Handbokens eget svar: när spårvolymen ska ökas och när spårdjupet ska minskas Parkers O-Ring Handbook ORD 5700 (2003) besvarar frågan direkt i avsnitt 3.1.2 Temperature, handbokssida 3-3 med fortsättning på 3-4. Handboken skriver att spårmåtten i de statiska och dynamiska konstruktionsavsnitten är beräknade för de temperaturområden som gäller standardföreningarna, och fortsätter: "If the operation is only to be at a high temperature, gland volume may need to be increased to compensate for thermal expansion of the O-ring. Conversely, for operation only at low temperature, a better seal may result by reducing the gland depth, thereby obtaining the proper squeeze on the contracted O-ring. Table 2-4, which lists the approximate rate of linear thermal expansion for typical elastomers and other materials, may be utilized to calculate compensated gland dimensions. For either high or low temperature seal designs, however, there must normally be sufficient squeeze to prevent leakage at room temperature."

Åtgärden är alltså riktad åt två håll och de är inte symmetriska. Enbart hög drifttemperatur: öka spårvolymen så att gummits utvidgning får plats. Enbart låg drifttemperatur: minska spårdjupet så att squeeze finns kvar på den ihopdragna ringen. Villkoret som binder båda fallen är att squeeze ändå måste räcka för att täta vid rumstemperatur, vilket i praktiken sätter taket för hur mycket man får kompensera. Handboken anger ingen formel och ingen procentsats för kompensationen, bara att Table 2-4 (återgiven nedan) kan användas för att räkna fram de kompenserade måtten. Konstruktören får alltså själv göra beräkningen ur utvidgningskoefficienten.

Två förbehåll gäller hela detta avsnitt. Talen och rekommendationerna är Parkers egna och gäller O-ringar, inte packningar, formpackningar eller radialtätningar, och utgåvan är från 2003. Om ISO 3601 reviderats efter det på någon av dessa punkter har det inte kunnat kontrolleras i arbetet bakom denna text.

Grundmekanismen: gummi utvidgar sig cirka tio gånger mer än stål Enligt ORD 5700 avsnitt 2.4.20 Coefficient of Thermal Expansion, handbokssida 2-22, gäller som grov approximation att elastomerer har en utvidgningskoefficient som är ungefär tio gånger stålets, med perfluorelastomer som uttalat undantag. Samma avsnitt anger att den volymetriska utvidgningskoefficienten för fasta ämnen är ungefär tre gånger den linjära. Det är denna faktor tio mellan gummi och stål som gör att ett spår som ger rätt squeeze vid 20 °C inte nödvändigtvis gör det vid 150 °C: spåret växer knappt, ringen växer mycket.

Handboken beskriver konsekvensen i klartext på samma sida. Utvidgningen "can be a critical factor at high temperature if the gland is nearly filled with the seal, or at low temperature if squeeze is marginal". Vidare: om tätningen är helt innesluten och spåret är fyllt till 100 procent är det gummits egen termiska expansionskraft som dominerar, inte svällningskraften från vätskan, och "There have been instances where a seal has ruptured a steel gland due to expansion when heated". Ett fullt spår vid hög temperatur är alltså inte ett litet konstruktionsfel utan ett fall där tätningen kan spräcka stålet runt sig.

Här finns en intern motsägelse i handboken som konstruktören bör känna till, eftersom den kan leda fel den som råkar läsa fel avsnitt först. I Section I står den rakt motsatta bedömningen: "The coefficient of thermal expansion of synthetic rubber is usually low enough so that temperature changes present no design difficulties. (Note: This may not be true for all elastomer compounds, especially FFKM.)" Section I:s brasklapp gäller alltså bara FFKM och täcker inte alls fallet med nästan fyllt spår som 2.4.20 beskriver. De två ställena står i samma utgåva av samma handbok och är oförenliga i sin bedömning av hur allvarlig termisk utvidgning är. Den försiktiga läsningen är 2.4.20:s, eftersom den är den specifika texten om just utvidgning och den enda av de två som anger ett konkret skadeutfall.

