Lav temperatur fører til at gummi gradvis overgår fra en svært elastisk tilstand til en forsinket elastisk, glassaktig eller lokalt skjør tilstand; samtidig fører O-ring termisk krymping, redusert tilbakeføring og utilstrekkelig kompresjonsrestitusjon til at kontaktspenningen ved tettningsgrensesnittet ikke kan opprettholdes kontinuerlig. Gass-tetninger er spesielt følsomme, fordi mikroskopiske kontaktspalter eller ruhetstopper kan danne kontinuerlige mikro-lekkasjekanaler, og selv om O-ringens ikke viser tydelige sprekk, kan den likevel lekke gass.

1. Hva O-ringene avhenger av for tetting er ikke «hardhet», men kontinuerlig kontaktspenning

O-ringer tetting ved romtemperatur avhenger hovedsakelig av tre ting:

Først: installasjonskompressjonen gjør at O-ringen utvikler en innledende kontaktspenning.

Andre: gummiens egen elastiske tilbakeføring opprettholder en kontinuerlig passform mot rillen og den motstående overflaten.

Tredje: under trykk påvirkes O-ringen ytterligere mot tetningsoverflaten og danner trykkforsterkning.

Dermed er O-ringens tetningsevne i prinsippet:

Kontaktspenning ≥ medietykkelse + lokal lekkasjerisiko forårsaket av overflatens ruhet.

Problemet med lav temperatur ligger nøyaktig i at gummi kan være «hardt», men ikke lenger «gjenopprettbart». Dette gjør at det ser ut til å tåle høyere trykk, men i virkeligheten ikke klarer å kompensere for mikrogapendringer i sporet, termisk krymping, trykksvingninger, overflatens ruhet og små endringer i spillet. Nyere modellering og eksperimentell forskning på O-ringers oppførsel ved lav temperatur viser også at hovedårsaken til lekkasje ved lav temperatur er knyttet til termisk krymping, begrenset gjenopprettbarhet, spenningsrelaksasjon og produksjonstoleranser.

2. Hvorfor blir gummi hardt ved lav temperatur?

Gummis elastisitet skyldes bevegelsesevnen til molekylkjedens segmenter. Når temperaturen synker, blir bevegelsen av segmentene langsommere, og tiden for materialets myke og tøyelige egenskaper blir lengre, noe som makroskopisk viser seg som:

Modulen øker, hardheten øker, forlengelsesgraden avtar, gjenopprettelseshastigheten avtar og kompresjonsrestitusjonen forverres.

Når temperaturen fortsetter å synke nær glassområdet, går gummi gradvis fra en myk elastomer over til en glassaktig tilstand. Ved dette tidspunktet viser materialet ikke lenger egenskapene til en myk elastomer, men likner mer på en stiv fast stoffmasse. Undersøkelser av HNBR ved lav temperatur indikerer at tettingsdeler opprinnelig avhenger av gjenopprettelse for å kompensere for permanent kompresjonsdeformasjon og mellomromsvariasjoner ved lav temperatur, men nær Tg avtar elastisiteten i materialet kraftig – selv små separasjoner kan da utløse lekkasje.

Merk: Hardning er ikke det samme som bedre tetting.

Under fastsatt forskyvningskompressjon kan økning i modul i kort tid forbedre lokal gjenopprettelse; men hvis materialet ikke kan gjenopprette deformasjonen, ikke fylle grove mikrogap eller løsner seg fra tettingsflaten på grunn av termisk krymping, reduseres den faktiske tettingsevnen i stedet.

3. Hvorfor mister den fjærkraft ved lav temperatur?

Tap av fjærkraft ved lav temperatur skyldes hovedsakelig tre mekanismer.

3.1 Molekylkjedebewegelse fryses, og gjenoppretting blir saktere

Ved romtemperatur kan kjedesegmentene raskt justere seg og opprettholde elastisk støtte etter kompresjon av O-ring. Ved lav temperatur er bevegelsen av kjedesegmentene begrenset, og materialets gjenopprettingsprosess blir svært sakte. Test av permanent kompresjonsdeformasjon ved lav temperatur brukes nettopp til å vurdere hvor mye mindre gummiet kan sprette tilbake etter at det har blitt utsatt for koldere temperaturer; laboratoriedata viser tydelig at gummi gradvis mister elastisitet ved lav temperatur, og evnen til å fylle en spalte avtar betydelig.

