Le basse temperature causano una transizione graduale della gomma da uno stato altamente elastico a uno stato elastico ritardato, vetreo o localmente fragile; contemporaneamente la O-ring contrazione termica, la riduzione della velocità di rimbalzo e un’insufficiente recupero della compressione provocano l’incapacità di mantenere in modo continuo la tensione di contatto all’interfaccia di tenuta. Le tenute per gas sono particolarmente sensibili, poiché anche micro-gap o picchi di rugosità possono formare canali di micro-perdita continui, e persino in assenza di fessure visibili sull’O-ring è possibile una fuoriuscita di gas.

1. Ciò su cui si basa la tenuta degli O-ring non è la «durezza», bensì lo stress di contatto continuo

O-rings la tenuta a temperatura ambiente dipende principalmente da tre fattori:

In primo luogo, l’entità della compressione in fase di installazione genera nello O-ring uno stress iniziale di contatto.

In secondo luogo, il rimbalzo elastico intrinseco della gomma mantiene un contatto continuo con la scanalatura e con la superficie di accoppiamento.

In terzo luogo, sotto l’azione della pressione, l’O-ring viene ulteriormente spinto contro la superficie di tenuta, generando un effetto di assistenza alla tenuta.

La capacità di tenuta di un O-ring è quindi essenzialmente data da:

Stress di contatto ≥ pressione del fluido + rischio locale di perdita causato dalla rugosità superficiale.

Il problema delle basse temperature risiede esattamente nel fatto che la gomma può rimanere ancora "rigida", ma non è più "in grado di rimbalzare". Ciò la rende apparentemente più resistente alla pressione, ma in realtà non riesce a compensare le variazioni microscopiche dei giochi nelle scanalature, la contrazione termica, le fluttuazioni di pressione, la rugosità superficiale e le piccole variazioni di gioco. Recenti modellizzazioni sperimentali su O-ring a basse temperature evidenziano inoltre che la principale causa di perdita a basse temperature è legata alla contrazione termica, alla limitata capacità di rimbalzo, al rilassamento dello sforzo e alle tolleranze di fabbricazione.

2. Perché la gomma indurisce a basse temperature?

L’elasticità della gomma deriva dalla capacità di movimento dei segmenti della catena molecolare. Quando la temperatura diminuisce, il movimento dei segmenti rallenta e il tempo necessario perché il materiale manifesti le proprie caratteristiche morbide e tenaci si allunga, con conseguenze macroscopiche quali:

Il modulo aumenta, la durezza aumenta, il tasso di allungamento diminuisce, la velocità di rimbalzo diminuisce, il recupero dopo compressione peggiora.

Quando la temperatura continua a scendere avvicinandosi alla temperatura di transizione vetrosa, la gomma passa gradualmente da un elastomero morbido a uno stato vetreo. A questo punto il materiale non si comporta più come un elastomero morbido, ma assomiglia piuttosto a un solido rigido; la ricerca sull’HNBR a basse temperature indica che i componenti di tenuta originariamente contano sul rimbalzo per compensare la deformazione permanente da compressione e le variazioni di interstizio a basse temperature, ma in prossimità della Tg l’elasticità del materiale diminuisce sensibilmente, e persino una piccola separazione è sufficiente a causare perdite.

Da notare: indurimento non equivale a tenuta migliore.

Sotto compressione con spostamento fisso, l’aumento del modulo può migliorare temporaneamente il rimbalzo locale; tuttavia, se il materiale non riesce a ripristinare la deformazione, non riesce a riempire i microspazi grossolani o si stacca dalla superficie di tenuta a causa della contrazione termica, l’effettiva capacità di tenuta diminuisce invece.

3. Perché perde il rimbalzo a basse temperature?

La perdita di rimbalzo a basse temperature deriva principalmente da tre meccanismi.

3.1 Movimento della catena molecolare bloccato, recupero rallentato

A temperatura ambiente, dopo la compressione dell’O-ring, i segmenti della catena possono rapidamente adattarsi e mantenere il supporto elastico. A basse temperature, il movimento dei segmenti della catena è limitato e il processo di recupero del materiale diventa molto lento. Il test di deformazione permanente per compressione a basse temperature serve esattamente a valutare quanto meno il materiale elastomerico riesca a rimbalzare dopo essere stato raffreddato ulteriormente; i dati di laboratorio indicano chiaramente che, a basse temperature, l’elastomero perde progressivamente elasticità e la velocità con cui recupera la capacità di colmare il gap diminuisce in modo significativo.

