Hermetyzowane FEP/PFA O-ringi są bardziej odpowiednie w przypadku bardzo korozyjnych ośrodków, gdy uszczelka nadal wymaga elastycznej kompensacji; stałe pierścienie uszczelniające z PTFE są bardziej odpowiednie w przypadku wyłącznie statycznych uszczelnień, łatwych do zamontowania w rowkach oraz przy kontrolowanych siłach ściskania, z naciskiem na maksymalną odporność chemiczną i czystość. Żadna z tych opcji nie stanowi pełnej zamiennika zwykłej gumowej uszczelki O-kręg , a zwłaszcza nie powinny być przypadkowo stosowane w przypadku wysokoczęstotliwościowych uszczelnień dynamicznych, zawiesin zawierających cząstki ścierniska ani w sytuacjach wymagających montażu z dużym rozciągnięciem.

1. Podstawowa różnica: jedna to „złożona uszczelka elastyczna”, druga to „uszczelka plastyczna statyczna"

O-kольca z otoczką FEP/PFA składają się zwykle z zewnętrznej warstwy otoczki wykonanej z fluoroplastu FEP lub PFA oraz wewnętrznego rdzenia elastycznego z silikonu VMQ lub gumy fluorowej FKM. Zewnętrzna warstwa zapewnia odporność chemiczną podobną do PTFE, natomiast wewnętrzny rdzeń elastyczny zapewnia odbicie po ucisku i wstępną siłę uszczelniającą; dane branżowe określają jednoznacznie, że warstwa otoczki zapewnia odbicie po ucisku i wstępną siłę uszczelniającą, zewnętrzna warstwa jest odporna chemicznie, a wewnętrzny rdzeń stanowi element statycznego uszczelnienia bez linii spawania.

Stałej konstrukcji O-kольca z PTFE są wykonane z integralnego materiału PTFE, który sam w sobie charakteryzuje się odpornością chemiczną i dobrą czystością, jednak nie są one gumiowymi elastomerami i nie posiadają zdolności elastycznego odbicia i regeneracji typowej dla gumy; stosuje się je głównie do statycznego uszczelniania wałów, uszczelniania flanszy lub w konstrukcjach, w których brak elastycznego odbicia można traktować jako kontrolowane ograniczenie – przy uwzględnieniu tego aspektu na etapie projektowania i montażu.

Dlatego, gdy klient pyta: «Które jest lepsze – uszczelka typu O-ring z hermetycznym otoczeniem, czy stała uszczelka typu O-ring wykonana z PTFE?», nie należy bezpośrednio odpowiadać, która jest lepsza, lecz najpierw określić: czy to położenie wymaga kompensacji sprężystej? Czy przestrzeń montażowa jest wystarczająca? Czy medium jest korozyjne lub ścierne? Czy występuje konieczność częstego demontażu i ponownej instalacji?

2. W jakich scenariuszach nadają się uszczelki typu O-ring z otoczeniem FEP/PFA?

2.1 Silnie agresywne chemicznie media, które jednak wymagają odskoku uszczelki typu O-ring

Jest to klasyczne zastosowanie uszczelek typu O-ring z otoczeniem. Wiele mediów chemicznych powoduje wypełnienie, utwardzenie, rozpuszczenie lub trwałą deformację pod wpływem ściskania materiałów takich jak NBR, EPDM czy FKM; natomiast użycie bezpośrednie stałych uszczelek typu O-ring wykonanych z PTFE może prowadzić do niewystarczającego odskoku i późniejszych wycieków, wycieków spowodowanych cyklami termicznymi lub niestabilności podczas montażu. Uszczelka typu O-ring z otoczeniem stanowi idealny kompromis między tymi dwoma rozwiązaniami: warstwa zewnętrzna zapewnia izolację przed korozją, rozpuszczalnikami i cieczami czyszczącymi, podczas gdy wewnętrzna warstwa z VMQ lub FKM nadal zapewnia sprężyste uszczelnienie.