3.2 Permanent kompresjonsdeformasjon øker ved kald temperatur

Kompressjonspermanent deformasjon skjer ikke bare etter varmealdring ved høy temperatur. Ved lav temperatur kan O-ringar også utvikle «frysestatus-kompressjonspermanent deformasjon»: de blir flatt trykt sammen og kan midlertidig ikkje gjenopprette tykkelsen på tverrsnittet. Forsking på HNBR ved lav temperatur viser at kompressjonspermanent deformasjon er ein viktig indikator for O-ringar og liknande tettingsapplikasjonar, og nær glasovergangstemperaturen kan kompressjonspermanent deformasjon aukast betydeleg – til og med nå eit høgt nivå under forskingsvilkår.

Denne typen kompressjonspermanent deformasjon ved lav temperatur er nokre gonger reversibel: etter at temperaturen stig, kan delar av ringen gjenopprette forma si; men under kjøyring av utstyr i kaldt tilstand kan deformasjonen allereie vere tilstrekkeleg til å føre til lekkasje.

3.3 Stressrelaksasjon fører til nedgang i tettingkraft

O-ringringer under langvarig kompresjon i en spor, tettningskraften avtar med tiden – dette kalles spenningsrelaksasjon. Ved lave temperaturer krymper materialet og har vanskelig for å gjenopprette sin opprinnelige form; hvis det samtidig forekommer trykksvingninger, plutselig endring i spaltbredden eller termiske sykluser, vil sikkerhetsmarginen for kontaktspenningen ytterligere reduseres. Undersøkelser av O-ringringer for hydraulikk i dyp havmiljø viser også at ved lave temperaturer fører gummiens volumkrympning og spenningsrelaksasjon til at tettheten gradvis forverres, og sikkerhetsmarginen mot plutselig økning i spaltbredden avtar tydelig.

4. Hvorfor er gasslekkasje spesielt vanlig ved lave temperaturer?

Gastetthet er mer følsom enn væsketetthet, fordi gassens viskositet og overflatespenning gir svakere begrensning – det trengs bare en meget liten, kontinuerlig mikrokanal for at lekkasje skal oppstå. Ved lave temperaturer starter lekkasjekanaler vanligvis ikke med «full brudd» i O-ringringen, men med mikroskopisk kontaktfeil på tettingsflaten.

Typisk prosess er som følger:

• Temperaturen synker, og både O-ring og metallfure trekker seg sammen samtidig.
• Gummis termiske krymping er vanligvis mer tydelig enn metalls termiske krymping; både den faktiske kompresjonsmengden og kontaktbredden avtar.
• Gummis elastiske tilbakeføring blir langsommere og kan ikke kompensere for endringene i furens dimensjoner.
• En kontinuerlig mikrokanal oppstår mellom tettende ruhetstopper.
• Gass leker ut langs grenseflaten.

I en studie av lavtemperaturgasslekkasje med HNBR O-ring observerte forskere at luftlekkasjen plutselig økte når temperaturen falt under materialets Tg-nivå; forskerne mener hovedårsaken er utilstrekkelig termisk krymping og dårlig gjenopprettingskapasitet for gummi ved lave temperaturer, noe som fører til at tetningen løsner fra den motstående overflaten.

Dette forklarer et vanlig fenomen på stedet: O-ringen er ikke sprekket, ikke brutt og ser normal ut; likevel lekker utstyret gass i kald tilstand, og lekkasjen blir lettere eller forsvinner etter hvert som temperaturen stiger.

5. Glasstransisjon, sprøhet og lavtemperaturlekkasje er ikke det samme begrepet

I analysen av tetting ved lave temperaturer forveksles Tg, TR10, sprøbrukstemperatur og permanent kompresjonsdeformasjon ved lave temperaturer ofte, men de representerer ulike problemer.

