Уплотнения VITON® для вакуумной техники: витоновые О-кольца и шнуры Ликлаб

Уплотнительные О-кольца из фторкаучука (FKM, Viton®) являются базовым элементом герметизации быстроразъемных соединений в вакуумной технике, криогенных системах, газовой и химической промышленности. Материал Viton® отличается низкой газовой проницаемостью, высокой химической стойкостью и стабильностью размеров, поэтому витоновые О-кольца и уплотнительные шнуры Ликлаб широко применяются в вакуумных камерах, насосах, гелиевых течеискателях, масс-спектрометрах и другой высокотехнологичной аппаратуре.

Оптимальная герметичность витонового О-кольца достигается при радиальном или осевом сжатии профиля примерно на 30–40 % от исходного диаметра сечения. Избыточное затягивание фланца или крышки не повышает герметичность, а напротив, ускоряет старение материала, приводит к ползучести, трещинам и сокращает срок службы уплотнения. В отличие от многих других эластомеров, витоновые уплотнения не требуют дополнительной смазки для достижения герметичности, при условии корректного подбора посадочного места и прижима.

 

Эксплуатационные свойства фторкаучука (FKM)

Фторкаучук, используемый для изготовления витоновых О-колец и шнуров, сочетает высокую термостойкость, химическую инертность и стабильность механических характеристик. Материал устойчив к озону, кислороду, атмосферному старению, воздействию минеральных масел, синтетических гидравлических жидкостей, топлив, ароматических и хлорированных углеводородов, большинству органических растворителей и промышленным химическим средам. Это делает витоновые уплотнения Ликлаб удобным «универсальным» решением для вакуумных систем, работающих с широким спектром рабочих газов и жидкостей.

Рекомендуемый рабочий температурный диапазон витоновых уплотнений Ликлаб составляет от −30 °C до 260 °C. Повышение температуры выше верхней границы приводит к ускоренному старению, потере эластичности, появлению трещин и, как следствие, к росту утечек. Работа при температурах ниже −30 °C неблагоприятно влияет на эластомер: материал становится жестким, ухудшается способность к компенсации допусков, повышается риск нарушения герметичности при циклических нагрузках и вибрации.

Химическая стойкость витоновых уплотнений

Витоновые О-кольца и шнуры Ликлаб сохраняют герметизирующую способность при длительном контакте с минеральными маслами и смазками, невоспламеняющимися гидравлическими жидкостями типа HFD, силиконовыми маслами, алифатическими углеводородами (пропан, бутан, природный газ), ароматическими углеводородами (бензол, толуол), хлорированными углеводородами, бензином, спиртами и рядом других веществ. Материал устойчив к озону и воздействию внешней среды, отличается хорошей стойкостью к старению, что особенно важно при длительной эксплуатации вакуумных систем с редкими остановками на сервис.

В то же время существуют среды, с которыми использование фторкаучука не рекомендуется. Витоновые уплотнения плохо совместимы с тормозными жидкостями на основе гликоля, аммиаком и аминами, щелочами, перегретым паром, а также низкомолекулярными органическими кислотами, такими как муравьиная и уксусная. В подобных случаях для герметизации следует выбирать альтернативные материалы или использовать конструктивные решения, исключающие прямой контакт витонового уплотнения с агрессивной средой.

Газопроницаемость витоновых О-колец в вакуумной технике

Несмотря на низкую газовую проницаемость по сравнению с большинством других эластомеров, Viton® не является абсолютным барьером. При наличии перепада давления газ постепенно проникает через объем уплотнения за счет диффузии и растворения в материале. Для вакуумной техники это означает, что даже при отсутствии технологических дефектов и видимых течей витоновое О-кольцо формирует небольшой, но конечный поток газа в вакуумный объем или наружу.

Процесс диффузии не мгновенный. Для установления стационарного потока требуются десятки минут или часы, в зависимости от толщины уплотнения, температуры и вида газа. При контроле герметичности методом обдува гелием важно учитывать задержку во времени: кратковременная подача гелия на витоновое кольцо может не показать натекания, тогда как при длительном воздействии формируется измеримый поток гелия через материал.

Удельная газовая проницаемость витона

Удельная газовая проницаемость фторкаучука Viton® для различных газов при заданных температурах может быть представлены в обобщенном виде. Значения приведены в стандартных см³/(см²·с·атм).

