Zemā temperatūra izraisa gumijas pakāpenisku pāreju no ļoti elastīga stāvokļa uz kavētu elastību, stikla vai lokāli trauslu stāvokli; vienlaikus O-rings termiskā sarukšana, atgriešanās palēnināšanās un nepietiekama kompresijas atjaunošanās izraisa to, ka blīvējuma savienojuma kontaktspriegums nevar tikt nepārtraukti uzturēts. Gāzes blīvējumi ir īpaši jutīgi, jo mikro līmeņa kontaktu spraugas vai raupji virsotnes var veidot nepārtrauktas mikro noplūdes caurules, un pat tad, ja O-formas gredzens neparāda acīmredzamas plaisas, tas joprojām var noplūst gāzi.

1. O-formas gredzeni blīvēšanai balstās nevis uz „cietsību“, bet gan uz nepārtrauktu kontaktspriegumu

O-slēdziņi blīvēšana istabas temperatūrā galvenokārt balstās uz trim lietām:

Pirmkārt, uzstādīšanas kompresijas daudzums liek O-formam gredzenam radīt sākotnējo kontaktspriegumu.

Otrkārt, gumijas pašas elastīgā atgriešanās nodrošina nepārtrauktu pieguļu rievas un blīvējamās virsmas pretī esošās virsmas ar.

Treškārt, spiediena iedarbībā O-formais gredzens tiek vēl vairāk pagriezts uz blīvējamās virsmas pusi, veidojot spiediena palīdzību.

Tāpēc O-forma gredzena blīvēšanas spēja būtībā ir:

Kontakta spriedze ≥ vidējā spiediena + vietējās noplūdes risks, ko izraisa virsmas raupjums.

Zemtemperatūras problēma tieši slēpjas tajā, ka gumija var būt joprojām „cieta“, bet vairs nav „atjaunojama“. Tas padara to izskatāmies spiediena izturīgāku, taču patiesībā tā nevar kompensēt mikro spraugu izmaiņas rievas zonā, termisko sarukšanu, spiediena svārstības, virsmas raupjumu un mazās atstarpes izmaiņas. Pēdējie O gredzena zemtemperatūras modelēšanas un eksperimentālie pētījumi arī norāda, ka galvenais noplūdes cēlonis zemtemperatūras apstākļos ir saistīts ar termisko sarukšanu, atjaunošanās spējas ierobežojumu, sprieguma relaksāciju un ražošanas pieļaujamajām novirzēm.

2. Kāpēc gumija ciest zemtemperatūras?

Gumijas elastība rodas no molekulārās ķēdes segmentu kustības spējas. Kad temperatūra pazeminās, ķēdes segmentu kustība palēninās, un materiāla mīkstās un izturīgās īpašības izmaiņu laiks pagarinās, makroskopiski izpaužoties kā:

Modulis palielinās, cietība palielinās, izstiepšanās pakāpe samazinās, atsitiens palēninās, spiediena atjaunošanās pasliktinās.

Kad temperatūra turpina kristies tuvu stikla pārejas temperatūrai, gumija pakāpeniski pāriet no mīkstas elastomēra uz stiklveida stāvokli. Šajā brīdī materiāls vairs neizpaužas kā mīksts elastomērs, bet vairāk līdzinās cietai cietvielai. Zemtemperatūras HNBR pētījumi norāda, ka blīvējuma daļas sākotnēji balstījās uz atsitienu, lai kompensētu zemtemperatūras kompresijas pastāvīgo deformāciju un starpību starp virsmām, taču tuvu Tg materiāla elastība ievērojami samazinās, pat neliela atdalīšanās var izraisīt noplūdi.

Jāatzīmē: sacietēšana nav vienāda ar labāku blīvēšanu.

Pie fiksētas nobīdes kompresijas moduļa palielināšanās īsumā var uzlabot vietējo atsitienu; tomēr, ja materiāls nevar atjaunot deformāciju, nevar aizpildīt rupjos mikro spraugas vai atstāj blīvēšanas virsmu termiskās sarukšanas dēļ, faktiskā blīvēšanas spēja, gluži pretēji, samazinās.

