Fluidtechnik Langzeitverhalten von O-Ring-Dichtungen

Qualitative und quantitative Beschreibung des Zeitverhaltens funktionswichtiger Einflussfaktoren....

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Qualitative und quantitative Beschreibung des Zeitverhaltens funktionswichtiger Einflussfaktoren Was macht eine O-Ring-Dichtung letztlich für viele technische Lösungen zu einer guten Dichtung und durch welche Wirkungsmechanismen kann dann die Funktionssicherheit unter Betriebsbedingungen beeinträchtigt beziehungsweise außer Kraft gesetzt werden? Die in der Tabelle 1 dargestellten Eigenschaften beziehungsweise Einflüsse geben darauf eine Antwort. Zunächst zeichnet sich ein Gummiwerkstoff dadurch aus, dass dieser ein erhebliches Rückstellvermögen nach einer starken Deformation besitzt. Dabei ist für die Anwendung in der Regel zunächst nicht die Höhe der Rückstellkraft entscheidend, sondern das Weg-Rückstellverhalten, weil die Störgröße auf die Dichtung zunächst als Weg auftritt, zum Beispiel infolge von Druckaufweitungen oder Temperaturänderungen. Der große Unterschied zwischen verschiedenen O-Ring-Werkstoffen besteht in der Praxis darin, dass dieses Rückstellverhalten zeit- und temperaturabhängig unterschiedlich schnell nachlassen kann. Druckverformungsrest-Messungen an O-Ringen können diese teilweise erheblichen Unterschiede aufzeigen und so zur Definition einer angemessenen O-Ring-Qualität beitragen. Unter Gummielastizität ist hier insbesondere das Vermögen der elastomeren Werkstoffe gemeint, dass diese die aus den druckbeaufschlagten O-Ringflächen resultierende Kraft als Erhöhung der Dichtflächenpressung weitergeben können. Je höher also der anstehende Druck ist, desto höher ist auch die daraus entstehende Dichtflächenpressung. Durch dieses Funktionsprinzip können O-Ring-Dichtungen in extremen Anwendungen Drücke von weit über 1000 bar abdichten. Diese Gummielastizität tritt uneingeschränkt nur oberhalb der Glasübergangstemperatur auf, bei tiefen Temperaturen lässt diese nach und unterhalb einer werkstoffabhängigen Grenztemperatur geht diese ganz verloren. Der Einfluss niedriger Temperaturen auf die Gummielastizität ist voll reversibel, im Vergleich dazu tritt durch die Alterung eine irreversible Einschränkung der Gummielastizität ein. Bei einer fortgeschrittenen Alterung verlieren also O-Ringe ihr Vermögen, auch hohe Drücke sicher abzudichten. Chemische Beständigkeit muss gewährleistet seinVoraussetzung für ein gute Dichtung ist natürlich auch eine ausreichende chemische Beständigkeit. Ist diese nicht gegeben, bewirkt eine dadurch verursachte Veränderung in der Netzwerk- und Polymerstruktur sowohl eine Spannungsrelaxation als auch einen Verlust der Gummielastizität. Zusätzlich können auftretende Risse an der Oberfläche direkt zu einem Ausfall des O-Ringes führen.Gummidichtungen werden häufig auch als so genannte Weichdichtungen bezeichnet. Diese „Weichheit“ fördert zum einen ein gutes Dichtvermögen an nicht ideal glatten Oberflächen, zum anderen bedeutet dies aber auch eine begrenzte physikalische Beanspruchbarkeit in Bezug auf Zugspannungen. Daher müssen O-Ring-Dichtungen auch bezüglich der physikalischen Beanspruchungen ausgelegt werden, zum Beispiel gegenüber der Einwirkung von hohen Drücken durch Spaltextrusion oder gegenüber der Auswirkung explosiver Dekompression von Gasen oder gegenüber der Einwirkung von Verschleiß bei dynamisch eingesetzten O-Ringen. Außer einer möglichen Beeinträchtigung der Einsatzgrenzen der O-Ringe durch diese Vorgänge (Spannungsrelaxation, Alterung und chemische Einwirkung) können zusätzliche negative Effekte durch Quellung oder durch erhöhte Temperaturen (reversible Reduktion der physikalischen Belastungsgrenzen des Werkstoffes infolge der Viskoelastizität) auftreten und zu einem vorzeitigem