Metalowe pierścienie uszczelniające typu O: zasady działania, zalety i rowki montażowe

Metalowy, pusty pierścień uszczelniający typu O-ring to okrągły pierścień uszczelniający wykonany z metalowej rurki, zazwyczaj o okrągłym przekroju poprzecznym (choć możliwe są również owalne, prostokątne itp.). Działa on poprzez sprężyste odkształcanie się pod wpływem ściskania, wypełniając mikroszczeliny między powierzchniami uszczelniającymi, zapewniając w ten sposób uszczelnienie. W przeciwieństwie do uszczelnień elastomerowych, został on zaprojektowany specjalnie z myślą o wyzwaniach związanych z uszczelnieniem w ekstremalnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, wysokie ciśnienie, wysoka próżnia i silna korozja.

​I. Zasada działania: odkształcenie sprężyste i uszczelnienie styku liniowego​

Zasada uszczelniania metalowego, pustego pierścienia uszczelniającego typu O opiera się na klasycznym mechanizmie „kontaktu liniowego”, który obejmuje następujące kluczowe kroki:

1. ​Napięcie wstępne i kontakt liniowy:​​
   • Gdy kołnierze lub złącza są dokręcane śrubami, pokrywa rowka wywiera siłę ściskającą osiowo na metalowy, pusty pierścień uszczelniający.
   • Siła ta powoduje, że ściana pustego pierścienia metalowego ulegaodkształcenie sprężyste(spłaszczanie), dociskając szczelnie zewnętrzną ściankę do dna rowka uszczelniającego i płyty pokrywy, tworząc ciągły pas uszczelniający „kontaktu liniowego”. Ten początkowy kontakt zapewnia podstawowe uszczelnienie statyczne.
2. ​Uszczelnianie wspomagane ciśnieniem w układzie (efekt samowzmacniania):​​
   • Gdy ciśnienie wewnętrzne układu wzrasta, ciśnienie średnie działa na wewnętrzną stronę pierścienia uszczelniającego typu O, albo poprzez otwory odpowietrzające w podstawie rowka, albo bezpośrednio.
   • Ciśnienie powoduje dalsze rozszerzanie się pierścienia uszczelniającego na zewnątrz, dociskając jego krawędź uszczelniającą (krawędź styku utworzoną przez spłaszczenie) mocniej do przeciwległej powierzchni uszczelniającej.Im wyższe ciśnienie w układzie, tym większy nacisk styku uszczelnieniaTen „efekt samowzbudzania” znacząco zwiększa niezawodność uszczelnienia.

​Różnica w stosunku do pierścieni uszczelniających z litego metalu:​​

• ​Solidne metalowe pierścienie uszczelniające​ opierają się głównie na dużych siłach ściskających, które odkształcają plastycznie metal, wypełniając szczeliny. Wymagają dużej siły uszczelniającej i często nie nadają się do ponownego użycia po demontażu.
• ​Puste metalowe pierścienie uszczelniające typu O​ opierają się przede wszystkim na sprężystym odkształcaniu ścianki rury, co wymaga znacznie mniejszych sił uszczelniających i zapewnia lepszy powrót sprężysty, co przekłada się na lepszą możliwość ponownego wykorzystania.

​II. Główne zalety​

Ze względu na zasadę działania i materiał metalowy, metalowe pierścienie uszczelniające typu O-ring charakteryzują się następującymi wyjątkowymi zaletami:

1. ​Niezwykle szeroka tolerancja temperaturowa:​Jego największą zaletą jest to, że w zależności od wybranego materiału (np. Inconel, stal nierdzewna 316, Hastelloy) wytrzymuje ekstremalne temperatury od-250°C do ponad 1000°C, znacznie przewyższając jakikolwiek polimerowy materiał uszczelniający.
2. ​Doskonała wydajność uszczelniania pod wysokim ciśnieniem i wysoką próżnią:​Wytrzymuje ultrawysokie ciśnienia rzędu setek megapaskali (MPa). W systemach wysokopróżniowych, bardzo niska przepuszczalność gazów samego metalu zapewnia doskonałą integralność próżni.
3. ​Wyjątkowa odporność na korozję:​Specjalne stopy są odporne na działanie silnych kwasów, zasad, rozpuszczalników organicznych i środowisk utleniania o wysokiej temperaturze.
4. ​Brak efektu pełzania i rozluźnienia, długotrwałe uszczelnienie:​Materiały metalowe nie ulegają pełzaniu ani starzeniu w wysokich temperaturach, jak tworzywa sztuczne czy guma, dzięki czemu zachowują stabilną siłę uszczelnienia w długim okresie i zapobiegają przeciekom z powodu relaksacji.
5. ​Możliwość ponownego wykorzystania:​​ Przy prawidłowym projekcie i montażu, o ile nie dochodzi do trwałego zgniecenia (nadmiernego ściskania), można go wielokrotnie demontować i ponownie wykorzystywać, zmniejszając w ten sposób długoterminowe koszty konserwacji.
6. ​Odporność na promieniowanie:​Nadaje się do stosowania w środowiskach narażonych na promieniowanie, np. w przemyśle jądrowym.

