Afdichtingsmateriaal selecteren voor toepassingen bij hoge temperaturen

De keuze van het juiste materiaal voor een afdichting bij hoge temperaturen is essentieel om te voorkomen dat de afdichting het begeeft tijdens gebruik. De keuze van afdichtingsoplossingen voor hoge temperaturen tussen metaal-op-metaal en elastomeer (rubberachtige eigenschappen van een polymeer) is afhankelijk van temperatuurextremen, drukniveaus, chemische interacties en flexibiliteitsbehoeften. Dit artikel geeft een overzicht van de meest gebruikte materialen om verschillende pakkingen en afdichtingen voor hoge temperaturen te maken en hoe deze te selecteren voor verschillende toepassingen.

Inhoudsopgave

• Een afdichting voor hoge temperaturen selecteren
• Metaal-op-metaal afdichtingen voor hoge temperaturen
• Elastomeer afdichtingen voor hoge temperaturen
• Toepassingen

Een afdichting voor hoge temperaturen selecteren

Bij het bepalen of een metaal-op-metaal- of elastomeerafdichting geschikt is voor een specifieke toepassing bij hoge temperaturen, moet u rekening houden met de volgende factoren:

• Temperatuurbereik: Metaal-op-metaalafdichtingen hebben de voorkeur voor toepassingen met aanhoudend hoge temperaturen die de grenzen van elastomeren overschrijden.
• Druk Metaal-op-metaalafdichtingen bieden de sterkte en duurzaamheid die nodig is voor toepassingen met hoge druk, terwijl elastomeerafdichtingen geschikt zijn voor omgevingen met lagere druk.
• Chemische compatibiliteit: Als de toepassing blootstelling aan agressieve chemicaliën met zich meebrengt, kunnen metaal-op-metaalafdichtingen nodig zijn. Elastomeerafdichtingen kunnen worden gebruikt voor minder agressieve media en wanneer moet worden voldaan aan de normen voor voedingsmiddelen.
• Flexibiliteit en veerkracht: Elastomeerafdichtingen worden gekozen voor toepassingen waar flexibiliteit en herstel nodig zijn, zoals in dynamische systemen met beweging of temperatuurwisselingen.

Metaal-op-metaal afdichtingen voor hoge temperaturen

Metaal-op-metaalafdichtingen worden gebruikt in toepassingen met extreem hoge temperaturen waar elastomeerafdichtingen zoals rubber of kunststof zouden ontbinden of hun afdichtingsvermogen zouden verliezen. Deze afdichtingen moeten ook bestand zijn tegen hoge drukken, agressieve media en corrosieve omgevingen. Het ontwerp en de materiaalkeuze van metalen afdichtingen zijn cruciaal voor hun prestaties.

Ontwerpoverwegingen

• Vorm en geometrie: Metalen afdichtingen hebben verschillende vormen, zoals C-ringen, E-ringen en O-ringen.
  • Metalen afdichtingen met C-ring: Metalen C-ringen hebben een elastische kern van een legering met hoge sterkte, gevormd tot een "C"-profiel. De zachtere buitenlaag is meestal een galvanische zilverlaag of een PTFE-laag.
  • E-ring metalen afdichtingen: Metalen E-ringen zijn voor prestaties bij lage belasting en hoge terugslag. De kern is gemaakt van een legering en heeft de vorm van een blaasbalg. E-ringen hebben een relatief hogere leksnelheid dan metalen afdichtingen vanwege hun lage belastingskracht.
  • Metalen afdichtingen met O-ring: Metalen O-ringen zijn voor omgevingen met hoge druk en hoge temperaturen. Ze zijn gemaakt van stevige metalen buizen, opgerold, gesneden en gelast op de gewenste maat.
  

  Figuur 2: Profielen voor afdichtingen van metaal op metaal: E-ring (links), C-ring (midden) en O-ring (rechts).

• Contactoppervlakken: Voor een goede afdichting moeten de afdichtingsoppervlakken zeer vlak en afgewerkt zijn. Onvolkomenheden in het oppervlak kunnen leiden tot lekken bij metaal-op-metaal afdichtingen.
• Vervorming van de afdichting: Metalen afdichtingen ondergaan een gecontroleerde vervorming tijdens de installatie. Door deze vervorming ontstaat het metaal-op-metaal contact. De mate van vervorming moet worden berekend, omdat oververvorming schade kan veroorzaken en ondervervorming tot lekkage kan leiden.
• Belasting en spanningsverdeling: Het ontwerp moet een gelijkmatige spanningsverdeling garanderen om de integriteit van de afdichting te behouden. Ongelijkmatige belasting kan ertoe leiden dat delen van de afdichting loskomen van het parallelle oppervlak, wat kan leiden tot defecten.

