Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition, they are also used in waste fuel storage and transportation casks as auxiliary seals. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with respect to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. A fundamental understanding of the structure property relationship and their changes during aging can help to evaluate the long-term sealing performance.
In the present study, specific materials are investigated to study the structure-property and seal performance-correlation. Fluoro-elastomer (FKM), silicone rubber (VMQ) and ethylene propylene diene rubber (EPDM) were chosen as base rubbers. Comparable mechanical properties for these seals, especially in terms of a comparable compression behavior were achieved by careful control of base rubber formulation, i.e., by opting for the right filler and its concentration, amount of crosslinking chemicals, and with the assistance of process oils. Moreover, with the same rubber, similar mechanical properties were achieved by varying the filler concentration and crosslinking degree, which shall enable to correlate the particular influence on the structure property dependency of the seals in detail. The materials are investigated under pristine and aged conditions to evaluate the influence of aging, e.g. on the stress relaxation or recovery behavior. These values appear to be suitable parameters to judge the expected sealing performance.
Due to the electrically conducting nature of some fillers used to reinforce rubbers (such as carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), Graphene, etc.) it is possible to obtain current information about mechanical and visco-elastic properties by monitoring the electrical conductivity or resistivity. A simple relation that relates electrical resistance with mechanical stress was derived and the stress values were theoretically predicted from the electrical resistance values, which showed good correlation with experimental results.
For many sealing applications low temperature performance is required. The overall understanding of the relevant influences on low temperature performance of rubber seals are summarized and the currently running investigations described.
The correlation of the physical material properties with seal performance is studied. This includes as well purely static sealing applications as the performance during/after fast partial relief of seals at low temperatures.
Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition, they are also used in waste fuel storage and transportation casks as auxiliary seals. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with respect to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period. A fundamental understanding of the structure property relationship and their changes during aging can help to evaluate the long-term sealing performance.
In the present study, specific materials are investigated to study the structure-property and seal performance-correlation. Fluoro-elastomer (FKM), silicone rubber (VMQ) and ethylene propylene diene rubber (EPDM) were chosen as base rubbers. Comparable mechanical properties for these seals, especially in terms of a comparable compression behavior were achieved by careful control of base rubber formulation, i.e., by opting for the right filler and its concentration, amount of crosslinking chemicals, and with the assistance of process oils. Moreover, with the same rubber, similar mechanical properties were achieved by varying the filler concentration and crosslinking degree, which shall enable to correlate the particular influence on the structure property dependency of the seals in detail. The materials are investigated under pristine and aged conditions to evaluate the influence of aging, e.g. on the stress relaxation or recovery behavior. These values appear to be suitable parameters to judge the expected sealing performance.
Due to the electrically conducting nature of some fillers used to reinforce rubbers (such as carbon blacks, carbon nanotubes (CNTs), Graphene, etc.) it is possible to obtain current information about mechanical and visco-elastic properties by monitoring the electrical conductivity or resistivity. A simple relation that relates electrical resistance with mechanical stress was derived and the stress values were theoretically predicted from the electrical resistance values, which showed good correlation with experimental results.
For many sealing applications rubbers are applied due to their special material properties and easy use. In many applications as e.g. in aviation, traffic or process technology the material can be exposed to low temperatures during operation. Therefore, it is important to know the material behaviour at those low temperatures to determine the temperature range that allows a safe operation of the seal.
In this work, we focus on the behaviour of elastomer seals at low temperatures with regard to potential decrease of leak-tightness or catastrophic seal failure of O-ring rubber seals. This is required as material properties of rubbers are strongly temperature dependent but their temperature application range is not always clearly defined.
Based on previous investigations which considered the physical material properties and the seal behaviour under purely static conditions we widen the focus on the sealing performance after a fast partial relief of compressed seals and additional materials.
For the investigations, different typical rubber seal materials were used as e.g. fluorocarbon (FKM), ethylene propylene diene (EPDM) and hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR) rubber.
The correlation of the physical material properties with seal performance is studied. This includes as well purely static sealing applications as the Performance during/after fast partial relief of seals at low temperatures.
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.
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.