Пропускливост на жлезовите уплътнения за газове и пари: Технически анализ

Въведение

Смятате, че уплътненията на кабелните канали са напълно газонепроницаеми? Помислете отново. 🤔 Дори и най-добрите уплътнителни материали допускат известно ниво на проникване на газове и пари, а разбирането на това явление е от решаващо значение за приложенията, при които дори минимален теч може да означава бедствие. От взривоопасни атмосфери в нефтохимически заводи до чувствителни електронни корпуси, характеристиките на пропускливост на жлезовите уплътнения оказват пряко влияние върху безопасността и производителността на системата.

Сайтът пропускливост¹ на уплътненията на жлезите към газове и пари се отнася до скоростта, с която молекулите на газа проникват през уплътнителните материали на молекулярно ниво, измерена в специфични единици, които количествено определят преноса на маса за единица площ, дебелина, време и разлика в налягането. Това свойство е коренно различно от грубите течове през механични пролуки и изисква специализирани методи за изпитване и стратегии за избор на материали.

Само през миналия месец Маркус от предприятие за полупроводници в Мюнхен се свърза с нас, след като откри, че техните "херметически затворени" контролни панели са имали повреди, свързани с влагата. Виновникът? Проникване на пари през стандартните гумени уплътнения, което никой не е взел предвид по време на етапа на проектиране. Подобен пропуск може да струва милиони под формата на престой и повреда на оборудването, ето защо разбирането на пропускливостта на уплътненията стана от съществено значение за инженерите, които специфицират кабелни втулки в критични приложения.

Съдържание

• Какво представлява пропускливостта на газове и пари в уплътненията на кабелните канали?
• Как се сравняват различните уплътнителни материали по отношение на пропускливостта?
• Кои фактори влияят на ефективността на уплътнението?
• Как се извършва изпитване на пропускливостта на кабелните уплътнения?
• Кои са критичните приложения, изискващи уплътнения с ниска пропускливост?
• Заключение
• Често задавани въпроси относно пропускливостта на уплътненията на кабелните канали

Какво представлява пропускливостта на газове и пари в уплътненията на кабелните канали?

Пропускливостта на газове и пари в уплътненията на кабелни салници е преносът на газови молекули на молекулярно ниво през обема на материала на уплътнителните елементи, който се регулира от механизъм на разтвор и дифузия² където газовете се разтварят в материала на уплътнението и се разпространяват през молекулярната му структура.

Науката за молекулярната пропускливост

За разлика от механичните течове през видими пролуки или дефекти, пропускливостта се осъществява на молекулярно ниво през полимерната матрица на уплътнителните материали. Процесът включва три отделни етапа:

1. Сорбция: Молекулите на газа се разтварят в повърхността на уплътнителния материал
2. Дифузия: Разтворените молекули мигрират през полимерната матрица
3. Десорбция: Молекулите излизат от противоположната повърхност

Коефициентът на пропускливост (P) съчетава ефектите на разтворимост и дифузия и обикновено се изразява в единици cm³(STP)-cm/(cm²-s-cmHg) или подобни единици за анализ на размерите.

Пропускливост спрямо скорост на проникване

Важно е да се прави разлика между тези свързани, но различни понятия:

• Пропускливост: Свойство на материала, независимо от геометрията
• Степен на проникване: Действителен газов поток през определена конфигурация на уплътнението

В Bepto разработихме специализирани протоколи за изпитване за измерване на двата параметъра за нашите уплътнения за кабелни канали, като гарантираме, че нашите клиенти получават изчерпателни данни за пропускливостта за техните специфични приложения.

Обикновени газове и техните характеристики на пропускливост

Различните газове показват много различни скорости на проникване през идентични уплътнителни материали:

Хасан, който управлява съоръжение за производство на водород в Абу Даби, научава този урок по трудния начин, когато стандартните уплътнения от EPDM в кабелните му канали позволяват значително проникване на водород, което създава проблеми с безопасността. Работихме заедно, за да уточним флуоровъглеродните уплътнения, които намалиха водородното проникване с над 90%, като гарантираха, че съоръжението му отговаря на строгите стандарти за безопасност.

Как се сравняват различните уплътнителни материали по отношение на пропускливостта?

Различните уплътнителни материали имат драстично различаващи се характеристики на пропускливост, като флуоровъглеродните еластомери обикновено осигуряват най-ниска степен на пропускливост на газове, следвани от нитрилния каучук, докато силиконът и естественият каучук обикновено показват най-висока пропускливост за повечето газове.