Metaal-op-metaal materiaalselectie

De meest gebruikte materialen om metaal-op-metaalafdichtingen te maken zijn:

• RVS: Roestvrij staal heeft een goede balans tussen sterkte en corrosiebestendigheid. Er zijn verschillende soorten, zoals roestvrij staal 304 en 316, verkrijgbaar voor verschillende temperaturen en omgevingsomstandigheden.
• Nikkellegeringen: Materialen zoals Inconel worden vaak gebruikt om de sterkte bij hoge temperaturen te behouden en oxidatie en corrosie te weerstaan.
• Koperlegeringen: Koper en koperlegeringen, zoals berylliumkoper, hebben een goede thermische geleidbaarheid en worden gebruikt in toepassingen waar warmteoverdracht belangrijk is.
• Kobaltlegeringen: Legeringen zoals Stellite staan bekend om hun slijtvastheid en hun vermogen om hardheid te behouden bij hoge temperaturen.

De volgende criteria worden in overweging genomen bij de keuze tussen de verschillende materialen voor metaal-op-metaalafdichtingen:

Tabel 1: Materialen en selectiecriteria voor metaal-op-metaalafdichtingen

Criteria	RVS	Nikkellegeringen	Koperlegeringen	Kobaltlegeringen
Thermische uitzetting	Gematigde thermische uitzettingscoëfficiënten. Ongeveer 16-18 x 10^-6 /°C	Lage thermische uitzettingscoëfficiënten. 13-15 x 10^-6 /°C Geschikt voor toepassingen met maatvastheid bij verhoogde temperaturen.	Hogere thermische uitzettingscoëfficiënten dan roestvast staal en nikkellegeringen. 17-18 x 10^-6 /°C	Lage thermische uitzettingen. Vergelijkbaar met nikkellegeringen. 12-15 x 10^-6 /°C
Sterkte bij hoge temperaturen	Sterkte bij hoge temperaturen, maar als de temperatuur stijgt, kan de sterkte sneller afnemen dan bij nikkel- en kobaltlegeringen. Kwaliteit 310 behoudt sterkte tot 1150 °C	Behoud sterkte, mechanische eigenschappen en oxidatiebestendigheid bij hoge temperaturen. Inconel 718 behoudt sterkte tot 650 °C	Lagere sterkte bij hoge temperaturen. Vaak beperkt tot lager dan 300 °C	Hoge sterkte bij hoge temperaturen. Haynes 188 behoudt sterkte tot 1090 °C
Corrosiebestendig	Hoge corrosiebestendigheid in extreme omgevingen.	Vergelijkbaar met roestvrij staal, hoge corrosiebestendigheid in extreme omgevingen.	Goede weerstand tegen corrosie. In mariene omgevingen kan het echter spanningscorrosie of ontzinking vertonen.	Corrosiebestendig, maar niet zo bestendig als nikkellegeringen en roestvast staal in agressieve omgevingen.
Elasticiteit en hardheid	Elasticiteit varieert aanzienlijk tussen kwaliteiten. Typisch rond 193-200 GPa voor austenitische staalsoorten zoals 304 en 316. 304 SS heeft een hardheid rond 150-200 HB, terwijl geharde kwaliteiten meer dan 600 HB kunnen hebben.	De elasticiteit varieert van 200-220 GPa. De hardheid varieert. Inconel 625 kan 20 HRC hebben in gegloeide toestand.	De elasticiteit varieert van 110-130 GPa voor messing en brons, zuiver koper lager rond 110. Zuiver koper is zacht rond 40-60 HB, bepaalde warmtebehandelde bronzen kunnen meer dan 200 HB hebben.	De elasticiteit ligt tussen 210-240 GPa. Sommige kobaltlegeringen kunnen 40 HRC of hoger bereiken.

