Aký materiál zabraňuje tesneniu oleja vysokým teplotám?

Dôležitosť odolnosti voči vysokým teplotám v olejových tesneniach

Ako tepelné namáhanie ovplyvňuje výkon olejových tesnení

Keď sú materiály tesnení vystavené opakovaným zmenám teploty, prirodzene sa rozťahujú a potom opäť zmršťujú. V priebehu času tieto neustále rozťahovanie a zmršťovanie spôsobujú vznik malých trhlín na povrchu materiálu, ktoré nakoniec vedú k zníženiu účinnosti tesnení. Výskum starnutia polymérov odhaľuje niečo dosť znepokojujúce pre tesnenia z nitril-kaučuku. Ak sú vystavené teplote vyššej ako 150 stupňov Celzia, začnú rýchlo strácať svoju pružnosť – v skutočnosti približne 40 % straty už po 500 hodinách v podmienkach testovania. Ďalší vývoj je ešte horší pre mechanické systémy. Oslabený kaučuk sa rýchlejšie opotrebúva v miestach, kde prichádza do kontaktu s inými súčiastkami, čo je obzvlášť problematické u pohybujúcich sa komponentov, ako sú rotujúce hriadele, kde neustály pohyb ukladá dodatočné zaťaženie na už oslabené tesnenia.

Prečo je odolnosť voči teplote kritická pre tesniacu funkciu

Materiály odolné voči vysokým teplotám si zachovávajú svoju schopnosť kompresie, čo znamená, že sa po stlačení vrátia do pôvodného tvaru, aj keď sú vystavené teplu. Napríklad fluorkarbonové alebo FKM tesnenia si podľa výskumu Global O-ring z minulého roku udržujú približne 90 % svojej tesniacej schopnosti pri teplote 200 stupňov Celzia. Porovnajte to s bežnými nitrilovými tesneniami, ktoré pri tejto teplote stratia približne polovicu svojej účinnosti. Tento rozdiel je veľmi dôležitý napríklad v systémoch klikových hriadeľov motora, kde malé úniky môžu rýchlo viesť k vážnym problémom. Pár kvapiek unikajúcej tekutiny sa môže zdať neškodných, ale s časom sa tieto malé straty hromadia až po vyústení do vážnej poruchy.

Zlyhanie v reálnych podmienkach: Nitrilové gumové tesnenia v turbodmychadlách nad 150 °C

Štúdia prípadu z roku 2022 v automobilovom priemysle odhalila, že tesnenia z nitrilu spôsobili 34 % únikov oleja v turbočerpadlách vysokovýkonných motorov. Trvalé teploty vyššie ako 150 °C spôsobili zosilnenie materiálu, čo vytvorilo medzery umožňujúce únik 0,3–0,5 litra oleja na každých 1 000 prevádzkových hodín. Tento režim poruchy prinútil výrobcov prejsť na používanie tesnení z FKM alebo PTFE v aplikáciách turbočerpadiel.

Najlepšie materiály pre vysokoteplotné aplikácie olejových tesnení

Fluorokarbón (FKM/Viton™): Vyváženie tepelnej odolnosti a chemické stability

Fluorokaučukové tesnenia vydržia aj pri teplotách okolo 200 stupňov Celzia a odolávajú olejom, rôznym palivám a kyselinám. Podľa najnovších testov z minuloročných štúdií elastomerov si fluorokaučuk (FKM) zachováva približne 85 % pôvodnej pevnosti v ťahu po viac ako 1 000 hodinách pri teplote 180 °C. To je oveľa lepšie v porovnaní s bežným nitril-kaučukom, ktorý za rovnakých podmienok stratí takmer 27 %. Vďaka odolnosti voči chemikáliám sú tieto tesnenia výborne vhodné pre automobilové prevodovky, kde sú každodenne vystavené extrémnym podmienkam. Existujú však aj limity – neodčakávajte, že by odolali kvapalinám na báze metanolu alebo intenzívnemu parnému tlaku bez postupného zlyhania.

PTFE (polytetrafluóretylén): Výkon pri extrémnom horúčave a agresívnych médiách

PTFE tesnenia fungujú veľmi dobre v širokom rozsahu teplôt, od mínus 80 stupňov Celzia až po 260 stupňov Celzia. Aj pri vysokých teplotách tieto tesnenia zachovávajú takmer žiadnu stratu trenia. Ich výborné vlastnosti sú spôsobené jedinečnou kryštalickou štruktúrou, ktorá odoláva agresívnym chemikáliám, ako je kyselina sírová a chlór, bez toho, aby sa rozpadla. Existuje však jedna zásada. Keďže PTFE nie je veľmi elastický materiál, vyžaduje si špeciálne opracované tesniace povrchy pre dosiahnutie najlepších výsledkov, najmä pri použití v rotačných čerpadlách, kde je správny kontakt kritický pre správne fungovanie v priebehu času.

