Остаточная деформация сжатия резины: почему кольцо стало плоским

Кольцо в канавке сжато на 15–30 % своего сечения, и уплотняет оно ровно тем усилием, с которым пытается вернуться к исходной толщине. Пока резина упругая, это усилие держится. Под нагрузкой и температурой полимерная сетка медленно перестраивается: часть связей рвётся и сшивается заново уже в сжатом положении. Резина начинает считать сжатую форму своей, и усилие отжатия падает. Снятое кольцо выглядит как прямоугольник со скруглёнными углами вместо круга.

Течь появляется при остывании и сбросе давления

В рабочем режиме севшее кольцо часто держит. Нагретая резина расширяется заметно сильнее стали, коэффициент линейного расширения эластомеров примерно на порядок выше, и это расширение временно добирает потерянный натяг. Давление среды тоже прижимает кольцо к стенке канавки. Когда узел остывает или давление падает до нуля, оба помощника исчезают, и через ослабший контакт начинает сочиться жидкость.

Отсюда характерная картина в журнале: течь крышки теплообменника после ночной остановки, капли на фланце в понедельник утром, подтекание гидроузла на холодном пуске, которое проходит через полчаса работы. Если течь зависит от температуры и проходит при прогреве, первым подозреваемым становится остаточная деформация, а не порез или неверный размер.

Процент по ГОСТ Р ИСО 815-1 считают от заданного сжатия

Метод испытания задаёт ГОСТ Р ИСО 815-1-2017, идентичный ISO 815-1:2014. Образец типа A: диск диаметром 29 мм и толщиной 12,5 мм, образец типа B: диск 13 мм толщиной 6,3 мм. Резину твёрдостью до 80 IRHD сжимают на 25 % исходной толщины, более твёрдую на 15 или 10 %. Стандартная выдержка 24, 72 или 168 часов при +23 °C либо при повышенной температуре из ряда от +40 до +250 °C. После снятия нагрузки образец восстанавливается 30 минут, затем его толщину измеряют.

Результат считают по формуле: остаточная деформация равна (h0 − h1) / (h0 − hs) × 100 %, где h0 исходная толщина, h1 толщина после восстановления, hs высота проставки, то есть толщина в сжатом состоянии. Делят на заданное сжатие, а не на исходную толщину, поэтому 50 % означают потерю половины натяга, а не половины высоты.

Как пересчитать остаточную деформацию в натяг кольца?

Остаточная деформация сжатия резины переводится в натяг кольца так. Пример: сечение 3,53 мм, глубина канавки 2,80 мм, исходное сжатие 0,73 мм, или 21 %. Кольцо после года работы измерили: 3,10 мм. Остаточная деформация (3,53 − 3,10) / 0,73 = 59 %. В той же канавке натяг теперь 0,30 мм, около 8,5 % сечения, в 2,4 раза меньше расчётного. Добавьте охлаждение, и запаса не остаётся.

Цифра из паспорта без режима ничего не говорит

Запись «остаточная деформация 15 %» без температуры, времени и степени сжатия нельзя сравнить ни с чем. Одна и та же смесь даёт 10 % после 24 часов при +23 °C и 45 % после 168 часов при +125 °C, это пример порядка величин. Сравнивать два материала можно только при одинаковом режиме, и этот режим должен быть близок к вашему узлу.

Для неподвижного уплотнения горячего аппарата полезнее длительная выдержка при рабочей температуре. Её дают либо испытание по ГОСТ Р ИСО 815-1 с выдержкой 168 часов и кратными ей, либо ускоренное старение в сжатом состоянии по ГОСТ 9.029-74. Значения из этих испытаний, как и остальные паспортные данные, уместно запросить к партии, вместе с твёрдостью и условной прочностью, если узел ответственный.

Нагрев ускоряет оседание сильнее всего остального

До +70 °C почти любая нормальная резина держит форму годами, и разница между марками видна слабо. В диапазоне +100…125 °C смеси с серной вулканизацией и полиуретан садятся заметно быстрее, а пероксидный EPDM, FKM и силикон сохраняют упругость. Выше +150 °C NBR, серный EPDM и полиуретан не ставят, а у пероксидного EPDM и силикона оседание растёт. FKM после постотверждения держится лучше остальных, поэтому для горячих масел его берут именно с постотверждением; для пара и горячей воды стандартный FKM не подходит, там ставят пероксидный EPDM или специальные марки FKM пероксидной вулканизации. Значения в матрице даны как ориентир для марок общего назначения; материал фиксируется в КП.

Причина различий в типе поперечных связей. Серные мостики при нагреве перестраиваются, углерод-углеродные связи пероксидной вулканизации стабильнее. Под воду, пар и щёлочь между системами выбирают по сравнению EPDM пероксидной и серной вулканизации. Для автоклавов и стерилизаторов, где к нагреву добавляется цикл давления, логика та же, а уплотнители автоклавов для дверей подбирают с учётом стерилизационных циклов.

