O-ring... questo sconosciuto

Sebbene dal nome arcinoto, specialmente alla comunita’ subacquea, questo componente fondamentale della nostra attrezzatura non e’ sempre osservato con l’attenzione che merita e non tutti in realta’ sanno come e perche’ funziona un o-ring.

Eppure siamo pronti ad affidare al suo lavoro parti costose della nostra attrezzatura come torce e macchine fotografiche che sarebbero irrimediabilmente danneggiate se solo lui…, l’o-ring, non dovesse funzionare a dovere.

Non dimentichiamo che, cosa piu’ importante, la nostra stessa sopravvivenza sott’acqua e’ affidata alla tenuta di o-ring presenti su fruste ed erogatori.

Prima di approfondire tecnicamente la funzionalita’ degli o-ring, vediamo un po di storia e di curiosita’ sul suo conto.

L’o-ring costituisce il dispositivo di tenuta per eccellenza, il piu’ semplice ed economico, tutto cio’ lo rende sorprendente.

Fu la mente creativa di un tornitore di origine svedese, di nome Christensen, che emigrato in America nel lontano 1891 ne registro’ il brevetto nel 1937. Se ci pensate un po’,molto prima dell’invenzione dell’o-ring, le macchine che lavoravano con fluidi e gas in pressione erano gia’ tante.

Tutte facevano uso di altri metodi di tenuta, non altrettanto semplici e nemmeno troppo efficaci. Immaginate tutti gli sbuffi di vapore che si vedevano uscire da locomotive e motori a vapore…molti erano inevitabili perdite dovute a tenute che non si riuscivano a realizzare meglio; insomma ci si accontentava di avere qualche perdita a svantaggio ovviamente del rendimento della macchina in questione.

Pensate…Sul Titanic…Non c’era nemmeno un o-ring!!!

L’invenzione dell’o-ring semplifico’ di molto la progettazione e la realizzazione di tutte quelle macchine e la sua adozione le rese al contempo piu’ affidabili e piu’ efficienti.

Non tutte le menti geniali vengono adeguatamente retribuite, infatti nonostante tutti gli sforzi legali perpretati da Christensen la proprietà intellettuale passò da una compagnia all'altra fino alla Westinghouse. Durante la Seconda guerra mondiale il governo statunitense dichiarò l'o-ring fondamentale per la guerra, consentendone la produzione anche ad altre compagnie.

Cos’e’ l’o-ring??

L’o-ring e’ un anello di elastomero a sezione circolare; da qui il suo nome.

Gli elastomeri, definiti comunemente “gomma”, possono essere considerati come un liquido ad altissima viscosita’, non comprimibile e con una tensione superficiale molto elevata.

Questo materiale si comporta in maniera particolare se sottoposto a pressione.

A differenza da come potremmo pensare esistono centinaia di “ricette” diverse che compongono l’elastomero dell’o-ring.

Le diverse mescole possono essere selezionate, per gli usi piu’disparati, basandosi su caratteristiche meccaniche o chimiche.

Le caratteristiche meccaniche sono da considerarsi in relazione a parametri come: pressione di esercizio, dimensione della tenuta, tipo di montaggio.

Le caratteristiche chimiche sono invece correlate principalmente al tipo di fluido o gas con cui viene a contatto l’oring ed alla temperatura di esercizio del sistema.

Ci sono infatti condizioni di uso estremamente gravose come il contatto con olii, combustibili, detergenti, acidi; in concomitanza con alte o basse temperature, tutte condizioni che deteriorano gravemente e velocemente la mescola elastomerica se non adeguatamente formulata.

Una curiosita’...

Il disastro dello Space Shuttle Challenger avvenne a causa del cedimento di un o-ring. Semplice quanto delicato; basto' una temperatura al di sotto di quella prevista per causare una transizione vetrosa della mescola di un o-ring che impediva la fuoriuscita di un fluido infiammabile.

L’o-ring in questione, invece di deformarsi correttamente, a causa della bassa temperatura, divento’ rigido e fragile come vetro, non garantendo la tenuta ed allo stesso tempo causando una catastrofe!

Una tenuta ad o-ring efficace richiede che l’anello, in fase di montaggio, sia adeguatamente deformato all’interno della sua sede in modo da creare uno stress meccanico sulle superfici di contatto che ne impedisce il passaggio di fluidi e gas garantendone cosi’ la tenuta. Fintanto che la pressione dei fluidi che vogliamo contenere non eccede lo stress meccanico imposto dal montaggio non puo’ esserci alcuna perdita.

Poiche’ la superficie di contatto tra o-ring e pareti della sede e’ molto piccola e’ possibile contenere alte pressioni di esercizio con modesti sforzi meccanici. Il tutto dipende dalla durezza della mescola di elastomero utilizzata per realizzare l’o-ring.

