Spring-Energized Seals: cosa sono e quando utilizzarle

Le tenute energizzate a molla, dall’inglese spring-energized seals, forniscono una soluzione di tenuta duratura ed affidabile in applicazioni critiche e in condizioni operative estreme in diversi settori industriali.

Questo design di tenuta estende i limiti operativi delle guarnizioni a base di polimeri in quanto:

  • Forniscono sistemi di tenuta a prova di gas agli utenti finali
  • Aiutano a raggiungere obiettivi di riduzione delle emissioni fuggitive
  • Rispettano i requisiti di regolamentazione ambientale

Le tenute energizzate a molla sono un’opzione altamente affidabile quando le tenute standard a base di elastomero e poliuretano non soddisfano i limiti operativi, i parametri dell’apparecchiatura o le condizioni ambientali della vostra applicazione. Anche quando una guarnizione standard potrebbe soddisfare i bisogni di base, molti ingegneri si rivolgono a guarnizioni energizzate a molla per un ulteriore livello di affidabilità e tranquillità.

Spring-Energized Seals: design

Le caratteristiche di base del design delle guarnizione energizzate a molla sono le seguenti:

  • Realizzate con compositi fluoroplastici ad alte prestazioni e materiali plastici ingegnerizzati che hanno caratteristiche fisiche e tecniche eccezionali, ma sono rigidi anziché flessibili
  • Utilizzano le molle per fornire un carico costante lungo la circonferenza della guarnizione e creare una tenuta perfetta tra la carcassa ed il macchinario
  • Utilizzano la pressione del sistema per creare una forza di tenuta aggiuntiva tra la carcassa ed il macchinario
  • In questa combinazione, la molla forza i labbri di tenuta contro le superfici della cava e dello stelo, mentre la pressione assiste la forza esercitata dalla molla
  • Il risultato: tenuta virtualmente senza perdite, alta affidabilità, vita utile maggiore.

Spring-Energized Seals: quando utilizzarle

Eccezionali caratteristiche fisiche e tecniche rendono le tenute energizzate a molla la scelta ideale in un’ampia varietà di attrezzature e applicazioni industriali critiche.

Le tenute energizzate a molla possono essere utilizzate sia in applicazioni dinamiche che statiche. Le applicazioni dinamiche coprono movimenti alternativi (lineari), rotanti e oscillanti o qualsiasi combinazione di essi.

Fattori da tenere in considerazione per determinare se utilizzare le guarnizioni polimeriche standard o le tenute energizzate a molla:

  • Temperatura (massima/minima operativa e massima/minima ambientale)
  • Pressione operativa (non è necessariamente la pressione massima nel sistema)
  • Velocità (velocità in movimento)
  • Fluido (compatibilità chimica: particolarmente importante in caso di prodotti aggressivi)
  • Livello di attrito e usura
  • Ambiente (ad esempio, condizioni abrasive)
  • Applicazione e funzionamento del macchinario
  • Configurazione della cava (sede) della guarnizione
  • Vita a magazzino

Spring-Energized Seals: dove utilizzarle

Le tenute energizzate a molla sono utilizzate in una vasta gamma di apparecchiature e fluidi di processo in applicazioni rotanti, alternative, oscillanti e statiche.

I settori industriali ideali per il loro utilizzo includono:

  • Oil & gas (upstream e downstream)
  • Aerospazio
  • Strumentazione
  • Chimica-farmaceutica
  • Produzione energia
  • Medicale
  • Militare
  • Trasporti
  • Automotive

Concentrandosi sull’industria oil & gas, le tipiche applicazioni che prevedono guarnizioni energizzate a molla sono:

  • Sistemi di trasferimento:
    • Accoppiamenti (connessione/disconnessione e breakaway)
    • Giunti rotanti
  • Attrezzature sottomarine:
    • Valvole e collettori
    • Flussometri
    • Giunti idraulici
    • Pompe
  • Esplorazione:
    • Strumenti (foratura e pozzo)
    • Sommità del pozzo (di superficie e sottomarina)
  • Produzione galleggiante:
    • Torrette girevoli
  • Piattaforme offshore:
    • Pompe
    • Compressori

Principali applicazioni:

  • Temperatura criogenica
  • Decompressione rapida del gas
  • Alta pressione e/o alta temperatura
  • Prodotti chimici aggressivi
  • Basse emissioni fuggitive

Spring-Energized Seals: come lavorano

Le guarnizioni energizzate a molla sono generalmente prodotte da compositi fluoroplastici ad alte prestazioni e plastiche ingegnerizzate.

I materiali generalmente utilizzati sono:

  • PTFE (versioni vergini e caricate)
  • Compositi PEEK (versioni vergini e caricate).

Questi materiali hanno eccezionali caratteristiche fisiche e tecniche, ma non sono elastici. Sono meglio identificati come materiali rigidi. Questo è il motivo per cui è necessario utilizzare diversi tipi di molle per energizzare meccanicamente i labbri di tenuta. Quindi il termine tecnico “Spring Energized Seal” si riflette sulla progettazione/costruzione della tenuta, dove la molla compensa i materiali polimerici con scarsa memoria/elasticità.

