Na industria manufacturera, os enxeñeiros responsables do selado adoitan ser os membros máis esixentes dun equipo de proxecto.
Cando a máquina funciona normalmente, ninguén pensa en ti; pero unha vez que o equipo desenvolve fugas (de auga, petróleo ou gas) no lugar do cliente, a primeira persoa responsable é sen dúbida o enxeñeiro de selado.
O enxeñeiro estrutural examina primeiro as dimensións da gabia, confirmando que están debuxadas con precisión segundo as especificacións de tolerancia. A continuación, o departamento IQC verifica o informe da fábrica, verificando que os produtos subministrados polos principais fabricantes cumpren todos os estándares esixidos. En definitiva, a responsabilidade da análise de fallos recae directamente sobre o enxeñeiro de selado.
Quitaches a -anela tórica defectuosa; a súa superficie estaba intacta, libre de fendas ou signos de corrosión química. A única alteración foi que fora aplanada e non puido recuperar a súa forma orixinal.
Nesta fase, centrándose unicamente nos valores de resistencia á tracción e dureza Shore indicados nas especificacións de materiais do provedor pode non identificar a causa real da falla.
No ámbito dos materiais poliméricos selados, o rendemento de selado a longo prazo-moitas veces non está determinado pola dureza do material ou a resistencia á tracción, senón por un parámetro que a miúdo se subestima: o conxunto de compresión (CS).
Exploremos este parámetro en profundidade desde tres perspectivas.
0 1
Selado: que se está a selar exactamente?
Antes de discutir sobre a deformación permanente por compresión, é esencial corrixir un erro mecánico común: o selado non se basa no "bloqueo" senón no "soporte".
imaxe
Cando insire un anel O-de silicona na ranura metálica e aperta a brida, a silicona comprime (normalmente nunha proporción do 15%-30%).
A silicona é un material altamente elástico. Cando se comprimen, as súas cadeas moleculares son distorsionadas á forza, xerando unha forte forza de rebote (esfuerzo de contacto) que busca volver ao seu estado orixinal.
Esta forza de rebote oponse firmemente á parede metálica; teoricamente, sempre que supere a presión do fluído interno, o medio non se filtrará en absoluto.
Polo tanto, a esencia do selado reside na subministración continua de forza elástica por cadeas moleculares de silicona baixo compresión, o que lles permite unirse firmemente ás superficies metálicas.
0 2
Que causa a falla do selo?
Dado que o selado depende da forza restauradora, que pasa se esta forza desaparece?
Que é a deformación permanente por compresión?
Aplanamos o xel de silicona nun 25%, cociámolo nun forno a 120 graos durante 70 horas, despois retirámolo e deixamos arrefriar e volver á súa forma orixinal.
Se pode restaurar completamente o seu grosor orixinal, CS=0% (un elastómero perfecto que non existe na realidade).
Se se aplana completamente e non se recupera en absoluto, CS=100% (o que indica que se volveu plástico ríxido).
Por que as cadeas moleculares non poden "volver ao seu estado orixinal"? O problema radica no nivel microscópico:
Nivel físico: relaxación do estrés e reorganización da segmentación da cadea
A silicona fórmase polo encaixe de longas cadeas moleculares. Cando se somete a compresión prolongada a altas temperaturas,
Reduce o seu estrés interno mediante o deslizamento e a reorganización gradual.
É como presionar durante un ano unha bóla de fío esponjoso no fondo dunha caixa-no momento en que a sacas, xa está adaptada á súa forma aplanada e dificilmente pode recuperar a súa esponxidade orixinal.
Este "compromiso" físico ten como resultado un descenso gradual da forza de rebote.
Nivel químico: rotura e reorganización de enlaces cruzados-
Este é o aspecto máis crítico. A elasticidade da silicona depende dos enlaces cruzados-entre cadeas moleculares (como os enlaces de xofre-xofre).
A altas temperaturas e a compresión prolongada, os enlaces cruzados-orixinais rompen, o que provoca a perda da forza de tracción elástica.