Dozwolone zastosowania obejmują: kołnierzowe połączenia rurociągów chemicznych, pokrywy zbiorników reakcyjnych, obudowy filtrów, statyczne uszczelnienia obudów pomp, połączenia obudów zaworów, okna obserwacyjne, kapturki końcowe, połączenia wkładów, porty pobierania próbek oraz porty do przyrządów pomiarowych.

2.2 Scenariusze zastosowań w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i biotechnologicznym wymagające czystych powierzchni kontaktowych

Powierzchnia warstwy otaczającej z FEP/PFA jest czysta, charakteryzuje się niską przyczepnością i niskim współczynnikiem tarcia; materiał ten sam jest dopuszczony do zastosowań medycznych związanych z higieną i dezynfekcją. Dane dostawcy wskazują również na możliwość stosowania uszczelek typu O-ring z otoczką w przemyśle chemicznym, farmaceutycznym i spożywczym – wynika to z ich zgodności chemicznej, bezpieczeństwa fizjologicznego oraz niższej przepuszczalności.

Typowe zastosowania obejmują: systemy czyszczenia CIP/SIP, rurociągi farmaceutyczne, zawory do przemysłu spożywczego i napojów, armaturę sanitarną, filtry, urządzenia do napełniania, zawory do pobierania próbek oraz podobne uszczelnienia.

2.3 Uszczelnienia statyczne w przemyśle zaworowym – nie dotyczy dynamicznych uszczeleń trzpieni zaworów o wysokiej częstotliwości działania

W przemyśle zaworów uszczelnienia typu O-ring z otoczką FEP/PFA są stosowane w pokrywkach zaworów, połączeniach zaworów, nakrętkach końcowych, kołnierzach korpusów zaworów oraz na stykach siłowników i podobnych uszczelnieniach statycznych lub niskoczęstotliwościowych dynamicznych. Dane dostawców szeroko określają uszczelnienia typu O-ring z otoczką jako przeznaczone głównie do osiowego lub promieniowego uszczelniania statycznego.

Nie nadają się jednak bezpośrednio do zastosowań jako uszczelnienia drżących wałów zaworów o wysokiej częstotliwości, uszczelnienia obracających się wałów ani uszczelnienia dynamiczne w środowiskach zawierających cząstki stałe. Powodem jest to, że zewnętrzna warstwa FEP/PFA jest odporna na korozję, ale stosunkowo cienka; tarcie dynamiczne, ostre krawędzie, rozciąganie, skręcanie, ścieranie oraz ślady formowania mogą uszkodzić warstwę otoczkową.

2.4 Sytuacje wymagające lepszej kompensacji uszczelnienia niż w przypadku stałego PTFE

Jeśli powierzchnia uszczelniająca posiada niewielkie niedoskonałości obróbkowe, występują fluktuacje temperatury lub ciśnienia, uszczelka jest uruchamiana przy niskim ciśnieniu lub podlega wielokrotnemu demontażowi i montażowi, niedostateczna zdolność odbicia się stałego PTFE może stanowić punkt ryzyka; w takiej sytuacji uszczelka typu O-ring z otoczką zapewnia lepsze utrzymanie naprężeń kontaktowych niż stałe PTFE, ponieważ jej wnętrze charakteryzuje się elastycznością.

W tych zastosowaniach uszczelka typu O-ring z otoczką jest często postrzegana przez klientów jako kompromisowe rozwiązanie – „bardziej odporne chemicznie niż guma i bardziej elastyczne niż PTFE”.

3. Jak wybrać otoczkę z FEP lub otoczkę z PFA?

Otoczka z FEP to zwykle częstsze i bardziej ekonomiczne rozwiązanie, stosowane w większości konwencjonalnych statycznych uszczelnień chemicznych, spożywczych i farmaceutycznych; maksymalna temperatura ciągłego użytkowania materiału FEP wynosi zazwyczaj około 205 °C, jednak zależy ona od producenta oraz od konstrukcji i rdzenia uszczelki.

