Низкая температура вызывает постепенный переход резины из высокоэластичного состояния в состояние замедленной эластичности, стеклообразное или локально хрупкое; одновременно О-кольцо тепловое сжатие, замедление восстановления формы и недостаточное восстановление сжатия приводят к тому, что контактное напряжение на уплотнительном интерфейсе не может поддерживаться непрерывно. Газовые уплотнения особенно чувствительны, поскольку микроскопические зазоры контакта или выступы шероховатости могут образовывать непрерывные микротечи, и даже при отсутствии видимых трещин на уплотнительном кольце оно всё равно может пропускать газ.

1. Для уплотнения уплотнительные кольца опираются не на «твердость», а на непрерывное контактное напряжение

О-кольца уплотнение при комнатной температуре в основном основано на трёх факторах:

Во-первых, величина монтажного сжатия создаёт начальное контактное напряжение в уплотнительном кольце.

Во-вторых, собственное эластичное восстановление резины обеспечивает непрерывное прилегание к пазу и сопрягаемой поверхности.

В-третьих, под действием давления уплотнительное кольцо дополнительно смещается в сторону уплотняемой поверхности, создавая эффект давления-помощника.

Таким образом, способность уплотнительного кольца к уплотнению по существу представляет собой:

Контактное напряжение ≥ давление среды + локальный риск утечки, вызванный шероховатостью поверхности.

Проблема низких температур заключается именно в том, что резина может оставаться «твердой», но уже теряет способность «восстанавливаться». Это создает иллюзию повышенной стойкости к давлению, однако на самом деле резина неспособна компенсировать микроразрывы в канавке, термическую усадку, колебания давления, шероховатость поверхности и незначительные изменения зазора. Современные моделирование и экспериментальные исследования О-образных уплотнительных колец при низких температурах также указывают на то, что основной причиной утечек при низких температурах являются термическая усадка, ограниченная способность к восстановлению, релаксация напряжений и производственные допуски.

2. Почему резина твердеет при низких температурах?

Упругость резины обусловлена подвижностью сегментов молекулярной цепи. При снижении температуры подвижность сегментов замедляется, а время, необходимое для проявления мягкости и эластичности материала, увеличивается; на макроуровне это проявляется как:

Модуль возрастает, твёрдость возрастает, относительное удлинение уменьшается, скорость отскока снижается, восстановление после сжатия ухудшается.

При дальнейшем понижении температуры вблизи температуры стеклования каучук постепенно переходит из состояния мягкого эластомера в стеклообразное состояние. В этот момент материал уже не проявляет свойств мягкого эластомера, а скорее напоминает жёсткое твёрдое тело. Исследования HNBR при низких температурах показывают, что уплотнительные детали изначально полагаются на отскок для компенсации остаточной деформации сжатия и разности зазоров при низких температурах; однако вблизи Tg эластичность материала значительно снижается, и даже незначительное отделение достаточно для возникновения утечки.

Следует отметить: упрочнение не эквивалентно улучшению уплотнения.

При фиксированном смещении и сжатии повышение модуля может кратковременно улучшить локальный отскок; однако если материал не способен восстановить деформацию, заполнить грубые микрозазоры или отрывается от уплотнительной поверхности вследствие термического сжатия, фактическая способность к уплотнению, напротив, снижается.

3. Почему происходит потеря отскока при низкой температуре?

Потеря отскока при низкой температуре в основном обусловлена тремя механизмами.

3.1 Замедление движения молекулярных цепей из-за их замерзания

При комнатной температуре после сжатия уплотнительного кольца O-образного сечения сегменты цепей способны быстро адаптироваться и обеспечивать эластичную поддержку. При низких температурах движение сегментов цепей ограничено, а процесс восстановления материала становится очень медленным. Испытания на остаточную деформацию при сжатии при низких температурах как раз предназначены для оценки степени снижения способности резины к отскоку после охлаждения; лабораторные данные чётко показывают, что при низких температурах резина постепенно теряет эластичность, а скорость восстановления её способности перекрывать зазор значительно снижается.

