1. Почему хладагент и холодильное масло сокращают срок службы уплотнительных колец

О-кольца в холодильных системах одновременно подвергаются трём воздействиям.

Во-первых, набухание или вымывание среды. Малые молекулы хладагента проникают в резиновую сетку, вызывая изменения массы, объёма, твёрдости, предела прочности при растяжении и удлинения; хладагентное масло также может проникать в резину и вымывать пластификаторы и добавки, что приводит к тому, что материал сначала размягчается, а затем уплотняется, либо сжимается после прекращения действия хладагента. Данные Chemours по R134a прямо указывают, что набухание, потеря пластификаторов и изменения механических свойств не следует оценивать на основе одного лишь хладагента, поскольку ни одна группа резин не обеспечивает совместимость со всеми заменяющими хладагентами.

Во-вторых, низкая способность к восстановлению при термоциклировании при низких температурах и неудовлетворительная устойчивость к остаточной деформации при сжатии. Применения при низких температурах — в холодильных установках, испарителях и на стороне всасывания — требуют низкой остаточной деформации при сжатии; аналогичные требования предъявляются к условиям высоких температур — в компрессорах, на стороне нагнетания и в тепловых насосах. Степень, в которой О-кольцо необратимая деформация при длительном сжатии характеризует потерю силы уплотнения; чем выше значение, тем быстрее теряется сила уплотнения.

В-третьих, риск, связанный с циклическим давлением и быстрой декомпрессией. Системы на основе HFC/HFO в первую очередь ориентированы на растворимость, проникновение и остаточную деформацию при сжатии; в системах на основе CO₂/R744 также необходимо учитывать повреждения, вызванные быстрой декомпрессией — молекулы CO₂ проникают в резину под высоким давлением, а резкое снижение давления может привести к внутреннему вспучиванию резины, образованию трещин или даже разрыву уплотнительного кольца типа O-образного.

2. Выбор материалов в первую очередь по типу хладагента

А. R134a / HFC + PAG или POE: основной сценарий для автомобильных кондиционеров и традиционных холодильных систем

R134a обычно используется совместно с маслом PAG в автомобильных кондиционерах и с маслом POE в холодильниках, компрессорах и оборудовании частичной нагрузки. Для уплотнительных колец типа O-образного материал должен быть проверен совместно по отношению к хладагенту HFC, маслу PAG/POE, термоустойчивости, остаточной деформации при сжатии и потерям при монтаже. Данные компании Chemours показывают, что совместимость R134a с резиной, металлами и эластомерами требует верификации в каждом конкретном проекте; растворимость масла POE в HFC-134a обычно определяется производителем компрессоров или оборудования (OEM) на основе испытаний.

Рекомендуемые направления:

В ПАРКЕР в справочнике по уплотнительным кольцам O-Ring Handbook соединения CR указаны как часто применяемые для хладагентов R134a или R22 и аналогичных хладагентов; типичный статический диапазон температур — от −40 до +100 °C; диапазон температур HNBR обычно составляет от −35 до +150 °C; стандартные марки NBR — в основном от −35 до +100 °C; EPDM — обычно от −50 до +150 °C. Такая температурная стратификация объясняет следующее: NBR может быть недорогим, однако при длительной эксплуатации в автомобильных системах кондиционирования воздуха, где присутствуют высокие температуры, кислород и требования к остаточной деформации при сжатии, его не следует использовать в качестве базового выбора.

B. R1234yf / HFO + PAG или POE: электромобили (EV), системы кондиционирования воздуха в легковых автомобилях, тепловые насосы

R1234yf — это хладагент на основе HFO и стал важным направлением замены для автомобильных кондиционеров. Данные компании Chemours обозначают Opteon YF как R-1234yf/HFO-1234yf; он классифицируется как A2L по стандартам ASHRAE и ISO 817 в отношении безопасности: его эксплуатационные характеристики и производительность схожи с R134a, однако необходимо использовать специально разработанное масло PAG или POE, предназначенное именно для R1234yf, и его нельзя рассматривать как простую замену при модернизации.

Что касается совместимости материалов, данные испытаний Chemours по совместимости эластомеров при постоянной деформации при температуре 100 °C в течение 2 недель при сравнении R1234yf и R134a показали, что изменение массы HNBR при погружении в R134a было больше, чем при погружении в HFO-1234yf; изменение массы EPDM явно превышало аналогичные показатели для HNBR, NBR, EPDM и CR-материалов. Viton® продемонстрировал наилучшую стойкость, однако результаты могут различаться в зависимости от производителя и технологии изготовления материала, поэтому информацию следует запрашивать у поставщиков материалов.