Silikón a FFKM: Špecializované riešenia pre extrémne vysokoteplotné prostredia

Prúžkovité polymérne reťazce silikónu vyrovnávajú tepelnú rozťažnosť v systémoch turbínového oleja, zatiaľ čo FFKM (perfluoroelastomér) kombinuje pružnosť FKM s odolnosťou voči teplu na úrovni PTFE pre chladiace čerpadlá jadrových reaktorov. Oba materiály majú cenu o 3 až 5-krát vyššiu ako štandardné tesnenia z FKM.

Porovnávací prehľad: elastomérne vs. termoplastové materiály pre olejové tesnenia

Pri dynamických aplikáciách, kde záleží na schopnosti tesnenia sa vrátiť do pôvodného tvaru a kde je potrebné tlmiť vibrácie, sa inžinieri často obracajú k elastomérovým tesneniam vyrobeným z materiálov ako FKM alebo FFKM. Keď ide o statické tesnenia vystavené veľmi vysokým teplotám nad 250 stupňov Celzia, vo mnohých priemyselných odvetviach sú obvykle preferovanou voľbou termoplasty ako PTFE. V poslednej dobe však vidíme stále viac hybridných riešení, najmä v chladiacich systémoch batérií elektrických vozidiel. Tieto kombinácie využívajú výhody oboch svetov – elastomerové pružinové nabíjadlá spájajú s plášťami z PTFE. Výsledkom sú tesnenia, ktoré odolávajú extrémnym teplôtam a zároveň dlhodobo udržujú nevyhnutný tesniaci tlak. Výrobcovia tieto hybridné riešenia prijímajú, pretože súčasne riešia dva problémy bez kompromitovania požiadaviek na výkon.

Pochopenie tepelnej degradácie materiálov olejových tesnení

Mechanizmy tepelne indukovanej degradácie: Oxidácia a štiepenie polymérnych reťazcov

Pri teplotách vyšších ako 150 °C oxidácia rozruší uhlíkovo-vodíkové väzby v bežných materiáloch tesnení oleja, ako je nitrilguma (NBR). Súčasne štiepenie polymérnych reťazcov poškodzuje základné molekuly v elastoméroch. Zrýchlené testy starnutia ukazujú, že toto dvojité degradačné pôsobenie znižuje pružnosť materiálu až o 60 % do 500 hodín.

Meranie účinkov starnutia: Trvalá deformácia tlakom, tvrdosť a strata pevnosti v ťahu

ASTM D395 meria, do akej miery sa tesnenia trvalo deformujú pri dlhodobom vystavení teplu. U tesnení zo silikónu dosahuje tento kompresný útlm približne 40 % pri teplotách okolo 200 stupňov Celzia po 1 000 hodinách nepretržitého pôsobenia. Fluorokarbonové tesnenia (FKM) si však počínajú oveľa lepšie a udržujú deformáciu pod 15 % aj za podobných podmienok. Pokiaľ ide o zmeny tvrdosti zistené pomocou testov Shore, nárast len o 10 bodov zvyčajne signalizuje výrazné vytváranie sieťových väzieb vo vnútri materiálu. Takýto jav je dokonca jedným z varovných signálov, na ktoré inžinieri dbajú, ešte než sa tesnenia začnú poruchami prejavovať v pohybujúcich sa častiach alebo rotujúcich zariadeniach, kde stály pohyb vyvíja dodatočné zaťaženie na materiály.

Diskusia o EPDM: Je vhodný na nepretržité vystavenie vysokým teplotám v olejovej atmosfére?

EPDM vydrží krátkodobé teplotné špičky až do 170 °C, ale v olejových prostrediach trpí nevratným ztvrdnutím nad 135 °C. Automobilové testy prevodoviek ukazujú, že FKM udrží 90 % pôvodnej pružnosti po 2 000 hodinách pri 200 °C – čo ponúka trojnásobnú životnosť oproti EPDM za rovnakých podmienok.