3.2 Deformazione permanente per compressione a freddo aumenta

La deformazione permanente per compressione non si verifica soltanto dopo l’invecchiamento ad alta temperatura. A basse temperature, le guarnizioni ad anello O possono subire una «deformazione permanente per compressione in stato congelato»: vengono schiacciate fino a diventare piatte e, temporaneamente, non riescono a recuperare lo spessore della sezione trasversale. La ricerca sull’HNBR a basse temperature dimostra che la deformazione permanente per compressione è un indicatore fondamentale per guarnizioni ad anello O e applicazioni di tenuta analoghe; in prossimità della temperatura di transizione vetrosa, tale deformazione permanente per compressione può aumentare significativamente, raggiungendo persino livelli elevati nelle condizioni di studio.

Questo tipo di deformazione permanente per compressione a basse temperature è talvolta reversibile: al rialzo della temperatura, una parte può recuperare; tuttavia, durante il periodo di funzionamento a freddo dell’apparecchiatura, essa risulta già sufficiente a causare perdite.

3.3 Il rilassamento dello sforzo provoca una riduzione della forza di tenuta

Anelli O sottoposti a compressione prolungata in una scanalatura: la forza di tenuta diminuisce nel tempo, fenomeno noto come rilassamento dello sforzo. A basse temperature, il materiale si contrae e ha difficoltà a recuperare la forma originale; se contemporaneamente si verificano fluttuazioni di pressione, brusche variazioni del gioco o cicli termici, il margine di sicurezza dello sforzo di contatto diminuisce ulteriormente. Anche la ricerca sugli anelli O idraulici per applicazioni in acque profonde evidenzia che, a basse temperature, la contrazione volumetrica della gomma e il rilassamento dello sforzo peggiorano progressivamente la tenuta, riducendo in modo evidente il margine di sicurezza di fronte a un improvviso aumento del gioco.

4. Perché le perdite di gas sono particolarmente frequenti a basse temperature?

La tenuta dei gas è più sensibile rispetto a quella dei liquidi, poiché la viscosità e il vincolo dovuto alla tensione superficiale sono inferiori: è sufficiente un microcanale continuo estremamente piccolo perché avvenga la fuoriuscita. A basse temperature, i canali di perdita non iniziano solitamente con la "rottura completa" dell’anello O, ma con un fallimento microscopico del contatto sulla superficie di tenuta.

Il processo tipico è il seguente:

• La temperatura diminuisce, causando una contrazione simultanea della guarnizione in gomma e della scanalatura metallica.
• La contrazione termica della gomma è solitamente più evidente di quella del metallo; la quantità effettiva di compressione e la larghezza di contatto diminuiscono entrambe.
• Il rimbalzo della gomma rallenta e non riesce a compensare le variazioni dimensionali della scanalatura.
• Si forma un microcanale continuo tra i picchi ruvidi della superficie di tenuta.
• Il gas fuoriesce lungo l’interfaccia.

In uno studio sulle perdite di gas a basse temperature di guarnizioni in HNBR, si è osservato che, quando la temperatura scende nelle vicinanze della temperatura di transizione vetrosa (Tg) del materiale, la portata di perdita d’aria aumenta improvvisamente; i ricercatori ritengono che la causa principale sia l’insufficiente contrazione termica e capacità di recupero della gomma a basse temperature, che provoca il distacco della guarnizione dalla superficie accoppiata.

Ciò spiega un fenomeno comune sul campo: la guarnizione non presenta fessurazioni né rotture ed appare normale all’ispezione visiva; tuttavia, l’apparecchiatura perde gas nello stato freddo, e la perdita si attenua o scompare dopo che la temperatura aumenta.

5. Transizione vetrosa, fragilità e perdita a basse temperature non sono concetti identici

Nell’analisi della tenuta a basse temperature, Tg, TR10, temperatura di fragilità e deformazione permanente per compressione a basse temperature sono spesso confusi, ma rappresentano problemi diversi.

Il test di fragilità della gomma secondo ASTM D2137 valuta se il materiale presenta graffi o aperture del rivestimento sotto impatto a bassa temperatura; questo parametro indica che tale norma si applica alla regolamentazione e alla ricerca e sviluppo, ma non rappresenta necessariamente la temperatura minima di impiego del materiale. Analogamente, ASTM D746 specifica che il suo metodo di prova della temperatura di fragilità serve per valutare il comportamento fragile del materiale in condizioni regolamentate e non corrisponde necessariamente alla temperatura ottimale di impiego del materiale nell’applicazione reale.

