Tesnenia v zime: ako mráz mení gumu a prečo tesnenia zlyhávajú pri nízkych teplotách

Prvé väčšie mrazy odhalia v priemyselných prevádzkach to, čo sa v lete tvári ako spoľahlivé. Hydraulický agregát na stavebnom stroji po noci pod holým nebom pri štarte pretŕča olej cez hriadeľové tesnenie, pneumatický valec na vonkajšej linke sa trhane rozbieha a v prírube chladiaceho okruhu sa objaví vlhká škvrna, ktorá cez deň zmizne.

Technik často hľadá chybu v tesnení, hoci to isté tesnenie pár mesiacov predtým fungovalo bez problémov. Príčinou nie je chybný diel, ale zmena správania elastomérov a médií pri nízkej teplote. Kto zimné správanie tesnení pozná, vie sa poruchám vyhnúť ešte pred prvým mrazom.

Pri výbere tesnení pre vonkajšie a nevykurované prevádzky pomáha, keď dodávateľ ponúka kompletné portfólio od tesnení a tesniacej techniky cez zákazkovú výrobu až po technické poradenstvo. AFINIS Group pôsobí na trhu už 31 rokov, v rámci služby AFINIS TRADE® drží viac ako 85 000 skladových položiek a vie poradiť aj s materiálom pre prevádzky, v ktorých teplota klesá hlboko pod bod mrazu.

Prečo mráz mení správanie elastomérov

Elastomér je materiál, ktorý sa správa pružne len v určitom teplotnom okne. Pri ochladzovaní sa pohyblivosť polymérnych reťazcov postupne znižuje, až sa materiál zmení z gumovitého na tuhý a sklovitý. Tento prechod nie je trvalým poškodením. Po zahriatí sa pôvodné vlastnosti vrátia, no kým je tesnenie studené, nedokáže plniť svoju úlohu.

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

reklama

Sklovitý prechod a teplota Tg

Kľúčovou veličinou je teplota skelného prechodu (Tg). Pod touto teplotou stráca elastomér schopnosť pružne sa deformovať a správa sa podobne ako tvrdý plast. Prakticky použiteľná dolná hranica tesnenia býva o niekoľko stupňov vyššia než Tg, pretože tesnenie potrebuje nielen zostať pružné, ale aj rýchlo sa vracať do pôvodného tvaru, keď sa mení tlak alebo poloha dielu. Tesnenie s nedostatočnou elasticitou sa pri zmene zaťaženia nestihne prispôsobiť a po krátkej dobe vznikne netesná škára.

Kryštalizácia a kompresný set pri nízkych teplotách

Niektoré kaučuky, napríklad chloroprén, majú sklon k pomalej kryštalizácii, pri ktorej materiál tuhne aj nad Tg. U ostatných elastomérov sa pri nízkej teplote zhoršuje kompresný set, teda schopnosť vrátiť sa po stlačení do pôvodného rozmeru. Stlačené tesnenie v drážke, ktoré dlhšie stojí v chlade, si „zapamätá” deformovaný tvar. Pri náhlom zvýšení tlaku v systéme potom nedokáže dostatočne rýchlo vyplniť medzeru a odozva tesnenia je oneskorená. Na posudzovanie tohto javu sa používajú skúšky podľa ISO 815-2 (kompresný set pri nízkych teplotách) a ISO 2921 (skúška spätného zmrštenia TR), ktorá udáva, pri akej teplote sa natiahnutý vzorok vráti o danú časť pôvodnej dĺžky.

Tepelné zmrštenie a strata predpätia

Guma má koeficient tepelnej rozťažnosti niekoľkonásobne vyšší než oceľ alebo hliník. Pri poklese teploty sa tesnenie zmrští viac než drážka, v ktorej leží, a stlačenie, ktoré tesnenie dosahovalo pri montáži, sa zníži. Pri O-krúžku s malým pôvodným stlačením, napríklad pri statickom tesnení s veľkou toleranciou drážky, môže byť strata predpätia dostatočná na to, aby sa objavil únik. Preto sa pri návrhu spojov pre vonkajšie prostredie sleduje nielen materiál, ale aj tolerancie drážky a kompresný pomer. V praxi sa často stáva, že rovnaké tesnenie v teplej hale funguje bez problémov, ale na vonkajšom zariadení pri -20 °C začne presakovať.

