01.09.2019
Ausschnitt eines HNBR-O-Rings

Stark vergrößerter Ausschnitt eines HNBR-O-Rings mit 10 mm Schnurdurchmesser und 190 mm Innendurchmesser, der für 224 Tage bei 150 °C gealtert wurde. Auf der Oberfläche sind viele kleine und ein großer Riss zu sehen.

Quelle: BAM, Fachbereich Sicherheit von Lagerbehältern

Der Fachbereich Sicherheit von Lagerbehältern der BAM führt im Rahmen atomrechtlicher Genehmigungsverfahren die sicherheitswissenschaftliche Begutachtung von Lagerbehältern für radioaktive Stoffe durch. In solchen Behältern kommen auch Elastomerdichtungen zum Einsatz, deren Betriebsdauer mehrere Jahrzehnte betragen kann. Aus diesem Grund ist die Alterung und Lebensdauervorhersage von Elastomerdichtungen ein relevantes Forschungsthema im Fachbereich, zu dem seit mehreren Jahren Untersuchungen laufen. Dabei wurden vertiefte Kenntnisse darüber gewonnen, wie die Alterung von verschiedenen Elastomerklassen abläuft und wie die Lebensdauer von O-Ring-Dichtungen bestimmt werden kann. Im vorgestellten Paper liegt der Schwerpunkt auf der Analyse von Versagensmechanismen der Dichtungen. Außerdem wird eine Methode zur Bestimmung eines Lebensdauerkriteriums präsentiert. Teile der Messergebnisse entstanden in Kooperation mit der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm.

Das Paper umfasst Teilergebnisse der umfangreichen Alterungsuntersuchungen, die jedoch nicht an tatsächlich für diesen Einsatzzweck verwendeten Materialien, sondern an kommerziellen Standardmaterialien der jeweiligen Elastomerklasse durchgeführt wurden. Bis zu 1,5 Jahre bei 150 °C und 125 °C gealterte O-Ringe aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) und Hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) wurden unter statischen Einsatzbedingungen untersucht. Dabei wurden sowohl ungeschmierte als auch geschmierte Dichtungen verwendet. Veränderungen der Materialeigenschaften wurden mit dynamisch-mechanischer Analyse sowie Gasdurchlässigkeitsmessungen untersucht. Es zeigte sich ein Anstieg der Glasübergangstemperatur sowie eine Abnahme der Sauerstoffdurchlässigkeit mit zunehmender Alterung. Indentermodulmessungen wurden genutzt, um diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (engl. DLO-Effekte) zu untersuchen. Wenn DLO-Effekte vorhanden sind, schreitet die Alterung der Dichtflächen von den Seiten her voran, bis die Dichtfläche vollständig verhärtet ist. Es stellte sich heraus, dass die O-Ringe unter statischen Bedingungen dicht bleiben können, obwohl die Materialeigenschaften schon stark degradiert sind. Dies trifft insbesondere zu, wenn Adhäsionseffekte („Kleben“ der Dichtung am Flansch) spürbar sind. Wenn ein Schmiermittel als Trennschicht zwischen Gummi und Metall aufgebracht wurde, um ein Ankleben zu verhindern, trat Leckage entsprechend schon viel früher auf.

Um ein Lebensdauerkriterium für O-Ring-Dichtungen zu bestimmen, das mit dem Auftreten von Leckage als direkter Indikator für die Dichtwirkung zusammenhängt, aber konservativer ist als der Zeitpunkt des Dichtungsversagens unter statischen Bedingungen, wurde ein modifizierter Leckagetest entwickelt, der eine kleine, schnelle Teilentlastung der Dichtung während der Leckageratenmessung beinhaltet. Dieser Test führte zu einem früheren Versagen der untersuchten EPDM-Dichtung und stellt dadurch eine zusätzliche Sicherheit im Falle möglicher Relativbewegungen des Dichtsystems dar. Wenn die aus diesem Test abgeleitete Lebensdauer mit anderen Methoden korreliert wird, zeigten Druckverformungsrest, Druckspannungsrelaxation und Bruchdehnung ähnliche deutliche Veränderungen um ca. 85-90 % für diesen Alterungszustand. Die vorgestellte Methode kann an unterschiedliche Materialien, Geometrien und Anwendungsbedingungen angepasst werden, um ein spezifisches Lebensdauerkriterium für O-Ring-Dichtungen zu bestimmen.

Analysis of O-Ring Seal Failure under Static Conditions and Determination of End-of-Lifetime Criterion
Anja Kömmling, Matthias Jaunich, Payam Pourmand, Dietmar Wolff and Mikael Hedenqvist
erschienen in Polymers 2019, Volume 11, Issue 8, first page 1251
BAM, Fachbereich Sicherheit von Lagerbehältern