3. Kāpēc tas zaudē atsperīgumu zemā temperatūrā?

Zemās temperatūras atsperīguma zudums galvenokārt rodas trīs mehānismu dēļ.

3.1 Molekulāro ķēžu kustība ir aizsalusi, atjaunošanās palēninās

Vidējā temperatūrā pēc O gredzena kompresijas ķēdes segmenti var ātri pielāgoties un saglabāt elastīgu atbalstu. Zemā temperatūrā ķēdes segmentu kustība ir ierobežota, materiāla atjaunošanas process kļūst ļoti lēns. Zemā temperatūrā veiktā kompresijas pastāvīgās deformācijas testēšana tieši paredzēta, lai novērtētu, cik mazāk gumija atsper pēc aizsalšanas; laboratorijas dati skaidri rāda, ka zemā temperatūrā gumija nepārtraukti zaudē elastīgumu, tā spēja pārmest spraugu atjaunošanās ātrums ievērojami samazinās.

3.2 Aukstā stāvoklī palielinās kompresijas pastāvīgā deformācija

Kompresijas pastāvīgā deformācija rodas ne tikai pēc augstas temperatūras vecošanās. Zemās temperatūrās O-gredzeni var arī radīt „salstīšanās stāvokļa kompresijas pastāvīgo deformāciju“: tie tiek saspiesti plakni un pagaidu kārtā nevar atjaunot šķērsgriezuma biezumu. Zemās temperatūras HNBR pētījumi rāda, ka kompresijas pastāvīgā deformācija ir svarīgs rādītājs O-gredzeniem un līdzīgiem blīvējumiem, un tuvu stikla pārejas temperatūrai kompresijas pastāvīgā deformācija var ievērojami pieaugt, pat sasniedzot augstu līmeni pētījumu apstākļos.

Šāda veida zemās temperatūras kompresijas pastāvīgā deformācija dažreiz ir apgriezeniska: pēc temperatūras paaugstināšanās daļa var atjaunoties; tomēr iekārtas darbības laikā aukstā stāvoklī tā jau ir pietiekama, lai izraisītu noplūdes.

3.3 Sprieguma atlaišana izraisa blīvēšanas spēka samazināšanos

O-gredzenīši ilgstošā spiedienā rievas iekšienē, noslēgšanas spēks laika gaitā samazinās — tas ir sprieguma relaksācija. Zemā temperatūrā materiāls gan sarūk, gan grūti atgūst savu sākotnējo formu; ja vienlaikus notiek spiediena svārstības, spraugas pēkšņas izmaiņas vai termiskās cikliskās izmaiņas, kontaktsprieguma drošības margas vēl vairāk samazinās. Dziļjūras hidraulisko O-gredzenīšu pētījumi arī norāda, ka zemā temperatūrā gumijas tilpuma sarukums un sprieguma relaksācija padara noslēgšanu arvien nestabilāku, un pēkšņas spraugas paplašināšanās drošības margas acīmredzami samazinās.

4. Kāpēc gāzes noplūde īpaši viegli rodas zemā temperatūrā?

Gāzes noslēgšana ir jutīgāka nekā šķidruma noslēgšana, jo gāzes viskozitāte un virsmas sprieguma ierobežojums ir vājāki — noplūdei pietiek tikai ļoti mazas nepārtrauktas mikrokanāla. Zemā temperatūrā noplūdes kanāli parasti neizveidojas no O-gredzenīša „pilnīgas pārtraukšanās”, bet gan no mikroskopiskas kontaktneveiksmes noslēgšanas virsmā.

Tipisks process ir šāds:

• Temperatūrai kritot, O gredzena un metāla rieva vienlaicīgi sarūk.
• Gumijas termiskais sarukums parasti ir vairāk redzams nekā metāla termiskais sarukums, faktiskais kompresijas lielums un saskares platums abos samazinās.
• Gumijas atgriešanās palēninās un nevar kompensēt rievas izmēru izmaiņas.
• Starp blīvējuma raupjajām virsotnēm veidojas nepārtraukta mikrokanāla struktūra.
• Gāze noplūst pa robežvirsmu.

