อุณหภูมิต่ำทำให้ยางค่อยๆ เปลี่ยนสถานะจากภาวะยืดหยุ่นสูงไปเป็นภาวะยืดหยุ่นช้า ภาวะแข็งแบบแก้ว หรือภาวะเปราะในท้องถิ่น; พร้อมกันนั้น O-ring การหดตัวจากความร้อน การคืนตัวช้าลง และการฟื้นตัวจากการบีบอัดไม่เพียงพอ ทำให้ความเค้นจากการสัมผัสที่ผิวหน้าปิดผนึกไม่สามารถรักษาไว้อย่างต่อเนื่องได้ ซีลสำหรับก๊าซมีความไวเป็นพิเศษ เพราะช่องว่างระดับจุลภาคหรือยอดนูนขรุขระเล็กๆ อาจสร้างช่องทางรั่วไหลระดับจุลภาคอย่างต่อเนื่อง และแม้แหวนโอจะไม่ปรากฏรอยแตกร้าวที่เห็นได้ชัด ก็ยังสามารถรั่วไหลก๊าซได้

1. สิ่งที่แหวนโอพึ่งพาในการปิดผนึก ไม่ใช่ "ความแข็ง" แต่คือความเค้นจากการสัมผัสอย่างต่อเนื่อง

โอริง การปิดผนึกที่อุณหภูมิห้องอาศัยหลักสามประการ:

ประการแรก ปริมาณการบีบอัดขณะติดตั้งทำให้แหวนโอมีความเค้นจากการสัมผัสเริ่มต้น

ประการที่สอง การคืนตัวแบบยืดหยุ่นของยางเองรักษารูปแบบการแนบสนิทอย่างต่อเนื่องกับร่องและผิวหน้าคู่ที่สัมผัส

ประการที่สาม เมื่อมีแรงดันกระทำ แหวนโอจะถูกผลักเข้าหาผิวหน้าปิดผนึกมากขึ้น ทำให้เกิดกลไกเสริมแรงดัน

ดังนั้น ความสามารถในการปิดผนึกของแหวนโอโดยแท้จริงแล้วคือ:

ความเครียดจากการสัมผัส ≥ ความดันของตัวกลาง + ความเสี่ยงรั่วซึมเฉพาะที่อันเนื่องจากความหยาบของพื้นผิว

ปัญหาอุณหภูมิต่ำเกิดขึ้นอย่างแท้จริงจากข้อเท็จจริงที่ว่า ยางอาจยังคงมีลักษณะ "แข็ง" แต่สูญเสียความสามารถในการ "คืนรูป" ไปแล้ว ส่งผลให้ดูเหมือนทนแรงดันได้ดีขึ้น แต่แท้จริงแล้วไม่สามารถชดเชยการเปลี่ยนแปลงของช่องว่างจุลภาคในร่อง การหดตัวจากอุณหภูมิ ความผันผวนของแรงดัน ความหยาบของพื้นผิว และการเปลี่ยนแปลงของช่องว่างขนาดเล็กได้ งานวิจัยเชิงจำลองและทดลองล่าสุดเกี่ยวกับโอ-ริงภายใต้อุณหภูมิต่ำยังชี้ว่า สาเหตุหลักของการรั่วซึมที่อุณหภูมิต่ำเกี่ยวข้องกับการหดตัวจากอุณหภูมิ ข้อจำกัดของความสามารถในการคืนรูป การคลายความเครียด และความคลาดเคลื่อนจากการผลิต

2. เหตุใดยางจึงแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำ

ความยืดหยุ่นของยางเกิดจากความสามารถในการเคลื่อนที่ของส่วนของสายโมเลกุล เมื่ออุณหภูมิลดลง การเคลื่อนที่ของส่วนสายโมเลกุลจะช้าลง และระยะเวลาที่วัสดุแสดงลักษณะนุ่มแต่เหนียวจะยาวขึ้น ซึ่งปรากฏให้เห็นในระดับมหภาคเป็น:

ค่าโมดูลัสเพิ่มขึ้น ความแข็งเพิ่มขึ้น อัตราการยืดตัวลดลง ความเร็วในการคืนรูปลดลง และความสามารถในการคืนรูปภายหลังการบีบอัดแย่ลง

