Уплотнительные кольца для низких температур в криогенных приложениях

Резиновые уплотнительные кольца применяются в различных отраслях промышленности. Некоторые из сфер требуют, чтобы уплотнения характеризовались высокой производительностью в тяжёлых условиях при низкой температуре. Криогенные применения чаще всего касаются рабочих сред, в которых температура опускается ниже -150° C. Часто в них используются такие вещества, как: жидкий азот, хладагенты и углеводороды с низкими температурами замерзания.

Криогенные уплотнения должны обеспечивать безопасность и надёжную работу без риска возникновения утечек. Низкотемпературные O-ринги имеют огромное значение в различных отраслях, которые используют криогенные процессы, в том числе в фармацевтической, авиационной, медицинской, пищевой (включая молочную), нефтегазовой, нефтехимической промышленности, а также в химической переработке и оборонной промышленности.

Криогеника – что это?

Криогеника (англ. Cryogenic) изучает поведение материалов при экстремально низких температурах, которые влияют на изменение их химических свойств. К криогенным жидкостям, которые могут быть очень опасны, относятся в частности кислород, азот, гелий, метан и аргон. Работа при криогенных температурах связана с риском взрыва и пожара в результате быстрого распространения легко воспламеняющихся жидкостей. Контакт с криогенной жидкостью представляет потенциальную угрозу для жизни. Холодные газы и пары, выделяющиеся из криогенных жидкостей, могут вызвать повреждения кожи, угрожать удушьем или выделять опасные токсины (сильно концентрированные газы могут быть смертельны). O-ринги в криогенных применениях должны учитывать эти критические опасения.

Термостойкость уплотнений, применяемых в криогенных приложениях, должна быть значительно ниже, чем у стандартных O-рингов. Применение жидкого азота находит применение в медицине (криохирургия, криотерапия), обработке металлов, заморозке пищевых продуктов, тогда как жидкий кислород используется в нефтехимической промышленности. Среди криогенных жидкостей также применяются жидкий гелий (томографы ЯМР) или жидкий метан (топливо для двигателей транспорта). Следует помнить, что использование жидкого азота и жидкого гелия связано с кипением при очень низких температурах (ниже -153° C).

Криогенные применения охватывают приложения, в которых температура падает ниже -150° C до – 460° C (абсолютный ноль). Для хранения сжиженных газов (включая азот и гелий) требуются специальные сосуды, которые обеспечат отличную термоизоляцию. Все сведения и рекомендации по хранению криогенных жидкостей должны соблюдаться безоговорочно.

Уплотнительные кольца типа O-ring для криогенных применений

O-ринги для криогенных применений — это специально сконструированные уплотнительные элементы, которые характеризуются высокой производительностью при ультранизких температурах. Они изготавливаются из материалов, которые эффективно предотвращают утечки жидкостей, сохраняют свою эластичность и уплотняющие свойства в экстремальных температурах ниже -150° C.

Конвенциональные материалы теряют эластичность и становятся хрупкими при таких низких температурах, что в результате приводит к повреждению уплотнения и протечкам. В Power Rubber мы предлагаем O-ринги, устойчивые к экстремальному холоду, при одновременном сохранении эластичности и упругости. Выбор подходящего материала и его совместимость с криогенными жидкостями имеют ключевое значение.

Влияние низкой температуры на O-ринги

O-ринги круглого сечения, применяемые в аппликациях, подверженных низким температурам, могут подвергаться деградации. Низкая температура может снизить эффективность уплотнения. Изделия из эластомеров при контакте с низкой температурой могут сокращаться в объёме, что, в свою очередь, влияет на уменьшение их способности к компрессии и может привести к утечке. В момент, когда предел низкой температуры будет превышен, резиновые изделия подвергаются затвердеванию, становясь менее эластичными и более хрупкими. Это приведёт к нарушению работы O-рингов и началу протечек. Чтобы предотвратить отказы, связанные с работой в среде с низкой температурой, проводят различные испытания, цель которых — проверить, как конкретные каучуковые смеси ведут себя при низких температурах. Химическая совместимость в сочетании с подходящими физическими свойствами и устойчивостью материалов к экстремально низким температурам является ключом к производству эффективных O-рингов.

Температура стеклования и предел хрупкости O-рингов

Одним из существенных параметров при подборе эластомера для криогенных применений является температура стеклования (Tg). После её достижения материал теряет эластичность и переходит в стеклообразное состояние, поэтому при проектировании уплотнения следует учитывать соответствующий запас относительно рабочей температуры. Важен также предел хрупкости, определяющий температуру, ниже которой материал может стать склонным к растрескиванию и механическим повреждениям.

Испытание эффективности уплотнения

Фактором, который оказывает наибольшее влияние на эластичность изделий из эластомеров, является работа при низкой температуре. По мере снижения температуры эластичность резины (в зависимости от смеси) постепенно уменьшается до момента, пока она полностью не потеряет эту свойство. O-ринги, которые сохраняют эластичность при низких температурах, обеспечивают надлежащую эффективность уплотнения. Эффективность O-рингов, предназначенных для применения при низких температурах, измеряется с помощью стандартных испытаний для измерения физических свойств и производительности материала.