Insomma, questo prezioso anello si deforma disponendosi sulle pareti della sede e ne sigilla gli interstizi impedendo cosi’ le perdite. Geniale come tutte le cose semplici!!

Deformazione di un o-ring in sede

Non e’ assolutamente necessario, in presenza di tenute ad o-ring, serrare la tenuta con forza sia che si tratti di un montaggio radiale o assiale; ( per i dettagli segui la lettura ) anzi stringere troppo stressa oltremodo l’o-ring e si corre il rischio di danneggiarlo anzitempo.

Lo stress meccanico iniziale, dato dal montaggio, ne garantisce la tenuta a pressione zero ( pensate all’o-ring della vostra torcia appena andate in acqua.. per esempio). L’aumento della pressione idrostatica, che preme sull’o-ring dall’esterno, lo spinge sempre piu’ ad aderire alle pareti, garantendo la tenuta. Piu’ scendiamo, piu’ preme, fino ovviamente al carico massimo garantito dalla mescola. Il cedimento meccanico della mescola, comunque, e’ ben distante dalle pressioni idrostatiche che si sperimentano nelle immersioni dell’uomo in muta non presso-resistente. Altro discorso se parliamo di batiscafi o scafandri rigidi che possono dover sostenere pressioni di centinaia o migliaia di atmosfere, li la mescola ed il montaggio dell’o-ring sono fondamentali.

Ma allora, mi direte, come si allagano torce e macchine fotografiche?

Le risposte sono molteplici. In molti casi si allagano nei primi metri perche’ l’o-ring e’ danneggiato, oppure perche’ un corpo estraneo incastrato nella sede dell’o-ring non gli consente di lavorare correttamente, oppure … avete dimenticato il tappo o l’o-ring stesso!

Se l’allagamento avviene in profondita’ significa che l’o-ring ha ceduto a causa di un danno non visibile ( basta una tacchetta…) o perche’ la sua mescola ha perso le caratteristiche meccaniche originali.

Per questo e’ buona norma tenere ben pulite ed ingrassate le sedi e sostituire gli o-ring. Un o-ring anche solo un po’ schiacciato in qualche punto, un granello di sabbia, un capello, possono fare grossi danni.

L'O-ring ed il comandante Bucher…

Apneista e pioniere della subacquea e della fotografia e cinematografia subacquea italiana, dopo un passato come aviatore impegnato in numerose operazioni belliche della seconda guerra mondiale, sviluppa la sua passione per la subacquea creando e modificando le attrezzature all’epoca disponibilie, rendendole idonee ai suoi scopi.

Prendendo spunto dalle guarnizioni di tenuta dei carrelli degli aerei americani, fu il primo ad utilizzare gli o-ring come elemento di tenuta negli scafandri per macchine fotografiche da lui stesso costruiti; siamo nel 1945!

Fino ad ora abbiamo parlato di sede, sforzo meccanico e montaggio.

Vediamo ora in dettaglio i diversi tipi di montaggio di un o-ring e gli sforzi meccanici che lo deformano.

Possiamo distinguere le tenute in statiche e dinamiche. Le tenute statiche sono tutte quelle in cui l’o-ring e le pareti in contatto sono ferme.

Diciamo tutte quelle che vediamo su fruste, bombole, torce etc..

Le tenute dinamiche invece sono caratterizzate da uno scorrimento, tra oring e parete di contatto. Un esempio puo’ essere l’o-ring all’interno del pistoncino del secondo stadio o l’o-ring di tenuta della valvola di carico della muta stagna.

Inoltre e’ possibile distinguere le tenute con carico radiale da quelle con carico assiale.

In una tenuta assiale lo sforzo di compressione dell’o-ring e’ assiale, ovvero parallelo al suo asse.

Carico assiale

Immaginate il montaggio di un erogatore INT sulla bombola con caramella. Quando andate a stringere la staffa dell’erogatore state comprimendo l’o-ring nella sua sede con uno sforzo che e’ parallelo al suo asse.

Carico radiale

Si parla di tenuta radiale se invece la deformazione e’ nella direzione del raggio dell’anello o-ring.

Pensate agli o-ring delle fruste o a quelli presenti sul tappo della torcia e su tutti i tappi che ci sono sui primi stadi sia di BP che di HP.

Per ogni montaggio e per ogni diametro dell’o-ring ci sono precise tabelle che definiscono la dimensione e la tolleranza di lavorazione della sede che lo contiene. Se il tutto e’ rispettato la tenuta e’ garantita fino a centinaia di atmosfere.

Grazie per l'attezione

Alla prossima

Johnnydeep Maveq

P.S. Immagini liberamente tratte da internet