Анализ повреждений уплотнительных колец

В большинстве случаев тяжело определить, что вызвало повреждение и отказ уплотнительного кольца – ошибки в дизайне, нарушения при установке или несоблюдение условий эксплуатации. Иногда неисправность вызывается несколькими факторами, действующими одновременно.

Оптимальный срок службы может быть достигнут только при соблюдении необходимых условий эксплуатации, правильного выбора резиновой смеси, предварительным испытаниям и квалифицированным сборочным персоналом.

Из-за разнообразных сфер применений требования к уплотнительным кольцам круглого сечения могут включать:

• стойкость к среде;
• температурную стойкость;
• стойкость к давлению;
• абразивную стойкость;
• компактность конструкции;
• возможность замены.

Учитывая простую геометрию уплотнительных колец и разнообразие сфер применения, физико-механические и химические показатели являются основными факторами. В данном случае задача специалистов завода РТИ «Bigness» — оказать консультативную поддержку в выборе подходящей резиновой смеси для функционирования уплотнения в заданных условиях.

Действие уплотнительного кольца происходит благодаря его упругим свойствам в сжатом состоянии без давления на границах уплотняемых поверхностей. При увеличении давления уплотнительные кольца ведут себя как несжимаемые жидкости и уплотнительное кольцо запрессовывается в зазор уплотнения.

Выдавливание уплотнительного кольца может возникнуть в следующих случаях:

• динамическое уплотнение;
• статическое уплотнение с пульсирующим давлением;
• статическое уплотнение с высоким давлением;
• слишком широкие зазоры.

Одна из причин – это экономия на обработке изделий, которая приводит к слишком большим допускам и вследствие этого слишком большим зазорам. Другая причина – изгибание крышек, фланцев и цилиндров, что приводит к растягиванию болтов под нагрузкой. В этом случае сопротивление резиновой смеси к растягиванию может быть недостаточной для быстрого восстановления или превышается стойкость эластомера и уплотнительное кольцо выталкивается в зазор.

Физические свойства могут ухудшаться в результате воздействия высоких температур и разбухания.

К выдавливанию уплотнительного фактора могут привести следующие факторы:

• слишком мягкий материал уплотнительного кольца;
• физическое или химическое воздействие;
• неравномерность зазоров, вызванная несоосностью;
• острые углы посадочной канавки уплотнительного кольца;
• материал уплотнительного кольца, который размягчается при более высоких температурах.

Для предотвращения выдавливания уплотнительных колец можно применить следующие меры:

•  уменьшение допусков для уменьшения размера зазора;
• установка опорного антиэкструзионного кольца;
• увеличение твердости резиновой смеси уплотнительного кольца;
•  проверка совместимости среды применения;
• ограничение применения допусков, которые ведут к несоосности;
• изменение радиуса канавки (минимум на величину от 0,1 мм до 0,4 мм).

Остаточная деформация при сжатии, а также частичная или полная потеря упругой памяти эластомера, является еще одной причиной выхода из строя уплотнительного кольца. Главной причиной этого может быть резиновая смесь и условия эксплуатации уплотнительного кольца.

Упругость материала уплотнительного кольца зависит от типа каучука, рабочей температуры, сопротивления старению и химической стойкости резиновой смеси. Уплотнительная способность колец круглого сечения зависит от низкой остаточной деформации при сжатии.

Ухудшение упругих свойств в общем случае может объясняться потерей узлов поперечных связей между цепями молекулы или образованием новых узлов. Остаточная деформация при сжатии обычно обратима. При более высоких температурах упругость возвращается, и уплотняющая сила действует снова. Это дает точку отсчета для низкотемпературной гибкости эластомера.

Высокая остаточная деформация при сжатии и последующая потеря уплотнительного действия могут быть вызваны следующими причинами:

• низкое качество резиновой смеси;
• неправильная конструкция посадочной канавки;
• повышение рабочей температуры выше установленных значений;
• изменение условий рабочей среды.

Для предотвращения неисправностей данного типа возможны следующие решения:

• выбор резиновой смеси, более подходящей для условий эксплуатации;
• использование резиновой смеси более высокого качества с низкой остаточной деформацией при сжатии;
• уменьшение температурного воздействия на уплотнение;
• уменьшение трения для предотвращения нагрева;
• проверка материала уплотнительного кольца;
• использование посадочной канавки правильной конструкции.

Эти повреждения считаются типичными. Внешне они характеризуются отметками спиральной формы или порезами на поверхности уплотнительного кольца, которые обычно ведут к разрушению уплотнения.

