Scegliere la giusta guarnizione per accoppiamenti flangiati

Quali sono i costi delle perdite negli accoppiamenti flangiati? Possiamo suddividerli in costi visibili e costi invisibili.

Nella prima categoria rientrano, sostanzialmente, le perdite di materiale. Nella seconda categoria, invece, rientrano:

Lavoro per riparare le perdite
Materiale per la riparazione
Spreco di energia
Fermo impianto
Pulizia dell’ambiente
Multe per inquinamento
Diminuzione immagine commerciale
Indennizzi per lesioni a persone

Secondo uno studio del Pressure Vessel Research Council, le cause delle perdite negli accoppiamenti flangiati sono:

Installazione impropria: 26%
Flange danneggiate: 25%
Guarnizioni sbagliate: 22%
Bulloni allentati: 15%
Cattivo allineamento delle flange: 12%

Analizziamo invece le cause delle perdite dovute esclusivamente alle guarnizioni:

Errato spessore della guarnizione
Errata lunghezza della fascia di tenuta
Superamenti imprevisti dei valori massimi delle condizioni di esercizio
Guarnizioni danneggiate nello stoccaggio, nel maneggiarle o nell’installazione
Rottura della guarnizione a causa di un eccessivo carico di serraggio
Deterioramento nel corso del tempo
Ri-serraggio dopo esposizione ad elevate temperature in esercizio
Guarnizione non adatta alle condizioni di esercizio

I tre elementi fondamentali da considerare per una scelta corretta della guarnizione sono:

Fluido
Temperatura
Pressione

I limiti tecnici dei materiali non devono essere considerati alle loro massime condizioni contemporaneamente. E’ da tenere presente, inoltre, che per le guarnizioni plastiche i loro limiti tecnici sono relativi a prove statiche di laboratorio. Durante l’esercizio questi limiti possono diminuire a causa di numerosi fattori legati alla produzione (per esempio energia cinetica del fluido, cicli di temperatura, shock termici); in questo caso occorre avere più prudenza, facendo lavorare la guarnizione al 20% in meno rispetto al suo limite.

Fattori da tenere in considerazione nella scelta della corretta guarnizione

Comprimibilità

Test standard: ASTM F36 - Contrazione % dello spessore a seguito di compressione a 35 Mpa per breve tempo (1 minuto) a temperatura ambiente.

Un’alta comprimibilità indica la capacità di compensare rugosità e deformazione delle flange.

Ritorno elastico

Test standard: ASTM F36 - % di recupero dello spessore dopo la rimozione della compressione sopracitata.

Un alto ritorno elastico indica la capacità di conservare lo stato di compressione e di compensare le dilatazioni del giunto.

Resistenza a trazione (trasversale e longitudinale)

Test standard: ASTM F152 - Carico di rottura a trazione in Mpa.

Un’alta resistenza alla trazione indica omogeneità del materiale.

Stress Retention

Test standard: DIN 52913 - Carico di serraggio residuo su valore iniziale di 50 Mpa dopo 16 ore a 175°C o 300°C.

Un alto stress retention indica la capacità di conservare lo stato di compressione e quindi la tenuta nel tempo, in presenza di temperatura e pressione.

Creep Relaxation

Test standard: ASTM F38 - Perdita di carico di serraggio su valore iniziale.

Un basso creep relaxation indica la capacità di conservare lo stato di compressione e quindi la tenuta nel tempo, in presenza di temperatura e pressione.

Sealability

Test standard: ASTM F37 - Flusso di trafilamento di fluido (generalmente azoto o elio) in ml/h per dati carico di serraggio (tra 3,5 e 22 Mpa) e pressione interna (tra 0,7 e 2 bar).

Bassa permeabilità ai gas indica elevata efficacia di tenuta a temperatura ambiente.

Aumento peso/spessore

Test standard: ASTM F146 - Aumento in % della caratteristica alle condizioni descritte.

Minori sono queste variazioni, migliore è la compatibilità delle guarnizioni con il fluido.

