Desain Produk — Desain Segel Statis

Inti dari desain segel adalah memastikan bahwa, melalui efek gabungan dari struktur, toleransi, bahan, dan faktor-faktor lainnya, produk mampu menghalangi seluruh jalur kebocoran sepanjang masa pakai operasionalnya.

Jika Anda hanya memeriksa segel ketika masih baru dan mengabaikan hal-hal seperti toleransi cincin segel, toleransi komponen, atau kinerja segel setelah mengalami penuaan, kebocoran dapat dengan mudah terjadi di kemudian hari. Anda harus mempertimbangkan faktor-faktor ini sejak awal proses desain.

Informasi publik mengklasifikasikan segel menjadi segel statis dan segel dinamis (apakah terdapat gerak relatif antara segel dan komponen saat beroperasi). Fokus desain untuk masing-masing jenis sangat berbeda. Artikel ini hanya membahas segel statis.

Isi

1. Prinsip Pensegelan dan Mode Kegagalan

2. Desain Struktur Cincin Segel

1. Mode Kegagalan dalam Berbagai Kondisi

2. Tekanan Kontak dan Panjang Kontak pada Kondisi LMC

3. Tingkat Pengisian dan Tegangan Lokal pada Kondisi MMC

3. Ketahanan Cuaca Cincin Segel

1. Definisi Set Kompresi

2. Hubungan Antara Nilai Set Kompresi dengan Tekanan (Tingkat Kompresi), Suhu, dan Waktu Penuaan

3. Metode Evaluasi Cepat Setelah Penuaan

4. Ruang Lingkup Artikel Ini dan Topik yang Akan Dibahas di Masa Depan

1. Prinsip Pensegelan dan Mode Kegagalan

Suatu produk membentuk segel karena elastomer (ring segel) ditekan ke permukaan kontak sehingga menghalangi gas atau cairan agar tidak melewatinya.

Dari sudut pandang jalur kebocoran, kegagalan segel memiliki dua bentuk utama:

• Kebocoran antarmuka: Terjadi antara ring segel dan permukaan kontak ketika kecocokan tidak cukup baik. Fluida mengalir sepanjang antarmuka atau celah.

• Permeasi bahan: Molekul gas atau cairan menembus material karet atau plastik itu sendiri pada tingkat molekuler.

Dalam rekayasa nyata, uji gelembung bertekanan positif umumnya lebih mudah mendeteksi kebocoran antarmuka besar. Kegagalan insulasi setelah perendaman lebih baik untuk menilai apakah seluruh produk mengalami kebocoran pada tingkat sistem.

Catatan penting: Hasil pengujian tidak secara otomatis menunjukkan mekanisme kegagalan yang tepat. Sebagai contoh, suatu produk mungkin tidak menunjukkan gelembung di bawah tekanan positif, tetapi gagal dalam isolasi di bawah tekanan negatif. Hal ini tidak membuktikan bahwa kegagalan disebabkan oleh permeasi material—kegagalan tersebut masih bisa disebabkan oleh kebocoran pada antarmuka, cacat lokal pada cincin segel, atau jalur kebocoran lainnya.

2. Desain Struktur Cincin Segel

Panduan desain publik secara konsisten menekankan bahwa dalam merancang cincin segel, Anda harus mempertimbangkan secara bersamaan jumlah kompresi, pengisian alur, kondisi peregangan/pemasangan, kehalusan permukaan, dan toleransi. Kompresi yang terlalu kecil mengakibatkan kontak yang buruk; sedangkan kompresi yang terlalu besar dapat mempercepat deformasi permanen, membuat gaya pemasangan menjadi terlalu tinggi, atau menyebabkan kerusakan lokal.

Dalam desain teknik, Anda dapat menggunakan analisis elemen hingga (FEA) untuk mensimulasikan cincin segel dalam kondisi peregangan, pemasangan, dan sebagainya, serta menilai keandalannya berdasarkan parameter kunci. Item tinjauan penting tercantum di bawah ini.

Catatan: Parameter-parameter ini merupakan indikator proksi teknis, bukan pengukuran langsung terhadap kebocoran itu sendiri.

1. Mode Kegagalan dalam Berbagai Kondisi

Selama tinjauan struktur, pertama-tama periksa apakah mode kegagalan yang jelas muncul di bawah kombinasi ukuran dan kondisi perakitan yang berbeda, seperti:

• Kolapsnya bibir segel

• Menggulung atau terjepit

• Ekstrusi lokal

• Jelas terdapat konsentrasi tegangan abnormal

Langkah ini memberi tahu Anda apakah segel masih dalam kondisi kerja normal. Bahkan jika tingkat kompresi nominal tampak memadai, keandalan segel tetap dapat menurun jika bibir segel kolaps atau terlipat akibat perakitan ekstrem.

2. Tekanan Kontak dan Panjang Kontak pada Kondisi LMC (Least Material Condition)

Untuk segel statis, kondisi LMC (ukuran cincin segel pada batas toleransi minimum, celah alur pada batas toleransi maksimum) sering kali merupakan momen terlemah, karena kombinasi tersebut menyebabkan penurunan tekanan kontak dan panjang kontak lebih mudah terjadi.

Di bidang konektor, pengalaman menunjukkan bahwa untuk karet silikon, desain awal sebaiknya menargetkan tekanan positif >500 kPa dan panjang kontak >0,6 mm. Nilai ini merupakan acuan yang dapat memenuhi ketahanan udara sebesar 28 kPa setelah 1008 jam pada suhu 125°C (kira-kira setara dengan kedalaman air 3 m).

