Funzionamento a secco tenute meccaniche affrontano condizioni estreme che distruggerebbero i materiali convenzionali in pochi minuti. Queste guarnizioni devono funzionare con poca o nessuna lubrificazione, generando un attrito intenso e temperature che possono superare i 400 °C. La scelta del materiale giusto determina se la guarnizione durerà anni o si romperà in modo catastrofico.
Due componenti critici necessitano di materiali speciali: il facce di foca (che creano la tenuta primaria) e le tenute secondarie (O-ring e guarnizioni che impediscono perdite attorno al gruppo).
Materiali per la faccia di tenuta
Carbonio-Grafite
Il carbonio-grafite è il materiale di punta per le tenute a secco perché crea autonomamente la propria lubrificazione. La struttura della grafite si taglia naturalmente lungo gli strati molecolari, depositando una pellicola lubrificante microscopica sulla superficie opposta durante il funzionamento. Questo comportamento autolubrificante fa sì che la tenuta scorra essenzialmente su un'interfaccia grafite su grafite anziché su un contatto distruttivo metallo su metallo.
- Carbonio-grafite puro necessita di miglioramenti per funzionare efficacemente nelle guarnizioni. I produttori impregnano il carbonio poroso con resine, metalli o additivi speciali per aumentarne la resistenza e la temperatura. Il carbonio impregnato di resina sopporta temperature fino a 250 °C e resiste alla maggior parte delle sostanze chimiche, il che lo rende la scelta standard per applicazioni generali.
- Carbonio impregnato di metallo, tipicamente caricato con antimonio, offre prestazioni ancora migliori in condizioni difficili. Il riempimento in antimonio aumenta la conduttività termica, contribuendo a dissipare il calore che altrimenti distruggerebbe la tenuta. Questi gradi possono funzionare in continuo a 370 °C mantenendo le loro proprietà lubrificanti.
Carburo di silicio (SiC)
Il carburo di silicio è diventato il gold standard per le superfici di tenuta dure nelle applicazioni a secco. La sua estrema durezza (seconda solo al diamante) e l'eccezionale conduttività termica gli consentono di resistere a condizioni che possono causare crepe in altre ceramiche. Il SiC conduce il calore lontano dalla zona di attrito cinque volte meglio dell'allumina, prevenendo i punti caldi che causano cedimento della tenuta.
Due tipi principali soddisfano esigenze diverse nelle applicazioni di tenuta.
- SiC legato tramite reazione contiene l'8-12% di silicio libero, che limita la sua resistenza chimica a pH 4-11 ma garantisce eccellenti caratteristiche di usura.
- SiC sinterizzato direttamente offre una purezza prossima al 100%, resistendo praticamente a tutti i prodotti chimici e mantenendo una resistenza superiore.
Il principale punto debole del materiale è la fragilità: rapidi sbalzi di temperatura possono causare crepe catastrofiche.
Gli ingegneri spesso abbinano il SiC a superfici in carbonio-grafite per creare la combinazione ideale. Il carbonio fornisce lubrificazione, mentre il SiC offre una superficie dura e termicamente conduttiva che resiste all'usura e dissipa efficacemente il calore.
Carburo di tungsteno (WC)
Il carburo di tungsteno conferisce tenacità meccanica alle superfici di tenuta dove il carburo di silicio potrebbe fessurarsi. Il WC è costituito da grani di carburo di tungsteno cementati con legante al cobalto o al nichel, creando un materiale che gestisce vibrazioni e urti meccanici meglio di qualsiasi ceramica. Questa tenacità lo rende prezioso nelle pompe soggette a cavitazione o funzionamento intermittente.
Il materiale non è autolubrificante, il che lo rende inadatto alla rotazione a secco in condizioni di forte sollecitazione. Le facce in carburo di tungsteno devono sempre essere a contatto con carbonio-grafite per evitare attriti distruttivi e grippaggi. Anche con un accoppiamento corretto, il WC genera più calore del SiC a causa del suo coefficiente di attrito più elevato con il carbonio.
Il WC rimane popolare nei servizi lubrificati a olio e in condizioni moderate, dove la sua tenacità offre un valore aggiunto. Per applicazioni a secco o ad alta temperatura, il carburo di silicio lo ha ampiamente sostituito.
