Che cosa è l'elastomero nella tenuta meccanica

Nel regno delle tenute meccaniche, gli elastomeri sono materiali polimerici che presentano proprietà elastiche. Questi materiali versatili sono impiegati in vari componenti di tenuta, come O-ring, soffietti e tenute secondarie, per fornire una tenuta efficace e prevenire perdite di fluido.

Gli elastomeri possiedono caratteristiche uniche, tra cui flessibilità, resilienza e resistenza a sostanze chimiche e temperature estreme, rendendoli indispensabili in applicazioni industriali esigenti. La selezione dell'elastomero appropriato per una specifica tenuta meccanica dipende da fattori quali il fluido da sigillare, la temperatura di esercizio, la pressione e la compatibilità chimica.

Che cosa è l'elastomero nella tenuta meccanica

Un elastomero è un componente cruciale in tenute meccaniche, offrendo tenuta e flessibilità in un'ampia gamma di applicazioni. Gli elastomeri sono materiali polimerici che presentano proprietà elastiche, consentendo loro di deformarsi sotto sforzo e di tornare alla loro forma originale quando lo sforzo viene rimosso. Nei progetti di tenute meccaniche, gli elastomeri sono comunemente utilizzati come tenute secondarie, come O-ring, guarnizioni e soffietti, per prevenire perdite e adattarsi al movimento dell'albero.

Un'applicazione comune degli elastomeri in tenute meccaniche è la tenuta a soffietto elastomerico. Questo tipo di tenuta è costituito da un soffietto elastomerico che funge sia da tenuta secondaria che da elemento a molla, fornendo flessibilità assiale e mantenendo una forza di tenuta costante. Le tenute a soffietto elastomerico sono compatte, facili da installare e possono funzionare indipendentemente dalla direzione di rotazione, il che le rende versatili per vari tipi e dimensioni di pompe.

Caratteristiche degli elastomeri

• Elasticità e flessibilità: gli elastomeri hanno la capacità di deformarsi sotto stress e di tornare alla loro forma originale una volta rimosso lo stress. Questa elasticità consente ai soffietti in elastomero e ad altri componenti di tenuta di adattarsi al movimento dell'albero, al disallineamento e alle vibrazioni senza compromettere la funzione di tenuta.
• Durezza durometrica: la durezza durometrica di un elastomero si riferisce alla sua resistenza all'indentazione ed è una misura della sua fermezza. Gli elastomeri più morbidi forniscono una migliore tenuta contro superfici irregolari, mentre gli elastomeri più duri offrono una migliore resistenza all'abrasione e sono adatti per applicazioni ad alta pressione.
• Resistenza al set di compressione: la resistenza al set di compressione è la capacità di un elastomero di mantenere la sua forza di tenuta e tornare alla sua forma originale dopo essere stato sottoposto a compressione prolungata. Gli elastomeri con elevata resistenza al set di compressione riducono al minimo il rischio di rottura della guarnizione dovuta a deformazione permanente, garantendo prestazioni di tenuta costanti per periodi prolungati.
• Resistenza alla trazione: la resistenza alla trazione si riferisce alla massima sollecitazione che un elastomero può sopportare prima di rompersi. Gli elastomeri utilizzati nelle tenute meccaniche devono avere una resistenza alla trazione sufficiente a resistere alle forze generate dalla pressione del fluido sigillato e dal carico della molla del gruppo di tenuta.
• Allungamento a rottura: l'allungamento a rottura è il massimo allungamento che un elastomero può subire prima di rompersi. Gli elastomeri con elevato allungamento a rottura possono adattarsi a deformazioni significative senza rompersi, fornendo un margine di sicurezza in caso di sollecitazioni o movimenti imprevisti.
• Resistenza chimica: gli elastomeri utilizzati nelle tenute meccaniche devono resistere alla degradazione quando esposti al fluido sigillato e all'ambiente circostante.
• Resistenza alla temperatura: l'intervallo di temperatura di esercizio è un altro fattore critico nella selezione dell'elastomero appropriato per una tenuta meccanica. Gli elastomeri devono mantenere le loro proprietà e prestazioni di tenuta nell'intervallo di temperatura previsto dell'applicazione.

