellett, megadott hideg szoktatási időtartammal, megadott horpadással és felületi érdességgel a szivárgási ráta ≤ célérték; az O-gyűrűnek nem szabad repedésnek lennie, nem szabad rendellenes maradó alakváltozásnak lennie, és elfogadható rugalmasságot kell mutatnia a vizsgálat előtt és után.