Guida alla scelta dei materiali della tenuta meccanica

Selezionare i materiali giusti per le tenute meccaniche può essere un compito arduo. Con così tante opzioni disponibili e fattori critici da considerare, fare la scelta sbagliata può portare a guasti prematuri delle tenute, costosi tempi di fermo e rischi per la sicurezza.

In questo post del blog, sveleremo il processo di scelta dei materiali migliori per le tue tenute meccaniche. Parleremo dei materiali di tenuta secondaria e frontale comunemente usati e discuteremo i fattori chiave da valutare, tra cui compatibilità dei fluidi, temperature e pressioni nominali, proprietà meccaniche e altro ancora.

Materiali comunemente usati per le guarnizioni meccaniche

Materiali per superfici di tenuta

Le facce di tenuta sono il cuore di una tenuta meccanica, responsabili del mantenimento di un'interfaccia di tenuta ermetica nonostante condizioni operative difficili. I seguenti materiali sono frequentemente utilizzati per le facce di tenuta grazie alle loro proprietà uniche:

1. Carbonio: Il carbonio-grafite è una scelta popolare per le superfici di tenuta grazie alle sue proprietà autolubrificanti, all'eccellente conduttività termica e alla capacità di adattarsi a piccole imperfezioni nella superficie di accoppiamento. È comunemente utilizzato in applicazioni con acqua e a bassa pressione, ma può ossidarsi ad alte temperature o in ambienti altamente ossidanti.
2. Carburo di silicio: Il carburo di silicio è un materiale ceramico estremamente duro e resistente all'usura che offre un'eccellente resistenza chimica e stabilità dimensionale. Viene spesso utilizzato in applicazioni impegnative che comportano alte temperature, pressioni e mezzi aggressivi. Il carburo di silicio può essere sinterizzato o legato tramite reazione, con quest'ultimo che offre una migliore resistenza agli shock termici.
3. Carburo di tungsteno: Il carburo di tungsteno è un materiale denso e resistente all'usura con elevata conduttività termica. Viene spesso utilizzato in applicazioni ad alta pressione e alta temperatura e può resistere a supporti abrasivi. Tuttavia, il carburo di tungsteno può essere soggetto a cricche termiche in caso di rapidi cambiamenti di temperatura.
4. Ceramica: Le ceramiche avanzate, come l'allumina e la zirconia, offrono un'eccellente resistenza all'usura, inerzia chimica e stabilità alle alte temperature. Sono sempre più utilizzate in condizioni di servizio severe, come pompe ad alta pressione e compressori che gestiscono fluidi aggressivi. Tuttavia, le ceramiche possono essere fragili e suscettibili allo shock termico.
5. PTFE caricato con vetro: Il PTFE (politetrafluoroetilene) caricato con vetro è un materiale composito che unisce il basso attrito e la resistenza chimica del PTFE alla migliore resistenza all'usura e alla stabilità dimensionale fornite dalle fibre di vetro. È comunemente utilizzato in ambienti a bassa pressione e chimicamente aggressivi in cui il basso attrito è essenziale.

Materiali di tenuta secondari (elastomeri)

Le guarnizioni secondarie, in genere O-ring o guarnizioni, sono responsabili della tenuta statica tra le superfici di tenuta e l'alloggiamento. prevenire le perdite e mantenere l'integrità del sistema di tenuta. I materiali elastomerici comuni utilizzati per le tenute secondarie includono:

1. Buna (nitrile): Buna, o gomma nitrilica, è un elastomero multiuso con buona resistenza a oli, carburanti e fluidi idraulici. Offre un'ampia gamma di temperature di esercizio e un'eccellente resistenza all'abrasione. Tuttavia, non è consigliato per l'uso con solventi polari, chetoni o idrocarburi aromatici.
2. EPDM: Il monomero di etilene propilene diene (EPDM) è un elastomero versatile ed economico con un'eccellente resistenza al calore, all'ozono e agli agenti atmosferici. Viene spesso utilizzato in applicazioni che coinvolgono acqua, vapore e sostanze chimiche delicate. Tuttavia, l'EPDM non è compatibile con oli e fluidi a base di petrolio.
3. Vitone: Il Viton, o fluoroelastomero, è una gomma sintetica ad alte prestazioni con eccezionale resistenza chimica e stabilità alle alte temperature. È comunemente utilizzato in ambienti chimici aggressivi e può resistere a temperature fino a 200°C (400°F). Tuttavia, il Viton è relativamente costoso e potrebbe non essere adatto per applicazioni dinamiche con elevato attrito.

Proprietà dei diversi materiali utilizzati per le guarnizioni meccaniche

Fattori da considerare quando si selezionano i materiali per le tenute meccaniche

Compatibilità dei fluidi

La composizione chimica, il livello di pH e i potenziali contaminanti nel fluido possono avere un impatto significativo sulla durata e sulla funzionalità dei materiali di tenuta. Ad esempio, un materiale di tenuta che funziona bene con l'acqua può degradarsi rapidamente se esposto a un fluido a base di idrocarburi. Pertanto, è essenziale selezionare materiali che possano resistere alle proprietà chimiche specifiche del fluido senza subire corrosione, rigonfiamento o deterioramento eccessivi.