Kde sa zimné poruchy prejavia najčastejšie

Mráz nepôsobí len na samotné tesnenie. Mení tiež viskozitu mazív, tvorí kondenzát a ľad a prenáša sa na tolerancie celej zostavy.

Hydraulika a studený štart

Hydraulický olej pri nízkej teplote výrazne zhustne. Pri štarte stroja sa v systéme objavia tlakové špičky, pretože hustá kvapalina sa pohybuje pomalšie a čerpadlo musí prekonať väčší odpor. Tesnenia piestov a piestnic, ktoré sú navyše v studenom stave tuhšie, sú vystavené väčšiemu zaťaženiu, než na aké boli navrhnuté. Dôsledkom je vytláčanie tesniaceho materiálu do medzery, poškodenie hrán a predčasné opotrebovanie. Preto sa pri studených štartoch odporúča postupné zahriatie oleja a použitie hydraulického média s vhodnou triedou viskozity a nízkym bodom tuhnutia.

Pneumatika, kondenzát a zamŕzanie

V pneumatických systémoch hrozí iný problém. Stlačený vzduch obsahuje vodnú paru, ktorá sa pri ochladení zráža a pri teplote pod nulou zamŕza. Ľad vo ventiloch, rozvodoch a okolo piestnice valca poškodzuje tesniace hrany a stierače. Samotné pneumatické tesnenie môže byť pritom vo veľmi dobrom stave. Preventívnym opatrením je dôkladné sušenie vzduchu, pravidelné odvodnenie a používanie tesnení z materiálov, ktoré majú dostatočnú rezervu pod bodom mrazu.

Hriadeľové tesnenia a stierače

Hriadeľové tesnenia (guferá) sú pri nízkych teplotách citlivé na tuhnutie tesniacej hrany. Hrana, ktorá je pri izbovej teplote pružná, sa v mraze nedokáže dostatočne pritláčať na hriadeľ, najmä pri radiálnom hádzaní alebo malej excentricite. Studený štart prevodovky alebo ložiskovej skrine preto môže byť sprevádzaný krátkodobým únikom oleja, ktorý po zahriatí zmizne. Stierače a prachovky na piestniciach hydraulických valcov zasa trpia ľadom, ktorý sa na odkrytej piestnici vytvára pri vlhkom mraze. Pri zasunutí piestnice potom ľad pôsobí ako abrazívum a poškodzuje hranu.

Statické spoje, O-krúžky a príruby

Statické spoje vyzerajú menej rizikovo, no pri nízkych teplotách je kritická najmä príruba s plochým gumovým tesnením alebo kombinovaným spojom. Pri zmrštení kovových dielov a zmene predpätia skrutiek môže dôjsť k mikroskopickej netesnosti. Pri O-krúžkoch je dôležité, aby malo tesnenie dostatočné stlačenie aj po zmrštení, inak sa spoj stane závislým od teploty prostredia.

Materiály a ich orientačné nízkoteplotné hranice

Nasledujúce hodnoty sú orientačné. Presná dolná hranica závisí od konkrétnej zmesi, tvrdosti, prísad a spôsobu zaťaženia (statické alebo dynamické). Dynamické tesnenie vyžaduje väčšiu rezervu než statické. 

