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Ursachen von O-Ring-Versagen

Es gibt viele Gründe, warum O-Ringe versagen. Dieser kurze Leitfaden erklärt einige der häufigsten Ausfallursachen im Einzelnen. (Es gibt weitere Ausfallursachen, die hier nicht erwähnt werden).  

Wir haben bei Precision Polymer Engineering jahrzehntelang an der Entwicklung innovativer Elastomerwerkstoffe gearbeitet, die in der Lage sind, auch anspruchsvollen Dichtungsumgebungen standzuhalten.  Wenden Sie sich an unsere Dichtungsexperten, wenn Sie weitere Unterstützung wünschen. Sie werden Ihnen gerne bei der Diagnose des Problems helfen und Lösungsvorschläge anbieten.

Häufige Ursachen für O-Ring-Versagen

Abrieb

Abrasion O-ring failureSichtbare Anzeichen: Die gleitenden Kontaktflächen des O-Rings sind abgerieben und bei übermäßigem Verschleiß zeigen sich stellenweise auch tiefere Einrisse und Brüche.

Ursache: Eine häufige Erscheinung bei dynamischen Anwendungen ist Abrieb durch übermäßige, wiederholte Reibung zwischen der O-Ring-Oberfläche und dem Gehäuse. Unsachgemäße Schmierung oder die Oberflächenbeschaffenheit der Metallkonstruktion können das Risiko erhöhen, ebenso wie das Eindringen scheuernder Verunreinigungen in das Dichtungssystem.

Lösung: Das richtige Schmieren der Dichtungssysteme ist von hoher Bedeutung. PPE hat eine Bandbreite an O-Ring-Dichtungsmaterialien mit verstärkter Abriebbeständigkeit im Angebot. Unsere Techniker können Sie außerdem hinsichtlich der richtigen Oberflächenbehandlung für die Metallteile beraten. Die Verwendung von Abstreifringen verringert einen möglichen Eintrag von Verunreinigungen.

Chemische Angriffe

Chemical attack O-ring failureSichtbare Anzeichen: Je nach Art der Chemikalien, gegen die abgedichtet wird, kann der O-Ring eine Reihe von Anzeichen, wie zum Beispiel Blasen, Risse, Härteveränderungen oder Verfärbung, aufweisen.

Ursache: Einige Chemikalien reagieren mit bestimmten Elastomeren. In der überwiegenden Anzahl der Fälle führt dies zu einer stärkeren Vernetzungsdichte, wodurch das Material hart und brüchig wird und seine Dichtfähigkeit verliert.  Kettenaufspaltung ist ebenfalls möglich und hat eine geringere Festigkeit zur Folge. Gelegentlich zeigt sich eine reduzierte Vernetzung, wodurch das Material weicher und klebrig wird und seine ursprüngliche Form und Festigkeit verliert.

Lösung:  Die richtige Auswahl des Elastomerwerkstoffs ist entscheidend, um die Kompatibilität der Dichtung mit den verwendeten Chemikalien zu gewährleisten.  Die Anfälligkeit gegenüber chemischen Angriffen wird durch hohe Temperaturen und durch Belastung der Dichtungen beschleunigt, beispielsweise durch übermäßiges Dehnen oder Quetschen und durch mechanische Beanspruchung.  Die Techniker von PPE können Ihnen das für Ihre Anwendungsparameter am besten geeignete Dichtungsmaterial empfehlen.  Wenn Sie ultimative Beständigkeit gegen Chemikalien und hohe Temperaturen brauchen, fragen Sie am besten nach unseren Perlast® Perfluorelastomeren (FFKM).  Überprüfen Sie die Medieneignung der wichtigsten Elastomerwerkstoffe anhand unseres Online-Leitfadens.

Chemische Volumenquellung

Chemical swell O-ring failureSichtbare Anzeichen: Der O-Ring ist anscheinend größer als zuvor. Dies kann einheitlich bei der gesamten Dichtung, aber auch nur an einzelnen, umgrenzten Stellen auftreten, die der Chemikalie ausgesetzt waren.