Рекомендации по выбору:

Примечание: систему R134a нельзя просто заменить на R1234yf, а R1234yf нельзя смешивать с R134a. Компания Chemours прямо указывает, что система R1234yf оснащена уникальными соединительными элементами; смешивание хладагентов считается перекрёстным загрязнением, а компоненты системы разработаны специально для конкретного хладагента.

C. Смесь хладагентов HFC/HFO + POE/PVE: тепловые насосы, коммерческое холодильное оборудование, охлаждающие системы

Тепловые насосы и коммерческое холодильное оборудование обычно используют хладагенты HFC, HFO или их смеси; в большинстве продуктов применяются масла POE, PVE или специальные смесевые масла. В этом случае выводы, полученные для R134a или R1234yf, нельзя напрямую применять к системам с R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze и аналогичными хладагентами, поскольку различаются полярность, давление паров, рабочая температура, растворимость масла в хладагенте и состав присадок.

Логика первоначального отбора:

Цель стандарта ASHRAE 97 — оценка совместимости уплотнительных материалов с компонентами холодильной системы посредством испытания в запаянных стеклянных трубках; в трубку помещают хладагент, смазочный материал и тестируемые материалы, затем её герметизируют; после старения трубку вскрывают и проводят качественный или количественный анализ для оценки совместимости или химической стабильности.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE или PAO: тепловые насосы высокого давления, коммерческое холодильное оборудование, автомобильные тепловые насосы

CO₂/R744 — это ещё одна категория проблем. Его химическая коррозионная активность не обязательно высока, однако риск высокого давления, проникновения и взрывного декомпрессионного разрушения очень велик. Данные Parker по уплотнительным материалам для систем кондиционирования с CO₂ указывают, что рабочее давление в системе R744 значительно выше, чем в системе R134a: давление R744 может достигать 150–160 бар, а температура — до 180 °C; при выборе мягких уплотнительных материалов особое внимание следует уделить их устойчивости к взрывной декомпрессии.

Parker перечисляет следующие материалы для уплотнений в системах кондиционирования с CO₂: EPDM, FKM, HNBR и EPDM/BIIR, подчёркивая, что эти материалы должны обеспечивать рабочий диапазон температур от −55 до +200 °C, совместимость с маслами PAG/PAO/POE, низкую проницаемость и превосходную устойчивость к взрывной декомпрессии.

Рекомендации по выбору R744:

Для CO₂/R744 нельзя использовать обычные автомобильные заменители уплотнительных колец. Даже если указано то же самое название материала — HNBR или EPDM — необходимо уточнять, предназначено ли оно специально для R744: с низкой проницаемостью и устойчивостью к взрывной декомпрессии.

3. Как сравниваются материалы

HNBR: Основной выбор для автомобильных систем кондиционирования

Преимущества HNBR — это высокая стойкость к маслам и нагреву, механическая прочность и низкое остаточное сжатие в совокупности. Для систем хладагента R134a, R1234yf и масел PAG, POE материал HNBR обычно является предпочтительным выбором для уплотнительных колец O-типа, статических уплотнений компрессоров и уплотнений регулирующих клапанов в автомобильных системах кондиционирования. Данные Parker показывают, что несколько марок HNBR обеспечивают рабочий диапазон от −35 °C / −40 °C до +150 °C, а некоторые марки с пониженной температурой применения специально обозначены для эксплуатации при низких температурах.

Применение: автомобильные системы кондиционирования, трубопроводы для хладагентов R134a / R1234yf, статические уплотнения компрессоров, элементы систем тепловых насосов.

Примечание: содержание акрилонитрила (ACN), степень гидрогенизации, система вулканизации и наполнители в составе HNBR существенно влияют на восстановление эластичности при низких температурах, набухание и остаточное сжатие.

EPDM: хорошая стойкость к низким температурам, озону и термическому старению; совместимость с маслом требует подтверждения

Низкотемпературные характеристики EPDM, стойкость к озону и термическое старение хорошие; в сравнении хладагентов R134a/R1234yf от Chemours выбор EPDM по изменению массы относительно невелик. Однако EPDM не подходит по своей природе для всех типов масел, особенно для специализированного EPDM для R744 — «EPDM, устойчивый ко всем PAG/POE/добавленным хладагентам», требующего специальной формулы. Специализированный EPDM для R744 или EPDM/BIIR могут рассматриваться как кандидаты для высоконапорных систем CO₂, но требуют индивидуальной оценки в каждом случае.

FKM: термостойкий материал с низкой проницаемостью, но не универсальный для R134a/R1234yf

Преимущества FKM — высокая термостойкость, стойкость к старению, низкая газопроницаемость и широкая химическая совместимость; данные Parker указывают, что марки Viton® применимы при высоких температурах, в горячих маслах, ароматических растворителях и в широком спектре химических сред; в испытаниях Chemours на эластомерах с фиксированной деформацией для R1234yf/R134a изменение массы Viton® явно ниже, чем у HNBR, NBR, EPDM и CR.

