Nella prima parte introduttiva di questo bollettino, sono state elencate le principali cause che provocano un malfunzionamento ed il conseguente guasto di una tenuta meccanica.
In questa seconda introduciamo agli argomenti che portano alla scelta dei materiali di costruzione, ed i parametri che determinano la corretta selezione.
La tenuta meccanica è composta da:
- Superfici di tenuta (o di strisciamento) ovvero anello stazionario e anello rotante
- Guarnizioni secondarie
- Molla/e o soffietto metallico
- Altre parti metalliche: Corpo tenuta /collare, anello spingi molla, grani di serraggio
- Se “a cartuccia” la tenuta è corredata di flangia, camicia d’albero altri componenti
Come selezionare i materiali dei vari componenti meccanici:
Le superfici di tenuta devono essere selezionate considerando i fattori che influenzano l’attrito viscoso che si crea tra i due anelli di tenuta e provoca l’incremento di temperatura, il quale non deve causare l’evaporazione del film liquido e la conseguente precoce usura delle stesse.
I fattori che influenzano l’attrito sono: il carico (la spinta assiale tra i due anelli di tenuta), la velocità di strisciamento, la rugosità superficiale e le condizioni di lubrificazione legate alla temperatura ed alla viscosità del liquido da tenere.
I materiali dell’anello rotante e dell’anello stazionario raccomandati devono essere selezionati in relazione alla natura del fluido da tenere ed al fattore PxV (pressione di esercizio x velocità periferica).
Se le condizioni operative lo consentono, si privilegia un accoppiamento tra materiali di differente durezza con uno dei due anelli in grado di adattarsi alla contro faccia.
La grafite ha caratteristiche di ottima resistenza all’aggressione chimica, un basso coefficiente di attrito se in contatto con una superficie molto dura e con una bassa rugosità superficiale. Il carburo di silicio ha una durezza elevata, ottima resistenza all’aggressione chimica e conduttività termica, caratteristica importante per smaltire il calore generato dall’attrito tra due superfici di contatto. Questi due materiali hanno una buona capacità di adattarsi uno sull’altro, condizione ideale per la formazione del film liquido, indispensabile per raffreddare e lubrificare gli anelli di tenuta.
In alcune applicazioni con liquido contenete particelle abrasive o in applicazioni dove non vengono tollerati rilasci di particelle di grafite nel processo, bisogna ricorrere all’utilizzo di due materiali duri come il carburo di silicio o il carburo di tungsteno.
Diversi possono essere i tipi di grafite, carburo di silicio utilizzati nelle applicazioni per la tenuta meccanica possono essere diversi, ognuno ha proprie peculiarità.
Le guarnizioni secondarie:
Per evitare trafilamenti tra l’anello rotante e l’albero della macchina (o camicia d’albero) e tra l’anello stazionario e la flangia in cui questo viene alloggiato, sono necessarie le guarnizioni secondarie le quali devono avere le seguenti peculiarità:
- Compatibilità chimica con il fluido da tenere
- Evitare il trafilamento del fluido da tenere
- Consentire una facile installazione sulla macchina
- Tollerare piccoli errori di lavorazione su albero, camicia d’albero e sulla flangia dell’anello stazionario.
Non ultimo, la guarnizione installata sulla parte “flessibile” della tenuta deve tollerare i piccoli movimenti angolari, assiali presenti sulla macchina.
Le guarnizioni devono mantenere le loro caratteristiche per tutta la durata, quindi, devono essere compatibili con fluido da tenere.
Le guarnizioni tipo O-ring, grazie alla forma e le caratteristiche elastiche, sono quelle che maggiormente si prestano all’applicazione sulle tenute meccaniche. Se non selezionate ed installate correttamente possono essere causa di indesiderati trafilamenti.
Parti metalliche di una tenuta
Nella normalità dei casi viene utilizzato l’AISI316, equivalente X5CrNiMo17-12-2 o DIN 1.4401: è una lega di acciaio inox austenitica composta da un tenore di cromo tra il 16% ed il 18%, di nichel tra l’11% e il 14% e di molibdeno tra il 2% ed il 3%. Garantisce ottima compatibilità chimica e può essere lavorato per asportazione di truciolo con ragionevole facilità. In alcune applicazioni è necessario prevedere una lega ferrosa inossidabile con struttura mista austenitica e ferritica, denominato “Duplex”. Questi metalli offrono compatibilità chimica superiore all’AISI316 e vengono selezionati ad esempio per applicazioni con elevata salinità, presenza di H2S, soluzioni acide. Sono possibili applicazioni in cui le parti metalliche devono essere prodotte con superleghe come Hastelloy B o Hastelloy C, che offrono una elevata resistenza alla corrosione. Il Monel è una lega di nichel e rame trova ad esempio utilizzo in applicazioni con acido fluoridrico. Anche il Titanio viene utilizzato in caso di miscele molto aggressive. Queste leghe sono particolarmente costose ed hanno una lavorabilità inferiore rispetto all’acciaio inossidabile.
Le molle sono i particolari con minor spessore e possono venire aggredite più facilmente di altri elementi che compongono le tenute meccaniche, in alternativa alle molle spiroidali in AISI316 possono essere utilizzate molle in Hastelloy. Le molle a onda o i soffietti metallici devono essere realizzati con materiali che abbiano un elevato modulo di elasticità ( caratteristica che non appartiene agli acciai austenitici ) ed una buona resistenza alla corrosione. Normalmente Duplex, Hastelloy, Inconel 718 quest’ultimo viene indicato dalla norma API682 come materiale per i soffietti metallici per applicazioni ad elevata temperatura. I grani di bloccaggio della tenuta sull’albero della macchina sono normalmente in AISI316, anch’essi potrebbero essere soggetti a tenso-corrosione, pertanto possono essere in duplex o superleghe.