Table 2-4: linjär termisk utvidgning för typiska elastomerer och vanliga material

Talen kommer ur ORD 5700 Table 2-4, handbokssida 2-22. Kolumnerna med in./ft. är handbokens egna; mm/m är omräknat från dem. Koefficientkolumnen i handboken anges per °F; per °C är omräknat (multiplicerat med 1,8).

| Material | Kontraktion 24 °C till -54 °C, in./ft. (mm/m) | Expansion 24 °C till 191 °C, in./ft. (mm/m) | Koefficient (in./in./°F) | Koefficient omräknad (per °C) | |---|---|---|---|---| | Nitril, general purpose | 0,108 (9,0) | 0,224 (18,7) | 6,2 × 10⁻⁵ | 1,1 × 10⁻⁴ | | Neopren | 0,132 (11,0) | 0,274 (22,8) | 7,6 × 10⁻⁵ | 1,4 × 10⁻⁴ | | Fluorkarbonelastomer (FKM) | 0,156 (13,0) | 0,324 (27,0) | 9,0 × 10⁻⁵ | 1,6 × 10⁻⁴ | | Kel-F | 0,144 (12,0) | 0,299 (24,9) | 8,3 × 10⁻⁵ | 1,5 × 10⁻⁴ | | Etenpropen (EPDM) | 0,155 (12,9) | 0,320 (26,7) | 8,9 × 10⁻⁵ | 1,6 × 10⁻⁴ | | Silikon | 0,174 (14,5) | 0,360 (30,0) | 1,0 × 10⁻⁴ | 1,8 × 10⁻⁴ | | Lågtemperatursilikon | 0,193 (16,1) | 0,396 (33,0) | 1,1 × 10⁻⁴ | 2,0 × 10⁻⁴ | | Fluorsilikon | anges ej | anges ej | 4,5 × 10⁻⁴ (misstänkt tryckfel, se nedan) | 8,1 × 10⁻⁴ | | Aluminium 2017 (se notering om radetiketten nedan) | 0,023 (1,9) | 0,047 (3,9) | 1,3 × 10⁻⁵ | 2,3 × 10⁻⁵ | | Rostfritt stål, typ 302 | 0,017 (1,4) | 0,035 (2,9) | 9,6 × 10⁻⁶ | 1,7 × 10⁻⁵ | | Stål, olegerat | 0,012 (1,0) | 0,024 (2,0) | 6,7 × 10⁻⁶ | 1,2 × 10⁻⁵ | | Invar | 0,001 (0,08) | 0,002 (0,17) | 6,0 × 10⁻⁷ | 1,1 × 10⁻⁶ |

Två varningar hör till tabellen och står här i samma avsnitt som talen.

Fluorsilikonets koefficient 4,5 × 10⁻⁴ ska inte användas som räkneunderlag. Talet står så i handboken, men det är oförenligt med tabellens egen aritmetik: varje annan rad reproducerar sina in./ft.-värden ur sin egen koefficient (koefficient × temperaturspann × 12), medan 4,5 × 10⁻⁴ skulle ge cirka 1,62 in./ft. expansion, drygt fyra gånger lågtemperatursilikonets 0,396, vilket inte är rimligt för en fluorsilikon. Raden har dessutom "N/A" i båda de kolumner som skulle ha avslöjat felet, så någon korskontroll ur tabellen själv går inte att göra. Behandla värdet som ett troligt tryckfel och hämta fluorsilikonets utvidgningskoefficient från materialleverantörens aktuella datablad innan du räknar spårkompensation på den. Handboken förklarar inte heller varför just den raden saknar kontraktions- och expansionsvärden; ORD 5700 anger inget skäl för de tomma cellerna.

Radetiketten "Aluminium 2017" trycks i handboken som "High-Temperature Type Aluminum, 2017". Handboken innehåller alltså ingen utvidgningskoefficient för en högtemperaturtyp av silikon, trots vad radetiketten antyder.

Gland fill: 60 till 85 procent, optimalt 75, och alltid minst 10 procents tomrum Gland fill definieras i ORD 5700 avsnitt 3.7, handbokssida 3-9, som den andel av spårvolymen som O-ringens tvärsnitt upptar i sitt inneslutande spår. Handbokens regel lyder ordagrant: "Most O-ring seal applications call for a gland fill of between 60% to 85% of the available volume with the optimum fill being 75% (or 25% void). The reason for the 60% to 85% range is because of potential tolerance stacking, O-ring volume swell and possible thermal expansion of the seal. It is essential to allow at least a 10% void in any elastomer sealing gland."

