Na indústria de manufatura, os engenheiros responsáveis pela vedação são normalmente os membros mais exigentes de uma equipe de projeto.
Quando a máquina está funcionando normalmente, ninguém pensa em você; mas quando o equipamento apresentar vazamentos (de água, óleo ou gás) nas instalações do cliente, a primeira pessoa responsabilizada será, sem dúvida, o engenheiro de vedação.
O engenheiro estrutural primeiro examina as dimensões da vala, confirmando que foram desenhadas com precisão de acordo com as especificações de tolerância. O departamento de IQC verifica então o relatório da fábrica, verificando se os produtos fornecidos pelos principais fabricantes atendem a todos os padrões exigidos. Em última análise, a responsabilidade pela análise de falhas recai exclusivamente sobre o engenheiro de vedação.
Você removeu o O-ring com defeito; sua superfície estava intacta, livre de rachaduras ou sinais de corrosão química. A única alteração foi que ele foi achatado e não pôde ser restaurado à sua forma original.
Nesta fase, focar apenas nos valores de resistência à tração e dureza Shore listados nas especificações do material do fornecedor pode não conseguir identificar a causa real da falha.
No domínio dos materiais poliméricos selados, o desempenho de vedação a longo-prazo geralmente é determinado não pela dureza do material ou pela resistência à tração, mas por um parâmetro frequentemente subestimado: deformação por compressão (CS).
Vamos explorar esse parâmetro em profundidade a partir de três perspectivas.
0 1
Selagem – o que exatamente está sendo selado?
Antes de discutir a deformação permanente compressiva, é essencial corrigir um equívoco mecânico comum: a vedação não depende de “bloqueio”, mas de “suporte”.
foto
Quando você insere um anel de vedação de silicone na ranhura de metal e aperta o flange, o silicone é comprimido (normalmente em uma proporção de 15% a 30%).
O silicone é um material altamente elástico. Quando comprimidas, suas cadeias moleculares são distorcidas à força, gerando uma forte força de rebote (tensão de contato) que busca retornar ao seu estado original.
Esta força de rebote opõe-se firmemente à parede metálica; teoricamente, desde que exceda a pressão do fluido interno, o meio não vazará.
Portanto, a essência da vedação reside no fornecimento contínuo de força elástica pelas cadeias moleculares de silicone sob compressão, permitindo-lhes aderir firmemente às superfícies metálicas.
0 2
O que causa falha na vedação?
Como a vedação depende da força restauradora, o que acontece se essa força desaparecer?
O que é deformação permanente compressiva?
Achatamos o gel de silicone em 25%, assamos no forno a 120 graus por 70 horas, depois retiramos e deixamos esfriar e voltar ao formato original.
Se conseguir restaurar totalmente sua espessura original, CS=0% (um elastômero perfeito que não existe na realidade).
Se ele se achatar completamente e não se recuperar, CS=100% (indicando que se tornou um plástico rígido).
Por que as cadeias moleculares não podem “retornar ao seu estado original”? A questão está no nível microscópico:
Nível Físico – Relaxamento do Estresse e Reorganização da Segmentação da Cadeia
O silicone é formado pelo entrelaçamento de longas cadeias moleculares. Quando submetido a compressão prolongada em altas temperaturas,
Reduz seu estresse interno por meio de deslizamento e reorganização graduais.
É como pressionar um novelo de lã fofo no fundo de uma caixa durante um ano-quando você o tira, ele já está adaptado ao seu formato achatado e dificilmente consegue recuperar sua fofura original.
Este “compromisso” físico resulta num declínio gradual na força de rebote.
Nível químico – Quebra e reorganização de ligações-reticuladas
Este é o aspecto mais crítico. A elasticidade do silicone depende de ligações-cruzadas entre cadeias moleculares (como ligações de enxofre-enxofre).
Sob altas temperaturas e compressão prolongada, as ligações cruzadas originais se rompem, resultando na perda da força de tração elástica.
