CAT GAPI - 03 - impiego

O-Rings - Sezione tecnica

Impiego

I valori limite di impiego delle mescole sono da tener sempre presenti in quanto il loro superamento può produrre rapidamente la degradazione o persino la distruzione dell’elemento di tenuta costituito dall’O-Ring stesso.

Ambiente

Gli O-Rings sono normalmente a contatto con l’aria e con i seguenti fluidi e gas:

- acqua

- olii lubrificanti

- olii idraulici

- liquidi idraulici ininfiammabili

- carburanti

- fluidi refrigeranti

- fluidi estinguenti

- fluidi alimentari

- fluidi medicali

- fluidi fisiologici

- gas puri ed in miscela.

Effetti dei fluidi di contatto

Il fenomeno più frequente, conseguenza del contatto con fluidi diversi, è il rigonfiamento che l’elastomero manifesta anche in breve tempo.

Temperatura e pressione sono fattori esaltanti tale fenomeno ed occorre quindi tenerne conto nella scelta della tenuta e nella sua progettazione, anche per il fatto che un certo aumento di volume può essere di aiuto nell’assicurare la tenuta del sistema.

Il rigonfiamento è quasi sempre legato ad un deterioramento dell’elastomero, per cui le caratteristiche dell’O-Ring tendono a degradare anche fortemente in presenza di eccessivi rigonfiamenti. La temperatura elevata gioca un ruolo molto forte. In presenza di fluidi particolari si può verificare un altro fenomeno importante, noto come Estrazione o Solubilizzazione di componenti della mescola. In tale caso si manifesta una diminuzione di volume dell’O-Ring con risultati assai gravi, venendo a mancare l’effetto di precompressione, essenziale per una tenuta corretta. Anche in questo caso la temperatura del sistema ha forte influenza sul fenomeno. Alcuni componenti dell’ambiente atmosferico hanno effetti negativi sugli elastomeri, se non adeguatamente protetti. Si tratta di ozono, raggi ultravioletti, umidità (dell’influenza da parte dell’ambiente parleremo più diffusamente a proposito dell’immagazzinamento degli O-Rings).

Condizioni a temperature estreme

La bassa temperatura ha come conseguenza la perdita di elasticità e l’indurimento degli elastomeri. La temperatura limite oltre la quale si ha la rottura dell’O-Ring corrisponde a quella di infragilimento della gomma, brittle point (ASTM D 746).

Esistono altri livelli di bassa temperatura caratteristici, quali ad esempio TR10 e TR50 (ASTM D1329), che rappresentano le temperature alle quali l’elastomero recupera parte della sua elasticità (es.: TR10 = -15° sta ad indicare che l’elastomero in questione, sottoposto ad un certo allungamento, bloccato in tale condizione e raffreddato fino ad uno stato di non elasticità, successivamente rilasciato e riportato lentamente alla temperatura di –15°, riacquista il 10% della lunghezza originaria). Esiste una certa correlazione tra temperatura TR10 e brittle point.

Il funzionamento in continuo ad alta temperatura provoca, nella maggior parte degli elastomeri, fenomeni di indurimento e decadimento delle caratteristiche fondamentali con andamento esponenziale rispetto alla temperatura.

Si manifestano fenomeni superficiali irreversibili, con fessurazioni più o meno profonde e conseguente perdita di resistenza meccanica. Tali fenomeni possono essere contenuti inserendo nella mescola particolari ingredienti con funzione antiinvecchiamento. La determinazione delle temperature caratteristiche alle quali si manifestano fenomeni di invecchiamento superficiale serve a stabilire la durata limite del manufatto in gomma (cfr. Norma GME 60 258 “Prove di invecchiamento accelerato sugli elastomeri”).

Pressione – Vuoto

Le due condizioni fisiche sono antitetiche, ma con effetti e limitazioni simili per le tenute realizzate con O-Rings. In applicazioni statiche un O-Ring può essere sottoposto a pressioni d’esercizio in continuo di circa 1000 bar (a temperatura ambiente), a condizione che vi siano sedi dimensionate e realizzate con cura estrema e siano montati degli anelli antiestrusione. In tali casi occorre anche disporre di elastomeri particolarmente resistenti alla diffusione di gas e di liquidi nella loro massa , di durezza 90 shore A (vedi figura 1).

Per applicazioni dinamiche con moto alternativo si possono raggiungere i 100 bar con il solo O-Ring con giochi radiali ridotti; per pressioni superiori occorre l’applicazione di anelli antiestrusione (Back-up) di materiale adatto, potendo così raggiungere i 350 bar.

Le variazioni brusche di pressione, soprattutto le decompressioni rapide, possono provocare gravi danni agli O-Rings di materiale con scarsa resistenza alla diffusione gassosa.

Sotto l’azione dell’alta pressione sia i gas che i liquidi penetrano nella massa dell’elastomero per poi affiorare durante la fase di brusca decompressione, dando origine a bolle e lacerazioni che compromettono irreparabilmente l’O-Ring (effetto Diesel). In condizioni di vuoto le tenute con O-Ring non sono di facile realizzazione, anche in presenza di sedi accuratissime, sia per disegno che esecuzione. Il fenomeno della diffusione gassosa gioca un grosso ruolo in tali casi. Per condizioni di vuoto dell’ordine di 10 –4 / 10 –5 torr si possono realizzare buone tenute anche con elastomeri comuni (NBR, EPD); per vuoti più spinti si deve ricorrere a polimeri fluorurati o HNBR particolarmente resistenti alla diffusione gassosa.

Gioco radiale in funzione della pressione statica

Compatibilità alimentare

Gli O-Rings in elastomero, destinati al contatto con sostanze alimentari, debbono rispondere ad alcuni requisiti fondamentali:

tutti i componenti dell’elastomero devono avere caratteristiche di non tossicità sia umana che animale e di non cancerogenità
l’elastomero non deve impartire sapori ed odori sgradevoli
la cessione dei propri componenti deve essere minima sia nel breve che nel lungo periodo

Le normative dei diversi Paesi si rifanno per lo più ai principi sopra ricordati. Quelle di maggior diffusione e severità sono:

USA FDA (Food and Drug Adm.) USA Title 21 C.F.R. 177 2600
USA USDA (Un. States Dept. Agricouture) 3° Sanitary Standard
USA NSF International Standard 51,61
D BGA Raccomandazioni KTW 1.3 13
UE 82/711/CEE e 90/128/CEE
Italia DM 21/3/73, DL 25/1/92, DM 26/4/93.

Per quanto riguarda in particolare l’acqua potabile, le relative tubazioni ed i contenitori, esistono norme specifiche quali:

USA ANSI/NSF 61-92 Drinking water system components
G.B. BS 6920:2000

Compatibilità medicale

Nel campo medicale gli O-Rings sono utilizzati sia in apparecchiature di produzione di sostanze medicali sia in apparecchiature di controllo ed analisi manuali od automatici (sia in apparecchiature di cessione che di inoculazione) in cui l’elastomero viene a contatto con:

fluidi medicali (soluzioni, miscele, ecc.)
fluidi fisiologici (saliva, sangue, urina, succhi gastrici, ecc.)

Salvo applicazioni particolari, non esistono normative specifiche; normalmente ci si affida alle normative che regolano l’alimentarietà nei casi relativi al contatto ed al contenimento.

Per il caso più specifico di apparecchi a contatto con il corpo umano o per l’impianto all’interno di esso, di volta in volta ci si riferisce a normative “ad hoc” derivanti da documentazione di sperimentazioni e da dottrina medica specifica.

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