Jaký materiál způsobuje odolnost těsnění proti vysokým teplotám?

Důležitost odolnosti proti vysokým teplotám u těsnění oleje

Jak tepelné namáhání ovlivňuje výkon těsnění oleje

Při opakovaných změnách teploty se materiály těsnicích olejových kroužků přirozeně roztahují a poté zase smršťují. V průběhu času tyto neustálé roztažení a smršťování vytvářejí drobné trhliny na povrchu materiálu, které nakonec vedou ke snížení účinnosti těsnění. Výzkum stárnutí polymerů ukazuje něco znepokojujícího pro těsnění z nitrilové gumy. Při vystavení teplotám nad 150 stupňů Celsia začínají rychle ztrácet svou pružnost – ve skutečnosti ztratí přibližně 40 % po pouhých 500 hodinách za testovacích podmínek. To, co následuje, je pro mechanické systémy ještě horší. Oslabená guma se rychleji opotřebovává v místech, kde přichází do kontaktu s jinými díly, zejména problematické to je u pohybujících se komponent, jako jsou rotující hřídele, kde spojitý pohyb zvyšuje zátěž již oslabených těsnění.

Proč je odolnost proti teplotě rozhodující pro těsnost

Materiály odolné vysokým teplotám si zachovávají svou schopnost pružného návratu do původního tvaru po stlačení, i když jsou vystaveny teplu. Například fluorokarbonová těsnění nebo těsnění z FKM si podle minuloročního výzkumu společnosti Global O-ring udrží přibližně 90 % své těsnicí účinnosti při teplotě 200 °C. Ve srovnání s běžnými těsněními z nitrilového kaučuku, která ztrácejí přibližně polovinu své účinnosti při stejné teplotě, je tento rozdíl významný. To hraje velkou roli například v systémech klikové hřídele motoru, kde malé úniky mohou rychle přerůst v závažné problémy. Několik kapek unikajících tekutin se může zdát neškodných, ale postupem času se tyto malé ztráty hromadí, až dojde k vážné poruše.

Porucha v reálném provozu: Těsnění z nitrilového kaučuku v turbodmychadlech nad 150 °C

Studie případu z roku 2022 v automobilovém průmyslu odhalila, že těsnění z nitrilového kaučuku způsobila 34 % úniků oleje u turbodmychadel ve vysokým výkonových motorech. Trvalé teploty přesahující 150 °C vedly ke zkřehnutí materiálu, čímž vznikly mezery umožňující únik 0,3–0,5 litru oleje na každých 1 000 provozních hodin. Tento způsob poruchy přiměl výrobce k používání těsnění z FKM nebo PTFE v aplikacích turbodmychadel.

Nejlepší materiály pro vysokoteplotní olejová těsnění

Fluorokaučuk (FKM/Viton™): Vyvážení tepelné odolnosti a chemické stability

Fluorokarbonová pryžová těsnění vykazují vysokou odolnost i při teplotách kolem 200 stupňů Celsia a odolávají olejům, různým palivům a korozi způsobené kyselinami. Podle nedávných testů z loňských studií elastomerů si fluorokarbon (FKM) zachovává přibližně 85 % původní pevnosti v tahu po více než 1 000 hodinách nepřetržitého působení teploty 180 °C. To je ve srovnání s běžným nitrilovým kaučukem, který za stejných podmínek ztratí téměř 27 % své pevnosti, opravdu působivé. Díky vynikající chemické odolnosti jsou tato těsnění ideální pro použití v automobilových převodovkách, kde jsou každodenně vystavena extrémním podmínkám. Existují však i meze – neměli byste očekávat, že odolají kapalinám na bázi methanolu nebo vydrží intenzivní páru pod vysokým tlakem bez postupného selhání.

PTFE (polytetrafluorethylen): Výkon za extrémních teplot a v agresivních médiích

PTFE těsnění na bázi oleje fungují velmi dobře v širokém rozsahu teplot, od mínus 80 stupňů Celsia až do 260 stupňů Celsia. I za vysokých teplot tyto těsnění udržují téměř žádné ztráty třením. Jejich výborné vlastnosti jsou dány jedinečnou krystalickou strukturou, která odolává agresivním chemikáliím, jako je kyselina sírová a chlorový plyn, aniž by se rozpadla. Existuje však jedna podmínka. Protože PTFE není příliš elastický, vyžaduje speciálně opracované těsnicí plochy pro dosažení nejlepších výsledků, zejména při použití v rotačních čerpadlech, kde je správný kontakt zásadní pro správné fungování v průběhu času.

