Oringi do niskich temperatur w zastosowaniach kriogenicznych

Oringi stosuje się w różnych gałęziach przemysłu. Niektóre z branż wymagają, aby uszczelnienia charakteryzowały się wysoką wydajnością w trudnych warunkach o niskiej temperaturze. Zastosowania kriogeniczne najczęściej dotyczą środowiska pracy, w którym temperatura spada poniżej -150° C. Uszczelnienia kriogeniczne powinny zapewnić bezpieczeństwo i niezawodne działanie bez ryzyka powstania wycieków.  Uszczelnienia typu O-ring przeznaczone do niskich temperatur mają ogromne znaczenie w zastosowaniu w przemyśle farmaceutycznym, lotniczym, medycznym, spożywczym (w tym w mleczarskim), naftowym i gazowym, petrochemicznym.

 

Kriogenika – Co to jest?

Kriogenika (ang. Cryogenic) zajmuje się badaniem zachowania materiałów w ekstremalnie niskich temperaturach, które wpływają na zmianę jego właściwości chemicznych. Ciecze kriogeniczne, do których zalicza się m.in. tlen, azot, hel, metan i argon, mogą być bardzo niebezpieczne. Kontakt z cieczą kriogeniczną stanowi potencjalne zagrożenie życia, może grozić toksycznością lub uduszeniem. Ciecze są łatwopalne, a ich wyciek może grozić wybuchem z powodu szybkiego rozprzestrzeniania się. Oringi w zastosowaniach kriogenicznych powinny uwzględnić te krytyczne obawy. Tolerancja na niskie temperatury uszczelnień stosowanych w aplikacjach kriogenicznych musi być znacznie niższa niż w przypadku standardowych oringów. Stosowanie ciekłego azotu znajduje zastosowanie w medycynie (kriochirurgia, krioterapia), obróbce metali, zamrażaniu żywności, natomiast ciekłego tlenu w przemyśle petrochemicznym. Wśród płynów kriogenicznych stosuje się również ciekły hel (tomografy NMR) lub ciekły metan (paliwo napędowe pojazdów mechanicznych). Należy pamiętać, że stosowanie ciekłego azotu i ciekłego helu dotyczy wrzenia w bardzo niskich temperaturach (poniżej -153° C). Zastosowania kriogeniczne obejmują aplikacje, w których temperatura spada poniżej -150° C do – 460° C (zero absolutne). Do przechowywania skroplonych gazów (m.in. azotu i helu) potrzebne są specjalne naczynia, które zapewnią świetną izolację termiczną. Wszelkie informacje i zalecenia dotyczące przechowywania cieczy kriogenicznych powinny być bezwzględnie przestrzegane.

 

Wpływ niskiej temperatury na oringi

Oringi o przekroju okrągłym, które stosowane w aplikacjach poddawanym niskim temperaturom mogą ulec degradacji. Niska temperatura może wpłynąć na obniżenie wydajności uszczelnienia. Wyroby elastomerowe w kontakcie z niską temperaturą mogą ulec kurczeniu, co z kolei wpływa na zmniejszenie ich zdolności kompresji oraz może doprowadzić do wycieku. W momencie, w którym limit niskiej temperatury zostanie przekroczony, wyroby gumowe ulegają stwardnieniu, stając się mniej elastyczne i bardziej kruche. To sprawi, że wydajność oringów zostanie przerwana i zaczną one przeciekać. Aby zapobiec awariom wynikającym z pracy w środowisku o niskiej temperaturze, przeprowadza się różne testy, których celem jest sprawdzenie, w jaki sposób konkretne mieszanki gumowe zachowują się w niskich temperaturach. Zgodność chemiczna w połączeniu z odpowiednimi właściwościami fizycznymi i odpornością materiałów na ekstremalnie niskie temperatury jest kluczem do wyprodukowania wydajnych o-ringów.

 

Test wydajności uszczelnienia

Czynnikiem, który ma największy wpływ na elastyczność wyrobów elastomerowych jest praca w niskiej temperaturze. Wraz ze spadkiem temperatury, elastyczność gumy (w zależności od mieszanki) stopniowo zmniejsza się do momentu, aż całkowicie straci tą właściwość. Oringi, które charakteryzują się elastycznością w niskich temperaturach zapewniają właściwą wydajność uszczelnienia. Wydajność oringów przeznaczonych do aplikacji w niskich temperaturach mierzona jest za pomocą standardowych testów do pomiaru właściwości fizycznych i wydajności materiału. Wykonuje się testy na: kruchość (ASTM D2137), wycofanie temperatury (ASTM D1329), zestaw kompresji (ASTM D395). Testy wydajności przeprowadza się w celu zapewnienia odpowiedniej wydajności oringów pracujących w środowisku niskotemperaturowym.

