O-ring – temperatura pracy i dobór materiału

Jak działa O-ring?

O-ring jest osadzany w odpowiednio wykonanym rowku i wstępnie ściskany pomiędzy powierzchniami. Odkształcenie przekroju tworzy nacisk kontaktowy jeszcze przed podaniem ciśnienia. Medium pod ciśnieniem przemieszcza elastomer w stronę szczeliny i wzmacnia docisk. Mechanizm jest prosty, ale wymaga zgodności wymiarów, twardości i materiału.

Na szczelność jednocześnie wpływają średnica wewnętrzna, grubość przekroju, tolerancje rowka, jego wypełnienie, chropowatość, szczelina ekstruzyjna, różnica ciśnień i temperatura. Nawet prawidłowo dobrany materiał może przeciekać, jeśli pierścień został skręcony, przecięty podczas montażu, za słabo ściśnięty lub pozbawiony miejsca na rozszerzenie.

Nazwy „oring”, „o-ring”, „pierścień O”, „pierścień uszczelniający” i „uszczelka o przekroju kołowym” opisują tę samą podstawową geometrię. Nie mówią natomiast, czy wyrób wykonano z NBR, EPDM, FKM, silikonu lub innej mieszanki. Kolor również nie jest pewnym identyfikatorem materiału.

Co oznacza temperatura pracy oringu?

Zakres temperatur określa przedział, w którym konkretna mieszanka może zachować wymagane właściwości przez zadany czas i w określonym środowisku. Trzeba odróżnić temperaturę dopuszczalną w pracy ciągłej od krótkiego piku. Chwilowa wartość maksymalna nie uprawnia do wielomiesięcznej eksploatacji na tej granicy.

Temperatura medium na zasilaniu może różnić się od temperatury w rowku. Uszczelnienie ogrzewa się przez przewodzenie od korpusu, promieniowanie od grzałki i tarcie w ruchu. Po zatrzymaniu urządzenia może wystąpić krótkotrwały wzrost temperatury, gdy ustaje chłodzenie. Przy niskiej temperaturze znaczenie ma natomiast najzimniejszy rozruch, nie średnia dobowa.

Rodziny NBR, HNBR, EPDM lub FKM służą do wstępnej selekcji. Monomery, udział akrylonitrylu lub fluoru, napełniacze, plastyfikatory i sposób sieciowania zmieniają elastyczność na mrozie, odporność cieplną oraz reakcję na płyny. Karta konkretnej mieszanki może podawać zakres węższy niż ogólna tabela materiałowa.

Orientacyjne zakresy temperatur materiałów O-ring

Przedziały są wartościami orientacyjnymi dla rodzin materiałowych, a nie gwarancją gotowego O-ringu. W kartach występują także krótkotrwałe maksima, na przykład około +120°C dla wybranych NBR, +160°C dla HNBR, +175°C dla EPDM lub +230°C dla FKM. Wartości chwilowe nie są temperaturą projektową pracy ciągłej.

Specjalne formulacje niskotemperaturowe FKM lub NBR mogą pracować poniżej typowego minimum, ale często odbywa się to kosztem innej właściwości. Podobnie wysokotemperaturowy EPDM zależy od systemu sieciowania. Dlatego skrót materiału trzeba uzupełnić kodem mieszanki, twardością, producentem i aktualną kartą danych.

Dlaczego na gorąco O-ring traci szczelność?

Podwyższona temperatura przyspiesza utlenianie, przemiany sieci polimerowej i utratę składników lotnych. Elastomer może twardnieć, pękać, mięknąć albo nadmiernie pęcznieć pod wpływem medium. Proces zależy od czasu: kilka minut w wysokiej temperaturze i kilka tysięcy godzin przy temperaturze nieco niższej są zupełnie innymi obciążeniami.

Krytycznym parametrem bywa odkształcenie trwałe po ściskaniu, czyli compression set. Po długim ściśnięciu przekrój nie odzyskuje pierwotnej wysokości, przez co maleje nacisk na powierzchnie uszczelniane. Występuje też relaksacja naprężeń: pierścień może wyglądać poprawnie, ale wywierać znacznie mniejszy docisk niż po montażu.

Badanie compression set, opisywane między innymi przez ASTM D395, ma sens tylko wraz z temperaturą, czasem, procentem ścisku i metodą. Wyniku laboratoryjnego nie należy przenosić bezpośrednio na trwałość uszczelnienia, jeżeli geometria, medium i cykl cieplny są inne.

Co dzieje się przy ujemnej temperaturze?