Ursache:  Die Chemikalie kann aufgrund einer Ähnlichkeit zwischen dem Compound und dem Medium in das Elastomer eindringen und es aufquellen lassen.  Das vermehrte Volumen der Dichtung kann zu einer Füllung der Stopfbuchse, zu Extrusion und Verlust der Dichtwirkung führen.  Chemische Volumenquellung kann auch einen Verlust der physikalischen Eigenschaften, zum Beispiel der Reißfestigkeit, zur Folge haben.

Lösung: Stellen Sie auf einen elastomeren Dichtungswerkstoff mit erwiesener Beständigkeit gegenüber der betreffenden chemischen Umgebung um.  Die Dichtungsexperten von PPE können Ihnen dabei helfen, einen Werkstoff zu finden, der eine dauerhafte Abdichtung gegen die Medien Ihrer Anwendung bietet. Überprüfen Sie die Medieneignung der wichtigsten Elastomerwerkstoffe anhand unseres Online-Leitfadens.
 

Druckverformungsrest

Compression set O-ring failureSichtbare Anzeichen: Der Querschnitt des O-Rings verliert seine Kreisförmigkeit und wird mehr zu einem Oval mit abgeflachten Oberflächen, die sich der Form der Nut oder Stopfbuchse angepasst haben.  Der O-Ring behält dauerhaft eine „Härtung“ oder Verformung zurück, das heißt er kann nach dem Aufheben der ihn verformenden Belastung nicht zu seiner ursprünglichen Form zurückkehren.  Dieser „Verformungsrest“ definiert sich als prozentualer Verlust der Komprimierung, im Vergleich zur ursprünglich angewendeten Komprimierung.

Ursache:  Bei höheren Temperaturen können physikalische und chemische Änderungen eintreten, die zu Druckverformungsrest führen.  Der Vernetzungsgrad kann zunehmen, wodurch der O-Ring seine Elastizität und die Fähigkeit verliert, zu seiner ursprünglichen Form zurückzukehren. Dabei handelt es sich um eine bleibende chemische Veränderung.  Wenn Dichtungen bei hohen Temperaturen Belastungen ausgesetzt werden, können sie sich möglicherweise nach der Entlastung nicht wieder erholen und zu ihrem Ursprungszustand zurückkehren. Dies wird häufig als „Cold Set“ (Kalthärtung) bezeichnet, ist aber durch Erwärmung reversibel.  Das Reduzieren des Querschnitts führt zu einer niedrigeren Kontaktdichtkraft, was bei Wärme- und Druckzyklen das Risiko von Leckagen im System erhöht. Zu den weiteren Ursachen gehören eine unsachgemäße Stopfbuchsenausführung, Volumenquellung aufgrund von Systemflüssigkeiten und eine unvollständige Aushärtung der Dichtung bei der Fertigung.  

Lösung: Die Auswahl von Elastomermaterialien mit niedrigem Druckverformungsrest und/oder hoher Temperaturbeständigkeit verlängert die Lebensdauer der Dichtung.  Das Design der Stopfbuchse sollte ebenfalls überprüft werden, um sicherzustellen, dass der O-Ring nicht übermäßig komprimiert und nicht zu sehr gequetscht wird.   Verformungsrest kann durch die Verwendung einer flexibleren Polymerstruktur reduziert werden, was sich in einer niedrigeren Glasübergangstemperatur niederschlägt.

Extrusion und Nibbeln

Extrusion O-ring failureSichtbare Anzeichen:  Die Kanten des O-Rings auf der Niederdruckseite sehen angeknabbert, abgesplittert oder „rüschenbesetzt“ aus.   In schweren Fällen treten Abschabungen auf und die Oberfläche des O-Rings wirkt wie abgeblättert.