Materiali per O-ring in elastomero
Monomero di etilene propilene diene (EPDM)
L'EPDM eccelle nelle applicazioni con acqua calda e vapore, mantenendo la flessibilità fino a 150 °C con brevi escursioni fino a 180 °C. La struttura polimerica satura resiste all'ozono e agli agenti atmosferici che distruggono il nitrile, rendendolo adatto per installazioni esposte. Le guarnizioni temprate a vapore e le applicazioni in ambienti caustici traggono particolare vantaggio dalla resistenza chimica dell'EPDM.
Il punto debole critico del materiale è l'incompatibilità con i prodotti petroliferi. L'EPDM si rigonfia in modo distruttivo in presenza di oli e solventi idrocarburici, rendendolo inadatto per qualsiasi attrezzatura lubrificata a olio. Anche i lubrificanti per l'assemblaggio devono essere a base di silicone anziché di petrolio.
Fluorocarbonio (FKM, ad esempio Viton®)
Gli elastomeri FKM sono diventati lo standard del settore per applicazioni di tenuta impegnative, combinando una temperatura nominale continua di 200 °C con un'ampia resistenza chimica. Gli O-ring in Viton gestiscono oli, carburanti, acidi e la maggior parte dei solventi, mantenendo l'integrità della tenuta a temperature che distruggono altre gomme. La bassa permeabilità ai gas rende l'FKM ideale per applicazioni di tenuta a vuoto e a gas.
Tuttavia, questo materiale non è adatto all'acqua calda, al vapore e alle basi forti, che ne causano una rapida degradazione. Anche le ammine e alcuni solventi polari attaccano i gradi FKM standard.
La maggior parte delle guarnizioni per funzionamento a secco utilizza di default gli O-ring in FKM. La combinazione di resistenza al calore e compatibilità chimica copre la maggior parte delle applicazioni industriali, giustificando il costo contenuto rispetto agli elastomeri di base.
AFLAS (copolimero TFE/P)
AFLAS colma le lacune dell'FKM, in particolare nei servizi a vapore e con ammine. Questo copolimero di tetrafluoroetilene-propilene mantiene la stabilità a 200 °C, resistendo al contempo alle basi e al vapore che distruggono il Viton. Le applicazioni nel settore petrolifero e del gas apprezzano particolarmente AFLAS per la sua resistenza ai gas acidi e all'ammoniaca.
Rispetto all'FKM, il materiale presenta una certa resistenza agli idrocarburi. Solventi aromatici e composti clorurati causano un maggiore rigonfiamento nell'AFLAS, limitandone l'utilizzo in alcuni processi chimici.
Le guarnizioni di raffineria esposte a vapore ad alta pressione o inibitori di corrosione amminici spesso richiedono l'utilizzo di AFLAS. Il materiale costa più dell'FKM standard ma meno dei perfluoroelastomeri, offrendo una soluzione conveniente per specifiche sfide chimiche.
Perfluoroelastomero (FFKM, ad es. Kalrez®)
I perfluoroelastomeri rappresentano l'apice della tecnologia elastomerica, resistendo a temperature continue fino a 280 °C (i gradi speciali fino a 330 °C) e resistendo praticamente a tutti gli agenti chimici. L'FFKM combina l'inerzia chimica del PTFE con la vera elasticità della gomma, mantenendo la tenuta a temperature che carbonizzano altri elastomeri.
Le straordinarie proprietà del materiale hanno un costo altrettanto elevato, spesso da 10 a 50 volte superiore a quello dell'FKM. Le proprietà meccaniche sono leggermente inferiori a quelle degli elastomeri standard, il che richiede un'attenta manipolazione durante l'installazione.
L'FFKM diventa essenziale quando nient'altro resiste. Compressori di cloro ad alta temperatura, processi di vuoto aggressivi e la produzione di semiconduttori richiedono tutti la combinazione unica di resistenza alla temperatura e alle sostanze chimiche dell'FFKM.
Guarnizioni secondarie non elastomeriche
O-ring in PTFE / O-ring incapsulati
Il PTFE offre una resistenza chimica universale e funziona ininterrottamente a 232°C, ma non ha l'elasticità richiesta per tenuta dinamicaGli O-ring in PTFE puro sono adatti solo per applicazioni statiche, dove possono essere compressi meccanicamente. La tendenza del materiale a scorrere a freddo sotto carico causa un graduale degrado della tenuta.
