Letkukierretyypit ja nimitykset

Julkaistu Colder Products Companyn luvalla

Yleiskatsaus

Erilaisia ruuvikierteitä on kehitetty kiinnitykseen ja hydrauliikkajärjestelmiin. Erityistä huolta aiheuttavat hydraulipiirien muovi-, metalli-, kartio-/rinnakkaiskierteiset liitokset. Keskustelun ja suositusten avulla pyritään lisäämään tietoisuutta erityyppisistä säikeistä ja niiden käytöstä.

Evoluutio

1800-luvulla hydraulisiin ja pneumaattisiin virtapiireihin sekä komponenttien kiinnittämiseen tarvittiin monia erilaisia ruuvikierteitä. Tämän seurauksena valmistajat alkoivat kehittää omia kiinnitysjärjestelmiään. Tämä johti yhteensopivuusongelmiin. Englantilainen koneinsinööri ja keksijä Sir Joseph Whitworth kehitti vuonna 1841 yhtenäisen kierteitysjärjestelmän, jolla ratkaistiin yhteensopimattomuusongelma. Whitworth-kierteen muoto perustuu 55 asteen kierrekulmaan, jossa on pyöristetyt juuret ja harjanteet.

Amerikassa William Sellers asetti muttereille, pulteille ja ruuveille standardin, josta tuli vuonna 1864 NPT-kierre (National Pipe Tapered Thread). Hänen 60 asteen kierrekulmansa, joka oli yleisesti käytössä varhaisilla amerikkalaisilla kellosepillä, mahdollisti Amerikan teollisen vallankumouksen. Näistä kierremuodoista tuli myöhemmin amerikkalainen kansallinen standardi.

Whitworth-kierre valittiin putkien liitäntäkierteeksi, josta tehtiin itsetiivistyvä leikkaamalla ainakin yksi kierre kartiomaiseksi. Tämä tunnettiin nimellä British Standard Pipe Thread (BSP Taper tai BSP Parallel thread). Whitworthin kierrettä käytetään nykyään kansainvälisesti standardikierteenä vähähiilisten teräsputkien liittämiseen.

Tunnetuin ja yleisimmin käytetty liitos, jossa putkikierre muodostaa sekä mekaanisen liitoksen että hydraulisen tiivisteen, on amerikkalainen kansallinen putkikierre (NPT). NPT-kierteessä on kartiomainen uros- ja naarasliitoskierre, joka tiivistetään PTFE-teipillä tai liitosmassalla.

Hydraulipiireissä käytettävät putkikierteet voidaan jakaa kahteen tyyppiin:

• a) Liitoskierteet - ovat putkikierteitä liitoksiin, jotka on tehty paineenpitäviksi kierteisiin tehtävällä tiivistyksellä, ja ne ovat kartiokierteisiä ulkokierteitä ja rinnakkaisia tai kartiokierteisiä sisäkierteitä. Tiivistysvaikutusta parannetaan käyttämällä saumausmassaa.
• b) Kiinnityskierteet - ovat putkikierteitä, joiden kierteisiin ei tehdä painetiiviitä liitoksia. Molemmat kierteet ovat samansuuntaiset, ja tiivistykseen vaikuttaa pehmeän materiaalin puristaminen ulkokierteeseen tai litteä tiiviste.

Koot

Putkikierrekoot perustuvat sisähalkaisijaan (ID) tai virtauskokoon. Esimerkiksi "1/2-14 NPT" tarkoittaa putkikierrettä, jonka nimellinen sisähalkaisija on 1/2 tuumaa, siinä on 14 kierrettä tuumaa kohti ja se on valmistettu NPT-standardin mukaisesti. Jos merkintä "LH" lisätään, putkessa on vasen kierre. Yleisimmät maailmanlaajuiset putkikierteen muodot ovat:

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

Muoviset ruiskuvaletut kierteet valmistetaan ANSI B2.1- ja SAE J476 -standardien mukaisesti.