เมื่ออุณหภูมิลดลงอย่างต่อเนื่องจนใกล้จุดเปลี่ยนผ่านแบบกระจก (glass transition temperature) ยางจะเปลี่ยนสถานะจากวัสดุยืดหยุ่นนุ่มไปสู่สถานะคล้ายแก้วอย่างค่อยเป็นค่อยไป ณ จุดนี้ วัสดุไม่แสดงสมบัติของวัสดุยืดหยุ่นนุ่มอีกต่อไป แต่กลับมีลักษณะคล้ายของแข็งที่มีความแข็งสูงแทน งานวิจัยเกี่ยวกับ HNBR ที่อุณหภูมิต่ำชี้ให้เห็นว่า ชิ้นส่วนซีลโดยทั่วไปพึ่งพาความสามารถในการคืนรูปเพื่อชดเชยการเสียรูปร่างถาวรจากการบีบอัดที่อุณหภูมิต่ำ และความแปรผันของช่องว่างระหว่างผิวสัมผัส อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ Tg สมบัติยืดหยุ่นของวัสดุจะลดลงอย่างมาก แม้ช่องว่างเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดการรั่วได้

ควรสังเกตว่า การแข็งตัวไม่ได้หมายความว่าการซีลจะดีขึ้น

ภายใต้สภาวะการบีบอัดที่มีการเคลื่อนที่คงที่ การเพิ่มขึ้นของค่าโมดูลัสอาจช่วยเพิ่มความสามารถในการคืนรูปในบริเวณท้องถิ่นได้ในระยะสั้น แต่หากวัสดุไม่สามารถคืนรูปกลับสู่สภาพเดิมได้ ไม่สามารถเติมช่องว่างจุลภาคขนาดใหญ่ได้ หรือหลุดออกจากพื้นผิวซีลเนื่องจากการหดตัวจากความร้อน ความสามารถในการซีลจริงจะลดลงแทน

3. ทำไมจึงสูญเสียความสามารถในการคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำ

การสูญเสียความสามารถในการคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำเกิดขึ้นหลัก ๆ จากกลไกสามประการ

3.1 การเคลื่อนที่ของสายโมเลกุลถูกแช่แข็ง ทำให้การคืนตัวช้าลง

ที่อุณหภูมิห้อง หลังจากโอริงถูกบีบอัด ชิ้นส่วนของสายโมเลกุลสามารถปรับตัวได้อย่างรวดเร็วและรักษาระดับความยืดหยุ่นไว้ได้ แต่เมื่ออุณหภูมิต่ำลง การเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนสายโมเลกุลจะถูกจำกัด กระบวนการคืนตัวของวัสดุจึงช้าลงอย่างมาก การทดสอบการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้อุณหภูมิต่ำนั้นใช้วัดว่า ยางสูญเสียความสามารถในการคืนตัวมากน้อยเพียงใดเมื่อถูกทำให้เย็นลงจนแข็งตัว ข้อมูลในห้องปฏิบัติการแสดงชัดเจนว่า ที่อุณหภูมิต่ำ ยางสูญเสียความยืดหยุ่นอย่างต่อเนื่อง และอัตราการฟื้นฟูความสามารถในการเชื่อมช่องว่างลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

3.2 การเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้สภาวะเย็นเพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดไม่เกิดขึ้นเฉพาะหลังการแก่ตัวที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น ที่อุณหภูมิต่ำ แหวนโอ (O-rings) ยังสามารถเกิด "การเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดในภาวะแข็งตัว" ได้ กล่าวคือ ถูกบีบให้แบนราบ และไม่สามารถคืนความหนาของหน้าตัดได้ชั่วคราว การศึกษา HNBR ที่อุณหภูมิต่ำแสดงให้เห็นว่า การเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดเป็นตัวชี้วัดสำคัญสำหรับแหวนโอและแอปพลิเคชันการซีลแบบคล้ายกัน และเมื่ออุณหภูมิใกล้จุดเปลี่ยนผ่านแบบกระจก (glass transition temperature) การเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดอาจเพิ่มสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แม้ในสภาวะการทดลองบางกรณีจะสูงมาก

การเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดที่อุณหภูมิต่ำประเภทนี้บางครั้งสามารถกลับคืนสภาพได้: เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนหนึ่งอาจฟื้นตัวคืนสภาพได้ แต่ในช่วงเวลาที่อุปกรณ์ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ การเปลี่ยนรูปดังกล่าวก็เพียงพอแล้วที่จะทำให้เกิดการรั่วไหล

