Temperaturile scăzute determină tranziția treptată a cauciucului dintr-o stare foarte elastică într-o stare elastică întârziată, sticlă sau local casanto; în același timp, Anelul O contracția termică, încetinirea revenirii și recuperarea insuficientă a comprimării fac ca stresul de contact la interfața de etanșare să nu poată fi menținut în mod continuu. Etanșările pentru gaze sunt deosebit de sensibile, deoarece interstițiile microscopice de contact sau vârfurile aspre pot forma canale microscopice continue de scurgere, iar chiar dacă inelul O nu prezintă crăpături vizibile, poate totuși scăpa gaz.

1. Pentru etanșare, inelele O nu se bazează pe «duritate», ci pe stresul de contact continuu

Aneluri O etanșarea la temperatura camerei se bazează în principal pe trei elemente:

În primul rând, mărimea comprimării la montare face ca inelul O să genereze un stres inițial de contact.

În al doilea rând, revenirea elastică proprie a cauciucului menține o potrivire continuă cu canalul și suprafața de cuplare.

În al treilea rând, sub acțiunea presiunii, inelul O este împins suplimentar către suprafața de etanșare, formând o asistență presională.

Astfel, capacitatea de etanșare a inelului O este, de fapt:

Tensiunea de contact ≥ presiunea medie + riscul local de scurgere cauzat de rugozitatea suprafeței.

Problema temperaturilor scăzute constă exact în faptul că cauciucul poate fi încă „rigid”, dar nu mai are capacitatea de „revenire”. Acest lucru face ca materialul să pară mai rezistent la presiune, dar de fapt nu poate compensa modificările micro-golurilor din canelură, contracția termică, fluctuațiile de presiune, rugozitatea suprafeței și modificările mici ale jocului. Cercetările recente privind modelarea și experimentele cu inele O la temperaturi scăzute subliniază, de asemenea, faptul că scurgerile principale la temperaturi scăzute sunt legate de contracția termică, limitarea capacității de revenire, relaxarea tensiunii și toleranțele de fabricație.

2. De ce se întărește cauciucul la temperaturi scăzute?

Elasticitatea cauciucului provine din capacitatea de mișcare a segmentelor lanțului molecular. Pe măsură ce temperatura scade, mișcarea segmentelor lanțului se încetinește, iar durata necesară pentru modificarea caracteristicilor de „moale și tenace” ale materialului crește, manifestându-se macroscopic ca:

Modulul crește, duritatea crește, rata de alungire scade, viteza de revenire scade, iar recuperarea la compresie se deteriorează.

Când temperatura continuă să scadă, apropiindu-se de temperatura de tranziție vitreoasă, cauciucul trece treptat dintr-un elastomer moale într-o stare vitroasă. În acest moment, materialul nu mai manifestă proprietățile unui elastomer moale, ci se aseamănă mai mult cu un solid rigid. Cercetările privind HNBR la temperaturi scăzute indică faptul că piesele de etanșare se bazează inițial pe revenirea elastică pentru a compensa deformarea permanentă la compresie și variația interstițiilor la temperaturi scăzute; însă, în apropierea temperaturii Tg, elasticitatea materialului scade semnificativ, iar chiar o mică separare este suficientă pentru a declanșa o scurgere.

Trebuie remarcat: întărirea nu este echivalentă cu o etanșare mai bună.

În condiții de compresie cu deplasare fixă, creșterea modulului poate îmbunătăți pe termen scurt revenirea locală; totuși, dacă materialul nu-și poate restabili deformarea, nu poate umple golurile microscopice grosolane sau se desprinde de suprafața de etanșare datorită contracției termice, capacitatea reală de etanșare scade în schimb.

3. De ce pierde elasticitatea la temperaturi scăzute?

Pierderea elasticității la temperaturi scăzute provine în principal din trei mecanisme.

3.1 Mișcarea lanțurilor moleculare este înghețată, iar recuperarea se încetinește

La temperatură ambiantă, după comprimarea inelului O, segmentele lanțului pot ajusta rapid poziția și menține suportul elastic. La temperaturi scăzute, mișcarea segmentelor lanțului este limitată, iar procesul de recuperare al materialului devine foarte lent. Testarea deformării permanente la compresie în condiții de temperatură scăzută este utilizată exact pentru a evalua cât de puțină elasticitate își păstrează cauciucul după expunerea la frig extrem; datele de laborator indică clar că, la temperaturi scăzute, cauciucul își pierde continuu elasticitatea, iar viteza cu care își reface capacitatea de acoperire a spațiului dintre suprafețe scade semnificativ.