Catatan tambahan:

① Jika diperlukan, pertimbangkan juga deformasi komponen pasangan akibat beban.

② Tekanan kontak dan panjang kontak merupakan pemeriksaan tingkat makro; pada tingkat mikro, Anda tetap perlu mempertimbangkan saluran kebocoran yang terbentuk akibat kekasaran permukaan.

3. Tingkat Pengisian dan Tegangan Lokal di Bawah MMC (Kondisi Material Maksimum)

Di bawah MMC, cincin segel lebih rentan mengalami kompresi berlebih. Fokuskan perhatian pada:

• Apakah tingkat pengisian penampang melintang terlalu tinggi (harus tetap di bawah 100%).

• Apakah tegangan lokal melebihi batas daya tahan material (harus tetap di bawah kekuatan tarik karet) serta menunjukkan kecenderungan penghancuran.

• Apakah terdapat risiko ekstrusi.

3. Ketahanan Cuaca Cincin Segel

Bagian awal membahas kinerja cincin segel saat baru, dan analisis elemen hingga (FEA) dapat memberikan hasil yang cukup akurat untuk hal tersebut.

Namun, bahan karet mengalami deformasi kompresi permanen, relaksasi tegangan, penuaan termal, serta penurunan sifat seiring waktu, sehingga antarmuka penyegelan secara bertahap kehilangan gaya kontak aslinya.

Lulus pemeriksaan awal tidak berarti komponen tersebut akan tetap andal hingga akhir masa pakainya. Anda harus mempertimbangkan faktor penuaan sejak tahap awal desain.

1. Definisi Set Kompresi

Deformasi kompresi merupakan indeks kunci untuk menilai seberapa baik karet mempertahankan elastisitasnya setelah mengalami kompresi jangka panjang.

Artinya, setelah cincin segel dikompresi dan menua dalam waktu lama, ketika tekanan dihilangkan, cincin tersebut tidak mampu kembali sepenuhnya ke bentuk semula. Semakin besar nilai deformasi kompresi, semakin buruk kemampuan pemulihannya dan semakin tinggi risiko kehilangan kontak penyegelan yang efektif pada akhir masa pakai.

(Artikel ini menampilkan diagram deformasi kompresi di sini.)

(Artikel ini menampilkan perlengkapan uji industri standar untuk pengukuran kompresi cincin segel—sebuah balok karet berukuran standar yang diletakkan di antara dua pelat.)

2. Hubungan Antara Nilai Set Kompresi dengan Tekanan (Tingkat Kompresi), Suhu, dan Waktu Penuaan

Secara kualitatif, tiga faktor utama adalah tekanan (laju kompresi), suhu, dan waktu.

(Artikel ini menampilkan grafik kompresi cincin segel karet silikon VMQ terhadap laju kompresi. Untuk VMQ, kompresi yang terlalu kecil atau terlalu besar tidak optimal bagi kinerja jangka panjang.)

(Catatan: Ketika kompresi sangat ringan, angka "persentase" kompresi cincin segel dapat tampak sangat tinggi.)

(Artikel ini menampilkan grafik kompresi cincin segel setelah penuaan pada berbagai suhu—suhu yang lebih tinggi memperburuk kemampuan pemulihan.)

(Artikel ini menampilkan perkiraan masa pakai berbagai bahan segel pada berbagai suhu—hanya untuk referensi.)

(Artikel ini menampilkan grafik kompresi cincin segel karet NBR terhadap waktu penuaan.)

3. Metode Evaluasi Cepat Setelah Penuaan

Dalam praktik rekayasa, Anda dapat memasukkan kembali nilai set kompresi yang telah menua ke dalam desain awal untuk secara cepat memeriksa apakah margin yang tersedia cukup dan menilai risiko kegagalan pada akhir masa pakai.

Contoh: Jika tingkat kompresi desain awal adalah 10%, tetapi setelah 1008 jam pada suhu 125°C nilai set kompresi menjadi 17%, maka setelah penuaan segel sangat berisiko mengalami kegagalan. Anda harus meningkatkan tingkat kompresi awal atau memilih karet dengan kinerja set kompresi yang lebih baik.

Catatan: Metode ini cocok untuk pemeriksaan cepat atau penilaian tren, bukan untuk prediksi langsung laju kebocoran akhir.

4. Ruang Lingkup Artikel Ini dan Topik yang Akan Dibahas di Masa Depan

Artikel ini memberikan kerangka kerja kualitatif untuk desain segel, namun banyak topik belum dibahas, seperti hubungan antara kekasaran permukaan dan penyegelan, pengaruh suhu rendah terhadap kinerja segel, metode kuantitatif untuk laju kebocoran, serta pembuatan model fitting penuaan-temperatur.

Referensi

[1] Parker Hannifin Corporation. Parker O-Ring Handbook: ORD 5700[M]. Cleveland, OH: Parker Hannifin Corporation, 2021.

[2] QIAN Y H, XIAO H Z, NIE M H, dkk. Prediksi masa pakai karet nitril di bawah tegangan tekan dalam minyak transformator[C]//Prosiding Konferensi Internasional ke-5 Tahun 2016 tentang Pengukuran, Instrumentasi, dan Otomatisasi (ICMIA 2016). Paris: Atlantis Press, 2016: 189–194. DOI: 10.2991/icmia-16.2016.35.