Nízka teplota spôsobuje postupný prechod gumy z vysokej elastickosti do oneskorenej elastickosti, sklovitého alebo lokálne krehkého stavu; súčasne O-ring teplotná kontrakcia, spomalenie odskoku a nedostatočná obnoviteľnosť stlačenia spôsobia, že kontaktné napätie na tesniacej rozhraní nie je možné nepretržite udržiavať. Plynové tesnenia sú obzvlášť citlivé, pretože mikroúrovňové kontaktné medzery alebo nerovnosti povrchu môžu vytvoriť nepretržité mikroúnikové kanály a dokonca aj v prípade, keď O-krúžok neukazuje žiadne zrejmé trhliny, môže stále unikajú plyn.

1. Čo O-krúžky pri tesnení využívajú, nie je „tvrdosť“, ale nepretržité kontaktné napätie

O-rings tesnenie pri izbovej teplote sa predovšetkým opiera o tri veci:

Po prvé, množstvo stlačenia pri inštalácii spôsobuje, že O-krúžok vytvorí počiatočné kontaktné napätie.

Po druhé, vlastná elastická odrazivosť gumy udržiava nepretržitý kontakt s drážkou a protilehlou plochou.

Po treťe, pod vplyvom tlaku sa O-krúžok ďalej posúva smerom k tesniacej ploche, čím vzniká tlaková podpora.

Schopnosť O-krúžku tesniť je teda v podstate:

Kontaktné napätie ≥ tlak média + lokálne riziko úniku spôsobené drsnosťou povrchu.

Problém nízkych teplôt spočíva práve v tom, že gumový materiál môže byť stále „tvrdý“, ale už nie je „schopný odskočiť“. To vytvára dojem vyššej odolnosti voči tlaku, avšak v skutočnosti nedokáže kompenzovať mikro-zmeny medzier v drážke, tepelnú kontrakciu, kolísanie tlaku, drsnosť povrchu a malé zmeny vo voľnom priestore. Nedávne modelovanie a experimentálne výskumy O-krúžkov pri nízkych teplotách tiež ukazujú, že hlavným dôvodom úniku pri nízkych teplotách sú tepelná kontrakcia, obmedzená schopnosť odskočenia, relaxácia napätia a výrobné tolerancie.

2. Prečo sa guma zuštieľuje pri nízkych teplotách?

Elasticita gumy vyplýva z pohybovej schopnosti molekulárneho reťazca. Keď klesne teplota, pohyb reťazcov sa spomaľuje a čas potrebný na zmenu mäkkých a pevných vlastností materiálu sa predlžuje, čo sa makroskopicky prejavuje ako:

Modul sa zvyšuje, tvrdosť sa zvyšuje, percentuálna predĺžiteľnosť klesá, rýchlosť odrazu klesá, kompresná obnoviteľnosť sa zhoršuje.

Keď teplota ďalej klesá a blíži sa k teplote prechodu do sklovitého stavu, kaučuk postupne prechádza z mäkkého elastoméru do sklovitého stavu. V tomto stave materiál už nie je mäkkým elastomérom, ale skôr pripomína tuhý pevný materiál. Výskum nízkoteplotného HNBR ukazuje, že tesniace časti pôvodne závisia od odrazu na kompenzáciu trvalého nízkoteplotného deformovania pri kompresii a rozdielov v medzerách. Avšak v blízkosti teploty Tg sa pružnosť materiálu výrazne zníži; aj malé oddelenie stačí na vznik úniku.

Treba poznamenať: ztvrdnutie nie je rovnocenné s lepším tesnením.

Pri pevnej kompresii s daným posunom môže zvýšenie modulu krátkodobo zlepšiť lokálny odraz; ak však materiál nedokáže deformáciu obnoviť, neprekrýva hrubé mikromedzery alebo sa odpadne z tesniacej plochy v dôsledku tepelnej kontrakcie, skutočná schopnosť tesniť sa namiesto toho zhorší.