Pertanto, il fatto che un materiale non si fessuri non significa necessariamente che non perda; il guasto di tenuta a basse temperature di una guarnizione ad anello (O-ring) si manifesta spesso come stress di contatto insufficiente, non come crepe visibili a prima vista.

6. Perché TR10 è più importante della "gamma di resistenza al freddo"?

TR10 è un indicatore fondamentale nella selezione di materiali per tenute a basse temperature. La norma ISO 2921 definisce la procedura standard per determinare la temperatura di ritrazione a basse temperature per gomme vulcanizzate, utilizzata per caratterizzare la capacità di recupero termico di gomme sottoposte a tensione.

Il test TR10 prevede generalmente l’allungamento della gomma del 25% o del 50%, il suo raffreddamento a bassa temperatura e la registrazione della temperatura alla quale essa recupera il 10% della contrazione; quanto più bassa è questa temperatura, tanto maggiore è la capacità del materiale di conservare una certa elasticità e capacità di recupero anche a temperature ridotte.

In ambito ingegneristico, ciò può essere compreso in questo modo:

Più basso è il valore TR10, più esso si avvicina o supera la temperatura minima prevista nelle condizioni operative, e minore sarà il rischio di perdite a basse temperature.

I dati sperimentali mostrano che, per le guarnizioni ad anello O dinamiche o soggette a ricezione, l'attenzione dovrebbe concentrarsi solitamente sulla capacità di tenuta nelle vicinanze del TR10; nelle condizioni di lavoro statiche e a bassa richiesta, la temperatura può talvolta scendere di 10–15 °C al di sotto del TR10 mantenendo comunque una tenuta tecnica, ma ciò dipende dal materiale, dalla struttura e dal metodo di prova della perdita. Un altro manuale tecnico per anelli O fornisce un principio simile: la tenuta statica consente generalmente una riduzione di circa 10 °C rispetto al TR10, mentre le tenute dinamiche devono avvicinarsi più strettamente al TR10; inoltre, il restringimento e il rigonfiamento causati dal mezzo interessano il limite effettivo.

7. Anche nelle condizioni di lavoro ad alta pressione e bassa temperatura va considerato lo spostamento del Tg / TR10

In scenari ad alta pressione, come quelli dei gas, delle valvole olio-gas, dei sistemi idrogeno e degli impianti idraulici aerospaziali, non è sufficiente considerare soltanto la temperatura di transizione vetrosa (Tg) o la temperatura di recupero al 10% (TR10) a pressione atmosferica. I dati sui materiali ad alta pressione di Trelleborg indicano che, a basse temperature e alte pressioni, la risposta degli elastomeri impiegati per le guarnizioni a compressione può provocare uno spostamento verso l’alto della Tg del polimero; pertanto, il progettista deve tenere conto di questa deviazione della Tg nella progettazione di guarnizioni per applicazioni a bassa temperatura e alta pressione.

Ciò significa che un materiale che, a pressione atmosferica, presenta una TR10 o una Tg apparentemente adeguata potrebbe perdere prematuramente flessibilità in presenza di gas ad alta pressione. Questo aspetto è particolarmente rilevante per valvole a bassa temperatura, apparecchiature a gas ad alta pressione, impianti per l’idrogeno e sigillature per pozzi petroliferi e gassosi.

8. Aspetto sul campo di diversi modi di guasto a bassa temperatura

8.1 Perdita a freddo, assenza di perdita nello stato caldo

Questo fenomeno è tipico di un insufficiente recupero elastico a basse temperature oppure di separazione dell’interfaccia. Una volta riscaldata, la guarnizione toroidale (O-ring) riprende la propria mobilità molecolare; la tensione di contatto e la sezione trasversale si ripristinano efficacemente e la perdita cessa.

8.2 Perdita di gas a freddo all'avvio, migliora dopo un funzionamento prolungato

Potrebbe trattarsi di un rimbalzo termico, dell'aumento della temperatura del mezzo o del graduale recupero del materiale. Se l'apparecchiatura deve garantire tenuta ermetica già alla partenza a freddo, questo tipo di materiale risulta comunque non idoneo.

8.3 Perdita di gas durante parcheggio prolungato a bassa temperatura

Tempi più lunghi di esposizione al freddo comportano una cristallizzazione più evidente, una rilassazione delle tensioni e un recupero insufficiente della compressione. Il superamento di un test a bassa temperatura di breve durata non implica necessariamente idoneità per parcheggi esterni prolungati, per voli di crociera ad alta quota in ambito aeronautico o per operazioni prolungate in ambienti refrigerati.

