O-prstenovi su najčešći mehanički dizajn za brtvljenje zbog svoje jeftine cijene, jednostavne proizvodnje, pouzdane funkcije i jednostavnih zahtjeva za instalacijom. Iako su O-prstenovi jeftini, u nekim specifičnim okruženjima česta zamjena će povećati troškove održavanja mašine i uticati na normalan rad opreme. Stoga je neophodno razumjeti karakteristike O-prstenova.
Na -50 do -60 stepena, gumeni materijali koji nisu otporni na niske temperature će potpuno izgubiti svoj početni stres; čak i za gumene materijale otporne na niske temperature, početni napon u ovom trenutku neće biti veći od 25 posto početnog naprezanja na 20 stepeni. To je zato što početna kompresija O-prstena ovisi o koeficijentu linearne ekspanzije.
Nepravilan dizajn i upotreba O-prstena će ubrzati njegovo oštećenje i izgubiti performanse brtvljenja.
Eksperimenti su pokazali da ako je dizajn svakog dijela uređaja za zaptivni prsten razuman, jednostavno povećanje pritiska neće uzrokovati oštećenje O-prstena. U radnim uslovima visokog pritiska i visoke temperature, glavni uzrok oštećenja O-prstena je trajna deformacija materijala O-prstena, ugriz zazora uzrokovan utisnutim O-prstenom u zaptivni otvor i izobličenje O-prsten tokom kretanja.
Trajna deformacija Budući da je sintetički gumeni materijal koji se koristi za brtveni prsten O-prstena viskoelastičan materijal, početno postavljena količina kompresije i kapacitet blokiranja odskoka će se trajno deformirati i postepeno gubiti nakon dugotrajne upotrebe, što će na kraju dovesti do curenja.
Trajna deformacija i gubitak elastične sile glavni su razlozi zbog kojih O-prstenovi gube svoju sposobnost brtvljenja. Sljedeći su glavni razlozi trajnih deformacija.
Odnos između kompresije i količine rastezanja i trajne deformacije
Različite formulacije gume koje se koriste za izradu O-prstenova će proizvesti relaksaciju tlačnog naprezanja u komprimiranom stanju. U ovom trenutku, tlačni napon će se smanjivati s povećanjem vremena. Što je duže vrijeme servisiranja, veća je stopa kompresije i rastezanja, veći je pad naprezanja uzrokovan relaksacijom gumenog naprezanja, tako da je O-prsten nedovoljno elastičan i gubi sposobnost brtvljenja. Stoga je preporučljivo pokušati smanjiti omjer kompresije pod dozvoljenim uvjetima korištenja.
Povećanje veličine poprečnog presjeka O-prstena je najlakši način da se smanji omjer kompresije, ali to će povećati strukturnu veličinu. Treba napomenuti da kada ljudi izračunavaju omjer kompresije, često zanemaruju smanjenje visine presjeka uzrokovano istezanjem O-prstena tokom montaže. Promjena površine poprečnog presjeka O-prstena obrnuto je proporcionalna promjeni njegovog obima. Istovremeno, usled dejstva napetosti, promeniće se i oblik poprečnog preseka O-prstena, što se manifestuje smanjenjem njegove visine. Osim toga, zbog površinske napetosti, vanjska površina O-prstena postaje ravnija, odnosno visina presjeka se neznatno smanjuje. Ovo je također manifestacija opuštanja kompresijskog naprezanja O-prstena.
Stepen deformacije preseka O-prstena takođe zavisi od tvrdoće materijala O-prstena. U slučaju iste količine rastezanja, O-prsten visoke tvrdoće će također imati veće smanjenje visine poprečnog presjeka. S ove tačke gledišta, materijale niske tvrdoće treba birati što je više moguće u skladu sa uslovima upotrebe. Pod dejstvom pritiska tečnosti i napetosti, gumeni O-prsten će postepeno doživeti plastičnu deformaciju, a visina njegovog poprečnog preseka će se shodno 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 utiče na trajnu deformaciju O-prstena. Visoke temperature će ubrzati starenje gumenih materijala.