Проводятся испытания на:

• хрупкость (ASTM D2137)

• откат температуры (ASTM D1329)

• комплект компрессии (ASTM D395)

Испытания эффективности проводятся с целью обеспечения надлежащей работы уплотнительных колец, работающих в низкотемпературной среде.

Хрупкость

Вследствие работы при низкой температуре увеличивается хрупкость резиновых изделий. Рост хрупкости может привести к растрескиванию, разрыву или повреждению O-ринга. Для этого проводят испытание на хрупкость (ASTM D2137), которое измеряет сопротивляемость O-рингов образованию трещин при изгибе, подвергаемых определённой температуре в течение установленного времени. С помощью этого метода определяется наинизшая температура, при которой резиновые изделия не подвергаются деградации из‑за растрескивания.

Откат температуры

Испытание ASTM D1329, также называемое испытанием TR, проводится с целью измерения температуры, при которой замороженные вулканизованные изделия из эластомеров возвращаются в эластичное состояние. Применяемый метод направлен на оценку эффектов кристаллизации и сравнение свойств резиновых изделий в процессе возврата температуры.

Комплект компрессии

Эффективность уплотнительных колец типа O-ring можно протестировать, подвергнув его воздействию низких температур и проверив, что с ним произойдёт при повышении температуры. Испытание ASTM D395 проверяет, как материал поведёт себя при длительном сжатии и насколько хорошо он восстанавливает первоначальную толщину сечения. Низкий набор компрессии материала свидетельствует о том, что он восстанавливает свою первоначальную толщину сечения после длительного сжатия, и таким образом демонстрирует лучшую герметичность. При длительном сжатии эластомеры не всегда полностью восстанавливают свою первоначальную толщину.

O-ринги для криогенных применений - на что обратить внимание?

Как уже упоминалось, существует четыре группы опасностей для здоровья, связанных с криогенными жидкостями. Это экстремальный холод, удушье, токсичность и воспламеняемость. Традиционные эластомеры переходят в стеклообразное состояние при низких температурах, что в результате делает резину хрупкой, и любые дополнительные напряжения в материале могут вызвать растрескивание. В связи с этим чрезвычайно важна химическая совместимость материалов, контактирующих с криогенными жидкостями. Для эффективного уплотнения эластомерные материалы должны быть совместимы со средой, с которой они контактируют.

Благодаря постоянному развитию полимерной инженерии многие материалы расширили свой диапазон рабочих температур и не складываются в низкотемпературных приложениях. Каждый из материалов имеет свою нижнюю границу рабочей температуры. Правильный выбор материала, из которого изготовлены уплотнения, имеет решающее значение в криогенных применениях. O-ринги, предназначенные для низких температур, также должны соответствовать ряду других важных свойств, таких как: стойкость к большинству химикатов, механические свойства, хорошая устойчивость к перепадам давления. O-ринги для криогенных применений должны быть спроектированы таким образом, чтобы предотвращать утечку жидкостей.

PTFE O-ринги

Популярным выбором является использование O-рингов из политетрафторэтилена (PTFE), наполненного различными полимерами. Эти полимеры — полиамиды и полиэтиленовые материалы с очень высокой молекулярной массой (UHMWPE). Полиэтиленовые материалы без запаха и нетоксичны. Они характеризуются химической совместимостью, низким коэффициентом трения, устойчивостью к выдавливанию и избыточному износу. Комбинация PTFE с различными полимерами обеспечивает эффективность уплотнения в широком диапазоне температур.

Тефлоновые уплотнения (PTFE) используются в случаях, когда другие уплотнительные материалы не удовлетворяют требованиям по диапазону температур, исключительной химической стойкости, трению и износу. Технические уплотнения из PTFE применяются в авиационной и космической промышленности, а также в лабораторных условиях. Несмотря на слабый набор компрессии, они подходят для использования в трудных условиях, при экстремально низких температурах до -200° C в сочетании с очень агрессивными средами. PTFE используется в криогенных температурах для герметичного уплотнения сред, таких как: жидкий азот (-196 °C), жидкая водород (-253 °C) и жидкий гелий (-269 °C).

Материал обеспечивает высокое качество устойчивости почти ко всем промышленным химикатам, за исключением щелочных металлов, фтора и некоторых фторхимикатов (трифторид хлора и дифторид кислорода). PTFE O-ринги совместимы с кислотами, основаниями и растворителями. Благодаря низкому коэффициенту трения они не требуют смазки при установке. При криогенных температурах они не крошатся и сохраняют свои свойства изгиба. PTFE обладает исключительной устойчивостью к разрушению материала, термическому старению и изменению физических свойств в процессе температурных циклов. Материал не набухает из‑за поглощения воды и обеспечивает долговечность при контакте с ультрафиолетовым излучением. Он пригоден для контакта с пищевыми продуктами и соответствует требованиям FDA.