Classificazione delle guarnizioni

Le guarnizioni per accoppiamenti flangiati posso essere classificate in plastiche, semi-metalliche e metalliche. Vediamole in dettaglio.

Guarnizioni plastiche

A base di fibre sintetiche

La giuntura dalla quale vengono ricavate le guarnizioni è ottenuta per calandratura ad una temperatura tra i 135°C ed i 150°C di una mescola formata da:

Fibre sintetiche (aramidiche, cellulosa)
Riempitivi minerali (caolino, basalto, solfato di bario)
Cariche eventuali (vetro, grafite lamellare, fibre di carbonio)
Elastomeri vulcanizzanti (NBR, SBR, EPDM)
Coloranti inerti

A base di PTFE

Il politetrafluoroetilene appartiene alla famiglia dei polimeri fluorurati, viene ottenuto per polimerizzazione del suo monomero Tetrafluoroetilene (TFE) in emulsione acquosa e sotto pressione. Sono particolarmente adatte per fluidi altamente corrosivi (acidi forti e basi forti pH o-14) fatta eccezione per il fluoro ed i relativi derivati fluorurati. Malgrado siano adatte per fluidi molto aggressivi, il loro impiego è limitato dalla pressione (max 70 bar), dalla temperatura (-200°C +260°C) e da una certa rigidità del prodotto. Per migliorare questa caratteristiche sono stati prodotti dei materiali chiamati PTFE modificato/caricato e PTFE espanso.

Caratteristiche principali del PTFE:

Resistente ai fluidi aggressivi
Conforma a FDA (non tossico)
Resistente a temperature sia alte che criogeniche
Non contamina i fluidi
Non invecchia
Non è infiammabile
Utilizzabile in presenza di vuoto

Tipologie di PTFE:

PTFE Sinterizzato
PTFE Estruso
PTFE Espanso mono-direzionale: profilo estruso, espanso mono-direzionalmente;
PTFE Espanso bi-direzionale: profilo estruso, espanso bi-direzionalmente. Questo processo conferisce una resistenza alla trazione praticamente uguale in tutte le direzioni
Strutturato: un processo di laminazione crea un orientamento delle molecole che migliora la resistenza meccanica. Proprietà: drastica riduzione del cold flow
Emulsione di PTFE
PTFE Sfogliato: il granulare e la polvere vengono compressi e sinterizzati in un barilotto. La lastra viene sfogliata da un barilotto di PTFE. Proprietà: problemi di cold flow con bassi carichi di serraggio a partire dai 100°C.

A base di grafite

Con il termine “grafite” normalmente si intende una grafite flessibile espansa rinforzata con un supporto metallico. Questo prodotto viene ottenuto da grafite minerale (uno strato allotropico del carbonio cristallizzato in forma esagonale) che con un riscaldamento rapido si espande aumentando il proprio volume fino ad 80 volte. I “fiocchi” così ottenuti vengono pressati fino a raggiungere una densità di 1-1.1 g/cm3 ed una forma desiderata (lastre, nastri). Le lastre (molto fragili) vengono assemblate con un supporto metallico che ne aumenta le caratteristiche meccaniche e la maneggiabilità. La grafite ha un ottima resistenza alla temperatura anche in ambienti ossidanti (-200°C +500°C) e alla corrosione. Possiamo trovare anche guarnizioni in grafite bordata, ovvero guarnizioni in grafite pura al 98%, rinforzate con una lamina interna in AISI 316 perforata a grattugia per un miglior ancoraggio della grafite e per evitare il debordamento del materiale di tenuta. Ulteriormente rinforzata sul diametro interno con una bordatura in AISI 316 per aumentare la resistenza della guarnizione all’azione abrasiva del fluido, per aumentare la resistenza alla pressione e per evitare il contatto del fluido con il materiale di tenuta.