Поэтому FKM в системах охлаждения должен соответствовать конкретному бренду и проходить проверку на совместимость с конкретными хладагентами; его не следует понимать как «FKM — премиальный материал, следовательно, подходит для всех хладагентов».

NBR: низкая стоимость, но не рекомендуется в качестве базового выбора для автомобильных кондиционеров длительного применения

NBR отличается низкой стоимостью, хорошей стойкостью к минеральным маслам и определённой стабильностью продукции, однако устойчивость к воздействию окружающей среды — в частности, термостойкость, озоностойкость и долговременная устойчивость к деформации при сжатии — в целом ниже, чем у HNBR. На диаграмме Parker указан типичный рабочий температурный диапазон для NBR: от −35 до +100 °C. Материал может применяться в условиях, где важна низкая стоимость и невысокие требования к температуре и давлению, однако не рекомендуется в качестве базового решения для автомобильных кондиционеров с хладагентом R1234yf, тепловых насосов или зон компрессоров с высокой температурой.

CR: традиционные хладагенты совместимы, но возможности при высоких температурах ограничены

CR/хлоропреновая резина имеет длительную историю применения в традиционных хладагентах; в таблице Parker также указано, что CR часто используется с R134a или R22, а её типичный верхний температурный предел составляет около 100 °C. Для современных автомобильных систем кондиционирования и высокотемпературных тепловых насосов CR зачастую уже не является предпочтительным решением.

VMQ/FVMQ: низкотемпературные характеристики — хорошие, но при высоком давлении и проницаемости требуется особая осторожность

Силиконовая резина и фторсиликоновая резина обладают низкой эластичностью при низких температурах и подходят для некоторых статических уплотнений при низких температурах. Однако их механическая прочность, сопротивление разрыву, газопроницаемость и устойчивость к выдавливанию при высоком давлении обычно ниже требуемых значений. При использовании в системах хладагентов их применение следует ограничить статическими уплотнениями при низких нагрузках, а также обязательно провести полную проверку на герметичность и термоциклирование.

4. Конструкция не может основываться исключительно на замене материалов

Выход из строя уплотнительных колец в системах охлаждения зачастую вызван не только материалом, но и совокупным влиянием материала, формы канавки и технологического процесса.

Запас на набухание. Справочник Parker указывает, что статическое уплотнение может допускать набухание среды на 25–30 % по объёму, однако набухание среды в динамическом уплотнении обычно не должно превышать 10 %; чрезмерное набухание повышает риск выдавливания при снижении сжатия.

Противовыдавливание. В системах высокого давления, компрессорах и системах CO₂/R744 необходимо уменьшить зазор, подверженный выдавливанию, и при необходимости использовать опорные кольца; высокое давление смещает уплотнительное кольцо типа O-образного сечения в сторону зазора низкого давления, вызывая его выдавливание, а опорные кольца снижают этот риск.

Выбор твёрдости. твёрдость 70 A обычно применяется для общих статических уплотнений и соединений труб кондиционеров автомобилей; твёрдость 80 A используется при более высоком давлении или повышенных требованиях к сборке; твёрдость 90 A обычно применяется в системах CO₂/R744, компрессорах высокого давления или там, где требуется противовыдавливание, однако при этом могут снизиться способность к восстановлению при низких температурах и эффективность герметизации при сборке.

Проверка при низких температурах. Нельзя ориентироваться только на значение «−40 °C» в техническом паспорте материала. При испытаниях автомобильных тепловых насосов и низкотемпературных холодильных систем необходимо проверять параметры TR10, восстановление сжатия при низких температурах, утечки при холодном запуске и утечки при термоциклировании; уплотнительные резиновые кольца при низких температурах твердеют, сжатие становится недостаточным — наиболее вероятны утечки в моменты запуска после стоянки при низких температурах.

Поверхность и сборка. Уплотнительные кольца O-образного сечения в местах соединения трубопроводов часто повреждаются: возникают порезы, перекручивание, сухая сборка и трение при монтаже. Необходимо контролировать фаску, шероховатость поверхности, применение смазки при сборке и совместимость смазки с хладагентом по герметичности; в системах с хладагентами R1234yf и CO₂ также следует избегать масел, которые могут загрязнить систему или затруднить обнаружение утечек.

