Mikä materiaali tekee öljytiiviistä kestävän korkeille lämpötiloille?

Korkean lämpötilan kestävyyden merkitys öljytiivisteissä

Kuinka lämpöjännitys vaikuttaa öljytiivisteen suorituskykyyn

Kun öljytiivisteet altistuvan toistuville lämpötilanmuutoksille, niiden materiaalit laajenevat ja kutistuvat luonnollisesti. Ajan myötä nämä jatkuvat laajenemiset ja kutistumiset aiheuttavat pieniä halkeamia materiaalin pinnalle, mikä lopulta heikentää tiivisteen tehokkuutta. Polymeerien ikiantumista koskeva tutkimus paljastaa jotain melko huolestuttavaa nitrilikumitiivisteille. Jos ne altistuvat yli 150 asteen Celsiuksen lämmölle, ne menettävät kimmoisuutensa nopeasti – noin 40 % jo 500 tunnin kokeiluoloissa. Seuraava vaihe on vielä pahempi mekaanisille järjestelmille. Heikentynyt kumi kuluu nopeammin niissä kohdissa, joissa se koskettaa muihin osiin, erityisen ongelmallista liikkuvissa komponenteissa, kuten pyörivissä akselissa, joissa jatkuva liike lisää painetta jo heikentyneisiin tiivisteisiin.

Miksi lämpötilankestävyys on ratkaisevan tärkeää tiivistyksen eheydelle

Korkeaa lämpötilaa kestävät materiaalit säilyttävät puristusmuodon, mikä tarkoittaa, että ne palautuvat alkuperäiseen muotoonsa puristuksen jälkeen, vaikka ne altistettaisiin kuumuudelle. Otetaan esimerkiksi fluorikarboni- tai FKM-tiivisteet, jotka säilyttävät noin 90 % tiivistyskykynsä 200 asteessa Celsiusta viime vuoden Global O-ring -tutkimuksen mukaan. Vertaa tätä tavallisiin nitrili-tiivisteisiin, jotka menettävät noin puolet tehokkuudestaan samassa lämpötilassa. Ero on erittäin merkittävä esimerkiksi moottorin kampikauhalajärjestelmissä, joissa pienet vuodot voivat nopeasti muuttua suuriksi ongelmiksi. Muutama pisara vuotaa saattaa tuntua vaarattomalta, mutta ajan myötä nämä pienet häviöt kertyvät, kunnes tapahtuu vakava vika.

Käytännön vika: Nitrilikumitiivisteet turbiineissa yli 150 °C

Vuoden 2022 autoteollisuuden tapaustutkimus paljasti, että nitrilitiivisteet aiheuttivat 34 % turboturbiinien öljyvuodoista suorituskykyisissä moottoreissa. Jatkuvat yli 150 °C lämpötilat johtuivat materiaalin kovettumiseen, mikä loi aukkoja, joiden kautta vuotaa 0,3–0,5 litraa öljyä 1 000 käyttötunnin välein. Tämä vikaantumismalli on saanut valmistajat siirtymään FKM- tai PTFE-tiivisteisiin turboturbiinien sovelluksissa.

Parhaat materiaalit korkean lämpötilan öljytiivistesovelluksiin

Fluorikarboni (FKM/Viton™): Lämpönsietoa ja kemiallista stabiilisuutta tasapainottamassa

Fluorikarbonikumitiivisteet kestävät hyvin, vaikka lämpötilat nousisivat noin 200 asteeseen Celsius-asteikolla, ja ne pysyvät vahvoina öljyjä, erilaisia polttoaineita ja syövyttäviä happoja vastaan. Viime vuoden elastomeeritutkimusten mukaan fluorikarboni (FKM) säilyttää noin 85 % alkuperäisestä vetolujuudestaan, vaikka sitä pidetään suorana 180 °C:ssa yli 1 000 tuntia. Tämä on itse asiassa melko vaikuttavaa verrattuna tavalliseen nitrilikumeroon, joka jää lähes 27 %:n päähän. Materiaalin kemikaalien kestävyys tekee näistä tiivisteistä erinomaisia autojen vaihdelaatikoissa, joissa niiden on selvitettävä kovia olosuhteita joka päivä. Kuitenkin myös rajoituksia on – älä odota, että ne kestäisivät metanolipohjaisia nesteitä tai voittaisivat kiihkeää höyrynpainetta ilman, että ne lopulta pettävät.

PTFE (polytetrafluorietyleeni): Suorituskyky ääriolosuhteissa ja aggressiivisten aineiden vaikutuksesta

PTFE:n öljytiivisteet toimivat erittäin hyvin laajalla lämpötila-alueella, joka ulottuu kylmästä miinus 80 asteeseen Celsius-asteikolla aina 260 celsiusasteeseen saakka. Näillä tiivisteillä on lähes olematon kitkakato, vaikka lämpötilat nousevat. Niiden tehokkuuden taustalla on ainutlaatuinen kiteinen rakenne, joka kestää kovia kemikaaleja, kuten rikkihappoa ja kloorikaasua, hajoamatta. On kuitenkin yksi seikka: koska PTFE ei ole kovin kimmoisa, se tarvitsee erityisesti koneistetut tiivistepinnat parhaan tuloksen saavuttamiseksi, erityisesti pyörivissä pumppuissa, joissa asianmukainen kosketus on ratkaisevan tärkeää pitkäaikaisen toiminnan kannalta.