Vienā zemtemperatūras gāzes noplūdes pētījumā ar HNBR O gredzeniem novērots, ka, kad temperatūra ir zem materiāla stikla pārejas temperatūras (Tg) tuvumā, gaisa noplūdes ātrums pēkšņi pieaug; pētnieki uzskata, ka galvenā iemesla ir nepietiekama zemtemperatūras gumijas termiskā sarukšana un atjaunošanās spēja, kas izraisa blīvējuma atdalīšanos no pretējās virsmas.

Tas skaidro bieži novērojamu situāciju darbavietā: O gredzens nav saplīsis, nav salauzts un vizuāli izskatās normāls; tomēr aprīkojums zemtemperatūras apstākļos noplūst gāzi, un noplūde vieglina vai izzūd pēc temperatūras paaugstināšanās.

5. Stikla pāreja, trauslums un zemtemperatūras noplūde nav viens un tas pats jēdziens

Zemtemperatūras blīvēšanas analīzē bieži sajauc Tg, TR10, trausluma temperatūru un zemtemperatūras kompresijas pastāvīgo deformāciju, tomēr tās attēlo dažādas problēmas.

ASTM D2137 gumijas trausluma testa mērķis ir novērtēt, vai materiāls zem zemas temperatūras trieciena rāda skrāpējumus vai pārklājuma plaisas; šis rādītājs arī norāda, ka šāds standarts attiecas uz regulēšanu un R&D, tačau tas nepārprotami nenozīmē materiāla zemāko pielietojamības temperatūru. Līdzīgi ASTM D746 norāda, ka tā trausluma temperatūras testēšanas metode paredzēta materiāla trauslās sabrukšanas novērtēšanai regulētos apstākļos un arī nepārprotami nenozīmē materiāla optimālo pielietojamības temperatūru faktiskajā lietojumā.

Tāpēc materiāla neplīsuma esamība nenozīmē, ka tas noteikti nesūknē; O-ringa zemtemperatūras blīvēšanas atteice bieži izpaužas kā nepietiekams kontaktspriegums, nevis redzami plaisu veidošanās.

6. Kāpēc TR10 ir svarīgāks par „aizsardzību pret aukstumu“?

TR10 ir ļoti būtisks rādītājs zemtemperatūras blīvēšanas materiālu izvēlei. ISO 2921 ir standarta procedūra vulkanizētā gumijas zemtemperatūras raksturlielumu atgriezeniskās izplešanās noteikšanai, ko izmanto sprieguma gumijas temperatūras atgriezeniskās izplešanās raksturlielumu noteikšanai.

TR10 testēšana parasti izstiepj gumiju par 25 % vai 50 %, pēc tam to atdziest zemā temperatūrā un reģistrē temperatūru, pie kuras tā atgriežas par 10 % no izstiepuma; jo zemāka šī temperatūra, jo vairāk materiāls saglabā noteiktu elastīgo atgriezeniskās izplešanās spēju zemākā temperatūrā.

Inženierijā to parasti var saprast šādi:

Jo zemāka TR10 vērtība, jo tuvāk darba apstākļu zemākajai temperatūrai vai pat augstāk par to, jo mazāka zemtemperatūras noplūdes risks.

Eksperimentālie datu rādītāji, dinamiskas vai saņemtās O-ringa formas vārpstas parasti jākoncentrējas uz blīvēšanas spēju tuvu TR10; statiskos, zemas prasības darba apstākļos temperatūra dažreiz var būt zemāka par TR10 par 10–15 °C, tomēr tehniskā blīvēšana paliek saglabāta, taču tas ir atkarīgs no materiāla, konstrukcijas un noplūdes mērīšanas testa. Citā O-ringa tehniskajā rokasgrāmatā arī minēts līdzīgs princips: statiskai blīvēšanai parasti ir pieļaujama temperatūra par aptuveni 10 °C zemāka par TR10, bet dinamiskai blīvēšanai temperatūrai jābūt ciešākai pie TR10, vienlaikus ņemot vērā vidē izraisīto sarukšanu un pietūkšanu, kas faktiski maina robežvērtības.

