Compatibilità dei fluidi nella selezione della tenuta meccanica

Quando si scelgono le tenute meccaniche è fondamentale considerare il modo in cui il fluido interagisce con i materiali di tenuta, poiché ciò influisce sulle prestazioni e sulla durata.

La valutazione di fattori quali viscosità, composizione chimica, regimi di lubrificazione e problemi di contaminazione vi aiuterà a prendere decisioni consapevoli che aumenteranno l'affidabilità del sistema.

Proprietà dei fluidi

Viscosità

La viscosità misura la resistenza di un fluido al flusso e ha un impatto significativo sulle prestazioni e sulla longevità della tenuta. La valutazione della compatibilità del fluido richiede di considerare sia la viscosità dinamica che quella cinematica.

I fluidi ad alta viscosità presentano delle sfide per le tenute meccaniche, aumentando la generazione di calore dovuta al taglio del fluido. Ciò può portare alla distorsione della faccia della tenuta o a un'usura eccessiva. Meccanismi di dissipazione del calore adeguati e materiali più duri per le facce della tenuta possono gestire questi problemi. Al contrario, i fluidi a bassa viscosità potrebbero non riuscire a fornire una lubrificazione adeguata tra le facce della tenuta, con conseguenti tassi di attrito e usura più elevati.

La viscosità influisce anche sulla capacità della guarnizione di mantenere una pellicola di fluido stabile tra le facce della guarnizione. Potrebbe essere necessario regolare la topografia delle facce della guarnizione o il rapporto di bilanciamento per ottimizzare le prestazioni per intervalli di viscosità specifici.

Purezza

Fluidi altamente puri, come quelli utilizzati nell'industria farmaceutica o dei semiconduttori, richiedono guarnizioni specializzate. Queste guarnizioni devono mantenere la loro integrità senza contaminare il processo. Al contrario, fluidi con livelli di impurità più elevati richiedono guarnizioni robuste con sistemi di filtraggio o lavaggio migliorati per prevenire danni.

Valutazione della presenza di particelle abrasive, contaminanti chimici e solidi disciolti nel fluido. Queste impurità possono avere un impatto sui materiali delle superfici di tenuta, sulle tenute secondarie e sulla metallurgia dei componenti di tenuta. Ad esempio, le particelle abrasive possono causare un'usura eccessiva sulle superfici di tenuta, mentre alcuni contaminanti chimici possono degradare i componenti elastomerici.

Volatilità

Quando si maneggiano fluidi volatili, è necessario valutare attentamente la loro propensione a vaporizzare alle normali temperature e pressioni operative.

I fluidi altamente volatili tendono a presentare fenomeni di evaporazione, ovvero il liquido si trasforma in vapore sulle superfici di tenuta, causando potenzialmente il funzionamento a secco e una maggiore usura.

Per fluidi meno volatili, la selezione della tenuta può essere più flessibile. Tuttavia, l'ebollizione localizzata sulle facce della tenuta, indotta dal calore di attrito, non deve essere trascurata. Ciò può comunque causare instabilità della tenuta e una durata ridotta.

Tossicità

Per fluidi altamente tossici, le doppie tenute meccaniche o le pompe ermeticamente sigillate possono ridurre al minimo i rischi di perdite. Assicurarsi che i materiali delle tenute siano chimicamente resistenti al fluido tossico per prevenire degradazione e potenziali rotture.

Regime di lubrificazione

Quando si seleziona una tenuta meccanica, è necessario considerare il regime di lubrificazione che si verificherà tra le facce della tenuta. Questo regime può essere classificato in tre tipi principali: film di confine, misto e fluido completo.

Confine

La lubrificazione limite nelle tenute meccaniche si verifica quando lo spessore del film fluido diminuisce, causando il contatto delle asperità sulle superfici opposte. Questa condizione in genere si verifica durante l'avvio, l'arresto o le operazioni a bassa velocità. Con la lubrificazione limite, il carico è sostenuto prevalentemente dalle asperità superficiali piuttosto che dal film fluido.