3. Prečo stratí odskok pri nízkej teplote?

Strata odskoku pri nízkej teplote vyplýva predovšetkým z troch mechanizmov.

3.1 Pohyb molekulárnych reťazcov je zamrazený, obnovovanie sa spomaľuje

Pri izbovej teplote po stlačení O-krúžku sa segmenty reťazca môžu rýchlo prispôsobiť a udržať pružnú podporu. Pri nízkej teplote je pohyb segmentov reťazca obmedzený, proces obnovovania materiálu sa výrazne spomaľuje. Testy trvalého stlačenia pri nízkej teplote sa práve používajú na posúdenie toho, o koľko menej môže gumový materiál odskočiť po zamrazení; laboratórne údaje jasne ukazujú, že pri nízkej teplote gumový materiál postupne stráca pružnosť a schopnosť premostiť medzeru sa výrazne spomaľuje.

3.2 Pri nízkej teplote sa zvyšuje trvalé stlačenie

Trvalá deformácia spôsobená stlačením sa nevyskytuje len po starnutí pri vysokých teplotách. Pri nízkych teplotách môžu tiež O-krúžky vykazovať tzv. „zmrazenú trvalú deformáciu spôsobenú stlačením“: sú stlačené do plochého tvaru a dočasne nedokážu obnoviť hrúbku prierezu. Výskum HNBR pri nízkych teplotách ukázal, že trvalá deformácia spôsobená stlačením je dôležitým ukazovateľom pre O-krúžky a podobné tesniace aplikácie; v blízkosti teploty sklennej transformácie sa táto trvalá deformácia môže výrazne zvýšiť a za výskumných podmienok dokonca dosiahnuť veľmi vysokú úroveň.

Tento typ trvalej deformácie spôsobenej stlačením pri nízkych teplotách je niekedy obrátený: po zvýšení teploty sa časť materiálu môže obnoviť; počas prevádzky zariadenia v studenom stave však už môže byť taká deformácia dostatočná na vznik únikov.

3.3 Relaxácia napätia spôsobuje pokles tesniacej sily

O-krúžky pod dlhodobým stlačením v drážke, tesniaca sila sa postupne znižuje, čo je tzv. relaxácia napätia. Pri nízkych teplotách sa materiál súčasne zmenšuje a zároveň má problém s obnovou svojho tvaru; ak k tomu pridáme tlakové kolísanie, náhlu zmenu medzery alebo tepelné cyklovanie, bezpečnostná rezerva kontaktového napätia ďalej klesá. Výskum O-krúžkov pre hydraulické systémy v hlbokom mori tiež ukazuje, že pri nízkych teplotách sa zmenšenie objemu gumy a relaxácia napätia spoločne spôsobia postupné zhoršovanie tesnenia a bezpečnostná rezerva pri náhlej expanzii medzery výrazne klesá.

4. Prečo je únik plynu pri nízkych teplotách obzvlášť pravdepodobný?

Tesnenie plynov je citlivejšie ako tesnenie kvapalín, pretože viskozita plynu a povrchové napätie sú slabšie a na únik stačí veľmi malý nepretržitý mikrokanál. Pri nízkych teplotách sa únikové kanály zvyčajne nezačínajú „celkovým prerušením“ O-krúžku, ale mikrodefektmi v kontakte na tesniacej ploche.

Typický postup je nasledovný:

• Teplota klesá, O-krúžok a kovový zárez sa súčasne zužujú.
• Tepelné zužovanie gumy je zvyčajne výraznejšie ako tepelné zužovanie kovu, skutočná veľkosť stlačenia aj šírka kontaktu sa obidve znížia.
• Odskok gumy sa spomaľuje a nedokáže kompenzovať zmenu rozmerov zárezu.
• Medzi hrubými vrcholmi tesnenia sa vytvorí nepretržitý mikrokanál.
• Plyn uniká pozdĺž rozhrania.