8.4 Perdita ricorrente a bassa temperatura dopo invecchiamento termico

L'invecchiamento ad alta temperatura o da parte del mezzo provoca deformazione permanente per compressione, indurimento, restringimento o perdita di plastificante; successivamente, a basse temperature, il margine residuo di rimbalzo della guarnizione O-ring risulta ridotto e la fuoriuscita diventa più probabile.

8.5 Blocco, usura e perdita della tenuta dinamica a bassa temperatura

Le guarnizioni dinamiche, oltre a perdere la tensione di contatto, richiedono anche attrito ridotto e rapido recupero. A basse temperature il materiale si indurisce, l’attrito aumenta, la lubrificazione peggiora e il labbro di tenuta o l’O-ring potrebbero non riuscire a seguire rapidamente la superficie accoppiata, causando perdite intermittenti, movimenti irregolari (crawl), torsioni o usura.

9. La scelta del materiale non deve limitarsi a indicare semplicemente «resistente al freddo»

Per applicazioni nel settore della refrigerazione, dell’aerospaziale, degli impianti all’aperto e delle valvole per basse temperature, la scheda tecnica del materiale deve suddividere la voce «resistente al freddo» in indicatori verificabili, anziché indicare un semplice intervallo di temperatura.

I campi raccomandati sono i seguenti:

10. Logica di selezione a bassa temperatura per i materiali comuni

NBR / NBR a bassa temperatura

Le prestazioni a bassa temperatura del NBR sono strettamente correlate al contenuto di acrilonitrile, alla formulazione e al sistema di incremento. Il NBR a bassa temperatura può migliorare la morbidezza a basse temperature, ma richiede generalmente un compromesso tra resistenza agli oli, compatibilità con i carburanti e rimbalzo a bassa temperatura. Applicabile in scenari relativi ad oli, glicole acquoso, sistemi idraulici generici e refrigerazione; è necessario confermare la compatibilità con il mezzo specifico.

HNBR

L’HNBR offre una migliore resistenza al calore, agli oli e alle proprietà meccaniche rispetto al normale NBR, ma le sue prestazioni a bassa temperatura dipendono ancora fortemente dalla formulazione. Per apparecchiature ad alta pressione di gas o olio-gas a basse temperature, non ci si deve basare esclusivamente sulla denominazione HNBR: è necessario richiedere i valori TR10, la deformazione permanente a compressione a bassa temperatura e prove pratiche di tenuta.

EPDM

L'EPDM è generalmente adatto per acqua, vapore, liquidi refrigeranti, ozono esterno e ambienti resistenti al freddo, ma non è adatto alla maggior parte dei prodotti petroliferi. Utilizzato per apparecchiature esterne, circuiti di raffreddamento ad acqua e sistemi a glicole etilenico a bassa temperatura; è necessario verificare la TR10 e il recupero a basse temperature della formulazione specifica.

VMQ / Gomma siliconica

La morbidezza a basse temperature della gomma siliconica è generalmente buona, ma la resistenza alla strappo, la resistenza all’abrasione, la velocità di permeazione dei gas e la compatibilità con oli e carburanti possono rappresentare limitazioni. Adatta a determinate guarnizioni statiche a basse temperature, applicazioni alimentari, mediche e in ambienti con carico, ma non necessariamente adatta a gas ad alta pressione o ad abrasione dinamica intensa.

FVMQ / Gomma fluorosiliconica

La gomma fluorosiliconica offre un migliore equilibrio tra flessibilità a basse temperature e compatibilità con carburanti ed oli, ed è comunemente utilizzata per sigillature statiche nel settore aerospaziale (carburanti) e per prodotti oleosi a basse temperature. Tuttavia, la sua resistenza meccanica e la resistenza all’abrasione richiedono comunque una valutazione specifica; non può essere semplicemente sostituita a tutte le gomme FKM o NBR.

FKM / FKM a basse temperature

Il FKM ordinario è noto per la sua resistenza alle alte temperature, ai lubrificanti e ai mezzi chimici, ma spesso presenta una scarsa elasticità a basse temperature. Per valvole a basse temperature, applicazioni aerospaziali con carburanti e apparecchiature per prodotti petroliferi all’aperto, si raccomanda di preferire il FKM a basse temperature e formulazioni analoghe specializzate, verificandone i valori TR10, Tg e la deformazione permanente da compressione a basse temperature.

