Tipi e denominazioni delle filettature dei tubi
Pubblicato con l’autorizzazione di Colder Products Company
Descrizione generale
C’è stata un’evoluzione di diversi tipi di filettature per il fissaggio e i sistemi idraulici. Di particolare interesse sono i giunti filettati da plastica a metallo, conici e paralleli, nei circuiti idraulici. Vengono fornite discussioni e raccomandazioni per creare una consapevolezza dei diversi tipi di filettatura e del loro utilizzo.
L’evoluzione
Nel XIX secolo, per i circuiti idraulici e pneumatici, così come per i componenti di fissaggio erano necessari molti tipi diversi di filettature. Di conseguenza, i produttori hanno iniziato a ideare i propri sistemi di fissaggio. Questo comportava problemi di compatibilità. Nel 1841 l’ingegnere meccanico e inventore inglese Sir Joseph Whitworth ideò un sistema di filettatura uniforme per risolvere il problema dell’incompatibilità. La forma di filettatura Whitworth si basa su un angolo di filettatura di 55 gradi con radici e creste arrotondate.
In America, William Sellers stabilì lo standard per dadi, bulloni e viti che divenne la filettatura conica nazionale per tubi (National Pipe Tapered Thread/NPT) nel 1864. Il suo angolo di filettatura di 60 gradi, usato comunemente dai primi orologiai americani, ha permesso la rivoluzione industriale americana. Queste forme di filettatura divennero in seguito l’American National Standard.
La filettatura Whitworth fu scelta come filettatura di collegamento per i tubi, resa autosigillante tagliando almeno una delle filettature sulla conicità. Questa forma di filettatura divenne nota come filettatura British Standard Pipe (BSP Taper o filettatura BSP Parallel). La filettatura Whitworth è oggi utilizzata a livello internazionale come filettatura standard per la giunzione di tubi in acciaio a basso tenore di carbonio.
La connessione più nota e più diffusa, in cui la filettatura del tubo fornisce sia la giunzione meccanica che la tenuta idraulica, è la American National Pipe Tapered Thread (filettatura per tubi conica standard nazionale americana), o NPT. La NPT ha una filettatura maschio e femmina conica che si sigilla con un nastro di PTFE o un composto di giunzione.
Le filettature per tubi utilizzate nei circuiti idraulici possono essere suddivise in due tipi:
- a) filettature di giunzione – sono filettature di tubi per giunzioni a tenuta di pressione mediante sigillatura sulle filettature e sono filettature esterne coniche e interne parallele o coniche. L’effetto di tenuta è migliorato dall’uso di un composto di giunzione.
- b) filettature di fissaggio – sono filettature di tubi in cui i giunti a tenuta di pressione non sono realizzati sulle filettature. Entrambe le filettature sono parallele e la tenuta è assicurata dalla compressione di un materiale morbido sulla filettatura esterna o da una guarnizione piatta.
Misura
Le dimensioni delle filettature dei tubi si basano sul diametro interno (DI) o sulla dimensione del flusso. Per esempio, “1/2-14 NPT” identifica una filettatura per tubi con diametro interno nominale di 1/2 pollice e 14 filettature in pollici, realizzata secondo lo standard NPT. Se si aggiunge “LH”, il tubo ha una filettatura sinistrorsa. Le forme di filettatura globale per tubi più comuni sono:
| NPT | American Standard Pipe Taper Thread |
| NPSC | American Standard Straight Coupling Pipe Thread |
| NPTR | American Standard Taper Railing Pipe Thread |
| NPSM | American Standard Straight Mechanical Pipe Thread |
| NPSL | American Standard Straight Locknut Pipe Thread |
| NPTF | American Standard Pipe Thread Tapered (Dryseal) |
| BSPP | British Standard Pipe Thread Parallel |
| BSPT | British Standard Pipe Thread Tapered |
Le forme di filettatura modellate a iniezione in plastica sono prodotte secondo gli standard ANSI B2.1 e SAE J476.
La parola “tapered” (conica) in molti dei nomi sopra citati indica la grande differenza tra molte filettature di tubi e quelle di bulloni e viti. Molte filettature di tubi devono realizzare non solo una giunzione meccanica, ma anche una tenuta idraulica a prova di perdite. Ciò è possibile grazie alla forma conica della filettatura maschio che corrisponde alla forma della filettatura femmina conica e all’uso di un sigillante per tubi per riempire eventuali vuoti tra le due filettature che potrebbero causare una perdita a spirale. La parte inferiore delle filettature non è un cilindro, ma un cono; la loro conicità. La conicità è di 1/16 di pollice in un pollice, che equivale a 3/4 di pollice in un piede.