Výber správneho materiálu tesnenia na extrémne vysoké teploty

Vyváženie nákladov, trvanlivosti a chemické kompatibility pri voľbe materiálu

Pri výbere tesnení zabezpečujúcich proti úniku oleja, ktoré vydržia vysoké teploty, ide o nájdenie správnej rovnováhy medzi požiadavkami stroja v každodennom prevádzke a celkovými nákladmi v priebehu času. Fluorokaučukové tesnenia, technicky označované ako FKM, sa osvedčili pri väčšine aplikácií. Ich pracovný rozsah je približne od mínus 20 stupňov Celzia až do približne 230 stupňov, čo pokrýva dosť široký rozsah. Podľa výskumu spoločnosti Ponemon z roku 2023 tieto tesnenia ušetria približne 75 % voči svojmu drahšiemu príbuznému FFKM, ak nie je prítomná vážna korózia. Materiály PTFE sa na prvý pohľad môžu zdať drahé, ale dlhodobo sa vyplácajú, najmä v prostrediach s veľmi agresívnymi chemikáliami. Dôvod? Tieto tesnenia sa opotrebovávajú omnoho pomalšie a musia byť vymieňané výrazne zriedkavejšie. Väčšina inžinierov vie, že by mali skontrolovať grafy ASTM F739, aby zistili, či bude tesnenie kompatibilné s prítomnými chemikáliami. Vezmime si napríklad tesnenia z EPDM. Ak ich umiestnite do syntetických esterov horúcich viac ako 150 stupňov Celzia, rozpadnú sa trikrát rýchlejšie, než by to urobil dobrý starý FKM.

Priemyselné aplikácie: Automobilový priemysel, letecký priemysel a potreby priemyselných strojov

• Automobilový priemysel : Tesnenia pre turbodmychadlá vyžadujú FKM pre nepretržitú odolnosť voči 200 °C a kompatibilitu so síranými olejmi
• Letectvo : FFKM spĺňa požiadavky leteckých motorov nad 315 °C a zároveň dodržiava štandardy NORSOK M-710
• Průmyslové stroje : Tesnenia s PTFE obalom vynikajú v parných turbínach, pri ktorých vykazujú menej ako 5 % stlačenia pri 260 °C

Podľa priemyselného správy o tesneniach z roku 2024 je 68 % porúch hydraulických systémov pri extrémnom teple spôsobených nekompatibilným výberom materiálu, nie chybami v návrhu.

Stratégia životného cyklu: Kedy zvoliť PTFE, FKM alebo FFKM pre dlhodobú spoľahlivosť

Materiály FKM dobre fungujú v systémoch na báze petrolea, ktoré pracujú pri teplotách pod 200 stupňov Celzia, pokiaľ hľadáme komponenty, ktoré musia vydržať aspoň päť rokov. Pre prostredia výroby polovodičov sa FFKM prakticky stáva nevyhnutným vždy, keď dochádza k dennému tepelnému cyklovaniu nad 300 stupňov. Pri chemických spracovateľských závodoch, ktoré súčasne čelia vysokým teplotám a kyslým podmienkam, sa PTFE zvyčajne ukazuje ako najvýhodnejšia voľba z hľadiska návratnosti investícií. Materiál tiež vykazuje vynikajúcu odolnosť, pri vystavení benzánu pri teplote 200 stupňov Celzia sa rozšíri menej než o pol percenta. Tento výkon je približne dvanásťkrát lepší oproti bežným elastomérom, čo robí z PTFE atraktívnu voľbu pre extrémne agresívne chemické prostredia, kde najviac záleží na spoľahlivosti.

Často kladené otázky

Aká je hlavná výhoda použitia tesnení FKM oproti tesneniam z nitrilu?

Hlavnou výhodou tesnení FKM je ich schopnosť zachovať približne 90 % tesniacej účinnosti aj pri teplotách až 200 °C, zatiaľ čo tesnenia z nitrilu strácajú približne polovicu svojej účinnosti pri rovnakej teplote.

Prečo sú tesnenia PTFE lepšie v chemických prostrediach?

Tesnenia PTFE sú v chemických prostrediach lepšie vďaka svojej jedinečnej kryštalickej štruktúre, ktorá odoláva agresívnym chemikáliám, ako je kyselina sírová a chlór, bez rozpadu.

Aký je cenový rozdiel medzi tesneniami FFKM a FKM?

Tesnenia FFKM sú výrazne drahšie ako tesnenia FKM, stojia tri až päťkrát viac, hlavne kvôli zvýšenej odolnosti voči extrémne vysokým teplotám a chemickým prostrediam.

Ako ovplyvňuje tepelné napätie tesnenia z nitrilovej gumy?

Tepelné napätie spôsobuje, že tesnenia z nitrilovej gumy rýchlo strácajú pružnosť pri vystavení teplotám vyšším ako 150 °C, čo vedie k odtvrdnutiu materiálu a nakoniec k väčšiemu opotrebeniu a možnému úniku.