Kruchość

Na skutek pracy w niskiej temperaturze, zwiększa się kruchość wyrobów gumowych. Wzrost kruchości może doprowadzić do pęknięcia, zerwania lub uszkodzenia oringu. W tym celu przeprowadza się test na kruchość (ASTM D2137), który mierzy wytrzymałość na pękania oringów, które po zgięciu poddane jest określonej temperaturze przez określony czas. Dzięki tej metodzie określa się najniższą temperaturę, w której wyroby gumowe nie ulegają degradacji na skutek pęknięcia.

Wycofanie temperatury

Test ASTM D1329, nazywany również testem TR, przeprowadza się w celu pomiaru temperatury, w której zamrożone, wulkanizowane wyroby elastomerowe powracają do stanu elastycznego. Stosowana metoda ma na celu ocenę efektów krystalizacji oraz porównanie właściwości wyrobów gumowych podczas procesu cofania temperatury.

Zestaw kompresji

Wydajność pierścieni uszczelniających można sprawdzić podczas wystawienia go na działanie niskich temperatur i sprawdzenie, co się z nim stanie, gdy temperatura zostanie podwyższona. Test ASTM D395 sprawdza, jak zachowa się materiał poddany długotrwałemu ściskaniu i jaką wykazuje zdolność do odzyskania pierwotnej grubości przekroju. Niski zestaw kompresji materiału świadczy o tym, że odzyskuje on swoją pierwotną grubość przekroju po długotrwałym ściskani, a tym samym wykazuje lepszą zdolność uszczelnienia. Podczas długotrwałego ściskania, elastomery nie odzyskują całkowicie swojej pierwotnej grubości.

 

Oringi do zastosowań kriogenicznych

Niezwykle ważnym elementem jest zgodność chemiczna materiałów, które mają kontakt z cieczami kriogenicznymi. W celu zapewnienia wydajnego uszczelnienia, potrzebujemy materiałów, które wytrzymają długotrwały kontakt z ekstremalnie niskimi temperaturami. Dzięki stałemu rozwojowi inżynierii polimerów, wiele materiałów rozszerzyło swój zakres temperatur pracy i nie ulegają one kurczeniu się w aplikacjach niskotemperaturowych. Właściwy wybór materiału, z którego wykonane są uszczelnienia ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach kriogenicznych. Uszczelnienie wydajne w kontakcie z niskimi temperaturami musi również spełniać szereg innych istotnych właściwości (odporność chemiczna, właściwości mechaniczne, odporność na skoki ciśnienia). Oringi do zastosowań kriogenicznych muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby uniemożliwić wyciek cieczom.

Oringi PTFE

Standardowo stosuje się o-ringi z politetrapolifluoroetylenu (PTFE) wypełnionego różnymi polimerami. Te polimery to poliimidy i materiały polietylenowe o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE). Materiały polietylenowe są bezwonne i nietoksyczne. Zgodność chemiczna, niski współczynnik tarcia, odporność na wytłaczanie i nadmierne zużycie to zalety, którymi charakteryzują się te materiały. Połączenie PTFE z różnymi polimerami zapewnia skuteczność uszczelnienia w szerokim zakresie temperatur. PTFE jest fluoropolimerem, który dzięki swoim właściwościom (zgodność chemiczna, odporność na niskie temperatury, niski współczynnik tarcia) stosowany jest w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w sytuacjach laboratoryjnych.

O-ringi wykonane z PTFE, pomimo słabego zestawu kompresji, zapewniają wyjątkową odporność na ekstremalnie niskie temperatury sięgające do -200° C. Tworzywo oferuje również wysokiej jakości odporność na prawie wszystkie chemikalia przemysłowe (zgodność chemiczna). Oringi PTFE są kompatybilne w kontakcie z kwasami, zasadami i rozpuszczalnikami. Dodatkowo, PTFE odznacza się niskim współczynnikiem tarcia, dzięki czemu nie wymaga smarowania podczas instalacji. W temperaturach kriogenicznych PTFE zachowuje swoje właściwości zginania, nie kruszy się, a także oferuje trwałość w kontakcie z promieniowaniem UV i nie pęcznieje z powodu absorpcji wilgoci.