A base di gomma

Le lastre dalle quali verranno ricavate le guarnizioni sono formate da una mescola di gomma naturale o sintetica con opportuno vulcanizzante, particolarmente adatte per fluidi corrosivi e per tubazioni in materiale plastico. Il loro uso è limitato dalla temperatura (max 100°C) e dalla pressione (max 20 bar). Tra i più svariati tipi di gomme quelle più utilizzate sono del tipo nitrilico, isobutilico, policroroprene (neoprene) e copolimetro etilene-propilene (Dutral-EPDM).

Guarnizioni semi-metalliche

Spirometalliche

Le guarnizioni a spirale, con o senza anelli, sono formate da un nastrino metallico avvolto a spirale, alternato con un nastrino di materiale inorganico ed eventualmente da anelli metallici di contenimento e di centraggio. Sono costruite dimensionalmente secondo le normative ASME B 16.20 o UNI EN1514.2. nel caso in cui le guarnizioni a spirale abbiano il riempitivo in PTFE, queste dovranno avere sempre l’anello interno di contenimento. I materiali usati per queste guarnizioni si possono così riassumere:

Materiale della spirale: normalmente il materiale della spirale è acciaio inox (AISI 304-316-321-347) ma in funzione delle condizioni di progetto questo può essere in lega di nichel altamente legata (Monel, Inconel, Incolloy)
Materiale del riempitivo inorganico: i riempitivi più usati sono la grafite ed il PTFE. Altri tipi di materiali (come ad esempio esente-amianto o mica-grafite) sono sconsigliati, perché andrebbero a declassare l’utilizzo della guarnizione.
Materiale degli anelli: l’anello interno di contenimento deve essere sempre dello stesso materiale della spirale. E’ escluso l’acciaio al carbonio. L’anello esterno di centraggio normalmente è in acciaio al carbonio. Se però la guarnizione deve essere utilizzata su un servizio criogenico, in questo caso l’anello dovrà essere di acciaio inossidabile.

Metalloplastiche

Le guarnizioni metalloplastiche sono costituite da un lamierino metallico saldato tipo scatola con all’interno un riempitivo inorganico che può essere fibra ceramica o grafite o esente-amianto. Vengono costruite in accordo con le norme ASME B16.20 e possono essere ondulate o lisce. vengono usate in modo particolare su apparecchiature e su tubazioni dove un altro tipo di guarnizione non è adatta per limiti di temperatura o perché il fluido confinato può essere contaminato.

Camprofile

Si tratta di guarnizioni costituite da un anello metallico le cui superfici vengono rigate e successivamente rivestite da uno strato di materiale più morbido che ne garantisce la tenuta; sono la soluzione ideale in condizioni di esercizio gravose. Nonostante siano applicabili in impieghi in cui è richiesto un elevato serraggio, le Camprofile non danneggiano le flange grazie all’interposizione di un layer di grafite o PTFE. Possono essere realizzate di qualsiasi materiale e dimensione, con diametri da 5 a 5000 mm con rigatura a passo e profondità costanti oppure con rigatura convessa.

Steel Trap

Un innovativo sistema di tenuta per flange che consente la tenuta sicura e permanente delle flange in impieghi gravosi. Pressione max 415 bar. Temperatura max 500°C in atmosfera e max 650°C su vapore.

Guarnizioni metalliche

Piane

Le guarnizioni metalliche piane solide vengono utilizzate in applicazioni dove, a causa delle elevate temperature e pressioni, non sono applicabili guarnizioni in materiale morbido. Esse hanno dimostrato affidabilità a basse temperature fino a -200°C e ad alte temperature oltre i 600°C. Vengono generalmente utilizzate a pressioni molto alte.

Ring Joint

Anelli di tenuta metallici largamente impiegati nell’industria petrolifera e chimica, ed in ogni applicazione gravosa. Sono infatti idonei all’uso laddove sono richieste alte pressioni e temperature di servizio. Vengono utilizzati su apposite flange. Sono realizzabili nei più diversi materiali (Soft Iron e AISI 316 sono i più diffusi).

Altre tipologie: O-ring metallici e guarnizioni lenticolari

In caso di corrosione galvanica abbiamo già consigliano l’utilizzo di appositi kit di isolamento flange in questo articolo qui.