O-ринги в оболочке FEP/PFA

Уплотнения в оболочке FEP/PFA состоят из эластичного сердечника, который обеспечивает равномерное прилегание уплотнения, и бесшовного покрытия из высококачественных фторированных пластиков, которое гарантирует надежное уплотнение. O-ринги в бесшовной оболочке FEP или PFA устойчивы к воздействию большинства растворителей и химикатов, обеспечивая длительную герметичность жидкостей. Они также характеризуются очень низким коэффициентом трения.

Уплотнительные кольца в оболочке могут иметь два типа эластомерного сердечника: цельный и полый. Цельный эластомерный сердечник может быть изготовлен из FKM (Viton®) или силикона (VMQ). Эластомерный сердечник из FKM обеспечивает отличную эластичность и хороший набор компрессии. O-ринги в силиконовой оболочке, помимо перечисленных свойств, мягкие и демонстрируют большую устойчивость к теплу. Силиконовый сердечник при контакте с очень низкими температурами остаётся эластичным.

Полый эластомерный сердечник предназначен в первую очередь для применений, где требуется экстремальная гибкость. Закрытый эластомерный сердечник может быть изготовлен из материала с сертификатом FDA, благодаря чему он может применяться в пище- и фармацевтической промышленности, а также в других областях, требующих соблюдения гигиенических норм.

Внешняя оболочка PFA химически устойчива к различным агрессивным веществам (включая спирты, кислоты, нефть и ароматические растворители). Она характеризуется низким сжатием и диапазоном рабочих температур от -60° C до +260° C.

Внешняя оболочка FEP имеет сходные свойства с PFA, однако демонстрирует большую механическую прочность и устойчивость к напряжениям и растрескиванию. Этот вид материала обладает более слабыми механическими свойствами и короче сроком службы, чем PFA. Рабочая температура находится в диапазоне от -60° C до +205° C.

O-ринги в оболочке FEP/PFA чувствительны к царапинам, поэтому их следует избегать в аппликациях, где контакт происходит с абразивными субстанциями. Они же хорошо подходят для статических применений. В продаже также доступны уплотнения в пружинной версии для криогенных применений, которые устойчивы к действию экстремально низких температур до -250° C.

Криогенные O-ринги – применение

Использование жидкого азота в криогенных уплотнениях предназначено для работы при температурах от -196° C, тогда как в приложениях с жидким водородом — до -254° C. К криогенным жидкостям также относятся сжиженный природный газ, жидкий кислород и гелий. Криогенные O-ринги чаще всего используются в авиационной и нефтегазовой промышленности. В авиационной промышленности уплотнения применяются, в том числе, в ракетных баках и клапанах. Они защищают газовую смесь от утечек, которая отвечает за движущую силу ракеты. В нефтегазовой промышленности применение уплотнений связано, в частности, с переносом сжиженного природного газа (LNG) и сжиженных углеводородных газов (LPG). Ниже приведена информация о других областях применения:

• фармацевтические исследования
• магнитно-резонансная томография
• инфракрасные телескопы
• криогенные насосы
• производство специальных газов
• топливные системы для LNG и компрессоры
• радиоастрономия
• производство специальных газов
• авионика
• уплотнения штоков криогенных клапанов
• инфракрасные телескопы
• научное приборостроение

Больше о технических применениях O-рингов вы найдёте здесь

Специализированные криогенные уплотнения - преимущества и выгоды

Стандартные O-ринги не предназначены для криогенных применений. Экстремально низкие температуры могут привести к их переходу в стеклообразное состояние, что приводит к снижению эластичности и увеличению хрупкости, что в итоге ведёт к отказам.

Криогенные уплотнения специально разработаны, чтобы выдерживать экстремально низкие температуры. Они герметизируют опасные криогенные жидкости, предотвращая утечки и обеспечивая надёжное уплотнение между двумя контактирующими поверхностями. Материалы для криогенных применений устойчивы к термическому усадке, вызывающей потенциальные протечки, хрупкости, которая повышает риск растрескивания и повреждений под воздействием давления, а также прониканию газов. Наши эксперты могут предоставить рекомендации по наиболее подходящему уплотнению для ваших криогенных применений.

На что обратить внимание при выборе криогенных уплотнений?

При покупке O-рингов для криогенных применений следует обратить внимание на несколько качественных показателей, к которым относятся, в частности, скорость утечки (показатель должен поддерживаться на микроуровне), надлежащее упаковка, простота установки. Правильно упакованные уплотнения предотвращают попадание в них различных загрязнений (например, пыли), которые во время установки могут отрицательно повлиять на герметичное соединение между O-рингом и поверхностью. Лёгкая установка означает меньшее применение силы, необходимой для размещения его между двумя поверхностями. В этом отношении полимерные уплотнения имеют преимущество над металлическими.

Воспользуйтесь нашими знаниями и выберите уплотнения, подходящие для криогенных применений. Свяжитесь с нами по телефону: +48 22 292 40 24 или +48 505 16 03 03, либо по электронной почте (power|powerrubber.com| |Power|PowerRubber.com) или через наш контактный формуляр.