3.3 การผ่อนคลายแรงเครียดทำให้แรงซีลลดลง

แหวนโอที่ถูกบีบอัดเป็นเวลานานในร่อง แรงยึดเกาะจะลดลงตามเวลา ซึ่งเรียกว่าการผ่อนคลายความเครียด (stress relaxation) ภายใต้อุณหภูมิต่ำ วัสดุทั้งหดตัวและฟื้นตัวได้ยาก หากเกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอย่างฉับพลัน การเปลี่ยนแปลงช่องว่างอย่างกะทันหัน หรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบวงจร (thermal cycling) ไปพร้อมกัน ค่าความปลอดภัยของแรงสัมผัสจะลดลงเพิ่มเติม อีกทั้งงานวิจัยเกี่ยวกับแหวนโอสำหรับระบบไฮดรอลิกใต้ทะเลลึกยังชี้ว่า ภายใต้อุณหภูมิต่ำ การหดตัวของปริมาตรยางร่วมกับการผ่อนคลายความเครียดจะทำให้ประสิทธิภาพการยึดเกาะแย่ลงเรื่อย ๆ และค่าความปลอดภัยจากการขยายตัวของช่องว่างอย่างฉับพลันก็จะลดลงอย่างชัดเจน

4. เหตุใดการรั่วของก๊าซจึงเกิดขึ้นได้ง่ายเป็นพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ

การยึดเกาะก๊าซมีความไวมากกว่าการยึดเกาะของของเหลว เนื่องจากความหนืดและแรงตึงผิวของก๊าซมีค่าน้อยกว่า จึงจำเป็นเพียงช่องทางเล็กจิ๋วที่ต่อเนื่องกันเท่านั้นก็สามารถรั่วได้ ภายใต้อุณหภูมิต่ำ ช่องทางการรั่วมักไม่เริ่มต้นจากการขาดของแหวนโอทั้งเส้น แต่เริ่มต้นจากการสูญเสียการสัมผัสระดับจุลภาคบนพื้นผิวยึดเกาะ

กระบวนการทั่วไปมีดังนี้:

• อุณหภูมิลดลง ทำให้แหวนโอริงและร่องโลหะหดตัวพร้อมกัน
• การหดตัวจากความร้อนของยางมักเด่นชัดกว่าการหดตัวจากความร้อนของโลหะ ทำให้ปริมาณการบีบอัดจริงและความกว้างของการสัมผัสทั้งสองค่าลดลง
• ความสามารถในการคืนรูปของยางช้าลง จึงไม่สามารถชดเชยการเปลี่ยนแปลงมิติของร่องได้
• เกิดช่องเล็กๆ แบบต่อเนื่องระหว่างยอดหยาบของผิวซีล
• ก๊าซรั่วไหลตามแนวรอยต่อ

จากการศึกษากรณีการรั่วของก๊าซที่อุณหภูมิต่ำของแหวนโอริง HNBR พบว่า เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าบริเวณจุดเปลี่ยนแก้ว (Tg) ของวัสดุ อัตราการรั่วของอากาศจะเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลัน นักวิจัยระบุว่าสาเหตุหลักคือการหดตัวจากความร้อนและการฟื้นตัวของยางที่อุณหภูมิต่ำไม่เพียงพอ ส่งผลให้ซีลแยกตัวออกจากพื้นผิวคู่

สิ่งนี้อธิบายปรากฏการณ์ทั่วไปในสถานที่ใช้งาน: แหวนโอริงไม่แตกร้าว ไม่ขาด และดูปกติทั้งภายนอก แต่เครื่องจักรรั่วก๊าซขณะอยู่ในภาวะเย็น และการรั่วนั้นลดลงหรือหายไปเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

5. จุดเปลี่ยนแก้ว ความเปราะบาง และการรั่วก๊าซที่อุณหภูมิต่ำ ไม่ใช่แนวคิดเดียวกัน

ในการวิเคราะห์การปิดผนึกที่อุณหภูมิต่ำ มักสับสนระหว่างค่า Tg, TR10, อุณหภูมิที่วัสดุเปราะ และการเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดที่อุณหภูมิต่ำ ทั้งที่แต่ละค่าแทนปัญหาที่ต่างกัน

