Le guarnizioni a spirale metallica sono ampiamente riconosciute come componenti di tenuta ad alte prestazioni nei sistemi di tubazioni industriali e nelle flange delle attrezzature. La loro unica struttura composita e le combinazioni di materiali consentono loro di adattarsi a condizioni di lavoro difficili come alta temperatura, alta pressione e corrosione media. Di seguito è riportata un'introduzione dettagliata dalle prospettive di **selezione dei materiali**, **design strutturale** e **proprietà chimiche**:
##一、Selezione del materiale delle guarnizioni spiralate in metallo
Le prestazioni delle guarnizioni a spirale metallica dipendono in gran parte dal corretto abbinamento di due materiali fondamentali: la **striscia di avvolgimento metallico** (che fornisce supporto strutturale e resistenza) e il **materiale di riempimento** (che garantisce le prestazioni di tenuta). La selezione dei materiali è determinata da fattori come temperatura di lavoro, pressione, tipo di mezzo e requisiti di resistenza alla corrosione.
### 1. Materiali per Strisce di Avvolgimento in Metallo
La striscia metallica funge da "scheletro" della guarnizione, fornendo resistenza meccanica, resistenza alla temperatura e resistenza alla corrosione. I materiali comuni includono:
- **Acciaio al Carbonio (CS)**
- **Ambito di applicazione**:Adatto per media a bassa temperatura (≤300℃) e non corrosivi (come aria, acqua e olio) in tubazioni industriali generali.
- **Vantaggi**:Basso costo, alta resistenza meccanica e facile lavorazione.
- **Limitazioni**:Scarsa resistenza alla corrosione; soggetto a ruggine in ambienti umidi o corrosivi, rendendolo inadatto a mezzi acidi, alcalini o contenenti sale.
- **Acciaio Inossidabile 304/304L**
- **Ambito di applicazione**:Ampiamente utilizzato in ambienti a temperatura media (≤600℃) e leggermente corrosivi, come la lavorazione degli alimenti, le attrezzature farmaceutiche e le tubazioni per il trattamento dell'acqua.
- **Vantaggi**:Eccellente resistenza alla corrosione in atmosfera, acqua e acidi/alcali deboli; buona resistenza all'ossidazione ad alte temperature.
- **Caratteristica 304L**:Contenuto di carbonio inferiore rispetto al 304, riducendo il rischio di corrosione intergranulare dopo saldatura o utilizzo ad alta temperatura.
- **Acciaio Inossidabile 316/316L**
- **Ambito di applicazione**:Ideale per media corrosivi forti (come acqua di mare, soluzioni contenenti cloro, acido solforico e acido fosforico) e ambienti ad alta temperatura (≤650℃), comunemente utilizzato nelle industrie chimiche, marittime e petrolchimiche.
- **Vantaggi**:L'aggiunta dell'elemento molibdeno migliora significativamente la resistenza alla corrosione da pitting e alla corrosione da fessura; resistenza alla corrosione complessiva migliore rispetto al 304.
- **Leghe Speciali**
- **Inconel (ad es., 600/625)**:Resistente a temperature elevate (≤1000℃) e forte corrosione (come acido nitrico, sale fuso ad alta temperatura), utilizzato nell'industria aerospaziale e nei reattori chimici ad alta temperatura.
- **Hastelloy (ad es., C276)**:Eccellente resistenza agli acidi forti (acido cloridrico, acido solforico) e alla corrosione da cloruri, adatto per ambienti chimici estremi.
- **Titanio (Ti)**:Leggero, ad alta resistenza e resistente all'acqua di mare, al cloro e alla maggior parte degli acidi organici, ma con costi più elevati, utilizzato in scenari di alta gamma resistenti alla corrosione.
### 2. Materiali di Riempimento
Il riempitivo è avvolto nella striscia metallica, fornendo elasticità e prestazioni di sigillatura riempiendo le irregolarità della superficie della flangia. I riempitivi comuni includono:
- **Fibra Non Amianto**
- **Composizione**:Di solito mescolato con fibre inorganiche (fibra di vetro, fibra ceramica) e leganti organici, conforme agli standard ambientali (senza amianto).