I klartext: sikta på 75 procents fyllning, håll dig inom 60 till 85 procent, och lämna under inga omständigheter mindre än 10 procents tomrum. Skälet till att det är ett intervall och inte ett tal är att tre saker äter av samma marginal samtidigt: toleransstapling i tillverkningen, O-ringens volymsvällning i mediet, och tätningens egen termiska expansion. Det är därför ett spår som är korrekt konstruerat mot nominella mått vid rumstemperatur ändå kan bli överfyllt i drift.

En viktig begränsning i samma andetag: handboken motiverar aldrig själva 10-procentsminimum, och den utpekar det inte som en säker gräns. Tvärtom står i avsnitt 2.4.20 på handbokssida 2-22, direkt efter meningen om att svällkraften blir stor vid 5 till 10 procents tomrum, att "Depending on the interaction between the rubber and the fluid being sealed, the effect may be quite pronounced even at larger gland void conditions". Handboken säger alltså uttryckligen att effekten kan vara kraftig även vid större tomrum än 10 procent. Att klara 10-procentsregeln är ett minimikrav, inte ett bevis på att svällkrafterna är hanterade.

Om svällkraften mot spårväggarna skriver 2.4.20, handbokssida 2-22: "Effective force exerted by the seal due to fluid swell is another potentially large factor if the gland volume exceeds that of the seal by only 5 to 10% (see Figure 2-16)." Figur 2-16 ("Relative Force Produced by O-ring Swell") har x-axeln "Gland Void After Seal Compression" i procent med skala 0 till 50, och y-axeln enbart etiketten "Force". Ur figuren går det inte att läsa ut några tal: y-axeln saknar helt gradering och de tre kurvorna är omärkta, så man kan inte ens avgöra vilken kurva som hör till vilken förening. Vid sidrendering av figuren faller alla tre kurvorna monotont och når baslinjen först någonstans mellan 15 och 30 procents tomrum beroende på kurva.

Slutligen: intervallet 60 till 85 procent är Parkers rekommendation i en tillverkarhandbok från 2003, inte en standardgräns. Om ISO 3601-2 anger andra gland fill-värden har inte kunnat kontrolleras, så talen ska inte anges som om de vore branschstandard.

Varför 6 procents volymsvällning bara ger 3 procents förändring av tvärsnittet Nyckeln till att svällning ofta är mindre dramatisk än volymprocenten låter är att en ring i ett spår inte kan förändras fritt i tre riktningar. ORD 5700 skriver på handbokssida 3-9, i spalten som hör till Figure 3-6: "The dotted line indicates the approximate linear change in the cross section (W) of an O-ring when the gland prevents any change in the I.D. with shrinkage, or the O.D., with swell. Hence this curve indicates the change in the effective squeeze on an O-ring due to shrinkage or swell. Note that volumetric change may not be such a disadvantage as it appears at first glance. A volumetric shrinkage of six percent results in only three percent linear shrinkage when the O-ring is confined in a gland. This represents a reduction of only .003" of squeeze on an O-ring having a .103" cross-section (W) dimension. The solid lines indicate linear change in both I.D. and cross-section for a free-state (unconfined) O-ring."

Handbokens räkneexempel i sin helhet: en O-ring med tvärsnitt W = 0,103 tum (2,62 mm) som utsätts för 6 procents volymetrisk krympning förlorar bara 0,003 tum (0,08 mm) i squeeze. Det är handbokens eget tal, hämtat ur en enda punkt på kurvan i Figure 3-6.

Frestelsen att göra det till en allmän formel ("halva volymprocenten gånger W") bör motstås, och skälet står här i samma stycke som frestelsen. Handboken ger 6 mot 3 som ett enskilt exempel på en kurva, inte som en proportionalitetslag, och kurvan är inte rät. Figure 3-6:s svällningssida har volymsvällningsaxeln graderad 0 till 100 procent mot linjär expansion 0 till 40 procent, alltså ett förhållande kring 2,5 i den övre delen, medan faktor 2 gäller krympningssidan vid små värden. En tumregel med faktor 2 underskattar därför den linjära förändringen vid stor svällning, vilket är just det fall där felet är farligt eftersom det är då spåret riskerar att bli överfyllt. Läs av Figure 3-6 vid din faktiska volymprocent i stället för att multiplicera.