Mais importante ainda, os radicais livres gerados pela fratura reformarão-formarão novas ligações-reticuladas sob condições comprimidas do material-travando efetivamente as cadeias moleculares em um "estado plano". Mesmo após a remoção da força externa, essas novas ligações químicas impedem que o material retorne à sua configuração original.
Deslizamento físico + recombinação química=deformação permanente compressiva.
Um valor CS mais alto resulta em gel de silicone mais plano e tensão de contato mais fraca. Eventualmente, quando a força de rebote se torna insuficiente em comparação com a pressão do fluido, ocorre vazamento.
0 3
Como isso deve ser abordado do ponto de vista da engenharia?
Agora que entendemos os mecanismos subjacentes, como podemos evitar esse risco ao projetar vedações e selecionar materiais?
1. Ao interpretar dados CS, sempre esclareça as condições de teste.
A tabela de propriedades físicas fornecida pelo fornecedor geralmente indica “deformação permanente sob compressão: 25%”.Contudo, a que temperatura, sob que taxa de compressão e durante quanto tempo foram realizadas estas medições?
Se o valor CS for medido em 25% a 100 graus, ele poderá aumentar para mais de 50% sob condições operacionais reais de 150 graus devido ao envelhecimento térmico e oxidativo acelerado.
O principal requisito é que, ao avaliar o valor CS, a temperatura do teste não seja inferior à temperatura máxima de operação do produto e a duração do teste seja de pelo menos 70 horas ou 168 horas. Somente esses dados podem servir como referência válida para seleção.
2. Concentre-se no sistema-de cross-linking em vez de aumentar cegamente a dureza
Se o valor CS não atender aos requisitos, não tente compensar aumentando a dureza do gel de silicone-a dureza não pode reverter a deformação permanente. Em vez disso, a intervenção deve ser direcionada ao sistema de reticulação química-do material.
Tomando NBR ou EPDM como exemplos: os sistemas tradicionais de vulcanização com enxofre formam ligações de enxofre-enxofre com baixa energia de ligação, que são propensas a quebra e reformação em altas temperaturas, resultando em valores baixos de CS.
Ao adotar um sistema de vulcanização por peróxido, são formadas ligações simples de carbono-carbono, que exibem alta energia de ligação e são resistentes à clivagem e recombinação sob compressão de alta-temperatura, reduzindo significativamente a deformação de compressão permanente.
A compensação-é uma diminuição na resistência ao rasgo de materiais vulcanizados-com peróxido. Isso representa um equilíbrio típico entre alcançar a "não-rasgabilidade" e manter as "propriedades de recuperação".
3. Compensação da atenuação CS do material por meio de projeto estrutural
Se o valor CS do material foi otimizado até seu limite físico (por exemplo, 30%), como podemos garantir o desempenho contínuo da vedação durante o uso-de longo prazo?
Como sabemos que perderá alguma resiliência, devemos incorporar esta perda na margem de compressão ao projetar as dimensões da ranhura.
No entanto, a taxa de compressão não pode ser aumentada indefinidamente. Quando a taxa de compressão é excessivamente alta (excedendo 40%), a tensão interna dentro do polímero aumenta exponencialmente, levando à fratura mecânica prematura das cadeias moleculares e consequentemente acelerando a deterioração do CS.
A abordagem mais eficiente é que engenheiros estruturais e engenheiros de materiais obtenham em conjunto uma tolerância de ranhura com base na curva de relaxamento de tensão-que não comprometa a integridade do silicone nem deixe de manter uma taxa de pressão de vedação suficiente após dez anos.
Criar um selo significa essencialmente tornar-se amigo e inimigo do tempo.
Um verdadeiro engenheiro de vedação não se concentra apenas em garantir uma vedação estanque no momento da conclusão da montagem.
A preocupação deles reside em saber se, após três, cinco ou até dez anos-sob exposição repetida a altas temperaturas e pressão intensa-a cadeia molecular ainda permanecerá firmemente ligada à superfície do metal.
Se você tiver um selo que vaza repetidamente, mas não consegue identificar a causa ou acha as tabelas de propriedades do fornecedor confusas,-sinta-se à vontade para entrar em contato com nosso engenheiro de vendas com seus desenhos e amostras com falha.