An Anelul O nu etanșează prin «închiderea unei breșe» — se bazează pe deformarea elastică produsă de comprimarea preliminară după montare, formând o tensiune de contact continuă între canelură și suprafața de asamblare; odată ce presiunea mediului crește, aceasta împinge în continuare segmentul O către partea cu presiune scăzută, consolidând și mai mult contactul etanșării — acest efect se numește efect de etanșare auto-energizant.

Un segment O poate fi înțeles ca un element elastic care «apasă activ și strâns pe suprafața de etanșare după comprimarea preliminară».

1. Esența etanșării cu segment O: nu este o închidere, ci o comprimare strânsă

Mulți clienți de nivel de intrare consideră că rolul garniturii inelare (O-ring) este de a etanșa complet spațiul dintre canelură și componentă.

Această înțelegere nu este suficient de precisă.

Situația reală este următoarea: microspațiile, rugozitatea suprafeței, toleranțele de asamblare și dilatarea termică/contracția la rece există întotdeauna între fețele mecanice în contact. O garnitură inelară nu poate umple întregul spațiu în mod complet, ca apa — ceea ce face de fapt este: prin comprimare elastică, să genereze o tensiune de contact suficientă pe fața de etanșare, astfel împiedicând scurgerea mediului.

Cu alte cuvinte, etanșarea cu garnitură inelară se bazează pe trei condiții fundamentale:

Fără comprimare preliminară, garnitura inelară doar stă în canelură; doar în prezența unei comprimări preliminare începe să dețină capacitatea de etanșare.

2. Ce se întâmplă în timpul instalării: Secțiunea transversală circulară este comprimată în plan

Secțiunea transversală a inelului O este inițial circulară. După instalarea în canelură și aplicarea componentei conjugate, inelul O este comprimat.

Acest lucru poate fi înțeles simplu astfel:

Înainte de instalare: secțiunea transversală a inelului O este rotundă.

După instalare: secțiunea transversală a inelului O este comprimată în plan, iar suprafața de etanșare superioară-inferioară sau interioară-exterioară este apăsată strâns.

Luând ca exemplu o etanșare radială, pe partea cu presiune scăzută și pe cea cu presiune ridicată, între acestea se află suprafața de contact, iar inelul O, apăsat împotriva canelurii, generează tensiune de contact — această tensiune de contact este foarte importantă.

Inelul O, după comprimare, produce o forță elastică de revenire. Această forță de revenire se transformă în tensiune de contact la interfața de etanșare. Atâta timp cât tensiunea de contact la interfața de etanșare este suficientă, mediile nu pot pătrunde ușor prin microgolurile dintre piesele metalice, plastice sau alte piese conjugate.

3. Pre-comprimare: Punctul de pornire al etanșării cu inel O

Pre-comprimarea, denumită și cantitate de comprimare, rată de comprimare sau strivire, reprezintă gradul în care inelul O este comprimat plan după montare.

De exemplu, un inel O cu diametrul secțiunii transversale de 3,00 mm, dacă după montare este comprimat efectiv la 2,55 mm, atunci cantitatea de comprimare este: 3,00 mm − 2,55 mm = 0,45 mm. Rata de comprimare este: 0,45 ÷ 3,00 = 15%.

Această rată de comprimare influențează direct performanța etanșării.

Așadar, un inel O nu este cu atât mai bun cu cât este mai comprimat. Este necesară o comprimare rațională. Pentru vânzări și achiziții, acest aspect este foarte important: nu lăsați clienții să se concentreze doar pe dimensiunea inelului O — trebuie să înțeleagă simultan și dimensiunea canalului, jocul de asamblare și presiunea de utilizare.

4. Tensiunea de contact: Forța reală care împiedică scurgerea

Cheia etanșării cu inel O nu este «există sau nu contact», ci «este sau nu contactul suficient de strâns».

Când inelul O este comprimat până devine plan, formează un inel continuu de zonă de contact cu suprafața de etanșare; tensiunea de compresiune pe această zonă este tensiunea de contact.

Acest lucru poate fi înțeles astfel: mediul dorește să pătrundă prin spațiul liber; inelul O folosește tensiunea de contact pentru a închide acest spațiu; atâta timp cât tensiunea de contact este suficientă, mediul nu poate pătrunde.

Dacă tensiunea de contact este prea scăzută, mediile pot pătrunde de-a lungul micropituri­lor de pe suprafață, a zgârieturilor sau a altor urme similare de rugozitate. Dacă tensiunea de contact este suficientă, garnitura în formă de inel O poate comprima aceste canale microscopice de scurgere, închizându-le. Prin urmare, etanșarea cu garnitură în formă de inel O nu se bazează pe «forma care se potrivește pur și simplu», ci pe «compresia continuă».