Sana "kartiomainen" useissa edellä mainituissa nimissä viittaa siihen, että monien putkikierteiden ja pulttien ja ruuvien kierteiden välillä on suuri ero. Monissa putkikierteissä on mekaanisen liitoksen lisäksi oltava myös tiivis hydraulinen tiiviste. Tämä saavutetaan siten, että uroskierteen kartiomainen kierteen muoto vastaa kartiokierteisen naaraskierteen kierteen muotoa ja että putkitiivisteen avulla täytetään kaikki kahden kierteen väliset tyhjät tilat, jotka voivat aiheuttaa kierrevuodon. Kierteiden pohjat eivät ole sylinterimäiset, vaan kartiomaiset; ne kapenevat. Kartio on 1/16 tuumaa tuumassa, mikä vastaa 3/4 tuumaa jalassa.

Kartiosta johtuen putkikierre voidaan ruuvata liitososaan vain tietyn matkan, ennen kuin se juuttuu. Standardin mukaan tämä etäisyys on käsin kiristettävän kierteen pituus eli etäisyys, jonka putkikierre voidaan ruuvata käsin sisään. Siinä määritetään myös toinen etäisyys – tehollinen kierre, joka on sen kierteen pituus, joka muodostaa tiivisteen tavanomaisessa koneistetussa putkikierteessä. Työntekijöille on näiden etäisyyksien sijasta kätevämpää tietää, kuinka monta kierrosta on tehtävä käsin ja kuinka monta kierrosta jakoavaimella. Yksinkertainen nyrkkisääntö kartiokierteisten putkikierteiden asentamiseen (sekä metalli- että muovikierteet) on sormitiukkuus ja lisäksi 1–2 kierrosta jakoavaimella. Vääntömomentin asennusarvot voidaan määrittää sovelluskohtaisesti, mutta putkiliitoksiin liittyvien vaihteluiden, kuten uros- ja naaraskierteiden erilaisten materiaalien, käytettyjen tiivisteiden tyypin ja tuotteen seinämänpaksuuden sisäisten vaihteluiden vuoksi vakiomomenttimääritystä ei voida soveltaa yleisesti.

Tässä taulukossa esitetään standardissa vaaditut etäisyydet ja kierrosten määrä. Sallittu toleranssi on plus tai miinus yksi kierros, ja käytännössä kierteet leikataan usein rutiininomaisesti standardia lyhyemmiksi. Kaikki mitat ovat tuumina.

American Standardin kartioputken ulkokierre

Nimelliskoko	Todellinen ulkohalkaisija	Kierteet tuumaa kohti	Kytkennän pituus (käsin kiristettynä)	Tehollisen kierteen pituus
1/8	0,407	27	0,124 ≈ 3,3 kierrosta	0,260
1⁄4	0,546	18	0,172 ≈ 3,1 kierrosta	0,401
3/8	0,681	18	0,184 ≈ 3,3 kierrosta	0,408
1/2	0,850	14	0,248 ≈ 3,4 kierrosta	0,534
3/4	1,060	14	0,267 ≈ 3,7 kierrosta	0,546
1	1,327	11,5	0,313 ≈ 3,6 kierrosta	0,682

Kartiokierteiset/rinnakkaiskierteiset liitokset

Huolimatta standardeista, jotka on luotu yhtenäisten liitososien ylläpitämiseksi, kartiokierteet ovat epätarkkoja, ja käytön ja korjauksen aikana kierteet voivat vaurioitua ja altistua vuodoille. Kierteen harjanteen ja juuren kohtaamisalue voi muodostaa spiraalimaisen vuotoreitin, jota ei voi poistaa kiristämällä.