• NBR (nitrilový kaučuk): štandardné zmesi sa bežne používajú do približne -30 °C. Typy s nižším obsahom akrylonitrilu majú lepšiu pružnosť v chlade, no horšiu odolnosť voči olejom. Pri hydraulických aplikáciách ide o kompromis medzi odolnosťou voči médiu a nízkoteplotnou pružnosťou.
• H-NBR (hydrogenovaný nitril): podobné nízkoteplotné správanie ako NBR, ale s lepšou odolnosťou voči teplu a ozónu. Vhodný tam, kde sa v jednom zariadení kombinuje horúca prevádzka a chladné štarty.
• EPDM: výborná pružnosť v mraze, typicky do -45 až -50 °C. Je ideálny pre vodu, glykolové chladiace zmesi a brzdové kvapaliny na glykolovej báze. Pozor, EPDM nie je odolný voči minerálnym olejom a mazivám, takže sa nesmie používať v klasickej hydraulike.
• MVQ (silikón): najširšie teplotné okno z bežných elastomérov, dolná hranica okolo -55 až -60 °C, špeciálne zmesi aj nižšie. Nevýhodou je nižšia mechanická odolnosť a nevhodnosť pre dynamické aplikácie s vysokým opotrebovaním.
• FKM (FPM, Viton): štandardné zmesi sú v chlade tuhšie, pracovná hranica býva okolo -20 °C. Existujú nízkoteplotné typy, ktoré dosahujú približne -30 až -40 °C, no pri extrémnych mrazoch sú vhodnejšie iné materiály. FKM sa teda do vonkajšej zimnej prevádzky vyberá s opatrnosťou.
• Polyuretány (TPU, HPU): výborná mechanická odolnosť aj v chlade, dolná hranica približne -30 až -40 °C, podľa typu. Často sa používajú na tesnenia piestov a piestnic.
• PTFE: zostáva funkčný v extrémne nízkych teplotách, výrazne pod -100 °C. Nie je však elastický, preto sa v tesneniach kombinuje s energizujúcim elementom z elastoméru.

Na webe AFINIS Group je v rámci služby AFINIS EXPRESS® uvedená výroba rotačných tesnení z polyuretánov (TPU, HPU), elastomérov (NBR, H-NBR, FPM, EPDM, MVQ), technických plastov (POM, PA) a PTFE vrátane kompozitných variantov s plnivami. Širšia paleta materiálov znamená, že pre zimnú aplikáciu možno vybrať materiál presne podľa média a teploty.

Ako overiť materiál pred zimou

Pri výbere tesnenia pre vonkajšiu prevádzku nestačí pozrieť sa na údaj o minimálnej teplote v katalógu. Odporúča sa postupovať systematicky:

1. Zistiť minimálnu teplotu, ktorá sa v lokalite reálne vyskytuje, vrátane vplyvu vetra a umiestnenia stroja.
2. Určiť, či ide o statické alebo dynamické tesnenie, a podľa toho stanoviť potrebnú rezervu pod hranicou materiálu.
3. Overiť chemickú odolnosť voči médiu pri danej teplote, pretože niektoré materiály stratia odolnosť aj pri zmene viskozity.
4. Skontrolovať tolerancie drážky a kompresný pomer s ohľadom na zmrštenie tesnenia.
5. Pri náročných aplikáciách si vyžiadať údaje o skúškach podľa ISO 2921 alebo ISO 812 (teplota krehkosti).

Firmám, ktoré nemajú dostatok interných podkladov, môže pomôcť diagnostika a meranie priamo na prevádzke. Túto službu AFINIS Group uvádza medzi svojimi službami a umožňuje zistiť skutočné rozmery a stav spoja bez ohľadu na údaje z výkresovej dokumentácie.

Praktické opatrenia pred zimou a počas nej

Zimné poruchy sa dajú výrazne obmedziť jednoduchými postupmi, ktoré netreba investovať veľa:

• Skladovanie náhradných tesnení v temperovanom priestore. Studené tesnenie je tuhšie, ľahšie sa poškodí pri montáži a nepodáva spoľahlivý obraz o skutočných rozmeroch. Pred montážou ho nechajte vyrovnať teplotu s okolím.
• Montáž pri vhodnej teplote. Pri extrémnom mraze je lepšie diel krátko zahriať a použiť montážne mazivo kompatibilné s materiálom tesnenia.
• Postupný studený štart. Hydraulické a prevodové zostavy by sa mali zahrievať na prevádzkový režim postupne, bez okamžitého plného zaťaženia.
• Odvodnenie pneumatických rozvodov a kontrola sušičov vzduchu pred nástupom mrazov.
• Ochrana piestnic pred námrazou a kontrola stavu stieračov a prachoviek.
• Kontrola mazív. Viskozitná trieda oleja a bod tuhnutia by mali zodpovedať najnižšej očakávanej teplote.
• Pravidelná vizuálna kontrola spojov v prvých dňoch po poklese teploty, keď sa najčastejšie prejavia skryté nedostatky.