การทดสอบความเปราะของยางตามมาตรฐาน ASTM D2137 มุ่งเน้นว่าวัสดุแสดงรอยขีดข่วนหรือการแตกร้าวของชั้นเคลือบเมื่อถูกกระแทกที่อุณหภูมิต่ำหรือไม่ ตัวชี้วัดนี้ยังบ่งชี้ว่ามาตรฐานประเภทนี้ใช้สำหรับการควบคุมและงานวิจัยและพัฒนา แต่ไม่จำเป็นต้องสะท้อนอุณหภูมิต่ำสุดที่วัสดุสามารถใช้งานได้จริง ขณะที่มาตรฐาน ASTM D746 ระบุเพิ่มเติมว่า วิธีการทดสอบอุณหภูมิความเปราะนั้นใช้ประเมินการล้มเหลวแบบเปราะของวัสดุภายใต้สภาวะที่กำหนดไว้ และไม่จำเป็นต้องเท่ากับอุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานจริง

ดังนั้น วัสดุที่ไม่แตกร้าวจึงไม่ได้หมายความว่าจะไม่รั่วซึมอย่างแน่นอน การล้มเหลวของการปิดผนึกของโอริงที่อุณหภูมิต่ำมักแสดงออกในรูปแบบของแรงสัมผัสที่ไม่เพียงพอ ไม่ใช่รอยแตกร้าวที่มองเห็นได้ชัดเจน

6. เหตุใดค่า TR10 จึงสำคัญกว่า "ช่วงทนความเย็น"

TR10 เป็นตัวชี้วัดที่สำคัญมากสำหรับการเลือกวัสดุปิดผนึกที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำ มาตรฐาน ISO 2921 เป็นวิธีการมาตรฐานในการวัดอุณหภูมิการหดตัวของยางที่ผ่านกระบวนการวัลแคนไนเซชันภายใต้อุณหภูมิต่ำ ซึ่งใช้เพื่อกำหนดคุณสมบัติการคืนตัวตามอุณหภูมิของยางที่มีแรงดึง

การทดสอบ TR10 มักยืดยางออก 25% หรือ 50% จากความยาวเดิม แล้วทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิต่ำ จากนั้นบันทึกอุณหภูมิเมื่อยางหดตัวกลับ 10% ยิ่งอุณหภูมินั้นต่ำเท่าใด วัสดุก็ยิ่งรักษาความสามารถในการคืนตัวแบบยืดหยุ่นไว้ได้ดีขึ้นภายใต้อุณหภูมิต่ำเท่านั้น

ในทางวิศวกรรมสามารถเข้าใจได้โดยทั่วไปดังนี้

ยิ่งค่า TR10 ต่ำลง และใกล้เคียงหรือสูงกว่าอุณหภูมิต่ำสุดของสภาวะการใช้งาน ความเสี่ยงต่อการรั่วซึมที่อุณหภูมิต่ำก็ยิ่งลดลงเท่านั้น

ข้อมูลการทดลองแสดงว่า โอ-ริงที่ใช้งานแบบไดนามิกหรือรับแรงดันควรให้ความสำคัญกับความสามารถในการปิดผนึกบริเวณ TR10 เป็นหลัก ส่วนโอ-ริงที่ใช้งานแบบสถิตภายใต้สภาวะการทำงานที่มีข้อกำหนดต่ำ บางครั้งอาจยังคงสามารถปิดผนึกได้ตามมาตรฐานทางเทคนิคแม้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า TR10 ถึง 10–15 องศาเซลเซียส อย่างไรก็ตาม ข้อนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุ โครงสร้าง และวิธีการทดสอบการรั่วไหล คู่มือเทคนิคโอ-ริงฉบับอื่นก็ระบุหลักการที่คล้ายกันว่า การปิดผนึกแบบสถิตโดยทั่วไปยอมให้อุณหภูมิต่ำลงได้ประมาณ TR10 ถึง 10 องศาเซลเซียส ในขณะที่การปิดผนึกแบบไดนามิกควรเข้าใกล้ค่า TR10 มากขึ้น และในเวลาเดียวกัน สารที่สัมผัสอาจทำให้วัสดุหดตัวหรือบวม ส่งผลให้ค่าจำกัดจริงเปลี่ยนแปลงไป

7. สภาวะการทำงานที่มีความดันสูงและอุณหภูมิต่ำ ยังจำเป็นต้องพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของค่า Tg และ TR10 ด้วย