Ursache: Durch starke Belastungen, für gewöhnlich als Ergebnis hoher Drücke, wird das Material in den Verdrängungsspalt gedrückt. Dieser Prozess wird gemeinhin als Extrusion bezeichnet. Hochdruckimpulse können den Spalt zwischen den Stoßkanten öffnen und schließen. Dadurch kann der O-Ring zwischen den scharfen Kanten der Gegenflächen eingeklemmt werden, wodurch es zu einer Zerstörung der Dichtfläche und letztendlich zum Versagen der Dichtung kommt (auch „Nibbeln“ genannt).

Lösung: Ein härterer Dichtungswerkstoff kann hier nützlich sein, ebenso wie der Einsatz von Stützvorrichtungen, um Fugen wirkungsvoll zu verringern. Ihr PPE Dichtungsexperte kann Sie auch zur Installation von O-Ringen mit korrekter Größe und Stützvorrichtungen für Ihre Anwendung beraten, mit denen Sie Zwischenräume verengen und das Risiko von Extrusion und Nibbeln minimieren können.

Explosive Dekompression

Explosive decompression O-ring failureSichtbare Anzeichen: Die Oberfläche der Dichtung kann mit Blasen bedeckt, gebrochen, von tiefen Spalten durchzogen oder im schlimmsten Falle auch vollständig zerrissen sein.

Ursache:  Wenn Elastomerdichtungen über längere Zeiträume hinweg Gas mit hohem Druck und hohen Temperaturen ausgesetzt sind, dringt das Gas in die Polymerverbindung ein.  Beim Aufheben des hohen Drucks fällt das im Material gelöste Gas wieder aus und bildet Mikroblasen.  Durch die Ausdehnung des Gases tritt es aus dem Material heraus. Ein Versagen tritt auf, wenn Dekompressions- und Expansionsrate hoch sind und sich das in der Dichtung eingeschlossene Gas so stark ausdehnt, dass das Material die Gasblasen nicht mehr zurückhalten kann.

Lösung: Eine längere Dekompressionszeit und das Verringern der Temperatur wird die Gefahr von Schäden durch explosive Dekompression (ED) in der Regel mindern, ebenso wie die Auswahl eines gegenüber ED beständigen Werkstoffs.  PPE ist branchenführend in der Entwicklung von ED-beständigen Elastomerdichtungen und O-Ringen, die für die Verbesserung der Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit sorgen und folgende internationale Normen erfüllen :NACE TM0187, TOTAL GS EP PVV 142 Anhang 8, NORSOK M710 Anlage B und ISO 23936-2 Anlage B.

Montageschäden

Installation damage O-ring failureSichtbare Anzeichen: Beschädigungen von Dichtungen während des Einbaus sind häufig an spezifischen und exakten Schnitten und Einkerbungen auf der Dichtungsfläche zu erkennen, wobei die Schäden auf Oberfläche des O-Rings begrenzt sind.

Ursache: Montageschäden können vielerlei Formen annehmen, vom „Abschälen“ der Dichtung durch Metallbauteile bis hin zur Zerstörung durch unachtsamen Einbau von verschmutzten, verdrehten oder mangelhaft geschmierten Dichtungen. Eine falsche Größe der Dichtung für eine Anwendung ist ebenfalls ein wichtiger Faktor bei Montageschäden.

Lösung: Ausreichende Sorgfalt beim Einbau der O-Ringe ist grundlegend, um Montageschäden zu vermeiden. Das Abdecken von scharfen Kanten und Drähten mit Band oder Schutzhüllen wird Einkerbungen der Oberfläche verhindern. Montageteile mit geeigneten Einführschrägen in Kombination mit der geeigneten Schmierung sind hilfreich für den erfolgreichen Zusammenbau der Hardware.

Ausgasen

outgassed o-ringsSichtbare Anzeichen: Normalerweise zeigt die Dichtung dabei keine sichtbaren Veränderungen. In extremen Fällen ist ein Schrumpfen zu erkennen.