Figure 3-6 ("O-ring Linear vs. Volume Change Relationship", handbokssida 3-10) har två axelpar, ett för svällning ("Volume Swell" mot "Linear Expansion") och ett för krympning ("Volume Shrinkage" mot "Linear Shrinkage"), och tre kurvbeteckningar: "Free O-Ring" för det fria tillståndet samt "Fixed O.D." och "Fixed I.D." för det spårinneslutna. Den streckade kurvan för det spårinneslutna fallet är den som ger 6 mot 3-sambandet.

Further increase in volume is not possible, regardless of how much volume swell is observed in a full immersion test." En fri svällning uppmätt i nedsänkningsprov är alltså en övre gräns för vad som kan ske i ett spår, inte en prognos. Det som händer när ringen når spårets väggar är inte fortsatt volymökning utan kraftuppbyggnad mot väggarna, vilket är exakt det som gör 10-procentsminimum och den termiska utvidgningen till samma problem.

Volymsvällning i bränsle och vad den gör med både spårfyllnad och köldförmåga Table 3-5 i ORD 5700, avsnitt 3.9.5, handbokssida 3-11, ger uppmätt volymsvällning för sex Parker-föreningar i tio bränsleblandningar. Fotnoterna i originalet lyder: (1) volymsvällning av en 2-214 O-ring nedsänkt i bränslet i 70 timmar vid rumstemperatur; (2) föreningen är en standardlagerförd artikel; (3) den vanligaste "gasohol"-blandningen i USA är blyfri bensin med 10 procent etanol. Fotnot (2) står över föreningarna 47-071, N0674-70 och V0747-75.

| Medium | 47-071 (2) | N0497-70 | N0674-70 (2) | V0747-75 (2) | V0494-70 | V0834-70 | |---|---|---|---|---|---|---| | TR-10 i luft (°F) | -40 | -23 | -15 | +5 | +5 | +5 | | TR-10 i luft (°C, omräknat) | -40 | -31 | -26 | -15 | -15 | -15 | | Blyfri bensin, svällning (%) | 12 | 14 | 36 | 1 | 1 | 1 | | Blyfri + 10 % etanol (%) | 26 | 24 | 53 | 5 | 2 | 2 | | Blyfri + 20 % etanol (%) | 24 | 24 | 56 | 4 | 4 | 5 | | Blyfri + 10 % metanol (%) | 35 | 33 | 66 | 14 | 6 | 16 | | Blyfri + 20 % metanol (%) | 32 | 30 | 67 | 26 | 15 | 36 | | Blyad bensin (%) | 16 | 16 | 43 | 1 | 1 | 1 | | Blyad + 10 % etanol (%) | 30 | 26 | 57 | 5 | 2 | 2 | | Blyad + 20 % etanol (%) | 22 | 20 | 53 | 3 | 3 | 4 | | Blyad + 10 % metanol (%) | 38 | 35 | 72 | 23 | 6 | 13 | | Blyad + 20 % metanol (%) | 39 | 25 | 75 | 37 | 17 | 53 |

Mönstret som är värt att ta med sig: alkoholtillsatsen, och särskilt metanol, driver svällningen långt mer än basbensinen gör. Nitrilföreningen N0674-70 går från 36 procent i ren blyfri bensin till 75 procent i blyad bensin med 20 procent metanol, medan fluorkarbonföreningen V0494-70 stannar på 1 respektive 17 procent. Konstruerar man spåret mot svällningen i ren bensin och kunden sedan tankar E20 eller M20 äts hela gland fill-marginalen upp.

Vad som är godtagbar svällning skiljer sig kraftigt mellan statiskt och dynamiskt. Handboken skriver på handbokssida 3-11 att i statiska tillämpningar kan även extrem volymsvällning ibland tolereras, men att "If the free state swell exceeds 50 percent, however, a radial squeeze assembly may be almost impossible to take apart because of the osmotic forces generated". För dynamiska tillämpningar anger handboken på samma sida att "volume swell up to 15 or 20 percent is usually acceptable, but higher values are likely to increase friction and reduce toughness and abrasion resistance". Åtgärden när ett dynamiskt fall hamnar över 15 till 20 procent är alltså materialbyte, inte spårkompensation: friktion och nötningsmotstånd går inte att kompensera med geometri.

