Kaip aplinkos senėjimas veikia kabelių riebokšlių sandarinimo savybes laikui bėgant?

Įvadas

Įsivaizduokite, kad sužinojote, jog jūsų svarbios infrastruktūros kabelių riebokšliai sugedo jau po dvejų metų, o ne po numatytų 20 metų. Aplinkos senėjimas tyliai blogina sandariklių veikimą, patikimas jungtis paversdamas potencialiais gedimo taškais, kurie gali kainuoti milijonus dėl prastovų ir pavojaus saugai.

Aplinkos senėjimas dėl karščio, UV spinduliuotės ir cheminių medžiagų poveikio laikui bėgant gerokai sumažina kabelio riebokšlio sandariklio 30-70% eksploatacines savybes, o pagrindiniai gedimo mechanizmai yra elastomero sukietėjimas, įtrūkimai ir matmenų pokyčiai, kuriuos galima sušvelninti tinkamai parinkus medžiagas ir taikant pagreitinto senėjimo bandymų protokolus. Suprasdami šiuos irimo dėsningumus, inžinieriai gali parinkti tinkamus sandarinimo sprendimus, užtikrinančius ilgalaikį patikimumą.

Praėjusiais metais su manimi susisiekė Arizonoje esančio saulės energijos ūkio operacijų vadovas Markusas, kuris vos po 18 mėnesių dykumoje patyrė plataus masto kabelių riebokšlių sandarinimo gedimus. Dėl ekstremalaus karščio ir UV spinduliuotės derinio jų standartiniai sandarikliai tapo trapūs, o tai pakenkė IP reitingai¹ ir kelia grėsmę įrangos saugai. Šis realus scenarijus puikiai iliustruoja, kodėl senėjimo poveikis sandariklių eksploatacinėms savybėms reikalauja rimto inžinierių ir pirkimų specialistų dėmesio.

Turinys

• Kokie yra pagrindiniai senėjimo mechanizmai, darantys įtaką kabelių riebokšlių sandarikliams?
• Kaip terminis senėjimas veikia įvairias sandarinimo medžiagas?
• Kokį vaidmenį UV spinduliavimas atlieka sandarinimo procese?
• Kaip cheminių medžiagų poveikis veikia ilgalaikes sandarinimo savybes?
• Kurios medžiagos pasižymi didesniu atsparumu senėjimui?
• DUK apie kabelio riebokšlio sandariklio senėjimą

Kokie yra pagrindiniai senėjimo mechanizmai, darantys įtaką kabelių riebokšlių sandarikliams?

Pagrindinių senėjimo procesų supratimas padeda inžinieriams numatyti ir išvengti ankstyvų sandariklių gedimų sudėtingose srityse.

Pagrindiniai senėjimo mechanizmai, veikiantys kabelių riebokšlių sandariklius, yra šie: terminis irimas, sukeliantis polimero grandinės skilimas², ultravioletinių spindulių sukelta fotooksidacija, sukelianti paviršiaus įtrūkimus, cheminė alyvų ir tirpiklių įtaka, sukelianti išbrinkimą arba sukietėjimą, ir ozono poveikis, sukeliantis įtrūkimus dėl įtempių, ir kiekvienas mechanizmas turi nuspėjamus irimo modelius, kuriuos galima pagreitinti atliekant bandymus. Šie mechanizmai dažnai veikia sinergiškai, todėl bendras degradacijos greitis yra didesnis už atskirų mechanizmų poveikį.

