Рис. 2. Поток газов через витоновое О-кольцо после установления диффузионного потока при комнатной температуре, перепаде давления данного газа в 1 атм и сжатии кольца на 30%

Авторы: М.Л. Виноградов, Д.К. Кострин (Санкт-Петербургский электротехнический университет).

Опубликовано на портале «Химическая техника», апрель 2019

Уплотнительные О-кольца используются в технике для герметизации быстроразъемных соединений. Наилучшие характеристики по герметичности из эластомеров имеют О-кольца из фторкаучука, обозначаемые сокращенно FKM. Материал запатентован под брендом Витон или Viton®. Витоновые О-кольца, уплотнительные шнуры и пластины Вактрон – долговечный материал с низкой газовой проницаемостью для герметизации соединений в вакуумной технике.

Витоновые кольца не требуют смазки, а высокая герметичность обеспечивается при сжатии уплотнительной резинки на 30–40%, поэтому излишне затягивать О-кольцо не рекомендуется.

FKM обладает стойкостью против воздействия высоких температур, озона, кислорода, минерального масла, синтетических гидравлических жидкостей, топлива, ароматических веществ, многих органических растворителей и химикатов.

Работа при низких температурах неблагоприятно сказывается на сроке службы витонового кольца. Уплотнения рекомендуется применять для работы при температуре не ниже –30 °C.

Устойчивость к проникновению газов у витоновых колец Вактрон высокая и аналогична устойчивости к диффузии газов бутилкаучука.

Рабочая температура: от – 30 до +260 °C. Большая температура приводит к снижению срока службы уплотнения.

Химическая стойкость фторкаучуковых уплотнений

Витоновые кольца Вактрон не ухудшают свои герметизирующие характеристики при взаимодействии со следующими средами:

  • минеральное масло и смазка;
  • невоспламеняющиеся гидравлические жидкости (HFD);
  • силиконовое масло и смазка;
  • алифатические углеводороды (бутан, пропан, природный газ);
  • ароматические углеводороды (бензол, толуол);
  • хлорированные углеводороды (трихлорэтилен и четыреххлористый углерод);
  • бензин, спирт;
  • стоек при работе в высоком вакууме;
  • очень стоек против воздействия озона окружающей среды, не подвержен старению.

Витоновые кольца несовместимы со следующими веществами:

  • тормозные жидкости на основе гликоля;
  • аммиачный газ, амины, щелочи;
  • перегретый пар;
  • низкомолекулярные органические кислоты (муравьиная и уксусная кислоты).

Проницаемость газов через витоновое уплотнение

Удельная газовая проницаемость Витона меньше, чем других промышленно применяемых эластомеров, однако она не исключает полностью проникновение газов под действие перепада давления. Важно понимать, что диффузия газа через уплотнение требует времени – от десятков минут до часов. Поэтому при обдуве гелием при течеискании натекание легко пропустить. Следует учитывать время взаимодействия рабочего газа с герметизирующим уплотнением.

Удельная газовая проницаемость газов через Витон Вактрон характеризуется следующими значениями [1]:

Рассмотрим процесс прохождения газа через О-кольцо из фторкаучука при разнице давлений газа с внешней P1 и внутренней P2 стороны уплотнения в 1 атм. Кольцо при сжатии деформируется на 30% первоначального диаметра.

  • азот при 30°C – 2,33.10-9 стнд.см3/(смс.атм.);
  • кислород при 26°C – 1,7.10-8 стнд.см3/(смс.атм.);
  • фреон-22 при 25°C – 5,7.10-7 стнд.см3/(смс.атм.););
  • гелий при 30°C – 1,27.10-7 стнд.см3/(смс.атм.);
  • метан при 30°C – 1,2.10-9 стнд.см3/(смс.атм.);
  • водород при 93°C – 1,6.10-6 стнд.см3/(смс.атм.);
  • аргон при 93°C – 3,1.10-7 стнд.см3/(смс.атм.);
  • криптон при 93°C – 2,5.10-7 стнд.см3/(смс.атм.);
  • ксенон при 93°C – 1.10-8 стнд.см3/(смс.атм.).
Рис. 1. Схема проникновения газов через фторкаучуковое О-кольцо
Рис. 1. Схема проникновения газов через фторкаучуковое О-кольцо

На рис. 2 показан поток газа через фторкаучуковое О-кольцо для стандартных диаметров условного прохода KF и ISO стандартов вакуумной техники [2].

Согласно приведенным данным, изделие(например, корпус лазера), заполненное гелием (1 атм., 30°C) и имеющее витоновое О-кольцо стандарта ISO-100 будет терять гелий с потоком 3.10-7 Па.м3/с. При этом никаких дефектов и течей не учитывается. Гелий будет уходить из изделия через витоновое уплотнение.