ASTM D2137s elastomerbrukktest fokuserer på om materialet viser riper eller overflateoppbrudd ved lavtemperaturpåvirkning; denne indikatoren viser også at denne typen standard er relevant for regulering og forskning og utvikling, men representerer ikke nødvendigvis materialets laveste bruksområde. ASTM D746 påpeker på samme måte at dens brukktemperaturtestmetode er beregnet på standardiserte betingelser for vurdering av materialets sprøbrudd, og svarer ikke nødvendigvis til materialets optimale bruksområde i praktisk anvendelse.

Derfor betyr det ikke nødvendigvis at materialet ikke lekker bare fordi det ikke sprer seg; svikt i O-ringens tetting ved lave temperaturer viser ofte seg som utilstrekkelig kontaktspenning, ikke som umiddelbart synlige sprekk.

6. Hvorfor er TR10 viktigere enn «kaldtåleområde»?

TR10 er en svært viktig indikator ved valg av tettingsmateriale for bruk ved lave temperaturer. ISO 2921 er en standardmetode for å måle temperaturtilbakeføring ved lave temperaturer for vulkanisert gummi, og brukes til å bestemme temperaturtilbakeføringsegenskapene til spenningsgummi.

Ved TR10-testing strekkes gummi vanligvis med 25 % eller 50 %, kjøles ned til lav temperatur og deretter registreres temperaturen når den trekker seg 10 % tilbake; jo lavere denne temperaturen er, desto bedre beholder materialet en viss elastisk tilbakeføringsevne ved lav temperatur.

I ingeniørpraksis kan man vanligvis forstå det slik:

Jo lavere TR10-verdien er – og jo nærmere eller høyere den er i forhold til den laveste driftstemperaturen – desto lavere er risikoen for lekkasje ved lave temperaturer.

Eksperimentelle data viser at dynamiske eller mottakende O-ringar vanlegvis bør fokusera på tettingskapasiteten nær TR10; statiske, lågkravande driftsforhold kan iblandt tillåta temperaturar 10–15 °C under TR10 utan tap av teknisk tetting, men dette avheng av materialet, konstruksjonen og lekkasjetestmetoden. Eit anna teknisk manual for O-ringar gir også ein liknande prinsipp: statisk tetting tillèt vanlegvis temperaturar ca. 10 °C under TR10, medan dynamiske tettingar bør ligga nærmare TR10, samtidig som mediautvirkninga – som kan føra til krymping eller svelling – endrar den faktiske grensa.

7. Høgtrykk- og lågtemperaturdriftsforhold må òg ta TR10- og Tg-skiftet i betraktning

I høytrykks-gass-, olje-gass-ventil-, hydrogen-system-, romfarts-hydraulikk- og andre scenarier kan man ikke bare se på Tg eller TR10 ved normalt trykk. Trelleborgs høytrykksmaterielldata viser at ved lav temperatur og høyt trykk kan trykket, ved bruk av kompressible elastomere, føre til at polymerens Tg flyttes oppover; designerne må ta denne Tg-avvikelsen i betraktning ved utforming av tetninger for lavtemperatur og høyt trykk.

Dette betyr: Et materiale som ved normalt trykk ser ut til å oppfylle kravene til TR10 eller Tg, kan under høytrykks-gassforhold miste fleksibiliteten for tidlig. For lavtemperatur-ventiler, høytrykks-gassutstyr, hydrogenutstyr og tetting i gass- og oljeborringer er dette spørsmålet spesielt viktig.

8. Feltutseende til ulike lavtemperatur-sviktmoduser

8.1 Kald lekkasje, ingen lekkasje i varmt tilstand

Dette er en typisk lavtemperatur-svikt som skyldes utilstrekkelig elastisk tilbakeføring eller overflateadskillelse. Når O-ringens temperatur stiger, gjenopprettes kjedesegmentaktiviteten, kontaktspenningen og tverrsnittet gjenopprettes godt, og lekkasjen reduseres.

8.2 Kaldstart-gasslekkasje, forbedrer seg etter en stund med drift

Kan skyldes temperaturtilbakefall, økt mediatemperatur eller gradvis materiellgjenopprettelse. Hvis utstyret må være gass-tett ved kaldstart, er denne typen materiale fortsatt uegnede.

8.3 Gasslekkasje ved langvarig parkering ved lav temperatur

Lengre kaldoppbevaringstid fører til tydeligere krystallisering, spenningsavslapping og utilstrekkelig kompresjonsrecoveri. En kortsiktig test ved lav temperatur som gir godkjent resultat betyr ikke nødvendigvis at utstyret er egnet for langvarig utendørs parkering, høydeflyvning i luftfart eller langvarig drift i kalde lagre.