Intervallo di temperatura

Materiali diversi hanno tolleranze di temperatura variabili, e scegliere materiali che possano mantenere le loro proprietà e prestazioni nell'intero spettro di temperatura previsto è fondamentale. Per applicazioni ad alta temperatura, materiali come carburo di tungsteno, carburo di silicio e alcune ceramiche ingegnerizzate sono spesso preferiti per la loro eccellente resistenza al calore e stabilità termica. Al contrario, in ambienti a bassa temperatura, materiali come carbonio e alcuni elastomeri potrebbero essere più adatti.

Condizioni di pressione

Gli ambienti ad alta pressione richiedono materiali con resistenza meccanica e stabilità dimensionale superiori per resistere alle maggiori forze che agiscono sulle superfici di tenuta. In questi casi, materiali più duri e resilienti come carburo di silicio, carburo di tungsteno o ceramiche vengono spesso selezionati per la loro capacità di mantenere un'interfaccia di tenuta stabile e resistente all'usura in condizioni di pressione impegnative.

Resistenza meccanica

La resistenza meccanica dei materiali di tenuta è una considerazione fondamentale, in particolare nelle applicazioni che comportano elevate velocità di rotazione, frequenti cicli di avvio-arresto o esposizione a vibrazioni e urti. I materiali con elevata durezza, tenacità alla frattura e resistenza alla flessione sono meglio equipaggiati per gestire queste sollecitazioni meccaniche senza screpolature, scheggiature o usura prematura. Le superfici di tenuta, in particolare, devono possedere una resistenza meccanica sufficiente a mantenere un'interfaccia di tenuta stabile e precisa per tutta la vita operativa della tenuta.

Resistenza all'abrasione

Nelle applicazioni che coinvolgono particelle abrasive o contaminanti nel fluido, la resistenza all'abrasione dei materiali di tenuta è di fondamentale importanza. L'usura abrasiva può erodere rapidamente le superfici di tenuta, causando maggiori perdite e una durata di vita della tenuta ridotta. Materiali con elevata durezza e resistenza all'usura, come carburo di tungsteno, carburo di silicio e alcune ceramiche, sono preferiti per la loro capacità di resistere all'azione raschiante delle particelle abrasive. L'uso di materiali di superficie duri in combinazione con tenute secondarie più morbide e più resilienti può aiutare a ridurre al minimo l'impatto dell'abrasione sulle prestazioni complessive della tenuta.

Velocità di funzionamento

Anche la velocità di rotazione dell'attrezzatura influenza la scelta del materiale, poiché il funzionamento ad alta velocità può generare calore significativo e aumentare lo stress sul componenti di tenuta. Materiali con buone proprietà di dissipazione del calore e resistenza alla distorsione termica, come carburo di silicio e carburo di tungsteno, sono spesso scelti per applicazioni ad alta velocità. Inoltre, l'uso di caratteristiche idrodinamiche sulle facce di tenuta, come scanalature o palette, può aiutare a generare un sottile film di fluido tra le facce, riducendo l'attrito e la generazione di calore ad alte velocità.

Normative ambientali

Alcuni materiali, come l'amianto e il piombo, sono ora limitati o proibiti in molte applicazioni a causa dei loro potenziali rischi per la salute e l'ambiente. I materiali di tenuta devono essere conformi alle normative pertinenti, come REACH, RoHS e BSEA, per garantirne l'idoneità all'uso in settori e regioni specifici.

Dimensioni dell'albero

Alberi più grandi potrebbero richiedere materiali di tenuta più robusti per gestire l'area superficiale aumentata e il potenziale di disallineamento o flessione. Inoltre, la finitura superficiale e le condizioni dell'albero possono influenzare la selezione di materiali di tenuta compatibili. Superfici dell'albero ruvide o danneggiate potrebbero richiedere l'uso di materiali di superficie più duri e resistenti all'usura per compensare l'abrasione aumentata e mantenere una tenuta efficace.

Tipo di apparecchiatura

Diversi tipi di apparecchiature, come pompe, miscelatori o compressori, possono avere requisiti specifici per i materiali di tenuta in base alle loro condizioni operative, caratteristiche di progettazione e standard di settore. Ad esempio, le guarnizioni utilizzate nelle apparecchiature di lavorazione alimentare devono essere conformi alle normative FDA ed essere adatte al contatto con prodotti alimentari, mentre le guarnizioni negli impianti di lavorazione chimica potrebbero dover resistere a fluidi altamente corrosivi o aggressivi.

Costo totale di proprietà

Sebbene alcuni materiali possano avere un costo iniziale più elevato, possono offrire significativi risparmi a lungo termine grazie alla maggiore durata della guarnizione, alla riduzione dei requisiti di manutenzione e alla riduzione dei tempi di fermo. I costi associati ai guasti della guarnizione, come la perdita di produzione, la bonifica ambientale e il danno alla reputazione, possono superare di gran lunga i costi iniziali dei materiali. Pertanto, è essenziale valutare i costi e i benefici dell'intero ciclo di vita delle diverse opzioni di materiali.