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Aufgrund ihrer einfachen und zuverlässigen Anwendung werden Elastomere für viele Dichtungsaufgaben eingesetzt. In vielen Anwendungsbereichen, wie z.B. Verkehr, Luftfahrt und Verfahrenstechnik, können während des Einsatzes tiefe Temperaturen auftreten, bei denen die Funktionsfähigkeit der Dichtung erhalten bleiben muss. Daher ist die Untersuchung des Verhaltens von Elastomerdichtungen bei tiefen Temperaturen wichtig, um ihren Temperatureinsatzbereich nach unten abzugrenzen und dadurch einen verlässlichen Betrieb zu sichern. Ziel dieser Arbeit ist es, den sicheren Einschluss von gefährlichen Gütern unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und über lange Zeiten zu ermöglichen bzw. die Materialauswahl entsprechend zu steuern.
Carbon fibre prepregs have found widespread application in lightweight constructions. They are based on a carbon-fibre fabric impregnated with reactive epoxy resin. DMA measurements under temperature conditions similar to an autoclave programme were carried out using commercially available prepreg material with a high glass transition temperature. The characteristic of the temperature programme was a dynamic heating segment at 1.5 K/min followed by a longer isothermal segment at 180 °C. The courses of the storage modulus E', loss modulus E'' and tanδ were recorded. The measuring frequency was varied between 1 Hz and 33.3 Hz. Gelation and vitrification are assigned. The influence of the measuring frequency on the time to vitrification and the correlation with DSC are discussed. The reaction does not end even after 10 h curing at 180 °C, which is interpreted as the slow cessation of the reaction caused by vitrification.
To achieve the required tightness levels of Containers for low and intermediate level radioactive wastes rubbers are widely applied as main sealing materials. The save encapsulation of the radioactive Container contents has to be guaranteed according to legislation and appropriate guidelines for long storage periods as well as down to temperatures of-40 °C during transportation.
Therefore the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance.
It is known that the material properties of rubbers are strongly influenced by temperature. At low temperatures this is caused by the rubber-glass transition (abbr. glass transition). During continuous cooling the material changes from rubber-like entropy-elastic to stiff energy-elastic behaviour, that allows nearly no strain or retraction. Therefore, rubbers are normally used above their glass transition but the minimum working temperature limit is not defrned precisely, what can cause problems during application. The temperature ränge where full functionality is possible is strongly dependent on the application conditions and the material.
For this investigation mainly ethylene propylene diene (EPDM) and fluorocarbon rubbers (FKM) were selected as they are often used for radioactive waste Containers.
Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) are typically used for the determination of the temperature ränge of the glass transition process. The standardized compression set measurement according to ISO 815 is common for investigation of rubber sealing materials as the test simulates the seal behaviour after release. To reduce the test time of the Standard tests a faster technique giving the same information was developed.
Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O-ring seals is measured in a component test Setup to compare it with the results of the other tests. The experimental Setup is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method.
A model was developed that allows calculating the minimum working temperature limit of a seal by combining the results of the applied methods.
Langzeituntersuchungen an Metalldichtungen mit innen liegendem Federkern und doppelter Ummantelung
(2013)
In Deutschland werden in Transport- und Lagerbehältern (TLB) wärmeentwickelnde radioaktive Abfälle gegenwärtig über einen Zeitraum von bis zu 40 Jahren zwischengelagert. Aufgrund der Situation der noch nicht abgeschlossenen Endlagersuche werden hier möglicherweise Verlängerungen in Betracht zu ziehen sein. Im Deckeldichtsystem der TLB werden in der Regel Metalldichtungen vom Typ Helicoflex® eines französischen Herstellers verwendet, die aus einem innen liegenden Spiralfederkern und zwei Ummantelungen bestehen. Die Ermittlung der Fliess- und Relaxationseigenschaften der Dichtungskomponenten über den vorgesehenen langen Betriebseitraum sind vor dem Hintergrund des Erhalte eines geforderten hohen Dichtniveaus ein wichtiger Untersuchungsgegenstand.
Rubbers are widely used as sealing material in various applications. In many fieldsthefunction of seal materials at lowtemperatures is required. Therefore the understanding of faiiure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance. Therefore the lower Operation temperature limit of rubber seals should be determined in dependence of the material properties.
The results of Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) are combined with results of standardized measurements as the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the Standard tests a faster and more efficient technique was developed and applied. In addition the breakdown temperature of the sealing function of O-ring seals at lowtemperatures is measured in a component test Setup in dependence of the material and the degree of compression.
