O-rings Negli Impianti in Alto Vuoto

Gli o-rings sono elementi fondamentali degli impianti in alto vuoto. Si tratta di guarnizioni in materiale elastomerico, a sezione circolare, destinati ad essere inseriti in appositi alloggiamenti, detti cave, e ad essere compressi durante l’uso, fungendo da elemento di sigillatura.

Gli o-ring (detti anche OR) sono una forma di guarnizione molto comune nelle applicazioni tecniche, venendo impiegati sia in condizioni statiche, che dinamiche, ovvero quelle nelle quali almeno una delle due superfici con le quali l’OR è a contatto, è in movimento.

Nelle applicazioni in cui è necessario realizzare una tenuta per un fluido in pressione, se l’OR viene scelto opportunamente e la cava in cui esso alloggia è ben dimensionata e realizzata, questo tipo di guarnizione è in grado di garantire la tenuta tra due ambienti con una pressione differenziale che può arrivare anche a diverse centinaia di bar. Ma su cosa si basa questa capacità?

Il principio di funzionamento di un OR, è basato sul fatto che la superficie di contatto dell’OR stesso con le superfici da sigillare è relativamente piccola, grazie alla forma circolare della sezione di questo tipo di guarnizione. Ciò assicura che la pressione di contatto sia elevata anche in presenza di precarichi sull’elemento elastomerico relativamente modesti. Fintanto che la pressione del fluido che agisce sull’OR non eccede la pressione di contatto, non può esserci una perdita.

Figura tratta da: Liao, B.; Sun, B.; Yan, M.; Ren, Y.; Zhang, W.; Zhou, K. Time-Variant Reliability Analysis for Rubber O-Ring Seal Considering Both Material Degradation and Random Load. Materials 2017, 10, 1211. https://doi.org/10.3390/ma10101211

Tutto questo vale anche per gli OR utilizzati per le applicazioni in alto vuoto? La risposta è: no!

Nella tecnica dell’alto vuoto, la massima pressione differenziale tra due ambienti è di norma limitata ad 1 bar, per cui non vi è alcuna necessità di avere alte pressioni di contatto tra un OR e la superfici delle parti da sigillare. In questo caso, infatti, entra in gioco un’altra grandezza, detta conduttanza, che si può definire genericamente come la capacità di una conduttura di far fluire un gas. È intuitivo il fatto che una conduttura lunga (e stretta) avrà una conduttanza minore di una conduttura corta. Pertanto, è importante che l’OR abbia una superficie di contatto con le superfici della cava in cui esso è alloggiato più ampia possibile, a discapito naturalmente del valore della pressione di contatto, che è una grandezza, in questo caso, del tutto irrilevante. Vi sono quindi delle differenze fondamentali tra gli OR -e le cave- utilizzate nelle applicazioni ad alta pressione e nella tecnica del vuoto, che possono essere così riassunte:

- Nelle applicazioni ad alta pressione, l’OR deve toccare le superfici di contatto in due soli punti: pertanto, la cava deve essere realizzata in modo tale da avere un’ampiezza sufficiente a gestire lo schiacciamento della guarnizione, mantenendo valida questa condizione. Nelle applicazioni in vuoto, viceversa, l’OR tocca le superfici di contatto in quattro punti, ovvero le tre pareti costituenti la cava, posta su uno dei componenti, più la superficie del secondo componente che costituisce il sistema a tenuta. Questa condizione garantisce la minima conduttanza possibile e, quindi, le migliori condizioni di lavoro del sistema.

- Nelle applicazioni in vuoto, il materiale costituente l’OR ha una durezza inferiore, in modo tale da garantire una maggiore superficie di contatto e quindi una minore conduttanza. In questi casi, inoltre, la scelta del materiale costituente l’OR non viene fatta in genere sulla base della compatibilità chimica, quanto di quella termica: ricordiamo infatti che spesso le camere a vuoto di processo possono venire riscaldate a temperature relativamente elevate o riscaldarsi conseguentemente al processo in esse svolto.

- È invece importante che il materiale costituente gli OR utilizzati negli impianti in vuoto abbiano valori di degasaggio molto bassi, per non diventare essi stessi fonte di problemi per quanto riguarda il gas load totale.

- Nelle applicazioni in vuoto, è particolarmente importante che la finitura superficiale delle cave abbia la giacitura corretta, la quale deve seguire l’andamento dell’asse della cava stessa. Qualsiasi altro tipo di finitura creerebbe infatti delle “condutture” in grado di aumentare la conduttanza del sistema, con conseguente decadimento dei valori di pressione base ottenibili.

Ecco quindi alcuni consigli:

• Se un OR presente nella vostra camera a vuoto dovesse rovinarsi, non sostituitelo con un componente qualsiasi con lo stesso diametro. Probabilmente non sarà in grado di fornire le prestazioni desiderate.
• Se la cava o la flangia nella quale un OR è alloggiato o si appoggia risultasse danneggiata, anche dalla presenza di un solo graffio, è necessario provvedere alla sua riparazione/ripristino. Infatti, anche gas load molto modesti, generati da piccole perdite agenti a livello microscopico, possono alterare sensibilmente il valore della pressione minima raggiungibile dall’impianto.
• L’uso di un grasso per alto vuoto per la lubrificazione di un OR, in piccole quantità, può contribuire alla sigillatura dei micro-canali presenti e quindi al raggiungimento di un migliore livello di vuoto. Attenzione però, deve essere un grasso specifico per alto vuoto, a bassissima tensione di vapore!

Buon vuoto a tutti!