Hermetyzacja z PFA jest odpowiednia w przypadku wyższych temperatur, surowszych wymagań czyszczących oraz wyraźnych cykli termicznych, gdzie kluczowe jest wysokie wytrzymałość na rozrywanie; dane dostawcy zwykle podkreślają, że PFA charakteryzuje się lepszą wytrzymałością mechaniczną i lepszą odpornością na pęknięcia spowodowane rozrywaniem, a temperatura pracy może osiągać nawet 260°C.

Prosta ocena:

4. Do czego nadają się elastyczne rdzenie VMQ i FKM?

Rdzeń silikonowy VMQ jest miękki, wymaga niewielkiej siły ściskania i dobrze zachowuje miękkość w niskich temperaturach; nadaje się do zastosowań przy niskim ciśnieniu, w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym oraz w pomieszczeniach czystych; zarówno rdzenie silikonowe stałe, jak i puste są powszechne – rdzeń pusty silikonowy charakteryzuje się niższą siłą ściskania i nadaje się do konstrukcji o ograniczonych możliwościach ściskania lub tam, gdzie uszczelnienie jest szczególnie wrażliwe.

Rdzeń z fluorokauczuku FKM zwykle lepiej radzi sobie z trwałą deformacją spowodowaną ściskaniem, wykazuje większą odporność na oleje, paliwa, niektóre rozpuszczalniki oraz długotrwałe statyczne uszczelnianie w wysokich temperaturach. Niektóre dane wskazują również, że w przypadku uszkodzenia warstwy otaczającej rdzeń FKM lepiej opiera się atakowi chemicznemu.

Jednak należy podkreślić: odporność chemiczna uszczelki typu O-ring z otoczką pochodzi głównie od zewnętrznego materiału FEP/PFA; nie należy zakładać, że wewnętrzne rdzeń może przez długi czas bezpośrednio kontaktować się ze środowiskiem.

5. W jakich sytuacjach nadają się stałe uszczelki typu O-ring wykonane z PTFE?

5.1 Tylko uszczelnianie statyczne oraz rowek łatwy do montażu

Stałe uszczelki typu O-ring wykonane z PTFE najlepiej sprawdzają się w miejscach uszczelniania statycznego, takich jak powierzchnie czołowe, kołnierzowe, okienka obserwacyjne, otwory inspekcyjne, połączenia rurociągów i podobne; firma Trelleborg klasyfikuje uszczelki typu O-ring z PTFE jako przeznaczone do zastosowań osiowych statycznych lub typu kołnierza – charakteryzują się one niemal pełną odpornością na działanie wszystkich chemikaliów oraz wysoką temperaturą roboczą i mogą być precyzyjnie obrabiane.

Innymi słowy, stałe uszczelki typu O-ring wykonane z PTFE przypominają raczej okrągłą uszczelkę z PTFE niż tradycyjny gumowy pierścień uszczelniający; wystarczy, aby rowek miał otwór montażowy, materiał był ściskalny, a powierzchnia uszczelniająca była płaska – nie wymaga się dużego rozciągnięcia przy montażu, dzięki czemu uszczelka może w pełni wykorzystać swoje zalety: odporność korozyjną i czystość.

5.2 Środowisko o ekstremalnie silnej korozji oraz brak chęci stosowania rdzenia gumowego

Niektórzy klienci nie chcą, aby ich uszczelka zawierała jakiekolwiek składniki gumowe, lub obawiają się wydzielania się substancji z gumy, zanieczyszczenia, rozpuszczania się, starzenia się oraz przesiąkania mediów przez wewnętrzną część uszczelki. W takich przypadkach lepszym rozwiązaniem są stałe pierścienie uszczelniające z PTFE. Pierścienie uszczelniające z PTFE stosuje się często tam, gdzie elastomer w ogóle nie spełnia wymagań dotyczących stabilności chemicznej lub termicznej w danej warunkach pracy; znajdują one szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, petrochemicznym, medycznym oraz spożywczym.