Rubbers are widely used as main sealing materials for containers for low and intermediate level radioactive waste and as additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. According to appropriate guidelines and regulations safe enclosure of the radioactive container contents has to be guaranteed for long storage periods as well as down to temperatures of -40 °C for transportation. Therefore the understanding of seal behavior is of high importance.
In this paper we focus on the behavior of elastomer seals at low temperatures with regard to poten-tial decrease of leak-tightness. In addition, changes in material properties due to aging effects over long periods of time and their influence on the seal performance is investigated.
It is known that material properties of rubbers are strongly temperature dependent. At low tempera-tures this is caused by the rubber-glass transition (abbr. glass transition). During continuous cool-ing, the material changes from rubber-like entropy-elastic to stiff energy-elastic behavior, that al-lows nearly no strain or retraction due to the glass transition. Hence rubbers are normally used above their glass transition but the minimum working temperature limit is not defined precisely.
Aging of elastomer seals is important, as possible dynamic loads may have to be considered during the whole interim storage period (so far approved in Germany for up to 40 years) and for transporta-tion after storage.
For the investigations, fluorocarbon (FKM) and ethylene-propylene-diene (EPDM) rubbers were selected as they are often used in radioactive waste containers. Some materials were purchased from a commercial seal producer and some materials were compounded and cured at BAM. The elastom-ers where studied by several thermo-analytical methods and compression set to characterize the material behavior at low temperatures. Additionally component tests were performed to determine the breakdown temperature of the sealing function of complete elastomer O-rings.
Für Elastomenwerkstoffe im Allgemeinen und im Bereich der Dichtungstechnik im Besonderen ist der Druckverformungsrest eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Eignung eines Werkstoffs bzw. der Funktion eines Bauteils. Er ermöglicht eine Einschätzung des zeitabhängigen Rückstellverhaltens eines Werkstoffs nach Deformation. Dieses ist für Dichtungen von besonderer Bedeutung, da der Test deren Einbauzustand nachstellt.
Oft wird er, bei der Prüfung unter erhöhten Temperaturen, zur Beurteilung des Alterungsverhaltens verwendet und kann anhand eines definierten Versagenskriteriums zur Lebensdauerabschätzung eingesetzt werden. Bei tiefen Temperaturen dient er dazu, die limitierende Einsatztemperatur zu bestimmen. Dabei spielt eine Alterung im eigentlichen Sinne nur eine untergeordnete Rolle, wohl aber physikalische Effekte wie Tieftemperaturkristallisation und Glasübergang. Diese Effekte sind weit weniger durch lange Lagerzeiten beeinflusst als die eigentliche Alterung.
Die Versuchsdurchführung unterscheidet sich je nach angewandter Norm und kann einen deutlichen Einfluss auf den Druckverformungsrest haben. Alle standardisierten Methoden sind aufgrund der langen Lagerzeiten relativ langwierig und erfordern das regelmäßige Eingreifen durch den Prüfer. Zusätzlich sehen einige Methoden nur die Bestimmung eines einzelnen Wertes nach einer definierten Zeit vor.
Um die Messungen zu beschleunigen wurde eine Methode entwickelt, die automatisch die erforderlichen Messungen bei mehreren Temperaturen durchführt.
Dazu wird ein Prüfgerät der Dynamisch Mechanischen Analyse verwendet, das kontinuierlich die Deformation während eines frei programmierbaren Temperaturzyklus misst, wodurch eine sehr große Datenmenge verfügbar ist.
Ein Vergleich der neuen Methode mit den Ergebnissen des nach ISO 815 genormten Messprinzips ergibt eine gute Übereinstimmung. Ergebnisse der neuen Methode werden vorgestellt und die Vorzüge der kontinuierlichen Datenerfassung, z.B. für die Materialauswahl, diskutiert.
Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich zum großen Teil auf die in beschriebenen Untersuchungen und Ergebnisse.
It is important to evaluate the effect of thermal ageing on the sealing performance of metal gaskets under high temperature for long-term usage. Therefore, in order to gain representative data for this kind of metal-sealed lid System, BAM is currently performing laboratory tests of different gasket types with aluminum and silver jackets at three different temperatures under static conditions up to four years so far, using test flanges for gaskets with full scale cross section diameter but much smaller outer diameter. On the other hand, in order to investigate the applicability of the numerical methodology to evaluate the long-term behavior of the metal gaskets, such as a correlation between seal pressure force and holding time, CRIEPI is developing a modeling method including material tests (tensile and creep tests) at high temperature. In this paper, the applicability of the finite element method (ABAQUS) to predict the recovery displacement and residual seal pressure force of the gasket complex was verified by comparing the calculated values with BAM’s laboratory test results under the joint research agreement between BAM and CRIEPI.