Svällning har också en effekt åt motsatt håll som är lätt att blanda ihop med spårproblemet. Enligt samma avsnitt, handbokssida 3-11, gäller att "for each percent of volume swell in a fuel, the low temperature capability (TR-10) was improved between 0.5 °C and 1 °C (1 °F and 2 °F)". Bränslesvällning flyttar alltså TR-10-gränsen nedåt, vilket är en förbättring av köldflexibiliteten. Det är en annan effekt av samma vätskeupptag än den kraft mot spårväggarna som gland fill-resonemanget handlar om, och de två ska inte vägas mot varandra som om de vore samma sak. Handboken varnar själv för att uppskattningen inte är precis, eftersom varken effekten på TR-10 eller bränslenas sammansättning är enhetlig.

Joule-effekten: uppvärmt sträckt gummi drar ihop sig i stället för att expandera Termisk utvidgning är inte den enda temperaturmekanismen, och den andra går åt motsatt håll. ORD 5700 avsnitt 2.4.17 Joule Effect beskriver den så: en fritt upphängd gummiremsa som är belastad och sträckt kommer vid uppvärmning att dra ihop sig och lyfta lasten, medan en obelastad remsa vid uppvärmning expanderar enligt materialets utvidgningskoefficient. Sammandragningen kallas Joule-effekten och uppträder bara vid uppvärmning av ett sträckt gummiföremål.

Handbokens eget exempel är en O-ring använd som radialaxeltätning. En ring med innerdiameter mindre än axeln monteras under spänning, värms upp av friktionen och drar ihop sig, vilket ökar friktionen och därmed temperaturen ytterligare. Haveriet känns igen på att O-ringens yta blir hård och spröd. Åtgärden som handboken anger är konkret: välj en ring med större innerdiameter, rekommenderat 1 till 3 procent större än axeln, och se till att spårets ytterdiameter ger kompressionen. Notera att detta gäller en O-ring som roterande axeltätning, alltså ett dynamiskt fall där ringen monteras sträckt över axeln; effekten gäller inte en ring som monteras utan förspänning.

Hårdhet vid låg temperatur, och vad 50 till 60 Shore A egentligen gäller Vid låg temperatur ökar gummits hårdhet, och det kan ensamt fälla en tätning vid lågt tryck. ORD 5700 skriver på handbokssida 2-19: "If low pressures are anticipated at low temperature, hardness should be considered along with the low temperature properties of the compound. As temperature decreases, hardness increases. Low pressures require a soft material that can be easily deformed as it is forced against mating surfaces."

Handbokens eget räkneexempel på storleksordningen, från samma sida: "It is possible that a 70 durometer compound at room temperature might harden to 85 durometer at -34 °C (-30 °F) for example, and fail to respond to low pressure at this temperature", och kontrasten "the same type of compound with 40 durometer hardness at room temperature may register only 75 durometer at -34 °C (-30 °F) and provide somewhat better response". Med andra ord: en 70 Shore A-förening kan hamna på 85 Shore A vid -34 °C och då inte längre deformeras tillräckligt för att täta vid lågt tryck, medan en 40 Shore A-förening av samma typ stannar kring 75 Shore A. Åtgärden vid kombinationen låg temperatur och lågt tryck är alltså att välja lägre utgångshårdhet.

Handboken relativiserar dock genast hårdhetens vikt, i samma passage på sida 2-19: "In moderate pressure service, low temperature hardness increase is seldom of consequence. However, hardness is only one of several factors to consider when low temperature performance is involved. Flexibility, resilience, compression set and brittleness are perhaps more basic criteria for sealing at low temperature than measured hardness." Vid måttligt tryck är hårdhetsökningen sällan avgörande, och de egenskaper som är mer grundläggande för köldtätning är flexibilitet, återfjädring, compression set och sprödhet.

