O-ring

exxon

Utente Junior
Professione: engineer
Software: inventor
Regione: veneto
#1
Un utente, incontrato di persona, mi ha fatto notare che il mio intervento in questo post non è sufficientemente chiaro e merita un approfondimento, rischiando di non essere compreso dai più, per il numero di sottintesi in esso contenuti. L'intervento si può suddividere in due parti: la prima riguarda la differenza tra tenuta assiale e radiale degli o-ring, considerando il loro processo costruttivo; la seconda riguarda il corretto posizionamento degli stessi nei due casi elencati. Cerco di chiarire intanto la prima parte.

La quasi totalità degli o-ring è prodotta per termocompressione. Questa procedura unisce la determinazione della forma tramite compressione del polimero non reticolato in stampi a bassa pressione, e la reticolazione ad attivazione termica del materiale, che vulcanizzato assume le caratteristiche chimico-fisiche del prodotto finito. Dai più comuni prodotti in NBR e HNBR (gomma nitrilica) con reticolazione a base zolfo (vulcanizzazione Goodyear), a quelli in EPDM (etilene-propilene) con reticolazione a base perossido, al Viton (FKM, FPM) con reticolazione a base bisfenoli, fino anche alle gomme siliconiche HTV, tutti sono realizzati per termocompressione.

La termocompressione prevede l’inserimento iniziale di una quantità “abbondante” di materiale non reticolato nello stampo a cavità multiple. Questo materiale, della consistenza della plastilina, può essere prima preformato in un precedente stampo a freddo per stabilire più precisamente quantità e distribuzione del materiale.

In figura 1 è schematizzata la sezione di uno stampo per termocompressione in posizione aperta. Le cavita indicate con “A” sono quelle destinate a dare forma al prodotto, mentre con “B” sono indicate le cavità destinate a ricevere l’eccesso di materiale nella fase di compressione.

Figura 1.PNG

Alla chiusura dello stampo, il materiale riempie le cavità destinate a dare forma al prodotto, mentre l’eccesso viene schiacciato via e convogliato nelle cavità secondarie destinate allo scopo.

In figura 2 è rappresentato il ciclo di stampaggio. Sono visibili il materiale preformato inserito nello stampo aperto e il risultato dopo la fase di compressione.

Figura 2.PNG

Avvenuta la reticolazione, avremo una serie di prodotti e di forme di eccesso, tutto connesso da una pellicola sottilissima di materiale rimasto intrappolato tra i piani di chiusura dello stampo.

In figura 3 è visibile uno stampo per termocompressione con le cavità nettamente distinguibili per ottenere degli o-ring. Le cavità per il materiale di eccesso sono in forma di canali tra le file di quelle del prodotto.

Figura 3.jpg

In figura 4 è visibile il risultato della termocompressione. I prodotti e le forme di eccesso (simili ad altri o-ring all'interno dei prodotti), sono legati tra loro da una sottile pellicola di elastomero.

Figura 4.jpg

Ovviamente il prodotto deve essere separato dalle altre parti, ma a causa delle specifiche caratteristiche di un o-ring, la cosa è tutt'altro che banale. Normalmente l’operazione si svolge in tre fasi: la prima è una separazione grossolana, eseguita per fustellazione o con getti d’acqua ad alta pressione.

In figura 5 è visibile il risultato dell’operazione di separazione. Nel contempo si può osservare un diverso tipo di forme di eccesso costituite da piccole sfere distribuite attorno agli o-ring che risultano in maggior parte riempite solo parzialmente.

Figura 5.jpg

Questa separazione meccanica lascia evidenti residui in corrispondenza del piano di chiusura dello stampo (flash). Se il prodotto non è un o-ring generico, ma una guarnizione specifica destinata a fare tenuta frontale (zona priva di flash), questo livello di finitura è spesso sufficiente.

