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O-Rings | L'impiego degli O-Ring nei sistemi di tenuta

O-rings
Sollecitazioni d'impiego

La semplicità d'impiego e il basso costo degli O-Ring hanno fatto di questo tipo di guarnizione uno dei più utilizzati nell'odierna industria. Per questo sono state studiate e messe a punto varie mescole che si possono adattare alle più diverse condizioni d'impiego. In questo paragrafo sono analizzate le principali sollecitazioni chimico – fisiche cui gli O-Ring sono sottoposti. Per poter valutare la bontà del comportamento di una particolare mescola, assegnate le sollecitazioni di impiego, devono essere fissati alcuni parametri da poter analizzare. La tenuta ad O-Ring è legata alle caratteristiche elastiche del materiale, quindi tutti i fattori che possono intervenire a modificare tale proprietà, influenzano il comportamento dell'O-Ring. Anche il coefficiente di dilatazione termica e la permeabilità ai gas possono giocare un ruolo importante nell' effetto di tenuta e nella durata della guarnizione.

Compression Set

Uno dei parametri principali nella valutazione degli O-Ring è senz'altro il "Compression Set", ovvero la deformazione permanente a compressione riscontrabile a seguito dell'impiego. Il Compression Set è definito come valore percentuale di deformazione permanente rispetto al diametro originale dell'anello, ed è influenzato dalle condizioni di esercizio cui l'O-Ring è sottoposto, in particolare da tutte quelle azioni che intervengono a modificare in modo permanente l'elasticità della mescola. Esistono diverse normative a livello nazionale ed internazionale per la valutazione del Compression Set delle varie mescole in commercio. Il principio su cui si basano è l'esecuzione di test con deformazioni imposte ai provini e condizioni ambientali prestabilite, per valutare il ritorno elastico a fine prova. Il valore percentuale del Compression Set si ottiene dalla seguente espressione:

Cs = (hi – hf) / (hi – hc) %

Dove hi è il valore iniziale dell'altezza del campione, hc il valore dell'altezza del campione compresso e hf l'altezza finale dopo il ritorno elastico (figura 3.10).



Figura 3.10 – Altezza della sezione di un campione a tombolo, prima, durante e dopo il test di Compression Set



Il fattore principale che influenza il comportamento elastico degli elastomeri è l'invecchiamento, in quanto comporta modificazioni della struttura molecolare del materiale e quindi un decadimento delle proprietà elastiche.

Il valore del Compression Set è legato alle condizioni di esercizio. Per avere informazioni precise sulla bontà di una particolare mescola è quindi necessario verificarla direttamente con test che ripropongono valori di pressione, temperatura e tipologia di fluido a contatto, il più vicine alla realtà.

Un buon valore di Compression Set, basso valore percentuale, è indicativo di una buona durata nel tempo della tenuta sia statica che dinamica.
In caso di applicazione statica la perdita di elasticità riduce la capacità dell'O-Ring di assorbire le variazioni di pressione del sistema senza perdite. Nelle applicazioni di tenuta dinamica l'attrito e il conseguente aumento di temperatura della mescola, possono accelerare l'invecchiamento e quindi il peggioramento del Compression Set (aumento del valore percentuale).

In figura 3.11 viene riportato indicativamente il comportamento del Compression Set in O-Ring di 4 differenti mescole, sottoposti a test di compressione con variazione del diametro nominale della sezione ds pari al 25%, su O-Ring con diametro nominale ds = 5.30 mm, per cicli della durata di 70 ore a differenti temperature.



Figura 3.11 - Le mescole testate sono: curva 1) FPM, curva 2) MVQ, curva 3) ACM, curva 4) NBR.



Il grafico mostra come la temperatura, influenzando l'invecchiamento del materiale, influenzi il valore del Compression Set, e come le varie mescole possano risultare più o meno adatte all'impiego alle alte temperature.