Nella lubrificazione limite, affidarsi al film fluido per la dissipazione del calore non è sufficiente. Un'adeguata rimozione del calore deve essere garantita tramite mezzi aggiuntivi, come sistemi di lavaggio o raffreddamento. L'impiego di lubrificanti limite specializzati o additivi che formano film protettivi sulle superfici di tenuta può ridurre significativamente l'usura e prolungare la durata della tenuta.

Misto

Nella lubrificazione mista, coesistono sia la lubrificazione di confine che quella idrodinamica. Questo stato di transizione vede il carico parzialmente supportato dalla pressione del fluido e parzialmente dal contatto con le asperità.

La lubrificazione mista avviene solitamente durante l'avvio, l'arresto o i cambiamenti improvvisi delle condizioni operative. È caratterizzata da un contatto intermittente tra le facce della tenuta, con conseguente maggiore usura rispetto alla lubrificazione a film fluido completo.

La proporzione tra pellicola fluida e lubrificazione limite può variare ampiamente in regimi misti. Progetta la tua guarnizione per gestire queste fluttuazioni, assicurando transizioni fluide tra gli stati di lubrificazione senza compromettere le prestazioni o la durata.

Pellicola completamente fluida

La lubrificazione a film fluido completo rappresenta il livello più elevato di prestazioni della tenuta meccanica, ottenuta quando le facce della tenuta sono completamente separate da un sottile strato di fluido. Questa separazione avviene perché la pressione idrodinamica generata dal fluido è sufficiente a contrastare la forza di chiusura. In questo regime, l'usura è quasi eliminata e l'attrito è ridotto al minimo, migliorando la longevità e l'affidabilità della tenuta.

Contaminazione

Particelle abrasive

Quando si ha a che fare con particelle abrasive nelle applicazioni di tenute meccaniche, si presentano tre preoccupazioni principali.

In primo luogo, queste particelle possono causare un'usura eccessiva sulle superfici di tenuta, portando a un prematuro guasto della tenuta. In secondo luogo, possono accumularsi tra le superfici di tenuta, impedendo una corretta tenuta e causando perdite. In terzo luogo, le particelle abrasive possono danneggiare gli elementi di tenuta secondari, come gli O-ring o le guarnizioni.

Solidi

Le particelle di contaminanti solidi possono variare da microscopiche a visibili e possono provenire da fonti esterne o formarsi all'interno del sistema stesso.

Cristallizzazione

La cristallizzazione avviene quando i solidi disciolti nel fluido precipitano dalla soluzione, formando cristalli solidi che si accumulano sulle superfici di tenuta e su altri componenti.

La cristallizzazione può causare una maggiore usura sulle superfici di tenuta, con conseguente rottura prematura della tenuta. I cristalli possono anche accumularsi in piccoli giochi, limitando il movimento e potenzialmente causando l'inceppamento della tenuta. In casi estremi, la cristallizzazione può bloccare completamente le porte di lavaggio della tenuta o altri passaggi critici.

Compatibilità chimica

Reazioni tra fluido e materiali di tenuta

È necessario analizzare attentamente le possibili interazioni tra il fluido di processo e i componenti della tenuta, poiché possono causare degradazione, corrosione o addirittura la rottura completa della tenuta.

Valutazione della composizione chimica, della temperatura e della concentrazione del fluido. Ad esempio, i fluoroelastomeri come Viton® mostrano resistenza a molti oli e solventi, ma possono degradarsi se esposti a determinati chetoni o ammine.

Anche i componenti metallici sono suscettibili agli attacchi chimici. Mentre gli acciai inossidabili sono noti per la loro resistenza alla corrosione, possono essere vulnerabili a sostanze chimiche o concentrazioni specifiche. Le leghe di titanio e Hastelloy® offrono una maggiore resistenza per i fluidi più aggressivi.

