Le tenute meccaniche si basano su fluidi dedicati (spesso oli o fluidi a base di olio) per lubrificare e raffreddare il facce di foca, che previene l'eccessivo attrito e l'usura. Questi fluidi svolgono ruoli diversi in sistemi di supporto delle guarnizioni, dai fluidi di barriera e tampone utilizzati in sistemi a doppia tenuta agli oli lubrificanti/di circolazione generali in vari piani di lavaggio o supporto.
Tipi di fluidi per tenute meccaniche
Tenuta meccanica I fluidi di supporto possono essere classificati in base alla loro funzione nel sistema di tenuta:
Fluidi barriera (oli di tenuta)
In una configurazione a doppia tenuta pressurizzata (spesso chiamata doppia tenuta), un fluido esterno viene mantenuto a una pressione superiore a quella del fluido di processo. Questo fluido barriera isola completamente il liquido di processo pompato dall'ambiente. Lubrifica le superfici di tenuta interna ed esterna e dissipa il calore. I fluidi barriera sono utilizzati nei sistemi API Plan 53/54 (ad esempio, Plan 53A con serbatoio pressurizzato, Plan 54 con sistema di circolazione esterno).
Un fluido barriera è in genere un olio pulito e stabile (o una miscela a base di olio) selezionato per resistere alle condizioni operative. Deve essere compatibile con il processo e materiali di tenuta, garantiscono una buona lubrificazione e raffreddamento e non presentano rischi per la sicurezza o per l'ambiente. Poiché la pressione è superiore a quella di processo, non si verificano perdite di fluido di processo oltre la tenuta interna; eventuali perdite tendono a verificarsi verso l'esterno della tenuta esterna.
Fluidi tampone
In una configurazione a doppia tenuta non pressurizzata (tandem), il fluido esterno viene mantenuto alla pressione di processo o al di sotto di essa. Questo fluido tampone fornisce lubrificazione e raffreddamento tra le due tenute, ma non è destinato a contenere completamente il fluido di processo. Sistemi a fluido tampone (ad esempio, Piano API 52 con un serbatoio non pressurizzato) consentono una piccola perdita di processo nel fluido tampone o viceversa. Pertanto, il fluido tampone deve essere compatibile con il liquido di processo, poiché si verificherà una certa miscelazione.
Come i fluidi barriera, i fluidi tampone devono essere sicuri, stabili e un buon lubrificante/mezzo di trasferimento del calore. Tuttavia, poiché la pressione del fluido tampone è inferiore, non isolano il processo; servono principalmente a ridurre le perdite in atmosfera e a lubrificare le superfici di tenuta. I fluidi tampone richiedono spesso una manutenzione più frequente poiché possono essere contaminati dal processo.
Oli lubrificanti
Non tutte le tenute meccaniche utilizzano un serbatoio esterno dedicato; molte tenute singole sono lubrificate dal fluido di processo o da un fluido di lavaggio. Nei casi in cui il fluido di processo sia scarsamente lubrificante o contenga sostanze abrasive, è possibile introdurre un olio lubrificante esterno o un fluido di lavaggio (ad esempio, Piano API 32 inietta un fluido pulito, che potrebbe essere un olio, nel camera di tenuta).
Questi oli lubrificanti servono per lavare e lubrificare le superfici di tenuta delle guarnizioni singole o spegnere lato atmosferico di una tenuta (Piano 62), migliorandone l'affidabilità. Sono generalmente alimentati da un sistema separato e possono essere o meno ricircolati.
Tipi di oli utilizzati nelle tenute meccaniche
Esiste un'ampia gamma di tipi di olio utilizzati nei sistemi di tenuta, dai tradizionali oli minerali ai sintetici avanzati. Ogni tipo offre caratteristiche prestazionali diverse:
Oli minerali
Si tratta di oli derivati dal petrolio, tradizionalmente utilizzati in molti sistemi di tenuta. Gli oli minerali sono facilmente reperibili ed economici, e forniscono una lubrificazione adeguata in condizioni moderate. Tuttavia, hanno una resistenza alla temperatura limitata: ad alte temperature si ossidano e si degradano, lasciando potenzialmente depositi e perdendo la capacità lubrificante.
Il loro indice di viscosità è moderato (il che significa che la viscosità varia significativamente con la temperatura). Gli oli minerali possono essere adatti per uso generale lubrificazione delle guarnizioni quando le temperature di esercizio non sono estreme e gli intervalli di manutenzione sono relativamente brevi.
