Låg temperatur gör att gummi gradvis övergår från ett högt elastiskt tillstånd till ett fördröjt elastiskt, glasartat eller lokalt sprött tillstånd; samtidigt gör O-ring termisk krympning, långsammare återställning och otillräcklig kompressionsåterhämtning att kontaktspänningen vid tätningsytan inte kan upprätthållas kontinuerligt. GASTÄTNINGAR är särskilt känslomässiga, eftersom mikronivåns kontaktluckor eller ojämnheter kan bilda kontinuerliga mikro-läckvägar, och även om O-ringens yta inte visar några uppenbara sprickor kan den ändå läcka gas.

1. Vad O-ringar bygger sin tätningsförmåga på är inte "hårdhet", utan kontinuerlig kontaktspänning

O-säcken tätningsförmåga vid rumstemperatur bygger främst på tre saker:

För det första skapar installationskompressionen en initial kontaktspänning i O-ringen.

För det andra upprätthåller gummiets egen elastiska återställning en kontinuerlig anpassning till spåret och den motstående ytan.

För det tredje trycks O-ringen ytterligare mot tätningsytan under påverkan av tryck, vilket bildar ett tryckstöd.

O-ringens tätningsförmåga är alltså i grunden:

Kontaktskärning ≥ medietycket + lokal läckrisk orsakad av ytråhet.

Problemet med låg temperatur ligger precis i att gumman kan vara "hård", men inte längre "återställningsbar." Detta gör att den verkar tryckbeständiga, men faktiskt inte kan kompensera för mikroglappförändringar i spåret, termisk krympning, trycksvängningar, ytråhet och små clearanceförändringar. Senaste modellerings- och experimentella studier av O-ringar vid låg temperatur visar också att huvudsaklig läcka vid låg temperatur är kopplad till termisk krympning, begränsad återställningsförmåga, spänningsrelaxation och tillverkningsvariationer.

2. Varför blir gumma hård vid låg temperatur?

Gummis elasticitet härrör från rörelseförmågan hos molekylkedjans segment. När temperaturen sjunker saknas rörelsen hos kedjsegmenten, och tiden för materialets mjuka och töjbara egenskaper förlängs, vilket makroskopiskt manifesteras som:

Modulus ökar, hårdhet ökar, töjningsgrad minskar, studs hastighet minskar och tryckåterställning försämrar sig.

När temperaturen fortsätter att sjunka nära glasövergångstemperaturen övergår gummi gradvis från en mjuk elastomer till ett glasartat tillstånd. Vid detta tillfälle manifesterar materialet inte längre som en mjuk elastomer, utan liknar snarare en styv fast kropp. Undersökningar av HNBR vid låga temperaturer visar att tätningsdelar ursprungligen förlitar sig på studs för att kompensera för permanent deformation vid lågtemperaturtryck och mellanrumsskillnader, men nära Tg minskar materialets elasticitet markant, och även en liten separation kan utlösa läckage.

Observera: härdning är inte detsamma som bättre tätning.

Under fast tryckförskjutning kan ökad modulus kortfrist förbättra lokal studs; men om materialet inte kan återställa deformationen, inte fylla i grova mikrospalter eller lossnar från tätytan på grund av termisk krympning, minskar den faktiska tätningsförmågan istället.

3. Varför minskar återböjningen vid låg temperatur?

Förlust av återböjning vid låg temperatur beror främst på tre mekanismer.

3.1 Molekylär kedjerörelse fryses, återställningen saktares

Vid rumstemperatur återställer kedjsegmenten snabbt och bibehåller elastisk stödfunktion efter O-ring-kompression. Vid låg temperatur begränsas rörelsen hos kedjsegmenten, vilket gör att materialets återställningsprocess blir mycket långsam. Kompressionspermanent deformationstest vid låg temperatur används just för att bedöma hur mycket mindre gummi som kan återböja efter att ha frysts till lägre temperaturer; laboratoriedata visar tydligt att gummi kontinuerligt förlorar elasticitet vid låg temperatur, och förmågan att täcka ett mellanrum återhämtas betydligt långsammare.