Máis críticamente, os radicais libres xerados pola fractura volverán a-formar novos enlaces cruzados-en condicións de compresión do material-bloqueando efectivamente as cadeas moleculares nun "estado plano". Mesmo despois de eliminar a forza externa, estes novos enlaces químicos impiden que o material volva á súa configuración orixinal.
Deslizamento físico + recombinación química=deformación permanente compresiva.
Un valor de CS máis alto dá como resultado un xel de silicona máis plano e unha tensión de contacto máis débil. Finalmente, cando a forza de rebote é insuficiente en comparación coa presión do fluído, prodúcese unha fuga.
0 3
Como se debe abordar isto desde a perspectiva da enxeñaría?
Agora que entendemos os mecanismos subxacentes, como podemos evitar este risco á hora de deseñar selos e seleccionar materiais?
1. Ao interpretar os datos de CS, aclare sempre as condicións da proba.
A táboa de propiedades físicas proporcionada polo provedor adoita indicar "deformación permanente baixo compresión: 25 %".Non obstante, a que temperatura, con que relación de compresión e durante canto tempo se tomaron estas medicións?
Se o valor CS se mide nun 25 % a 100 graos, pode aumentar a máis do 50 % en condicións de funcionamento reais de 150 graos debido ao envellecemento térmico e oxidativo acelerado.
O requisito clave é que ao avaliar o valor CS, a temperatura da proba non debe ser inferior á temperatura máxima de funcionamento do produto e a duración da proba debe ser de polo menos 70 horas ou 168 horas. Só estes datos poden servir como referencia válida para a selección.
2. Concéntrase no sistema de enlace cruzado-en lugar de aumentar cegamente a dureza
Se o valor CS non cumpre os requisitos, non intente compensalo aumentando a dureza do xel de silicona-a dureza non pode reverter a deformación permanente. Pola contra, a intervención debe dirixirse ao sistema de enlace cruzado-químico do material.
Tomando como exemplos NBR ou EPDM: os sistemas tradicionais de vulcanización de xofre forman enlaces de xofre-con baixa enerxía de enlace, que son propensos a romperse e reformarse a altas temperaturas, o que resulta en valores de CS pobres.
Ao adoptar un sistema de vulcanización de peróxido, fórmanse enlaces sinxelos de carbono-carbono, que presentan unha elevada enerxía de enlace e son resistentes á escisión e á recombinación baixo compresión a alta-temperatura, co que se reduce significativamente a deformación por compresión permanente.
A compensación-é unha diminución da resistencia á rotura dos materiais-vulcanizados con peróxido. Isto representa un equilibrio típico entre lograr a "non-desgarrabilidade" e manter as "propiedades de rebote".
3. Compensación da atenuación do CS do material mediante o deseño estrutural
Se o valor CS do material foi optimizado ata o seu límite físico (por exemplo, 30 %), como podemos garantir o rendemento de selado continuo durante un uso prolongado-?
Xa que sabemos que perderá algo de resistencia, deberíamos incorporar esta perda á tolerancia de compresión ao deseñar as dimensións do suco.
Non obstante, a relación de compresión non se pode aumentar indefinidamente. Cando a taxa de compresión é excesivamente alta (superior ao 40%), a tensión interna dentro do polímero aumenta exponencialmente, o que leva á fractura mecánica prematura das cadeas moleculares e, en consecuencia, acelera o deterioro do CS.
O enfoque máis eficiente é que os enxeñeiros estruturais e os enxeñeiros de materiais obteñan conxuntamente unha tolerancia de suco baseada na curva de relaxación da tensión-que non comprometa a integridade da silicona nin non manteña unha relación de presión de selado suficiente despois de dez anos.
Crear un selo significa esencialmente converterse nun amigo e nun inimigo do tempo.
Un verdadeiro enxeñeiro de selado non se centra só en garantir un selado estanco no momento da finalización da montaxe.
A súa preocupación radica en se, despois de tres, cinco ou mesmo dez anos-con exposición repetida a altas temperaturas e presión intensa-, a cadea molecular seguirá firmemente unida á superficie metálica.
Se tes un selo que segue filtrando varias veces pero non podes identificar a causa, ou consideras confusas as táboas de propiedades do provedor-non dubides en poñerte en contacto co noso enxeñeiro de vendas cos teus debuxos e mostras erradas.