Pri jednom výskume úniku plynu pri nízkych teplotách u HNBR O-krúžkov sa pozorovalo, že keď je teplota pod okolím sklenového prechodu materiálu, rýchlosť úniku vzduchu náhle stúpne; výskumníci veria, že hlavnou príčinou je nedostatočné tepelné zužovanie a schopnosť obnovy gumy pri nízkych teplotách, čo spôsobuje odlepovanie tesnenia od protiležiacej plochy.

To vysvetľuje bežný jav na mieste: O-krúžok nie je prasknutý, nie je poškodený a vizuálne vyzerá normálne; avšak zariadenie pri studenom stave uniká plyn a únik sa zmierni alebo zmizne po zvýšení teploty.

5. Sklenový prechod, krehkosť a únik pri nízkych teplotách nie sú rovnakým pojmom

Pri analýze tesnenia za nízkych teplôt sa často zamieňajú Tg, TR10, teplota krehkosti a trvalá deformácia pri stlačení za nízkych teplôt, avšak každý z týchto parametrov predstavuje iný problém.

Test krehkosti gumy podľa ASTM D2137 sa zameriava na to, či materiál ukazuje škrabance alebo otváranie povlaku pri náraze za nízkych teplôt; tento parameter tiež naznačuje, že daný štandard sa uplatňuje v regulačných a výskumno-vývojových účeloch, avšak nemusí nutne predstavovať najnižšiu použiteľnú teplotu materiálu. Podobne ASTM D746 uvádza, že metóda testovania krehkosti teploty slúži na vyhodnotenie krehkého zlyhania materiálu za regulovaných podmienok a nemusí nutne zodpovedať optimálnej teplote použitia materiálu v reálnych aplikáciách.

Preto, že materiál netrhl, neznamená to automaticky, že netiekne; zlyhanie tesnenia O-krúžku pri nízkych teplotách sa často prejavuje nedostatočným kontaktným napätím, nie viditeľnými trhlinami.

6. Prečo je TR10 dôležitejší ako „rozsah odolnosti voči chladu“?

TR10 je veľmi kľúčový ukazovateľ pre výber materiálov na tesnenie pri nízkych teplotách. ISO 2921 je štandardný postup na určenie teploty stiahnutia vulkanizovaného gumového materiálu pri nízkych teplotách a slúži na stanovenie charakteristiky obnovy teploty pri napätej gumovej látke.

Pri skúške TR10 sa gumový materiál zvyčajne natiahne o 25 % alebo 50 %, potom ochladí na nízku teplotu a zaznamená sa teplota, pri ktorej sa materiál stiahne o 10 %; čím je táto teplota nižšia, tým lepšie si materiál zachováva určitú schopnosť elastickej obnovy pri nižších teplotách.

V technickej praxi sa to zvyčajne chápe nasledovne:

Čím je TR10 nižšie, tým bližšie k najnižšej prevádzkovej teplote alebo nad ňou, tým je riziko úniku pri nízkych teplotách nižšie.

Experimentálne údaje zobrazujú, že dynamické alebo prijímajúce O-krúžky by sa zvyčajne mali sústrediť na tesniacu schopnosť v blízkosti TR10; pri statických podmienkach s nízkymi požiadavkami je niekedy možné dosiahnuť technické tesnenie aj pri teplote o 10–15 °C nižšej ako TR10, avšak to závisí od materiálu, konštrukcie a metódy merania úniku. Iný technický manuál pre O-krúžky uvádza podobný princíp: pri statickom tesnení je zvyčajne povolená teplota až o 10 °C nižšia ako TR10, pri dynamickom tesnení by sa teplota mala nachádzať čo najbližšie k TR10 a súčasne sa musí brať do úvahy zmena zmenšovania a rozširovania spôsobená prostredím, ktorá ovplyvňuje skutočný limit.