FFKM

Il vantaggio del FFKM risiede nella resistenza estrema ai prodotti chimici e alle alte temperature; tuttavia, molti FFKM standard presentano scarse prestazioni elastiche a basse temperature. Qualora sia obbligatorio utilizzare il FFKM in valvole ad alta pressione e basse temperature oppure in apparecchiature per il settore petrolifero e del gas, si deve scegliere una formulazione FFKM specifica per basse temperature e verificarne le perdite a bassa temperatura e alta pressione.

I dati di Trelleborg evidenziano differenze significative nella risposta TR10/Tg tra diverse formulazioni FFKM per basse temperature, in condizioni di alta pressione.

11. In che modo la progettazione strutturale riduce il rischio di perdite a basse temperature?

Il materiale è solo il primo passo; gli O-ring a bassa temperatura devono inoltre essere controllati quanto a rischio mediante la progettazione della scanalatura e del montaggio.

In primo luogo, assicurare una quantità sufficiente di compressione a Tmin. È necessario calcolare la differenza di contrazione termica tra la scanalatura metallica e la gomma; non è possibile progettare basandosi semplicemente sulle dimensioni convenzionali.

In secondo luogo, per le guarnizioni statiche è possibile aumentare in modo appropriato la quantità di compressione sotto pressione, ma senza superare i limiti di riempimento della scanalatura e di montaggio. Una quantità insufficiente di compressione provocherà prematuramente perdite; una quantità eccessiva di compressione potrebbe causare danni al montaggio, estrusione dovuta all’espansione termica, aumento dell’attrito o deformazione permanente.

In terzo luogo, per le guarnizioni dinamiche non è possibile aumentare arbitrariamente la quantità di compressione. A basse temperature l’attrito aumenta; una quantità eccessiva di compressione provocherà resistenza all’avviamento, usura, torsione e strisciamento.

In quarto luogo, controllare la rugosità e la rotondità della superficie di tenuta. A basse temperature la capacità della gomma di riempire le asperità superficiali diminuisce; la rugosità superficiale influisce maggiormente sull’ermeticità.

Quinto, utilizzare anelli di supporto, anelli di rinforzo o strutture a molla quando necessario. In condizioni di alta pressione e bassa temperatura, la tenuta su gas che si basi esclusivamente sul rimbalzo intrinseco della gomma comporta un rischio maggiore; una tenuta in PTFE a molla, un O-ring incapsulato, una tenuta con sezione speciale o una tenuta metallica possono risultare più affidabili.

Sesto, il grasso lubrificante deve essere compatibile con le basse temperature. I grassi lubrificanti ordinari diventano viscosi o si solidificano a basse temperature, aumentando l’attrito e compromettendo l’aderenza dell’interfaccia; in particolare, è essenziale verificare la compatibilità del lubrificante con la gomma, con il fluido di processo e con la temperatura minima operativa, specialmente per valvole criogeniche e applicazioni aerospaziali.

12. Metodo raccomandato di verifica

Per impianti frigoriferi, applicazioni aerospaziali, apparecchiature per esterni e valvole a bassa temperatura, si raccomanda di effettuare la verifica a bassa temperatura come test combinato, non come semplice prova su materiale.

Catena di prove raccomandata:

• Livello materiale: Tg, TR10, temperatura di fragilità, deformazione permanente a compressione a bassa temperatura.
• Livello Media: verificare nuovamente le dimensioni, la durezza, il TR10 e la deformazione permanente per compressione dopo immersione nel refrigerante, nell’olio, nel carburante, nell’aria, nel CO₂, nell’idrogeno o nel mezzo effettivo.
• Livello Struttura: corrispondenza con la scanalatura effettiva, con l’effettiva quantità di compressione e con la rugosità superficiale effettiva dell’O-ring montato.
• Livello Condizione: esposizione prolungata al freddo fino alla temperatura più bassa prevista, mantenimento per un tempo sufficiente, quindi esecuzione del test di tenuta al gas.
• Livello Ciclo: cicli di variazione tra alta e bassa temperatura, cicli di variazione di pressione, cicli di avvio e arresto, quindi ripetizione del test di perdita.
• Livello Invecchiamento: dopo invecchiamento termico o invecchiamento nel mezzo specificato, eseguire nuovamente il test a bassa temperatura.

I requisiti minimi non devono limitarsi a indicazioni generiche come «materiale resistente a -40 °C», ma devono essere formulati come segue:

A -40 °C, nel mezzo specificato, alla pressione specificata, dopo il tempo di esposizione al freddo specificato, nella scanalatura e con la rugosità superficiale specificate, la portata di perdita deve essere ≤ valore obiettivo; l’O-ring non deve presentare fessurazioni, né deformazioni permanenti anomale, e deve mantenere un rimbalzo accettabile prima e dopo il test.