7. Augstspiediena un zemās temperatūras darba apstākļos jāņem vērā arī stiklošanās temperatūras (Tg) un TR10 nobīde

Augstspiediena gāzēs, naftas un gāzes vārstos, ūdeņraža sistēmās, kosmosa tehnoloģiju hidrauliskajās sistēmās un citos līdzīgos gadījumos nevar balstīties tikai uz Tg vai TR10 vērtībām normālā spiedienā. Trelleborga augstspiediena materiālu datu rādītāji liecina, ka zemā temperatūrā un augstā spiedienā izmantojot kompresijas materiālu elastomērus, spiediens var izraisīt polimēra stikla pārejas temperatūras (Tg) paaugstināšanos; projektētājam jāņem vērā šī Tg novirze, izstrādājot zemtemperatūras augstspiediena blīvējumus.

Tas nozīmē: viens un tas pats materiāls normālā spiedienā var šķist atbilstošs pēc TR10 vai Tg vērtībām, tačau augstspiediena gāzēs tas var zaudēt elastību pārāgri. Šis aspekts ir īpaši svarīgs zemtemperatūras vārstiem, augstspiediena gāzes iekārtām, ūdeņraža iekārtām un naftas un gāzes urbumu blīvēšanai.

8. Dažādu zemtemperatūras bojājumu režīmu redzamais izskats ekspluatācijā

8.1 Aukstumsizlaidums — karstā stāvoklī nesaplūst

Šis ir tipisks zemtemperatūras atjaunošanās nepietiekamības vai virsmu atdalīšanās piemērs. O-formas gredzena sasilšana pēc tam, kad ķēdes segmentu aktivitāte atjaunojas, ļauj atjaunot kontaktspriegumu un šķērsgriezumu, un noplūde apturās vai samazinās.

8.2 Aukstās palaišanas gāzes noplūde, pēc kāda laika darbības uzlabojas

Var būt temperatūras atgriešanās, vidējas temperatūras paaugstināšanās vai materiāla pakāpeniska atjaunošanās. Ja aprīkojumam jābūt gāznecauram aukstās palaišanas stadijā, šis materiāls joprojām neatbilst prasībām.

8.3 Ilgstoša zemā temperatūrā notikusi gāzes noplūde stāvot

Ilgāks aukstuma iedarbības laiks, izteiktāka kristalizācija, sprieguma atlaidums, nepietiekama kompresijas atjaunošanās. Īslaicīga zemā temperatūrā veikta pārbaude, kas ir veiksmīga, neapzīmē, ka ir nodrošināta ilgstoša ārējā stāvēšana, aviācijas augstuma lidojums vai ilgstoša darbība aukstumkrātuvēs.

8.4 Pēc karstuma vecuma veidojas noplūde zemā temperatūrā

Augsta temperatūra vai vidējas iedarbības vecuma dēļ var rasties pastāvīga kompresijas deformācija, sacietēšana, sarukšana vai plastifikatora zudums; pēc tam, kad O gredzens nonāk zemā temperatūrā, tā atgriešanās rezerves apjoms kļūst mazāks un noplūde rodas vieglāk.

8.5 Dinamiskās blīves zemā temperatūrā radītais bloķēšanas efekts, nodilums, noplūde

Dinamiskie blīves, papildus zaudējot kontaktspriedzi, prasa arī zemu berzi un ātru atgriešanos. Zemā temperatūrā materiāls kļūst ciets, berze palielinās, smērēšana pasliktinās, blīvējuma lūpa vai O-ringa var nespēt ātri sekot pretējai virsmai, radot periodiskas noplūdes, rāpošanu, sagriešanos vai nodilumu.

9. Materiāla izvēle nevar būt tikai uzrakstīta kā „salizturīga“

Aukstuma iekārtām, kosmonautikai, āra aprīkojumam un zemās temperatūras vārstu klientiem materiāla lapā „salizturīgs“ jāsadala verificējamās rādītājos, nevis jānorāda vienīgi temperatūras diapazons.