5. Deformarea elastică: De ce garnitura în formă de inel O poate apăsa îndelung împotriva feței de etanșare

Aneluri O sunt realizate, în general, din cauciuc sau materiale elastomerice, de exemplu NBR, FKM, EPDM, VMQ, HNBR etc.

Această categorie de materiale are o caracteristică importantă:

După comprimare, se deformează, dar tinde să-și recupereze forma inițială.

Această tendință de recuperare este elasticitatea.

După montare, garnitura în formă de inel O este comprimată în plan, dar continuă să încerce să-și recupereze secțiunea transversală circulară. Deoarece este constrânsă de canalul înconjurător și de fața de contact, nu poate recupera complet forma inițială, așadar continuă să exercite presiune către fața de etanșare.

Aceasta este forța de etanșare generată de deformarea elastică.

Dacă materialul își pierde elasticitatea, de exemplu din cauza îmbătrânirii, îndurerării, fragilității la temperaturi scăzute sau a unei deformări plastice excesive, garnitura inelară nu mai poate apăsa în continuare strâns pe suprafața de etanșare, iar forța de etanșare scade.

Aceasta este, de asemenea, cauza pentru care o garnitură inelară poate ceda după o perioadă de utilizare: nu pentru că „nu se află în poziția inițială”, ci pentru că și-a pierdut capacitatea suficientă de revenire elastică.

6. Când presiunea mediului crește: garnitura inelară este împinsă mai mult către partea cu presiune scăzută

Etanșarea cu garnitură inelară are o caracteristică foarte importantă: este activată de presiunea mediului.

Într-un sistem sub presiune, mediul pătrunde în spațiul liber al canalului dinspre partea cu presiune ridicată, exercitând o forță de împingere asupra garniturii inelare.

Această forță de împingere deplasează garnitura inelară către partea cu presiune scăzută, determinând-o să apese și mai strâns pe suprafața de etanșare și pe muchia canalului de pe partea cu presiune scăzută.

Un desen simplu: pe partea cu presiune ridicată, presiunea mediului împinge garnitura inelară către partea cu presiune scăzută.

Pe măsură ce presiunea crește, garnitura O produce un efect de compactare mai puternic.

Aceasta este așa-numita etanșare autoalimentată, denumită și etanșare asistată de presiune sau etanșare activată de presiune.

Logica sa de bază este: forța inițială de etanșare = generată prin precomprimare; forța de etanșare după creșterea presiunii = întărită suplimentar de presiunea mediului.

Astfel, într-un domeniu rațional de proiectare, cu cât presiunea este mai mare, cu atât contactul garniturii O pe partea cu presiune scăzută devine mai puternic și etanșarea mai strânsă.

7. Etanșarea autoalimentată nu se îmbunătățește în mod infinit

Aici trebuie subliniat în mod special:

Cu cât presiunea mediului este mai mare, cu atât contactul de etanșare devine mai puternic, dar acest lucru nu înseamnă că garnitura O poate rezista la presiuni infinite.

Etanșarea autoalimentată are o limită de proiectare.

Când presiunea mediului depășește domeniul admisibil pentru garnitura O, canelura și jocul de montaj, garnitura O poate ceda.

Modele tipice de cedare includ:

Deci personalul de vânzări sau tehnic nu poate spune simplu clienților: cu cât presiunea este mai mare, cu atât etanșarea inelului O este mai bună.

Enunțul mai precis ar trebui să fie: în interiorul intervalului permis de proiectare, presiunea mediului va consolida contactul de etanșare al inelului O; dar după depășirea limitelor materialelor, ale canalului, ale jocurilor și ale condițiilor de funcționare, inelul O poate fi extrudat, poate suferi o deformare permanentă sau poate fi deteriorat, provocând în cele din urmă scurgere.

8. Procesul complet al etanșării cu inel O

Etanșarea cu inel O poate fi împărțită în patru etape.

Etapa unu: Montare în canelură

Inelul O este plasat în canelură. În acest moment, dacă nu există încă o comprimare din partea componentei pereche, acesta este doar un element elastic, fără a forma neapărat încă o etanșare eficientă.

Etapa doi: Comprimare la asamblare

După montarea componentei pereche, inelul O este comprimat, generând o deformare elastică. În acest moment, se formează o tensiune inițială de contact și inelul O începe să dețină o capacitate de etanșare de bază.

Etapa trei: Presurizare cu mediu

Mediul pătrunde pe partea cu presiune ridicată, exercitând o forță de împingere asupra inelului O. Acesta este împins către partea cu presiune scăzută, iar contactul etanșării se consolidează suplimentar.

Etapa patru: Etanșare stabilă sau cedare

Dacă proiectarea este corectă, inelul O asigură o etanșare stabilă sub acțiunea presiunii. Dacă presiunea, temperatura, jocul, materialul sau proiectarea canelurii depășesc domeniul admisibil, poate surveni o cedare.