8.4 Gasslekkasje ved lav temperatur etter varmealdring

Høy temperatur eller mediemessig aldring kan føre til permanent kompresjonsdeformasjon, herding, krymping eller tap av plastifiserende stoffer. Når O-ringene deretter utsettes for lav temperatur, blir deres tilbakefjæringsmargin mindre, og lekkasje oppstår lettere.

8.5 Dynamisk tetning: Kaldstart-hindring, slitasje og lekkasje

Dynamiske tetninger krever, foruten tap av kontaktspenning, også lav friksjon og rask tilbakeføring. Ved lave temperaturer blir materialet hardere, friksjonen øker, smøringen forverres, og tettingsleppen eller O-ring-en kan ikke følge med på motpartens overflate raskt nok, noe som fører til periodisk lekkasje, kryping, vriving eller slitasje.

9. Materialevalg kan ikke bare angi «kuldetålig»

For kjøleanlegg, romfart, utendørsutstyr og kunder av lavtemperaturventiler bør materialesiden dele opp «kuldetålig» i verifiserbare indikatorer, ikke bare gi et enkelt temperaturområde.

Anbefalte felt er som følger:

10. Vanlige materialers logikk for valg ved lave temperaturer

NBR / NBR for lave temperaturer

NBRs ytelse ved lave temperaturer er nært knyttet til acrylonitrilinnhold, sammensetning og forsterkningssystem. NBR for lave temperaturer kan forbedre mykhet ved lave temperaturer, men krever vanligvis en avveining mellom oljebestandighet, drivstoffkompatibilitet og elastisitet ved lave temperaturer. Brukes i sammenheng med olje, vann-glykol, generelle hydrauliske systemer og kjølesystemer; må kombineres med bekreftelse av mediet.

HNBR

HNBR har bedre varmebestandighet, oljebestandighet og mekaniske egenskaper enn vanlig NBR, men ytelsen ved lave temperaturer avhenger fortsatt sterkt av sammensetningen. For utstyr som opererer ved lave temperaturer og høyt trykk av gass eller olje/gass, er det ikke nok å se på navnet HNBR – det må kreves TR10-verdier, kompresjonsvarighet ved lave temperaturer og faktiske lekkasjetester.

EPDM

EPDM egner seg vanligvis til vann, damp, kjølevæske, utendørs ozon og kaldtbestandige miljøer, men er ikke egnet for de fleste petroleumsbaserte oljeprodukter. Brukes for utendørsutstyr, kjølevannsrør, lavtemperatur-etylenglykol-systemer; spesifikk sammensetning må verifiseres for TR10 og lavtemperatur-gjenoppretting.

VMQ/silikongummi

Silikongummis lavtemperatur-softness er vanligvis god, men revstyrke, slitasjemotstand, gasspermeabilitet og motstand mot olje- og drivstoff kan være begrensninger. Egner seg for visse statiske tetninger ved lave temperaturer, samt i mat-, medisinske og bærekraftige miljøer, men er ikke nødvendigvis egnet for høytrykksgass eller kraftig dynamisk slitasje.

FVMQ/fluorsilikongummi

Fluorsilikongummi gir en bedre balanse mellom lavtemperatur-fleksibilitet og kompatibilitet med drivstoff og olje, og brukes ofte til statiske tetninger i luft- og romfartens drivstoffsystemer samt lavtemperatur-oljeprodukter. Mekanisk styrke og slitasjemotstand må likevel vurderes individuelt; det kan ikke enkelt erstattes for alle FKM- eller NBR-anvendelser.

FKM / Lavtemperatur-FKM

Vanlig FKM er kjent for sin motstand mot høy temperatur, olje og kjemiske medier, men gjenoppretting ved lav temperatur er ofte dårlig. For ventiler til lav temperatur, romfartsdrivstoff og utendørs oljeprodukteutstyr bør lavtemperatur-FKM og lignende spesialformuleringer foretrekkes, og TR10, Tg samt kompresjonspermanent deformasjon ved lav temperatur må verifiseres.

