Obróbka gwintowanych rur i zamocowań przy użyciu produktów do gwintów jest niezbędna dla zapewnienia wydajnej i ekonomicznej produkcji. Jedną z głównych przyczyn awarii maszyn i urządzeń przemysłowych jest obluzowywanie się zamocowań gwintowanych, co w rezultacie powoduje straty rzędu milionów dolarów rocznie, wynikające z nieplanowanych przestojów.
Corocznie wskutek wycieków traci się miliardy litrów płynów przemysłowych. Wycieki gazów i cieczy dodatkowo są źródłem toksycznych zanieczyszczeń, emisji, zanieczyszczeń innych substancji oraz zagrożeniem dla bezpieczeństwa i zdrowia personelu.
Gwintowane zamocowania służą do łączenia i utrzymywania tolerancji połączeń zespołów zarówno lekko obciążonych, jak i pracujących przy bardzo dużych obciążeniach. Dla zapewnienia niezawodnej pracy maszyn i urządzeń konieczne jest utrzymywanie ściśle określonych zakresów tolerancji podczas całego okresu użytkowania sprzętu.
Do smarowania, zabezpieczania, uszczelniania oraz utrzymywania gwintowanych zamocowań w zakresie ustalonych tolerancji stosuje się kilka metod obróbki, mających na celu poprawę niezawodności sprzętu. Trzy najczęściej stosowane środki do obróbki gwintowanych połączeń to: środki do mocowania (blokowania) gwintów (thread lockers), środki do uszczelniania gwintów (thread sealants) oraz środki zapobiegające zapiekaniu się gwintów (antiseize compounds).
Środki do mocowania gwintów
Zamocowania gwintowane są nieustannie poddawane różnym rodzajom naprężeń. Naprężenia, takie jak wibracje, wstrząsy, termiczna rozszerzalność i skurcz, mogą obniżyć siłę zacisku, a w końcu przyczynić się do awarii maszyny.
Do zapobiegania niepożądanemu obluzowywaniu się połączeń gwintowanych stosowanych jest wiele rozwiązań technicznych, takich jak podkładki sprężyste, drutowanie czy kontrnakrętki. Te mechaniczne metody mocowania znacznie zwiększają koszty zespołu mocującego, a mimo to nie są w stanie zapewnić niezawodności i wykluczyć obluzowywania się gwintów, ponieważ skośny ruch ślizgowy powoduje samoistne obluzowywanie się. Elementy te nie uszczelniają ani nie zapobiegają korozji zamocowania, a ich rozmiar musi być dokładnie dobrany do wielkości konkretnego zamocowania.
Płynne kleje do gwintów stały się jednym z najbardziej niezawodnych i niedrogich sposobów zapewnienia, że gwintowe zamocowanie zachowa stan mocowania i będzie szczelne przez cały okres użytkowania. Podawane w ilości kilku kropel na gwint, płynne kleje anaerobowe wchodzą w rowki gwintu, sieciują i twardnieją, przyjmując postać utwardzonego cieplnie plastiku: proces zachodzi przy kontakcie z aktywnymi jonami metali (katalizatory) bez dostępu powietrza (fot. 1).
Mocowanie gwintów zapobiega niepożądanym ruchom czy obluzowywaniu się zamocowań oraz uszczelnia gwinty, zapobiega wyciekom i korozji. Nadmiar środka pozostaje w postaci płynnej i wypływa na zewnątrz, gdzie można go łatwo zetrzeć.
Chociaż odpowiednio przygotowana powierzchnia zapewnia największą skuteczność środków do mocowania gwintów, postęp w dziedzinie technologii anaerobowych spowodował pojawienie się na rynku wielu nowych produktów, które nie wymagają tak dokładnego czyszczenia czy przygotowywania powierzchni.
Obecnie najnowsze preparaty twardnieją na nieaktywnych powierzchniach metalowych, tolerują tłuste powierzchnie oraz można określić czas ich twardnienia. Stosowanie substancji podkładowych jest wymagane jedynie przy użyciu konwencjonalnych produktów płynnych w trudnych aplikacjach czy na trudnych podłożach.
Środki do mocowania gwintów mogą zapobiec typowym usterkom jak niewspółosiowość, występującym przy zmniejszeniu siły docisku. Kiedy wały skrzyń przekładniowych czy silników są ustawione współosiowo, dla zachowania właściwego ustawienia (osiowości) konieczne jest dokręcenie śrub mocujących z odpowiednią siłą (momentem).
Z czasem śruby mocujące mogą się obluzować na skutek wibracji, rozszerzania się bądź kurczenia pod wpływem temperatury, wstrząsów, co powoduje utratę siły docisku, a w ostateczności niewspółosiowość. Stosowanie środków do mocowania gwintów pomaga utrzymać siłę zacisku i zapobiega powstaniu niewspółosiowości.