Tipi di elastomeri utilizzati nelle guarnizioni meccaniche

Nitrile (NBR)

Il nitrile, noto anche come Buna-N, è una scelta popolare di elastomero per le guarnizioni meccaniche grazie alla sua eccellente resistenza a oli, carburanti e altri fluidi a base di idrocarburi. Offre una buona resistenza all'abrasione e può sopportare temperature che vanno da -30°C a 110°C. L'NBR è comunemente utilizzato in applicazioni che coinvolgono prodotti petroliferi, come fluidi e lubrificanti per autoveicoli.

Fluoroelastomero (FKM)

I fluoroelastomeri, spesso indicati come Viton®, presentano un'eccezionale resistenza chimica e possono sopportare temperature elevate fino a 200°C. Sono resistenti a un'ampia gamma di sostanze chimiche aggressive, tra cui acidi, basi e solventi. FKM è la scelta ideale per le tenute meccaniche nei settori dell'industria chimica, farmaceutica e petrolifera e del gas.

Silicone (VMQ)

Gli elastomeri siliconici sono noti per la loro eccellente stabilità termica e flessibilità in un ampio intervallo di temperature, da -60°C a 230°C. Offrono una buona resistenza all'ozono, alle radiazioni UV e agli agenti atmosferici. Tuttavia, il silicone ha una resistenza limitata agli oli e ai solventi. Viene spesso utilizzato in applicazioni alimentari e delle bevande, mediche e farmaceutiche.

Monomero di etilene propilene diene (EPDM)

L'EPDM è un elastomero versatile con un'eccellente resistenza al calore, all'ozono e agli agenti atmosferici. Può sopportare temperature da -50°C a 150°C ed è compatibile con una varietà di fluidi, tra cui acqua, vapore e sostanze chimiche delicate. L'EPDM è comunemente utilizzato in applicazioni automobilistiche, HVAC e industriali.

Perfluoroelastomero (FFKM)

I perfluoroelastomeri, come Kalrez® e Chemraz®, sono gli elastomeri più resistenti dal punto di vista chimico disponibili. Possono sopportare temperature estreme fino a 327 °C e sono compatibili con praticamente tutti i prodotti chimici, inclusi acidi, basi e solventi altamente aggressivi. L'FFKM è utilizzato in applicazioni critiche in cui il guasto della guarnizione può avere gravi conseguenze, come nella produzione di semiconduttori e nella lavorazione chimica.

Poliuretano resistente all'idrolisi (HPU)

Gli elastomeri HPU sono specificamente progettati per resistere all'idrolisi, ovvero la degradazione dell'elastomero dovuta all'esposizione all'acqua e alle alte temperature. Offrono un'eccellente resistenza all'abrasione e possono sopportare temperature fino a 120°C. L'HPU è comunemente utilizzato nelle tenute meccaniche per pompe che gestiscono acqua, acque reflue e altre soluzioni acquose.

Vantaggi degli elastomeri

Eccellenti prestazioni di tenuta

Gli elastomeri utilizzati nelle guarnizioni meccaniche offrono eccellenti prestazioni di tenuta in un'ampia gamma di applicazioni. La loro elasticità e flessibilità consentono loro di conformarsi strettamente alle superfici che sigillano, creando una barriera ermetica che impedisce perdite. Ciò è particolarmente importante in applicazioni dinamiche come pompe centrifughe, dove la guarnizione deve adattarsi al movimento dell'albero mantenendo al contempo una tenuta affidabile.

Compatibilità chimica

Un altro vantaggio fondamentale degli elastomeri nelle applicazioni di tenuta è la loro resistenza chimica. Diversi composti elastomerici sono formulati per resistere all'esposizione a vari prodotti chimici, solventi, oli e altri fluidi. Ad esempio, i fluoroelastomeri (FKM) mostrano un'eccellente resistenza a molti prodotti chimici aggressivi, carburanti e oli, rendendoli adatti all'uso in ambienti industriali esigenti. Allo stesso modo, gli elastomeri EPDM hanno una buona resistenza all'acqua, al vapore e a molti solventi polari.

Resistenza alla temperatura

Gli elastomeri utilizzati nelle guarnizioni meccaniche sono anche in grado di funzionare in un ampio intervallo di temperature. Diversi composti elastomerici hanno capacità di temperatura variabili, con alcuni in grado di gestire temperature estremamente alte o basse. I fluoroelastomeri, ad esempio, possono resistere a temperature fino a 200 °C o superiori, mentre gli elastomeri siliconici mantengono le loro proprietà a temperature basse fino a -60 °C.