- **Prestazioni**: Buona resistenza alla temperatura (≤400℃), basso costo e adatto per acqua, vapore e media oleosi generali.
- **Grafite**
- **Tipi**:Grafite naturale o grafite espansa, spesso impregnate con resina o metallo per migliorare la resistenza.
- **Vantaggi**:Eccellente resistenza ad alta temperatura (grafite pura ≤600℃ in ambienti ossidanti, ≤1000℃ in ambienti riducenti), buona inerzia chimica (resistente alla maggior parte degli acidi, alcali e solventi organici) e alta comprimibilità.
- **Applicazione**:Ampiamente utilizzato in tubazioni e attrezzature ad alta temperatura e alta pressione nelle industrie petrolchimiche, energetiche e metallurgiche.
- **PTFE (Politetrafluoroetilene)**
- **Vantaggi**:Resistenza alla corrosione per quasi tutti i prodotti chimici (eccetto i metalli alcalini fusi e il gas fluorina), basso coefficiente di attrito e superficie antiaderente.
- **Limitazioni**:Scarsa resistenza alla temperatura (≤260℃), alta tendenza al flusso freddo sotto pressione prolungata.
- **Applicazione**:Adatto per media a bassa temperatura e altamente corrosivi (come acido fluoridrico, gas cloro) nelle industrie chimiche e farmaceutiche.
- **Fibra Ceramica**
- **Prestazioni**:Resistenza a temperature ultra-elevate (≤1200℃), buona isolamento termico, ma bassa elasticità e fragilità.
- **Applicazione**:Utilizzato in forni ad alta temperatura, caldaie e flangie di forno dove è richiesta un'elevata resistenza al calore.
## 二、Progettazione Strutturale di Guarnizioni a Spirale Metallica
Il design strutturale influisce direttamente sull'effetto di tenuta, sulla resistenza alla pressione e sull'adattabilità all'installazione della guarnizione. I tipi strutturali comuni includono:
### 1. Struttura di Avvolgimento di Base
- **Forma a spirale**:La striscia metallica e il riempitivo sono avvolti alternativamente in modo spirale, formando una sezione trasversale circolare concentrica con picchi e valli alternati. Questa struttura consente alla guarnizione di deformarsi elasticamente sotto la pressione della flangia, garantendo un contatto stretto con la superficie della flangia.
- **Anelli Interni/Esterne**:
- **Anello Interno (Anello di Centraggio)**:Realizzato con lo stesso materiale della striscia metallica, impedisce che il riempitivo venga schiacciato nella tubazione durante l'installazione, garantendo il centraggio e migliorando la resistenza alla pressione. È obbligatorio per i sistemi ad alta pressione (Classe 600 e oltre).
- **Anello Esterno (Anello Guida)**:Guida la guarnizione durante l'installazione per evitare disallineamenti, protegge lo strato di avvolgimento dai danni e limita la compressione eccessiva della guarnizione.
### 2. Tipi Strutturali Comuni
Tipo Strutturale
Caratteristiche
Scenari di Applicazione
Tipo Base (Senza Anelli)
Struttura semplice, basso costo; adatta per flange a bassa pressione e non critiche.
Acqua generale, tubazioni d'aria con bassa pressione (≤1.6MPa).
Con Anello Interno
Resistenza alla pressione migliorata, previene l'estrusione del materiale di riempimento.
Pipeline a media pressione, valvole e scambiatori di calore.
Con anelli interni ed esterni
Massima stabilità strutturale, posizionamento preciso e anti-compressione.
Flange di attrezzature ad alta pressione (≥6.4MPa) e alta temperatura (ad es., turbine a vapore, reattori chimici).
Guarnizione per ferite a forma di ovale/C
Design speciale della sezione trasversale, migliore adattabilità a flange irregolari.
Flange con leggera deformazione o bassa finitura superficiale.