Пережатое кольцо расходует запас упругости быстрее

Чем глубже сжато кольцо, тем выше напряжение в резине и тем быстрее идёт перестройка сетки. Сжатие 35–40 % «для надёжности» сокращает жизнь уплотнения. Для неподвижного кольца ориентир 15–30 % сечения, для подвижного 8–20 %, точное значение задают по материалу и давлению. Глубину канавки считают от минимального сечения кольца по допуску, а не от номинала. Глубину и ширину канавки под кольцо рассчитывают отдельно.

Вторая сторона той же задачи: заполнение канавки. Если кольцо при нагреве и набухании занимает больше 90 % объёма канавки, ему некуда расширяться, контактное напряжение растёт, и резина оседает или лезет в зазор. Оседание и выдавливание кольца часто идут вместе, но выглядят по-разному.

По форме сечения отличают оседание от других отказов

Плоские грани с двух противоположных сторон, гладкие, с отпечатком шероховатости канавки, сечение стало овалом или прямоугольником: это остаточная деформация. Бахрома или срезанный язычок с одной стороны: выдавливание в зазор. Кольцо стало больше и мягче, не помещается в канавку: набухание в среде. Сетка трещин на наружной стороне: озон или перегрев. Спиральный след по окружности: скручивание при ходе.

Кольцо достают только из остановленного узла, в котором давление сброшено до нуля, а корпус остыл до температуры, безопасной для рук; разборку выполняет допущенный к этому оборудованию персонал. Проверка снятого кольца занимает минуту. Его измеряют штангенциркулем в двух направлениях: поперёк плоской грани и вдоль неё. Разница больше 10 % от исходного сечения (ориентир) подтверждает оседание. Затем кольцо сжимают пальцами и отпускают: здоровая резина возвращается сразу, севшая медленно или не возвращается совсем.

Как отличить остаточную деформацию от износа на манжете?

Остаточная деформация манжеты штока видна по кромке: она сплющена ровно, гладкая, без рисок, а натяг на шток упал, и манжета свободно проворачивается рукой. Износ оставляет на кромке продольные риски, задиры и уменьшение высоты губки с одной стороны. Если кромка гладкая и плоская после работы в горячем масле, менять нужно материал, а если исцарапана, ищут абразив в жидкости и состояние штока.

Остаток упругости переводят в срок замены

Остаточная деформация растёт со временем примерно по затухающей кривой: быстро в первые сотни часов, затем медленнее. Если замерить сечение снятого кольца при двух плановых разборках, видно, где на этой кривой находится узел. Пример: после 2 000 часов остаточная деформация 35 %, после 6 000 часов 55 %. Если принять критерий замены 75–80 % (пример критерия, его задаёт эксплуатация), до него остаётся порядка нескольких тысяч часов, и замену можно запланировать на ближайший ППР, а не ждать течи.

Такой прогноз годится только для одного материала в одном узле при неизменной температуре. Сменили марку, режим или поставщика, и кривая начинается заново.

Карточка кольца хранит материал, сжатие и срок до оседания

Чтобы прогноз работал, на каждое неподвижное уплотнение горячего узла заводят карточку изделия. В ней записывают: позицию на схеме и номер аппарата, размер кольца или чертёж прокладки, материал с системой вулканизации и твёрдостью, глубину канавки и расчётное сжатие, рабочую температуру. Ниже идёт история: дата установки, дата снятия, сечение снятого кольца в двух направлениях, была ли течь.

По трём-четырём строкам истории видно средний интервал до оседания, и следующую партию заказывают к плановому ремонту, а не после аварии. При смене материала карточка показывает, дала ли замена эффект: если пероксидный EPDM прослужил вдвое дольше серного при той же температуре, это видно по цифрам, а не по ощущениям. Повторный заказ по артикулу из карточки выполняют без нового подбора.

Изготовителю нужны температура, время и канавка

Для кольца с низкой остаточной деформацией изготовителю нужны рабочая и максимальная температура, длительность непрерывной работы, среда, давление, размеры канавки или чертёж узла, а также сведения о том, сколько служило прежнее кольцо и каким оно было при снятии. Фото снятого кольца в разрезе рядом с линейкой сразу показывает, оседание это или другой отказ. Материал под эти условия подбирают в рамках подбора материала, а уплотнительные кольца нестандартного размера изготавливают формованием или стыковкой шнура.

Если в узле стоит FKM или силикон, в заявке стоит прямо указать требование постотверждения, а для EPDM систему вулканизации. Ресурс в часах без испытаний в вашем режиме никто не обещает: паспорт даёт сравнение материалов, а реальный срок покажет первая карточка.