Il valore del Compression Set per una mescola non è legato solamente alle condizioni di esercizio. Infatti sottoponendo a test di compressione con medesime condizioni di temperatura O-Ring con identica mescola, ma di dimensioni diverse, si è potuto valutare come alcune mescole presentino comportamenti elastici legati non solo alle condizioni di esercizio, ma anche alla forma geometrica in cui sono plasmate.
Nelle figure che seguono sono riportati i risultati che abbiamo ottenuto sottoponendo ad esame O-Ring di diverse mescole, con due dimensioni diverse.



Figura 3.12 - Mescola NBR (acrilo-nitrile butadiene) con durezza 70º shore, curva A ds=1,8 mm, curva B ds=7 mm



Figura 3.13 - Mescola MVQ (silicone) con durezza 70º shore, curva A ds=1,8 mm, curva B ds=7 mm



Il test è stato eseguito sugli O-Ring imponendo ai vari campioni schiacciamenti iniziali diversi, mantenendo costante la temperatura per cicli di prova di 70 ore.
I risultati ottenuti mostrano come gli O-Ring con mescola MVQ siano soggetti ad un valore molto elevato di Compression Set, ma che questo valore non risente in modo rilevante delle diverse dimensioni dei campioni testati.
Diverso è il comportamento degli O-Ring con mescola NBR, dove l'elasticità è influenzata dal valore del diametro della sezione.

La Durezza delle mescole

Se l'elasticità è la proprietà che rende la mescola adatta alle applicazioni di tenuta, il valore della sua durezza (cioè il valore della resistenza opposta alla penetrazione da parte di oggetti più duri) definisce in quali situazioni di sollecitazione essa è adatta.
Infatti l'impiego di mescole più o meno dure è strettamente legato ai valori di pressione che vengono esercitati sull'elemento. Mescole morbide esercitano un buon effetto di tenuta statica aderendo facilmente alle rugosità della superficie di tenuta, ma possono essere soggette a estrusione se i valori di pressione sono elevati. Inoltre in presenza di movimento relativo tra l'O-Ring e le superfici di tenuta (caso di tenuta dinamica), l'attrito generato da una mescola morbida è maggiore di quello dovuto ad una mescola più dura, e il conseguente degrado delle proprietà di tenuta risulta più veloce.

L'invecchiamento

Come è stato esposto nel paragrafo riguardante il Compression Set, il processo d'invecchiamento dell'elastomero ha una grande influenza sulle capacità di tenuta degli O-Ring.
Con il termine invecchiamento viene indicata la perdita delle caratteristiche fisiche e chimiche degli elastomeri, ed è provocato da molti fattori esterni quali ad esempio la temperatura, le azioni meccaniche o l'atmosfera a contatto con l'elastomero.

Con l'invecchiamento le catene molecolari che compongono la mescola vengono modificate e i legami si modificano, modificando di conseguenza il comportamento del materiale.
La modifica ai legami parte dalla superficie esterna, esposta agli agenti esterni, e col tempo si propaga in profondità.

Entrando nel dettaglio possiamo dire che le caratteristiche degli elastomeri dipendono dal tipo di legame che si forma tra le molecole che lo compongono, e che per ottenere particolari legami, al materiale base vengono aggiunti elementi chimici, chiamati cariche, che intervengono nella formazione dei legami molecolari, conferendo alla mescola le caratteristiche desiderate.Nei paragrafi seguenti prenderemo in esame alcune condizioni di lavoro e il loro effetto sugli O-Ring, ricordando che in molte situazioni, oltre alle sollecitazioni dirette sulle mescole, ne accelerano il processo di invecchiamento, anche in considerazione del fatto che nelle applicazioni reali molte delle sollecitazioni agiscono in modo concomitante, aumentando gli effetti negativi sulla capacità di tenuta degli O-Ring.

Il processo di invecchiamento del materiale ha inizio praticamente da subito, cioè dal momento in cui l'O-Ring viene realizzato e posto a contatto con l'aria e la luce. Per ovviare a questo inconveniente è bene mantenere un sottile strato di lubrificante attorno all'anello e non esporlo alla luce se non per il tempo necessario alle fasi di montaggio.