Effetti sui materiali leganti e riempitivi

I leganti, in genere polimeri o resine, forniscono coesione strutturale al composito, mentre i riempitivi ne migliorano proprietà quali resistenza e conduttività termica.

Alcuni fluidi possono influire negativamente sul legante, causandone l'ammorbidimento, il rigonfiamento o la dissoluzione. Tali interazioni portano alla degradazione della guarnizione, alla compromissione dell'integrità strutturale e al potenziale guasto della guarnizione.

Anche i riempitivi, come particelle di carbonio, grafite o ceramica, sono sensibili alle interazioni con i fluidi. Alcuni fluidi possono causare la fuoriuscita dei riempitivi, riducendo l'efficacia della guarnizione. In altri scenari, i fluidi potrebbero reagire con il riempitivo, alterandone le proprietà o causandone l'espansione.

Linee guida per la selezione del materiale della faccia di tenuta

Fluidi a bassa viscosità

Quando si selezionano materiali per le superfici di tenuta per fluidi a bassa viscosità, è necessario considerare combinazioni di superfici morbide e dure per condizioni di lubrificazione limite e miste. Scoprirai che i materiali per superfici morbide, come il carbonio, spesso si abbinano bene a controfacce più dure come il carburo di silicio o il carburo di tungsteno. Questa combinazione può fornire una migliore conformabilità e resistenza all'usura in applicazioni difficili a bassa viscosità in cui la lubrificazione completa del film di fluido potrebbe non essere sempre mantenuta.

Fluidi ad alta viscosità

Quando si selezionano materiali per le facce di tenuta per fluidi ad alta viscosità, si vorrà dare priorità alle combinazioni di facce dure e dure. Questo approccio aiuta a ridurre al minimo le elevate forze di taglio che possono verificarsi tra le facce di tenuta. Scegliendo materiali come carburo di silicio o carburo di tungsteno per entrambe le facce, si ridurrà il rischio di usura eccessiva e si manterrà l'integrità della tenuta in ambienti viscosi.

Presenza di particelle abrasive dure

Quando si affrontano fluidi con particelle abrasive dure, è necessario dare priorità a materiali per le superfici di tenuta con durezza maggiore. Si dovrebbero considerare opzioni come carburo di tungsteno o carburo di silicio, che offrono una resistenza superiore all'usura abrasiva.

Fluidi inclini alla cristallizzazione

Quando si ha a che fare con fluidi inclini alla cristallizzazione, è necessario prendere in considerazione design di tenuta specializzati. Optare per configurazioni che mantengano il fluido di processo sul diametro esterno della tenuta, riducendo il rischio di formazione di cristalli tra le facce. Si dovrebbero anche selezionare materiali duri anziché duri con caratteristiche speciali progettate per ridurre al minimo l'accumulo di cristalli e mantenere l'integrità della tenuta.

Domande frequenti

Con quale frequenza è necessario ispezionare le tenute meccaniche per individuare problemi di compatibilità con i fluidi?

Le tenute meccaniche devono essere ispezionate per individuare eventuali problemi di compatibilità con i fluidi almeno trimestralmente, durante la manutenzione di routine e ogni volta che si verificano cambiamenti nelle condizioni operative o del fluido.

La compatibilità dei fluidi può cambiare nel tempo a causa delle fluttuazioni di temperatura?

Sì, la compatibilità dei fluidi può cambiare nel tempo a causa delle fluttuazioni di temperatura. Le variazioni di temperatura possono alterare le proprietà dei fluidi, causando reazioni chimiche o cambiamenti fisici che incidono sull'interazione con i materiali di tenuta.

Esistono test specifici di compatibilità dei fluidi per diversi tipi di guarnizioni?

Sì, i test specifici per i diversi tipi di guarnizioni includono l'immersione, il rigonfiamento del volume e la variazione della durezza.