Nel caso di o-ring generici, destinati a fare tenuta anche in senso radiale, un’ulteriore fase di rimozione del flash (deflashing) è indispensabile. L’operazione viene eseguita con metodi di abrasione meccanica in barile (burattatura). Se tale operazione venisse eseguita sul prodotto a temperatura ambiente, sarebbe praticamente impossibile rimuovere la sottilissima protrusione che, a causa della sua elasticità, resisterebbe all'azione meccanica di pulizia. Si effettua quindi una burattatura criogenica che prevede l’abbassamento della temperatura fino a rendere la gomma rigida e fragile e l’azione meccanica di coni ceramici in grado di rimuovere parte del materiale dal manufatto. Va fatto notare che la bava ha uno spessore estremamente inferiore alla sezione dell’o-ring e di conseguenza sarà la prima ad essere rimossa dall'azione meccanica dell’abrasivo.

In figura 6 è visibile l’o-ring prima e dopo l’operazione di crioburattatura.

Figura 6.jpg

L’occhio attento vedrà la linea di flash sul campione di sinistra, ma noterà anche che il campione trattato avrà assunto (ovviamente) una finitura opaca a causa dell’azione abrasiva dei coni ceramici a grana grossa, visibili in figura 7.

Figura 7.jpg

Per alcune applicazioni, ove è previsto che l’o-ring debba trattenere una consistente quantità di lubrificante, la finitura “matt” così ottenuta è preferibile, dato che microasperità facilitano la permanenza del lubrificante sulla superficie della guarnizione anche se questa viene fatta scorrere su una superficie con finitura a grana inferiore. Per gli usi generici, l’o-ring viene ulteriormente trattato con una seconda crioburattatura finalizzata alla lucidatura, eseguita con materiale abrasivo di tipo plastico (usualmente policarbonato) che produce la finitura lucida alla quale siamo abituati osservando i prodotti in commercio.

Quanto sopra è un’introduzione al problema del flash (bava di stampaggio) degli o-ring e della sua influenza nell'ermeticità delle loro applicazioni. In figura 8 è visibile (volutamente esagerata) la forma del flash di un o-ring nelle varie fasi di lavorazione.

Figura 8.PNG

In “A” si vede la pellicola continua che collega i singoli prodotti. In “B” si vede il prodotto tranciato e in “C” l’effetto della burattatura. Essendo l’operazione di burattatura una levigatura meccanica, la bava non sarà mai del tutto eliminata e anche se ridotta a livelli visualizzabili solo con strumenti ottici, avrà la sua influenza nelle tenute nelle quali l’o-ring sarà utilizzato.

Nelle tenute frontali, l’o-ring appoggia in zone dove non vi è flash o residui dello stesso, mentre nelle tenute radiali, l’o-ring poggia proprio sui residui del flash rimosso, e la tenuta è determinata dalla qualità di tale rimozione (quasi impossibile da terminare dall’ispezione visiva del particolare). I due casi (sempre con le deformazioni esagerate a scopo dimostrativo) sono rappresentati in figura 9.

Figura 9.PNG

In realtà, il flash residuo è molto inferiore, ma sufficiente a creare problemi di ermeticità nel caso di gas compressi, specialmente a basso peso molecolare (H, He). La condizione che si viene a creare è quella rappresentata in figura 10 dove (sempre con amplificazione fittizia delle imperfezioni) si illustra l’instaurarsi del trafilo.

Figura 10.PNG

In condizione di riposo, il flash si estende oltre la dimensione dell’o-ring. Quando l’o-ring viene messo in sede, il flash è compresso dalla parete del foro, si viene a creare un eccesso di materiale che si ripiega e forma il trafilo.

Spero di aver chiarito la prima parte del mio intervento nel post citato all'inizio. Appena trovo il tempo, chiarisco anche la restante parte.
 

paulpaul

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Regione: Parma
#2
Faccio largo uso di OR in cava radiale per la tenuta gas, con pressioni a 300 bar e oltre. Il problema maggiore che ho incontrato è stato quello della ben nota decompressione esplosiva, che ha richiesto - per alcune posizioni - non solo l'aumento di durezza dell'OR ma almeno un paio di cambi mescola, e che comunque è indipendente dal tipo di cava.