Oli sintetici
Un'ampia categoria che comprende oli progettati a partire da basi chimiche anziché raffinati direttamente dal greggio. I sintetici sono formulati per offrire proprietà superiori, come un intervallo di temperatura più ampio, una maggiore stabilità ossidativa e una migliore lubrificazione rispetto agli oli minerali. Tra i diversi sottotipi rilevanti per le tenute meccaniche figurano:
- Oli PAO (polialfaolefine): Le PAO sono idrocarburi sintetici che imitano la struttura degli oli minerali altamente raffinati, ma con molecole uniformi e prive di composti indesiderati. Presentano un'eccellente stabilità termica, bassa volatilità, elevato indice di viscosità e buona compatibilità con i materiali.
- Oli PAG (polialchilenglicole): I PAG sono polimeri di ossido di etilene o di propilene (o entrambi). Hanno indici di viscosità molto elevati, il che significa che mantengono la viscosità al variare della temperatura in modo eccezionale e possono essere formulati per essere solubili in acqua o insolubili.
- Oli siliconici: I fluidi a base di silicone (tipicamente polidimetilsilossano o simili) sono altamente inerti e stabili in intervalli di temperatura molto ampi. Rimangono liquidi a temperature estremamente basse e possono tollerare temperature elevate (alcune fino a ~250-300 °C) senza ossidarsi come gli idrocarburi.
- Sintetici a base di esteri: Questa categoria include diesteri ed esteri di polioli, oli sintetici formati dalla reazione di alcoli con acidi carbossilici. Gli oli esteri sono utilizzati da decenni nella lubrificazione ad alta temperatura (ad esempio, oli per motori a reazione, oli per compressori) grazie all'eccellente resistenza del film lubrificante e alla stabilità termica. Sono inoltre biodegradabili più facilmente delle PAO, il che li rende interessanti per usi ecosostenibili.
- Oli fluorurati (PFPE): Per le condizioni chimiche e di temperatura più estreme, vengono utilizzati oli perfluoropolieterei (PFPE) o fluidi fluorurati simili. Questi oli sono completamente fluorurati, il che li rende chimicamente inerti a praticamente tutti gli agenti chimici e agli ambienti ossidanti.
- Altri fluidi di nicchia: In alcuni casi, idrocarburi leggeri come il cherosene o il gasolio sono stati utilizzati come oli per guarnizioni. Questi fluidi hanno una bassa viscosità (~2 cSt) e un buon potere lubrificante, che può essere utilizzato per le superfici di tenuta. Tuttavia, sono ovviamente infiammabili e hanno punti di infiammabilità relativamente bassi, quindi il loro utilizzo è limitato ai sistemi in cui questi fluidi sono già gestiti e sono in atto misure di sicurezza.
| Tipo di olio/fluido | Composizione/Base | Caratteristiche chiave | Usi tipici / Note |
|---|---|---|---|
| Olio minerale | Derivato dal petrolio (altamente raffinato) | Buona lubrificazione; indice di viscosità moderato; economico. Stabilità limitata alle alte temperature (si ossida, forma vernice); può contenere additivi (evitare gli additivi EP). | Olio per guarnizioni multiuso in condizioni moderate. Utilizzato quando le temperature non sono estreme e si accetta un lubrificante economico. Tende a richiedere cambi più frequenti ad alte temperature. |
| PAO sintetico | Polialfaolefina (idrocarburo sintetico) | Eccellente stabilità termica e resistenza all'ossidazione; elevato indice di viscosità (viscosità piatta rispetto a T); molto basso punto di scorrimento. Nessun componente polare, non necessita di additivi (spesso utilizzato puro); compatibile con i comuni materiali di tenuta. | Fluido barriera/tampone ampiamente utilizzato nei sistemi moderni. Disponibile in gradazioni leggere (ISO VG 5–20), ideale per guarnizioni. Formulato anche in versioni per uso alimentare* (NSF H1). Adatto per l'industria petrolifera e del gas, chimica e in generale: la scelta ideale per affidabilità e lunga durata. |
| PAG sintetico | Glicole polialchilenico (polimero etereo) | Indice di viscosità molto elevato (eccellente per un ampio intervallo di temperature); eccellente potere lubrificante (basso attrito); può essere formulato solubile in acqua o insolubile. Igroscopico (assorbe l'acqua) in molti casi; non compatibile con l'olio minerale; può ammorbidire alcune vernici o polimeri. | Utilizzato in applicazioni specializzate che richiedono temperature estreme o un'elevata resistenza del film. Alcuni fluidi per uso alimentare e ignifughi sono a base di PAG. Meno comuni come sigillare il vaso fluidi a causa di problemi di miscelazione, ma può superare gli altri in alta temperatura o temperature estreme, se scelte con cura. |