Typowymi zastosowaniami są: rurociągi przewidziane do silnych kwasów i zasad, układy rozpuszczalników, sprzęt chemiczny o wysokiej czystości, instalacje laboratoryjne, sprzęt do mokrych procesów półprzewodnikowych, statyczne uszczelki w sprzęcie przeznaczonym do przemysłu spożywczego i farmaceutycznego.

5.3 Specjalne wymiary, mała seria, konieczność szybkiej obróbki maszynowej i dostawy

Stałych uszczelek PTFE w kształcie pierścienia można zazwyczaj produkować metodą obróbki skrawaniem, niekoniecznie za pomocą form do gumy, co czyni je bardziej elastycznymi pod względem specjalnych wymiarów, niestandardowych przekrojów poprzecznych oraz małych serii produkcji.

Jest to szczególnie wartościowe dla części zamiennych do konserwacji, wymiany starszego sprzętu, niestandardowych kołnierzów, specjalnych specyfikacji oraz lokalizacji części zamiennych do importowanego sprzętu.

6. Główne ryzyka związane ze stałymi uszczelkami PTFE w kształcie pierścienia

6.1 Niewystarczająca zdolność do odkształcenia odzyskującego

PTFE nie posiada zdolności do odzyskiwania kształtu charakterystycznej dla elastomerów gumowych; dane wyraźnie wskazują, że zdolność odzyskiwania kształtu przez uszczelkę PTFE w kształcie pierścienia jest bardzo słaba, dlatego projekt systemu uszczelnienia i montażu musi uwzględniać ten aspekt.

Oznacza to, że w przypadku zadrapań na powierzchni uszczelniającej, niewystarczającej płaskości, rozszerzania termicznego lub kurczenia się przy obniżeniu temperatury, fluktuacji ciśnienia oraz utraty wstępnej siły dokręcenia śrub uszczelka PTFE w kształcie pierścienia może nie być w stanie samoczynnie skompensować tych efektów tak jak uszczelka gumowa w kształcie pierścienia.

6.2 Nieodpowiednie do wysokoczęstotliwościowych uszczelnień dynamicznych

PTFE samo w sobie ma niskie tarcie, ale stałe uszczelki typu O-ring wykonane z PTFE nie posiadają sprężystej odporności na odkształcenie; dane wskazują, że ta niewystarczająca odporność zasadniczo wyklucza ich zastosowanie jako uszczelki dynamiczne.

W przypadku takich elementów jak trzpień zaworu, tłoczysko, wał obrotowy, tłok cylindra oraz podobne pozycje dynamiczne należy raczej rozważyć zastosowanie uszczelki typu lip seal wykonanej z PTFE, uszczelki napinanej sprężyną, wypełniacza, uszczelki kombinowanej lub materiału kompatybilnego, zamiast bezpośredniego stosowania stałych uszczelek typu O-ring wykonanych z PTFE.

6.3 Montaż i rowek – większe wymagania

Stały PTFE nie nadaje się do montażu przy dużym rozciąganiu; dane zalecają jego preferencyjne zastosowanie jako uszczelka do połączeń kołnierzowych lub pokryw, a także ostrzegają, że montaż w zamkniętym rowku jest często bardziej ograniczony, a wartość docisku zwykle wymaga ścisłej kontroli.

Z tego powodu nie zaleca się stosowania stałych uszczelek typu O-ring wykonanych z PTFE w głębokich, zamkniętych rowkach, gdzie konieczne jest siłowe nasadzanie przez gwint lub stopkę wału, ani używania ostrych narzędzi do rozprawiania.