Ursache: Unter Vakuumbedingungen kann es vorkommen, dass einzelne Inhaltsstoffe in der Elastomermischung freigesetzt (flüchtig) werden. Dabei kann es sich entweder um Bestandteile der Elastomerzusammensetzung, um Abbauprodukte der Inhaltsstoffe oder um andere, beim Formen in der Polymermatrix eingeschlossene Gase handeln.  Bei Halbleiteranwendungen können ausgegaste Moleküle zu Verunreinigungen bei der Wafer-Verarbeitung führen. Bei industriellen Anwendungen kann das Ausgasen die Vakuumleistung beeinträchtigen.

Lösung: Werkstoffe, die aus reinen Polymeren und ohne flüchtige Inhaltsstoffe (wie z. B. Weichmacher, Wachse usw.) zusammengesetzt sind, haben eine geringe Ausgasung. Durch das Verwenden von Werkstoffen mit der passenden Temperatur für die Anwendung kann das Ausgasen ebenfalls auf einem möglichst niedrigen Niveau gehalten werden.

Plasmabbau

Plasma degradation O-ring failureSichtbare Anzeichen: Ein wichtiges Anzeichen ist ein gleichmäßiger Materialverlust auf der Oberfläche des Teils, das in Kontakt mit dem Plasma kommt. Je nach Art des Füllstoffs des Materials sind gelegentlich pulverartige Rückstände auf den Dichtflächen sowie Verfärbungen zu beobachten.

Ursache: Plasmen bestehen aus mit extrem hoher Energie ionisierten Gasen und/oder Radikalen, welche das organische „Rückgrat“ des Materials angreifen und kleine Moleküle oder Partikel bilden. Das Ätzen erfolgt durch Ionenbeschuss in Kombination mit einem chemischen Angriff.

Lösung: Bei einem längerfristigen Kontakt mit Plasma sind Dichtungsschäden unausweichlich. Die Medienverträglichkeit des Materials kann eine längere Beständigkeit gegen Schäden bieten, die Lebensdauer der Dichtung verlängern und die Auswirkungen von Stillstandzeiten verringern. Fragen Sie Ihren Dichtungsexperten bei PPE nach Perlast®, Nanofluor® und Kimura®. Diese Werkstoffe bieten Plasmabeständigkeit, die mit vielen hochreinen FFKM-Klassen vergleichbar oder sogar besser ist.

Spiralfehler

Sprial O-ring failureSichtbare Anzeichen: Die Dichtung zeigt ein verdächtiges Spiralmuster an der Außenseite und auf der Dichtungsoberfläche (an den Stellen mit der stärksten Belastung) und daran anschließende tiefe Einschnitte in 45-Grad-Winkeln.

Ursache: Die Spiralbildung eines O-Rings kann während einer dynamischen, wiederkehrenden Bewegung auftreten – bei der Montage oder bei der Verwendung. Das Ausmaß der Spiralbildung wird durch viele verschiedene Faktoren beeinflusst, wie unter anderem ungleichmäßige Oberflächenbearbeitung, mangelhafte Schmierung, Reibung, Montagefehler und exzentrische Bauteile.

Lösung: Ein härterer Werkstoff für den O-Ring ist eine gute Ausgangsbasis für das Vermeiden von Spiralbildung. Sie können auch ein anderes Dichtungsprofil in Erwägung ziehen, wie z. B. die X-Ringe (Quad-Ringe) und D-Dichtungen von PPE, die ohne Kompromisse bei der Dichtwirkung nachweislich resistent sind gegen Spiralbildung.  Wenn eine Dichtung für hohe Drücke benötigt wird, bietet sich die T-Dichtung an. Sie ist robust und verfügt über zusätzliche Stützringe. X-Ringe, D-Dichtungen und T-Dichtungen passen normalerweise in Nuten/Stopfbuchsen für O-Ringe.