3.2 Deformarea permanentă la compresie în stare rece crește

Deformarea permanentă prin compresie nu apare doar după îmbătrânirea la temperaturi ridicate. La temperaturi scăzute, inelele O pot produce, de asemenea, o «deformare permanentă prin compresie în stare înghețată»: sunt comprimate complet și nu-și pot recupera temporar grosimea secțiunii transversale. Cercetările privind HNBR la temperaturi scăzute arată că deformarea permanentă prin compresie este un indicator important pentru inelele O și alte aplicații similare de etanșare; în apropierea temperaturii de tranziție sticloasă, această deformare permanentă prin compresie poate crește semnificativ, ajungând chiar la niveluri ridicate în condiții de cercetare.

Acest tip de deformare permanentă prin compresie la temperaturi scăzute este uneori reversibilă: după creșterea temperaturii, o parte din material poate recupera forma inițială; totuși, în perioada de funcționare rece a echipamentului, această deformare este deja suficient de pronunțată pentru a cauza scurgeri.

3.3 Relaxarea tensiunii determină scăderea forței de etanșare

O-ringurile supuse compresiei pe termen lung într-o canelură își pierd treptat forța de etanșare, fenomen cunoscut sub denumirea de relaxare a tensiunii. La temperaturi scăzute, materialul se contractă și are dificultăți în recuperarea formei inițiale; dacă, în același timp, au loc fluctuații de presiune, modificări bruscă ale jocului sau cicluri termice, marja de siguranță a tensiunii de contact scade în continuare. Cercetările privind o-ringurile hidraulice pentru aplicații în adâncimea mărilor evidențiază, de asemenea, faptul că, la temperaturi scăzute, contracția volumetrică a cauciucului și relaxarea tensiunii determină o deteriorare progresivă a etanșării, iar marja de siguranță față de o mărire bruscă a jocului scade vizibil.

4. De ce este scurgerea gazelor mai ușoară în special la temperaturi scăzute?

Etanșarea gazelor este mai sensibilă decât etanșarea lichidelor, deoarece vâscozitatea și tensiunea superficială oferă o constrângere mai slabă; este suficient un canal microscopically continuu foarte mic pentru a permite scurgerea. La temperaturi scăzute, canalele de scurgere nu apar, de obicei, prin „ruperea completă” a o-ringului, ci încep cu o pierdere microscopică a contactului pe suprafața de etanșare.

Procesul tipic este următorul:

• Temperatura scade, iar inelul O și canelura metalică se contractă simultan.
• Contractarea termică a cauciucului este de obicei mai evidentă decât cea a metalului; cantitatea reală de compresie și lățimea de contact scad ambele.
• Revenirea cauciucului încetinește și nu poate compensa modificarea dimensiunii canelurii.
• Apare un microcanal continuu între vârfurile aspre ale etanșării.
• Gazul scapă de-a lungul interfeței.

Într-un studiu privind scurgerile de gaz la temperaturi joase ale inelului O din HNBR s-a observat că, atunci când temperatura este sub valoarea apropiată de Tg a materialului, rata de scurgere a aerului crește brusc; cercetătorii consideră că principala cauză este contractarea termică insuficientă a cauciucului la temperaturi joase și capacitatea redusă de revenire, ceea ce determină desprinderea etanșării de suprafața de contact.

Aceasta explică un fenomen frecvent observat pe teren: inelul O nu este fisurat, nu este rupt și are o înfățișare normală; totuși, echipamentul scapă gaz în stare rece, iar scurgerea se atenuează sau dispare după creșterea temperaturii.

5. Tranziția sticlă, fragilitatea și scurgerile la temperaturi joase nu sunt concepte identice

În analiza etanșării la temperaturi scăzute, Tg, TR10, temperatura de casare și deformarea permanentă la compresie la temperaturi scăzute sunt adesea confundate, dar reprezintă probleme diferite.

Testul de casantitate al cauciucului conform ASTM D2137 are ca obiectiv evaluarea apariției de zgârieturi sau deschideri ale stratului de acoperire sub impact la temperaturi scăzute; acest indicator indică, de asemenea, faptul că această normă se aplică reglementărilor și cercetării-dezvoltării, dar nu reflectă neapărat temperatura minimă de utilizare a materialului. De asemenea, ASTM D746 precizează că metoda sa de testare a temperaturii de casantitate este destinată evaluării cedării fragile a materialului în condiții reglementate și nu corespunde neapărat temperaturii optime de utilizare a materialului în aplicații reale.

Prin urmare, faptul că un material nu se crăpește nu înseamnă în mod obligatoriu că nu prezintă scurgeri; eșecul etanșării la temperaturi joase al inelelor O se manifestă adesea sub forma unei tensiuni de contact insuficiente, nu sub forma unor crăpături vizibile intuitiv.

