Oringi do niskich temperatur w zastosowaniach kriogenicznych

Oringi gumowe 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. Często wykorzystują one substancje, takie jak: ciekły azot, czynniki chłodnicze i węglowodory o niskich temperaturach zamarzania.

Uszczelnienia kriogeniczne powinny zapewnić bezpieczeństwo i niezawodne działanie bez ryzyka powstania wycieków. Oringi niskotemperaturowe mają ogromne znaczenie w różnych branżach, które wykorzystują procesy kriogeniczne, w tym w przemyśle farmaceutycznym, lotniczym, medycznym, spożywczym (w tym mleczarskim), naftowy i gazowym, petrochemicznym, a także w przetwórstwie chemicznym i obronności).

Kriogenika – Co to jest?

Kriogenika (ang. Cryogenic) zajmuje się badaniem zachowania materiałów w ekstremalnie niskich temperaturach, które wpływają na zmianę ich właściwości chemicznych. Do cieczy kriogenicznych, które mogą być bardzo niebezpieczne, zaliczamy m.in. tlen, azot, hel, metan i argon. Praca w temperaturach kriogenicznych wiąże się z ryzykiem wybuchu i pożaru na skutek szybkiego rozprzestrzeniania się łatwopalnych cieczy. Kontakt z cieczą kriogeniczną stanowi potencjalne zagrożenie życia. Zimne gazy i opary uwalniane z kriogenicznych cieczy mogą powodować obrażenia skóry, grozić uduszeniem lub uwalniać niebezpieczne toksyny (silnie skoncentrowane gazy mogą być śmiertelne). 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.

Pierścienie uszczelniające typu oring do zastosowań kriogenicznych

Oringi do zastosowań kriogenicznych to specjalnie zaprojektowane elementy uszczelniające, które charakteryzują się wysoką wydajnością w ultra niskich temperaturach. Produkowane są z materiałów, które skutecznie zapobiegają wyciekom cieczy, zachowują swoją elastyczność i właściwości uszczelniające w ekstremalnych temperaturach poniżej -150° C.

Konwencjonalne materiały tracą elastyczność i stają się kruche w tak niskich temperaturach, co w efekcie prowadzi do uszkodzenia uszczelnienia i nieszczelności. W Power Rubber oferujemy oringi odporne na ekstremalne zimno, przy jednoczesnym zachowaniu elastyczności i sprężystości. Wybór odpowiedniego materiału i jego kompatybilność z cieczami kriogenicznymi są kluczowe.

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 pierścieni uszczelniających 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 oringa. W tym celu przeprowadza się test na kruchość (ASTM D2137), który mierzy wytrzymałość oringów na pękania, 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 typu O-ring można przetestować 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 ściskaniu, a tym samym wykazuje lepszą zdolność uszczelnienia. Podczas długotrwałego ściskania, elastomery nie odzyskują całkowicie swojej pierwotnej grubości.

Oringi do zastosowań kriogenicznych – Na co zwrócić uwagę?

Jak wspomnieliśmy wcześniej, istnieją cztery grupy zagrożeń dla zdrowia związanych z cieczami kriogenicznymi. Jest to ekstremalne zimno, uduszenie, toksyczność i łatwopalność. Tradycyjne elastomery przechodzą przemianę szklistą w niskich temperaturach, co w efekcie powoduje, że guma staje się krucha, a wszelkie dodatkowe naprężenia materiału mogą powodować pękanie. W związku z powyższym, niezwykle ważnym elementem jest zgodność chemiczna materiałów, które mają kontakt z cieczami kriogenicznymi. W celu wydajnego uszczelniania, materiały elastomerowe muszą być kompatybilne z mediami, z którymi mają kontakt.

Dzięki stałemu rozwojowi inżynierii polimerów, wiele materiałów rozszerzyło swój zakres temperatur pracy i nie ulegają one kurczeniu się w aplikacjach niskotemperaturowych. Każdy z materiałów ma swoją dolną granicę temperatury roboczej. Właściwy wybór materiału, z którego wykonane są uszczelnienia ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach kriogenicznych. Uszczelnienia typu O-ring przeznaczone do niskich temperatur musi spełniać również szereg innych istotnych właściwości, takich jak: odporność na większość chemikaliów, właściwości mechaniczne, dobrą odporność na skoki ciśnienia. Oringi do zastosowań kriogenicznych muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby uniemożliwić wyciek cieczom.