ในสถานการณ์ที่มีความดันสูง เช่น ระบบก๊าซ-น้ำมัน วาล์ว ระบบไฮโดรเจน ไฮดรอลิกสำหรับอวกาศ และอื่นๆ ไม่สามารถพิจารณาเพียงค่า Tg หรือ TR10 ภายใต้ความดันปกติได้เท่านั้น ข้อมูลวัสดุสำหรับความดันสูงของเทรลเลอบอร์กชี้ว่า ภายใต้อุณหภูมิต่ำและความดันสูง การตอบสนองของอีลาสโตเมอร์ที่ใช้สำหรับการบีบอัดอาจทำให้ความดันผลักให้ค่า Tg ของพอลิเมอร์เพิ่มสูงขึ้น ผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องคำนึงถึงการเบี่ยงเบนของค่า Tg นี้ในการออกแบบซีลที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำและความดันสูง

สิ่งนี้หมายความว่า วัสดุชนิดหนึ่งอาจผ่านเกณฑ์ภายใต้ความดันปกติเมื่อพิจารณาจากค่า TR10 หรือ Tg แต่ภายใต้ก๊าซความดันสูงอาจสูญเสียความยืดหยุ่นก่อนเวลาอันควร จุดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวาล์วที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ อุปกรณ์ก๊าซความดันสูง อุปกรณ์ไฮโดรเจน และการซีลหลุมเจาะก๊าซ-น้ำมัน

8. ลักษณะการปรากฏจริงในสนามของโหมดความล้มเหลวที่อุณหภูมิต่ำที่แตกต่างกัน

8.1 การรั่วไหลขณะเย็น แต่ไม่รั่วขณะร้อน

นี่คือลักษณะทั่วไปของการคืนรูปไม่เพียงพอที่อุณหภูมิต่ำ หรือการแยกตัวระหว่างพื้นผิวสัมผัส เมื่อแหวนโอ (O-ring) อุ่นขึ้น โมเลกุลของโซ่โพลิเมอร์จะกลับมีกิจกรรมอีกครั้ง แรงกดที่สัมผัสและรูปร่างหน้าตัดจะฟื้นตัวได้ดี ส่งผลให้การรั่วไหลลดลง

8.2 การรั่วของก๊าซขณะสตาร์ตเครื่องเย็น ซึ่งจะดีขึ้นหลังจากใช้งานไปสักพัก

อาจเกิดจากการคืนค่าอุณหภูมิ หรืออุณหภูมิของสารเพิ่มขึ้น หรือวัสดุค่อยๆ ฟื้นตัวกลับมา หากอุปกรณ์จำเป็นต้องมีการปิดผนึกแบบไม่รั่วของก๊าซในช่วงสตาร์ตเครื่องเย็น วัสดุชนิดนี้ยังถือว่าไม่ผ่านมาตรฐาน

8.3 การรั่วของก๊าซหลังจอดทิ้งไว้ที่อุณหภูมิต่ำเป็นเวลานาน

ยิ่งเวลาที่จอดทิ้งไว้ในอุณหภูมิต่ำนานเท่าใด ปรากฏการณ์การตกผลึกจะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น ความเครียดจะคลายตัว และความสามารถในการคืนรูปภายหลังการบีบอัดจะไม่เพียงพอ การทดสอบที่ผ่านเกณฑ์ในช่วงเวลาสั้นๆ ที่อุณหภูมิต่ำ ไม่ได้หมายความว่าจะผ่านเกณฑ์สำหรับการจอดกลางแจ้งเป็นเวลานาน การบินที่ระดับความสูงสูง หรือการใช้งานในห้องเย็นเป็นเวลานาน

8.4 การรั่วซ้ำที่อุณหภูมิต่ำหลังผ่านกระบวนการแก่ตัวจากความร้อน

การแก่ตัวจากอุณหภูมิสูงหรือจากสารที่สัมผัสอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้แรงบีบอัด วัสดุแข็งตัว หดตัว หรือสูญเสียพลาสติกไลเซอร์ จากนั้นเมื่อนำไปใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการคืนรูปของโอ-ริงจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ จึงเกิดการรั่วได้ง่ายขึ้น