Gli O-ring incapsulati risolvono il problema dell'elasticità avvolgendo una guaina in PTFE attorno a un'anima in gomma. Questa soluzione garantisce resistenza chimica sulla superficie bagnata, mantenendo al contempo il recupero elastico. La guaina in PTFE protegge l'anima da sostanze chimiche aggressive che potrebbero danneggiare gli elastomeri esposti.
Queste guarnizioni ibride svolgono un ruolo fondamentale nelle applicazioni ultracorrosive. Acidi fumanti, forti ossidanti e servizi con ossigeno ad alta temperatura traggono tutti vantaggio dall'inerzia del PTFE quando le opzioni elastomeriche sono esaurite.
Grafite flessibile (lamina di grafite)
La grafite flessibile resiste a temperature estreme che distruggono tutti i materiali organici: fino a 455 °C in aria e oltre 1000 °C in atmosfere inerti. La composizione in carbonio puro garantisce l'immunità a praticamente tutte le sostanze chimiche, ad eccezione dei forti ossidanti a temperature elevate. La struttura a strati del materiale offre una certa autolubrificazione, utile in condizioni di funzionamento a secco.
La grafite è completamente priva di elasticità e richiede una compressione meccanica per mantenere il sigillo forza. Le lastre fragili si rompono facilmente durante la movimentazione e possono estrudersi ad alta pressione senza un supporto adeguato. L'installazione richiede tecnici esperti e una progettazione delle scanalature specializzata.
Le tenute meccaniche per alte temperature superiori a 250 °C utilizzano invariabilmente la grafite flessibile per la tenuta secondaria. Le tenute API 682 Categoria III specificano la grafite quando gli elastomeri potrebbero carbonizzarsi. Centrali elettriche e raffinerie fanno affidamento sulla resistenza alla temperatura della grafite per le pompe di alimentazione delle caldaie e i servizi di olio caldo.
Soffietti in metallo
Metallo soffietto Elimina completamente gli O-ring dinamici, utilizzando convoluzioni metalliche saldate per fornire sia forza elastica che tenuta. Questa struttura interamente in metallo resiste a temperature estreme e sostanze chimiche aggressive che distruggono qualsiasi guarnizione morbida. Il soffietto si flette assialmente mantenendo una tenuta ermetica, evitando i problemi di stick-slip degli O-ring dinamici in condizioni asciutte.
Domande frequenti
Qual è la migliore combinazione di superfici di tenuta per un funzionamento completamente a secco?
La combinazione di carbonio-grafite e carburo di silicio offre la combinazione ottimale per condizioni di asciutto. Il carbonio deposita una pellicola lubrificante, mentre il SiC dissipa efficacemente il calore, consentendo un funzionamento continuo senza lubrificazione liquida.
Quanto possono scaldarsi le guarnizioni a secco?
Le combinazioni standard di carbonio/SiC funzionano fino a 370°C, mentre materiali specializzati come SiC caricato con grafite o rivestimenti di diamante possono superare i 400°C. materiali di tenuta in genere limitano la temperatura massima, con gli elastomeri FFKM che raggiungono i 330°C e la grafite flessibile che resiste a oltre 450°C.
Perché gli O-ring si rompono nelle guarnizioni a secco?
Gli O-ring si deteriorano a causa della degradazione termica quando il calore da attrito supera la temperatura nominale. Il nitrile standard indurisce oltre i 120 °C, mentre anche gli elastomeri FKM ad alte prestazioni carbonizzano oltre i 230 °C senza un'adeguata gestione del calore.
Due superfici dure possono asciugarsi scorrendo insieme?
Le coppie di superfici dure convenzionali, come quelle SiC-su-SiC, si rompono rapidamente senza lubrificazione a causa dell'attrito estremo. Il carburo di silicio caricato con grafite consente combinazioni duro-duro incorporando particelle di grafite lubrificanti nella matrice ceramica.
Qual è la combinazione di materiali più economica per il funzionamento occasionale a secco?
Il carbonio impregnato di resina contro il carburo di silicio legato per reazione con O-ring in FKM offre una buona tolleranza al funzionamento a secco a un costo contenuto. Questa combinazione gestisce condizioni di funzionamento a secco intermittenti nella maggior parte delle applicazioni industriali senza materiali di prima qualità.