9. De ce inelele O nu sunt doar «închiderea simplă a spațiului»

Expresia «închiderea spațiului» generează ușor trei idei greșite.

Ideea greșită nr. 1: Atâta timp cât dimensiunea este apropiată, etanșarea este posibilă

Greșit.

Dimensiunea inelului O este doar baza. Ceea ce determină, de fapt, eficiența etanșării include, de asemenea: dimensiunea canalului; rata de compresie; rata de întindere; duritatea materialului; jocul dintre suprafețe; rugozitatea suprafeței; presiunea mediului; domeniul de temperatură; compatibilitatea cu mediu; dacă etanșarea este statică sau dinamică.

Același inel O, plasat într-un canal diferit, poate avea un efect de etanșare complet diferit.

Ideea greșită nr. 2: Cu cât inelul O este mai gros, cu atât este mai bun

Greșit.

Un inel O cu secțiune transversală mai groasă are, de obicei, o capacitate mai mare de tolerare la deformare, dar acest lucru nu înseamnă neapărat că este mai bun.

Dacă canalul nu este proiectat împreună cu inelul O, un inel prea gros poate cauza: dificultăți la montare; rată excesivă de compresie; forță de frecare excesivă; tăiere/deteriorare a inelului O; umplere excesivă a canalului; deformare sau expansiune a mediului fără spațiu pentru eliberare.

Un inel O trebuie proiectat împreună cu canelura — nu este o singură caracteristică pe care să o urmărim izolat, doar pentru a „arăta mai robust”.

A treia idee greșită: Cu cât presiunea este mai mare, cu atât etanșarea este mai fiabilă

Nu este complet corect.

Într-un domeniu rezonabil, presiunea generează un efect de etanșare auto-energizant. Dar dacă presiunea devine prea mare, inelul O este împins către jocul de montaj și poate apărea o cedare prin extrudare.

Când este necesară extinderea domeniului de presiune de proiectare, de obicei trebuie luate în considerare măsuri speciale: inel O cu duritate mai ridicată; joc de montaj mai mic; structură de canelură mai potrivită; adăugarea unui inel de sprijin; alegerea unui material cu rezistență superioară la extrudare; reevaluarea structurii de etanșare.

10. Diferențe între etanșările statice și cele dinamice

Etanșarea cu inel O se împarte în etanșare statică și etanșare dinamică.

Etanșeu static

Etanșarea statică este cea în care fețele de etanșare nu au, în esență, nici o mișcare relativă una față de cealaltă, de exemplu: flanșe, capete de închidere, racorduri pentru țevi, conexiuni ale corpului robinetelor etc.

În etanșările statice, inelul O se bazează în principal pe: comprimarea inițială + auto-energizarea prin presiunea mediului.

Etanșările statice au cerințe relativ scăzute legate de frecare, astfel încât se poate accepta o comprimare relativ mai slabă.

Etanșare dinamică

O etanșare dinamică este aceea în care există o mișcare relativă alternativă, rotativă sau oscilantă între fețele de etanșare, de exemplu etanșări pentru piston, tijă de ventil sau arbore.

În etanșările dinamice, pe lângă etanșare, trebuie luate în considerare și următoarele aspecte: frecare; uzură; lubrifiere; viteză; creștere de temperatură; rezistență la pornire; rugozitatea suprafeței; teșirea muchiilor canalului.

O etanșare dinamică nu poate urmări exclusiv o comprimare inițială mai mare.

Deoarece o comprimare prea strânsă, deși poate asigura inițial o etanșare mai bună, duce la creșterea frecării și a uzurii, ceea ce, la rândul său, scurtează durata de viață.

11. Înțelegerea cea mai importantă pentru personalul de vânzări și achiziții

Pentru personalul de vânzări și achiziții, mecanismul de etanșare al inelului O poate fi sintetizat în cinci propoziții:

Inelul O se bazează pe comprimarea inițială pentru a începe etanșarea. După asamblare, este comprimat plan, generând o tensiune inițială de contact.

Un inel O se bazează pe forța de revenire elastică pentru a menține etanșarea. Materialul trebuie să aibă o elasticitate suficientă pentru a putea apăsa îndelungat pe suprafața de etanșare.

Un inel O se bazează pe tensiunea de contact pentru a preveni scurgerile. Nu este doar o umplere a unei goluri, ci o comprimare care închide calea de scurgere.

Creșterea presiunii mediului consolidează etanșarea. Presiunea împinge inelul O către partea cu presiune scăzută, formând o etanșare auto-energizată.

Depășirea limitei de proiectare duce la eșec. Presiunea, temperatura, jocul, materialul și neconformitatea dintre designul canalei și inelul O vor duce toate la scurgeri sau deteriorare.