Paineenkestävä liitos saavutetaan kierteiden puristuksella, joka aiheutuu kiristämisestä. Tämä puristus ja tiivistys tapahtuu sisäkierteen ensimmäisten kierrosten aikana. Vääntämisen aikana sekä uros- että naaraskierteiden materiaali muotoutuu toisiinsa. Tämä takaa täydellisen kierteen kosketuksen, mikä minimoi kierrevuodot. Ruiskuvaletun muovin ja koneistetun metallikierteen muotojen välillä voi esiintyä eroja, jotka johtuvat erilaisista valmistusprosesseista.

Putkikierteet suunniteltiin alun perin koneistetuiksi kierteiksi. Kun kestomuoveja ja muovin ruiskuvalua käytetään muovisten putkikierremuotojen valmistuksessa, muotin kutistuminen ja muovin vajoaminen vaikeuttavat vuotamattomien liitosten varmistamista. Tästä syystä suositellaan PTFE-pohjaisen tiivisteen käyttöä kaikissa muoviputkien kierteissä. Yleisin tiivistemuoto on PTFE-teippi, joka kiedotaan 2–3 kierrosta uroskierteen ympärille ennen asennusta. Myös nestemäisiä PTFE-pohjaisia tiivistysaineita käytetään menestyksekkäästi paineenpitävän tiivisteen varmistamiseksi. On aina tärkeää noudattaa varovaisuutta tiivisteiden levittämisessä, jotta vältetään tiivisteen kulkeutuminen järjestelmän virtausreitille.

Seuraavissa kappaleissa esitetään esimerkkejä eri kierteiden käytöstä ja ongelmista, joita voi ilmetä, kun yritetään luoda vuotamaton liitos.

Kun BSPT-kartiokierteinen ulkokierre kiristetään suoraan sisäkierteeseen (BSPP), tiiviste voidaan tehdä vain naarasportin alaosaan, jossa on 1 tai 2 kierrettä. Katso kuva 1. Tiivistys vaarantuu, koska BSP-määrityksissä ei ole kierteiden muodonvalvontaa. Vaihtelut harjanteissa ja juurissa voivat aiheuttaa epäsuhtaa kierteeseen ja aiheuttaa spiraalivuodon. Tämän yhdistelmän tiivistämiseen tarvitaan kierretiivistettä.

Käyttämällä sekä kartiokierteisiä BSPT-uros- että BSPT-naaraskierteitä on paremmat mahdollisuudet tiivistämiseen, koska nyt sovitetaan yhteen uros- ja naaraskierteiden kartiokierteet. Katso kuva 2. Tämä tarjoaa useammalle kierteelle mahdollisuuden sulkea ja tiivistää kierrevuotoa vastaan. Harjanteen ja juuren hallinta puuttuu edelleen, mutta kierretiivisteen avulla painetiivis liitos olisi helpompi toteuttaa.

NPT-kierteestä on otettu käyttöön useita muunnelmia, joilla on pyritty ratkaisemaan kierrevuoto-ongelma ja jotka tunnetaan nimellä Dryseal-kierteet (ks. SAE-standardi J476). Tunnetuin on NPTF (F tarkoittaa polttoainetta). Tässä kierteessä sekä uros- että naaraskierteiden harjanteita ja juuria ohjataan sen varmistamiseksi, että harjanteet murskaavat tai syrjäyttävät materiaalia vastakierteen juureen. Toisen kierteen harjan ja toisen kierteen juuren välinen puristussovitus sekä kierteen kylkien yhteensopivuus estävät kierrevuodon.

Dryseal-kierteen muunnos on NPSF (National Pipe Straight Fuel). Sitä käytetään sisäkierteisiin, ja siihen voidaan ruuvata NPTF-ulkokierre tyydyttävän mekaanisen liitoksen ja hydraulisen tiivisteen aikaansaamiseksi. Samansuuntaisen ja kartiokierteen yhdistelmää ei pidetä ihanteellisena, mutta sitä käytetään yleisesti. Laadukkaissa muovisissa pikaliittimissä käytetään yleensä NPT-kierteitä.