3.2 Kallståndskompressionspermanent deformation ökar

Kompressionspermanent deformation sker inte bara efter åldring vid hög temperatur. Vid låg temperatur kan O-ringar också ge upphov till "frysstadiums kompressionspermanent deformation": de trycks platt och kan tillfälligt inte återfå sin tvärsnitts tjocklek. Forskning om HNBR vid låg temperatur visar att kompressionspermanent deformation är en viktig indikator för O-ringar och liknande tätningsapplikationer, och nära glasövergångstemperaturen kan kompressionspermanent deformation öka kraftigt, även nå en hög nivå under forskningsförhållanden.

Denna typ av kompressionspermanent deformation vid låg temperatur är ibland omvändbar: efter att temperaturen stiger kan en del återhämtas; men under utrustningens drift vid kallt tillfälle är den redan tillräcklig för att orsaka läckage.

3.3 Spänningsrelaxation orsakar minskning av tätningskraft

O-ringar under långvarig kompression i en spår, där täthetskraften minskar med tiden – detta kallas spänningsrelaxation. Vid låg temperatur krymper materialet samtidigt som det blir svårare att återhämta sig; om det dessutom förekommer tryckfluktuationer, plötsliga ändringar i avståndet eller termisk cykling, kommer säkerhetsmarginalen för kontaktspänningen ytterligare att minska. Forskning om hydrauliska O-ringar för djuphavsanvändning visar också att gummis volymkrympning och spänningsrelaxation vid låg temperatur gör att tätheten alltmer bygger på en försämrade förhållanden, och säkerhetsmarginalen för plötslig ökning av avståndet minskar tydligt.

4. Varför är gasläckage särskilt lätt vid låg temperatur?

Gastäthning är mer känslomässig än vätsketäthning, eftersom gasens viskositet och ytspänningsbegränsning är svagare – det räcker med en mycket liten kontinuerlig mikrokanal för att läcka. Vid låg temperatur börjar läckkanaler vanligtvis inte med att O-ringen "brister helt", utan med mikroskopisk kontaktfel på tätytan.

Typiskt förlopp är följande:

• Temperaturen sjunker, och både O-ringens och metallränans utvidgningsfack minskar samtidigt.
• Gummis termiska krympning är vanligtvis mer påfallande än metallens termiska krympning; den faktiska kompressionsmängden och kontaktbredden minskar båda två.
• Gummis återböjning försämmas och kan inte kompensera för ändringen i ränans mått.
• En kontinuerlig mikrokanal uppstår mellan tätningsytans ojämna toppar.
• Gas läcker längs gränsytan.

I en studie om lågtemperaturgasläckning hos HNBR O-ringar observerades att luftläckhastigheten plötsligt ökar när temperaturen sjunker under materialets glasövergångstemperatur (Tg); forskarna anser att huvudorsaken är otillräcklig termisk krympning och återställningsförmåga hos gummi vid låga temperaturer, vilket orsakar att tätningen lossnar från den motstående ytan.

Detta förklarar ett vanligt fenomen på plats: O-ringen är inte sprucken, inte trasig och ser normal ut till utseendet; men utrustningen läcker gas i kallt tillfälle, och läckningen minskar eller försvinner efter att temperaturen stiger.

5. Glasövergång, sprödhet och lågtemperaturläckning är inte samma begrepp

I analysen av tätning vid låga temperaturer förväxlas ofta Tg, TR10, sprödhetstemperatur och permanent deformation vid lågtemperaturkompression, men de representerar olika problem.

ASTM D2137:s test av gummis sprödhet handlar om om materialet visar repor eller beläggningsöppningar vid lågtemperaturpåverkan; denna indikator visar också att denna typ av standard tillämpas för reglering och FoU, men behöver inte nödvändigtvis motsvara materialets lägsta användningstemperatur. ASTM D746 påpekar likaså att dess testmetod för sprödhetstemperatur är avsedd för reglerade förhållanden vid bedömning av materialets spröda brott, och motsvarar inte nödvändigtvis materialets optimala användningstemperatur i praktiskt bruk.

