Il dilemma dell’adattamento all’interferenza
Un tubo di PTFE inserito nel foro di una piastra tubiera e fissato mediante espansione deve afferrare la parete del foro sufficientemente saldamente da sigillare la pressione interna del vapore, ma non così saldamente da far sì che la tensione circolare nel tubo espanso superi la soglia di rottura da stress del materiale. La differenza tra presa adeguata e interferenze dannose si misura in decimi di millimetro.
Il PTFE rappresenta una sfida particolare per i giunti tra tubi-a-piastra tubiera perché il materiale-scorre a freddo sotto compressione prolungata. Un accoppiamento con interferenza che risulta stretto e privo di perdite-al momento dell'installazione può allentarsi nel corso di settimane alla temperatura di esercizio man mano che il PTFE si allontana dalla pressione di contatto. Il giunto inizia a perdere. La tentazione è quella di aumentare l'interferenza iniziale per consentire il rilassamento-ma questo rischia di provocare un'immediata rottura dello stress a causa dell'eccessiva-espansione.
L'interferenza massima consentita è il grado di sovradimensionamento diametrale che sollecita il PTFE appena al di sotto del limite di stress cracking alla massima temperatura operativa prevista.
Il meccanismo dello stress cracking
La rottura da stress del PTFE si verifica quando il materiale è sottoposto a sollecitazioni di trazione superiori a circa il 2-3% a temperatura elevata. Il ceppo apre vuoti microscopici tra i domini cristallini. Questi vuoti crescono nel tempo sotto stress prolungato, fino a fondersi in crepe visibili.
In un giunto di dilatazione da tubo-a-piastra tubiera, la deformazione primaria è la deformazione circolare nella parete del tubo nella sezione espansa. Il diametro interno del tubo viene forzato su un diametro maggiore (uno strumento di espansione o il foro della piastra tubiera con un inserto). Le fibre esterne della parete del tubo si allungano. La deformazione del cerchio è: ε=(Despansione - Doriginale) / Doriginale.
Per tubi in PTFE con diametro esterno di 10 mm espansi fino a un foro sulla piastra tubiera di diametro interno di 10,8 mm, l'espansione diametrale è di 0,8 mm. La deformazione del cerchio è 0,8/10=8%. Questo supera di gran lunga il limite di sicurezza del 2-3% e romperà il tubo, se non immediatamente, entro poche settimane alla temperatura di esercizio.
Tabella 1: Interferenza massima consentita per i giunti del tubo in PTFE-a-della piastra tubolare
| Diametro esterno del tubo (mm) | Parete del tubo (mm) | ID foro piastra tubiera (mm) | Interferenza diametrale (mm) | Deformazione del telaio (%) | Rischio di stress crack | Servizio consigliato |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 8 | 1.0 | 8.0 (gioco zero) | 0 | 0 | Nessuno | Necessita di tenuta secondaria |
| 8 | 1.0 | 8.1 | 0.1 | 1.25 | Nessuno | Bassa-pressione (< 2 barg) |
| 8 | 1.0 | 8.2 | 0.2 | 2.5 | Basso (limite per servizio continuo) | Servizio generale (fino a 4 barg) |
| 8 | 1.0 | 8.3 | 0.3 | 3.75 | Moderato (non consigliato) | Non raccomandato |
| 10 | 1.0 | 10.0 | 0 | 0 | Nessuno | Necessita di tenuta secondaria |
| 10 | 1.0 | 10.15 | 0.15 | 1.5 | Nessuno | Bassa-pressione |
| 10 | 1.0 | 10.25 | 0.25 | 2.5 | Basso (limite per servizio continuo) | Servizio generale (fino a 4 barg) |
| 12 | 1.2 | 12.3 | 0.3 | 2.5 | Basso (limite per servizio continuo) | Servizio generale |
Il requisito del sigillo secondario
Poiché l'interferenza massima sicura per il PTFE è limitata a circa il 2,5% della deformazione elastica, la forza di presa derivante dalla sola espansione è modesta. Alla temperatura di esercizio, il rilassamento viscoso riduce ulteriormente questa forza. È necessario un meccanismo di tenuta secondario per una tenuta-a lungo termine-affidabile.
La tenuta secondaria più comune è un raccordo a compressione: il tubo passa attraverso la piastra tubiera e un dado comprime una ghiera in PTFE sul diametro esterno del tubo. La ghiera fornisce la tenuta; la piastra tubiera garantisce l'ancoraggio meccanico. L'interferenza tra il tubo e il foro della piastra tubiera viene quindi impostata su zero (gioco di adattamento) o minima, eliminando completamente il rischio di fessurazione da stress.
Le tenute secondarie alternative includono estremità svasate dei tubi che si inseriscono contro la faccia conica della piastra tubiera e guarnizioni O-ring nelle scanalature all'interno del foro della piastra tubiera. Entrambi gli approcci disaccoppiano la funzione di tenuta dalla funzione di espansione del tubo.
Effetto del ciclismo termico
Ogni ciclo termico dalla temperatura ambiente a quella operativa aggiunge un ciclo di deformazione alla sezione del tubo espanso. Il tubo in PTFE si espande radialmente più della piastra tubiera (se la piastra è in metallo o in un polimero diverso), modificando l'accoppiamento con interferenza. Un giunto che presenta gioco a temperatura ambiente può diventare un accoppiamento con interferenza a temperatura o viceversa.
La progettazione del giunto deve accogliere questo cambiamento dimensionale ciclico senza superare il limite di deformazione del 2,5% in qualsiasi punto del ciclo termico. Per i tubi in PTFE nelle piastre tubiere in PTFE, i materiali si espandono alla stessa velocità e l'interferenza è stabile. Per tubi in PTFE in lamiera o lastre in PVDF è necessario calcolare la dilatazione differenziale.
Riepilogo
L'interferenza diametrale massima consentita per i giunti del tubo in PTFE-alla-piastra tubiera è pari al 2,5% del diametro del tubo, corrispondente a circa 0,2 mm per tubi con diametro esterno di 8 mm e 0,25 mm per tubi con diametro esterno di 10 mm. Questo limite impedisce la rottura da stress dovuta a un'eccessiva sollecitazione del telaio a temperature elevate.
Una tenuta affidabile richiede un meccanismo secondario-ghiera di compressione, giunto svasato o O-ring-perché l'interferenza limitata fornisce solo una forza di presa modesta che si rilassa ulteriormente nel tempo con la temperatura. La progettazione del giunto deve consentire la dilatazione termica differenziale se il tubo e la piastra tubiera sono di materiali diversi.
Le specifiche tecniche per la progettazione del giunto tra tubi in PTFE-e-piastra tubiera sono disponibili previa presentazione delle dimensioni del tubo, del materiale e dello spessore della piastra tubiera, della temperatura e della pressione di esercizio e della durata di servizio richiesta.
