Tenute meccaniche per applicazioni ad alta temperatura

Negli ambienti industriali ad alta temperatura, mantenere l'integrità e l'affidabilità delle tenute meccaniche è fondamentale. Sono richiesti materiali e design specializzati per resistere a sollecitazioni termiche estreme e prevenire perdite in applicazioni critiche.

In questo articolo verranno esaminate le principali considerazioni e soluzioni per le tenute meccaniche che operano in condizioni di alta temperatura.

Modalità di guasto comuni dovute alle alte temperature

Degrado termico dei materiali delle superfici di tenuta

Le alte temperature possono causare la degradazione termica del faccia di sigillo materiali, portando a usura prematura e guasti. Il calore generato durante il funzionamento può rompere la struttura molecolare delle facce di tenuta, causando la perdita delle loro proprietà meccaniche e della stabilità dimensionale. Questo deterioramento può causare maggiori perdite, una ridotta efficacia di tenuta e, in ultima analisi, guasti della tenuta.

Espansione e distorsione termica

La dilatazione termica differenziale tra i componenti della guarnizione e l'attrezzatura circostante può causare distorsioni e disallineamenti delle superfici della guarnizione. Con l'aumento della temperatura, i vari materiali si espandono a velocità diverse, creando potenzialmente spazi vuoti o causando la deformazione delle superfici della guarnizione. Questa distorsione può portare a maggiori perdite, usura accelerata e prestazioni di tenuta ridotte.

Decomposizione e carbonizzazione del lubrificante

Le alte temperature possono causare la rottura e la carbonizzazione dei lubrificanti utilizzati nelle tenute meccaniche. Il calore può degradare le proprietà del lubrificante, riducendone l'efficacia nel minimizzare l'attrito e l'usura tra le facce della tenuta. La carbonizzazione si verifica quando il lubrificante si rompe e forma depositi di carbonio duri e abrasivi sulle facce della tenuta, causando usura accelerata e perdite.

Degradazione della guarnizione secondaria

L'ambiente ad alta temperatura può anche influenzare le guarnizioni secondarie, come gli O-ring o le guarnizioni, utilizzate nelle guarnizioni meccaniche. Queste guarnizioni sono in genere realizzate in materiali elastomerici che possono degradarsi e perdere la loro elasticità se esposti ad alte temperature. Il degrado delle guarnizioni secondarie può causare perdite, compromettendo le prestazioni di tenuta complessive del tenuta meccanica.

Shock termico e ciclizzazione

Rapidi cambiamenti di temperatura, noti come shock termico, possono causare stress significativo sui componenti della tenuta meccanica. Il ciclo termico, in cui la tenuta subisce ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento, può portare a fatica e screpolature delle facce della tenuta e di altri componenti. Questi stress termici possono ridurre la durata della tenuta e aumentare la probabilità di guasti prematuri.

Tipi di tenute meccaniche per alte temperature

Quando si selezionano tenute meccaniche per applicazioni ad alta temperatura, è importante considerare le caratteristiche di progettazione specifiche che consentono un funzionamento affidabile in condizioni estreme. I seguenti tipi di tenute meccaniche sono comunemente utilizzati in ambienti ad alta temperatura:

Sigilli singoli

Le tenute meccaniche singole sono costituite da un singolo set di superfici di tenuta, solitamente realizzate con materiali in grado di resistere ad alte temperature. Queste tenute sono spesso utilizzate in applicazioni in cui il fluido di processo non è altamente volatile o pericoloso. I materiali principali delle superfici di tenuta per tenute singole ad alta temperatura includono:

• Carburo di silicio: offre un'eccellente resistenza al calore e agli shock termici
• Carburo di tungsteno: fornisce elevata durezza e resistenza all'usura a temperature elevate
• Grafite di carbonio: presenta una buona conduttività termica e proprietà autolubrificanti

Per migliorare le prestazioni delle guarnizioni singole nelle applicazioni ad alta temperatura, è possibile integrare nella progettazione della guarnizione caratteristiche aggiuntive quali camicie di raffreddamento, alette di dissipazione del calore e barriere termiche.

Doppi sigilli

Doppie tenute meccaniche forniscono uno strato di protezione aggiuntivo in ambienti ad alta temperatura, rendendoli adatti per applicazioni che coinvolgono fluidi pericolosi o volatili. Queste guarnizioni sono costituite da due serie di facce di tenuta, con un fluido barriera fatto circolare tra di esse. Il fluido barriera serve a lubrificare le facce di tenuta, dissipare il calore e impedire al fluido di processo di fuoriuscire nell'atmosfera.

Alcuni fluidi barriera comunemente utilizzati includono:

• Fluidi a base di glicole: offrono buona stabilità termica e proprietà di trasferimento del calore
• Fluidi perfluoropolieterei (PFPE): forniscono un'eccellente resistenza chimica e termica
• Fluidi a base di silicone: presentano una buona stabilità termica e una bassa volatilità

Le guarnizioni doppie per applicazioni ad alta temperatura possono anche incorporare sistemi di raffreddamento, come scambiatori di calore o refrigeratori d'aria, per mantenere la temperatura del fluido barriera entro limiti accettabili.

Guarnizioni a cartuccia

Le tenute meccaniche a cartuccia sono unità preassemblate che combinano i componenti di tenuta, la piastra premistoppa e il manicotto in un unico pacchetto facile da installare. Queste tenute offrono diversi vantaggi nelle applicazioni ad alta temperatura, tra cui:

• Installazione e manutenzione semplificate: le guarnizioni a cartuccia riducono il rischio di assemblaggio errato e riducono al minimo i tempi di fermo durante la sostituzione della guarnizione
• Miglioramento dell'allineamento delle superfici di tenuta: il design preassemblato garantisce il corretto allineamento delle superfici di tenuta, riducendo il rischio di guasti prematuri dovuti a disallineamento
• Maggiore prevenzione delle perdite: le guarnizioni a cartuccia spesso incorporano elementi di tenuta secondari, come O-ring o guarnizioni, per prevenire perdite tra i componenti della guarnizione e l'apparecchiatura

Selezione dei materiali