Temperatura di esercizio

Un elemento molto importante nella scelta di un O-Ring è la temperatura a cui esso dovrà operare.
Gli elastomeri hanno risposte diverse alle sollecitazioni di temperatura, ma in generale ne deriva una variazione dell'elasticità; in particolar modo, alle basse temperature le mescole tendono a perdere elasticità diminuendo in questo modo la capacità di effettuare tenuta, mentre alle alte temperature il materiale tende a diventare più fluido, aderendo meglio alle superfici, ma risultando più facile all'estrusione per effetto della pressione, o del movimento nel caso di tenuta dinamica.
Un'altra causa di malfunzionamento della tenuta ad O-Ring può essere legata al coefficiente di dilatazione termica delle mescole, che solitamente è molto diverso da quello proprio del materiale che costituisce la sua sede di installazione; questo comporta che le dilatazioni e le contrazioni dei materiali dovute agli sbalzi di temperatura, possano essere molto diverse.
Nel caso di alte temperature la mescola tende ad espandersi e ad occupare tutta la sede, provocando nelle applicazioni dinamiche un indesiderato aumento dell'attrito. Nel caso di basse temperature la contrazione del materiale porta ad una diminuzione dello schiacciamento del diametro della sezione, che può diminuire fino a compromettere la tenuta.
Nella figura 3.14 è riportato un esempio dell'effetto della temperatura su un O-Ring con mescola NBR con grado di durezza pari a 80° shore, sottoposta a test per la valutazione del Compression Set e della durezza a varie temperature.



Figura 3.14



Per questi motivi è importante nella scelta di un O-Ring, considerare la temperatura di esercizio e progettare le sedi, valutando con attenzione le variazioni volumetriche che tali temperature comportano.

Fluidi a contatto

La semplicità d'impiego degli O-Ring fa in modo che trovino applicazione nei più diversi settori in cui è richiesta la tenuta.
Per questo l'O-Ring può trovarsi a contatto con liquidi, vapori e gas della più diversa natura, e il suo comportamento ne è influenzato nella misura in cui tali fluidi interagiscono con la mescola che lo costituisce. A contatto con un fluido la mescola può avere diversi comportamenti.

Il fluido può penetrare nella mescola con il risultato di aumentarne il volume:
  • possiamo avere una modificazione del comportamento elastico legato alla presenza all'interno della struttura molecolare della mescola di sacche con comportamento elastico differente;
  • possiamo avere una modifica della struttura molecolare con la rottura dei vecchi legami e la creazione di nuovi legami con le componenti penetrate all'interno della mescola.

Il fluido provoca una diminuzione del volume:
  • il fluido agisce come solvente su alcuni componenti della mescola, disgregando i legami e allontanando tali sostanze disciolte.

Il fluido non provoca variazioni di volume apprezzabili:
  • alcuni componenti della mescola vengono sciolti e allontanati, e sostituiti con una pari quantità di fluido che può legarsi alle molecole della mescola modificandole, oppure rimanere al suo interno formando delle sacche.

Nell'ultimo caso sopra esposto l'O-Ring può non essere modificato nell'aspetto, ma presentare caratteristiche elastiche completamente diverse da quelle originarie.
La variazione delle caratteristiche chimico – fisiche della mescola dell'O-Ring dovuta all'azione dei fluidi può portare alla perdita delle capacità di tenuta; il valore della temperatura di esercizio ha grande influenza sul comportamento aggressivo dei fluidi.

E' quindi di fondamentale importanza considerare i fluidi a contatto con L'O-Ring per poter individuare la mescola che meglio resiste alla loro aggressione.

La norma ISO 6072 definisce l'Indice di Compatibilità (ECI), al fine di poter confrontare il comportamento delle diverse mescole a contatto con i fluidi. Il parametro ECI stabilisce in una scala di valori, la variazione volumetrica subita da un elastomero a contatto con un fluido.
Il nostro ufficio tecnico è in grado di consigliarvi la mescola migliore in funzione del fluido da contenere.

