W branży produkcyjnej inżynierowie odpowiedzialni za uszczelnienia są zazwyczaj najbardziej wymagającymi członkami zespołu projektowego.
Kiedy maszyna działa normalnie, nikt nie myśli o Tobie; jednak gdy w obiekcie klienta wystąpią wycieki (wody, oleju lub gazu) z urządzenia, pierwszą osobą pociągniętą do odpowiedzialności jest niewątpliwie inżynier uszczelniający.
Inżynier konstrukcyjny najpierw sprawdza wymiary wykopu, potwierdzając, że są one dokładnie narysowane zgodnie ze specyfikacjami tolerancji. Następnie dział IQC weryfikuje raport fabryczny, sprawdzając, czy produkty dostarczane przez głównych producentów spełniają wszystkie wymagane standardy. Ostatecznie odpowiedzialność za analizę awarii spada bezpośrednio na inżyniera ds. uszczelnień.
Usunąłeś wadliwy-pierścień uszczelniający; jego powierzchnia była nienaruszona, wolna od pęknięć i śladów korozji chemicznej. Jedyną zmianą było to, że został spłaszczony i nie można było przywrócić mu pierwotnego kształtu.
Na tym etapie skupianie się wyłącznie na wartościach wytrzymałości na rozciąganie i twardości Shore'a podanych w specyfikacjach materiałowych dostawcy może nie pozwolić na zidentyfikowanie rzeczywistej przyczyny awarii.
W dziedzinie uszczelnionych materiałów polimerowych-długoterminowa skuteczność uszczelnienia często zależy nie od twardości materiału czy wytrzymałości na rozciąganie, ale od często niedocenianego parametru: odkształcenia po ściskaniu (CS).
Przyjrzyjmy się temu parametrowi szczegółowo z trzech perspektyw.
0 1
Uszczelnianie – co dokładnie jest uszczelniane?
Przed omówieniem trwałego odkształcenia ściskającego konieczne jest skorygowanie powszechnego błędnego przekonania dotyczącego mechaniki: uszczelnienie nie polega na „blokowaniu”, ale na „podparciu”.
zdjęcie
Po włożeniu silikonowego pierścienia uszczelniającego- do metalowego rowka i dokręceniu kołnierza silikon jest ściskany (zwykle w proporcji 15–30%).
Silikon jest materiałem bardzo elastycznym. Po skompresowaniu łańcuchy molekularne ulegają silnemu zniekształceniu, generując silną siłę odbicia (naprężenie kontaktowe), która stara się powrócić do stanu pierwotnego.
Ta siła odbicia mocno przeciwstawia się metalowej ścianie; teoretycznie dopóki przekroczy ciśnienie płynu wewnętrznego, medium w ogóle nie wycieknie.
Dlatego istota uszczelniania polega na ciągłym dostarczaniu siły sprężystości przez ściskane łańcuchy molekularne silikonu, umożliwiając im mocne przyleganie do powierzchni metalowych.
0 2
Co powoduje awarię uszczelnienia?
Ponieważ uszczelnienie opiera się na sile przywracającej, co się stanie, jeśli ta siła zniknie?
Co to jest trwałe odkształcenie ściskające?
Żel silikonowy spłaszczyliśmy o 25%, pieczemy w piekarniku w temperaturze 120 stopni przez 70 godzin, następnie wyjmujemy i pozwalamy mu ostygnąć i powrócić do pierwotnego kształtu.
Jeśli uda mu się w pełni przywrócić pierwotną grubość, CS=0% (idealny elastomer, który w rzeczywistości nie istnieje).
Jeśli całkowicie się spłaszczy i w ogóle się nie zregeneruje, CS=100% (co wskazuje, że stał się sztywnym plastikiem).
Dlaczego łańcuchy molekularne nie mogą „wrócić do swojego pierwotnego stanu”? Problem leży na poziomie mikroskopowym:
Poziom fizyczny – relaksacja stresu i reorganizacja segmentacji łańcucha
Silikon powstaje w wyniku splotu długich łańcuchów molekularnych. W przypadku długotrwałego ściskania w wysokich temperaturach,
Redukuje swoje wewnętrzne naprężenia poprzez stopniowe przesuwanie i reorganizację.
To jak wciskanie puszystego kłębka włóczki na dno pudełka przez rok.-Kiedy go wyjmiesz, przystosuje się już do spłaszczonego kształtu i z trudem odzyska pierwotną puszystość.
Ten fizyczny „kompromis” powoduje stopniowy spadek siły odbicia.
Poziom chemiczny – rozbicie i reorganizacja wiązań krzyżowych-
To jest najbardziej krytyczny aspekt. Elastyczność silikonu opiera się na wiązaniach krzyżowych-między łańcuchami molekularnymi (takich jak wiązania siarkowe-siarkowe).
Pod wpływem wysokich temperatur i długotrwałego ściskania pierwotne-wiązania sieciujące pękają, co powoduje utratę elastycznej siły rozciągającej.