En vanlig felcitering ska rättas här. Talet 50 till 60 Shore A tillskrivs ofta handbokens lågtemperaturavsnitt. Det står inte där. Det står i avsnitt 3.1.3 Pressure, handbokssida 3-4, och är knutet till lågt TRYCK: "Pressure has a bearing on O-ring seal design as it can affect the choice of compound shore hardness. At very low pressures, proper sealing may be more easily obtained with lower durometer hardness (50-60 shore A)." Den fysikaliska principen är visserligen besläktad, eftersom låg temperatur höjer den effektiva hårdheten, men handboken anger inget siffervärde för hårdhetsval vid låg temperatur. Att ange 50 till 60 Shore A som handbokens lågtemperaturrekommendation är en tillskrivning handboken inte bär.

Maximalt tillåtna temperaturer per elastomer i kompatibelt medium (Table 3-13) Tabellen kommer ur ORD 5700, handbokssida 3-19, vänsterspalten, med rubriken "Comparison of Elastomers in a Compatible Contact Medium and Maximum Allowable Temperatures". Värdena förutsätter att mediet i sig är kemiskt kompatibelt med elastomeren; de är alltså tak för temperaturen, inte ett kompatibilitetsbesked.

| DIN/ISO 1629 | Smörjning med mineralolja | Vatten | Luft | |---|---|---|---| | NBR | 110 °C (230 °F) | 70 °C (158 °F) | 90 °C (194 °F) | | Högtemperatur-NBR | 120 °C (248 °F) | 100 °C (212 °F) | 100 °C (212 °F) | | FKM | 200 °C (392 °F) (1) | 120 °C (248 °F) (2) | 200 °C (392 °F) | | EPDM | ej kompatibelt | 150 °C (302 °F) / 200 °C (392 °F) (5) | 150 °C (302 °F) | | VMQ (silikon) | 150 °C (302 °F) (1) | 100 °C (212 °F) | 210 °C (410 °F) | | FMQ (fluorsilikon) | 175 °C (347 °F) (1) | 100 °C (212 °F) | 175 °C (347 °F) | | ACM | 150 °C (302 °F) (1) | ej angivet (3) | 150 °C (302 °F) | | CR | 100 °C (212 °F) | 80 °C (176 °F) (4) | 90 °C (194 °F) |

Fotnoter i originalet: (1) vid dessa temperaturer degraderar smörjmedlet efter kort tid; (2) särskild förening krävs; (3) hög svällning redan vid rumstemperatur, hydrolys vid höga temperaturer; (4) medelhög till hög svällning beroende på temperatur; (5) i vatten eller ånga. Fotnot (1) är värd att läsa som ett eget konstruktionsvillkor: de höga taken i oljekolumnen är begränsade av oljan, inte av gummit, så en FKM-tätning som tål 200 °C hjälper inte om smörjmedlet bryts ned vid samma temperatur.

Olöst konflikt i handboken: 60 eller 50 procents reduktion av spelet för silikon Där silikon eller fluorsilikon används ska extrusionsspelet reduceras, men ORD 5700 ger två olika tal för samma sak i samma utgåva, och konflikten är olöst. Noten till Figure 3-2, handbokssida 3-4, lyder: "* Reduce the clearance shown by 60% when using silicone or fluorosilicone elastomers." Not (c) till Design Chart 4-1, handbokssida 4-5, lyder: "(c) Reduce maximum diametral clearance 50% when using silicone or fluorosilicone O-rings." Handboken anger alltså både 60 procent och 50 procent för vad som ser ut att vara samma materialval.

En möjlig men obelagd förklaring är att storheterna inte är identiska: noten på 3-4 gäller total diametral clearance avläst ur ett tryckberoende extrusionsdiagram, medan noten på 4-5 gäller maximum diametral clearance i den statiska spårtabellen. Handboken säger ingenstans att det är skillnaden, och den upplöser inte heller konflikten på annat sätt. Tills en tillverkare bekräftar vilket tal som gäller för ditt fall är den säkra läsningen den strängare, alltså 60 procents reduktion, eftersom felet åt det hållet ger för litet spel och inte för stort. Dessa tal är Parkers rekommendationer för O-ringar och sammanfaller inte nödvändigtvis med ISO 3601-2.