A causa della conicità, una filettatura per tubi può avvitarsi in un raccordo solo per una certa distanza prima di incepparsi. Lo standard indica questa distanza come la lunghezza di serraggio manuale, ovvero la distanza che la filettatura del tubo può essere avvitata a mano. La norma specifica anche un’altra distanza: la filettatura effettiva, ovvero la lunghezza della filettatura che fa da tenuta in una filettatura per tubi lavorata in modo convenzionale. Per i lavoratori, invece di queste distanze, è più comodo sapere quanti giri fare a mano e quanti con la chiave. Una semplice regola empirica per l’installazione delle filettature coniche dei tubi, sia in metallo che in plastica, è la tenuta a dito più uno o due giri con la chiave. I valori della coppia di serraggio possono essere determinati in base all’applicazione, ma a causa delle variazioni che si verificano nelle giunzioni dei tubi, come la disomogeneità dei materiali delle filettature maschio e femmina, il tipo di sigillanti utilizzati e le variazioni interne dello spessore delle pareti del prodotto, non è possibile applicare genericamente una specifica di coppia standard.
Questa tabella mostra le distanze e il numero di giri previsti dalla norma. È ammessa una tolleranza di più o meno un giro, e nella pratica le filettature vengono spesso tagliate di routine più corte di quanto previsto dalla norma. Tutte le dimensioni sono in pollici.
American Standard Taper Pipe External Thread (Filettatura esterna americana standard per tubi conici)
| Grandezza nominale |
Diametro effettivo (DE) |
Filettature per pollice |
Durata dell'azione (strette a mano) |
Lunghezza effettiva filettatura |
| 1/8 |
0,407 |
27 |
0,124 ≈ 3,3 giri |
0,260 |
| 1⁄4 |
0,546 |
18 |
0,172 ≈ 3,1 giri |
0,401 |
| 3/8 |
0,681 |
18 |
0,184 ≈ 3,3 giri |
0,408 |
| 1/2 |
0,850 |
14 |
0,248 ≈ 3,4 giri |
0,534 |
| 3/4 |
1,060 |
14 |
0,267 ≈ 3,7 giri |
0,546 |
| 1 |
1,327 |
11,5 |
0.313 ≈ 3.6 giri |
0,682 |
Giunti filettati conici/paralleli
Nonostante gli standard creati per mantenere uniformi i raccordi, le filettature coniche dei tubi sono inesatte e nel corso dell’uso e delle riparazioni possono danneggiarsi ed essere soggette a perdite. L’area in cui la cresta e la radice della filettatura si incontrano può formare un percorso di perdita a spirale che non può essere eliminato con un semplice serraggio.
Un giunto a tenuta di pressione si ottiene grazie alla compressione della filettatura dovuta al serraggio. La compressione e la sigillatura avvengono nei primi giri della filettatura interna. Durante l’avvitamento, il materiale delle filettature maschio e femmina si deforma l’uno nell’altro. Questo assicura un contatto completo con la filettatura, riducendo al minimo le perdite a spirale. Le variazioni tra le forme di filettatura in plastica stampata a iniezione e quelle in metallo lavorato possono essere dovute a processi di produzione diversi.
Le filettature dei tubi sono state originariamente progettate come filettature lavorate. Con l’uso di termoplastici e stampaggio a iniezione di plastica nella produzione di filettature per tubi in plastica, il ritiro dello stampo e l’affondamento della plastica rendono difficile assicurare giunti privi di perdite. Per questo motivo, si raccomanda l’uso di un sigillante a base di PTFE su tutte le filettature dei tubi in plastica. La forma più comune di sigillante è il nastro di PTFE avvolto per 2 o 3 giri intorno alla filettatura maschio prima del montaggio. Anche i sigillanti liquidi a base di PTFE sono utilizzati con successo per garantire una tenuta a pressione. È sempre importante prestare attenzione quando si applicano i sigillanti per evitare di introdurre il materiale sigillante nel percorso del flusso del sistema.
Le sezioni seguenti mostrano esempi di utilizzo di filettature diverse e di problemi che possono insorgere nel tentativo di creare un collegamento privo di perdite.
Quando una filettatura maschio conica BSPT viene serrata in una filettatura femmina diritta (BSPP), la tenuta può essere realizzata solo alla base della porta femmina con 1 o 2 filetti. Vedi la figura 1. La tenuta è compromessa dalla mancanza di controllo della forma della filettatura nelle specifiche BSP. La variazione delle creste e delle radici può causare una mancata corrispondenza della filettatura e creare una perdita a spirale. Per sigillare questa combinazione è necessario un sigillante per filettature.
L’utilizzo di filettature BSPT maschio e femmina coniche offrirebbe maggiori possibilità di tenuta, poiché la conicità della filettatura maschio e femmina coincide. Vedi la figura 2. In questo modo si offre a un maggior numero di filetti la possibilità di sigillare contro le perdite a spirale. Il controllo della cresta e della radice è ancora assente, ma con il sigillante per filettature sarebbe più facile ottenere un giunto a tenuta di pressione.