Ecco come lavora una guarnizione energizzata a molla:

  • Quando la guarnizione è installata nella cava della tenuta, i labbri della tenuta e l’energizzatore a molla vengono deformati/compressi in direzione radiale
  • La molla energizza la carcassa della tenuta, fornendo elasticità ai labbri (spingendo fuori i labbri di tenuta) con ottime garanzie di tenuta in applicazioni dinamiche e statiche
  • Inoltre, la tensione radiale (creata e mantenuta dalla molla nella zona di tenuta) mantiene i labbri di tenuta a contatto con le superfici del macchinario (anche prima che venga applicata la pressione del sistema, fornendo una buona capacità di tenuta a bassa pressione)
  • Quando viene applicata la pressione del sistema, l’azione della molla viene intensificata. Ciò aumenta la forza di tenuta sui labbri della guarnizione, migliorando l’efficienza. Ecco perché la tensione radiale è sempre superiore alla pressione su cui fare tenuta.

Queste caratteristiche possono anche compensare eventuali:

  • Deformazioni moderate dell’apparecchiatura
  • Eccentricità di deflessione causata da un possibile disallineamento
  • Tolleranze e dimensionamenti
  • Usura, espansione termica e contrazione

La molla può anche aiutare a compensare l’usura dei labbri di tenuta dinamici.

Spring-Energized Seals: materiali di costruzione

Le guarnizioni energizzate a molla sono realizzate con vari materiali ad alte prestazioni:

  • Compositi fluoroplastici
  • Materie plastiche composite come UHMWPE, PEEK, TPE, PCTFE, ecc.

I materiali fluoroplastici (ad esempio, a base di PTFE) sono quelli più utilizzati per le guarnizioni di tenuta. Hanno eccezionali caratteristiche fisiche e chimiche combinate con costi moderati e una buona capacità di essere realizzate a macchina tramite tornitura.

Con l’uso di diversi riempitivi, ad esempio bronzo, grafite, vetro, ecc., le proprietà dei compositi in PTFE possono essere ulteriormente migliorate in relazione alle prestazioni delle tenute (come resistenza a trazione, resistenza all’usura, ecc.). Ma non tutte le proprietà possono essere aumentate in modo significativo. Il contenuto del riempitivo è in genere compreso tra il 5% e il 40% del peso.

Cariche tipiche:

  • Bronzo
  • Fibra di vetro e/o bisolfuro di molibdeno (MoS2)
  • Grafite e/o carbonio
  • Ceramiche e ossidi minerali
  • Acciaio inossidabile
  • Altri additivi per soddisfare requisiti specifici.

I vantaggi dei compositi base PTFE includono:

  • Range di temperatura estremamente ampia: da -268°C a oltre +260°C
  • Resistenza a variazioni di temperatura
  • Il coefficiente di attrito più basso per un materiale di tenuta
  • Eccezionale funzionamento a secco
  • Elevata capacità di resistenza ad alte velocità
  • Alto fattore PV
  • Resistenza a praticamente ogni prodotto chimico e solvente
  • Nessun rigonfiamento chimico se sottoposto a umidità o fluidi
  • Eccellente resistenza agli agenti atmosferici
  • Buona resistenza all’usura.
Limiti di temperatura

Spring-Energized Seals: tipologie di molle

Come descritto in precedenza, la funzione principale dell’energizzatore a molla è quella di fornire una forza radiale alla tenuta quando viene installata nella cave. Questa funzione compensa i materiali aventi poca memoria/elasticità. Inoltre, l’energizzatore a molla aggiunge flessibilità alla tenuta per compensare anche l’eccentricità e l’usura del materiale stesso.

Le tenute energizzate a molla sono disponibili in diverse varietà di molle, ciascuna con caratteristiche meccaniche diverse per soddisfare requisiti di applicazione specifici.

Ci sono diversi fattori che guidano la selezione della molla:

  • Velocità superficiale
  • Attrito
  • Usura
  • Temperatura di esercizio
  • Macchinario e condizioni operative.

Ad esempio, l’attrito generato dalla tenuta è un risultato diretto del carico radiale della molla selezionata, della pressione nel sistema e del coefficiente di attrito del materiale selezionato. Quindi il carico della molla può essere adattato per soddisfare particolari requisiti di basso attrito nelle applicazioni dinamiche. Potrebbe essere necessario un carico di molla estremamente elevato per basse temperature o applicazioni di di tenuta criogeniche. Compenserà quindi la contrazione termica della superficie di lavoro garantendo una tenuta stagna.

I design a molla comunemente utilizzati nelle tenute sono:

  • Molla a contatto continuo (A)
  • Molla cantilever (B)
  • Molla ad elica (C)
  • Molla elicoidale a spirale (D)

Articolo originale in inglese a cura di Istvan Hajzer, A.W. Chesterton EPS Global Product Line Manager.