Dichtungsausfall führen.Das Relaxationsverhalten von Elastomeren in Abhängigkeit der Zeit lässt sich nach [1] auf ein sogenanntes physikalisches und chemisches Kriechen zurückführen. Für Betrachtungen bei langen Zeiträumen ist danach der chemische Anteil deutlich stärker als der physikalische Anteil. Somit kann angenommen werden, dass sich die Abhängigkeit der Spannungsrelaxation als Folge eines überwiegend chemischen Reaktionsmechanismus als Arrheniusgerade darstellen lässt. Um dies zu überprüfen, wurden im O-Ring-Prüflabor Richter, Großbottwar, Druckverformungsrestversuche an NBR-O-Ringen (NBR - Nitrilkautschuk)verschiedeneSchnur-stärken bei drei unterschiedlichen Temperaturen bis zu einer Dauer von über 18 000 h durchgeführt und ausgewertet. Die Ergebnisse daraus sind in Tabelle 2 für unterschiedliche Lebensdauerkriterien zusammengefasst und in Bild 1 für das Lebensdauerkriterium 95% Druckverformungsrest in Form von Arrheniusgeraden dargestellt. Aus diesen so gewonnenen Kurven lassen sich nun für den überprüften O-Ring-Werkstoff realistische Werte in Bezug auf das Langzeitverhalten ableiten. So kann zum Beispiel angenommen werden, dass die geprüften O-Ringe bei einer Temperatur von 60 °C bei dem genannten Lebensdauerkriterium von 95% für fünf Jahre ununterbrochenem Betrieb als betriebssicher betrachtet werden können. Interessanterweise liegen die durch die Langzeitergebnisse ermittelten Werte bei der Schnurdicke von 1,78 mm tatsächlich auf einer Geraden, während dies bei den größeren Schnurdicken nicht der Fall ist. Erklärt wird dies dadurch, dass bei den größeren Dicken das Verhältnis der freien Oberfläche des O-Ringes im Verhältnis zu seiner Masse abnimmt, so dass der für den Oxidationsprozess erforderliche Sauerstoff bei den höheren Temperaturen nicht mehr in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Die Oxidation läuft damit bei dickeren Schnurstärken und bei hohen Temperaturen infolge von Sauerstoffmangel gebremst ab. Das heißt bei relativ hohen Temperaturen ist der Einfluss der Schnurdicke auf die Lebensdauer hoch (Tabelle 2 bei 125°C), bei niedrigen Temperaturen gering (Tabelle 2 bei 80°C). Ähnliche Versuche, jedoch nur bei zwei unterschiedlichen Temperaturen und bei Prüfzeiten von maximal 4000 h wurden auch an peroxidisch vernetzten EPDM-O-Ringen durchgeführt (Bild 2). Für ein Lebensdauerkriterium von 100% Druckverformungsrest ergibt sich daraus für die geprüften O-Ringe eine zu erwartende abgesicherte Betriebsdauer bei 80°C von etwa 500 000 h (57 Jahre). Die Ergebnisse von Druckspannungsrelaxationsmessungen im Hause Freudenberg ergaben für einen geprüften EPDM-Werkstoff bei 75°C Lebensdauerannahmen je nach Lebensdauerkriterium zwischen 46 und 230 Jahre (Tabelle 3). Ein anderes Beispiel für einen Ansatz der Ermittlung des Zeitverhaltens der Spannungsrelaxation von O-Ringen zeigt Bild 3. Die dort dargestellten Ergebnisse, die von Parker Hannifin rechnerisch ermittelt wurden, sind mit Hilfe eines relativ aufwendigen Materialmodelles für die Spannungsrelaxation an FKM-(Fluorkautschuk-) und HNBR-(Hydrierte NBR-)O-Ringen bei 95 °C in einem Kühlwassergemisch ermittelt worden. Der HNBR-O-Ring lässt nach einer simulierten Betriebsdauer von 20 000 h nach einer Abschaltung die Entstehung eines Spaltes zu, im Vergleich dazu hält der FKM-O-Ring noch dicht. Sofern also gut auflösende Materialmodelle bestehen, ergibt sich daraus eine Möglichkeit, das Langzeitverhalten von O-Ringen unter verschiedensten Betriebsbedingungen zu simulieren. Die Alterung des Werkstoffes, chemische Angriffe durchs Medium sowie physikalische Einwirkungen auf die Lebensdauer von O-Ringen sind Gegenstand eines folgenden Beitrages.Literatur[1] Timm. Th.: Die physikalischen Leistungsgrenzen von Elastomeren. Kautschuk + Gummi, Kunststoff 39 (1986) 1.