5 caratteristiche chiave di una buona tenuta meccanica

I design delle tenute meccaniche sono ormai disponibili in un’ampia varietà. Questi design si differenziano, ad esempio, per il modo in cui lavorano, per la scelta delle tenute secondarie e la posizione delle molle. Le tenute meccaniche sono state progettate per soddisfare determinati criteri in termini di applicazione, costo, adattamento, facilità di installazione e capacità di tenuta. Vi sono, tuttavia, alcune caratteristiche di base comuni a qualsiasi buona tenuta meccanica. Le principali sono le seguenti cinque:

• Molle protette dal fluido
• Bilanciamento delle facce di tenuta
• Facce di tenuta monolitiche
• Design senza sfregamento
• Tenuta meccanica stazionaria

Vediamo perchè queste caratteristiche sono fondamentali quando si sceglie una buona tenuta meccanica che lavori per molti anni senza perdite.

Molle protette

In passato molti costruttori di tenute meccaniche erano soliti posizionare le molle all’interno del fluido di processo. La maggior parte dei prodotti (fluidi di processo) su cui bisogna fare tenuta non sono molto puliti. Quando il meccanismo a molla della tenuta meccanica viene immerso in questo fluido non pulito, la sporcizia si raccoglie tra le molle. Questa situazione alla fine influisce sulla capacità della molla di rispondere ai movimenti, alle vibrazioni e alla capacità di mantenere le facce della tenuta meccanica chiuse. Nel corso del tempo, l’intasamento delle molle causerà un fallimento prematuro della tenuta meccanica.

Il design ideale è quello che prevede l’installazione delle molle sul lato atmosferico delle tenute meccaniche. Le molle saranno così protette dal fluido di processo e la loro capacità di lavorare non sarà ostacolata.

Bilanciamento delle facce

La pressione esercitata sia dalle molle di tenuta (Ps) che dalla pressione idraulica del liquido nella pompa (Pp) fornisce una forza di compressione che mantiene chiuse le facce della tenuta meccanica. Le tenute bilanciate riducono l’area dell’anello di tenuta (Ah) su cui agisce la pressione idraulica del liquido nella pompa (Pp).

Riducendo l’area, la forza di chiusura viene ridotta. Ciò consente una migliore lubrificazione che si traduce in una minore produzione di calore, minore usura delle facce e riduzione del consumo energetico. Le tenute bilanciate hanno generalmente valori di resistenza alla pressione più elevati rispetto alle tenute non bilanciate.

Il rapporto di bilanciamento (B) di una tenuta meccanica è dato dal rapporto tra l’area caricata idraulicamente (Ah) e l’area della superficie scorrevole (As):

• Le tenute meccaniche bilanciate hanno un rapporto di bilanciamento B < 1
• Le tenute meccaniche non bilanciate hanno un rapporto di bilanciamento B > 1
• Il rapporto di bilanciamento è spesso compreso tra 0,6 e 0,8
• Rapporti di bilanciamento inferiori producono film lubrificanti più spessi e tassi di perdita più elevati
• La scelta del rapporto di bilanciamento è un compromesso tra bassa generazione di calore, tassi di perdita e stabilità del gap di tenuta.

Facce di tenuta monolitiche

Le tenute meccaniche possono essere progettate con facce di tenuta inserite in un supporto metallico oppure con facce di tenuta monolitiche. In entrambi i casi, la faccia di tenuta sacrificale è spesso realizzata in carbonio/grafite. Questo materiale offre buone proprietà di scorrimento ma è relativamente più debole dal punto di vista meccanico rispetto ad altre opzioni (es. carburo di silicio, tungsteno,…). I modelli di tenute meccaniche con facce inserite all’interno di un alloggiamento utilizzano un supporto rotante in metallo per trasmettere la rotazione dell’albero alla faccia della tenuta.