Wraz z ochładzaniem elastomer sztywnieje, a jego powrót do pierwotnego kształtu staje się wolniejszy. Przy zmianie ciśnienia lub mikroruchu powierzchni zbyt twardy O-ring może nie nadążyć za szczeliną i przepuścić medium. To możliwe jeszcze zanim guma stanie się krucha lub pęknie.

Informacja, że próbka nie pękła w zamrażarce, nie potwierdza szczelności. Użyteczne są badania niskotemperaturowe, w tym temperatura cofania TR10 według ASTM D1329, temperatura zeszklenia i testy kruchości. Żaden z nich samodzielnie nie zastępuje próby całego zespołu przy ciśnieniu i ruchu.

Standardowy FKM ceniony za pracę w pobliżu +200°C może być niewłaściwy podczas rozruchu w −35°C. VMQ zwykle zachowuje elastyczność przy większym mrozie, lecz może nie spełnić wymagań dotyczących ścierania, odporności na medium lub wyciskania. O wyborze rozstrzyga komplet warunków.

Temperatura i zgodność chemiczna muszą być oceniane razem

Gorący olej, para, paliwo i środek myjący nie działają na gumę w ten sam sposób. Wzrost temperatury zwykle przyspiesza dyfuzję medium do elastomeru, pęcznienie, ekstrakcję składników oraz reakcje chemiczne. Materiał zgodny w 20°C może zachowywać się inaczej po długiej pracy w 120°C.

FKM nie jest odporny na każdą gorącą ciecz, a EPDM dobry do wody nie powinien być automatycznie stosowany z olejem mineralnym. W klimatyzacji i chłodnictwie trzeba znać zarówno czynnik chłodniczy, jak i olej sprężarkowy. W procesie mycia uwzględnia się stężenie detergentu, temperaturę i częstotliwość cykli.

Rowek, ścisk i rozszerzalność cieplna

Zmiana temperatury wpływa na elastomer, metalowy korpus i trzpień. Materiały rozszerzają się w różnym stopniu, a guma może dodatkowo pęcznieć w cieczy. Jeżeli rowek jest prawie całkowicie wypełniony już podczas montażu, po nagrzaniu zabraknie przestrzeni na odkształcenie. Skutkiem może być nadmierne tarcie, przecięcie albo wyciskanie pierścienia w szczelinę.

Zbyt mały ścisk obniża nacisk kontaktowy, natomiast zbyt duży zwiększa odkształcenie, tarcie i tempo relaksacji. Przykładowo pierścień o przekroju 3 mm ściśnięty do wysokości 2,4 mm ma początkowy ścisk geometryczny 20%. Nie jest to uniwersalne zalecenie, ponieważ właściwy procent zależy od tego, czy połączenie jest statyczne, posuwisto-zwrotne czy obrotowe.

Szczelina ekstruzyjna, różnica ciśnień i twardość materiału określają ryzyko wyciśnięcia gumy. Przy większym ciśnieniu stosuje się czasem pierścień podporowy, jeśli konstrukcja przewiduje na niego miejsce. Obliczenia należy prowadzić dla skrajnych temperatur, tolerancji i możliwego pęcznienia, a nie wyłącznie dla nowych części mierzonych w 23°C.

Uszczelnienie statyczne i dynamiczne

W uszczelnieniu statycznym powierzchnie po montażu pozostają nieruchome. O-ring musi utrzymać docisk pomimo zmian ciśnienia, temperatury i starzenia. W aplikacji dynamicznej dochodzą tarcie, zużycie, prędkość, smarowanie, jakość powierzchni oraz wzrost temperatury w styku.

Pierścień poprawny w nieruchomym króćcu nie staje się przez to dobrym uszczelnieniem stale obracającego się wału. Przy ruchu posuwisto-zwrotnym znaczenie mają zrywanie filmu smarnego i stick-slip. Przy obrocie wzrost temperatury stykowej może znacznie przekraczać temperaturę medium.

Normy takie jak ISO 3601 i amerykański system AS568 porządkują wymiary oraz tolerancje O-ringów. Nie wyznaczają jednak jednej temperatury pracy dla wszystkich mieszanek. Wymiar standardowy ułatwia zamówienie części, lecz nie zastępuje kwalifikacji materiału.

Przykłady doboru inżynierskiego

W układzie hydraulicznym z olejem mineralnym przy około +80°C punktem wyjścia bywa NBR o odpowiedniej twardości. Gdy występują długie postoje na gorąco, piki temperatury i intensywne starzenie, porównuje się HNBR oraz FKM, uwzględniając rzeczywisty olej i pakiet dodatków.