3.2 Увеличение остаточной деформации при сжатии в холодном состоянии

Постоянная деформация сжатия возникает не только после старения при высокой температуре. При низких температурах уплотнительные кольца типа O-образных колец также могут демонстрировать так называемую «замёрзшую постоянную деформацию сжатия»: они сплющиваются под нагрузкой и временно не способны восстановить исходную толщину поперечного сечения. Исследования HNBR при низких температурах показывают, что постоянная деформация сжатия является важным показателем для O-образных колец и аналогичных уплотнений; вблизи температуры стеклования этот параметр может резко возрастать и достигать высоких значений в условиях исследований.

Такой тип низкотемпературной постоянной деформации сжатия иногда обратим: при повышении температуры частичное восстановление возможно; однако в период холодной эксплуатации оборудования этого уже достаточно для возникновения утечек.

3.3 Релаксация напряжений приводит к снижению силы уплотнения

Кольца О-образного сечения при длительном сжатии в канавке теряют герметизирующую силу со временем — это релаксация напряжений. При низких температурах материал как сжимается, так и хуже восстанавливается; если одновременно присутствуют колебания давления, внезапные изменения зазора или термоциклирование, запас контактного напряжения для обеспечения герметичности дополнительно снижается. Исследования колец О-образного сечения для гидравлических систем глубоководных применений также показывают, что при низких температурах уменьшение объёма резины и релаксация напряжений приводят к ухудшению герметизации, а запас безопасности при внезапном увеличении зазора заметно падает.

4. Почему утечка газа особенно вероятна при низких температурах?

Герметизация газов более чувствительна, чем герметизация жидкостей, поскольку вязкость газа и поверхностное натяжение слабее ограничивают его движение: для утечки достаточно очень малого непрерывного микроканала. При низких температурах каналы утечки обычно не начинаются с «полного разрушения» кольца О-образного сечения, а возникают из-за микроскопического нарушения контакта на поверхности уплотнения.

Типичный процесс выглядит следующим образом:

• Температура снижается, уплотнительное кольцо из резины и металлическая канавка одновременно сжимаются.
• Термическое сжатие резины обычно выражено сильнее, чем термическое сжатие металла; фактическая степень сжатия и ширина контакта обе уменьшаются.
• Способность резины к восстановлению замедляется и не может компенсировать изменение размеров канавки.
• Между неровными вершинами уплотнительной поверхности появляется непрерывный микроканал.
• Газ просачивается вдоль интерфейса.

В одном исследовании низкотемпературных газовых утечек уплотнительных колец HNBR было зафиксировано, что при температуре ниже области стеклования материала Tg скорость утечки воздуха резко возрастает; исследователи считают, что основная причина — недостаточное термическое сжатие резины при низких температурах и слабая способность к восстановлению, приводящие к отрыву уплотнения от сопрягаемой поверхности.

Это объясняет распространённое явление на производственных объектах: уплотнительное кольцо не имеет трещин, не разрушено и выглядит нормально, однако оборудование протекает газом в холодном состоянии, а утечка ослабевает или исчезает после повышения температуры.

5. Переход в стеклообразное состояние, хрупкость и низкотемпературные утечки — это не одно и то же понятие

При анализе герметичности при низких температурах часто путают температуру стеклования (Tg), TR10, температуру хрупкости и остаточную деформацию сжатия при низких температурах, однако эти параметры характеризуют разные проблемы.

В испытании на хрупкость резины по стандарту ASTM D2137 проверяется, появляются ли на материале царапины или отслоение покрытия при ударном воздействии при низкой температуре; этот показатель также указывает на то, что данный стандарт применяется в нормативной деятельности и НИОКР, но не обязательно определяет минимальную рабочую температуру материала. Аналогично, в стандарте ASTM D746 указано, что метод определения температуры хрупкости предназначен для оценки хрупкого разрушения материала в регламентированных условиях и не обязательно совпадает с оптимальной рабочей температурой материала в реальных условиях применения.

