Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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At BAM, which is the federal institute for materials research and testing in Germany, it is one of our tasks to evaluate the safety of casks designed for transport and/or storage of radioactive material. This includes the assessment of the service lifetime of elastomeric seals that are part of the container lid system with regard to the requirements for long-term safety (40 years and more) of the containers. Therefore, we started an accelerated ageing programme with selected rubbers often used for seals (HNBR, EPDM and FKM) which are aged at four different temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C) up to 1.5 years. In order to assess sealability, O-rings are aged in compression by 25 % (corresponding to the compression during service) between plates as well as in flanges that allow leakage rate measurements. For comparison, uncompressed O-rings are aged as well. Further methods characterising seal performance are compression stress relaxation (CSR) reflecting the loss of sealing force of a compressed seal over time, and compression set (CS) which represents the recovery behaviour of a seal after release from compression. Additionally, hardness is measured for information about the change of mechanical properties. The experimental results indicate that while hardness, CSR and CS show considerable degradation effects, the leakage rate stays relatively constant or even decreases until shrinkage combined with the loss of resilience of the aged seal leads to leakage. This demonstrates that static leakage rate, which is the only available direct seal performance criterion, has only limited sensitivity towards the degradation of the seal material. CS data is extrapolated using time-temperature shifts and Arrhenius graphs. An exemplary CS of 50 % would be reached after approx. 1.2, 17 and 29 years at 60 °C for HNBR, EPDM and FKM respectively.
Characterisation of degradation and determination of end-of-lifetime criterion for O-ring seals
(2017)
The ageing of polymers, including elastomers, is an undesirable but inevitable process leading to a limited lifetime of rubber products such as seals. Independent of the application, as e.g. in automotive, piping or container applications, a long lifetime or at least a timely exchange of a seal before occurrence of critical failure is desired.
In order to investigate the degradation of material properties and to determine the lifetime of elastomers used as seals, an ageing programme was started with hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (HNBR), ethylene propylene diene rubber (EPDM) and fluorocarbon rubber (FKM) [1-3]. Both O-ring seals (uncompressed and compressed by 25 %) with a cord diameter of 10 mm as well as sheets with a thickness of 2 mm were aged at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to two years. The changes of material properties during ageing were characterised for each material using samples from the sheets by means of e.g. Dynamic Mechanical Analysis and tensile tests, while sealing properties such as leakage rate were determined on O-rings. The experimental results indicate that while material properties show considerable degradation effects, the static leakage rate stays constant or even decreases before failure occurs quite suddenly at advanced degradation levels. This reveals that static leakage rate has only limited sensitivity for the degradation of the seal material.
Our approach to determine a suitable end of lifetime criterion, which involves a partial decompression of the seal during the leakage test, is presented and discussed.
Characterisation of degradation and determination of end-of-lifetime criterion for O-ring seals
(2017)
The ageing of polymers, including elastomers, is an undesirable but inevitable process leading to a limited lifetime of rubber products such as seals. Independent of the application, as e.g. automotive, piping or container applications, a long lifetime or at least a timely exchange of a seal before occurence of critical failure is desired.
In order to investigate the degradation of material properties and to determine the lifetime of elastomers used as seals, an ageing programme was started with hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (HNBR), ethylene propylene diene rubber (EPDM) and fluorocarbon rubber (FKM) [1-3]. Both O-ring seals (uncompressed and compressed by 25 %) with a cord diameter of 10 mm as well as sheets with a thickness of 2 mm were aged at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to two years. The changes of material properties during ageing were characterised for each material using the sheets by means of e.g. dynamic-mechanical analysis and tensile tests, while sealing properties such as compression stress relaxation (CSR), compression set (CS) and leakage rate were determined on O-rings. The experimental results indicate that while material properties, CSR and CS show considerable degradation effects, the static leakage rate stays constant or even decreases before failure occurs quite suddenly at advanced degradation levels. This reveals that static leakage rate has only limited sensitivity for the degradation of the seal material.
Our approach to determine a suitable end of lifetime criterion, which involves a partial decompression of the seal during the leakage test, is presented and discussed.
