01.10.2020
Risse in einem O-Ring auf Basis von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM)

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

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 Einsatzdauer mehrere Jahrzehnte betragen kann.

Im vorliegenden Paper werden Erkenntnisse aus unabhängig von der BAM durchgeführten Alterungsversuchen über fünf Jahre präsentiert und diskutiert, u.a. im Hinblick auf die Zuverlässigkeit von Lebensdauervorhersagen. Die Versuche wurden exemplarisch an kommerziellen O-Ringen auf Basis von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Hydriertem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) und Fluorkautschuk (FKM) durchgeführt, die bei ca. 23 °C, 60 °C, 75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C gealtert wurden. Die O-Ringe wurden sowohl im unverpressten als auch im um ca. 25 % verpressten Zustand, der den Einsatzbedingungen entspricht, gealtert. Mittels Härte- und Dichtemessung sollte untersucht werden, ob und ggf. wie sich diese Verpressung während der Alterung auswirkt. Allerdings stellte sich heraus, dass einige dieser Messungen durch diffusionsbegrenzte Oxidationseffekte (engl. DLO-Effekte), die ein Oxidationsgefälle in der Probe verursachen, verfälscht sind. Aus diesem Grund wurde eine spezielle Härtemessung an der seitlichen Oberfläche der O-Ringe durchgeführt, wo keine DLO-Effekte auftreten können. Die verfügbaren Ergebnisse an EPDM- und HNBR-Proben zeigten keinen signifikanten Einfluss der Verpressung während der Alterung.

Weiterhin wurde der Druckverformungsrest (DVR) bestimmt, der ein Maß für die Rückstellfähigkeit von Elastomeren nach Alterung im verpressten Zustand ist (DVR = 100 % entspricht keinerlei Rückstellung). Die DVR-Werte wurden als Basis für die Lebensdauervorhersage mittels des Zeit-Temperatur-Verschiebungs-Ansatzes (engl. TTS) gewählt. Mit dem TTS-Ansatz kann die Lebensdauer bei niedrigen Temperaturen durch Verschiebung der Daten von höheren Temperaturen auf der Zeitachse ermittelt werden. Mit einem Lebensdauerkriterium von 70 % DVR ergaben sich bei 75 °C Lebensdauern von ca. 4,5 Jahren für das HNBR, 50 Jahre für das EPDM und 526 Jahre für das FKM.

Um die Genauigkeit der Vorhersage zu überprüfen, wurden für das EPDM-Material die extrapolierte Lebensdauer (5,2 Jahre aus 150 °C-Daten, 4,8 Jahre aus 125 °C-Daten) und die tatsächliche Lebensdauer (5 Jahre) bei 100 °C verglichen, die nur eine geringe Abweichung von ± 4 % aufwiesen. Diese hohe Genauigkeit der Vorhersage konnte jedoch nur erreicht werden, wenn Daten mit über drei Jahren Alterungsdauer zugrunde gelegt wurden.

Insights for lifetime predictions of O-ring seals from five-year long-term aging tests
Anja Kömmling, Matthias Jaunich, Milan Goral, Dietmar Wolff
Polymer Degradation and Stability, Band 179, Heft 38, Seite 109278 ff., 2020
BAM Fachbereich Sicherheit von Lagerbehältern