5. Рекомендуемый процесс верификации

Для выбора уплотнительных колец O-образного сечения для хладагента и хладильного масла рекомендуется провести как минимум четыре категории верификационных испытаний:

ASTM D471 охватывает изменение качества, объёма, твёрдости, предела прочности при растяжении и удлинения резины после погружения в жидкость и является базовым методом для предварительной оценки совместимости с хладагентным маслом. Однако сам хладагент — не единственная важная жидкость, и испытания следует проводить совместно с тестированием в условиях присутствия нагнетаемого хладагента и масла. Trelleborg также отмечает, что таблицы совместимости основаны на общедоступных данных и лабораторных испытаниях, а краткосрочные испытания при комнатной температуре не могут в полной мере отразить реальные эксплуатационные условия; пользователи должны подтвердить совместимость путём испытаний в конкретных условиях применения.

Для высоконапорных систем с CO₂/R744 также необходимо добавить испытание на быстрое газовое разложение (RGD)/аварийное экспансивное разложение (AED). Стандарты ISO 23936-2 и NORSOK M710 регламентируют подтверждение пригодности неметаллических материалов; приложение B к NORSOK M710 как раз определяет метод испытания на быстрое газовое разложение, также известный как испытание на аварийное экспансивное разложение.

6. Рекомендации по выбору для клиентов

Клиенты в сфере автокондиционирования

Уплотнительные кольца O-образного сечения для трубных соединений хладагентов R134a или R1234yf: приоритетный выбор — HNBR 70A/80A; для соединений на стороне высокого давления и компрессора можно рассмотреть HNBR 80A/90A. Для тепловых насосов новых энергетических транспортных средств и электрических компрессоров необходимо отдельно подтвердить совместимость с маслом POE или специализированным маслом PAG — недопустимо полагаться исключительно на опыт применения в традиционных автомобилях с хладагентом R134a и маслом PAG.

Клиенты, использующие тепловые насосы

Основная сложность систем тепловых насосов — широкий диапазон рабочих температур «низкая–высокая», требующий одновременного обеспечения низкотемпературного восстановления на всасывающей стороне и высокотемпературного сжатия на выхлопной стороне. Рекомендуется в первую очередь оценивать эластомеры, устойчивые к низким температурам: HNBR, EPDM и проверенные марки FKM — а не ограничиваться выбором исключительно по стандартным таблицам совместимости с рабочими средами.

Клиенты, использующие компрессоры

Основное внимание при уплотнениях компрессоров уделяется стойкости к высокотемпературному хладагентному маслу, растворимости в хладагенте, импульсному давлению и длительному сжатию. HNBR — распространённый выбор; в зоне высоких температур можно оценить специальные марки FKM, но их совместимость необходимо проверить в реальном хладагентном масле и хладагенте. Компрессоры для CO₂ должны проектироваться согласно логике герметизации высокого давления для R744.

Заказчики оборудования для холодильных установок на CO₂/R744

Приоритетом является требование от поставщика предоставить данные о составе материалов, специально разработанных для R744/CO₂, включая устойчивость к взрывной декомпрессии, низкую проницаемость, циклическую нагрузку давлением, восстановление при низких температурах, совместимость с маслами PAG/POE/PAO. Обычные марки HNBR, EPDM и FKM не являются достаточным подтверждением.

7. Параметры, обязательные к подтверждению при закупке или технической коммуникации

При запросе коммерческих предложений от поставщиков уплотнительных деталей необходимо как минимум указать следующую информацию:

8. Наиболее распространённые ошибки

Ошибка первая: учёт только хладагента, а не хладагентного масла. Способность к набуханию и низкотемпературные характеристики ПАГ, ПОЭ, ПАО и ПВЭ различаются; масло зачастую определяет набухание и охрупчивание резины в большей степени, чем хладагент.

Ошибка два: прямое применение опыта работы с R134a к R1234yf. Производительность R1234yf близка к R134a, однако система, масло, требования безопасности класса A2L и сервисный интерфейс полностью отличаются; материалы также должны быть независимо проверены на совместимость с R1234yf и указанным маслом.

Ошибка три: убеждённость в том, что FKM всегда лучше HNBR. FKM обладает преимуществами при высоких температурах и низкой проницаемости, однако в испытаниях выбора материалов для R134a/R1234yf изменение массы Viton® не обязательно минимально; необходимо проверить конкретную рецептуру и реальные результаты испытаний.

Ошибка четыре: выбор CO₂/R744 только по химической совместимости. Ключевой риск R744 — высокое давление, проницаемость, быстрая декомпрессия, сопротивление выдавливанию и восстановление при низких температурах; обычные таблицы совместимости хладагентов недостаточны.

Ошибка пять: использование цвета как подтверждения материала. Зелёные уплотнительные кольца часто применяются в автомобильных кондиционерах на основе HNBR, однако цвет не является подтверждением материала; необходимо проверить марку материала, партию, твёрдость, отчёт об испытаниях и подтверждение применения.