Oringi w otulinie FEP/PFA

Uszczelki w bezszwowej otulinie FEP/PFA wykazują wysokiej jakości odporność chemiczną, zapewniając niezawodne, długotrwałe uszczelnienie płynów. Pierścienie uszczelniające w otulinie mogą mieć dwa rodzaje rdzenia elastomerowego: stały i pusty. Rdzeń elastomerowy stały może być wykonany z FKM (Viton®) lub silikonu (VMQ). Rdzeń elastomerowy FKM oferuje doskonałą elastyczność oraz dobry zestaw kompresji. O-ringi w otulinie silikonowej, dodatkowo (oprócz wyżej wymienionych właściwości) są bardziej miękkie i wykazują większą odporność na ciepło. Rdzeń silikonowy w kontakcie z bardzo niskimi temperaturami pozostaje elastyczny. Pusty rdzeń elastomerowy przeznaczony jest głownie do aplikacji, w których wymagana jest ekstremalna elastyczność. Zamknięty rdzeń elastomerowy może być wykonany z tworzywa posiadającego atest FDA, dzięki czemu może być stosowany w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym oraz w innych aplikacjach, które wymagają zachowania higieny.

Zewnętrzna otulina PFA jest chemicznie odporna na różne żrące substancje (m.in. alkohol, kwas, ropa naftowa i rozpuszczalniki aromatyczne). Odznacza się ona niską kompresją, a także zakresem temperatur roboczych wynoszących od -60° C do +260° C.

Zewnętrzna otulina FEP ma zbliżone właściwości do PFA, jednak wykazuje ona większą wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na naprężenia i pękanie. Ten rodzaj materiału odznacza się słabszymi właściwościami mechanicznymi oraz krótszą żywotnością niż PFA. Temperatura robocza mieści się w zakresie od -60° C do +205° C.

O-ringi w otulinie FEP/PFA są podatne na zarysowania, dlatego należy unikać stosowania ich w aplikacjach, które mają kontakt z substancjami ściernymi. Sprawdzają się natomiast w zastosowaniach statycznych. W sprzedaży dostępne są również uszczelki w wersji sprężynowej przeznaczone do zastosowań kriogenicznych, które są odporne na działanie ekstremalnie niskich temperatur sięgających do -250° C.

 

O-ringi kriogeniczne – Zastosowanie

Stosowanie ciekłego azotu w uszczelnieniach kriogenicznych przeznaczone jest do pracy w temperaturach od -196° C, natomiast w zastosowaniach z ciekłym wodorem do -254° C. Do płynów kriogenicznych zalicza się również ciekły gaz ziemny, ciekły tlen i hel. Oringi kriogeniczne najczęściej wykorzystuje się w przemyśle lotniczym i naftowo-gazowym. W przemyśle lotniczym uszczelki stosuje się m.in. w zbiornikach i zaworach rakietowych. Zabezpieczają one mieszankę gazów przed wyciekiem, która odpowiada za napędzanie rakiety. W przemyśle naftowo-gazowym zastosowanie uszczelek odpowiada m.in. za transfer skroplonego gazu ziemnego (LNG) oraz skroplonego gazu ropopochodnego (LPG). Poniżej przedstawiono informacje dotyczące innych aplikacji, oto one:

  • badania farmaceutyczne
  • rezonans magnetyczny
  • teleskopy na podczerwień
  • pompy kriogeniczne
  • produkcja gazu specjalnego
  • układy paliwowe LNG i sprężarki
  • radioastronomia
  • produkcja gazów specjalncyh
  • lotnictwo
  • uszczelnienia trzpieniowe zaworów kriogenicznych
  • teleskopy na podczerwień
  • oprzyrządowanie naukowe

 

Na co zwrócić uwagę przy wyborze uszczelnień kriogenicznych?

Przy zakupie oringów do zastosowań kriogenicznych należy zwrócić uwagę na kilka wskaźników jakości, do których należy m.in. szybkość wycieku (wskaźnik powinien być utrzymany w zakresie mikro), odpowiednie zapakowanie, łatwość instalacji. Właściwie zapakowane uszczelek zapobiega przedostawaniu się do nich różnego rodzaju zanieczyszczeń (np. kurzu), które podczas instalacji mogą negatywnie wpłynąć na szczelne połączenie pomiędzy oringiem a powierzchnią. Łatwy montaż oznacza mniejsze użycie siły potrzebnej do włożenia go między dwiema powierzchniami. W tym przypadku przewagę na uszczelkami metalowymi mają uszczelki polimerowe.

Skorzystaj z naszej wiedzy i wybierz uszczelnienia odpowiednie do zastosowań kriogenicznych. Zapraszamy do kontaktu.

Zostaw komentarz

Your email address will not be published.