7. Pri vysokotlakových a nízkoteplotných prevádzkových podmienkach je potrebné tiež brať do úvahy posun Tg / TR10

V scenároch s vysokým tlakom, ako sú plynové a olejovo-plynové ventily, vodíkové systémy, hydraulické systémy pre vesmírny priemysel a podobne, nesmie sa posudzovať len Tg alebo TR10 za normálneho tlaku. Údaje Trelleborga o materiáloch pre vysoký tlak ukazujú, že pri nízkych teplotách a vysokom tlaku môže tlak posunúť sklovitý prechod (Tg) elastomérov používaných na stlačenie polymérneho materiálu smerom nahor; návrhári musia pri návrhu tesnení pre nízke teploty a vysoký tlak tento posun Tg zohľadniť.

To znamená, že jeden materiál, ktorý za normálneho tlaku spĺňa požiadavky na TR10 alebo Tg, môže pri vysokotlakovom plyne predčasne stratiť pružnosť. Tento aspekt je obzvlášť dôležitý pre ventily pre nízke teploty, vybavenie pre vysokotlakové plyny, vodíkové zariadenia a tesnenia pre ropné a plynové vrtá.

8. Vzhľad rôznych režimov poruchy pri nízkych teplotách v praxi

8.1 Studené pretékание, pri vyššej teplote netečie

Toto je typický prípad nedostatočného odskoku pri nízkych teplotách alebo oddelenia rozhrania. Po ohriatí O-krúžku sa aktivita reťazcových segmentov obnoví, kontaktové napätie aj prierez sa dobre obnovia a únik sa zmierni.

8.2 Únik plynu pri studenom štarte, zlepšuje sa po určitom čase prevádzky

Môže ísť o teplotnú reakciu, zvýšenie teploty média alebo postupné obnovovanie materiálu. Ak musí byť zariadenie tesné voči plynmi už v štádiu studeného štartu, tento typ materiálu je stále nevhodný.

8.3 Únik plynu po dlhodobom parkovaní za nízkej teploty

Čím dlhšie trvá chladenie, tým je kryštalizácia výraznejšia, dochádza k relaxácii napätia a nedostatočnej obnove stlačenia. Úspešný krátkodobý test za nízkej teploty neznamená, že materiál vyhovuje aj pre dlhodobé parkovanie vonku, lety vysokou nadmorskou výškou alebo dlhodobý prevádzkový režim v chladničkách.

8.4 Opätovný únik plynu pri nízkej teplote po tepelnom starnutí

Vysoká teplota alebo starnutie média spôsobia trvalú deformáciu stlačenia, ztvrdnutie, zmenšenie objemu alebo straty plastifikátora; následne pri prechode do nízkej teploty sa schopnosť O-krúžku sa obnoviť zníži a únik sa stáva pravdepodobnejším.

8.5 Dynamické tesnenie: zaseknutie, opotrebovanie a únik plynu pri nízkej teplote

Dynamické tesnenia okrem straty kontaktového napätia vyžadujú tiež nízke trenie a rýchlu odrazovú schopnosť. Pri nízkych teplotách sa materiál zosilní, trenie stúpa, mazanie sa zhoršuje a tesniaca pera alebo O-krúžok nemusia byť schopné rýchlo sledovať povrch súčiastky, čo spôsobuje občasné úniky, pohyb po skokoch, skrútenie alebo opotrebovanie.

9. Výber materiálu nesmie uvádzať iba „odolný voči chladu“

Pre chladiace zariadenia, letecký a vesmírny priemysel, vonkajšie zariadenia a zákazníkov nízkoteplotných ventilov by sa na stránke materiálu malo rozdeliť označenie „odolný voči chladu“ na overiteľné ukazovatele, nie len uviesť jediný rozsah teplôt.

Odporúčané polia sú nasledovné:

10. Logika výberu bežných materiálov pre nízke teploty

NBR / NBR pre nízke teploty

Nízkoteplotné vlastnosti NBR sú úzko spojené s obsahom akrylonitrilu, zložením a systémom prísad. NBR pre nízke teploty môže zlepšiť mäkkosť pri nízkych teplotách, avšak zvyčajne je potrebné vyvážiť odolnosť voči oleju, kompatibilitu so palivom a nízkoteplotnú odrazivosť. Použiteľné v prostredí s olejom, vodou s glykolom, všeobecnými hydraulickými kvapalinami a chladiacimi prostrediami; vždy je potrebné overiť vhodnosť pre konkrétny prostredie.

