O-prstenovi su najčešći mehanički dizajn za brtvljenje zbog niske cijene, jednostavne proizvodnje, pouzdanog rada i jednostavnih zahtjeva za ugradnju. Iako su O-prstenovi jeftini, u nekim će specifičnim okruženjima česta zamjena povećati troškove održavanja stroja i utjecati na normalan rad opreme. Stoga je potrebno razumjeti karakteristike O-prstenova.
Na -50 do -60 stupnjeva, gumeni materijali koji nisu otporni na niske temperature potpuno će izgubiti svoje početno naprezanje; čak i za gumene materijale otporne na niske temperature, početno naprezanje u ovom trenutku neće biti veće od 25 posto početnog naprezanja na 20 stupnjeva. To je zato što početna kompresija O-prstena ovisi o koeficijentu linearnog širenja.
Neodgovarajući dizajn i uporaba O-prstena ubrzat će njegovo oštećenje i izgubiti njegovu učinkovitost brtvljenja.
Eksperimenti su pokazali da ako je dizajn svakog dijela uređaja brtvenog prstena razuman, jednostavno povećanje tlaka neće uzrokovati oštećenje O-prstena. Pod radnim uvjetima visokog tlaka i visoke temperature, glavni uzrok oštećenja O-prstena je trajna deformacija materijala O-prstena, ugriz zazora uzrokovan stiskanjem O-prstena u brtveni otvor i iskrivljenje O-prsten tijekom kretanja.
Trajna deformacija Budući da je sintetički gumeni materijal koji se koristi za brtveni prsten O-prstena viskoelastičan materijal, početno postavljeni iznos kompresije i sposobnost blokiranja odskoka trajno će se deformirati i postupno izgubiti nakon dugotrajne uporabe, što će na kraju rezultirati curenjem.
Trajna deformacija i gubitak elastične sile glavni su razlozi zbog kojih O-prstenovi gube svoj učinak brtvljenja. Sljedeći su glavni razlozi trajne deformacije.
Odnos između omjera kompresije i količine istezanja te trajne deformacije
Različite formulacije gume koje se koriste za izradu O-prstenova proizvest će popuštanje tlačnog naprezanja u komprimiranom stanju. U ovom trenutku, tlačno naprezanje će se smanjiti s povećanjem vremena. Što je duže vrijeme rada, to je veća stopa kompresije i istezanja, to je veći pad naprezanja uzrokovan popuštanjem naprezanja gume, tako da je O-prsten nedovoljno elastičan i gubi sposobnost brtvljenja. Stoga je preporučljivo pokušati smanjiti omjer kompresije u dopuštenim uvjetima uporabe.
Povećanje veličine poprečnog presjeka O-prstena je najlakši način za smanjenje omjera kompresije, ali to će povećati strukturnu veličinu. Treba napomenuti da kada ljudi izračunavaju omjer kompresije, često zanemaruju smanjenje visine presjeka uzrokovano rastezanjem O-prstena tijekom sastavljanja. Promjena površine poprečnog presjeka O-prstena obrnuto je proporcionalna promjeni njegova opsega. Pritom će se zbog djelovanja napetosti promijeniti i oblik poprečnog presjeka O-prstena, što se očituje smanjenjem njegove visine. Osim toga, zbog površinske napetosti, vanjska površina O-prstena postaje ravnija, tj. visina presjeka se malo smanjuje. Ovo je također manifestacija popuštanja kompresije O-prstena.
Stupanj deformacije dijela O-prstena također ovisi o tvrdoći materijala O-prstena. U slučaju iste količine rastezanja, O-prsten s velikom tvrdoćom također će imati veće smanjenje visine poprečnog presjeka. S ove točke gledišta, materijale niske tvrdoće treba birati što je više moguće prema uvjetima uporabe. Pod djelovanjem pritiska i napetosti tekućine, gumeni O-prsten će se postupno plastično deformirati, a njegova visina poprečnog presjeka će se sukladno tome smanjiti, tako da će na kraju izgubiti sposobnost brtvljenja.
Odnos između temperature i procesa opuštanja O-prstena
Radna temperatura je još jedan važan faktor koji utječe na trajnu deformaciju O-prstena. Visoke temperature će ubrzati starenje gumenih materijala.