Следовательно, отсутствие трещин в материале не означает, что он точно не протекает; при низкотемпературном отказе уплотнения кольца О-типа часто наблюдается недостаточное контактное напряжение, а не очевидные трещины.

6. Почему TR10 важнее, чем «диапазон морозостойкости»?

TR10 — чрезвычайно важный показатель при выборе материала для низкотемпературного уплотнения. ISO 2921 — это стандартная методика определения температуры сжатия вулканизированной резины при низких температурах, используемая для оценки температурной способности восстановления растянутой резины.

При испытании TR10 резину обычно растягивают на 25 % или 50 %, охлаждают до низкой температуры, а затем фиксируют температуру, при которой она сокращается на 10 % от исходной длины; чем ниже эта температура, тем выше способность материала сохранять определённую эластичность при более низких температурах.

В инженерной практике это обычно понимают следующим образом:

Чем ниже значение TR10 — особенно если оно близко к минимальной рабочей температуре или превышает её, — тем ниже риск низкотемпературных утечек.

Экспериментальные данные показывают, что динамические или подвижные уплотнительные кольца типа O-образных колец обычно должны обеспечивать герметичность вблизи значения TR10; при статических условиях эксплуатации с низкими требованиями к герметичности температура может быть на 10–15 °C ниже TR10 и при этом техническая герметичность всё ещё сохраняется, однако это зависит от материала, конструкции и метода измерения утечек. В другом техническом руководстве по O-образным кольцам также приводится аналогичный принцип: для статического уплотнения допустимо снижение температуры примерно на 10 °C ниже TR10, тогда как для динамического уплотнения температура должна быть ближе к значению TR10; кроме того, воздействие рабочей среды вызывает усадку или набухание, что изменяет фактический температурный предел.

7. При высоком давлении и низкой температуре также необходимо учитывать смещение значений Tg / TR10

В условиях высокого давления газа, нефтегазовых клапанов, водородных систем, гидравлических систем для аэрокосмической техники и других подобных случаев недостаточно ориентироваться только на Tg или TR10 при нормальном давлении. Данные Trelleborg по материалам для высокого давления показывают, что при низкой температуре и высоком давлении реакция эластомеров, используемых в компрессионных уплотнениях, может привести к смещению температуры стеклования полимера (Tg) вверх; при проектировании уплотнений для низкотемпературных высоконапорных условий конструктор обязан учитывать это отклонение Tg.

Это означает: материал, соответствующий требованиям по TR10 или Tg при нормальном давлении, при воздействии высокого давления газа может преждевременно утратить эластичность. Для низкотемпературных клапанов, высоконапорного газового оборудования, водородного оборудования и уплотнений в нефтегазовых скважинах этот фактор особенно важен.

8. Внешние признаки различных видов отказов при низких температурах

8.1 Холодная утечка: при нагреве утечка прекращается

Это типичный случай недостаточного восстановления после охлаждения или разделения контактирующих поверхностей. После прогрева O-образного кольца подвижность цепей полимера восстанавливается, контактное напряжение и форма поперечного сечения возвращаются к исходным значениям, и утечка прекращается.

8.2 Утечка газа при холодном пуске, улучшается после некоторого времени работы

Возможно, это связано с температурным восстановлением, повышением температуры среды или постепенным восстановлением материала. Если оборудование должно обеспечивать герметичность при холодном пуске, такой материал всё ещё не соответствует требованиям.

8.3 Утечка газа после длительной стоянки при низкой температуре

Более продолжительное охлаждение приводит к более выраженной кристаллизации, релаксации напряжений и недостаточному восстановлению сжатия. Успешное прохождение кратковременного испытания при низкой температуре не означает, что материал подходит для длительной эксплуатации на открытом воздухе при низких температурах, в авиационных условиях на высоте или в холодильных камерах.

8.4 Повторная утечка при низкой температуре после термоустаривания

Высокая температура или старение среды вызывают необратимую деформацию сжатия, упрочнение, усадку или потерю пластификатора; при последующем охлаждении остаточный запас эластичности у O-образного кольца уменьшается, и вероятность утечки возрастает.