Sollecitazioni meccaniche

In questo paragrafo prenderemo in esame alcune sollecitazioni meccaniche cui l'O-Ring è soggetto durante il suo impiego, e il possibile effetto che tali sollecitazioni possono avere sulle capacità di tenuta dell'accoppiamento.

Forze di compressione

Come abbiamo più volte ribadito, la tenuta ad O-Ring si ottiene grazie alla compressione dell'anello in una sede ricavata allo scopo.
La forza di schiacciamento collegata ad altri fattori che rendono fragile la mescola, può provocare la rottura dei legami molecolari presenti, con conseguenze sulle caratteristiche dell'O-Ring. Dalla rottura dei legami può derivare una variazione dell'elasticità dell'elastomero, e si può avere anche un diverso comportamento al contatto con i fluidi presenti nel sistema, risultando modificata la struttura molecolare. Dalla rottura della struttura molecolare può derivare anche un precoce invecchiamento della mescola.

Attrito nelle applicazioni dinamiche

Nelle applicazioni di tenuta dinamica un fattore molto importante che influenza la qualità della tenuta e della guarnizione è la forza d'attrito. L'esatta valutazione del fenomeno è molto complessa, in quanto sono in gioco molti fattori che hanno reciproca influenza e risultano difficilmente controllabili. Mantenere basso l'attrito tra le parti in movimento consente una migliore funzionalità dell'impianto, ma può significare un aumento delle perdite causate dalla riduzione dell'aderenza dell'O-Ring alle superfici di tenuta.
In prima istanza possiamo dire che il valore del coefficiente d'attrito tra due elementi quali possono essere l'O-Ring e la superficie di tenuta non è costante, ma dipende dalla velocità. In figura 3.15 è rappresentato l'andamento indicativo del coefficiente d'attrito in relazione alla velocità di movimento (tale andamento è riscontrabile nella maggioranza dei casi).



Figura 3.15



L'attrito di primo distacco è la forza che bisogna vincere per mettere in movimento il corpo, e tale forza è maggiore di quella che poi viene opposta al moto; dopo il distacco, all'aumento della velocità il valore del coefficiente d'attrito ƒ diminuisce fino a quando la velocità raggiunge il valore limite della velocità di scorrimento, velocità alla quale il valore di ƒ è minimo.
A velocità superiori alla velocità di scorrimento, il coefficiente d'attrito ricomincia ad aumentare. Pur mantenendo l'andamento approssimativo di figura 3.15 il valore coefficiente d'attrito ƒ può variare molto in relazione alle condizioni di esercizio. Innanzi tutto la durezza della mescola dell'O-Ring, la pressione di precarico che lo spinge contro le pareti di tenuta e la presenza di lubrificante.
In particolare la funzione di lubrificante può essere svolta dal fluido presente nel circuito, che costituendo un film sottile tra parete e guarnizione, contribuisce ad abbassare il coefficiente d'attrito. La presenza di rugosità e imperfezioni sulla superficie di tenuta può aumentarne l'effetto abrasivo, ma può anche consentire la formazione di sacche di fluido e mantenere così una buona lubrificazione: il prevalere di uno di questi due effetti è legato alle dimensioni delle irregolarità e alla durezza della mescola.

Le applicazioni dinamiche possono essere distinte in due principali tipologie a seconda che la tenuta sia di liquidi o di gas.

a) Tenuta dinamica di liquidi
Analizzando questa applicazione possiamo osservare che l'O-Ring aderisce con una certa forza alle superfici di tenuta, che tale forza è legata al volume dell'anello in relazione alle dimensioni della cava, e alla pressione esercitata dal fluido. Al movimento tra le parti si oppone una forza d'attrito dipendente da questi parametri. Il liquido può, come abbiamo già visto, formare una pellicola lubrificante a protezione dell'O-Ring.
La presenza di attrito genera una certa quantità di calore che può provocare variazioni del sistema:
  • il calore può provocare una variazione del volume dell'O-Ring e quindi una variazione della forza di adesione alle pareti della sede;
  • il liquido riscaldandosi può variare la propria viscosità e impedire la formazione del film lubrificante con conseguente veloce abrasione dell'O-Ring;
  • l'elasticità della zona dell'O-Ring a contatto con la superficie di tenuta può variare facilitando l'estrusione;
  • può aumentare l'aggressività del liquido nei confronti della mescola e provocare alterazioni irreversibili.