Što je viša radna temperatura, to je veći stupanj kompresije O-prstena. Kada je trajna deformacija veća od 40 posto, O-prsten gubi svoju sposobnost brtvljenja i curi. Početna vrijednost naprezanja nastala u gumenom materijalu O-prstena uslijed deformacije kompresije postupno će se smanjivati i čak nestati s procesom opuštanja i padom temperature O-prstena. Za O-prstenove koji rade na temperaturama ispod ništice, njihova početna kompresija može biti smanjena ili potpuno nestati zbog naglog pada temperature. Na -50 do -60 stupnjeva, gumeni materijali koji nisu otporni na niske temperature potpuno će izgubiti svoje početno naprezanje; čak i za gumene materijale otporne na niske temperature, početno naprezanje u ovom trenutku neće biti veće od 25 posto početnog naprezanja na 20 stupnjeva. To je zato što početna kompresija O-prstena ovisi o koeficijentu linearnog širenja. Stoga, pri odabiru početne kompresije, potrebno je osigurati da još uvijek postoji dovoljna sposobnost brtvljenja nakon pada naprezanja uslijed procesa opuštanja i pada temperature. Za O-prstenove koji rade na temperaturama ispod nule, posebnu pozornost treba obratiti na indeks oporavka i indeks deformacije gumenog materijala.
Ukratko, dizajn bi trebao pokušati osigurati da O-prsten ima odgovarajuću radnu temperaturu ili odabrati materijale O-prstena otporne na visoke i niske temperature kako bi se produžio životni vijek.
Srednji radni tlak i trajna deformacija Tlak radnog medija je glavni faktor koji uzrokuje trajnu deformaciju O-prstena.
Radni pritisak moderne hidraulične opreme raste iz dana u dan. Dugotrajni visoki tlak uzrokovat će trajnu deformaciju O-prstena. Stoga bi tijekom projektiranja trebalo odabrati odgovarajuće gumene materijale otporne na pritisak prema radnom tlaku. Što je veći radni tlak, to bi trebala biti veća tvrdoća i otpornost na visoki pritisak korištenog materijala. Kako bi se poboljšala otpornost materijala O-prstena na pritisak, povećala elastičnost materijala (posebno povećala elastičnost materijala na niskim temperaturama) i smanjila tlačna čvrstoća materijala, općenito je potrebno poboljšati formulu materijala i dodajte plastifikator. Međutim, ako je O-prsten s plastifikatorom dulje vrijeme uronjen u radni medij, radni medij će postupno apsorbirati plastifikator, uzrokujući smanjenje volumena O-prstena, a može čak uzrokovati i negativnu kompresiju O-prsten (tj. između O-prstena i površine zabrtvljenog dijela nastaje razmak).
Stoga, pri izračunavanju kompresije O-prstena i projektiranju kalupa, ta se skupljanja trebaju u potpunosti uzeti u obzir. Prešani O-prsten trebao bi zadržati potrebnu veličinu nakon namakanja u radnom mediju 5-10 dana i noći.
Kompresija materijala O-prstena ovisi o temperaturi. Kada je stopa deformacije 40 posto ili veća, doći će do curenja, tako da su granice otpornosti na toplinu nekoliko gumenih materijala: nitrilna guma 70 stupnjeva C, EPDM guma 100 stupnjeva C, fluorna guma 140 stupnjeva C. Stoga su zemlje donijele propise o trajne deformacije O-prstenova.
Za O-prstenove od istog materijala, na istoj temperaturi, O-prsten s većim promjerom poprečnog presjeka ima niži set kompresije. Kod nafte je situacija drugačija. Budući da O-prsten u ovom trenutku nije u kontaktu s kisikom, gore navedene nuspojave su znatno smanjene. Osim toga, to obično uzrokuje određeno širenje gumene smjese, tako da će se kompresija stezanja uzrokovana temperaturom pomaknuti. Stoga je otpornost na toplinu u ulju znatno poboljšana. Uzimajući nitrilnu gumu kao primjer, njena radna temperatura može doseći 120 stupnjeva ili više.