8.5 การรั่วของซีลแบบไดนามิกที่อุณหภูมิต่ำ เกิดการติดขัด การสึกหรอ และการรั่ว

ซีลแบบไดนามิกนอกจากจะสูญเสียแรงดันการสัมผัสแล้ว ยังต้องการแรงเสียดทานต่ำและการคืนรูปอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิต่ำทำให้วัสดุแข็งตัว แรงเสียดทานเพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพการหล่อลื่นลดลง ทำให้ขอบซีลหรือโอริงไม่สามารถตามความเคลื่อนไหวของพื้นผิวที่สัมผัสได้อย่างทันท่วงที ส่งผลให้เกิดการรั่วซึมแบบเป็นช่วงๆ การเคลื่อนที่แบบกระตุก การบิดตัว หรือการสึกหรอ

9. การเลือกวัสดุไม่ควรระบุเพียงแค่คำว่า "ทนความเย็น"

สำหรับระบบทำความเย็น อวกาศยาน อุปกรณ์ใช้งานกลางแจ้ง และวาล์วสำหรับสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำ หน้าข้อมูลวัสดุควรแยกคำว่า "ทนความเย็น" ออกเป็นตัวชี้วัดที่ตรวจสอบได้จริง ไม่ใช่เพียงระบุช่วงอุณหภูมิเดียว

ฟิลด์ที่แนะนำมีดังนี้

10. ตรรกะการเลือกวัสดุทั่วไปสำหรับใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ

NBR / NBR สำหรับอุณหภูมิต่ำ

สมรรถนะของ NBR ที่อุณหภูมิต่ำขึ้นอยู่โดยตรงกับปริมาณอะคริโลไนไตรล์ องค์ประกอบส่วนผสม และระบบเสริมต่าง ๆ อย่างใกล้ชิด NBR สำหรับอุณหภูมิต่ำสามารถเพิ่มความนุ่มตัวที่อุณหภูมิต่ำได้ แต่มักจำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนสมดุลระหว่างความต้านทานน้ำมัน ความเข้ากันได้กับเชื้อเพลิง และการคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำ ใช้ได้กับสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับน้ำมัน สารหล่อลื่นชนิดน้ำ-ไกลโคไล ระบบไฮดรอลิกทั่วไป และระบบทำความเย็น โดยต้องยืนยันให้แน่ชัดว่าสื่อที่ใช้เหมาะสม

เอชเอ็นบีอาร์

HNBR มีสมรรถนะทนความร้อน ทนน้ำมัน และคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า NBR ทั่วไป แต่สมรรถนะที่อุณหภูมิต่ำยังคงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบส่วนผสมอย่างมาก สำหรับอุปกรณ์ที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำและมีความดันสูงหรือใช้กับน้ำมัน-ก๊าซ ไม่สามารถพิจารณาเพียงจากชื่อ HNBR เท่านั้น แต่ควรกำหนดให้มีค่า TR10 ค่าการเสียรูปถาวรภายใต้แรงกดที่อุณหภูมิต่ำ และการทดสอบรั่วจริง

อีพีดีเอ็ม

EPDM มักใช้ได้ดีกับน้ำ ไอน้ำ ของเหลวร้อนเย็น โอโซนกลางแจ้ง และสภาพแวดล้อมที่ทนความเย็น แต่ไม่เหมาะกับผลิตภัณฑ์น้ำมันปิโตรเลียมส่วนใหญ่ ใช้ในอุปกรณ์กลางแจ้ง ระบบน้ำหล่อเย็น ระบบเอทิลีนไกลคอลที่อุณหภูมิต่ำ ต้องตรวจสอบค่า TR10 และความสามารถในการฟื้นตัวที่อุณหภูมิต่ำของสูตรเฉพาะ

VMQ/ยางซิลิโคน

ความนุ่มตัวที่อุณหภูมิต่ำของยางซิลิโคนโดยทั่วไปดีมาก แต่ความต้านทานการฉีกขาด ความต้านทานการสึกหรอ อัตราการซึมผ่านของก๊าซ และความสามารถในการทนน้ำมันเชื้อเพลิงอาจเป็นข้อจำกัด ใช้ได้กับซีลแบบคงที่ที่อุณหภูมิต่ำบางประเภท งานด้านอาหาร งานทางการแพทย์ และสภาพแวดล้อมที่รับน้ำหนัก แต่ไม่จำเป็นต้องเหมาะสมกับก๊าซแรงดันสูงหรือการสึกหรอแบบเคลื่อนไหวอย่างรุนแรง