FFKM

FFKM har fordelen med ekstrem kjemisk motstand og høytemperaturmotstand, men mange vanlige FFKM-typer har svak elastisitet ved lav temperatur. Hvis lavtemperatur-høytrykkventiler eller olje- og gassutstyr må bruke FFKM, bør lavtemperatur-FFKM-formuleringer velges, og lekkasje ved høytrykk og lav temperatur må verifiseres.

Trelleborgs data viser også at ulike lavtemperatur-FFKM-formuleringers respons når det gjelder TR10/Tg under høy trykkbelastning varierer betydelig.

11. Hvordan reduserer konstruksjonsdesign risikoen for lekkasje ved lav temperatur?

Material er bare det første steget; lavtemperatur-O-ringar må også kontrollerast risiko via spor- og monteringsdesign.

Først må ein sikre tilstrekkeleg kompresjonsmengd ved Tmin. Ein må rekne ut termisk krympingsskilnad mellom metallsporet og gummiet, og kan ikkje berre bruke konvensjonelle mål i designet.

Statiske tetningar kan til ei viss grad auka trykkmengda for kompresjon, men ikkje overstige fyllings- og monteringsgrensene for sporet. Utilstrekkeleg kompresjonsmengd vil føre til lekkasje tidlegare enn venta; for stor kompresjonsmengd kan føre til skade under montering, ekstrudering ved termisk utviding, auka friksjon eller permanent deformasjon.

Tredje: dynamiske tetningar kan ikkje auka kompresjonsmengda vilkårlig. Ved låg temperatur aukar friksjonen; for stor kompresjonsmengd fører til motstand ved oppstart, slitasje, vridning og kryp.

Fjerde: kontroller ruheit og rundheit på tetningsflata. Ved låg temperatur minkar gummis evne til å fylle grove toppar; overflate-ruheit påverkar tettheten meir.

Femte: Bruk støtteringringer, støtteringer eller fjær-energiske strukturer når det er nødvendig. Ved høyt trykk og lav temperatur er risikoen større for gassettet som kun avhenger av gummiets egen elastisitet; fjær-energiske PTFE-etteter, innkapslede O-ringer, spesialprofilerede etteter eller metall-etteter kan være mer pålitelige.

Sjette: Smørefettet må være kompatibelt med lav temperatur. Vanlig smørefett blir viskøst eller fryser ved lav temperatur, noe som øker friksjonen og påvirker passformen ved grenseflaten – spesielt må kompatibiliteten mellom smørefett, gummityper og medier samt den laveste driftstemperaturen verifiseres for ventiler og luft- og romfartsapplikasjoner i kaldt klima.

12. Anbefalt verifikasjonsmetode

For kjøleanlegg, luft- og romfartsapplikasjoner, utstyr til utendørs bruk og ventiler til lavtemperaturbruk anbefales det å utføre lavtemperaturverifikasjon som en kombinert test, ikke som en enkel materialeprøving.

Anbefalt testsekvens:

• På materianivå: Tg, TR10, sprøtemperatur, kompresjonsvarighet ved lav temperatur.
• Media-nivå: sjekk dimensjoner, hardhet, TR10 og permanent kompresjonsdeformasjon etter nedsenkning i kjølemiddel, olje, drivstoff, luft, CO₂, hydrogen eller faktisk medie.
• Struktur-nivå: match faktisk rille, faktisk kompresjonsmengde og faktisk overflateruhet for montert O-ring.
• Tilstands-nivå: kaldoppbevaring ved laveste temperatur, hold tilstrekkelig tid, deretter utfør gass-tetthetsprøve.
• Syklus-nivå: høy-lav-temperatursykluser, trykk-sykluser, start-stopp-sykluser, deretter ny lekkasjetest.
• Aldring-nivå: etter varmealdring eller media-aldring, deretter ny lavtemperaturtest.

Minste krav bør ikke bare være «materiale som tåler −40 °C», men skrives som:

Ved −40 °C, angitt medie, angitt trykk, angitt kaldoppbevaringstid, angitt rille og overflateruhet: lekkasjerate ≤ målverdi; O-ring skal ikke ha sprekk, ikke ha unormal permanent deformasjon og må opprettholde akseptabel restitusjon før og etter testen.