발간 현황

오링은 삼정산업사에서 생산·판매되고 있는 내경과 선경이 각각 91.73 mm, 3.53 mm인 NBR 오링을 사용하였다.

A-Sung Tester(South Korea)의 AS-F0-05 모델의 convection oven을 가속 노화 시험에 사용하였다. 각 온도별 convection oven의 실제 온도와 gauge 온도를 비교한 결과, 온도 오차는 ±1 ℃ 이내로 나타났다.

Intermittent CSR 측정에서 오링의 기밀력은 Instron(U.S.A)사의 UTM(3345(Q3776) model)을 이용하여 측정하였다. Indenter는 cylinder 형태이며, 크기는 2.5 mm×18.0 mm(직경높이)이다. 측정 속도는 1.0 mm/min이다.

Intermittent CSR jig는 오링의 사용 환경을 고려하여 Figure 1에 나타낸 바와 같이 설계 제작하였다. Jig는 부식을 방지하기 위하여 stainless steel을 사용하였다. Bottom jig plate의 크기는 180 mm×30 mm (diameter×thickness)로 설계하였다. 오링 장착을 위한 bottom jig plate의 홈부는 KS B 2799 (O-rings housings design criteria; Korea Standard) 규격을 기준으로 설계하였으며, 이때 기밀력 측정을 위한 추가 압축을 고려하여 0.1 mm의 여유 공간을 설계하였다. 홈부의 크기는 각각 92.79 mm×4.75 mm×2.58 mm(내경×너비×깊이)이다. 홈부의 평행도는 dial gauge를 이용하여 측정하였다. Dial gauge의 측정에 의한 홈부의 깊이 편차는 0.01 mm로 나타났으며, bottom jig plate의 평행도가 intermittent CSR 측정에 적합한 것을 확인하였다. UTM의 indenter와 접촉하는 metal plate의 크기는 오링의 내경(91.73 mm)을 고려하여 직경을 120.0 mm로 설계하였다. Metal plate와 indenter의 지름 비율이 약 4.8 : 1로 차이가 크기 때문에, intermittent CSR 측정에서 metal plate의 휘어짐에 의한 기밀력 측정에 오차가 발생할 것으로 사료된다. 따라서, metal plate의 휘어짐을 방지하기 위하여 두께를 5.0 mm로 설계하였다. Upper jig plate의 크기는 180 mm×30 mm (diameter×thickness)로 설계하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이, upper jig plate의 일부분을 무게 감소와 metal plate의 중앙 위치 확인을 위하여 제거하였다. Upper jig plate의 바닥에 shim 역할을 하는 5.0mm 길이의 돌출부를 설계하였다. 오링을 jig에 체결하면, 오링은 2.68 mm로 압축되며, 이때의 압축율은 실제 사용환경과 동일한 25%이다. Upper jig plate의 중앙 홀의 직경은 indenter의 직경(25.0 mm)을 고려하여 27.0 mm로 설계하였다. Upper jig plate의 중앙 홀을 indenter의 직경보다 크게 설계함으로써, Intermittent CSR 측정에서 오링의 기밀력은 Instron(U.S.A)사의 UTM(3345(Q3776) model)을 이용하여 측정하였다. Indenter는 cylinder 형태이며, 크기는 2.5 mm×18.0 mm(직경높이)이다. 측정 속도는 1.0 mm/min이다.

Fig. 1. 
The intermittent CSR test jig.

Intermittent CSR 측정은 다음과 같은 과정을 통하여 측정하였다. 1) 오링을 설계 제작한 jig에 체결한다. 2) 오링이 체결된 jig를 가속 노화를 위하여 40~120 ℃의 convection oven에 보관한다. 3) 일정 시간 간격으로 jig를 convection oven에서 꺼낸 후, UTM을 이용하여 오링의 기밀력을 측정한다. 4) 측정이 끝나면 jig를 convection oven에 보관하고 열 가속 노화 실험을 계속 진행한다. Convection oven에서 jig를 꺼내는 순간부터 jig와 NBR 오링은 공냉에 의한 수축 거동을 나타내며, 수축이 과도하게 이루어질 경우에는 1) 오링의 수축에 의한 strain state 변화, 2) 수축 혹은 팽창 시에 jig surface와 오링 사이의 마찰 발생으로 인하여 기밀력 측정에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 일정 시간 간격으로 이루어지는 intermittent CSR 측정은 최대한 열 손실이 적어야 하며, 본 연구에서는 convection oven을 UTM 옆에 설치하여 열 손실에 의한 기밀력 측정 오차 발생을 최소화하였다.

