Rodzaje gwintów rurowych i ich oznaczenia

Opublikowano za zgodą Colder Products Company

Informacje ogólne

Do mocowania elementów oraz w układach hydraulicznych używane są złącza o różnych gwintach śrubowych. Szczególną uwagę na połączenia gwintowane należy zwracać w elementach z tworzyw sztucznych/metali oraz połączenia gwintów stożkowych/walcowych w obwodach hydraulicznych. Poniżej omówiono różne dostępne gwinty oraz przedstawiono zalecenia dotyczące połączeń gwintowanych.

Ewolucja

W XIX wieku potrzebnych było wiele różnych rodzajów gwintów do obwodów hydraulicznych i pneumatycznych, a także elementów mocujących. W związku z tym producenci zaczęli opracowywać własne systemy mocowań. Doprowadziło to do problemów ze zgodnością. W 1841 roku angielski inżynier mechanik i wynalazca sir Joseph Whitworth opracował nowy, jednolity system miar gwintów, aby rozwiązać te trudności. Gwint w standardzie Whitwortha miał kąt nachylenia 55° oraz zaokrąglony grzbiet i dno bruzdy.

Z kolei w Ameryce William Sellers opracował standard dla nakrętek, śrub i wkrętów, który przyjęto jako normę krajową dla gwintów calowo-stożkowych (NPT) w 1864 roku. Zastosowany przez Sellersa kąt nachylenia 60°, powszechnie używany przez amerykańskich zegarmistrzów, miał duży wkład w przebieg amerykańskiej rewolucji przemysłowej. Gwint opracowany przez Sellersa został następnie przyjęty jako standard amerykański (American National Standard).

Jako gwint łączący w przewodach rurowych wybrano gwint Whitwortha w wykonaniu samouszczelniającym (z co najmniej jednym nacięciem stożka). Jest to tzw. standardowy brytyjski gwint rurowy (British Standard Pipe – stożkowy lub walcowy: BSP Taper lub BSP Parallel). Gwint Whitwortha jest dziś używany na całym świecie jako standardowy gwint w łączeniach rur ze stali niskowęglowej.

Najbardziej znanym i najczęściej stosowanym połączeniem, w którym gwint rurowy pozwala uzyskać zarówno styczność mechaniczną, jak i uszczelnienie hydrauliczne, jest amerykański gwint stożkowy National Pipe Tapered Thread (NPT). NPT to stożkowy gwint zewnętrzny i wewnętrzny uszczelniany taśmą PTFE lub masą uszczelniającą.

Gwinty rurowe używane w układach hydraulicznych można podzielić na dwa rodzaje:

• a) Gwinty rurowe szczelne dla złącz mocnoszczelnych – gwinty rurowe do tworzenia połączeń szczelnych poprzez uszczelnienie na gwincie; gwinty stożkowe zewnętrzne i gwinty walcowe lub stożkowe wewnętrzne. Efekt uszczelnienia jest lepszy przy zastosowaniu masy uszczelniającej.
• b) Gwinty złączne – gwinty rurowe, w których połączeń szczelnych nie wykonuje się na gwintach. Oba gwinty są walcowe, a uszczelnienie następuje przez ściśnięcie miękkiego materiału na gwincie zewnętrznym lub płaskiej uszczelce.

Rozmiary

Rozmiary gwintów rurowych opierają się na średnicy wewnętrznej (ID) lub wielkości przepływu. Na przykład określenie „1/2–14 NPT” oznacza gwint rurowy o nominalnej średnicy wewnętrznej 1/2 cala i 14 zwojach gwintu na cal, wykonany zgodnie z zaleceniami normy NPT. Określenie LH oznacza gwint lewy. Najczęściej używane na świecie rodzaje gwintów rurowych:

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

Formowane wtryskowo gwinty z tworzywa sztucznego są wytwarzane zgodnie z normami ANSI B2.1 i SAE J476.

Słowo „stożkowy” w kilku powyższych nazwach wskazuje na znaczną różnicę między niektórymi gwintami rurowymi a gwintami na śrubach i wkrętach. Wiele gwintów rurowych służy nie tylko do wykonywania połączenia mechanicznego, ale także szczelnego połączenia hydraulicznego. Jest to możliwe dzięki stożkowej formie gwintu zewnętrznego dopasowanej do stożkowego gwintu wewnętrznego i zastosowaniu uszczelniacza rurowego, aby wypełnić puste przestrzenie pomiędzy dwoma gwintami, które mogłyby spowodować wyciek spiralną ścieżką. Dno gwintów nie ma kształtu walca, ale stożka; ich przekrój zwęża się. Stożek ma wymiar 1/16 cala na cal, czyli tyle samo, co 3/4 cala na stopę.

