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能适应寒冷环境的密封材料

2021-09-23 11:07:09

无论是冰天雪地的南极,还是寒冷的地区,在重型设备的大力加持下,人们得以在这些地区建立科考站、天然气管道等工程。


那么,这些设备屹立风雪,稳定运行的秘诀是什么呢?


可以说,有效、可靠的密封解决方案是确保重型设备液压系统正常工作的重要因素!它们可以降低设备因寒冷天气而导致的意外停机,默默守护着设备安全及其生产效率。


密封件在低温下会发生什么?


除了水等少数物质,大部分物质遇冷会收缩。不同材料的收缩速率不同,人们将这种可测量属性称为热膨胀系数(CoTE)。在给定的温度变化下,热固性弹性体和热塑性塑料的收缩率大约是金属的5倍。这意味着在低温下,密封件的收缩程度要大于其外壳,进而导致密封性能降低。


随着温度下降,弹性体还会变硬,情况更糟。


当温度达到玻璃化转变温度(缩写为“Tg”)时,密封件就变得像玻璃一样坚硬而易碎!因此,为了保持密封件的弹性和韧性,材料的 Tg要低于系统的较低工作温度。


在高压力、低温度的应用中,还存在另一个问题。


对密封件施加压力会提升材料的Tg,大约每施加750 PSI, Tg将提高+ 1°C。人们将这种现象称为压力诱导玻璃化转变,这也是高压密封件在温度高于其Tg时出现泄漏的原因。

进口O型圈

有较低的温度,当然还会有更低的温度。


如果一个地区的冬季温度位于冰点左右,大多数密封材料还可以正常工作。那么,在那些极度低温的区域呢?例如,寒冷的地区,温度可能低至-60°C(-76°F),加拿大北部的天气也并不温暖。在这些地区运行设备,其液压系统会通过摩擦产生足够热量,以保持密封件的温度。但在这种严寒的环境下,如果液压设备停止使用或将其过夜存放,低Tg值的密封件对防止设备发生泄漏就至关重要了。


对于闲置或在极低温度下关闭的旋转设备来说,当密封唇/轴的结合处有水分时,旋转轴密封件上的唇可能会冻结到轴上。轴启动时,可能会撕裂唇口,导致密封件在低温下发生破裂。


然后是低温系统,它们是完全不同的设备。液氮罐需要能够处理-320°F流体的密封件,在这种温度下,所有弹性体都变得像岩石一样坚硬。哪种密封材料能应对这种温度呢?答案是聚四氟乙烯(PTFE)!


纯(未填充的)PTFE虽然不被视为弹性体,但它在低至-425°F的温度下却仍有柔韧性,这一温度只比零度(可达到的较低温度)高35度。


氟碳橡胶(FKM)和近期出现的进口O型圈全氟橡胶(FFKM)通常用来密封高温和难处理的化学物质。然而,它们在低温下性能较差,派克提供特殊的低温混合物,分别适用于-40至400°F和-40至600°F的温度范围。这类“无所不能”的材料往往比传统氟碳橡胶的价格更高。


与标准丁腈(NBR)相比,氢化丁腈(HNBR)耐温性能更好,耐磨性更强。为了改善低温回弹性,派克开发了在低温下性能更优的氢化丁腈化合物。


特殊级别的有机硅可以承受更低的温度,耐磨性却非常差,我们不建议将其用于动态密封。三元乙丙橡胶(EPDM)化合物在低温下也能保持相当的柔韧性,具有丁腈橡胶的外观和触感,但应用时需注意与介质的相容性。


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