Thermischer Abbau

Thermal degradation O-ring failureSichtbare Anzeichen: Es können Fälle von Radialrissen auf Oberflächen auftreten, die sehr hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Wenn das Dichtungsmaterial anfällig für eine thermische Enthärtung ist, kann die Oberfläche des Weiteren an einigen Stellen glänzender werden. Thermischer Abbau tritt häufig in Verbindung mit Druckverformungsrest auf.

Ursache: Bei der Anwendung wurde die Höchsttemperatur für das ausgewählte Dichtungsmaterial überschritten .  Höhe Temperaturen können zu einer stärkeren Vernetzung führen und damit zu mehr Härte und Modulus, wodurch die Elastomere an Elastizität verlieren.

Lösung:  Die offensichtliche Lösung besteht in der Auswahl eines Elastomerwerkstoffs mit einer Beständigkeit gegen höhere Temperaturen.  PPE kann mit seinem Sortiment an Perlast® Perfluorelastomeren (FFKM)
eine zuverlässige Abdichtung bei hohen Temperaturen bis zu 325° C gewährleisten.

Thermische Extrusion

Thermal extrusion O-ring failureSichtbare Anzeichen: Es gibt klare Anzeichen von Verformungsrest bei einem O-Ring, der kein rundes Profil mehr hat.  An zwei gegenüber liegenden Seiten ist der Rand „gerüscht“, oder es gibt „angefressene“ Stellen (Nibbeln), wo die Oberfläche des O-Rings teilweise beschädigt wurde. Bei Anwendungen mit hohen Drücken, wird Extrusion oder Nibbeln möglicherweise auf der Hochdruckseite abgehalten und ist nur auf der Niederdruckseite zu erkennen. Der O-Ring übernimmt oft die Form der Nut.

Ursache:  Der Wärmeausdehnungskoeffizient (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) eines Elastomers ist in der Regel wesentlich höher als derjenige der es umgebenden Montageteile.  Dies bedeutet, dass sich das Volumen des Elastomers bei hohen Temperaturen stärker ausdehnt als das umgebende Material. Es kann daher vorkommen, dass O-Ringe die Nut ausfüllen und anschließend in den Verdrängungsspalt extrudieren.

Lösung:  Das Design der Nut bzw. der Stopfbuchse sollte dahingehend optimiert werden, dass ausreichend Zwischenraum zur Verfügung steht, um das zusätzliche Dichtungsvolumen bei hohen Temperaturen aufzunehmen, um so einer „Buchsenfüllung“ vorzubeugen. Sehen Sie dazu auch unseren Leitfaden zu Nut/Hardware-Abmessungen auf unserer Website an. 

UV-Degradierung

Sichtbare Anzeichen: Das erste Anzeichen bei direkt ausgesetzten Dichtungsflächen ist die Verfärbung. Bei einer sehr starken Aussetzung neigt dafür anfälliges Material zum Reißen und in extremen Fällen auch zum Zerfall.

Ursache: Ultraviolettes Licht kann auf Elastomerwerkstoffe eine zerstörerische Wirkung ausüben. UV-Licht hat eine kurze Wellenlänge und damit eine starke Kraft, die auf die Molekülstrukturen der exponierten Seite des Elastomers einwirken kann. Dies führt im Allgemeinen zu einer Spaltung der Polymerketten und verursacht Risse auf der Oberfläche, die zu Leckagen und frühzeitigem Versagen der Dichtung führen.

Lösung: Schwarze Werkstoffe sind gegen Schäden durch UV-Licht in der Regel besser geschützt als andere Farben und auch fluorierte Werkstoffe zeigen hier eine höhere Beständigkeit.  Bei UV-Verfahren, die zur Sterilisation und in der Halbleiterproduktion eingesetzt werden, kann Ihnen PPE Werkstoffempfehlungen aussprechen.

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