Газ	Температура, °C	Удельная проницаемость, стнд. см³/(см²·с·атм)
Азот	30	2,33·10-9
Кислород	26	1,7·10-8
Фреон-22	25	5,7·10-7
Гелий	30	1,27·10-7
Метан	30	1,2·10-9
Водород	93	1,6·10-6
Аргон	93	3,1·10-7
Криптон	93	2,5·10-7
Ксенон	93	1·10-8

Для оценки потока через конкретное уплотнение из витона необходимо учитывать площадь контакта, толщину кольца и перепад давления. Например, изделие, заполненное гелием при давлении порядка 1 атм, оснащенное витоновым О-кольцом стандарта ISO-100, будет терять гелий лишь за счет диффузии через Viton® с потоком примерно 3·10^-7 Па·м³/с даже при полном отсутствии конструктивных течей. Аналогичным образом в вакуумную камеру через витоновые уплотнения медленно «заходят» компоненты атмосферы.

Для оценки потока конкретного газа из воздуха в вакуум необходимо умножать диффузионный поток через О-кольцо на долю этого газа в составе атмосферы. Так, поток кислорода через витоновое кольцо на фланце KF-25 после установления стационарного режима при комнатной температуре и перепаде давления в 1 атм может составлять величину порядка 2·10^-9 Па·м³/с. При длительной подаче гелия снаружи аналогичный фланец покажет натекание порядка 6·10^-8 Па·м³/с, что уже регистрируется гелиевым течеискателем.

Особенно велика проницаемость фреона-22 через витоновые уплотнения, которая превосходит даже диффузионную способность гелия. При повышении температуры все газовые потоки через эластомер возрастают по экспоненциальному закону, поэтому при проектировании высокотемпературных вакуумных систем требуется учитывать вклад диффузии через все неметаллические элементы, включая О-кольца и шнуры.

Срок службы и механические характеристики витоновых уплотнений

Фторкаучук, применяемый для изготовления уплотнительных элементов Ликлаб, имеет твердость порядка 75 единиц по шкале Шора B. По ощущениям это материал, сопоставимый по мягкости с резиновой пробкой и одновременно достаточно жесткий, чтобы выдерживать многократные циклы сборки-разборки фланцевых соединений без разрушения.

Рекомендуемый интервал плановой замены витоновых уплотнений в статических вакуумных соединениях составляет около одного года при нормальных условиях эксплуатации. В динамических узлах, например в запорной и регулирующей арматуре, срок службы обычно сокращают до полугода. Основным признаком необходимости замены служит потеря эластичности: уплотнение сохраняет форму деформированного сечения, становится жестким и ломким, появляются видимые трещины, локальные подрывы, следы выкрашивания.

При заранее спланированной технической политике регулярная замена витоновых О-колец позволяет существенно снизить риск внезапных утечек, попадания воздуха и влаги в вакуумный объем, загрязнения масла насосов и появления непредсказуемых фоновых газов при течеискательном контроле.

Стандарты и размерные ряды витоновых О-колец Ликлаб

Витоновые уплотнения Ликлаб изготавливаются в соответствии с несколькими международными стандартами, что упрощает их применение в существующих системах. Базовым является японский промышленный стандарт JIS B 2401, в рамках которого задаются группы уплотнений по назначению и диапазону размеров, а также американский стандарт AS 568A, применяемый в аэрокосмической и общей машиностроительной практике. Часть изделий производится в метрическом стандарте METRIC N, что удобно при проектировании вакуумных камер и фланцевых соединений с применением современного оборудования.

Обозначение типового витонового О-кольца может иметь вид: JISB2401 P18 ID 17,80 × CS 2,40 mm (75B) FKM75. В этой записи зашифрованы стандарт, группа и размерные параметры. JISB2401 указывает на стандарт, индекс P18 – на принадлежность к группе и условный размер. Для стандарта JIS группа P предназначена для динамических уплотнений, допускающих относительное движение элементов, группа G – для статических соединений, группа S описывает специальные размеры, а группа V ориентирована на применение во фланцах вакуумной арматуры. Параметры ID и CS задают внутренний диаметр и диаметр сечения, а обозначения 75B и FKM75 характеризуют материал (фторкаучук) и твердость по Шору.

Наличие различных стандартов позволяет подбирать витоновые О-кольца Ликлаб для интерфейса с фланцами NW/KF, ISO, а также с особыми посадочными местами в насосах, криогенных системах, соединительной арматуре, узлах гелиевых течеискателей и вакуумных измерительных линиях.