HNBR

HNBR má lepšiu tepelnú odolnosť, odolnosť voči oleju a mechanické vlastnosti ako bežný NBR, avšak jeho nízkoteplotné vlastnosti stále veľmi závisia od zloženia. Pre vysokotlakové alebo olejové zariadenia prevádzkované pri nízkych teplotách nestačí len označenie HNBR – je potrebné požadovať hodnotu TR10, nízkoteplotnú kompresnú trvalú deformáciu a skutočný test úniku.

EPDM

EPDM sa zvyčajne hodí pre vodu, paru, chladiacu kvapalinu, vonkajšie prostredie s ozónom a studené prostredia, avšak nie je vhodný pre väčšinu výrobkov na báze ropy. Používa sa pre vonkajšie zariadenia, chladiace vodné okruhy a systémy s etylénglykolom pri nízkych teplotách; konkrétny zloženie je potrebné overiť z hľadiska hodnoty TR10 a schopnosti obnovy pri nízkych teplotách.

VMQ / kremíková gumá

Nízkoteplotná mäkkosť kremíkovej gumy je zvyčajne dobrá, avšak pevnosť v trhavosti, odolnosť voči opotrebovaniu, rýchlosť prieniku plynov a schopnosť odolávať palivám a olejom môžu byť obmedzeniami. Je vhodná pre určité statické tesnenia pri nízkych teplotách, potravinársky priemysel, lekársky priemysel a prostredia s mechanickým zaťažením, avšak nie je nevyhnutne vhodná pre vysokotlakové plyny alebo intenzívne dynamické opotrebovanie.

FVMQ / fluorkremíková gumá

Fluorkremíková gumá poskytuje lepšiu rovnováhu medzi nízkoteplotnou pružnosťou a kompatibilitou s palivami a olejmi; bežne sa používa v leteckej a vesmírnej technike pre statické tesnenie palív a olejov pri nízkych teplotách. Avšak jej mechanická pevnosť a odolnosť voči opotrebovaniu stále vyžadujú individuálne posúdenie – nesmie sa jednoducho nahradiť všetky materiály FKM alebo NBR.

FKM / FKM pre nízke teploty

Bežný FKM je známy vysokou odolnosťou voči vysokým teplotám, olejom a chemickým prostrediam, avšak pri nízkych teplotách často vykazuje slabú odrazivosť. Pre nízkoteplotné ventily, palivové systémy v leteckej a vesmírnej technike a vonkajšie zariadenia na spracovanie olejov sa odporúča uprednostniť FKM pre nízke teploty a podobné špeciálne zloženia a overiť hodnoty TR10, Tg a trvalú deformáciu pri stlačení pri nízkych teplotách.

FFKM

Výhodou FFKM je extrémna odolnosť voči chemikáliám a vysokým teplotám, avšak mnohé bežné FFKM majú pri nízkych teplotách slabú pružnosť. Ak sa pri nízkoteplotných vysokotlakových ventiloch alebo zariadeniach pre ťažbu a spracovanie ropy a zemného plynu musí použiť FFKM, je potrebné zvoliť zloženie FFKM pre nízke teploty a overiť netesnosť pri vysokom tlaku a nízkych teplotách.

Údaje spoločnosti Trelleborg tiež ukazujú, že rozdiely v reakcii TR10/Tg rôznych zložení FFKM pre nízke teploty pod vysokým tlakom sú významné.

11. Ako konštrukčný návrh zníži riziko netesností pri nízkych teplotách?

Materiál je len prvým krokom; nízkoteplotné O-krúžky musia tiež riadiť riziká prostredníctvom návrhu drážky a montáže.

Najprv sa uistite, že pri minimálnej teplote (Tmin) je dosiahnuté dostatočné stlačenie. Je potrebné vypočítať rozdiel tepelnej kontrakcie medzi kovovou drážkou a gumou; návrh nesmie byť založený iba na bežných rozmeroch.