Quelli sopra riportati sono alcuni degli effetti che possono interferire con le capacità di tenuta, provocati dall'aumento della temperatura. Questi problemi possono innescare un processo a catena che porta fino all'inutilizzabilità dell'O-Ring.
Ai liquidi del circuito possono essere aggiunti degli additivi per limitare gli effetti dannosi dell'attrito.

Indicazioni attendibili sul comportamento in esercizio si possono avere soltanto sottoponendo a test gli O-Ring.

b) Tenuta dinamica di gas
La tenuta dinamica in presenza di gas in pressione presenta problematiche simili a quelle viste per le applicazioni con liquidi, ma si differenzia in particolar modo per l'assenza di un fluido che possa fungere da lubrificante. In particolari applicazioni, quali le applicazioni in circuiti pneumatici, per ovviare a tale inconveniente può essere utilizzata aria nella quale è presente in sospensione una certa quantità di olio lubrificante, che depositandosi sull'O-Ring, riduce l'attrito. In ogni caso possono essere utilizzate mescole autolubrificanti per diminuire il coefficiente d'attrito.
Il problema più evidente in tale tipo di applicazioni rimane l'usura dell'anello dovuta all'attrito; le imperfezioni delle superfici di tenuta hanno un effetto maggiormente dannoso a causa della scarsa quantità di lubrificante che riesce a frapporsi tra l'O-Ring e la superficie di tenuta.

Un altro fattore che influenza l'attrito nelle applicazioni di pneumatica e più in generale con gas, è la permeabilità ai gas cui le mescole sono soggette. Infatti tutti gli elastomeri sono permeabili, in misura maggiore o minore, ai gas, e questo porta alla formazione di bolle all'interno della mescola. La presenza di tali bolle, oltre a provocare la variazione del volume dell'anello e quindi ad aumentare la forza con cui preme sulle pareti di tenuta, indebolisce la resistenza all'abrasione superficiale rendendo non uniforme la composizione della mescola; inoltre un riscaldamento ossessivo legato all'attrito può portare all'esplosione di tali bolle e al degrado dell'O-Ring.
Nel paragrafo successivo vedremo in breve l'origine e gli effetti della permeabilità ai gas.

Permeabilità ai gas

Nelle applicazioni a tenuta di gas, gli O-Ring formano una barriera tra due aree a diversa pressione.
Le caratteristiche proprie degli elastomeri li rendono permeabili ai gas, e tale permeabilità dipende dal tipo di gas, dalla temperatura di esercizio e dalla pressione che il gas esercita.
La permeabilità può causare una perdita di gas, che passa dall'area a pressione maggiore a quella a pressione minore, attraverso l'elastomero.
Una certa quantità di gas si ferma all'interno della mescola formando delle bolle che hanno effetto sul comportamento elastico dell'anello.
Inoltre il contatto diretto del gas con la superficie esterna dell'O-Ring può accelerare il processo di invecchiamento della mescola.
E' stato sperimentato che uno strato di olio lubrificante sulla superficie dell'O-Ring, oltre a preservare dall'invecchiamento precoce, diminuisce la permeabilità del materiale, diminuendo conseguentemente le perdite del sistema.
In tabella 3.2 sono riportati i coefficienti di permeabilità ad alcuni gas per le mescole più comunemente usate nella produzione di O-Ring.

Per maggiori informazioni sul comportamento degli O-Ring in presenza dei vari gas, vi preghiamo di contattare il nostro ufficio tecnico.