FVMQ/ยางฟลูออโรซิลิโคน

ยางฟลูออโรซิลิโคนให้สมดุลที่ดีกว่าระหว่างความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำกับความสามารถในการทนน้ำมันและเชื้อเพลิง มักใช้ในงานซีลแบบคงที่สำหรับเชื้อเพลิงการบินและผลิตภัณฑ์น้ำมันที่อุณหภูมิต่ำ แต่ความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานการสึกหรอยังต้องประเมินแยกต่างหาก และไม่สามารถแทนที่ FKM หรือ NBR ทั้งหมดได้โดยอัตโนมัติ

FKM / FKM ทนอุณหภูมิต่ำ

FKM ทั่วไปมีชื่อเสียงในด้านความต้านทานต่ออุณหภูมิสูง ความต้านทานน้ำมัน และความต้านทานต่อสารเคมีต่างๆ แต่มักมีค่าการคืนรูปที่อุณหภูมิต่ำต่ำ สำหรับวาล์วที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ อุปกรณ์เชื้อเพลิงในอวกาศ หรืออุปกรณ์ผลิตภัณฑ์น้ำมันที่ใช้กลางแจ้ง ควรเลือกใช้ FKM ทนอุณหภูมิต่ำและสูตรเฉพาะที่คล้ายคลึงกันเป็นลำดับแรก และตรวจสอบค่า TR10, Tg และการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้แรงอัดที่อุณหภูมิต่ำ

เอฟเอฟเคเอ็ม

ข้อได้เปรียบหลักของ FFKM คือความต้านทานสารเคมีสุดขั้วและความสามารถในการทนอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม FFKM ทั่วไปหลายชนิดมีความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำต่ำ หากจำเป็นต้องใช้ FFKM กับวาล์วแรงดันสูงที่ทำงานที่อุณหภูมิต่ำ หรืออุปกรณ์งานน้ำมัน-ก๊าซ ควรเลือกสูตร FFKM ทนอุณหภูมิต่ำโดยเฉพาะ และตรวจสอบการรั่วซึมภายใต้แรงดันสูงที่อุณหภูมิต่ำ

ข้อมูลจากเทรลเลอบอร์กยังแสดงให้เห็นว่า การตอบสนองของสูตร FFKM ทนอุณหภูมิต่ำต่างๆ ในแง่ค่า TR10 และ Tg ภายใต้แรงดันสูงนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

11. การออกแบบโครงสร้างช่วยลดความเสี่ยงการรั่วซึมที่อุณหภูมิต่ำได้อย่างไร

วัสดุเป็นเพียงขั้นตอนแรกเท่านั้น; แหวนโอที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิต่ำต้องควบคุมความเสี่ยงผ่านการออกแบบร่องและวิธีการประกอบด้วย

ขั้นตอนแรก ต้องมั่นใจว่ามีปริมาณการบีบอัดเพียงพอที่อุณหภูมิต่ำสุด (Tmin) จำเป็นต้องคำนวณความแตกต่างของการหดตัวจากความร้อนระหว่างร่องโลหะกับยาง ไม่สามารถออกแบบเพียงจากขนาดตามปกติได้

ประการที่สอง ซีลแบบสถิตสามารถเพิ่มปริมาณการบีบอัดจากแรงดันได้เล็กน้อย แต่ห้ามเกินขีดจำกัดของปริมาตรร่องและการประกอบ หากปริมาณการบีบอัดไม่เพียงพอ จะทำให้รั่วไหลก่อนกำหนด แต่หากมากเกินไปอาจทำให้ชิ้นส่วนเสียหายขณะประกอบ หรือเกิดการยึดติดจากความร้อน การเสียดสีเพิ่มขึ้น หรือการเปลี่ยนรูปถาวร

ประการที่สาม ซีลแบบไดนามิกไม่สามารถเพิ่มปริมาณการบีบอัดได้ตามอำเภอใจ เมื่ออุณหภูมิต่ำ แรงเสียดทานจะเพิ่มขึ้น การบีบอัดมากเกินไปจะทำให้เกิดแรงต้านขณะเริ่มต้นการทำงาน การสึกหรอ การบิดตัว และการเคลื่อนที่แบบกระโดด