설계 제작한 jig를 이용하여 상온에서 intermittent CSR 측정을 통하여 오링의 기밀력을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2의 region 1은 indenter가 jig의 metal plate와 접촉하지 않은 무측정 영역이다. UTM의 crosshead가 아래로 이동하면서, indenter가 jig의 중앙 홀을 통하여 metal plate와 접촉하게 된다. Indenter가 metal plate와 접촉한 후, metal plate의 stiffness가 region 2의 Line (a)로 측정된다. 이후, metal plate는 upper jig plate로부터 분리되며, 오링은 metal plate에 의하여 추가적으로 압축된다. 이때, 오링의 stiffness가 region 3의 Line (b)에 측정된다. Line (a)와 Line (b)의 교점은 오링의 기밀력을 나타내며, Fig. 1으로부터 상온에서의 NBR 오링의 기밀력은 1283.3N으로 나타났다.

Fig. 2. 
Load vs. displacement behavior of a NBR O-ring from intermittent CSR; at 23 ℃.

40 ℃, 60 ℃, 80 ℃, 100 ℃, 그리고 120 ℃에서의 NBR 오링의 compression stress relaxation 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Ft는 시간 t에서의 기밀력이고, Fi는 초기 기밀력이다. 고장 조건은 Ft/Fi가 20% 되는 조건으로 선정하였으며, dashed line으로 표시하였다. 노화 속도는 열 가속 노화 실험에서의 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 40 ℃와 60 ℃ 측정 결과에서 오링은 고장 조건에 도달하지 않았음을 알 수 있다. 오링의 기밀력이 80 ℃, 100 ℃, 그리고 120 ℃에서 고장 조건인 Ft/Fi=20%에 도달하는 시간은 각각 4,924.8시간, 2,895.8시간, 620.9시간으로 나타났다.

Fig. 3. 
Stress relaxation of a NBR O-ring.

Fig. 3의 결과를 이용하여 Fig. 4에 Arrhenius plot을 나타내었다. ln k(T)와 1/T가 선형 관계를 나타내었으며, 이는 오링이 80 ℃ 이상에서 선형 노화 거동을 나타내는 것을 의미한다. Fig. 4의 Arrhenius plot을 상온(23 ℃)으로 외삽하여 오링의 수명을 예측하였다. 상온에서 오링의 수명은 고장 조건 Ft/Fi=20%에 대하여 32.5년으로 나타났다.

Fig. 4. 
Arrhenius plot of a NBR O-ring; Ft/Fi=20% failure condition.

Time-temperature superposition(TTS) principle로 40 ℃에서의 master curve를 Fig. 5에 나타내었다. 기준 온도(Tref)로 40 ℃를 선정하였으며, shift factor, aT는 실험 결과의 시간-온도 중첩 결과로부터 계산하였다. 오링이 40 ℃에서 Ft/Fi=20%의 고장 조건에 도달하는 시간은 61,684.5시간으로 나타났다. Fig. 3와 비교하였을 때, TTS principle을 이용하여 실험 시간을 약 55,468시간 절약 할 수 있었다. Fig. 5의 결과를 이용하여 WLF plot을 Fig. 6에 나타내었다. 상온(23 ℃)에서 오링의 예측 수명은 Ft/Fi=20% 고장 조건에 대하여 22.6년으로 나타났다. 오링의 비선형 노화거동이 고려되는 WLF plot에 의한 수명 예측이 Arrhenius relationship에 의한 수명 예측에 비하여 보다 보수적이고 정확한 것으로 사료된다. 고온 영역에서의 Arrhenius relationship은 정확한 수명 예측에 한계성을 갖으며, 이는 실제 수명과의 차이로 나타난다. 정확한 수명 예측을 위해서는 저온 영역에서의 노화 거동 관찰이 필요하며, Arrhenius relationship 보다는 TTS principle이 적합하다고 사료된다.

Fig. 5. 
Stress relaxation master curve of a NBR O-ring at 40 ℃.

Fig. 6. 
WLF plot of a NBR O-ring; Ft/Fi=20% failure condition.

온도에 따른 ln aT 의 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 고온영역(80 ℃ 이상)과 저온 영역(80 ℃ 이하) 모두에서 ln aT와 1/T가 Arrhenius relationship을 나타내는 것을 알 수 있다. 활성화 에너지는 Arrhenius relationship으로부터 유도 되어진 다음의 Eq. 1을 이용하여 계산하였다[2].

Fig. 7. 
Arrhenius plot of shift factor aT.

여기서 aT1과 aT2는 T1과 T2에서의 shift factor이다. 80~120 ℃에서의 활성화 에너지는 59.6kJ/mol로 나타났다. 40~80 ℃에서의 활성화 에너지는 46.5kJ/mol로 나타났다. 저온 영역에서 활성화 에너지가 감소하는 이러한 현상은 Gillen과 그의 동료들에 의해 보고되어 진 바 있다[3]. Gillen과 그의 동료들은 oxygen consumption rate의 shift factor 분석을 통하여 활성화 에너지의 변화를 관찰하였고, 이러한 활성화 에너지의 변화는 저온 영역에서의 노화 거동이 변화하기 때문인 것으로 보고한 바 있다[8]. 본 연구에서는 compression stress relaxation 관찰을 통하여 활성화 에너지의 변화를 확인할 수 있었다.