Därför betyder det inte att ett material inte spricker att det definitivt inte läcker; O-ringens säkerhetsfunktion vid låga temperaturer misslyckas ofta på grund av otillräcklig kontaktspänning, inte synliga sprickor.

6. Varför är TR10 viktigare än "kallbeständighetsområde"?

TR10 är en mycket nyckelindikator för val av tätningsmaterial för låga temperaturer. ISO 2921 är standardproceduren för vulkaniserad gummas temperaturåterdragning vid låga temperaturer och används för att fastställa spänningsgummis temperaturåterställningskaraktäristik.

Vid TR10-testning sträcks gumman vanligtvis 25 % eller 50 %, kylys till låg temperatur och sedan registreras den temperatur vid vilken den återhämtar 10 % av sin längd; ju lägre denna temperatur är, desto bättre behåller materialet en viss elastisk återställningsförmåga vid lägre temperatur.

I ingenjörspraktiken kan man vanligtvis förstå detta på följande sätt:

Ju lägre TR10-värde, desto närmare eller högre än den lägsta drifttemperaturen, desto lägre är risken för läckage vid låga temperaturer.

Experimentella data visar att dynamiska eller mottagande O-ringar normalt bör fokusera på täthetsförmågan nära TR10; vid statiska, lågkravande driftsförhållanden kan temperaturen ibland ligga 10–15 °C under TR10 och ändå bibehålla teknisk täthet, men detta beror på material, konstruktion och läcktestmetod. En annan teknisk manual för O-ringar ger också en liknande princip: statisk tätning tillåter vanligtvis temperaturer cirka 10 °C under TR10, medan dynamiska tätningsförhållanden bör ligga närmare TR10, samtidigt som medierna orsakade krympning och svällning påverkar den faktiska gränsen.

7. Vid högtrycks- och lågtemperaturdriftsförhållanden måste även Tg/TR10-förskjutning beaktas

I högtrycksgas, olje-gasventiler, väte-system, luft- och rymdteknikens hydraulik och andra scenarier kan man inte bara titta på Tg eller TR10 vid normalt tryck. Trelleborgs högtrycksmaterialdata visar att trycket vid låg temperatur och högt tryck kan få kompressionsmaterialens elastomer att reagera så att polymerens Tg skiftar uppåt; konstruktörer måste ta hänsyn till denna Tg-avvikelse vid utformning av tätningsdelar för lågtemperatur- och högtrycksanvändning.

Detta innebär att ett material som vid normalt tryck har en TR10 eller Tg som ser godkänd ut kan förlora sin flexibilitet för tidigt vid högtrycksgas. För lågtemperaturventiler, högtrycksgasanläggningar, väteanläggningar och tätningsapplikationer i olje- och gasbrunnar är denna aspekt särskilt viktig.

8. Fältutseende hos olika lågtemperaturfelmoder

8.1 Kall läckage – inga läckor i varmt läge

Detta är en typisk lågtemperaturfelmod där återställningsförmågan är otillräcklig eller gränsytan separerar. När O-ringens temperatur stiger återställs kedjsegmentens aktivitet, kontaktkraften och tvärsnittet återställs väl, och läckningen minskar.

8.2 Kallstartsläckning av gas, förbättras efter en stund i drift

Kan bero på temperaturåterställning, ökad mediatemperatur eller att materialet gradvis återhämtar sig. Om utrustningen måste vara gastät vid kallstart är denna typ av material fortfarande olämplig.

8.3 Läckning av gas vid långvarig parkering vid låg temperatur

Längre kalluppehållstid ger mer påträngande kristallisering, stressrelaxation och otillräcklig återställning av kompression. Godkänd korttidsprovning vid låg temperatur betyder inte att långvarig utomhusparkering, höghöjdscruisning i luftfart eller långvarig drift i kylförvaring är godkänd.