Resistenza all'abrasione e all'usura

Nelle applicazioni che coinvolgono supporti abrasivi o particolato, gli elastomeri offrono una buona resistenza all'abrasione e all'usura rispetto ad altri materiali di tenuta. La natura resiliente degli elastomeri consente loro di assorbire l'impatto delle particelle abrasive senza danni permanenti. Alcuni composti elastomerici, come il poliuretano resistente all'idrolisi (HPU), sono specificamente formulati per una maggiore resistenza all'abrasione.

Assorbimento di vibrazioni e urti

Le proprietà di smorzamento intrinseche degli elastomeri li rendono eccellenti nell'assorbire vibrazioni e carichi d'urto nei sistemi meccanici. Nelle applicazioni con vibrazioni elevate o forze di impatto improvvise, i componenti elastomerici nelle tenute meccaniche aiutano a proteggere le superfici di tenuta e altri componenti critici da eventuali danni. L'elastomero agisce come un tampone, dissipando energia e riducendo la trasmissione delle vibrazioni alle superfici di tenuta.

Efficacia dei costi

Gli elastomeri sono generalmente più convenienti rispetto ad altri materiali di tenuta specializzati. Le materie prime e i processi di produzione per gli elastomeri sono solitamente meno costosi rispetto alle leghe esotiche o alle ceramiche avanzate. Inoltre, la versatilità degli elastomeri consente di utilizzarli in un'ampia gamma di design e applicazioni di tenute meccaniche, riducendo la necessità di costose soluzioni personalizzate.

Fattori che influenzano le prestazioni dell'elastomero

Temperatura di esercizio

Gli elastomeri hanno limiti di temperatura specifici oltre i quali le loro proprietà meccaniche si deteriorano. Ad esempio, il nitrile (NBR) è adatto a temperature da -30°C a 110°C, mentre i fluoroelastomeri (FKM) possono resistere da -20°C a 200°C. Il superamento dell'intervallo di temperatura consigliato può causare l'indurimento, l'ammorbidimento o il degrado dell'elastomero, compromettendo le prestazioni e la durata di servizio della guarnizione.

Compatibilità chimica

L'elastomero deve resistere all'ambiente chimico senza eccessivo rigonfiamento, restringimento o degradazione. Diversi elastomeri offrono resistenza a vari prodotti chimici:

• Nitrile (NBR): resistente agli oli minerali, ai grassi e ad alcuni carburanti
• Fluoroelastomero (FKM): Eccellente resistenza a sostanze chimiche aggressive, oli e solventi
• EPDM: Buona resistenza ai chetoni, agli alcoli e ai liquidi dei freni, ma scarsa resistenza agli oli
• FFKM: resistenza chimica superiore, sopporta un'ampia gamma di sostanze chimiche aggressive

L'incompatibilità tra l'elastomero e il mezzo può causare guasti alla guarnizione e perdite.

Pressione

Le pressioni elevate possono causare un eccessivo set di compressione, riducendo la capacità dell'elastomero di mantenere una tenuta adeguata. Il limite di pressione dipende dal tipo di elastomero e dal design della tenuta. Ad esempio, una tenuta a soffietto in gomma con un design compatto può gestire pressioni più elevate rispetto a un O-ring standard.

Abrasione e usura

Nelle applicazioni che coinvolgono particelle o supporti abrasivi, l'elastomero deve presentare una buona resistenza all'abrasione per prevenire l'usura prematura. Gli elastomeri più duri, come FKM o FFKM, offrono generalmente una migliore resistenza all'abrasione rispetto ai materiali più morbidi come silicone o EPDM. Tuttavia, gli elastomeri più duri possono compromettere le prestazioni di tenuta in applicazioni dinamiche che richiedono flessibilità.

Velocità e runout dell'albero

L'elastomero deve adattarsi al movimento dell'albero e all'eccentricità nelle applicazioni di tenuta dinamica. Le elevate velocità dell'albero possono generare calore e causare un'usura più rapida dell'elastomero. Un'eccessivo eccentricità o disallineamento dell'albero può causare usura irregolare e perdite. Gli elastomeri con buona resistenza al set di compressione ed elasticità, come FKM o FFKM, sono più adatti per applicazioni ad alta velocità. Un design di tenuta appropriato, come l'incorporazione di una molla elicoidale o di convoluzioni, può aiutare a compensare il movimento dell'albero e a mantenere l'efficacia della tenuta.