6. De ce este TR10 mai important decât «gama de rezistență la frig»?

TR10 este un indicator foarte important pentru selecția materialelor de etanșare la temperaturi joase. ISO 2921 este procedura standard pentru determinarea temperaturii de retragere la temperaturi joase a cauciucului vulcanizat, utilizată pentru stabilirea caracteristicii de recuperare în funcție de temperatură a cauciucului supus la tensiune.

Testarea TR10 întinde de obicei cauciucul cu 25% sau 50%, îl răcește la temperaturi joase, apoi înregistrează temperatura la care acesta se contractă cu 10%; cu cât această temperatură este mai scăzută, cu atât materialul își păstrează o anumită capacitate de recuperare elastică la temperaturi mai joase.

În domeniul ingineriei se poate înțelege, de obicei, astfel:

Cu cât valoarea TR10 este mai scăzută, cu atât este mai apropiată de temperatura minimă din condițiile de funcționare sau chiar mai mare decât aceasta, cu atât este mai mic riscul de scurgere la temperaturi joase.

Datele experimentale afișate indică faptul că, în cazul garniturilor toroidale (O-ring) dinamice sau supuse presiunii, se acordă de obicei o atenție deosebită capacității de etanșare în apropierea valorii TR10; în condiții statice de funcționare cu cerințe reduse, temperatura poate scădea uneori cu 10–15 °C sub TR10 și totuși menține etanșarea tehnică, dar acest lucru depinde de material, structură și metodologia testului de detectare a scurgerilor. Un alt manual tehnic pentru garnituri toroidale enunță un principiu similar: etanșarea statică permite de obicei o scădere de aproximativ 10 °C sub TR10, în timp ce etanșarea dinamică necesită o apropiere mai strânsă de valoarea TR10; în plus, modificările de contracție și umflare provocate de mediul de lucru influențează limita reală.

7. În condițiile de înaltă presiune și temperatură scăzută trebuie, de asemenea, luată în considerare deplasarea valorii Tg / TR10

În scenarii cu gaze la presiune ridicată, supape ulei-gaz, sisteme de hidrogen, hidraulică aerospațială și altele, nu se poate lua în considerare doar Tg sau TR10 la presiune normală. Datele privind materialele la presiune ridicată ale Trelleborg indică faptul că, la temperaturi scăzute și presiune ridicată, răspunsul elastomerului utilizat pentru compresie poate determina o deplasare în sus a temperaturii de tranziție sticlă (Tg) a polimerului; proiectanții trebuie să țină cont de această deviere a lui Tg atunci când proiectează etanșări pentru temperaturi scăzute și presiuni ridicate.

Aceasta înseamnă că un material care pare calificat la presiune normală, pe baza valorilor TR10 sau Tg, ar putea pierde prematur flexibilitatea în prezența gazelor la presiune ridicată. Acest aspect este deosebit de important pentru supapele la temperaturi scăzute, echipamentele la presiune ridicată cu gaze, echipamentele pentru hidrogen și etanșările din sondele de petrol și gaze.

8. Aspectul în teren al diferitelor moduri de defectare la temperaturi scăzute

8.1 Filtrare rece, fără scurgeri în stare caldă

Acesta este un caz tipic de recuperare insuficientă la temperaturi scăzute sau de separare interfațială. Activitatea lanțurilor moleculare ale inelului O se restabilește după încălzire, iar tensiunea de contact și secțiunea transversală se regăsesc corespunzător, ceea ce duce la reducerea scurgerilor.

8.2 Scăpare de gaz la pornirea rece, se îmbunătățește după o perioadă de funcționare

Poate fi datorată revenirii temperaturii, creșterii temperaturii mediului sau recuperării treptate a materialului. Dacă echipamentul trebuie să asigure etanșeitate la gaz în stadiul pornirii reci, acest tip de material rămâne neconform.

8.3 Scăpare de gaz la temperaturi scăzute după staționare prelungită

Cu cât durata expunerii la frig este mai lungă, cu atât cristalizarea devine mai evidentă, relaxarea tensiunii mai pronunțată și recuperarea compresiei mai insuficientă. Calificarea într-un test de temperaturi scăzute de scurtă durată nu implică calificarea pentru staționare prelungită în aer liber, zboruri aeronautice la altitudine mare sau funcționare prelungită în camere frigorifice.