Silikon a FFKM: Specializovaná řešení pro prostředí s extrémně vysokou teplotou

Pružné polymerní řetězce křemičitanu vyrovnávají tepelnou roztažnost v olejových systémech turbín, zatímco FFKM (perfluorelastomer) kombinuje pružnost FKM s odolností proti teplu na úrovni PTFE pro chladicí čerpadla jaderných reaktorů. Náklady obou materiálů jsou 3 až 5krát vyšší než u běžných těsnění FKM.

Srovnávací přehled: elastomerní vs. termoplastické materiály pro olejová těsnění

U dynamických aplikací, kde záleží na schopnosti materiálu se po stlačení vrátit do původního tvaru a kde je nutné tlumit vibrace, si inženýři často vybírají elastomerní těsnění vyrobená z materiálů jako FKM nebo FFKM. Pokud jde o statická těsnění vystavená velmi vysokým teplotám nad 250 stupňů Celsia, jsou v mnoha odvětvích preferovanou volbou termoplasty jako PTFE. V poslední době se však stále častěji objevují hybridní řešení, zejména v chladicích systémech baterií elektrických vozidel. Tyto kombinace využívají výhod obou světů – elastomerové pružinové nabíječe páry s pláštěm z PTFE. Výsledkem jsou těsnění, která odolávají extrémnímu teplu a zároveň dlouhodobě udržují potřebný těsnicí tlak. Výrobci tyto hybridy nasazují, protože zároveň řeší dva problémy, aniž by přitom kompromitovali požadavky na výkon.

Porozumění tepelné degradaci materiálů olejových těsnění

Mechanismy tepelně indukovaného rozkladu: oxidace a štěpení polymerových řetězců

Při teplotách přesahujících 150 °C oxidace narušuje vazby uhlík-vodík v běžných materiálech těsnění oleje, jako je nitrilová guma (NBR). Současně štěpení polymerních řetězců poškozuje hlavní molekuly elastomerů. Zrychlené stárnutí ukazuje, že tato dvojitá degradace snižuje pružnost materiálu až o 60 % během 500 hodin.

Měření účinků stárnutí: Trvalá deformace tlakem, tvrdost a ztráta pevnosti v tahu

ASTM D395 měří, do jaké míry se těsnění trvale deformují při dlouhodobém působení tepla. U křemičitanových těsnění dosáhne tento stupeň stlačení přibližně 40 % při teplotách kolem 200 stupňů Celsia po 1 000 hodinách nepřetržitého působení. Fluorokarbonová těsnění (FKM) jsou výrazně lepší, protože zůstávají pod úrovní 15 % deformace i za podobných podmínek. Pokud jde o změny tvrdosti zjištěné pomocí tvrdoměru Shore, nárůst pouhých 10 bodů obvykle signalizuje významné vytváření síťových vazeb uvnitř materiálu. Tento druh změny je ve skutečnosti jedním z varovných signálů, na které inženýři sledují, než začnou těsnění selhat v pohybujících se částech nebo rotačním zařízení, kde stálý pohyb zatěžuje materiály dodatečným napětím.

Diskuse o EPDM: Je vhodný pro nepřetržité vystavení vysokým teplotám a oleji?

EPDM snáší krátkodobé teplotní špičky až do 170 °C, ale v olejovém prostředí trpí nevratným zkřehnutím nad 135 °C. Automobilové testy převodovek ukazují, že FKM si po 2 000 hodinách při 200 °C udrží 90 % původní pružnosti – nabízí tak trojnásobnou životnost ve srovnání s EPDM za stejných podmínek.