Für Anwendungen, bei denen Elastomerdichtungen ihre Dichtheit über sehr lange Zeiträume (z. B. Jahrzehnte) behalten müssen, ohne dass ein Austausch praktikabel wäre, ist es nötig, die Lebensdauer solcher Dichtungen zuverlässig bestimmen zu können. Aus diesem Grund wurden Alterungsversuche an O-Ring-Dichtungen sowie Flachproben auf Basis von hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Fluorkautschuk (FKM) über bis zu zwei Jahre bei mehreren Temperaturen durchgeführt. Zur Untersuchung der auftretenden Eigenschaftsveränderungen wurden u. a. Härtemessungen, Zugversuche, dynamisch-mechanische und thermogravimetrische Analysen durchgeführt. Zur Beurteilung des Relaxations- und Rückstellverhaltens der alternden Dichtungen wurden außerdem Druckspannungsrelaxations- und Druckverformungsrestmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Leckagerate gemessen, um ein Versagen der Dichtung zu detektieren. Durch die Untersuchung der gealterten Proben wurden sowohl die auftretenden Eigenschaftsveränderungen charakterisiert wie auch die damit zusammenhängenden Alterungsmechanismen diskutiert. Anhand der großen Datenmenge aus Ergebnissen von verschiedenen Untersuchungsmethoden, die für mehrere Alterungszeiten und -temperaturen durchgeführt wurden, sollte zusätzlich die günstigste Vorgehensweise für Lebensdauervorhersagen ermittelt werden. Dies beinhaltete auch die Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums, das mit dem Auftreten von Leckage und damit dem Versagen der Dichtung zusammenhängt. Hinsichtlich der Eigenschaftsänderungen und Alterungsmechanismen wurde beim HNBR eine starke Versprödung aufgrund dominanter Vernetzungsreaktionen während der Alterung festgestellt. Diese resultierten auch darin, dass die Sauerstoffpermeabilität abnahm, so dass der Sauerstofftransport ins Innere der Probe (hauptsächlich bei den dickeren O-Ringen) behindert wurde. Dies führte dazu, dass diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (DLO-Effekte) auftraten, d. h. dass das Probeninnere weniger stark alterte als oberflächennahe Bereiche. Während der Alterung von EPDM traten sowohl Kettenspaltungen wie auch Vernetzungsreaktionen auf, was sich vor allem in einer Verschlechterung der Zugeigenschaften und einer Abnahme der Druckkraft sowie in einem steigenden Druckverformungsrest äußerte. Bei sehr stark gealterten Proben dominierten ebenfalls Vernetzungsreaktionen, was sich auch in deutlichen DLO-Effekten äußerte. Aufgrund seiner ausgeprägten Oxidations- und Hochtemperaturbeständigkeit wies FKM vergleichsweise geringe Degradationserscheinungen auf. Nur mit Druckspannungsrelaxation und Druckverformungsrest waren nennenswerte Änderungen ersichtlich. Messungen der statischen Leckagerate ergaben, dass die O-Ringe erst bei sehr weit fortgeschrittener Degradation undicht wurden und bis zu diesem Zeitpunkt kein allmählicher Anstieg der Leckagerate beobachtet werden konnte. Aus diesem Grund wurden Leckagemessungen mit einem modifizierten Versuchsaufbau durchgeführt, bei dem die Dichtung während der Messung leicht entlastet wird. Da dieser Test eine dynamische Rückstellung der Dichtung erfordert und damit höhere Ansprüche an die Dichtung stellt, wurde am geprüften EPDM-O-Ring ein früheres Versagen beobachtet. Der entsprechende Alterungszeitpunkt wurde als Versagenszeitpunkt definiert. Dieser wurde anhand der Daten verschiedener Messmethoden mit dem Degradationszustand korreliert und entspricht beispielsweise einem Druckverformungsrest von 80 %. Auf der Grundlage dieses Kriteriums konnten Lebensdauern mittels Zeit-Temperatur-Verschiebung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zahlreiche Erkenntnisse darüber gewonnen, worauf bei beschleunigten Alterungsversuchen und Lebensdauerprognosen von O-Ringen zu achten ist und welche Fehlerquellen vermieden werden sollten. Dies wird zusammen mit Empfehlungen für eine bestmögliche Versuchsdurchführung ausführlich diskutiert.