Per ovviare al problema delle perdite a spirale sono state introdotte diverse varianti della filettatura NPT, note come filettature Dryseal (vedi standard SAE J476). La più nota è la NPTF (F per Fuel-carburante). Con questo tipo di filettatura, ci sono controlli sulle creste e sulle radici sia della filettatura maschio che di quella femmina per garantire che la cresta schiacci o sposti il materiale nella radice della filettatura di accoppiamento. L’accoppiamento per interferenza tra la cresta di una filettatura e la radice dell’altra, insieme alla corrispondenza dei fianchi della filettatura, sigilla contro le perdite a spirale.
Una variante della filettatura Dryseal è la NPSF (National Pipe Straight Fuel). Viene utilizzata per le filettature interne e vi si può avvitare una filettatura esterna NPTF per ottenere una connessione meccanica soddisfacente e una tenuta idraulica. La combinazione di una filettatura parallela e conica non è considerata ideale, ma è ampiamente utilizzata. Gli attacchi rapidi in plastica di alta qualità utilizzano generalmente filettature NPT.
Un’altra filettatura conica è la British Standard Pipe taper, o BSP, disciplinata dal British Standard 21. La filettatura BSP è comunemente utilizzata per le tubature a bassa pressione, ma non è consigliata per i sistemi idraulici a media e alta pressione. Questa forma utilizza la filettatura Whitworth con un angolo di 55° e una conicità di 1 su 16. Non è intercambiabile con la filettatura americana NPT, anche se nelle dimensioni 1/2” e 3/4” entrambe hanno 14 filetti per pollice.
I problemi sorgono quando si filetta una forma di filettatura maschio NPT in una forma di filettatura diritta femmina BSP. Le dimensioni 1/16”, 1/8”, 1/4” e 3/8” hanno un passo diverso, che causa un disallineamento delle filettature. Anche gli angoli di filettatura sono diversi tra NPT e BSP. L’NPT ha una filettatura di 60°, mentre il BSP ha una filettatura di 55°.
Le dimensioni da 1/2” e 3/4” di NPT e BSP hanno tutte 14 filettature per pollice e l’NPT si innesta abbastanza bene sul BSP.
Anche se queste filettature hanno lo stesso passo e si innestano bene, ci sono ancora problemi con la forma della filettatura. Gli angoli della filettatura e le tolleranze sulla cresta e sulla radice, essendo diverse, consentono perdite a spirale come mostrato in figura 7. Queste filettature possono essere utilizzate insieme in modo efficace se si incorpora un sigillante per filettature appropriato.
Molti problemi sorgono quando gli attacchi rapidi in plastica, con le relative forme di filettatura per tubi stampati a iniezione, vengono inseriti in sistemi idraulici con tubi metallici. Se non si presta attenzione, possono verificarsi perdite e rotture delle filettature in plastica. Quando si esamina il guasto di un giunto da metallo a plastica, occorre considerare due fattori: l’attacco chimico e il serraggio eccessivo.
L’attacco chimico può verificarsi quando si utilizzano sigillanti per filettature inadeguati. La sigillatura delle filettature è un tentativo di bloccare il percorso di perdita a spirale che si verifica quando le creste e le radici delle forme di filettatura non corrispondono. I sigillanti anaerobici per filettature devono essere evitati quando si sigillano le forme di filettatura in plastica. Questi sigillanti contengono sostanze chimiche che possono attaccare la plastica. Per le filettature in plastica è preferibile utilizzare un sigillante per filettature a base di PTFE.
Un serraggio eccessivo di qualsiasi filettatura in plastica avrà effetti negativi sul funzionamento del giunto. La differenza principale tra plastica e metallo è il comportamento dei polimeri. Le parti in plastica stampate a iniezione continuano a deformarsi se vengono tenute sotto un carico costante, ad esempio il creep. Il creep è l’estensione o la deformazione continua di una parte in plastica sottoposta a un carico continuo. In genere, il materiale plastico di una filettatura per tubi in plastica stampata a iniezione si deforma a causa dell’eccessivo serraggio in una porta conica femmina. La deformazione delle caratteristiche interne del pezzo può portare alla rottura dello stesso.
Forme standard di filettatura per tubi prodotte dalla Colder Products Comany
| NPT(National Pipe Taper) Dimensioni: |
BSPT (British Standard Pipe Taper) Dimensioni: |
| 1/16 – 27NPT |
|
| 1/8 – 27NPT |
1/8 – 28BSPT |
| 1/4 – 18NPT |
1/4 – 19BSPT |
| 3/8 – 18NPT |
3/8 – 19BSPT |
| 1/2 – 14NPT |
1/2 – 14BSPT |
| 3/4 – 14NPT |
3/4 – 14BSPT |
| 1 – 11-1/2 NPT |