Výběr vhodného materiálu těsnění na olej pro extrémní teplotní podmínky

Vyvážení nákladů, odolnosti a chemické kompatibility při výběru materiálu

Při výběru těsnění zvládajících vysoké teploty jde o nalezení správné rovnováhy mezi denními požadavky stroje a celkovými náklady v průběhu času. Fluorokarbonová těsnění, označovaná technicky jako FKM, jsou pro většinu aplikací docela vhodná. Funkční jsou přibližně od minus 20 stupňů Celsia do asi 230 stupňů, což pokrývá poměrně široké spektrum. Podle výzkumu Ponemon z roku 2023 tyto těsnění ušetří zhruba 75 % ve srovnání se svým dražším příbuzným FFKM, pokud není přítomna vážná koroze. Materiály PTFE se mohou na první pohled zdát drahé, ale dlouhodobě se vyplatí, zejména tam, kde jsou chemikálie velmi agresivní. Důvodem je, že tato těsnění se opotřebovávají mnohem pomaleji a musí být nahrazována mnohem řidčeji. Většina inženýrů ví, že by měli konzultovat grafy ASTM F739, aby zjistili, zda těsnění bude kompatibilní s přítomnými chemickými látkami. Vezměme například těsnění z EPDM. Pokud je vystavíte syntetickým esterům při teplotách vyšších než 150 stupňů Celsia, rozpadnou se třikrát rychleji, než by tomu bylo u osvědčeného FKM.

Průmyslové aplikace: potřeby automobilového, leteckého a průmyslového strojírenství

• Automobilový průmysl : U těsnění turbodmychadel je vyžadován FKM pro nepřetržitou odolnost vůči 200 °C a kompatibilitu se sírovými oleji
• Letecký průmysl : FFKM splňuje nároky leteckých motorů nad 315 °C a zároveň vyhovuje normě NORSOK M-710
• Průmyslové stroje : Těsnění s PTFE obalem vynikají v parních turbínách, přičemž stlačení je nižší než 5 % při 260 °C

Podle průmyslové zprávy o těsnění z roku 2024 má 68 % poruch hydraulických systémů při extrémním teple za následek použití nevhodných materiálů, nikoli konstrukčních chyb.

Strategie životního cyklu: Kdy zvolit PTFE, FKM nebo FFKM pro dlouhodobou spolehlivost

Materiály FKM dobře fungují v systémech na bázi ropných produktů pracujících při teplotách pod 200 stupňů Celsia, pokud hledáte komponenty, které musí vydržet alespoň pět let. Pro provozy v polovodičovém průmyslu je FFKM prakticky nezbytný vždy, když dochází k dennímu tepelnému cyklování nad 300 stupňů. Při práci v chemických závodech, které jsou současně vystaveny vysokým teplotám i kyselým podmínkám, obvykle nabízí PTFE nejlepší návratnost investice. Materiál také vykazuje vynikající odolnost, při expozici benzenu při 200 stupních Celsia se rozšiřuje méně než o půl procenta. Tento výkon je přibližně dvanáctkrát lepší než u běžných elastomerů, což činí PTFE atraktivní volbou pro náročné chemické prostředí, kde je rozhodující spolehlivost.

Nejčastější dotazy

Jaká je hlavní výhoda použití těsnění FKM oproti těsněním z nitrilu?

Hlavní výhodou těsnění z FKM je jejich schopnost udržet přibližně 90 % jejich těsnicí účinnosti i při teplotách až 200 °C, zatímco těsnění z nitrilového kaučuku ztrácejí při stejné teplotě přibližně polovinu své účinnosti.

Proč jsou těsnění z PTFE lepší v chemickém prostředí?

Těsnění z PTFE jsou v chemickém prostředí lepší díky své jedinečné krystalické struktuře, která odolává agresivním chemikáliím, jako je kyselina sírová a chlorový plyn, aniž by se rozpadala.

Jaký je cenový rozdíl mezi těsněními FFKM a FKM?

Těsnění FFKM jsou výrazně dražší než těsnění FKM, stojí až tři až pětkrát více, hlavně kvůli zvýšené odolnosti vůči extrémně vysokým teplotám a chemickým prostředím.

Jak ovlivňuje tepelné napětí těsnění z nitrilového kaučuku?

Tepelné napětí způsobuje, že těsnění z nitrilového kaučuku rychle ztrácejí pružnost při vystavení teplotám nad 150 °C, což vede ke zkřehnutí materiálu a nakonec ke zvýšenému opotřebení a možnému úniku.