8.4 Återkommande läckning vid låg temperatur efter värmeåldring

Hög temperatur eller medieåldring kan orsaka permanent kompressionsdeformation, härdning, krympning eller förlust av mjukgöringsmedel; efter påföljande exponering för låg temperatur minskar O-ringens återställningsmarginal, vilket gör läckning mer sannolik.

8.5 Dynamisk tätningsläckning vid låg temperatur – kardning, slitage, läckning

Dynamiska tätningsringar kräver förutom minskat kontakttryck även låg friktion och snabb återställning. Vid låga temperaturer hårdnar materialet, friktionen ökar, smörjningen försämras och tätningsläppen eller O-ringens förmåga att snabbt följa den motstående ytan kan försämras, vilket leder till intermittenta läckor, krypning, vridning eller slitage.

9. Materialval får inte endast ange "kallbeständigt"

För kylutrustning, rymdteknik, utomhusutrustning och kundsystem för lågtemperaturventiler bör materialspecifikationen dela upp begreppet "kallbeständigt" i verifierbara indikatorer, inte bara ange ett enda temperaturområde.

Rekommenderade fält är följande:

10. Vanliga material – logik för val vid låga temperaturer

NBR / NBR för låga temperaturer

NBR:s prestanda vid låga temperaturer är nära kopplad till acrylonitrilhalten, sammansättningen och förstärkningssystemet. NBR för låga temperaturer kan förbättra mjukheten vid låga temperaturer, men kräver vanligtvis en avvägning mellan oljebeständighet, bränslekompatibilitet och återställningsförmåga vid låga temperaturer. Används i sammanhang med olja, vatten-glykol, allmän hydraulik och kylrelaterade applikationer; media måste verifieras separat.

HNBR

HNBR har bättre värmebeständighet, oljebeständighet och mekaniska egenskaper än vanlig NBR, men prestandan vid låga temperaturer beror fortfarande starkt på sammansättningen. För utrustning som används vid låga temperaturer i hög-gas- eller olje-gas-miljöer får man inte bara förlita sig på beteckningen HNBR – det krävs specificering av TR10-värde, kompressionspermanent deformation vid låga temperaturer samt verkliga läcktest.

EPDM

EPDM är vanligtvis lämpligt för vatten, ånga, kylvätska, utomhusanvändning med ozon och kallbeständiga miljöer, men inte lämpligt för de flesta petroleumoljeprodukter. Används för utomhusutrustning, kylvattenledningar och etylenglykol-system för låga temperaturer; specifik formuleringens TR10 och återhämtning vid låga temperaturer måste verifieras.

VMQ/silikongummi

Silikongummis mjukhet vid låga temperaturer är vanligtvis bra, men slitstyrka, nötningstålighet, gasgenomtränglighetsgrad och förmåga att motstå olja och bränsle kan utgöra begränsningar. Lämpligt för vissa statiska tätningsuppgifter vid låga temperaturer, samt för livsmedels-, medicinska och belastningsrelaterade miljöer, men inte nödvändigtvis lämpligt för högtrycksgas eller kraftig dynamisk nötning.

FVMQ/fluorsilikongummi

Fluorsilikongummi erbjuder en bättre balans mellan flexibilitet vid låga temperaturer och kompatibilitet med bränsle och olja, och används ofta för statisk tätningsapplikation inom luft- och rymdfart för bränsle och oljeprodukter vid låga temperaturer. Dess mekaniska styrka och nötningstålighet kräver dock individuell bedömning; det får inte enkelt ersätta alla FKM- eller NBR-material.

FKM / FKM för låga temperaturer

Vanlig FKM är känd för sin motståndskraft mot höga temperaturer, olja och kemiska medier, men återställningsförmågan vid låga temperaturer är ofta begränsad. För ventiler för låga temperaturer, rymdfartens bränslesystem och utomhusutrustning för oljeprodukter bör man föredra FKM för låga temperaturer och liknande specialformuleringar samt verifiera TR10, Tg och kompressionsdeformation vid låga temperaturer.