В динамическом применении уплотнений этот дефект может возникнуть из-за изменения степени сжатия поперечного сечения уплотнительного кольца вследствие потери круглости или несоосности уплотняемых компонентов. Следовательно, части уплотнительного кольца будут скользить, в то время как другие будут вращаться. Это ведет к образованию спиральных отметок или порезов из-за перекручивания уплотнительного кольца.

В статических уплотнениях уплотнительное кольцо обычно закручивается во время его установки в канавку. Из-за
неблагоприятного отношения между поперечным сечением и внутренним диаметром (большой диаметр и малое поперечное сечение) уплотнительное кольцо вращается в области сборки внутри канавки.

Данный вид повреждений может быть вызван следующим:

• некруглые компоненты сборки;
• несоосные компоненты сборки; очень грубые поверхности;
• отсутствие смазки или плохая смазка;
• слишком мягкий материал уплотнительного кольца;
• недостаточная скорость хода поршня;
• нарушения при сборке (уплотнительное кольцо установлено в перевернутом состоянии);
• неблагоприятное соотношение поперечного сечения к внутреннему диаметру.

Чтобы избежать повреждения данного вида можно сделать следующее:

• уменьшение отклонения от круглости или несоосности деталей устройства;
• уменьшение деформации диаметра поперечного сечения;
• обеспечение наличия смазывающих материалов;
• улучшенная обработка поверхности;
• использование уплотнительного кольца из более твердой резиновой смеси;
• выбор большего соотношения поперечного сечения к внутреннему диаметру;
• аккуратная сборка с использованием смазочного материала

Все каучуки обладают определенной степенью проницаемости газа.  Поэтому газ под давлением будет проникать в уплотнительное кольцо, и, чем выше давление, тем больше газа проникнет в уплотнительный материал. Если давление быстро упадет, то газ внутри уплотнительного кольца, быстро расширится и произойдет формирование вздутий на поверхности уплотнения с последующим разрывом. Это называется взрывной декомпрессией.

Взрывная декомпрессия зависит от следующих факторов – давление, время декомпрессии, тип газа, тип резиновой смеси и поперечное сечение уплотнительного кольца. Для возникновения взрывной декомпрессии давление обычно должно превышать 30 бар. Наличие угарного газа приведет к разрушению поверхности уплотнения в больших случаях, чем, например, азота.

Для предотвращения взрывной декомпрессии можно использовать уплотнительные кольца с меньшим поперечным сечением, что приведет к уменьшению контактной поверхности. С повышением твердости резиновой смеси уменьшается вероятность наступления взрывной декомпрессии.

Меры по предотвращению разрушения уплотнительного кольца взрывной декомпрессией:

•  увеличение времени декомпрессии для более медленного выхода газа, проникшего в уплотнение;
• уменьшение поперечного сечения;
• выбор резиновой смеси для уплотнительного кольца с хорошей стойкостью к взрывной декомпрессии.

Уплотнительные кольца, используемые в динамических уплотнениях, подвержены трению и, следовательно, истиранию.

В контексте этого должна быть принята во внимание следующая взаимосвязь:

• трение пропорционально сжатию поверхности;
• истирание пропорционально трению;
• рост температуры уплотнения пропорционален трению.

Вместе с рабочей средой должны рассматриваться индивидуальные параметры для достижения оптимальных условий.

В статических уплотнениях повреждение от истирания может возникнуть в сочетании с очень большим пульсирующим давлением. Пульсирующее давление заставляет уплотнительное кольцо перемещаться внутри канавки, что, в случае плохой обработки поверхности, ведет к большему истиранию. Проблема может быть решена уменьшением шероховатости поверхности.

Для обеспечения правильной работы уплотнительных колец в течение всего срока службы во время установки следует придерживаться определенных инструкций для предотвращения повреждения уплотнений. Повреждения при установке могут возникнуть в следующих ситуациях:

• протягивание уплотнительных колец над острыми краями и резьбами;
• прокладывание камер и отверстий через клапанные блоки;
• использование уплотнительных колец с завышенными размерами в поршнях/цилиндрах;
• использование уплотнительных колец с уменьшенными размерами в уплотнениях штока (установка растянутых уплотнительных колец, «Эффект Джоуля»);
• перекручивание, срезание или обрезка уплотнительного кольца во время сборки;
• сборки без смазки;
• загрязнения.

Для предотвращения повреждений при установке можно предпринять следующие меры:

• стачивание всех острых углов, использование установочных муфт или заклеивание резьбы скотчем;
• выполнением входной фаски с углом от 15° до 20°;
• поддержание чистоты во время установки;
• использование сборочной смазки;
• проверка размера уплотнительного кольца перед сборкой;
• аккуратная сборка с помощью профессионалов.