| Olio di silicone | Polidimetilsilossano o simili | Capacità di temperatura ultra-ampia (stabile dal freddo intenso fino a ~250 °C); chimicamente inerte alla maggior parte dei materiali; elevato punto di infiammabilità; bassa volatilità. Lubrificazione limite inferiore sotto carico; può formare particelle di silice dura che abradono le guarnizioni; elevata solubilità nei gas. | Raramente utilizzato per la lubrificazione delle guarnizioni a causa del rischio di incrostazioni e abrasioni. Può essere impiegato in alcuni settori di trasferimento di calore ad alta temperatura o dove l'inerzia chimica è fondamentale (ad esempio, in presenza di ossigeno), ma generalmente evitato come olio per guarnizioni diretto, a meno che non vi siano alternative. |
| Sintetico a base di esteri | Diesteri o esteri di poliolo (organici) | Forte pellicola lubrificante; elevata stabilità termica (resiste alla formazione di coke); biodegradabilità superiore al PAO; buona capacità di solvente per gli additivi, se necessario. Può idrolizzarsi con l'acqua (formando acidi); può causare il rigonfiamento di alcuni elastomeri se non compatibili; per alcuni punti di scorrimento moderatamente elevati. | Utilizzato in alcuni macchinari ad alta temperatura o ad alta velocità in cui gli oli minerali/PAO risultano inefficaci (ad esempio, alcuni sistemi di tenuta per compressori o pompe per vuoto). Talvolta miscelato con PAO in fluidi commerciali per migliorarne le proprietà generali. Considerato anche in aree eco-sensibili se formulato per essere biodegradabile. |
| Olio fluorurato (PFPE) | Perfluoropolietere (completamente fluorurato) | Chimicamente inerte a praticamente tutte le sostanze; non infiammabile; temperatura di esercizio estremamente ampia (da –40 °C a 250 °C o più); nessuna ossidazione o formazione di gomma. Densità molto elevata (~1.8 g/mL); costoso; potere lubrificante inferiore rispetto agli oli idrocarburici (ma sufficiente per la maggior parte delle guarnizioni); non miscibile con altri oli. | La scelta ideale per sostanze chimiche aggressive e ambienti ricchi di ossigeno. Utilizzato in processi chimici, farmaceutici o guarnizioni aerospaziali, dove qualsiasi olio organico potrebbe reagire o rappresentare un rischio di incendio. Ad esempio, i fluidi MSHV di Halocarbon per pompe per sostanze chimiche reattive. A causa del costo, utilizzato solo quando assolutamente necessario. |
| Acqua/Glicole (50/50) | Acqua + glicole etilenico o propilenico | Non un olio, ma un comune fluido di tenuta: Eccellente capacità di raffreddamento (elevato calore specifico dell'acqua); bassa viscosità per una facile circolazione; il glicole previene il congelamento e la corrosione (con inibitori). Non tossico (in particolare miscele di glicole propilenico); non infiammabile. L'ebollizione/evaporazione può rappresentare un problema ad alte temperature; scarsa lubrificazione rispetto agli oli (ma sufficiente per molte guarnizioni doppie). | Comune nelle tenute doppie (Piani 52, 53) per pompe a temperatura moderata. Scelto nel settore alimentare/farmaceutico quando la contaminazione dell'olio è un problema (utilizzare glicole propilenico). Evitare antigelo per auto (gli inibitori di silicati causano l'usura delle tenute). Assicurarsi di utilizzare glicole industriale non inibito o adeguatamente inibito per proteggere i metalli delle tenute. Non utilizzare a temperature di processo superiori a ~80 °C a causa del rischio di vaporizzazione. |
| Cherosene/Diesel | Frazioni di petrolio leggero | Viscosità molto bassa (~1–3 cSt): scorre e si raffredda facilmente; buona lubrificazione naturale sulle superfici in carbonio; facilmente reperibile. Infiammabile (basso punto di infiammabilità); tossicità moderata; evapora o emette fumo a temperature più elevate (creando pericolo). | Storicamente utilizzato come fluido barriera semplice nelle raffinerie o in ambienti remoti (se tali combustibili erano disponibili). Lubrifica efficacemente le superfici di tenuta, ma a causa del rischio di incendio è generalmente non preferito se sono disponibili altri fluidi più sicuri. |
| Oli vegetali | Oli naturali (ad esempio, colza, soia) | Biodegradabile, rinnovabile; discreta lubrificazione (in particolare alcuni trigliceridi modificati); lievi proprietà EP. Tende all'ossidazione ad alte temperature (polimerizza in gomma); intervallo di temperatura limitato (può intorbidire o solidificare quando fa freddo, a meno che non venga conservato in inverno); può favorire la crescita microbica in presenza di acqua. | Occasionalmente utilizzato in applicazioni sensibili all'ambiente (ad esempio, in prossimità di corsi d'acqua) dove eventuali perdite devono essere non inquinanti. Tipicamente adatto solo per guarnizioni a bassa e media temperatura. Le prestazioni sono inferiori a quelle degli oli sintetici; pertanto, gli esteri sintetici di origine biologica sono spesso preferiti agli oli vegetali grezzi per le guarnizioni. |