W obiegu wodno-glikolowym rozważa się odpowiednią mieszankę EPDM. W układzie paliwowym konieczna jest analiza składu paliwa, zawartości biokomponentów, oleju i temperatury zimnego rozruchu. Urządzenie spożywcze lub instalacja wody pitnej wymaga dodatkowo dopuszczenia dokładnej mieszanki, a nie tylko odpowiedniej rodziny polimeru.

Przy odbiorze partii warto zapisać wymiar, kod mieszanki, twardość i producenta. O-ringi NBR i FKM mogą mieć identyczny wymiar oraz kolor, a mimo to zupełnie inne właściwości. Próba powinna obejmować zimny rozruch, gorący postój, cykle ciśnienia, pracę w medium oraz szczelność po ostygnięciu.

Smar montażowy a temperatura O-ringu

Środek montażowy ogranicza tarcie podczas wsuwania pierścienia, zmniejsza ryzyko przecięcia i pomaga utrzymać uszczelkę w rowku. Nie zwiększa jednak automatycznie dopuszczalnej temperatury elastomeru. Musi być zgodny zarówno z gumą, jak i medium oraz warunkami procesu.

MOLYKOTE 111 Compound jest silikonowym środkiem do zaworów, uszczelek i O-ringów, dla którego w opisach podawany jest zakres około −40 do +200°C. Jest to zakres produktu smarnego, nie dowód, że każdy posmarowany O-ring może pracować w +200°C. Wariant handlowy można sprawdzić także jako MOLYKOTE 111 w SKLEPSMARY.PL.

MOLYKOTE 55 O-Ring Grease jest inną propozycją do wybranych uszczelnień gumowych. Jego oddziaływanie może obejmować kontrolowane pęcznienie niektórych elastomerów, dlatego nie należy stosować go bez sprawdzenia materiału i instrukcji urządzenia. Samo określenie „silikonowy” nie gwarantuje zgodności ze wszystkimi gumami silikonowymi.

Najczęstsze błędy przy doborze O-ringów

• wybór wyłącznie według najwyższej temperatury w tabeli;
• traktowanie wartości krótkotrwałej jako temperatury ciągłej;
• pominięcie zgodności mieszanki z płynem, gazem i środkami myjącymi;
• rozpoznawanie materiału po kolorze pierścienia;
• brak miejsca w rowku na rozszerzalność i pęcznienie;
• stosowanie parametrów uszczelnienia statycznego w ruchu dynamicznym;
• pominięcie tarcia i lokalnego nagrzewania powierzchni;
• założenie, że smar montażowy podniesie odporność cieplną gumy;
• brak identyfikacji kodu mieszanki i producenta;
• ocena tylko w temperaturze pokojowej bez zimnego rozruchu i gorącego postoju.

Jak przygotować dane do doboru?

1. Podaj wymiar. Średnica wewnętrzna i grubość przekroju muszą być określone wraz z tolerancją lub oznaczeniem normowym.
2. Zidentyfikuj medium. Wymień płyn lub gaz, stężenie, dodatki, środki myjące i możliwe zanieczyszczenia.
3. Określ temperatury. Podaj minimum rozruchowe, temperaturę ciągłą, piki i czas ich trwania.
4. Opisz ciśnienie. Uwzględnij wartość roboczą, pulsacje, kierunek i możliwą dekompresję.
5. Wskaż ruch. Rozróżnij połączenie statyczne, ruch posuwisto-zwrotny, oscylacyjny i obrotowy.
6. Podaj materiały i powierzchnie. Ważne są korpus, trzpień, chropowatość, twardość i szczelina.
7. Określ wymagania formalne. Zaznacz kontakt z żywnością, wodą pitną, gazem, tlenem lub wymagania branżowe.
8. Zaplanuj próbę. Sprawdź szczelność po cyklach cieplnych, ciśnieniowych i ekspozycji na medium.

O-ringi i środki montażowe w ABS Serwis

Oferta uszczelnień jest dostępna w dziale uszczelniaczy ABSCMT.PL. Środki smarne do montażu i pracy węzłów można sprawdzić także w SKLEPSMARY.PL. Dostępność konkretnego wymiaru, materiału, twardości i opakowania należy potwierdzić przed zamówieniem.

Do zapytania przygotuj średnicę wewnętrzną, przekrój pierścienia, materiał lub kod producenta, temperaturę minimalną i maksymalną, medium, ciśnienie oraz rodzaj ruchu. Takie dane pozwalają dobrać uszczelnienie, a nie tylko gumowy pierścień o pasującym wymiarze.