7. Tabela porównawcza obu rodzajów

8. Zalecenia dotyczące zastosowań przemysłowych

Przemysł chemiczny:

W pierwszej kolejności należy rozważyć zastosowanie uszczelek typu O-ring z otoczką FEP/PFA w obudowach pomp, zaworach, obudowach filtrów, naczyniach reakcyjnych oraz połączeniach rurociągów i podobnych miejscach statycznego uszczelniania, szczególnie w warunkach eksploatacji z częstymi zmianami kwasów, zasad i rozpuszczalników. Jeśli konstrukcja urządzenia charakteryzuje się płaskimi kołnierzami, pokrywami lub oknami inspekcyjnymi oraz wystarczającą siłą docisku w otwartym obszarze montażowym, można zastosować uszczelki typu O-ring wykonane z pełnego PTFE.

Przemysł spożywczy:

Uszczelki typu O-ring z otoczką FEP/PFA są odpowiednie dla czystych powierzchni wymagających higieny, niskiej przyczepności i niskiego tarcia; materiał zachowuje przy tym zdolność do sprężystej kompensacji – stosowane w wkładkach, zaworach i urządzeniach filtracyjnych. Uszczelki typu O-ring wykonane z pełnego PTFE są odpowiednie dla statycznych pokryw, kołnierzy lub sytuacji, w których nie dopuszcza się kontaktu składników gumy z częścią produktu.

Przemysł farmaceutyczny:

Jeśli niezawodność uszczelnienia wymaga elastyczności, a po czyszczeniu/sterylizacji nadal potrzebna jest zdolność do odzyskania pierwotnej formy, zazwyczaj preferuje się uszczelki typu O-ring z obudową; jeśli klient podkreśla konieczność ultra-niskiej ekstrakcji, braku gumy w rdzeniu oraz wysokiej czystości kontaktu, a uszczelnienie ogranicza się do statycznego ściskania, należy rozważyć stałe uszczelki typu O-ring wykonane z PTFE.

Przemysł zaworów:

Pokrywy zaworów, końcówki, obwód siedziska zaworu – typowe uszczelnienia statyczne wykorzystują uszczelki typu O-ring z obudową FEP/PFA lub stałe uszczelki typu O-ring z PTFE; wałki zaworów, wały obrotowe oraz miejsca często otwierane i zamykane nie powinny być uszczelniane wyłącznie tymi dwoma typami uszczelek – należy ponownie rozważyć dobór rozwiązania do uszczelnień dynamicznych.

9. Mnemoniczny schemat doboru

Można użyć tej logiki do komunikacji z klientami z branży chemicznej:

Pierwsze pytanie: Czy występuje ruch względny?

W przypadku wysokoczęstotliwościowego ruchu posuwisto-zwrotnego, obrotowego lub tarcia z udziałem cząstek ściernych zarówno uszczelki typu O-ring z obudową, jak i stałe uszczelki typu O-ring z PTFE wymagają ostrożności – należy priorytetowo rozważyć specjalistyczne uszczelki dynamiczne.

Drugie pytanie: Czy wymagana jest elastyczna kompensacja?

W przypadku odbicia, uszczelniania przy niskim ciśnieniu, kompensacji cykli termicznych oraz tolerancji błędów montażowych priorytetem jest pierścień uszczelniający typu O z otoczką z FEP/PFA.

Trzecie pytanie: Czy uszczelnianie dotyczy wyłącznie statycznego uszczelnienia powierzchni czołowych?

W przypadku kołnierzy, pokryw, otworów inspekcyjnych, otwartych rowków i wystarczającej siły docisku możliwy jest stosowanie stałego pierścienia uszczelniającego typu O z PTFE.

Czwarte pytanie: Czy temperatura jest zbliżona do 200 °C lub wyższa?

W warunkach temperatury konwencjonalnej otoczka z FEP jest bardziej opłacalna; w wysokich temperaturach, przy cyklach termicznych oraz w przypadku surowszych wymagań czystości priorytetem jest otoczka z PFA.

Piąte pytanie: Który materiał wybrać jako rdzeń – VMQ czy FKM?

Niskie siły docisku, niskie temperatury oraz urządzenia wymagające czystości – wybór VMQ; większe zapotrzebowanie na odporność na trwałą odkształcalność po docisku, produkty naftowe/rozpuszczalniki oraz długotrwałą stabilność – wybór FKM.