Zależnie od zastosowania można dobierać środki do mocowania gwintów o różnej wytrzymałości, które zapewnią, że zamocowania gwintowe będą w stanie wytrzymać krytyczne siły dociskowe nawet w najbardziej wymagających środowiskach. Środki te mają dużą odporność na ścinanie, bardzo dużą odporność na temperaturę, szybko się utwardzają, są łatwe w użyciu oraz mają doskonałą odporność na wibracje.
Dostępne są różne wersje klejów anaerobowych (beztlenowych), odpowiednich do różnego rodzaju zastosowań, włącznie z powierzchniami niereaktywnymi (insensitive), środkami przeznaczonymi do wysokich temperatur aż do 232°C, produktami odpornymi chemicznie oraz formulacjami wytrzymującymi ekstremalne wibracje.
Przy doborze właściwego środka do mocowania gwintów, odpowiedniego dla danej aplikacji, kilka czynników ma znaczenie podstawowe. W przeciwieństwie do popularnych przekonań, każdą śrubę, która została zamocowana przy użyciu środka do mocowania gwintów, można wykorzystać ponownie; wystarczy przed nałożeniem nowego środka i ponownym zamontowaniem śruby usunąć stary.
Środki do mocowania gwintów są również dostępne w różnych wersjach: łatwej do usunięcia oraz o średniej wytrzymałości, te wersje można usunąć przy użyciu zwykłych ręcznych narzędzi oraz środki o wysokiej wytrzymałości, których zdolności mocowania są najwyższe.
Żaden środek do mocowania gwintów nie trzyma wiecznie; nawet te najmocniejsze można usunąć przy użyciu ręcznych narzędzi, po uprzednim podgrzaniu do temperatury 230 – 250 °C, przez ok. 5 minut.
Duże ilości starego środka do mocowania gwintów można usunąć przy użyciu twardej szczotki. Mniejsze dobrze znoszą nałożenie kolejnej warstwy, pod warunkiem że ilość substancji nie ogranicza ponownego montażu śruby mocującej.
Szczeliwa do gwintów
W każdym układzie zawierającym gaz, pary lub ciecz istnieje niebezpieczeństwo wystąpienia kosztownych i niebezpiecznych przecieków. Stopień, do którego te przecieki mogą być tolerowane, w znacznej mierze zależy od danej aplikacji.
Na przykład, kilka kropel wody wyciekającej w ciągu godziny ze złączki rurowej w przewodzie odprowadzającym wodę można zignorować. Jednakże taka sama ilość wody ściekająca na elektryczną tablicę rozdzielczą może spowodować katastrofę.
Większość nieszczelności ma swoje źródła w złączach rurowych. W przewodach rurowych gwintowane połączenia są konieczne. Projektanci systemów rurowych poszukują sposobów redukowania połączeń, ale bez elementów łącznych, które można rozmontować, każda naprawa wymagałaby demontażu olbrzymich fragmentów rurociągów.
Mimo opracowywania norm mających na celu uzyskanie zunifikowanych elementów łączących, gwinty rur stożkowych nie są precyzyjne, a w trakcie eksploatacji czy naprawiania gwinty mogą zostać uszkodzone, co sprawi, że instalacja będzie jeszcze bardziej podatna na przecieki. W miejscu, w którym stykają się wierzchołek gwintu oraz prowadnica gwintu (kanalik), tworzy się spiralna ścieżka będąca źródłem potencjalnych wycieków, której nie da się usunąć przez dokręcanie. Uszczelnianie gwintów to próba zablokowania tej ścieżki, która jest zjawiskiem naturalnym dla połączeń rurowych (fot. 2).
Środki do uszczelniania gwintów obejmują całą gamę produktów, takich jak taśmy uszczelniające, zaprawy, pasty, O-ringi oraz złączki stożkowe. Metody te choć skuteczne, z biegiem czasu mogą przysparzać problemów.
Taśmy działają tylko jako środki smarne, z czasem mogą się strzępić, zapychać rury lub też powodować zbyt mocne dokręcenie, uszkadzające gwinty. Taśmy trzeba nakładać ręcznie; z powodu śliskiej powierzchni są mało odporne na wibracje.
Większość past zawiera rozpuszczalniki, a po wyschnięciu kurczy się i rozchodzi, co ogranicza ich odporność chemiczną i wibracyjną.
O-ringi wymagają utrzymywania dużych stanów magazynowych oraz specjalnej konstrukcji złącza; łatwo ulegają uszkodzeniom podczas manipulacji czy zakładania. Obrabiane połączenia stożkowe wymagają kosztownej obróbki i również łatwo ulegają uszkodzeniom.
