派克漢尼汾 | 低溫下的密封解決方案
2021-05-28 13:21:33
今天，無論是冰天雪地的南極，還是寒冷的西伯利亞，在重型設(shè)備的大力加持下，人們得以在這些地區(qū)建立科考站、天然氣管道等工程。
那么，這些設(shè)備屹立風(fēng)雪，穩(wěn)定運(yùn)行的秘訣是什么呢？
可以說，有效、可靠的密封解決方案是確保重型設(shè)備液壓系統(tǒng)正常工作的重要因素！它們可以降低設(shè)備因寒冷天氣而導(dǎo)致的意外停機(jī)，默默守護(hù)著設(shè)備安全及其生產(chǎn)效率。
密封件在低溫下會(huì)發(fā)生什么？
除了水等少數(shù)物質(zhì)，大部分物質(zhì)遇冷會(huì)收縮。不同材料的收縮速率不同，人們將這種可測量屬性稱為熱膨脹系數(shù)（CoTE）。在給定的溫度變化下，熱固性彈性體和熱塑性塑料的收縮率大約是金屬的5倍。這意味著在低溫下，密封件的收縮程度要大于其外殼，進(jìn)而導(dǎo)致密封性能降低。
隨著溫度下降，彈性體還會(huì)變硬，情況更糟。
當(dāng)溫度達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（縮寫為“Tg”）時(shí)，密封件就變得像玻璃一樣堅(jiān)硬而易碎！因此，為了保持密封件的彈性和韌性，材料的 Tg要低于系統(tǒng)的最低工作溫度。
在高壓力、低溫度的應(yīng)用中，還存在另一個(gè)問題。
對密封件施加壓力會(huì)提升材料的Tg，大約每施加750 PSI， Tg將提高+ 1°C。人們將這種現(xiàn)象稱為壓力誘導(dǎo)玻璃化轉(zhuǎn)變，這也是高壓密封件在溫度高于其Tg時(shí)出現(xiàn)泄漏的原因。
溫度還不夠低！
有較低的溫度，當(dāng)然還會(huì)有更低的溫度。
如果一個(gè)地區(qū)的冬季溫度位于冰點(diǎn)左右，大多數(shù)密封材料還可以正常工作。那么，在那些極度低溫的區(qū)域呢？例如，寒冷的西伯利亞地區(qū)，溫度可能低至-60°C（-76°F），加拿大北部的天氣也并不溫暖。在這些地區(qū)運(yùn)行設(shè)備，其液壓系統(tǒng)會(huì)通過摩擦產(chǎn)生足夠熱量，以保持密封件的溫度。但在這種嚴(yán)寒的環(huán)境下，如果液壓設(shè)備停止使用或?qū)⑵溥^夜存放，低Tg值的密封件對防止設(shè)備發(fā)生泄漏就至關(guān)重要了。
- 對于閑置或在極低溫度下關(guān)閉的旋轉(zhuǎn)設(shè)備來說，當(dāng)密封唇/軸的結(jié)合處有水分時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸密封件上的唇可能會(huì)凍結(jié)到軸上。軸啟動(dòng)時(shí)，可能會(huì)撕裂唇口，導(dǎo)致密封件在低溫下發(fā)生破裂。
- 然后是低溫系統(tǒng)，它們是完全不同的設(shè)備。液氮罐需要能夠處理-320°F流體的密封件，在這種溫度下，所有彈性體都變得像巖石一樣堅(jiān)硬。哪種密封材料能應(yīng)對這種溫度呢？答案是聚四氟乙烯（PTFE）！
純（未填充的）PTFE雖然不被視為彈性體，但它在低至-425°F的溫度下卻仍有柔韌性，這一溫度只比絕對零度（可達(dá)到的最低溫度）高35度。圖1中的圖表展示了派克密封材料的有效范圍。
典型材料溫度額定值
看完圖表后，您可能會(huì)想：“為什么派克不用PTFE制造所有的密封件？”不可否認(rèn)，PTFE是很好的密封材料，但也有缺點(diǎn)。PTFE的硬件制造和密封安裝往往比彈性體密封更復(fù)雜。
氟碳橡膠（FKM）和近期出現(xiàn)的全氟橡膠（FFKM）通常用來密封高溫和難處理的化學(xué)物質(zhì)。然而，它們在低溫下性能較差，派克提供特殊的低溫混合物，分別適用于-40至400°F和-40至600°F的溫度范圍。這類“無所不能”的材料往往比傳統(tǒng)氟碳橡膠的價(jià)格更高。
與標(biāo)準(zhǔn)丁腈（NBR）相比，氫化丁腈（HNBR）耐溫性能更好，耐磨性更強(qiáng)。為了改善低溫回彈性，派克開發(fā)了在低溫下性能更優(yōu)的氫化丁腈化合物。
特殊級(jí)別的有機(jī)硅可以承受更低的溫度，耐磨性卻非常差，我們不建議將其用于動(dòng)態(tài)密封。三元乙丙橡膠（EPDM）化合物在低溫下也能保持相當(dāng)?shù)娜犴g性，具有丁腈橡膠的外觀和觸感，但應(yīng)用時(shí)需注意與介質(zhì)的相容性。
派克聚氨酯（圖1表中以“P”開頭的化合物）很受歡迎，因?yàn)樗鼈冊诘蜏睾透邷孛芊?、耐磨性、壓力等?jí)和成本之間提供了理想的平衡。派克的P5065A88材料在低溫下比大多數(shù)其他聚氨酯材料更具彈性。
在對溫度額定值有要求的所有密封應(yīng)用中，很重要的一點(diǎn)是，密封件要在其適用溫度范圍內(nèi)才能發(fā)揮理想的密封性能。在那些將密封件置于極限溫度的應(yīng)用中，密封件可能只在短時(shí)間發(fā)揮作用，之后將變硬而無法有效控制泄漏。確保密封有效性的經(jīng)驗(yàn)法則是將溫度保持在推薦工作溫度范圍的80％以內(nèi)。
結(jié) 論
除了選擇Tg足夠低、能適應(yīng)寒冷環(huán)境的密封材料外，還有其他需要注意的問題嗎？請確保壓力、耐磨性、介質(zhì)相容性和高溫性能等其他性能也適用該系統(tǒng)。要注意權(quán)衡利弊，以免引起其他問題。如有疑問，請聯(lián)系派克漢尼汾，我們很樂意為您提供幫助。