Elastomeer afdichtingen voor hoge temperaturen

Elastomeerafdichtingen voor hoge temperaturen worden meestal gemaakt van de volgende materialen:

• Siliconenrubber
  • Bestand tegen temperaturen tot 230 °C (446 °F). Sommige verbindingen zijn korte tijd bestand tegen temperaturen tot 305 °C (581 °F).
  • Bestand tegen UV, ozon en zuurstof
  • Vaak gebruikt in ruimtevaart en auto's
  • Relatief lage scheurweerstand
• PTFE (Polytetrafluoroethylene)
  • Behoudt integriteit bij temperaturen boven 260 °C (500 °F)
  • Bestand tegen sterke industriële chemicaliën
  • Zeer lage wrijving, uitstekende elektrische isolator
  • Gebruikt in een groot aantal industrieën, van loodgieterswerk tot farmaceutica
• FKM (Viton)
  • Bestand tegen temperaturen boven 225 °C (437 °F)
  • Goede chemische bestendigheid tegen oliën, brandstoffen, smeermiddelen en de meeste minerale zuren
  • Niet aanbevolen voor gebruik met bepaalde chemicaliën, zoals remvloeistoffen of sterke zuren
• EPDM (Ethyleen Propyleen Diene Monomeer)
  • Presteert goed tot 150 °C (302 °F)
  • Bestand tegen UV-blootstelling, ozon, veroudering, verwering en vele chemicaliën
  • Veelzijdig voor diverse toepassingen, waaronder in de auto- en HVAC-industrie
• HNBR (gehydrogeneerd nitril-butadieenrubber)
  • Bestand tegen temperaturen tot 150 °C (302 °F)
  • Goede slijtvastheid en sterkte
  • Geschikt voor toepassingen in de olie- en gasindustrie en bestand tegen vele oliën en chemicaliën
  • Niet aanbevolen voor gebruik met gechloreerde koolwaterstoffen, polaire oplosmiddelen of sterke zuren

Toepassingen

Metaal-op-metaal afdichtingstoepassingen

• Lucht- en ruimtevaart: Afdichtingen van metaal op metaal worden gebruikt in de ruimtevaartindustrie omdat ze bestand zijn tegen extreme temperaturen en drukken in straalmotoren en ruimtevoertuigen. Ze zijn essentieel voor brandstofsystemen, hydraulische leidingen en uitlaatspruitstukken waar defecten geen optie zijn.
• Auto-industrie: In motoren met hoge prestaties, vooral in uitlaatsystemen en turboladers, worden metaal-op-metaalafdichtingen gekozen vanwege hun duurzaamheid en hun vermogen om een afdichting te behouden bij hoge temperaturen die elastomeeropties zouden aantasten.
• Olie en gas: Voor toepassingen die te maken hebben met hoge druk en temperaturen, zoals downhole tools en boorputapparatuur, bieden metaal-op-metaalafdichtingen de nodige sterkte en corrosiebestendigheid voor een veilige en efficiënte werking.
• Stroomopwekking: Afdichtingen in energiecentrales, waaronder kernreactoren en gasturbines, moeten bestand zijn tegen agressieve media en hoge temperaturen. Metaal-op-metaalafdichtingen zijn vaak de eerste keuze vanwege hun robuustheid en lange levensduur onder dergelijke veeleisende omstandigheden.
• Chemische verwerking: Metaal-op-metaalafdichtingen zijn geschikt voor afdichtingstoepassingen met corrosieve chemicaliën en oplosmiddelen die de integriteit van elastomeerafdichtingen in gevaar zouden brengen. Ze zijn bestand tegen een breed scala aan chemicaliën zonder noemenswaardige degradatie.

Elastomeer afdichtingstoepassingen

• Koelsystemen voor auto's: Elastomeerafdichtingen worden vaak gebruikt in automobieltoepassingen waar ze flexibiliteit en afdichtingsmogelijkheden bieden bij gematigde temperaturen, zoals in waterpompen en radiatorslangen.
• HVAC-systemen: Voor residentiële en commerciële verwarmings- en koelsystemen bieden elastomeerafdichtingen de nodige flexibiliteit en chemische weerstand om temperatuurschommelingen op te vangen en koelmiddellekken te voorkomen.
• Voedsel- en drankverwerking: In industrieën waar hygiëne en reinheid van cruciaal belang zijn, wordt de voorkeur gegeven aan elastomere afdichtingen omdat ze voldoen aan de normen voor voedingsmiddelen en bestand zijn tegen reinigings- en sterilisatieprocessen zonder hun afdichtingseigenschappen te verliezen.
• Farmaceutische productie: De farmaceutische industrie heeft afdichtingen nodig die hun integriteit kunnen behouden tijdens strenge sterilisatiecycli. Elastomeerafdichtingen worden gebruikt in toepassingen waar een hoge mate van reinheid en niet-reactiviteit essentieel is.
• Algemene industriële toepassingen: Elastomeerafdichtingen zijn veelzijdig en kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan minder extreme toepassingen, waaronder pneumatische en hydraulische systemen, waar ze een effectieve afdichting bieden bij lagere temperaturen en drukken.