Co ważniejsze, wolne rodniki powstające w wyniku złamania-tworzą ponownie-nowe usieciowane wiązania-w warunkach skompresowania materiału,-skutecznie blokując łańcuchy molekularne w „stanie płaskim”. Nawet po usunięciu siły zewnętrznej te nowe wiązania chemiczne uniemożliwiają powrót materiału do pierwotnej konfiguracji.
Poślizg fizyczny + rekombinacja chemiczna=trwałe odkształcenie ściskające.
Wyższa wartość CS powoduje bardziej płaski żel silikonowy i słabsze naprężenie kontaktowe. Ostatecznie, gdy siła odbicia staje się niewystarczająca w porównaniu z ciśnieniem płynu, następuje wyciek.
0 3
Jak należy rozwiązać ten problem z inżynierskiego punktu widzenia?
Teraz, gdy rozumiemy podstawowe mechanizmy, jak możemy uniknąć tego ryzyka podczas projektowania uszczelek i doboru materiałów?
1. Interpretując dane CS, zawsze wyjaśniaj warunki testowania.
Tabela właściwości fizycznych dostarczona przez dostawcę często stwierdza „trwałe odkształcenie pod wpływem ściskania: 25%”.Jednak w jakiej temperaturze, przy jakim stopniu sprężania i jak długo prowadzono te pomiary?
Jeśli wartość CS jest mierzona przy 25% w temperaturze 100 stopni, może wzrosnąć do ponad 50% w rzeczywistych warunkach pracy w temperaturze 150 stopni z powodu przyspieszonego starzenia termicznego i oksydacyjnego.
Kluczowym wymaganiem jest to, że przy ocenie wartości CS temperatura testu nie może być niższa niż maksymalna temperatura robocza produktu, a czas trwania testu musi wynosić co najmniej 70 lub 168 godzin. Tylko takie dane mogą służyć jako ważne odniesienie przy wyborze.
2. Skup się na systemie-sieciowania, zamiast na ślepo zwiększać twardość
Jeśli wartość CS nie spełnia wymagań, nie próbuj kompensować tego poprzez zwiększenie twardości żelu silikonowego.-Twardość nie może odwrócić trwałego odkształcenia. Zamiast tego interwencja powinna być skierowana na chemiczny system sieciowania- materiału.
Biorąc za przykład NBR lub EPDM: tradycyjne systemy wulkanizacji siarką tworzą wiązania siarki-siarki o niskiej energii wiązania, które są podatne na pękanie i ponowne powstawanie w wysokich temperaturach, co skutkuje złymi wartościami CS.
Dzięki zastosowaniu systemu wulkanizacji nadtlenkowej powstają pojedyncze wiązania węgiel-węgiel, które wykazują wysoką energię wiązania i są odporne na rozszczepianie i rekombinację w warunkach kompresji w wysokiej-temperaturze, co znacznie zmniejsza trwałe odkształcenie kompresyjne.
Kompromisem jest zmniejszenie-odporności na rozdarcie materiałów wulkanizowanych-nadtlenkiem. Stanowi to typową równowagę pomiędzy osiągnięciem „nie-rozrywalności” a utrzymaniem „właściwości odbicia”.
3. Kompensacja tłumienia materiału CS poprzez projekt konstrukcyjny
Jeśli wartość CS materiału została zoptymalizowana do jego fizycznej granicy (np. 30%), w jaki sposób możemy zapewnić stałą skuteczność uszczelniania w-terminie długotrwałego użytkowania?
Ponieważ wiemy, że straci on pewną sprężystość, powinniśmy uwzględnić tę stratę w naddatku na ściskanie podczas projektowania wymiarów rowka.
Jednakże stopnia sprężania nie można zwiększać w nieskończoność. Gdy stopień sprężania jest zbyt wysoki (przekraczający 40%), naprężenia wewnętrzne w polimerze rosną wykładniczo, co prowadzi do przedwczesnego mechanicznego pęknięcia łańcuchów molekularnych, a w konsekwencji przyspieszania niszczenia CS.
Najbardziej efektywnym podejściem dla inżynierów konstrukcyjnych i inżynierów materiałowych jest wspólne określenie tolerancji rowka na podstawie krzywej relaksacji naprężeń-takiej, która nie narusza integralności silikonu ani nie utrzymuje wystarczającego współczynnika ciśnienia uszczelnienia po dziesięciu latach.
Stworzenie pieczęci zasadniczo oznacza stanie się zarówno przyjacielem, jak i wrogiem czasu.
Prawdziwy inżynier uszczelnień nie skupia się wyłącznie na zapewnieniu wodoszczelności w momencie zakończenia montażu.
Ich obawy dotyczą tego, czy po trzech, pięciu, a nawet dziesięciu latach-wielokrotnego narażenia na wysokie temperatury i intensywne ciśnienie-łańcuch molekularny będzie nadal mocno związany z powierzchnią metalu.
Jeśli masz uszczelkę, która często przecieka, ale nie możesz zidentyfikować przyczyny, lub tabele właściwości dostawcy są dla Ciebie niejasne,-skontaktuj się z naszym inżynierem sprzedaży w sprawie rysunków i nieudanych próbek.