8.4 Scăpare repetată la temperaturi scăzute după îmbătrânire termică

Îmbătrânirea la temperaturi ridicate sau sub acțiunea mediului determină deformare permanentă prin compresie, îndurire, contracție sau pierdere de plastifiant; ulterior, la temperaturi scăzute, rezerva de revenire a garniturii inelare O este redusă, iar scăpările devin mai probabile.

8.5 Defecțiuni ale etanșării dinamice la temperaturi scăzute: blocare, uzură, scăpare

Etanșările dinamice, pe lângă pierderea tensiunii de contact, necesită și coeficient redus de frecare și revenire rapidă. La temperaturi scăzute, materialul se îndurește, frecarea crește, lubrifierea se deteriorează, iar buza de etanșare sau inelul O pot să nu urmărească rapid suprafața de contact, provocând scurgeri intermitente, mișcare neregulată (crawl), răsucire sau uzură.

9. Selecția materialului nu trebuie să conțină doar mențiunea «rezistent la frig»

Pentru aplicații din domeniul refrigerării, aerospace, echipamentelor exterioare și a robinetelor pentru medii cu temperaturi scăzute, pagina de materiale trebuie să descompună termenul «rezistent la frig» în indicatori verificabili, nu doar să specifice o singură plajă de temperaturi.

Câmpurile recomandate sunt următoarele:

10. Logica de selecție la temperaturi scăzute pentru materialele frecvent utilizate

NBR / NBR la temperaturi scăzute

Performanța la temperaturi scăzute a NBR este strâns legată de conținutul de acrilonitril, de formulare și de sistemul de umplutură. NBR-ul pentru temperaturi scăzute poate îmbunătăți flexibilitatea la temperaturi scăzute, dar, în general, necesită un compromis între rezistența la ulei, compatibilitatea cu combustibilul și revenirea la temperaturi scăzute. Se aplică în medii cu ulei, glicol apoasă, sisteme hidraulice generale și aplicații de refrigerare; este obligatorie confirmarea compatibilității cu mediul respectiv.

HNBR

HNBR are o rezistență termică, o rezistență la ulei și proprietăți mecanice superioare față de NBR obișnuit, dar performanța la temperaturi scăzute depinde în continuare în mare măsură de formulare. Pentru echipamentele care funcționează la temperaturi scăzute și sunt expuse la gaze sau la amestecuri de ulei și gaze, nu este suficient să se ia în considerare doar denumirea HNBR; trebuie solicitate valorile TR10, deformarea permanentă la compresie la temperaturi scăzute și testele reale de etanșeitate.

EPDM

EPDM este de obicei potrivit pentru apă, abur, lichide de răcire, ozon din aer liber și medii rezistente la frig, dar nu este potrivit pentru majoritatea produselor petroliere. Se folosește la echipamente exterioare, conducte de apă de răcire și sisteme cu glicol etilic la temperaturi scăzute; trebuie verificate TR10 și capacitatea de recuperare la temperaturi scăzute pentru formularea specifică.

VMQ/Cauciuc siliconic

Flexibilitatea la temperaturi scăzute a cauciucului siliconic este de obicei bună, dar rezistența la rupere, rezistența la uzură, rata de permeabilitate pentru gaze și compatibilitatea cu uleiuri și combustibili pot constitui limitări. Este potrivit pentru anumite etanșări statice la temperaturi scăzute, în domeniile alimentar și medical, precum și în medii supuse încărcării, dar nu este neapărat potrivit pentru gaze la presiune înaltă sau uzură dinamică intensă.

FVMQ/Cauciuc fluorosiliconic

Cauciucul fluorosiliconic oferă un echilibru mai bun între flexibilitatea la temperaturi scăzute și compatibilitatea cu combustibili și uleiuri, fiind frecvent utilizat pentru etanșarea statică a combustibililor în domeniul aerospace și a produselor uleioase la temperaturi scăzute. Totuși, rezistența mecanică și rezistența la uzură necesită evaluare și nu poate fi înlocuit simplu în toate aplicațiile cu FKM sau NBR.

FKM / FKM pentru temperaturi scăzute

FKM obișnuit este cunoscut pentru rezistența sa la temperaturi ridicate, la ulei și la medii chimice, dar revenirea la temperaturi scăzute este adesea slabă. Pentru supapele de temperaturi scăzute, combustibilul aerospațial și echipamentele pentru produse petroliere utilizate în aer liber, se recomandă în mod prioritar utilizarea FKM-ului pentru temperaturi scăzute și a unor formulări similare specializate, verificându-se valorile TR10, Tg și deformarea permanentă la compresie la temperaturi scăzute.