Što je viša radna temperatura, to je veći stepen kompresije O-prstena. Kada je trajna deformacija veća od 40 posto, O-prsten gubi sposobnost brtvljenja i curi. Početna vrijednost naprezanja nastala u gumenom materijalu O-prstena uslijed deformacije kompresije će se postupno smanjivati, pa čak i nestati s procesom relaksacije i padom temperature O-prstena. Za O-prstenove koji rade na temperaturama ispod nule, njihova početna kompresija može se smanjiti ili potpuno nestati zbog oštrog pada temperature. Na -50 do -60 stepena, gumeni materijali koji nisu otporni na niske temperature će potpuno izgubiti svoj početni stres; čak i za gumene materijale otporne na niske temperature, početni napon u ovom trenutku neće biti veći od 25 posto početnog naprezanja na 20 stepeni. To je zato što početna kompresija O-prstena ovisi o koeficijentu linearne ekspanzije. Stoga je pri odabiru početne kompresije potrebno osigurati da i dalje postoji dovoljna sposobnost brtvljenja nakon pada naprezanja zbog procesa relaksacije i pada temperature. Za O-prstenove koji rade na temperaturama ispod nule, posebnu pažnju treba obratiti na indeks oporavka i indeks deformacije gumenog materijala.
Ukratko, dizajn treba pokušati osigurati da O-prsten ima odgovarajuću radnu temperaturu ili odabrati materijale O-prstena otporne na visoke i niske temperature kako bi se produžio vijek trajanja.
Srednji radni pritisak i trajna deformacija Pritisak radnog medija je glavni faktor koji uzrokuje trajnu deformaciju O-prstena.
Radni pritisak savremene hidraulične opreme raste iz dana u dan. Dugotrajni visoki tlak će uzrokovati trajnu deformaciju O-prstena. Zbog toga treba odabrati odgovarajuće gumene materijale otporne na pritisak prema radnom pritisku tokom projektovanja. Što je veći radni pritisak, veća je tvrdoća i otpornost na visoki pritisak korišćenog materijala. Da bi se poboljšala otpornost materijala O-prstena na pritisak, povećala elastičnost materijala (posebno povećala elastičnost materijala na niskim temperaturama) i smanjila kompresija materijala, općenito je potrebno poboljšati formulu materijala i dodajte plastifikator. Međutim, ako je O-prsten sa plastifikatorom uronjen u radni medij na duže vrijeme, plastifikator će se postupno apsorbirati u radni medij, uzrokujući smanjenje volumena O-prstena, a može čak uzrokovati negativnu kompresiju O-prsten (tj. između O-prstena i površine zapečaćenog dijela nastaje jaz).
Stoga, prilikom izračunavanja kompresije O-prstena i dizajniranja kalupa, ova skupljanja treba u potpunosti uzeti u obzir. Utisnuti O-prsten bi trebao zadržati potrebnu veličinu nakon namakanja u radnom mediju 5-10 dana i noći.
Kompresijski set materijala O-prstenova ovisi o temperaturi. Kada je stopa deformacije 40 posto ili više, doći će do curenja, tako da su granice otpornosti na toplinu nekoliko gumenih materijala: nitrilna guma 70 stepeni C, EPDM guma 100 stepeni C, fluorna guma 140 stepeni C. Stoga su zemlje donele propise o trajna deformacija O-prstenova.
Za O-prstenove od istog materijala, na istoj temperaturi, O-prsten većeg 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, obično uzrokuje određeno širenje gumene smjese, tako da će se stepen kompresije uzrokovan temperaturom poništiti. Stoga je otpornost na toplinu u ulju znatno poboljšana. Uzimajući za primjer nitrilnu gumu, njena radna temperatura može doseći 120 stepeni ili više.