Silikoni ja FFKM: Erikoistuneet ratkaisut erittäin korkean lämpötilan ympäristöihin

Silikonin joustavat polymeeriketjut sietävät lämpölaajenemista turbiiniöljyjärjestelmissä, kun taas FFKM (perfluoroelastomeeri) yhdistää FKM:n kimmoisuuden PTFE-tasoisesti lämpöä kestävyyteen ydinreaktorin jäähdytysnestepumppuja varten. Molemmat materiaalit maksavat 3–5 kertaa enemmän kuin standardi FKM-tiivisteet.

Vertaileva yleiskatsaus: Elastomeerit vs. termoplastiset materiaalit öljytiivisteisiin

Dynaamisissa sovelluksissa, joissa puristuspalautuminen on tärkeää ja värähtelyjä on vaimennettava, insinöörit käyttävät usein elastomeeritiivisteitä, kuten FKM- tai FFKM-materiaaleja. Kun on kyse staattisista tiivisteistä, jotka kohtaavat erittäin korkeita lämpötiloja yli 250 astetta Celsius-asteikolla, monet teollisuudenalat suosivat termoplastisia materiaaleja, kuten PTFE: tä. Viime aikoina hybridiratkaisuja on kuitenkin nähty yhä enemmän, erityisesti sähköautojen akkujen jäähdytysjärjestelmissä. Nämä yhdistelmät hyödyntävät molempia maailmoja yhdistämällä elastomeerijousia PTFE-pukuun. Tuloksena on tiivisteet, jotka kestävät äärimmäisen kuumuutta ja samalla säilyttävät tarvittavan tiivistepaineen ajallisesti. Valmistajat hyväksyvät nämä hybridiratkaisut, koska ne ratkaisevat kaksi ongelmaa samanaikaisesti suorituskykyvaatimuksia heikentämättä.

Lämpötiivistemateriaalien lämpöhajoamisen ymmärtäminen

Lämmön aiheuttaman hajoamisen mekanismit: hapetus ja polymeeriketjun katkeaminen

Lämpötiloissa, jotka ylittävät 150 °C, hapettuminen rikkoo hiili-vety-sidoksia yleisissä öljyn tiivisteissä käytettävissä materiaaleissa, kuten nitrilikumissa (NBR). Samanaikaisesti polymeeriketjun katkeaminen hajottaa elastomeerien pääketjumolekyylejä. Kiihdytetyissä vanhenemistesteissä tämä kaksoishaitta vähentää materiaalin kimmoisuutta jopa 60 %:lla 500 tunnin kuluessa.

Vanhenemisvaikutusten mittaaminen: Puristusmuodonmuutos, kovuus ja vetolujuuden menetys

ASTM D395 mittaa, kuinka paljon tiivisteet muuttuvat pysyvästi lämpötilan vaikutuksesta ajan myötä. Silikoniastiatiiviiteille tämä puristusmuodonmuutos saavuttaa noin 40 %:n lämpötiloissa noin 200 astetta Celsiusasteina 1 000 tunnin jatkuvan altistuksen jälkeen. Fluorikarbonitiivisteet (FKM) toimivat huomattavasti paremmin, pysyen alle 15 %:n muodonmuutoksella samankaltaisissa olosuhteissa. Kun kovuuden muutoksia mitataan Shore-durometer-testeillä, noin 10 pisteen kasvu viittaa yleensä merkittävään ristikysymiseen materiaalin sisällä. Tämäntyyppinen muutos on itse asiassa yksi niistä varoitusmerkeistä, joita insinöörit seuraavat ennen kuin tiivisteet alkavat pettämään liikkuvissa osissa tai pyörivässä laitteistossa, jossa jatkuva liike aiheuttaa lisäkuormitusta materiaaleille.

Keskustelua EPDM:stä: sopiiko se jatkuvaan korkean lämpötilan öljyalistukseen?

EPDM kestää lyhyitä lämpöpiikkejä jopa +170 °C:seen, mutta kärsii peruuttomasta kovettumisesta yli +135 °C:ssa öljymäisissä olosuhteissa. Autoteollisuuden vaihteistotestit osoittavat, että FKM säilyttää 90 % alkuperäisestä joustavuudestaan 2 000 tunnin ajan 200 °C:ssa – tarjoaa kolminkertaisen kestävyyden verrattuna EPDM:ään vastaavissa olosuhteissa.