Класация на ефективността на материалите

Въз основа на обширните ни тестове в лабораторията за материали на Bepto, ето как се класират обичайните материали за уплътняване на кабелни канали по отношение на газовите бариери:

Отлични бариерни характеристики (ниска пропускливост):

• Флуоровъглерод (FKM/Viton)³: Изключителна химическа устойчивост и ниска пропускливост
• Хлоропрен (CR/неопрен): Добри бариерни свойства с общо предназначение
• Нитрил (NBR): Отлична устойчивост на въглеводороди с умерена пропускливост

Умерена ефективност на бариерата:

• EPDM: Добра озоноустойчивост, но по-висока газопропускливост
• Полиуретан: Променлива производителност в зависимост от състава

Слаба ефективност на бариерата (висока пропускливост):

• Силикон: Отличен температурен диапазон, но висока газопропускливост
• Естествен каучук: Добри механични свойства, но слаба газова бариера

Влияние на температурата върху характеристиките на материалите

При повечето еластомери пропускливостта нараства експоненциално с температурата. Нашите тестове показват:

• 25°C до 75°C: 3-5x увеличение на пропускливостта за повечето материали
• 75°C до 125°C: Допълнително увеличение 2-3 пъти
• Над 150°C: Драматични увеличения, зависещи от материала

Съображения за химическа съвместимост

Най-добрият бариерен материал е безполезен, ако не е химически съвместим със средата на приложение. Виждали сме случаи, в които инженерите са избирали материали с ниска пропускливост, които са се проваляли поради химическа атака, като в крайна сметка са осигурявали по-лоши характеристики от алтернативите с по-висока пропускливост, но химически устойчиви.

Кои фактори влияят на ефективността на уплътнението?

Пропускливостта на уплътнението се влияе от температурата, разликата в налягането, геометрията на уплътнението, дебелината на материала, ефектите на стареене, както и от специфичния размер на молекулите и разтворимостта на проникващия газ или пара.

Основни фактори, които оказват влияние

Въздействие на температурата:
Температурата е най-значимият фактор, който влияе върху пропускливостта. По-високите температури увеличават движението на молекулите и подвижността на полимерните вериги, като създават по-голям свободен обем за дифузия на газове. Данните ни показват, че пропускливостта се удвоява приблизително на всеки 10°C увеличение на температурата при повечето еластомери.

Диференциал на налягането:
Докато скоростта на проникване нараства линейно с разликата в налягането за повечето газове, някои материали показват нелинейно поведение при високи налягания поради ефекти на пластифициране или структурни промени в полимерната матрица.

Геометрия и дебелина на уплътнението:
Степента на проникване е обратно пропорционална на дебелината на уплътнението. Удвояването на дебелината на уплътнението намалява наполовина степента на пропускливост, което го прави критичен параметър при проектиране на приложения с ниска пропускливост.

Вторични фактори

Стареене и излагане на въздействието на околната среда:
Излагането на ултравиолетови лъчи, озонът и контактът с химикали могат да променят структурата на полимера, като обикновено увеличават пропускливостта с течение на времето. Препоръчваме периодично тестване на пропускливостта за критични приложения, за да се следи деградацията на уплътнението.

Състояние на компресия и напрежение:
Механичното компресиране може да намали пропускливостта чрез намаляване на свободния обем в полимерната матрица, но прекомерното компресиране може да причини пукнатини от напрежение, които увеличават пропускливостта по механични пътища.

Влажност и съдържание на влага:
Водните пари могат да пластифицират много еластомери, като увеличават пропускливостта за други газове. Това е особено важно при приложения на открито или в среда с висока влажност.

Пример за приложение в реалния свят

Маркус от завода за полупроводници в Мюнхен, за който споменах по-рано, откри, че проблемите им с влагата не са свързани само с проникването на водни пари. Влажността увеличаваше и пропускливостта на уплътненията за други замърсяващи газове, създавайки каскаден ефект, който компрометираше средата в чистите помещения. Решихме този проблем, като специфицирахме флуоровъглеродни уплътнения с вградени изсушителни камери в кабелните им уплътнения.

Как се извършва изпитване на пропускливостта на кабелните уплътнения?

Изпитването на пропускливостта на кабелните уплътнения се извършва по стандартизирани методи, като например ASTM D1434⁴ или ISO 2556, с които се измерва скоростта на преминаване на определени газове през уплътнителни материали в стационарно състояние при контролирани условия на температура, налягане и влажност.

Стандартни методи за изпитване

ASTM D1434 - Стандартен метод за изпитване за определяне на газопропускливостта:
При този метод се използва манометрична техника, при която се измерва нарастването на налягането на газа от страната с ниско налягане на изпитвания образец. Тестът дава коефициенти на пропускливост в стандартни единици и е широко приет за инженерни изчисления.

ISO 2556 - Пластмаси - Определяне на скоростта на предаване на газ:
Подобно на ASTM D1434, но с малко по-различни методи за подготовка на образците и изчисление. Този стандарт се използва по-често на европейските пазари.