8.5 Низкотемпературное заедание, износ и утечка в динамических уплотнениях

Динамические уплотнения, помимо потери контактного напряжения, также требуют низкого коэффициента трения и быстрого восстановления формы. При низких температурах материал затвердевает, трение возрастает, смазка ухудшается, а уплотнительная кромка или уплотнительное кольцо типа O-образного могут не успевать быстро следовать за сопрягаемой поверхностью, что приводит к прерывистой утечке, «ползучему» движению, перекручиванию или износу.

9. Подбор материалов нельзя ограничивать лишь указанием «морозостойкий»

Для холодильного оборудования, аэрокосмической техники, наружного оборудования и заказчиков низкотемпературных клапанов в техническом описании материала следует разбить термин «морозостойкий» на поддающиеся проверке параметры, а не ограничиваться указанием одного диапазона температур.

Рекомендуемые поля приведены ниже:

10. Логика выбора распространённых материалов для низкотемпературного применения

NBR / NBR для низкотемпературного применения

Низкотемпературные характеристики NBR тесно связаны с содержанием акрилонитрила, рецептурой и системой наполнителей. NBR для низкотемпературного применения повышает мягкость при низких температурах, однако обычно требует компромисса между маслостойкостью, совместимостью с топливом и низкотемпературной упругостью. Применим в условиях контакта с маслом, водно-гликолевыми жидкостями, в общих гидравлических и холодильных системах; необходимо подтверждение совместимости с конкретной рабочей средой.

HNBR

HNBR обладает более высокой термостойкостью, маслостойкостью и механическими свойствами по сравнению с обычным NBR, однако его низкотемпературные характеристики по-прежнему сильно зависят от рецептуры. Для оборудования, работающего при низких температурах в среде высокого давления газа или нефтегазовых смесей, недостаточно ориентироваться лишь на маркировку HNBR: требуется указание показателя TR10, данных по остаточной деформации при сжатии при низкой температуре, а также результатов реальных испытаний на герметичность.

EPDM

ЭПДМ обычно подходит для воды, пара, охлаждающей жидкости, наружных условий с озоном и низкотемпературных сред, но не подходит для большинства нефтепродуктов. Применяется в наружном оборудовании, контурах охлаждающей воды, системах этиленгликоля при низких температурах; требуется проверка TR10 и низкотемпературного восстановления конкретной композиции.

VMQ/Силиконовая резина

Низкотемпературная мягкость силиконовой резины обычно хорошая, однако прочность на разрыв, стойкость к истиранию, скорость проникновения газов и совместимость с топливом и маслами могут стать ограничениями. Подходит для некоторых статических уплотнений при низких температурах, в пищевой и медицинской отраслях, а также в нагруженных средах, но не обязательно подходит для высокого давления газа или интенсивного динамического истирания.

FVMQ/Фторсиликоновая резина

Фторсиликоновая резина обеспечивает лучший баланс между низкотемпературной эластичностью и совместимостью с топливом и маслами; часто применяется в авиакосмической отрасли для статических уплотнений топлива и масел при низких температурах. Однако её механическая прочность и стойкость к истиранию требуют отдельной оценки; её нельзя просто заменять на FKM или NBR без анализа.

FKM / FKM для низких температур

Обычный FKM известен высокой термостойкостью, маслостойкостью и стойкостью к химическим средам, однако при низких температурах его упругость часто недостаточна. Для клапанов низкотемпературного применения, топливных систем в аэрокосмической отрасли и оборудования для наружного использования с нефтепродуктами следует отдавать предпочтение FKM для низких температур и аналогичным специализированным компаундам, а также проверять параметры TR10, Tg и остаточную деформацию при сжатии при низких температурах.

ФФКМ

Преимущество FFKM — исключительная стойкость к химическим воздействиям и высоким температурам, однако у многих обычных марок FFKM эластичность при низких температурах слабая. При использовании FFKM в низкотемпературных высоконапорных клапанах или оборудовании для нефтегазовой отрасли необходимо выбирать специальную низкотемпературную формулу FFKM и проверять герметичность при высоком давлении и низких температурах.