Oikean öljytiivisteaineen valinta erittäin korkeissa lämpötiloissa

Kustannusten, kestävyyden ja kemiallisen yhteensopivuuden tasapainottaminen materiaalin valinnassa

Kun valitaan öljytiivisteitä, jotka kestävät korkeita lämpötiloja, kaikki pyörii oikean yhdistelmän löytämisessä koneen päivittäisten tarpeiden ja pitkän aikavälin kustannusten välillä. Fluorikarbonitiivisteet, joita teknisesti kutsutaan FKM:ksi, toimivat melko hyvin useimmissa sovelluksissa. Ne toimivat noin miinus 20 asteesta Celsius-asteikolla noin 230 asteeseen, mikä kattaa melko laajan välin. Lisäksi Ponemon vuoden 2023 tutkimusten mukaan nämä tiivisteet säästävät noin 75 % verrattuna niiden kalliimpaan sukulaiseen FFKM:ään, kun vakavaa korroosiota ei esiinny. PTFE-materiaalit saattavat tuntua aluksi kalliilta, mutta ne itse asiassa maksavat itsensä takaisin erityisesti silloin, kun kemikaalit ovat erityisen voimakkaita. Syynä on se, että nämä tiivisteet eivät kulutu yhtä nopeasti ja niitä täytyy vaihtaa huomattavasti harvemmin. Useimmat insinöörit tietävät, että heidän tulisi tarkistaa ASTM F739 -kaaviot selvittääkseen, sopiiko tiiviste käytettävissä olevien kemikaalien kanssa. Otetaan esimerkiksi EPDM-tiivisteet. Heitä ne synteettisiin estereihin, jotka ovat yli 150 celsiusastetta kuumia, ja katso ne hajoavan kolme kertaa nopeammin kuin vanha kunnon FKM.

Teollisuuden sovellukset: Autoteollisuus, ilmailu ja teollisuuskoneiden tarpeet

• Autoteollisuus : Turbosulut vaativat FKM-materiaalia jatkuvaa kestoa 200 °C:een saakka sekä yhteensopivuutta rikillisten öljyjen kanssa
• Ilmailu : FFKM täyttää jetmoottorien vaatimukset yli 315 °C:ssa ja noudattaa NORSOK M-710 -standardia
• Teollisuuden koneet : PTFE-käärityt tiivisteet loistavat höyryturbiineissa, joissa puristusmuodonmuutos on alle 5 % lämpötilassa 260 °C

Vuoden 2024 teollisuustiivistekatsaus osoittaa, että 68 % hydraulijärjestelmien vioista ääriolosuhteissa johtuu materiaalivalinnan epäyhteensopivuudesta eikä suunnitteluvirheistä.

Elinkaarisuunnitelma: Milloin valita PTFE, FKM tai FFKM pitkäaikaiseen luotettavuuteen

FKM-materiaalit toimivat hyvin 200 asteen Celsius-asteen lämpötiloissa toimivissa polttoainepohjaisissa järjestelmissä, kun etsitään komponentteja, joiden tulee kestää vähintään viisi vuotta. Niille, jotka toimivat puolijohdeteollisuuden ympäristöissä, FFKM on käytännössä välttämätön aina, kun päivittäinen lämpövaihtelu ylittää 300 astetta. Kun käsitellään kemiallisia prosessiplanteja, joissa kohtaantuu sekä korkeita lämpötiloja että happamia olosuhteita samanaikaisesti, PTFE tarjoaa yleensä parhaan sijoituksen tuoton. Materiaali osoittaa myös huomattavia resistanssiaominaisuuksia ja laajenee alle puoli prosenttia altistettaessaan bentseenille 200 asteessa Celsius-asteessa. Tämä suorituskyky ylittää standardi elastomerit noin kahdentoista kertaa, mikä tekee PTFE:stä houkuttelevan vaihtoehdon vaativiin kemiallisiin ympäristöihin, joissa luotettavuus on tärkeintä.

Usein kysytyt kysymykset

Mikä on FKM-tiivistereiden pääasiallinen etu nitrilitiivistereihin verrattuna?

FKM-tiivisteen pääetuna on sen kyky säilyttää noin 90 % tiivistyskyvystään jopa 200 °C:n lämpötiloissa, kun taas nitriliprotei tappavat noin puolet tehokkuudestaan samassa lämpötilassa.

Miksi PTFE-tiivisteet ovat parempia kemiallisissa ympäristöissä?

PTFE-tiivisteet ovat parempia kemiallisissa ympäristöissä niiden ainutlaatuisen kiteisen rakenteen vuoksi, joka kestää kovia kemikaaleja, kuten rikkihappoa ja kloorikaasua, hajoamatta.

Mikä on hintaero FFKM- ja FKM-tiivisteen välillä?

FFKM-tiivisteet ovat huomattavasti kalliimpia kuin FKM-tiivisteet, noin kolme–viisi kertaa kalliimpia, pääasiassa niiden parannetun kestävyyden vuoksi erittäin korkeissa lämpötiloissa ja kemiallisissa ympäristöissä.

Miten lämpöjännitys vaikuttaa nitrilikumitiivisteisiin?

Lämpöjännitys saa nitrilikumitiivisteet menettämään kimmoisuutensa nopeasti yli 150 °C:n lämpötiloissa, mikä johtaa materiaalin kovettumiseen ja lopulta lisääntyneeseen kulumiseen sekä mahdolliseen vuotamiseen.