Особенности применения витоновых уплотнений в вакуумных и гелиевых системах

Вакуумные системы и установки для контроля герметичности предъявляют особые требования к уплотнительным материалам. Витоновые О-кольца являются де-факто стандартом для быстросъемных соединений в диапазоне от форвакуума до высокого вакуума, благодаря сочетанию низкой газовой проницаемости, стабильности размеров и удобства монтажа. Однако при проектировании систем с предельно низкими допустимыми утечками необходимо учитывать не только герметичность металлических сварных швов и резьб, но и диффузионные потоки через все витоновые элементы.

Для гелиевого течеискания это особенно важно. При кратковременном обдуве соединения гелием натекание через витоновое кольцо может не проявиться, и объект будет казаться герметичным. При длительной подаче гелия, если система рассчитана на сверхнизкие уровни утечки, течеискатель зафиксирует рост фона, обусловленный именно диффузией газа через материал, а не дефектами металлоконструкции. Поэтому при разработке методик контроля герметичности изделий с витоновыми уплотнениями специалисты Ликлаб учитывают характерные времена диффузии и выбирают режимы испытаний, позволяющие разделить технологические течи и диффузионные потоки.

В приборах с особо жесткими требованиями к герметичности и долговременному сохранению вакуума, таких как прецизионные масс-спектрометры и высокочувствительные анализаторы, иногда вводится ограничение на использование неметаллических уплотнений. В этом случае витон может применяться только в сервисных и внешних зонах, а основные вакуумные объемы герметизируются металл-металл соединениями или сваркой. Тем не менее, для подавляющего большинства промышленных и лабораторных задач правильно подобранные и обслуживаемые витоновые О-кольца обеспечивают требуемый уровень герметичности.

Роль лаборатории Ликлаб в подборе и применении витоновых уплотнений

Лаборатория Ликлаб сочетает практический опыт эксплуатации вакуумных систем, проведение испытаний на герметичность и разработку методик контроля с поставкой витоновых уплотнений для промышленности. Специалисты Ликлаб подбирают типоразмеры и стандарты О-колец и шнуров Viton® под конкретные фланцы и агрегаты, учитывают рабочие температуры, состав рабочей среды, требования по максимально допустимому потоку утечки и режимы вакуумной откачки.

Ассортимент включает витоновые шнуры для герметизации крышек крупногабаритных вакуумных камер, уплотнения группы JIS V для вакуумных фланцев, статические О-кольца JIS G, уплотнения стандарта AS 568A, метрические уплотнения METRIC N, а также динамические О-кольца JIS P для арматуры и подвижных узлов. Такой набор решений позволяет строить и модернизировать вакуумные системы разного уровня сложности – от лабораторных стендов до промышленных установок масс-спектрометрического контроля герметичности.

Заключение

Витоновые уплотнения являются одним из ключевых элементов надежной герметизации разъемных соединений в вакуумной и газовой технике. Они обеспечивают низкий уровень утечек, устойчивость к агрессивным средам и высокую стабильность характеристик на протяжении длительного срока службы. При этом необходимо помнить, что даже Viton® допускает диффузионное проникновение газов при наличии перепада давления, и поток может достигать величин порядка 10^-6 Па·м³/с для отдельных газов и размеров уплотнений.

При проектировании чувствительных систем контроля герметичности, гелиевого течеискания и длительной эксплуатации вакуумного оборудования следует учитывать вклад витоновых О-колец и шнуров в общий баланс утечек, корректно выбирать температурный и средовой диапазон применения, а также планировать своевременную замену уплотнений. Лаборатория Ликлаб использует накопленный опыт, экспериментальные данные по газопроницаемости и знания стандартов JIS, AS 568A и METRIC при подборе, поставке и внедрении витоновых уплотнений на предприятиях различных отраслей.

Литература

1) Courtney W. J., Schipma P. B. A new handbook for the aerospace engineer – NASA permeability data for aerospace applications, 1968.

2) Vinogradov M. L., Barchenko V. T. Measurement of the gas permeation through the composite materials // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), IEEE NW Russia, 2015, pp. 40–44.

3) AI-AEC-13145, Design Guide for Reactor Cover Gas Elastomeric Seals, 7 March 1975.

4) Vinogradov M. L. et al. Gas Permeation through Vacuum Materials: Mass-spectrometry Measurement System // Vakuum in Forschung und Praxis, 2015, Vol. 27, No. 3, pp. 26–29.