Ieteicamās kolonnas ir šādas:

10. Vispārīgo materiālu zemās temperatūras izvēles loģika

NBR / Zemās temperatūras NBR

NBR zemās temperatūras veiktspēja cieši saistīta ar akrilonitrila saturu, formulējumu un palielināšanas sistēmu. Zemās temperatūras NBR var uzlabot zemās temperatūras mīkstumu, tačā parasti ir jāizveido kompromiss starp eļļas izturību, degvielas savietojamību un zemās temperatūras atgriezeniskumu. Piemērojams eļļai, ūdens-glikola šķidrumiem, vispārējiem hidrauliskajiem un dzesēšanas saistītiem pielietojumiem; obligāti jāapstiprina darba vide.

HNBR

HNBR ir labāka siltumizturība, eļļas izturība un mehāniskās īpašības nekā parastajam NBR, tačā zemās temperatūras veiktspēja joprojām ļoti atkarīga no formulējuma. Zemās temperatūras augstspiediena vai eļļas-gāzes iekārtām nevar balstīt izvēli tikai uz HNBR nosaukumu; jāprasa TR10 rādītājs, zemās temperatūras kompresijas pastāvīgās deformācijas tests un faktiskais noplūdes tests.

EPDM

EPDM parasti piemērots ūdenim, tvaikam, dzesēšanas šķidrumam, ārējai ozona iedarbībai un aukstumizturīgām vides apstākļiem, bet nav piemērots lielākajai daļai naftas eļļu produktiem. Izmanto ārējām iekārtām, dzesēšanas ūdens ceļiem, zemtemperatūras etilēnglikola sistēmām; jāpārbauda konkrētās sastāvdaļas TR10 un zemtemperatūras atjaunošanās spēja.

VMQ/Silikona gumija

Silikona gumijas zemtemperatūras mīkstums parasti ir labs, taču plīšanas izturība, nodilumizturība, gāzu caurlaidības ātrums un eļļas/degošo šķidrumu izturība var būt ierobežojumi. Piemērota noteiktām zemtemperatūras statiskām blīvēm, pārtikas un medicīnas nozarēm, slodzes izturīgām vides apstākļiem, tačau ne obligāti piemērota augsspiediena gāzēm vai intensīvai dinamiskai nodilumam.

FVMQ/Fluorsilikona gumija

Fluorsilikona gumija labāk līdzsvaro zemtemperatūras elastību un degvielas/eļļas izturību, to parasti izmanto kosmosa rūpniecības degvielai un zemtemperatūras eļļas produktu statiskai blīvēšanai. Tomēr tās mehāniskā izturība un nodilumizturība joprojām prasa novērtējumu; to nevar vienkārši aizvietot ar visām FKM vai NBR gumijām.

FKM / Zemās temperatūras FKM

Parastais FKM ir pazīstams ar augstas temperatūras izturību, eļļas izturību un ķīmisko vielu izturību, bet zemās temperatūras atgriezeniskumu bieži vien raksturo īss darbības laiks. Zemās temperatūras vārstiem, kosmosa degvielai un ārējām eļļas produktu iekārtām ir jāizvēlas priekšroka zemās temperatūras FKM un līdzīgi specializēti sastāvi, kā arī jāpārbauda TR10, Tg un zemās temperatūras kompresijas pastāvīgā deformācija.

FFKM

FFKM priekšrocība ir ārkārtīga ķīmisko vielu izturība un augstas temperatūras izturība, taču daudziem parastajiem FFKM trūkst elastīguma zemās temperatūrās. Ja zemās temperatūras augstspiediena vārstiem vai naftas un gāzes iekārtām obligāti jāizmanto FFKM, tad jāizvēlas zemās temperatūras FFKM sastāvs un jāpārbauda noplūde augstspiedienā zemā temperatūrā.

Trelleborga dati arī rāda, ka dažādu zemās temperatūras FFKM sastāvu TR10/Tg reakcijas atšķirības augstspiediena apstākļos ir būtiskas.

11. Kā struktūras dizains samazina zemās temperatūras noplūdes risku?

Materiāls ir tikai pirmais solis; zemtemperatūras O gredzeniem arī jāveic risku kontrole, izmantojot rievas un montāžas konstrukciju.