FFKM

FFKMs fördel är extrem kemisk motståndskraft och hög temperaturmotstånd, men många vanliga FFKM-material har svag elasticitet vid låga temperaturer. Om FFKM måste användas i högtrycksventiler eller olje- och gasutrustning för låga temperaturer bör man välja en FFKM-formulering för låga temperaturer och verifiera läckage vid högt tryck och låga temperaturer.

Trelleborgs data visar också att olika FFKM-formuleringar för låga temperaturer uppvisar betydande skillnader i TR10/Tg-svar under högt tryck.

11. Hur minskar konstruktionsdesign risken för läckage vid låga temperaturer?

Material är endast det första steget; lågtemperatur-O-ringar måste också hanteras via riskkontroll genom spår- och monteringsdesign.

Se först till att kompressionsmängden vid Tmin är tillräcklig. Termisk krympningsskillnad mellan metallspåret och gumman måste beräknas; dimensionering får inte baseras enbart på konventionella mått.

Statiska tätningslösningar kan lämpligen öka tryckkompressionsmängden, men den får inte överskrida spårfyllnads- och monteringsgränserna. Otillräcklig kompressionsmängd leder för tidigt till läckage; för stor kompressionsmängd kan orsaka monterings skada, termisk expansionsextrudering, ökad friktion eller permanent deformation.

Dynamiska tätningslösningar får inte godtyckligt öka kompressionsmängden. Vid låg temperatur ökar friktionen; för stor kompressionsmängd leder till startmotstånd, slitage, vridning och krypning.

Styra ytjämnheten och rundheten på tätningsytan. Vid låg temperatur minskar gummans förmåga att fylla grova toppar; ytjämnhet påverkar tätheten i större utsträckning.

Femte, använd stödringar, stödringar eller fjäderdrivna konstruktioner vid behov. Högtryck, låg temperatur, gasättning som enbart förlitar sig på gummans egen återböjning innebär ett högre risk, fjäderdrivna PTFE-ättningsringar, inkapslade O-ringar, specialprofilerade ättningsringar eller metallättningsringar kan vara mer tillförlitliga.

Sjätte, smörjfett måste vara kompatibelt med låg temperatur. Vanligt smörjfett blir visköst eller fryser vid låg temperatur, vilket ökar friktionen och påverkar passformen vid gränsytan, särskilt krävs verifiering av smörjfettskompatibilitet med gummityp, medium och lägsta temperatur för ventiler och rymdapplikationer vid låg temperatur.

12. Rekommenderad verifieringsmetod

För kylutrustning, rymdapplikationer, utomhusutrustning och ventiler för låg temperatur rekommenderas att utföra lågtemperaturverifiering som en kombinerad testmetod, inte som en enskild materialtest.

Rekommenderad testkedja:

• Materialnivå: Tg, TR10, sprödhetstemperatur, permanent deformation vid låg temperatur under kompression.
• Medienivå: kontrollera dimension, hårdhet, TR10 och permanent kompressionsdeformation efter nedsänkning i kylmedel, olja, bränsle, luft, CO₂, vätgas eller faktiska medier.
• Strukturnivå: anpassa till faktiskt spår, faktisk kompressionsmängd och faktisk ytråhet för monterad O-ring.
• Driftvillkorsnivå: kylnedläggning till lägsta temperatur, håll tillräcklig tid och utför sedan gastäthetsprov.
• Cykelnivå: cykling mellan hög och låg temperatur, tryckcykling, start-stopp-cykling och återtesta sedan läckning.
• Åldringnivå: efter värmeåldring eller medieåldring, återtesta sedan vid låg temperatur.

Minimikrav bör inte bara formuleras som "material motståndskraftigt mot -40 °C", utan skall formuleras som:

Vid -40 °C, angivet medium, angivet tryck, angiven kylnedläggningstid, angivet spår och angiven ytråhet, måste läckhastigheten vara ≤ målvärdet; O-ringen får inte ha sprickor, ingen onormal permanent deformation och måste bibehålla god återböjning före och efter provningen.