Подобным образом происходит натекание атмосферных газов через О-кольца в вакуумные камеры. Для оценки потока проникания газов в вакуумированный объем через витоновое О-кольцо следует умножить данные, приведенные на рис. 2, на концентрацию рассматриваемого газа в окружающем воздухе. Так, поток кислорода в вакуумную камеру через фланец KF-25 составит 2.10-9 Па.м3/с при комнатной температуре после стабилизации диффузионных процессов.

При этом на такой камере течеискатель способом обдува гелием натекания не выявит. Оно проявится, если подать гелий в течение длительного времени, и составит ~6.10-8 Па.м3/с.

На диаграмме отмечается большая проникающая способность фреона-22 через витоновое уплотнение, превосходящая даже диффузионную способность гелия [3].

Рис. 2. Поток газов через витоновое О-кольцо после установления диффузионного потока при комнатной температуре, перепаде давления данного газа в 1 атм и сжатии кольца на 30%
Рис. 2. Поток газов через витоновое О-кольцо после установления диффузионного потока при комнатной температуре, перепаде давления данного газа в 1 атм и сжатии кольца на 30%

Потоки водорода, аргона, криптона и ксенона через фторкаучук приведены на рис. 3 при температуре уплотнения 93°C. С ростом рабочей температуры изделия диффузионный поток возрастает экспоненциально [4].

Рис. 3. Поток газов через витоновое О-кольцо после установления диффузионного потока при 93°C, перепаде давления данного газа в 1 атм. и сжатии кольца на 30%
Рис. 3. Поток газов через витоновое О-кольцо после установления диффузионного потока при 93°C, перепаде давления данного газа в 1 атм. и сжатии кольца на 30%

Срок службы витоновых уплотнений

Твёрдость по Шору фторкаучука, из которого изготавливаются уплотнительные О-кольца Вактрон, составляет 75 единиц по шкале B. По мягкости Витон напоминает материал резиновой пробки для ванны или шин автопогрузчика.

Срок рекомендуемой замены уплотнений из фторкаучука в вакуумной технике составляет один год. Если уплотнение используется в динамической системе (например, в клапане) – полгода. Признаком необходимости замены уплотнения служит потеря эластичности (деформация и завердевание) витонового кольца.

Стандарты уплотнительных колец О-колец Вактрон

Витоновые уплотнения Вактрон выполнены в соответствии с японским промышленным стандартом JIS B 2401.

Название каждого кольца представляется подобным набором обозначений – JISB2401 P18 ID 17,80 x CS 2,40 mm (75B) FKM75. Читается оно следующим образом:

  • JISB2401 –стандарт, по которому выполнено уплотнение;
  • P18 – обозначение группы и информация о размере кольца;

Для стандарта JIS группа P – это динамические уплотнения, допускающие движение при работе; группа G – статические уплотнения, зафиксированные в изделии; группа S – О-кольца специальных размеров и группа V – уплотнения для вакуумных фланцев;

  • ID 17,80 x CS 2,40 mm – обозначают внутренний диаметр ID и толщину кольца для уплотнения CS в мм;
  • (75B) FKM75 – материал фторкаучук и его твердость по шкале B Шора.

Некоторые О-кольца представлены в стандарте AS 568 A для аэрокосмических применений, а также в метрическом стандарте METRIC N. Данные кольца подходят для применения в вакуумной технике для установки на фланцы NW/KF.

Заключение

Витоновые уплотнения являются стандартом вакуумных разъемных соединений. Они используются в насосах, течеискателях, микроскопах, масс-спектрометрах, вакуумных камерах и в другом оборудовании. Уплотнения требуют регулярной замены для предотвращения течей газов и масел. Витоновое уплотнение при приложении долговременного перепада давления допускает проникновение газов через материал с потоком до 10-6 Па.м3/с. Это следует учитывать при использовании неметаллических уплотнений в составе высокочувствительных анализаторов и изделий, требующих долговременного сохранения вакуума.

 

Список литературы

  1. Courtney W. J., Schipma P. B. A new handbook for the aerospace engineer-NASA permeability data for aerospace applications. 1968.
  2. Vinogradov M. L., Barchenko V. T. Measurement of the gas permeation through the composite materials //Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2015 IEEE NW Russia. IEEE, 2015. Р. 40–44.
  3. AI-AEC-13145. Design Guide for. Reactor Cover Gas Elastomeric Seals. March 7, 1975.
  4. Vinogradov M. L. et al. Gas Permeation through Vacuum Materials: Mass‐spectrometry Measurement System //Vakuum in Forschung und Praxis. 2015. Т. 27. №. 3. С. 26–29.