Terminio irimo mechanizmai

Dėl karščio poveikio elastomeriniuose sandarikliuose prasideda keli ardomieji procesai:

Polimerų grandinių skilimas:

• Aukšta temperatūra suardo elastomerų grandinių molekulinius ryšius
• Dėl to sumažėja tempimo stipris ir pailgėjimas
• Pagreitėja dėl deguonies poveikio (termooksidacinis skilimas)

Kryžminio susiejimo pokyčiai:

• Susidaro papildomų skersinių ryšių, kurie didina kietumą
• Mažesnis lankstumas ir suspaudimo rinkinys³ atsparumas
• Elastinių atkuriamųjų savybių praradimas

Lakūs nuostoliai:

• Plastifikatoriai ir pagalbinės perdirbimo medžiagos garuoja aukštoje temperatūroje
• Medžiaga tampa trapi ir linkusi įtrūkti
• Matmenų susitraukimas turi įtakos sandarinimo kontaktiniam slėgiui

UV spinduliuotės poveikis

Ultravioletinių spindulių poveikis sukuria specifinius irimo modelius:

Fotooksidacijos procesas:

• Ultravioletinių spindulių energija suardo polimerų ryšius ir sukuria laisvuosius radikalus.
• Deguonis reaguoja su laisvaisiais radikalais, sudarydamas karbonilo grupes
• Paviršinis sluoksnis tampa trapus, o šerdis išlieka lanksti

Paviršiaus įtrūkimai:

• Skirtingas paviršiaus ir šerdies irimas sukelia įtampą
• Mikroįtrūkimai plinta veikiami mechaninio įtempio
• Dėl pažeistų barjerinių savybių į vidų patenka drėgmė

Cheminės atakos mechanizmai

Įvairios cheminės medžiagos sukelia skirtingus skilimo būdus:

Brinkimo degradacija:

• Suderinami tirpikliai sukelia polimero išbrinkimą
• Sumažėjusios mechaninės savybės ir matmenų nestabilumas
• Galimas išspaudimas iš riebokšlio korpuso

Grūdinimo poveikis:

• Tam tikros cheminės medžiagos ištraukia plastifikatorius arba sukelia papildomą susisiekiojimą.
• Padidėjęs kietumas ir sumažėjęs lankstumas
• Suspaudimo nustatymas ir sandarinimo jėgos sumažėjimas

Kaip terminis senėjimas veikia įvairias sandarinimo medžiagas?

Temperatūros poveikis skirtingoms elastomerų šeimoms labai skiriasi, todėl labai svarbu parinkti medžiagą, kuri būtų tinkama naudoti aukštoje temperatūroje.

Šiluminio senėjimo poveikis labai skiriasi priklausomai nuo medžiagos tipo: silikonas išlaiko lankstumą iki 200 °C, o standartinis nitrilas gerokai sukietėja virš 100 °C, EPDM pasižymi puikiu šiluminiu stabilumu iki 150 °C, o fluoroelastomerai (vitonas) pasižymi geresnėmis eksploatacinėmis savybėmis iki 250 °C, todėl labai svarbu pasirinkti medžiagą konkrečiai temperatūrai. Mūsų lyginamieji bandymai atskleidžia šiuos eksploatacinių savybių skirtumus taikant pagreitinto senėjimo protokolus.

Medžiagų savybių palyginimas

Medžiagos tipas	Maksimali darbinė temperatūra	Atsparumas senėjimui	Tipinės programos
Standartinis NBR	100°C	Prastas	Bendroji pramonė
HNBR	150°C	Geras	Automobiliai, nafta ir dujos
EPDM	150°C	Puikus	Lauko, garų
Silikonas	200°C	Puikus	Aukštos temperatūros, maisto klasės
Fluoroelastomeras	250°C	Išskirtinis	Chemijos, aviacijos ir kosmoso pramonė

Pagreitinto senėjimo bandymo rezultatai

Mūsų laboratorijoje atliekami sistemingi senėjimo tyrimai. ASTM D573⁴ protokolai:

Bandymo sąlygos:

• Temperatūra: 70°C, 100°C, 125°C, 150°C
• Trukmė: 168, 504, 1008 valandos
• Išmatuotos savybės: Kietumas, tempimo stipris, pailgėjimas, suspaudimas

Pagrindinės išvados:

• 40% NBR kietumas padidėja po 1000 valandų 100 °C temperatūroje
• EPDM išlaiko stabilias savybes iki 150 °C temperatūroje ilgą laiką
• Silikonas pasižymi minimaliais savybių pokyčiais įvairiose temperatūrose
• Fluoroelastomerai pasižymi mažesniu nei 10% savybių pablogėjimu 200 °C temperatūroje

Realaus našumo koreliacija

Laboratorinių tyrimų rezultatai turi atitikti lauko rezultatus. Mes stebime įrenginius įvairiose aplinkose:

Aukštos temperatūros taikymo sritys:

• Plieno gamyklų kabelių movos, veikiančios 120 °C aplinkos temperatūroje
• Jėgainių įrenginiai su garo poveikiu
• Saulės energijos įrenginiai dykumoje, kai paviršiaus temperatūra yra 80 °C

Veiklos stebėjimas:

• Kasmetinis plombų tikrinimas ir turto testavimas
• Pašalintų komponentų gedimų analizė
• Laboratorinių prognozių ir lauko eksploatacinių savybių santykis

Hassanas, vadovaujantis naftos chemijos gamyklai Kuveite, iš pradžių nurodė standartinius NBR sandariklius dėl išlaidų. Po to, kai dėl 60 °C aplinkos temperatūros ir angliavandenilių poveikio per 6 mėnesius patyrė gedimų, jis perėjo prie mūsų HNBR sandariklių. Atnaujinus sistemą, per dvejus metus gedimų nebeliko, o techninės priežiūros išlaidos sumažėjo 75%, o tai rodo, kad tinkamai parinktos šiluminei aplinkai tinkamos medžiagos yra vertingos.

Kokį vaidmenį UV spinduliavimas atlieka sandarinimo procese?

Dėl ultravioletinių spindulių poveikio susidaro unikalūs irimo modeliai, kurie labai skiriasi nuo terminio senėjimo, todėl lauko sąlygomis naudojamoms medžiagoms reikia specialių medžiagų sudėčių.

UV spinduliuotė sukelia elastomerų paviršių fotooksidaciją, dėl kurios susidaro trapus išorinis sluoksnis, o šerdis išlieka lanksti, todėl per 2-5 metus, priklausomai nuo medžiagos sudėties ir UV spinduliuotės intensyvumo, atsiranda paviršiaus įtrūkimų, dėl kurių pažeidžiamas sandarinimo vientisumas. Supratimas apie UV spindulių poveikį leidžia tinkamai nustatyti lauko įrenginių specifikacijas.

UV spindulių irimo mechanizmai

Ultravioletinė spinduliuotė inicijuoja sudėtingas chemines reakcijas:

Fotonų energijos sugėrimas:

• UV bangos ilgis (280-400 nm) suteikia pakankamai energijos polimerų ryšiams suardyti.
• Trumpesnės bangos (UV-B, UV-C) daro didesnę žalą
• Nuo intensyvumo ir poveikio trukmės priklauso irimo greitis

Laisvųjų radikalų susidarymas:

• Nutrūkusios jungtys sukuria reaktyvias laisvųjų radikalų rūšis
• Dėl grandininių reakcijų žala plinta visoje polimero struktūroje
• Deguonies buvimas pagreitina oksidacijos procesus

Paviršinio sluoksnio poveikis:

• Degradacija koncentruojasi viršutiniuose 50-100 mikronų sluoksniuose
• Sukuriamos skirtingos paviršiaus ir šerdies savybės
• Įtempių koncentracija lemia įtrūkimų atsiradimą ir plitimą

Medžiagos jautrumo reitingas

Skirtingų elastomerų atsparumas UV spinduliams skiriasi:

Didelis jautrumas:

• Natūralus kaučiukas: greitai suyra, įtrūksta per kelis mėnesius
• Standartinis NBR: vidutinis suirimas, paviršiaus kietėjimas
• Standartinis EPDM: geras atsparumas pagrindui, pagerintas naudojant priedus

Mažas jautrumas:

• Silikonas: Puikus UV stabilumas, minimalūs savybių pokyčiai
• Fluoroelastomerai: Išskirtinis atsparumas UV spinduliams ir ozonui
• Specialūs UV spindulius stabilizuojantys junginiai: Padidinta apsauga naudojant priedus

Apsaugos strategijos

UV spindulių skilimą mažina keli būdai:

Anglies suodžių įkrovimas:

• 30-50 phr suodžių užtikrina puikią UV spindulių apsaugą
• Absorbuoja UV spindulių energiją ir apsaugo polimerus nuo pažeidimų
• Apsauga nuo UV spindulių turi būti suderinta su kitomis savybėmis

UV spindulius stabilizuojantys priedai:

• Amininiai šviesos stabilizatoriai (HALS)⁵
• UV spindulių absorbentai ir antioksidantai
• Paprastai 1-3% apkrova, kad būtų užtikrinta veiksminga apsauga

Fizinė apsauga:

• Pigmentacija UV spindulių apsaugai
• Apsauginiai korpusai arba dangčiai
• Strateginis montavimas, siekiant sumažinti tiesioginį poveikį

Pagreitintas UV bandymas

Atsparumui ultravioletiniams spinduliams įvertinti taikome kelis bandymų metodus:

QUV oro matuoklio bandymai:

• Kontroliuojamas UV-A arba UV-B spindulių poveikis
• Ciklinės drėgmės ir temperatūros sąlygos
• Pagreitintas senėjimas, prilygstantis ilgus metus lauke praleistiems metams

Ksenono lanko bandymas:

• Viso spektro saulės simuliacija
• Labiau atspindi realią saulės šviesą
• Kartu su temperatūros ir drėgmės ciklais

Kaip cheminių medžiagų poveikis veikia ilgalaikes sandarinimo savybes?

Cheminis suderinamumas neapsiriboja tik paprastomis atsparumo lentelėmis, bet apima ir sudėtingą nuo laiko priklausančią sąveiką, dėl kurios gali labai pasikeisti sandariklio savybės ir eksploatacinės savybės.

Cheminis poveikis turi įtakos sandarinimo savybėms dėl įvairių mechanizmų, įskaitant išbrinkimą, dėl kurio sumažėja mechaninės savybės, plastifikatorių ekstrakciją, sukeliančią trapumą, įtempių įtrūkimus dėl agresyvių tirpiklių ir cheminį susietumą, dėl kurio padidėja kietumas, o poveikis labai skiriasi priklausomai nuo koncentracijos, temperatūros ir poveikio trukmės, o ne nuo paprasto suderinamumo įvertinimo. Norint tinkamai įvertinti atsparumą cheminėms medžiagoms, reikia atlikti ilgalaikius panardinimo bandymus realiomis sąlygomis.

Cheminės sąveikos mechanizmai

Supratimas, kaip cheminės medžiagos veikia elastomerus, leidžia geriau parinkti medžiagas:

Patinimo mechanizmai:

• Suderinamos cheminės medžiagos prasiskverbia į polimero matricą
• Molekulinės grandinės atsiskiria, sumažėja tarpmolekulinės jėgos
• Dėl to didėja matmenys ir blogėja savybės

Ekstrakcijos poveikis:

• Agresyvūs tirpikliai pašalina plastifikatorius ir pagalbines medžiagas
• Medžiaga tampa trapi ir linkusi įtrūkti
• Matmenų susitraukimas turi įtakos sandarinimo kontaktui

Įtampos įtrūkimai:

• Cheminių medžiagų poveikio ir mechaninio poveikio derinys
• Mikroįtrūkimai atsiranda įtempių koncentracijos vietose
• Plitimą pagreitina nuolatinis cheminių medžiagų poveikis

Specifiniai chemijos pramonės iššūkiai

Skirtingos pramonės šakos pasižymi unikaliais cheminių medžiagų poveikio scenarijais:

Naftos ir dujų naudojimo būdai:

• Žalia nafta, rafinuoti produktai, gręžimo skysčiai
• H2S (rūgščios dujos), sukeliančios sieros susisluoksniavimą
• Hidrauliniai skysčiai ir baigiamųjų darbų cheminės medžiagos

Cheminis apdorojimas:

• Rūgštys, šarmai, organiniai tirpikliai
• Oksiduojančios medžiagos, sukeliančios greitą skilimą
• Aukštos temperatūros cheminių medžiagų poveikis

Maisto ir farmacijos produktai:

• Valymo chemikalai (CIP tirpalai)
• Dezinfekavimo ir dezinfekavimo priemonės
• FDA atitikties reikalavimai

Ilgalaikis panardinimo bandymas

Mūsų atliekamas atsparumo cheminėms medžiagoms vertinimas yra platesnis nei standartinės suderinamumo lentelės:

Išplėstiniai panardinimo protokolai:

• 30, 90 ir 180 dienų ekspozicija darbinėje temperatūroje
• Išbandytos kelios cheminių medžiagų koncentracijos
• Nekilnojamojo turto matavimai per visą ekspozicijos laikotarpį

Turto stebėjimas:

• Kietumo, tempimo stiprumo, pailgėjimo pokyčiai
• Tūrio brinkimas ir matmenų stabilumas
• Suspaudimo rinkinys veikiant cheminėms medžiagoms

Realaus pasaulio koreliacija:

• Lauko mėginiai, analizuojami po tarnybinio poveikio
• Palyginimas su laboratorinėmis prognozėmis
• Nuolatinis duomenų bazės tobulinimas

Kurios medžiagos pasižymi didesniu atsparumu senėjimui?

Renkantis atsparumo senėjimui medžiagą reikia suderinti daugelį eksploatacinių savybių kriterijų, kartu atsižvelgiant į ekonomiškumą ir konkrečios paskirties reikalavimus.

Aukščiausią atsparumą senėjimui užtikrina fluoroelastomerai (Vitonas), skirti ekstremalioms cheminėms ir šiluminėms sąlygoms, EPDM, tinkamai parinkus junginius, tinkamus UV spinduliams lauke, silikonas, užtikrinantis stabilumą aukštoje temperatūroje, ir specializuoti HNBR preparatai, skirti atsparumui alyvai ir šiluminiam stabilumui, o kiekviena medžiaga, kruopščiai parinkus junginius, optimizuojama atsižvelgiant į konkrečius senėjimo mechanizmus. Kurdami medžiagas daugiausia dėmesio skiriame atsparumui įvairioms aplinkos sąlygoms, skirtoms reikliems taikymams.

Aukščiausios kokybės medžiagų parinktys

Mūsų aukštos kokybės sandarinimo medžiagos padeda spręsti konkrečius senėjimo iššūkius:

Fluoroelastomero (FKM) privalumai:

• Išskirtinis atsparumas cheminėms medžiagoms plačiame spektre
• Šiluminis stabilumas iki 250 °C nepertraukiamo veikimo
• Minimalūs savybių pokyčiai senėjimo sąlygomis
• Idealiai tinka atšiaurioms cheminėms ir šiluminėms sąlygoms

Pažangios EPDM sudėtys:

• Puikus atsparumas ozonui ir UV spinduliams
• Puikus lankstumas esant žemai temperatūrai
• Atsparumas garams ir karštam vandeniui
• Ekonomiškas lauko darbams

Aukštos kokybės silikonas:

• Stabilios savybės nuo -60°C iki +200°C
• Puikus atsparumas UV spinduliams ir ozonui
• Maisto produktams ir biologiškai suderinami variantai
• Minimalus suspaudimas esant terminiam ciklui

Sudėtinių medžiagų optimizavimo strategijos

Medžiagų savybių gerinimas naudojant formuluotes:

Antioksidacinės sistemos:

• Pirminiai antioksidantai užkerta kelią pradinei oksidacijai
• Antriniai antioksidantai skaido hidroperoksidus
• Sinerginiai deriniai užtikrina geresnę apsaugą