Szczeliwa do gwintów typu kleje to produkty o konsystencji płynu lub pasty, które można z łatwością nanosić, a których twardnienie jest procesem chemicznym przebiegającym bez udziału tlenu. Podobnie jak anaerobowe środki do mocowania gwintów, substancje do uszczelniania gwintów nie zawierają żadnych lotnych rozpuszczalników, które w trakcie eksploatacji odparowywałyby z gwintów i po dłuższym czasie wpływałyby na pracę uszczelnionego gwintu. Materiały te zawierają zmiękczacze oraz środki modyfikujące, pomagające nasmarować i błyskawicznie uszczelnić złącze podczas trwania procesu utwardzania.
Po utwardzeniu szczeliwa anaerobowe nie topią się, eliminując tym samym ścieżki wycieków. Materiały te równocześnie uszczelniają i mocują gwinty, a podczas montowania działają jak środki smarne, pomagające dokręcić elementy z odpowiednią siłą. Nieutwardzona pozostałość szczeliwa rozpuszcza się, eliminując zagrożenie powstania zanieczyszczenia.
Natychmiast po zastosowaniu materiały te zapewniają szczelność układów niskociśnieniowych (34,5 bar). Po utwardzeniu wiele z nich nadaje się do uszczelniania ciśnień rzędu 690 bar. Szczeliwa do gwintów mogą również uszczelniać dwuzłączki rurowe oraz połączenia ciśnieniowe, mają doskonałą kompatybilność z płynami i szczelnieniami.
Gwintowane złącza hydrauliczne to typowe miejsca wycieków. Różne rodzaje środków uszczelniających nie zdają egzaminu po dłuższym czasie ze względu na kurczliwość, powodującą powstanie ścieżki wycieków albo obluzowywanie się, ponieważ środek uszczelniający był po prostu środkiem smarnym i nie wypełnił pustych przestrzeni.
Środki zapobiegające zapiekaniu się
Materiały zapobiegające zapiekaniu się ochraniają gwintowane i płasko spasowane metalowe części przed rdzą, korozją, korozją cierną oraz zapiekaniem się w wysokich temperaturach. Oprócz tego redukują tarcie, zużycie oraz pękanie krytycznych elementów nawet w
najtrudniejszych środowiskach pracy.
Wysokiej jakości smary, zawierające lub niezawierające specjalnych metalowych proszków, to produkty zapobiegające zapiekaniu się, które zapewniają, że elementy połączeń są łatwe w montażu i demontażu. Zastosowanie tych materiałów zapewnia również dokręcenie złączy z
wymaganą siłą, nawet w najtrudniejszych warunkach.
Dobór preparatu zależy od rodzaju materiału, z jakiego jest wykonany gwint, jak również od ekstremalnych temperatur, w jakich może on pracować. Wiele produktów sprawdza się bardzo dobrze w granicach 537°C, a niektóre pracują nawet w temperaturach tak ekstremalnych jak 1300°C. Środki zapobiegające zapiekaniu się można stosować na przykład na zawiasach drzwi do pieca.
Zazwyczaj produkty te nakłada się za pomocą pędzelka na część, która tego wymaga, a potem rozprowadza się środek przy użyciu specjalnego aplikatora. Nie zaleca się zanurzania elementu w produkcie, ponieważ nadmiar środka powoduje zanieczyszczenie i kłopoty przy montażu.
Nowe technologie
Technologia środków półstałych w sztyfcie (Semisolid Stick Technology) ułatwia dozowanie bezpośrednio na wskazaną część, przy równoczesnym ograniczeniu stosowania nadmiernych ilości środka. Wcześniej nie należy stosować środków płynnych z powodu ich tendencji do rozlewania się i niebezpieczeństwa, że przedostaną się do miejsc, w których po utwardzeniu mogłyby spowodować problemy. Środki uszczelniające w sztyfcie to doskonała alternatywa dla zastosowań na wysokościach czy w trudno dostępnych miejscach, w których płyny i taśmy są trudne w użyciu (fot. 3).
Preparaty o konsystencji półstałej są łatwe do przechowywania i przenoszenia. Można je zastosować z dużą precyzją w wybranym miejscu i nie trzeba się martwić, że się rozleją. Materiały półstałe pozostają na gwintowanej części podczas jej ustawiania i montowania.
Produkty do mocowania gwintów w postaci sztyftu są szczególnie przydatne, kiedy daną operację trzeba wykonać szybko lub wcześniej przygotować. W takiej sytuacji, środek do mocowania gwintów można nałożyć wcześniej bez obawy, że spłynie z części. Posmarowane części można następnie zmontować od razu bez potrzeby ich czasochłonnego dopasowywania w urządzeniach mechanicznych, jak to ma miejsce podczas stosowania płynów.
Autor: Andy Bardon, Application Engineer, Henkel Loctite Corp.