Specificatamente legate alla cava radiale, sono state invece le seguenti problematiche:

- Mancanza dello smusso di inserimento (il fornitore non lo realizza ed il CQ non se ne accorge perché concentrato su particolari "più nobili");
- Lunghezza di inserimento troppo corta (OR che lavora sullo smusso)
- Lunghezza di inserimento eccessiva senza diametri di scarico (OR che al montaggio deve "scorrere" per una notevole lunghezza, con rischio di danneggiamento)
- Presenza di (anche piccoli) difetti sulla superficie di tenuta;
- Montaggio senza adeguato lubrificante (da scegliere con attenzione, in quanto certi grassi rappresentano poi degli "hot spot" durante il funzionamento, che "cuociono" localmente l'OR);
- Mancanza di anelli di back-up per pressioni oltre un certo valore.
 

exxon

Utente Junior
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#3
Non è che gli o-ring montati in tenuta radiale "non tengano", è solo che non garantiscono la stessa ermeticità di una tenuta assiale.

Posto un esempio personale che può servire per comprendere meglio i contorni del problema.

Nel corso di un progetto di ricerca, in un contenitore a pressione (circa 22 MPa) erano introdotti due gas: elio ed esafluoruro di zolfo con eguali pressioni parziali. Dopo alcune reazioni condotte all'interno del recipiente (di durata di alcune settimane), un campione della miscela di gas veniva prelevato e il rapporto tra i due componenti stabilito con il metodo dell'assorbimento termico differenziale. Il rapporto tra i gas era l'indicatore dell'entità della reazione avvenuta.

I risultati erano totalmente differenti dalle previsioni teoriche, e per mesi si sono ripetuti gli esperimenti, trovando risultati sempre discordanti, senza nessuna apparente giustificazione.

Per farla breve, una tenuta con un o-ring radiale lasciava un trafilo talmente microscopico che lo stesso funzionava da setaccio molecolare nei confronti della miscela di gas: passavano gli atomi di elio, ma non le molecole di esafluoruro di zolfo (molto più grandi), falsando il rapporto tra i gas e di conseguenza i risultati degli esperimenti.

Modificato il recipiente con sole tenute assiali, gli esperimenti hanno iniziato a dare i risultati previsti.

Se si deve fare la tenuta per la pistola soffiatrice o per l'innaffiatore del giardino... va bene tutto; se si deve garantire la massima ermeticità, allora bisogna pensarci.
 

paulpaul

Utente Standard
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Regione: Parma
#4
Non è che gli o-ring montati in tenuta radiale "non tengano", è solo che non garantiscono la stessa ermeticità di una tenuta assiale.
Certo, ma nemmeno io volevo dire il contrario! Soltanto che spesso si usano con soddisfazione anche in applicazioni per le quali a prima vista non sarebbero idonei, quali gas ad alta pressione, anche di basso peso molecolare: nel campo della compressione gas nel settore petrolifero ad esempio si usano universalmente, con le dovute accortezze.
Onestamente, vi è però da dire che in questo tipo di macchine ci possono essere delle "perdite strutturali" (convogliate) - in altri punti dell'impianto - di ordini di grandezza superiore a quelle che possono trafilare da un OR statico, quindi non sono propriamente "macchine ermetiche", almeno nelle architetture impiegate in questa industria: gli eventuali piccolissimi trasalimenti da tenute statiche radiali (non rilevabili con comuni rilevatori gas) non costituiscono un problema.
 
Professione: Ingegnere
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#5
[cut] Per farla breve, una tenuta con un o-ring radiale lasciava un trafilo talmente microscopico che lo stesso funzionava da setaccio molecolare nei confronti della miscela di gas: passavano gli atomi di elio, ma non le molecole di esafluoruro di zolfo (molto più grandi)[cut]
Con questo confermi che nelle applicazioni industriali il problema non esiste?