Toinen kartiokierre on British Standard Pipe -kartio eli BSP, joka kuuluu British Standard 21 -standardin soveltamisalaan. BSP-kierteitä käytetään yleisesti matalapaineputkistoissa, mutta niitä ei suositella keski- ja korkeapaineisiin hydraulijärjestelmiin. Tässä muodossa käytetään Whitworth-kierrettä, jonka kulma on 55° ja kartiokulma 1:16. Se ei ole keskenään vaihtokelpoinen amerikkalaisen NPT-kierteen kanssa, vaikka 1/2"- ja 3/4"-kokoisissa kierteissä on molemmissa 14 kierrettä tuumaa kohti.

Ongelmia syntyy, kun NPT-ulkokierre kierteitetään BSP-sisäkierteeseen. Kokojen 1/16", 1/8", 1/4" ja 3/8" kierteissä on erilainen nousu, mikä aiheuttaa kierteiden väärän suuntaisuuden. Myös kierteiden kylkikulmat ovat erilaiset NPT- ja BSP-kierteiden välillä. NPT-kierteessä on 60°:n kierre ja BSP-kierteessä 55°:n kierre.

NPT- ja BSP-kokojen 1/2" ja 3/4" kierteet ovat kaikki 14 kierrettä tuumaa kohti, ja NPT-kierre tarttuu melko hyvin BSP-kierteeseen.

Vaikka nämä kierteet ovat saman pituisia ja kytkeytyvät hyvin, kierteiden muodossa on edelleen ongelmia. Kierteiden kulmat sekä harjanteen ja juuren toleranssit ovat erilaiset, mikä mahdollistaa kierreselän vuodon, kuten on esitetty kuvassa 7. Näitä kierteitä voidaan käyttää tehokkaasti yhdessä, jos niihin käytetään sopivaa kierretiivistettä.

Monia ongelmia syntyy, kun muovisia pikaliittimiä ja niitä vastaavia ruiskuvalettuja putkikierteitä liitetään metalliputkellisiin hydraulijärjestelmiin. Jos varovaisuutta ei noudateta, voi esiintyä vuotoja ja muovikierteen muotovikoja. Tutkittaessa metalli-muoviputkiliitoksen vikaantumista on otettava huomioon kaksi tekijää: kemiallinen korroosio ja liiallinen kiristys.

Kemiallinen hyökkäys voi tapahtua, kun käytetään vääränlaisia kierteitä tiivistäviä aineita. Kierteen tiivistämisellä yritetään estää kierreselkävuoto, joka syntyy, kun kierteen muotojen harjanteet ja juuret eivät sovi yhteen. Anaerobisia kierretiivisteitä on vältettävä tiivistettäessä muovisia kierremuotoja. Nämä tiivistysaineet sisältävät kemikaaleja, jotka voivat vahingoittaa muovia. PTFE-pohjaisen putkikierteen tiivistysaineen käyttö on parempi valinta muovikierteille.

Muoviputkikierteen liiallinen kiristäminen vaikuttaa haitallisesti liitoksen toimintaan. Suurin ero muovien ja metallien välillä on polymeerien käyttäytyminen. Ruiskuvaletut muoviosat jatkavat muodonmuutoksia, jos niitä pidetään jatkuvassa kuormituksessa, esim. virumisessa. Viruminen on plastisen kappaleen jatkuva laajeneminen tai muodonmuutos jatkuvassa kuormituksessa. Tyypillisesti ruiskuvaletun muovisen putkikierteen muovimateriaali vääntyy, kun se kiristetään liian tiukasti kartiomaiseen naarasporttiin. Kappaleen sisäisten ominaisuuksien muodonmuutos voi johtaa kappaleen vikaantumiseen.

Vakioputkien kierteitysmuodot, joita Colder Products Company tuottaa

NPT (National Pipe Taper) Koot:	BSPT (British Standard Pipe Taper) Koot:
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