ASTM F1249 - Степен на пропускане на водни пари:
Специално разработен за изпитване на пропускливостта на водни пари, този метод е от решаващо значение за приложения, при които проникването на влага е от първостепенно значение.

Нашите възможности за тестване в Bepto

Инвестирахме в най-модерното оборудване за изпитване на пропускливостта, което ни позволява да:

• Изпитване при температури от -40°C до +200°C
• Оценяване на разлики в налягането до 10 бара
• Измерване на пропускливостта за над 20 различни газове и пари
• Провеждане на изследвания за ускорено стареене с цел прогнозиране на дългосрочните характеристики

Подготовка на изпитвания образец

Правилната подготовка на пробите е от решаващо значение за получаването на точни резултати:

1. Кондициониране на материала: 24-часова еквилибрация при тестови условия
2. Измерване на дебелината: Множество точки за осигуряване на равномерност
3. Подготовка на повърхността: Чисти повърхности без дефекти
4. Монтаж: Правилно уплътняване за предотвратяване на ефектите от ръбовете

Тълкуване на данните и докладване

Резултатите от теста трябва да бъдат правилно нормализирани и отчетени с подходящи единици. Ние предоставяме на нашите клиенти изчерпателни доклади, включващи:

• Коефициенти на пропускливост за специфични газове
• Данни за температурната зависимост
• Сравнение с референтни стойности за индустрията
• Препоръки за специфичните изисквания за приложение

Кои са критичните приложения, изискващи уплътнения с ниска пропускливост?

Критичните приложения, изискващи уплътнения с ниска пропускливост, включват инсталации в опасни зони, фармацевтични чисти помещения, производство на полупроводници, преработка на храни в модифицирана атмосфера и всички приложения, при които замърсяването с газ може да застраши безопасността или качеството на продукта.

Експлозивно защитени и опасни приложения

Във взривоопасна атмосфера дори малки количества проникване на запалим газ могат да създадат опасност за безопасността. В нашите взривозащитени кабелни втулки се използват специализирани флуоровъглеродни уплътнения, които поддържат степента на проникване под критичните прагове дори след години експлоатация.

Основни изисквания:

• Проникване на водород < 10-⁸ cm³/s за повечето приложения
• Дългосрочна стабилност в тежки химически среди
• Съответствие със стандартите ATEX, IECEx и NEC

Фармация и биотехнологии

Средата на чистите помещения изисква поддържане на специфичен състав на атмосферата с минимално замърсяване. Проникването на водни пари и кислород може да застраши стерилните условия и стабилността на продукта.

Опитът на Хасан не се простира само в областта на нефтохимията - той консултира и фармацевтични предприятия в Близкия изток. В Кувейт помогнахме за определянето на кабелни канали за съоръжение за производство на ваксини, където дори следи от проникване на кислород биха могли да влошат чувствителните към температурата продукти. Нашето решение включваше флуоровъглеродни уплътнения по поръчка с измерена скорост на проникване на кислород, 50 пъти по-ниска от тази на стандартните материали.

Производство на полупроводници

Свръхчистите среди в производствата на полупроводници не могат да допуснат никакво замърсяване. Изпускане на газове⁵ и проникването на частици и химически замърсители от уплътненията на кабелните салници може да доведе до намаляване на добива.

Критични параметри:

• Степен на изпускане на газове < 10-⁸ Torr-L/s-cm²
• Минимално йонно замърсяване
• Генериране на частици < 0,1 частици/см²-час

Преработка на храни и напитки

Опаковането в модифицирана атмосфера и контролираните процеси на ферментация изискват прецизен състав на газовете. Проникването през уплътненията на кабелните салници може да промени тези атмосфери, като повлияе на качеството на продукта и срока на годност.

Аналитично и лабораторно оборудване

Прецизните аналитични инструменти често изискват контролирана атмосфера или вакуумни условия. Дори малки количества въздух могат да компрометират точността на измерване и работата на инструмента.

Заключение

Разбирането на пропускливостта на кабелните уплътнения за газове и пари е от съществено значение за инженерите, работещи в критични приложения, където контролът на атмосферата е от първостепенно значение. Преносът на газове на молекулярно ниво през уплътнителните материали следва предвидими физични закони, но правилният избор, изпитване и прилагане на материалите изискват задълбочени технически познания. В Bepto нашите всеобхватни възможности за тестване на пропускливостта и обширната база данни с материали гарантират, че нашите клиенти получават кабелни втулки с уплътнителни характеристики, съобразени с техните специфични изисквания. Независимо дали става въпрос за взривоопасни атмосфери, чисти помещения или прецизни аналитични приложения, правилният уплътнителен материал и правилното характеризиране на пропускливостта могат да означават разликата между успеха на системата и скъпоструващия провал.

Често задавани въпроси относно пропускливостта на уплътненията на кабелните канали