Lo svantaggio di quest’ultimo design è che il materiale della faccia di tenuta e quello del supporto in metallo hanno coefficienti diversi di espansione termica. Questo cambia la forza di interferenza netta tra le due parti quando sono esposte al calore dal fluido di processo o dall’attrito delle facce. La superficie della tenuta si deforma, causando perdite e usura accelerata.

Le tenute meccaniche moderne sono dotate di facce di tenuta monolitiche realizzate esclusivamente con il materiale della tenuta. La trasmissione della coppia viene applicata direttamente sulla faccia della tenuta. Questo è possibile se la geometria della faccia della tenuta è progettata in una forma particolare per dargli la forza di gestire la coppia attraverso il suo design geometrico. Le tenute meccaniche con facce monolitiche sono realizzate attraverso l’uso dell’analisi degli elementi finiti (modellazione al computer).

Le facce di tenuta monolitiche forniscono una pellicola di fluido più stabile tra le facce e non si deformano durante il funzionamento rispetto alle tenute meccaniche con facce inserite in un supporto metallico (o in misura molto minore). Pertanto, sono i modelli più comunemente utilizzati al giorno d’oggi quando l’affidabilità e le basse emissioni sono vitali.

Design senza sfregamento

Tutti i modelli di tenuta meccanica hanno almeno una tenuta secondaria che interagisce con il movimento dinamico della faccia rotante. Questa tenuta secondaria si muove con le molle per mantenere le facce di tenuta chiuse ed è definita come tenuta secondaria dinamica. Durante il funzionamento di una tenuta meccanica rotante, le molle manterranno le facce di tenuta chiuse. Si adattano ad ogni rotazione per eventuali disallineamenti dovuti all’installazione e alla tolleranza tra le parti. Quando le molle si compensano, la tenuta secondaria dinamica si muove avanti e indietro, due volte per giro. Questo movimento rapido impedisce la formazione dello strato protettivo di ossido di cromo (lo strato che protegge il metallo). L’erosione di questa area non protetta sotto la tenuta secondaria dinamica causerà lo sviluppo di un solco. Alla fine questo solco diventa così profondo che la compressione dell’o-ring viene meno e la tenuta meccanica inizia a perdere. Nella maggior parte dei casi, gli alberi corrosi devono essere sostituiti per ottenere una tenuta efficace.

Le tenute meccaniche senza sfregamento (in inglese, fretting) sono progettate in modo tale che la tenuta secondaria dinamica scorra su una superficie non metallica, solitamente la faccia sacrificale.

Tenuta meccanica stazionaria

Una tenuta meccanica rotante ha il meccanismo a molla inserito nella sezione rotante (A) della tenuta meccanica.

Con le tenute meccaniche rotanti, è importante che la faccia di tenuta sia perpendicolare all’albero in modo che le facce rimangano chiuse. Ci saranno sempre dei disallineamenti risultanti dall’installazione e dalle tolleranze dei componenti. Le molle devono essere regolate ad ogni rotazione per mantenere le facce della tenuta chiuse. Questa regolazione diventa più difficile a velocità più elevate.

Al contrario, una tenuta stazionaria è una tenuta meccanica progettata in modo tale che le molle non ruotino con l’albero della pompa ma rimangano ferme. Poiché le molle non ruotano, non sono influenzate dalla velocità di rotazione. Le molle non hanno bisogno di correggere o regolare ad ogni rotazione; si adattano al disallineamento una volta sola al momento dell’installazione.

Le tenute meccaniche rotanti hanno un design semplice che le rende poco costose. Sono adatte solo per basse velocità. Al contrario, le tenute meccaniche stazionarie sono più complicate da progettare ma sono adatte a tutte le gamme di velocità. A causa della complessità del design, le tenute stazionarie sono generalmente configurate come tenute a cartuccia anziché come tenute a componenti (parte rotante ed anello stazionario).

Articolo originale in inglese a cura di Marco Hanzon, A.W. Chesterton Vice President of Global Marketing.