 Ak je zariadenie neštandardné a bežný diel zo skladu nevyhovuje, rozhoduje čas. Na takéto situácie je určená služba AFINIS EXPRESS®, ktorá umožňuje vyrobiť rotačné tesnenie do priemeru 720 mm v priebehu niekoľkých hodín až do 24 hodín pri optimálnom polotovare na sklade. Tesnenia väčších priemerov, až do 6 000 mm, sa vyrábajú na zákazku. Pri neštandardných podmienkach, ako sú vonkajšie zariadenia v horskom prostredí, sa oplatí využiť aj poradenstvo a návrh tesnení na mieru, pri ktorom sa riešenie pripravuje podľa konkrétnej aplikácie a výkresovej dokumentácie.

Médiá a ich správanie v chlade

Tesnenie nikdy nepracuje samo, vždy je v kontakte s médiom. Pri poklese teploty sa menia aj vlastnosti tohto média a tým sa mení aj zaťaženie tesnenia. 

Minerálne hydraulické oleje zvyšujú viskozitu a pri dostatočne nízkej teplote strácia tekutosť. Bod tuhnutia oleja preto musí byť dostatočne pod najnižšou očakávanou teplotou. Syntetické a biologicky odbúrateľné oleje (estery) sa v chlade správajú inak než minerálne a môžu na elastoméry pôsobiť odlišne, napríklad menej napučiavajú, čo ovplyvní stlačenie tesnenia. Glykolové zmesi v chladiacich okruhoch zabraňujú zamrznutiu, no nie všetky materiály ich znášajú rovnako dobre. Práve tu sa osvedčuje EPDM, zatiaľ čo NBR je pre glykol menej vhodný. Voda a vlhkosť predstavujú riziko najmä v pneumatike, kde vznikajú ľadové kryštály schopné mechanicky poškodiť tesniacu hranu.

Pri výbere materiálu je preto potrebné posudzovať kombináciu teploty a média, nie len jednu z veličín. Materiál, ktorý je v chlade dostatočne pružný, môže byť nevhodný pre dané médium, a naopak.

Energizované a nízkoteplotné riešenia pre dynamické tesnenia

Pri dynamických aplikáciách s nízkou teplotou sa často siaha po tesneniach z PTFE s energizujúcim elementom. PTFE zostáva funkčné aj pri veľmi nízkych teplotách, no samo o sebe nie je pružné. Tesniaci krúžok z PTFE preto doplní O-krúžok alebo pružina, ktorá zabezpečuje predpätie. Pri poklese teploty sa môže elastomérový energizér stať tuhším, preto sa v extrémnych podmienkach volí materiál ako EPDM alebo silikón, prípadne kovová pružina, ktorá nie je závislá od teploty.

Ďalšou možnosťou sú polyuretánové manžety s dobrou odolnosťou voči opotrebeniu, vhodné pre hydraulické valce vonkajších strojov. Polyuretán si zachováva pevnosť aj v mraze, no pri trvalej kombinácii vysokej teploty a vlhkosti degraduje hydrolýzou. Ak sa stroj v lete pohybuje v horúcom a vlhkom prostredí a v zime v mraze, je vhodné vybrať polyuretán odolný voči hydrolýze, napríklad polyéterový typ, a presný variant overiť u dodávateľa.

Čo robiť pri opakovaných zimných únikoch

Ak sa porucha opakuje každú zimu, ide o signál, že tesnenie nie je správne navrhnuté pre dané podmienky. Nestačí meniť diel za rovnaký. Treba sa pozrieť na: 

• materiál, jeho tvrdosť a nízkoteplotné vlastnosti,
• tvar a rozmer drážky a kompresný pomer,
• médium a jeho správanie pri nízkej teplote,
• kvalitu povrchu hriadeľa alebo piestnice,
• spôsob prevádzky, najmä frekvenciu studených štartov.

 Pri systematickom prístupe sa náklady na zmenu materiálu rýchlo vrátia. Jedna neplánovaná odstávka v zimnom období stojí zvyčajne viac než celoročný nákup tesnení.

Prehľad materiálov pre zimnú prevádzku

Nasledujúca tabuľka slúži ako rýchla orientácia. Hodnoty sú orientačné a pre konkrétnu aplikáciu sa vždy overujú podľa údajov výrobcu zmesi.