Данные компании Trelleborg также показывают значительные различия в реакции TR10/Tg различных низкотемпературных формул FFKM под высоким давлением.

11. Как конструктивное проектирование снижает риск утечки при низких температурах?

Материал — лишь первый шаг; для уплотнительных колец O-типа, работающих при низких температурах, также необходимо обеспечить контроль рисков за счёт конструкции канавки и процесса сборки.

Во-первых, необходимо обеспечить достаточную величину сжатия при Tmin. Необходимо рассчитать разницу в тепловом сжатии между металлической канавкой и резиной; проектирование нельзя выполнять только по стандартным размерам.

Во-вторых, для статических уплотнений допустимо несколько увеличить величину сжатия под давлением, однако она не должна превышать пределов заполнения канавки и ограничений сборки. Недостаточная величина сжатия приведёт к преждевременной утечке; чрезмерная величина сжатия может вызвать повреждение при сборке, выдавливание при тепловом расширении, рост трения или необратимую деформацию.

В-третьих, для динамических уплотнений величину сжатия нельзя произвольно увеличивать. При низких температурах трение возрастает; чрезмерная величина сжатия приведёт к повышенному сопротивлению пуску, износу, перекручиванию и ползучести.

В-четвёртых, необходимо контролировать шероховатость и круглость уплотнительной поверхности. При низких температурах способность резины заполнять грубые вершины снижается, поэтому шероховатость поверхности оказывает более значимое влияние на герметичность.

Пятый: при необходимости используйте уплотнительные кольца-поддержки, опорные кольца или пружинно-нагруженные конструкции. При высоком давлении и низкой температуре герметизация газа исключительно за счёт собственной эластичности резины сопряжена с повышенным риском; более надёжными могут оказаться пружинно-нагруженные уплотнения из ПТФЭ, оболочечные уплотнительные кольца O-типа, уплотнения специального профиля или металлические уплотнения.

Шестой: смазочная смазка должна быть совместима с низкими температурами. Обычная смазочная смазка при низких температурах становится вязкой или замерзает, что увеличивает трение и нарушает посадку на стыке; особенно важно проверить совместимость смазки с резиной, рабочей средой и минимальной рабочей температурой для клапанов и аэрокосмических применений.

12. Рекомендуемый метод верификации

Для холодильного оборудования, аэрокосмической техники, наружного оборудования и низкотемпературных клапанов рекомендуется проводить низкотемпературную верификацию в виде комплексного испытания, а не отдельного испытания материала.

Рекомендуемая цепочка испытаний:

• На уровне материала: температура стеклования (Tg), температура TR10, температура хрупкости, остаточная деформация при сжатии при низкой температуре.
• Уровень среды: повторная проверка размеров, твёрдости, показателя TR10 и остаточной деформации сжатия после погружения в хладагент, масло, топливо, воздух, CO₂, водород или реальную рабочую среду.
• Уровень конструкции: соответствие фактическому профилю канавки, фактическому сжатию, фактической шероховатости поверхности установленного уплотнительного кольца типа O-образное.
• Уровень условий: выдержка при низшей температуре («холодная выдержка»), достаточная экспозиция, затем проверка герметичности газом.
• Уровень циклов: циклическое изменение температуры (высокая/низкая), циклическое изменение давления, циклы «пуск–остановка», после чего повторная проверка утечки.
• Уровень старения: после термического старения или старения в рабочей среде — повторная проверка при низкой температуре.

Минимальные требования не должны ограничиваться формулировкой «материал устойчив к −40 °C», а должны быть указаны следующим образом:

При −40 °C, в заданной рабочей среде, при заданном давлении, после заданной продолжительности холодной выдержки, при заданном профиле канавки и заданной шероховатости поверхности — скорость утечки ≤ целевого значения; уплотнительное кольцо типа O-образное не должно иметь трещин, аномальной остаточной деформации и должно сохранять приемлемую способность к восстановлению формы до и после испытания.