UV stabilizavimas:

• Juodoji anglis UV spindulių ekranavimui
• Amininiai šviesos stabilizatoriai (HALS)
• UV spindulius absorbuojantys priedai skaidriems junginiams

Kryžminio susiejimo sistemos parinkimas:

• Peroksidinis kietinimas, užtikrinantis terminį stabilumą
• Rentabilios sieros sistemos
• Specializuotos sistemos, skirtos atsparumui cheminėms medžiagoms

Rekomendacijos dėl konkrečių programų

Aplinka	Pagrindinis senėjimo veiksnys	Rekomenduojama medžiaga	Numatomas tarnavimo laikas
Lauko pramoninis	UV + ozonas	EPDM (anglies juodumo)	15-20 metų
Aukšta temperatūra	Terminis	Silikonas arba FKM	10-15 metų
Cheminis apdorojimas	Cheminė ataka	FKM arba HNBR	5-10 metų
Jūra / pakrantė	Druska + ultravioletiniai spinduliai + šiluma	FKM arba jūrinis EPDM	10-15 metų
Maisto perdirbimas	Valymo chemikalai	FDA silikonas / EPDM	3-5 metai

Sąnaudų ir našumo analizė

Medžiagų sąnaudų ir gyvavimo ciklo vertės pusiausvyra:

Pradinės išlaidos:

• Standartinis NBR: mažiausia pradinė kaina
• EPDM: vidutinė kaina ir geros eksploatacinės savybės
• Specialūs junginiai: Didesnė pradinė kaina, geresnės eksploatacinės savybės

Gyvavimo ciklo vertė:

• Mažesnis keitimo dažnis
• Mažesnės techninės priežiūros išlaidos
• Didesnis sistemos patikimumas
• Sumažintos prastovų sąnaudos

Investicijų grąžos apskaičiavimas:

• Bendra nuosavybės sąnaudų analizė
• Nesėkmės poveikio sąnaudoms vertinimas
• Techninės priežiūros grafiko optimizavimas

Išvada

Aplinkos senėjimas yra vienas iš svarbiausių, tačiau dažnai nepastebimų veiksnių, lemiančių kabelių riebokšlių sandarinimo efektyvumą. Atlikę išsamius bandymus ir įgiję realios patirties, įrodėme, kad tinkamai parinkus medžiagas ir įvertinus atsparumą senėjimui, sandariklio tarnavimo laiką galima pailginti 3-5 kartus, palyginti su standartiniais sprendimais. Svarbiausia suprasti konkrečius senėjimo mechanizmus - karštį, ultravioletinius spindulius ir cheminį poveikį - ir parinkti medžiagas, kurios yra atsparios šiems iššūkiams. "Bepto" įsipareigojimas taikyti pažangius medžiagų mokslo metodus ir griežtus bandymus užtikrina, kad mūsų sandarikliai patikimai veiktų visą numatytą tarnavimo laiką, suteikdami ilgalaikę vertę ir ramybę, kurios reikia jūsų svarbiausioms reikmėms. 😉 😉

DUK apie kabelio riebokšlio sandariklio senėjimą

1. Sužinokite, kaip pagal apsaugos nuo pažeidimų (IP) klasifikavimo sistemą klasifikuojamas elektros korpusų sandarumo efektyvumas. ↩

2. Supraskite cheminį procesą, kurio metu nutrūksta ilgos polimerų grandinės ir dėl to medžiaga suyra. ↩

3. Išnagrinėkite šią svarbią savybę, kuria matuojamas medžiagos gebėjimas po suspaudimo sugrįžti į pradinį storį. ↩

4. Susipažinkite su oficialiais šio standartinio bandymo metodo, skirto gumos gedimui oro krosnyje įvertinti, dokumentais. ↩

5. Atraskite HALS, pagrindinio priedo, naudojamo polimerams apsaugoti nuo UV spindulių irimo, cheminį mechanizmą. ↩