### 3. Parametri Strutturali Chiave
- **Densità di Avvolgimento**:Il numero di giri a spirale per unità di lunghezza; una densità più alta migliora la stabilità della tenuta ma riduce l'elasticità.
- **Spessore**:Le spessore comuni sono 3mm, 4.5mm, 6mm, ecc., selezionati in base alla profondità della scanalatura del flangia e ai requisiti di pressione.
- **Finitura della superficie**:La superficie metallica è solitamente non trattata o passivata per migliorare la resistenza alla corrosione.
## Tre,Proprietà chimiche delle guarnizioni spiralate in metallo
Le proprietà chimiche dipendono dalla combinazione di striscia metallica e riempitivo, determinando la loro adattabilità a diversi mezzi:
### 1. Resistenza alla corrosione
- **Compatibilità con i Medium**:
- Le guarnizioni riempite di grafite con strisce in acciaio inossidabile 316L mostrano un'eccellente resistenza agli acidi organici, agli alcali e alle soluzioni saline, ma non sono adatte per mezzi ossidanti forti (ad es., acido nitrico concentrato) poiché la grafite potrebbe ossidarsi.
- Le guarnizioni riempite di PTFE con strisce di titanio sono ideali per media corrosivi forti come l'acido fluoridrico e il gas cloro, ma il PTFE può gonfiarsi in alcuni solventi organici (ad es., chetoni).
- Le strisce in lega Inconel con riempitivi in fibra ceramica resistono a sali fusi ad alta temperatura e gas contenenti zolfo, adatte per reattori ad alta temperatura nel settore petrolchimico.
- **Adattabilità Ambientale**:
- Le guarnizioni in acciaio inossidabile 304/316 sono resistenti alla corrosione atmosferica e possono essere utilizzate in ambienti esterni o umidi.
- Le guarnizioni in acciaio al carbonio sono soggette a ruggine in condizioni di umidità e richiedono rivestimenti anti-corrosione (ad es., zincatura) per un uso a breve termine in mezzi non corrosivi.
### 2. Resistenza ad Alta Temperatura
- **Temperatura di funzionamento continua**:
- Guarnizioni senza amianto: ≤400℃;
- Guarnizioni riempite di grafite: striscia 304 ≤600℃, striscia Inconel ≤1000℃;
- Guarnizioni riempite di fibra ceramica: striscia di Inconel ≤1200℃.
- **Stabilità Termica**:La striscia metallica mantiene la resistenza strutturale ad alte temperature, mentre il riempitivo (ad es., grafite) resiste all'ossidazione e alla decomposizione, garantendo nessun indurimento o crepe.
### 3. Resistenza alla Pressione
- **Sigillatura sotto pressione**:La striscia metallica fornisce rigidità per resistere alla pressione della flangia, mentre il riempitivo si deforma per riempire gli spazi, consentendo alla guarnizione di adattarsi a ambienti ad alta pressione (fino alla Classe 2500 o 42MPa per design speciali).
- **Compressione e Rimbalzo**:La struttura a spirale consente la deformazione elastica sotto pressione, mantenendo le prestazioni di tenuta anche con lievi spostamenti della flangia causati da fluttuazioni di temperatura o pressione.
### 4. Limitazioni nelle Prestazioni Chimiche
- **Sensibilità agli ossidanti forti**:I riempitivi in grafite si ossidano facilmente in acido nitrico concentrato o in ambienti ad alta temperatura di ossigeno, portando a una degradazione delle prestazioni.
- **Flusso Freddo di PTFE**:I riempitivi in PTFE possono mostrare flusso a freddo sotto alta pressione a lungo termine, con conseguente riduzione dell'effetto di tenuta, richiedendo un riavvitamento periodico.
- **Rischio di Corrosione Galvanica**: Il contatto di metalli dissimili (ad es., flangia in acciaio al carbonio con guarnizione in acciaio inossidabile) in ambienti corrosivi può causare corrosione galvanica, richiedendo una selezione di materiali corrispondenti.
