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Understanding the failure mechanisms that lead to leakage of rubber seals at low temperatures is important. Rubber properties are highly temperature dependent. Changes in behaviour at low temperatures can result from the rubber-glass transition and for some rubbers by partial crystallisation. Experimental results on the low temperature behaviour of different rubber seals were discussed to help understand seal failure processes.
The investigation of the long-term performance of sealing systems employed in containers for radioactive waste and spent nuclear fuel is one research focus area for division 3.4 “Safety of Storage Containers” at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. The behaviour of metallic seals, which are employed in interim storage casks for used fuel and high active waste, over time is of high importance for ensuring safe enclosure. Therefore, investigations on these systems were started at BAM to get a general understanding of the relevant processes. Our investigations comprise investigations on different parameters which influence the seal performance and the main part is focussed on the time and temperature dependent behaviour.
In this contribution an overview of the performed tests and their respective results will be given. A focus will lie on a comparison between seals with large torus diameter in comparison to small diameters.
Our aim is to understand the long-term behaviour of the sealing systems for evaluation of their performance during possible extended interim storage and subsequent transportation.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Division 3.4 Safety of Storage Containers, one of our tasks is to evaluate the safety of containers designed for disposal of low and intermediate radioactive waste. As such containers might be transported before and stored until disposal, safe enclosure of the radioactive inventory is important for this time span. Elastomer O-rings are widely used as barrier seals in these containers. Thus, as for many other applications, an understanding of the practical effects of ageing degradation on elastomer seals during long-term exposure is mandatory for predicting the lifetime of such components. According to a long-term test programme on three kinds of rubbers (EPDM and FKM (relevant for application), HNBR (for comparison)), over several years we have studied the degradation and the change of mechanical properties (e.g. hardness, strain at break) at four different ageing temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) as well as the change of sealing properties. Continuous and intermittent compression stress relaxation (CSR) measurements were performed in order to investigate the respective contribution of crosslinking and chain scission to the observed degradation effects. Thus, the degradation kinetics and mechanisms could be resolved more clearly. For assessing the seal performance, compression set (CS) and leakage rate measurements were conducted. The experimental results showed that the O-rings remained leak-tight under purely static conditions even when CSR, CS and mechanical properties already indicated far advanced degradation. For this reason, a modified leakage test involving a small and rapid partial decompression of the seal was developed that enabled determining an end-of-lifetime criterion for O-rings with a safety margin for thermal shrinkage and vibrations.
Eine Aufgabe des Fachbereichs 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, die Sicherheit von Behältern zur Lagerung von radioaktivem Abfall mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zu bewerten. Da solche Behälter vor der Entsorgung transportiert und gelagert werden, ist während dieser Zeit ein sicherer Einschluss des radioaktiven Inhalts von größter Bedeutung. Zur Abdichtung dieser Behälter sind Elastomer-O-Ringe weit verbreitet. Um für solche, wie auch für viele andere Anwendungen, eine Voraussage über die Lebensdauer dieser Komponenten treffen zu können, ist es unerlässlich zu verstehen, welchen Einfluss der durch Alterung hervorgerufene Abbau auf Dauer auf die Elastomerdichtungen hat. In einem Langzeittest wurden drei Kautschukarten (EPDM und FKM, die für die Anwendung relevant sind, und HNBR als Vergleich) über mehrere Jahre untersucht. Dabei wurden die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (z. B. Härte und Bruchdehnung) bei vier verschiedenen Alterungstemperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) sowie das Dichtungsverhalten betrachtet. Um den Einfluss von Vernetzung und Kettenspaltung auf die beobachteten Alterungseffekte zu bestimmen, wurden Messungen zur kontinuierlichen und intermittierenden Druckspannungsrelaxation durchgeführt. Dadurch konnten Erkenntnisse über Kinetik und Mechanismus der Abbaureaktionen
gewonnen werden. Zur Einschätzung des Dichtungsverhaltens wurden Durckverformungsrest und Leckagerate gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die O-Ringe unter statischen Bedingungen auch dann dicht halten, wenn die Werte für Druckverformungsrest, Druckspannungsrelaxation und mechanische Eigenschaften schon auf einen fortgeschrittenen Alterungsabbau hindeuten. Aus diesem Grund wurde ein modifizierter Dichtigkeitsversuch mit einer geringen und schnellen teilweisen Entlastung der Dichtung entwickelt, mit dessen Hilfe sich ein Lebensdauerkriterium bestimmen lässt, das eine Sicherheitsspanne für thermische Schrumpfung und Vibrationen beinhaltet.