ประการที่สี่ ต้องควบคุมความหยาบของผิวสัมผัสซีลและความกลมของผิว เมื่ออุณหภูมิต่ำ ความสามารถของยางในการเติมเต็มยอดผิวที่หยาบจะลดลง ความหยาบของผิวจึงส่งผลต่อความแน่นสนิทมากขึ้น

ประการที่ห้า ใช้วงแหวนสำรอง วงแหวนรองรับ หรือโครงสร้างที่ขับเคลื่อนด้วยสปริงเมื่อจำเป็น การซีลก๊าซภายใต้ความดันสูงและอุณหภูมิต่ำ โดยพึ่งพาแรงคืนตัวตามธรรมชาติของยางเพียงอย่างเดียว มีความเสี่ยงสูงกว่า จึงอาจใช้ซีลพอลิเตตระฟลูออโรเอธิลีน (PTFE) ที่ขับเคลื่อนด้วยสปริง โอริงแบบหุ้ม ซีลหน้าตัดพิเศษ หรือซีลโลหะแทนได้เพื่อความน่าเชื่อถือที่มากขึ้น

ประการที่หก จาระบีหล่อลื่นต้องเข้ากันได้กับอุณหภูมิต่ำ จาระบีหล่อลื่นทั่วไปจะเหนียวข้นหรือแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำ ทำให้แรงเสียดทานเพิ่มขึ้นและส่งผลต่อการพอดีของผิวสัมผัส โดยเฉพาะอย่างยิ่งต้องตรวจสอบความเข้ากันได้ของจาระบีกับยาง สารกลาง และอุณหภูมิต่ำสุดในแอปพลิเคชันวาล์วที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำและในอวกาศ

12. วิธีการตรวจสอบที่แนะนำ

สำหรับระบบทำความเย็น อวกาศ อุปกรณ์กลางแจ้ง และวาล์วที่ใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ แนะนำให้ดำเนินการตรวจสอบที่อุณหภูมิต่ำเป็นการทดสอบแบบผสมผสาน ไม่ใช่การทดสอบวัสดุเพียงอย่างเดียว

สายการทดสอบที่แนะนำ:

• ระดับวัสดุ: อุณหภูมิแก้ว (Tg), อุณหภูมิที่ยืดตัวได้ร้อยละ 10 (TR10), อุณหภูมิที่เกิดความเปราะบาง, การเปลี่ยนรูปคงตัวภายใต้แรงอัดที่อุณหภูมิต่ำ
• ระดับสื่อ: ตรวจสอบซ้ำขนาด ความแข็ง ค่า TR10 และการเปลี่ยนรูปถาวรจากการบีบอัดหลังแช่ในสารทำความเย็น น้ำมัน เชื้อเพลิง อากาศ CO₂ ไฮโดรเจน หรือสื่อจริง
• ระดับโครงสร้าง: ต้องสอดคล้องกับร่องจริง ปริมาณการบีบอัดจริง และความหยาบของพื้นผิวจริงของโอริงที่ประกอบแล้ว
• ระดับสภาวะ: แช่เย็นที่อุณหภูมิต่ำสุดเป็นเวลาเพียงพอ แล้วจึงทำการทดสอบความแน่นสนิทของก๊าซ
• ระดับรอบการทำงาน: ทำวงจรเปลี่ยนอุณหภูมิสูง-ต่ำ วงจรเปลี่ยนความดัน และวงจรเริ่ม-หยุด แล้วจึงทดสอบการรั่วซ้ำ
• ระดับการเสื่อมสภาพ: หลังการแก่ตัวด้วยความร้อนหรือการแก่ตัวจากสื่อ จึงทดสอบการรั่วที่อุณหภูมิต่ำซ้ำ

ข้อกำหนดขั้นต่ำไม่ควรระบุเพียงว่า "วัสดุทนต่อ -40°C" เท่านั้น แต่ควรเขียนอย่างชัดเจนว่า:

ที่อุณหภูมิ -40°C ในสื่อกำหนด ภายใต้ความดันที่กำหนด เวลาแช่เย็นที่กำหนด ร่องและค่าความหยาบของพื้นผิวที่กำหนด อัตราการรั่วต้องไม่เกินค่าเป้าหมาย; โอริงต้องไม่มีรอยแตก ไม่มีการเปลี่ยนรูปถาวรผิดปกติ และยังคงมีความสามารถในการคืนตัวได้ตามเกณฑ์ที่ยอมรับได้ก่อนและหลังการทดสอบ