​III. Projekt rowka instalacyjnego i kluczowe parametry​

Konstrukcja rowka ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania metalowych, pustych pierścieni uszczelniających typu O-ring. Głównym celem jest:aby zapewnić precyzyjną przestrzeń do ściskania dla pierścienia uszczelniającego, ograniczając jednocześnie jego przepływ boczny.​​

​1. Typy rowków​

• ​Open Groove (najczęściej spotykany):​Rowek jest wyfrezowany na jednej powierzchni kołnierza, a druga stanowi płaską powierzchnię uszczelniającą. Nadaje się do większości wysokociśnieniowych uszczelnień statycznych.
• ​Closed Groove (dwuczęściowy Groove):​Rowek powstaje poprzez wykonanie półrowka na każdej powierzchni kołnierza. Ułatwia to pozycjonowanie i montaż pierścienia uszczelniającego, ale wymaga wysokiej dokładności obróbki.

​2. Projektowanie wymiarów rowka kluczowego​

Wymiary rowka są ściśle powiązane ze średnicą swobodną (OD) i grubością ścianki (WT) pierścienia uszczelniającego typu O. Poniżej przedstawiono podstawowe zasady projektowania metalowych pierścieni uszczelniających typu O o przekroju okrągłym (konkretne wymiary należy określać na podstawie norm lub zaleceń dostawcy):

• ​Szerokość rowka (szer.):​​
  • Powinien być nieco większy niż średnica zewnętrzna pierścienia uszczelniającego (OD), aby go pomieścić. ZazwyczajW ≈ OD + (10% ~ 20%) OD.
  • Szerokość nie może być nadmierna, w przeciwnym razie pierścień uszczelniający może ulec nadmiernemu odkształceniu pod wpływem ciśnienia i zostać wciśnięty w szczelinę, powodując uszkodzenia.
• ​Głębokość rowka (D):​​
  • To jestnajbardziej krytycznyparametr bezpośrednio określający uszczelkę pierścieniowąstopień sprężania.
  • ​Współczynnik kompresji = (OD – D) / OD × 100%​​
  • W przypadku uszczelnień statycznych zalecany początkowy stopień sprężania wynosi zazwyczaj od ​15% i 30%​Zbyt niski współczynnik może spowodować przeciekanie, zbyt wysoki może zgnieść pierścień uszczelniający, powodując utratę elastyczności i czyniąc go bezużytecznym.
  • Głębokość rowka (D) musi być mniejsza niż średnica luźna pierścienia uszczelniającego (OD).
• ​Chropowatość powierzchni rowka:​​
  • Chropowatość powierzchni styku uszczelnienia ma kluczowe znaczenie. ZazwyczajRa ≤ 0,8 μmjest wymagany w celu zapewnienia dobrego styku linii i zminimalizowania ścieżek wycieku.
• ​Narożniki rowkowe:​​
  • Połączenie dna rowka ze ścianką boczną powinno mieć odpowiedni promień (niewielkie ścięcie), aby zapobiec koncentracji naprężeń i zarysowaniu pierścienia uszczelniającego.

​3. Kontrola kompresji: Kompresja procentowa​

Po zamontowaniu, wysokość pierścienia uszczelniającego typu O jest ściskana. Stopień ściskania mierzy się „procentem ściskania”.

• ​Procent kompresji = (Wysokość swobodna – Wysokość skompresowana) / Wysokość swobodna × 100%​​
• W przypadku standardowych metalowych pierścieni uszczelniających o przekroju okrągłym,20% – 30% kompresji​ to powszechny i ​​skuteczny zakres. Należy go zapewnić poprzez precyzyjne obliczenie głębokości rowka i dobór odpowiednich uszczelek lub przekładek.

​IV. Typowe zastosowania​

• ​Lotnictwo i kosmonautyka:​Silniki, układy paliwowe, rurociągi wysokotemperaturowe.
• ​Petrochemia:​​ Reaktory wysokotemperaturowe i wysokociśnieniowe, zawory, połączenia rurowe.
• ​Przemysł jądrowy:​Reaktory jądrowe i związany z nimi sprzęt.
• ​Piece próżniowe, sprzęt półprzewodnikowy:​Uszczelki drzwi komory wymagające utrzymania bardzo wysokiej próżni.
• ​Sprzęt do przetwarzania płynów nadkrytycznych.​​

​Wniosek​

Metalowy, pusty pierścień uszczelniający typu O-ring to jedno z najlepszych rozwiązań w przypadku problemów z uszczelnieniem w ekstremalnych warunkach. Jego skuteczne zastosowanie w dużej mierze zależy od…prawidłowy dobór materiałów(dopasowanie medium i temperatury),precyzyjna konstrukcja rowków(kontrola kompresji) iczysta, profesjonalna instalacjaPodczas ich wyboru i użytkowania zdecydowanie zaleca się szczegółową konsultację z profesjonalnymi dostawcami lub zapoznanie się ze standardowymi specyfikacjami (takimi jak seria AMS), aby zagwarantować niezawodne działanie.