Ze względu na kształt gwint stożkowy można wkręcić w złączkę tylko na pewną odległość, zanim się zablokuje. W obowiązujących normach odległość ta określana jest jako długość mocowania ręcznego, tj. odcinek, na jaki można dokręcić połączenie gwintowe ręcznie. W normach definiowana jest także efektywna długość gwintu, czyli długość gwintu, która umożliwia szczelne połączenie na standardowym frezowanym gwincie rurowym. Z perspektywy monterów zamiast odległości bardziej przydatne jest określenie, ile obrotów trzeba wykonać ręcznie, a ile przy pomocy klucza. W przypadku gwintów stożkowych, zarówno wykonanych z tworzyw sztucznych, jak i metalu, zasada ogólna mówi o ciasnym dokręceniu palcami do maksymalnego oporu, a następnie wykonaniu dwóch dodatkowych obrotów kluczem. Wartości momentu obrotowego można określić dla danego zastosowania, ale ze względu na różnice w połączeniach rurowych, m.in. odmienne materiały, z których wykonane są gwinty zewnętrzne i wewnętrzne, rodzaj uszczelniaczy i zróżnicowanie grubości ścianek przewodów rurowych, nie można opracować ogólnej standardowej specyfikacji momentu obrotowego.

Poniższa tabela przedstawia znormalizowane odległości i liczbę obrotów. Dopuszcza się tolerancję plus/minus jeden obrót, a w praktyce gwinty są często cięte krócej niż przewiduje norma. Wszystkie wymiary są podane w calach.

American Standard Taper Pipe External Thread

Wielkość nominalna	Rzeczywista średnica zewnętrzna (OD)	Liczba zwojów gwintu na cal	Głębokość wejścia gwintu (przy dokręcaniu ręcznym)	Efektywna długość gwintu
1/8	0,407	27	0,124 ≈ 3,3 obroty	0,260
1⁄4	0,546	18	0,172 ≈ 3,1 obroty	0,401
3/8	0,681	18	0,184 ≈ 3,3 obroty	0,408
1/2	0,850	14	0,248 ≈ 3,4 obroty	0,534
3/4	1,060	14	0,267 ≈ 3,7 obroty	0,546
1	1,327	11,5	0,313 ≈ 3,6 obroty	0,682

Połączenia stożkowe/walcowe

Pomimo opracowania norm, które mają na celu ujednolicenie gwintów stożkowych, odznaczają się one niską precyzją, a podczas eksploatacji czy naprawy mogą ulegać uszkodzeniom i stawać się podatne na wyciek. W miejscu, w którym styka się grzbiet i dno bruzdy gwintu, może powstawać spiralna ścieżka wycieku, której nie da się usunąć, dokręcając mocniej połączenie.

Szczelne połączenie uzyskuje się poprzez ściskanie gwintu w procesie dokręcania. Ściskanie i uszczelnianie połączenia następuje przy pierwszych kilku obrotach gwintu wewnętrznego. Podczas skręcania następuje odkształcanie materiału, z którego wykonany jest gwint zewnętrzny oraz wewnętrzny. Zapewnia to pełną styczność gwintów, minimalizując spiralną ścieżkę wycieku. Ze względu na specyfikę procesów produkcyjnych pomiędzy formowanymi wtryskowo gwintami z tworzywa sztucznego a frezowanymi gwintami metalowymi mogą występować różnice.

Gwinty rurowe były pierwotnie frezowane. Wraz z upowszechnieniem tworzyw termoplastycznych i formowania wtryskowego w produkcji kształtek do rur z tworzyw sztucznych, skurcz formy i wypraski utrudniają uzyskiwanie szczelnych połączeń. Z tego względu zalecane jest stosowanie uszczelniacza na bazie PTFE we wszystkich plastikowych gwintach rurowych. Najbardziej popularną formą uszczelnienia jest taśma PTFE owinięta 2- lub 3-krotnie wokół gwintu zewnętrznego przed montażem. Ciekłe uszczelniacze na bazie PTFE są inną opcją stosowaną z powodzeniem do uzyskiwania szczelności ciśnieniowej. Uszczelniacze należy stosować z zachowaniem ostrożności, aby nie doszło do wprowadzenia materiału uszczelniającego do ścieżki przepływu pompy.

Poniżej przedstawiono przykłady zastosowań różnych gwintów i opisano problemy, jakie mogą występować przy wykonywaniu szczelnego połączenia.

Gdy stożkowy gwint zewnętrzny BSPT łączony jest z prostym gwintem wewnętrznym BSPP, uszczelnienie może być wykonane wyłącznie u podstawy portu wewnętrznego (1–2 zwoje). Zob. Rycina 1. Brak kontroli formy gwintu w specyfikacjach BSP ma niekorzystny wpływ na uszczelnienie. Niedopasowanie grzbietu i dna bruzdy gwintu może prowadzić do powstania spiralnej ścieżki będącej źródłem potencjalnych wycieków. Do uszczelnienia takiego połączenia wymagany jest środek uszczelniający.

Używanie stożkowych gwintów zewnętrznych i wewnętrznych BSPT zwiększa prawdopodobieństwo skutecznego uszczelnienia, ponieważ stożki gwintów są do siebie dopasowane. Zob. Rycina 2. Pozwala to uzyskać lepsze uszczelnienie, ograniczając ryzyko powstania spiralnej ścieżki wycieku. Pomimo braku dopasowania grzbietu gwintu i dna bruzdy uszczelniacz ułatwia otrzymanie szczelnego połączenia.