Pirmkārt, jānodrošina pietiekams kompresijas apjoms pie Tmin. Jāaprēķina termiskās sarukšanas starpība starp metāla rievu un gumiju; nevar projektēt tikai, balstoties uz parastajiem izmēriem.

Otrkārt, statiskajiem blīvējumiem var atbilstoši palielināt spiediena kompresijas apjomu, taču to nedrīkst pārsniegt rievas aizpildes un montāžas robežas. Nepietiekams kompresijas apjoms ātri izraisīs noplūdi; pārmērīgs kompresijas apjoms var izraisīt montāžas bojājumus, termisko izplešanos un izspiešanu, berzes palielināšanos vai pastāvīgu deformāciju.

Treškārt, dinamiskajiem blīvējumiem nedrīkst neierobežoti palielināt kompresijas apjomu. Zem temperatūras berze palielinās; pārmērīgs kompresijas apjoms izraisīs starta pretestību, nodilumu, savīšanos un rāpošanu.

Ceturtkārt, jākontrolē blīvēšanas virsmas raupjums un apaļums. Zem temperatūras gumijas spēja aizpildīt rupjās virsotnes samazinās; virsmas raupjums vairāk ietekmē ciešumu.

Piektkārt, nepieciešamības gadījumā izmantojiet atbalsta gredzenus, palīdgredzenus vai ar pavada enerģiju darbināmus konstrukcijas elementus. Augstspiediena, zemās temperatūras gāzes blīvēšanai, kas pilnībā balstās uz gumijas pašas atgriešanās spēju, risks ir augstāks; uzticamāka var būt ar pavada enerģiju darbināma PTFE blīvēšana, iekapsulēts O-gredzens, īpašas šķērsgriezuma blīvēšana vai metāla blīvēšana.

Sestkārt, smērvielai jābūt saderīgai ar zemām temperatūrām. Parastās smērvielas zemās temperatūrās kļūst viskozas vai sasalst, kas palielina berzi un ietekmē savienojuma piemērotību; īpaši jāpārbauda zemās temperatūras vārstu un kosmosa tehnoloģiju pielietojumu smērvielu saderība ar gumiju, barotāju un zemāko temperatūru.

12. Ieteicamā verifikācijas metode

Aukstuma tehnoloģijā, kosmosa tehnoloģijā, ārējām iekārtām un zemās temperatūras vārstiem ieteicams veikt zemās temperatūras verifikāciju kā kombinētu testu, nevis vienīgi materiālu testu.

Ieteicamā testu virkne:

• Materiāla līmenī: Tg, TR10, trausluma temperatūra, zemās temperatūras kompresijas pastāvīgā deformācija.
• Mediju līmenis: pārbaudīt izmērus, cietību, TR10 un kompresijas pastāvīgo deformāciju pēc iemēršanas saldētājvielā, eļļā, degvielā, gaisā, CO₂, ūdeņradī vai faktiskajos medijos.
• Struktūras līmenis: atbilstošs faktiskais rievas profils, faktiskais kompresijas lielums un faktiskā virsmas raupjums montētajam O-ringam.
• Stāvokļa līmenis: aukstuma izturēšana līdz zemākajai temperatūrai, turēšana pietiekami ilgi, pēc tam veikt gāzes blīvuma pārbaudi.
• Ciklu līmenis: augstas un zemas temperatūras maiņas, spiediena maiņas, ieslēgšanas un izslēgšanas cikli, pēc tam atkārtoti pārbaudīt noplūdi.
• Vecuma līmenis: pēc termiskās vecuma vai mediju vecuma ietekmes, pēc tam atkārtoti pārbaudīt zemā temperatūrā.

Minimālās prasības nevajadzētu formulēt tikai kā „materiāls izturīgs pret –40 °C“, bet jānorāda šādi:

Pie –40 °C, norādītajā vidē, norādītajā spiedienā, norādītajā aukstuma izturēšanas laikā, norādītajā rievā un virsmas raupjumā noplūdes ātrums ≤ mērķvērtībai; O-ringam nedrīkst būt plaisas, nevajadzētu būt nenormālai pastāvīgai deformācijai un pirms un pēc testēšanas jāsaglabā pieņemama atsitienspēja.