FFKM

Avantajul FFKM-ului constă în rezistența extremă la substanțe chimice și la temperaturi ridicate, dar multe formulări obișnuite de FFKM au o elasticitate scăzută la temperaturi joase. În cazul supapelor de înaltă presiune și temperaturi scăzute sau al echipamentelor pentru gaze și petrol care necesită neapărat utilizarea FFKM, trebuie selectată o formulare FFKM pentru temperaturi scăzute și verificată etanșeitatea la presiune ridicată și temperaturi scăzute.

Datele Trelleborg arată, de asemenea, că diferențele în răspunsul TR10/Tg ale diferitelor formulări FFKM pentru temperaturi scăzute, în condiții de presiune ridicată, sunt semnificative.

11. Cum reduce proiectarea structurii riscul de scurgeri la temperaturi scăzute?

Materialul este doar primul pas; inelele O pentru temperaturi scăzute trebuie, de asemenea, să fie controlate din punct de vedere al riscurilor prin proiectarea canalelor și a asamblării.

În primul rând, asigurați o comprimare suficientă la Tmin. Trebuie calculată diferența de contracție termică dintre canalul metalic și cauciuc; nu se poate proiecta doar pe baza dimensiunilor convenționale.

În al doilea rând, etanșările statice pot crește în mod corespunzător gradul de comprimare sub presiune, dar nu pot depăși limitele de umplere a canalului și ale asamblării. Un grad insuficient de comprimare va duce prematur la scurgeri; un grad excesiv de comprimare poate provoca deteriorarea asamblării, extrudarea datorită dilatării termice, creșterea frecării sau deformarea permanentă.

În al treilea rând, etanșările dinamice nu pot crește arbitrar gradul de comprimare. La temperaturi scăzute, frecarea crește; un grad excesiv de comprimare va duce la rezistență la pornire, uzură, răsucire și mișcare neregulată.

În al patrulea rând, controlați rugozitatea și rotunjimea suprafeței de etanșare. La temperaturi scăzute, capacitatea cauciucului de a umple vârfurile aspre scade; rugozitatea suprafeței influențează mai mult etanșeitatea.

Al cincilea, utilizați inele de sprijin, inele de susținere sau structuri cu arc pentru încărcare, atunci când este necesar. La presiune înaltă și temperatură scăzută, etanșarea gazelor care se bazează exclusiv pe capacitatea proprie de revenire a cauciucului implică un risc mai mare; o etanșare din PTFE cu arc pentru încărcare, un O-ring încapsulat, o etanșare cu secțiune transversală specială sau o etanșare metalică pot fi mai fiabile.

Al șaselea, grăsimea de ungere trebuie să fie compatibilă cu temperaturile scăzute. Grăsimea obișnuită de ungere devine vâscoasă sau se îngheață la temperaturi scăzute, ceea ce crește frecarea și afectează ajustarea interfeței; în special, este necesară verificarea compatibilității grăsimii de ungere cu cauciucul, mediul și temperatura minimă în aplicațiile supapelor la temperaturi scăzute și în domeniul aerospace.

12. Metoda recomandată de verificare

Pentru instalațiile frigorifice, aerospace, echipamentele exterioare și supapele la temperaturi scăzute, se recomandă ca verificarea la temperaturi scăzute să fie un test combinat, nu un test unic al materialelor.

Circuitul de teste recomandat:

• Nivelul material: Tg, TR10, temperatura de casare, deformare permanentă la compresie la temperaturi scăzute.
• Nivelul mediilor: reverificarea dimensiunii, durității, TR10 și a deformării permanente la compresie după imersare în refrigerent, ulei, combustibil, aer, CO₂, hidrogen sau în mediile reale.
• Nivelul structurii: corespondența cu canelura reală, cu cantitatea reală de compresie și cu rugozitatea reală a suprafeței garniturii O-ring montate.
• Nivelul condițiilor: expunerea la frig extrem până la temperatura minimă, menținerea timpului necesar, apoi efectuarea testului de etanșeitate la gaz.
• Nivelul ciclurilor: cicluri de temperatură ridicată și scăzută, cicluri de presiune, cicluri de pornire-oprire, urmate de retestarea scurgerii.
• Nivelul îmbătrânirii: după îmbătrânirea termică sau îmbătrânirea în mediu, se retestează comportamentul la temperaturi scăzute.

Cerințele minime nu trebuie să fie doar «material rezistent la -40 °C», ci trebuie formulate astfel:

La -40 °C, în mediul specificat, la presiunea specificată, după timpul specificat de expunere la frig, în canelura și cu rugozitatea suprafeței specificate, rata de scurgere ≤ valoarea țintă; garnitura O-ring nu trebuie să prezinte fisuri, nici o deformare permanentă anormală și trebuie să mențină o revenire acceptabilă înainte și după test.