Oringi PTFE

Popularnym wyborem jest zastosowanie oringów z politetrfluoroetylenu (PTFE) wypełnionego różnymi polimerami. Te polimery to poliamidy i materiały polietylenowe o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE). Materiały polietylenowe są bezwonne i nietoksyczne. Charakteryzują się one zgodnością chemiczną, niskim współczynnikiem tarcia, odpornością na wytłaczanie i nadmierne zużycie. Połączenie PTFE z różnymi polimerami zapewnia skuteczność uszczelnienia w szerokim zakresie temperatur.

Uszczelki teflonowe (PTFE) stosowane są wszędzie tam, gdzie inne materiały uszczelniające nie spełniają wymagań dotyczących zakresu temperatur, wyjątkowej odporności chemicznej, tarcia i zużycia. Uszczelnienia techniczne z PTFE stosowane są w przemyśle lotniczym i kosmicznym oraz w sytuacjach laboratoryjnych. Pomimo słabego zestawu kompresji, nadają się one do stosowania w trudnych warunkach, ekstremalnie niskich temperaturach sięgających -200° C w połączeniu z bardzo agresywnymi mediami. PTFE stosowany jest w temperaturach kriogenicznych do hermetycznego uszczelniania mediów, takich jak: ciekły azot (-196 °C), ciekły wodór (-253 °C) i ciekły hel (-269 °C).

Tworzywo oferuje wysokiej jakości odporność na prawie wszystkie chemikalia przemysłowe, z wyjątkiem metali alkalicznych, fluoru i kilku fluorochemikaliów (trifluorek chloru i difluorek tlenu). Oringi PTFE są kompatybilne z kwasami, zasadami i rozpuszczalnikami. Ze względu na niski współczynnik tarcia, nie wymagają smarowania podczas instalacji. W temperaturach kriogenicznych nie kruszą się, a także zachowują swoje właściwości zginania. PTFE ma wyjątkową zdolność do opierania się degradacji materiału, starzeniu cieplnemu i zmianie właściwości fizycznych podczas cykli temperaturowych. Materiał nie pęcznieje z powodu absorpcji wody oraz oferuje trwałość w kontakcie z promieniowaniem UV. nadaje się do kontaktu z żywnością i spełnia wymagania FDA.

Oringi w otulinie FEP/PFA

Uszczelki w otulinie FEP/PFA składają się z elastycznego rdzenia składają się z elastycznego rdzenia, który zapewnia równomierne dopasowanie uszczelki i bezszwowej powłoki z wysokiej jakości tworzyw fluorowanych, która gwarantuje niezawodne uszczelnienie. Pierścienie uszczelniające typu O-ring w bezszwowej otulinie FEP lub PFA są odporne na działanie większości rozpuszczalników i chemikaliów, zapewniając długotrwałe uszczelnienie płynów. Charakteryzują się również bardzo niskim współczynnikiem tarcia.

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, oprócz wyżej wymienionych właściwości, są miękkie i wykazują większą odporność na ciepło. Rdzeń silikonowy w kontakcie z bardzo niskimi temperaturami pozostaje elastyczny.

Pusty rdzeń elastomerowy przeznaczony jest głównie 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 specjalnych
• lotnictwo
• uszczelnienia trzpieniowe zaworów kriogenicznych
• teleskopy na podczerwień
• oprzyrządowanie naukowe

Więcej o zastosowaniach technicznych oringów znajdziesz tutaj

Specjalistyczne uszczelnienia kriogeniczne – zalety i korzyści

Standardowe oringi nie są dedykowane do zastosowań kriogenicznych. Ekstremalnie niskie temperatury mogą sprawić, że osiągną one stan zeszklenia, co skutkuje zmniejszoną elastycznością i zwiększoną kruchością, co w efekcie prowadzi do awarii.

Uszczelnienia kriogeniczne są specjalnie zaprojektowane, aby wytrzymać ekstremalnie niskie temperatury. Uszczelniają one niebezpieczne ciecze kriogeniczne, zapobiegając wyciekom, zapewniając niezawodne uszczelnienie między dwoma współpracującymi powierzchniami. Materiały przeznaczone do zastosowań kriogenicznych są odporne na kurczenie termiczne, które powoduje potencjalne przecieki, kruchość, która zwiększa ryzyko pękania i uszkodzenia pod wpływem ciśnienia, a także przenikanie gazów. Nasi eksperci mogą udzielić wskazówek dotyczących najbardziej odpowiedniego uszczelniania do Twoich zastosowań kriogenicznych.

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 pod numerem telefonu: +48 22 292 40 24 lub +48 505 16 03 03, bądź mailowo (Power@PowerRubber.com) lub przez nasz formularz kontaktowy.