Pri statických tesneniach je možné vhodne zvýšiť mieru stlačenia pod tlakom, avšak nesmie byť prekročené limity vyplnenia drážky a montážne limity. Nedostatočné stlačenie vedie predčasne k úniku; nadmerné stlačenie môže spôsobiť poškodenie pri montáži, extrúziu pri tepelnej expanzii, zvýšenie trenia alebo trvalé deformácie.

Pri dynamických tesneniach nemožno ľubovoľne zvyšovať mieru stlačenia. Pri nízkych teplotách sa trenie zvyšuje; nadmerné stlačenie spôsobí odpor pri štarte, opotrebenie, skrútenie a plazivý pohyb.

Štvrtým krokom je kontrola drsnosti a kruhovosti tesniacej plochy. Pri nízkych teplotách klesá schopnosť gumy vyplniť hrubé vrcholy; drsnosť povrchu viac ovplyvňuje tesnosť.

Piaty: Používajte výstužné krúžky, podporovacie krúžky alebo pružinovo aktivované štruktúry v prípadoch, keď je to potrebné. Pri vysokom tlaku a nízkej teplote je riziko tesnenia plynov výhradne prostredníctvom vlastnej odrazovej schopnosti gumy vyššie; spoľahlivejšie môžu byť pružinovo aktivované PTFE tesnenia, obalené O-krúžky, tesnenia so špeciálnym prierezom alebo kovové tesnenia.

Šiesty: Mazacie mazivo musí byť kompatibilné s nízkymi teplotami. Bežné mazacie mazivo sa pri nízkych teplotách zahusťuje alebo zamŕzne, čo zvyšuje trenie a ovplyvňuje presnosť prilehnutia na rozhraní; najmä pri ventiloch určených na nízke teploty a aplikáciách v leteckej a vesmírnej technike je potrebné overiť kompatibilitu maziva s gumou, médiami a najnižšou prevádzkovou teplotou.

12. Odporúčaná metóda overenia

Pre chladiace zariadenia, leteckú a vesmírnu techniku, vonkajšie zariadenia a ventily pre nízke teploty sa odporúča overenie pri nízkych teplotách vykonávať ako kombinovaný test, nie ako samostatný test materiálu.

Odporúčaný postup testovania:

• Na úrovni materiálu: Tg, TR10, teplota krehkosti, trvalá deformácia pri nízkych teplotách.
• Úroveň média: znova skontrolovať rozmery, tvrdosť, TR10 a trvalú deformáciu po ponorení do chladiacej kvapaliny, oleja, paliva, vzduchu, CO₂, vodíka alebo skutočného média.
• Úroveň štruktúry: zhoda s aktuálnym drážkou, aktuálnym množstvom stlačenia a aktuálnou drsnosťou povrchu namontovaného tesniaceho krúžku O.
• Úroveň podmienok: studené vystavenie najnižšej teplote, udržanie dostatočného času a následné vykonanie testu tesnosti plynu.
• Úroveň cyklov: cyklické striedanie vysokých a nízkych teplôt, cyklické zmeny tlaku, cyklické zapínanie a vypínanie, následne opätovný test úniku.
• Úroveň starnutia: po tepelnom starnutí alebo starnutí v médiách následne opätovný test pri nízkej teplote.

Minimálne požiadavky by nemali byť len „materiál odolný voči -40 °C“, ale mali by byť formulované takto:

Pri -40 °C, v špecifikovanom médiu, pri špecifikovanom tlaku, po špecifikovanej dobe studeného vystavenia, v špecifikovanej drážke a so špecifikovanou drsnosťou povrchu musí rýchlosť úniku byť ≤ cieľovej hodnoty; tesniaci krúžok O nesmie mať žiadne trhliny, žiadnu abnormálnu trvalú deformáciu a musí zachovať akceptovateľnú odrazivosť pred testovaním aj po ňom.