Aby wyeliminować problem spiralnej ścieżki wycieku, wprowadzono szereg odmian gwintu NPT określanych jako gwinty typu dryseal (ze szczelnością uzyskiwaną na gwincie – zob. norma SAE J476). Najbardziej znany jest gwint NPSF (litera F oznacza paliwo). Przy tej konstrukcji gwintu zewnętrznego i wewnętrznego grzbiet zgniata lub przemieszcza materiał do dna bruzdy pasującego gwintu. Ciasne pasowanie między grzbietem jednego gwintu a dnem bruzdy drugiego, wraz z dopasowaniem powierzchni bocznych, zabezpiecza przed wyciekiem wzdłuż spirali.

Odmianą gwintu typu dryseal jest NPSF (National Pipe Straight Fuel). Jest stosowany w gwintach wewnętrznych i można go łączyć z gwintem zewnętrznym NPTF, otrzymując zadowalające połączenie mechaniczne i uszczelnienie hydrauliczne. Połączenie gwintu walcowego i stożkowego nie jest idealne, ale powszechnie stosowane. W szybkozłączach wykonanych z wysokiej jakości tworzywa sztucznego zazwyczaj wykorzystywane są gwinty NPT.

Innym przykładem gwintu stożkowego jest British Standard Pipe (BSP) opisany w normie British Standard 21. Gwinty BSP są powszechnie wykorzystywane w instalacjach niskociśnieniowych, ale nie są zalecane w układach hydraulicznych o średnim i wysokim ciśnieniu. Są to gwinty Whitworth o kącie 55° i stożku 1 na 16. Nie są wymienne z amerykańskim gwintem NPT, chociaż w rozmiarach 1/2˝ i 3/4˝ oba mają 14 zwojów na cal.

Problemy pojawiają się podczas łączenia gwintu zewnętrznego NPT z wewnętrznym gwintem prostym BSP. Gwinty w rozmiarach 1/16˝, 1/8˝, 1/4˝ i 3/8˝ mają rozbieżny skok, co skutkuje ich niedopasowaniem. Kąty zarysu w gwintach NPT i BSP także różnią się od siebie. Gwint NPT ma kąt zarysu 60°, a BSP kąt zarysu 55°.

Rozmiary 1/2˝ i 3/4˝ NPT i BSP mają 14 zwojów na cal, a połączenie NPT z BSP jest dość skuteczne.

Choć te gwinty mają taki sam skok i dobrze się zaciągają, są pewne problemy z ich kształtem. Różnice kątów i tolerancji w grzbietach i dnach bruzdy gwintu powodują powstanie nieszczelności (spiralnej ścieżki wycieku), jak pokazano na Rycinie 7. Te gwinty mogą być używane łącznie przy zastrzeżeniu, że stosowany jest odpowiedni uszczelniacz.

Trudności mogą pojawiać się, gdy plastikowe szybkozłącza z odpowiednimi formami gwintów rurowych formowanych wtryskowo są używane w układach hydraulicznych z rurami metalowymi. Brak należytej ostrożności może wówczas prowadzić do nieszczelności i uszkodzenia gwintu z tworzywa sztucznego. Podczas analizy usterek w połączeniach rur metalowych z elementami plastikowymi należy brać pod uwagę dwa czynniki: uszkodzenie chemiczne i nadmierne dokręcenie.

Uszkodzenie chemiczne może wystąpić w przypadku zastosowania niewłaściwego uszczelniacza gwintu. Uszczelnianie gwintu to zabieg mający na celu zablokowanie spiralnej ścieżki wycieku, która występuje, gdy grzbiet i dno bruzdy gwintu nie są do siebie dopasowane. Przy uszczelnianiu plastikowych form gwintów należy unikać uszczelniaczy anaerobowych. Zawierają one substancje chemiczne, które mogą powodować uszkodzenie tworzywa. W przypadku gwintów z tworzyw sztucznych zaleca się stosowanie uszczelniaczy na bazie PTFE.

Zbyt mocne dokręcenie gwintu rurowego z tworzywa sztucznego ma niekorzystny wpływ na jakość połączenia. Główna różnica pomiędzy tworzywami sztucznymi a metalami ma związek z właściwościami polimerów. Elementy z tworzyw sztucznych formowane wtryskowo odkształcają się, jeśli znajdują się pod stałym obciążeniem, np. w przypadku pełzania. Pełzanie to zjawisko rozciągania lub odkształcania elementów z tworzywa sztucznego w warunkach ciągłego obciążenia. Zazwyczaj tworzywo sztuczne w formowanym wtryskowo, plastikowym gwincie rurowym będzie podlegać pełzaniu na skutek nadmiernego dokręcenia w wewnętrznym porcie stożkowym. Odkształcenie wewnątrz elementu może prowadzić do uszkodzenia całej części.

Gwinty standardowe oferowane przez Colder Products Company

Rozmiary gwintów NPT (National Pipe Taper):	Rozmiary gwintów BSPT (British Standard Pipe Taper):
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