Typy a označení trubkových závitů

Publikováno se svolením společnosti Colder Products Company

Přehled

Pro upevňování a hydraulické systémy byly vyvinuty různé typy šroubových závitů. Zvláštní pozornost je věnována spojům plastu na kov, kuželovým/paralelním závitovým spojům v hydraulických okruzích. Doporučení a diskuze probíhají za účelem zlepšení povědomí o různých typech závitů a způsobu jejich použití.

Evoluce

V devatenáctém století bylo potřeba mnoho různých typů šroubových závitů pro hydraulické a pneumatické okruhy a také pro připevňování součástí. V důsledku toho začali výrobci vyvíjet vlastní upevňovací systémy. To vedlo k problémům s kompatibilitou. Anglický strojní inženýr a vynálezce Sir Joseph Whitworth v roce 1841 vynalezl jednotný závitový systém, který měl problémy s kompatibilitou vyřešit. Tvar Withworthova závitu je založen na 55° úhlu závitu se zaoblenými dny a hřbety.

V Americe William Sellers stanovil standard pro matice, šrouby a vruty, který se v roce 1864 stal americkým národním trubkovým závitem – NPT. Jeho 60° úhel závitu, běžně používaný ranými americkými hodináři, umožnil americkou průmyslovou revoluci. Tyto tvary závitů se později staly americkým národním standardem.

Jako spojovací závit pro trubky byl zvolen tvar Whitworthova závitu, který byl vyroben jako samotěsnicí prostřednictvím odřezání alespoň jednoho závitu na kuželu. Tento závit je nyní známý jako britský kuželový trubkový závit – BSPT. Whitworthův závit se nyní mezinárodně používá jako standardní závit pro spojování trubek z nízkouhlíkové oceli.

Nejznámějším a nejpoužívanějším spojením, kde trubkový závit zajišťuje jak mechanické spojení, tak hydraulické těsnění, je americký kuželový trubkový závit neboli NPT. NPT má kuželový vnější i vnitřní závit, který se utěsní PTFE páskou nebo spojovací hmotou.

Trubkové závity používané v hydraulických okruzích lze rozdělit na dva typy:

• a) Spojovací závity – jsou trubkové závity pro tlakově těsné spoje pomocí těsnění na závitech a jedná se o kuželové vnější a paralelní nebo kuželové vnitřní závity. Těsnící účinek je možné zlepšit použitím spojovací hmoty.
• b) Upevňovací závity – jsou trubkové závity, kde na závitech nejsou tlakově těsné spoje. Oba závity jsou paralelní a těsnění je ovlivněno přitlačením měkkého materiálu na vnější závit, případně ploché těsnění.

Velikosti

Velikosti trubkových závitů jsou založené na vnitřním průměru nebo velikosti průtoku. Například „1/2–14 NPT“ označuje trubkový závit nominálním vnitřním průměrem 1/2 palce a 14 závity na palec, vyrobený podle normy NPT. Pokud je přidáno „LH“, trubka má levý závit. Nejběžnější globální tvary trubkových závitů jsou:

NPT	American Standard Pipe Taper Thread – Americký národní standardní kuželový trubkový závit
NPSC	American Standard Straight Coupling Pipe Thread – Americký národní standardní rovný trubkový závit pro spojky
NPTR	American Standard Taper Railing Pipe Thread – Americký národní standardní kuželový trubkový závit pro spoje zábradlí
NPSM	American Standard Straight Mechanical Pipe Thread – Americký národní standardní rovný trubkový závit pro volně přiléhající mechanické spoje
NPSL	American Standard Straight Locknut Pipe Thread – Americký národní standardní rovný trubkový závit pro mechanické spoje s volnými fitinky s pojistnými maticemi
NPTF	American Standard Pipe Thread Tapered (Dryseal) – Americký standardní trubkový kuželový závit Dryseal (pro suchý spoj)
BSPP	British Standard Pipe Thread Parallel – Britský standardní paralelní trubkový závit
BSPT	British Standard Pipe Thread Tapered – Britský standardní trubkový kuželový závit

Plastové tvary vstřikovaných závitů se vyrábí podle norem ANSI B2.1 a SAE J476.

Slovo „kuželový“ v několika výše uvedených názvech poukazuje na velký rozdíl mezi mnoha trubkovými závity a závity na šroubech a vrutech. Mnoho trubkových závitů musí vytvářet nejen mechanické spojení, ale také musí nepropustně hydraulicky těsnit. Toho je dosaženo tím, že kuželový tvar vnějšího závitu odpovídá tvaru vnitřního závitu a použitím těsnicího tmelu, kterým se vyplní jakékoliv dutiny mezi oběma závity, které by mohly způsobit spirálovou netěsnost. Spodní části závitů nejsou na válci, ale na kuželu; zužují se. Kužel má 1/16 palce na palec, což je stejně jako 3/4 palce na stopu.

Z důvodu kuželového tvaru je možné trubkový závit zašroubovat do fitinku pouze do určité vzdálenosti, než dojde k jeho zaseknutí. Norma specifikuje tuto vzdálenost jako délku pevného utažení rukou, vzdálenost, po kterou lze trubkový závit zašroubovat rukou. Určuje také další vzdálenost – účinné závity, což je délka závitu, která zprostředkovává těsnění na konvenčně obráběném trubkovém závitu. Pro pracovníky je místo těchto vzdáleností příhodnější vědět, kolik obratů provést rukou a kolik pomocí klíče. Jednoduché pravidlo pro instalaci kovových i plastových kuželových trubkových závitů je utáhnout závit prsty a následně jedním až dvěma obraty klíčem dotáhnout. Hodnoty točivého momentu pro instalaci je možné určit pro každé použití, ale kvůli rozdílům v trubkových spojích, např. různým materiálům vnějších a vnitřních závitů, typu použitých těsnicích tmelů a vnitřním rozdílům v síle stěny produktu, nelze všeobecně použít standardní specifikaci točivého momentu.

V následující tabulce jsou uvedeny vzdálenosti a počet požadovaných obratů, jak jsou uvedeny ve standardu. Povolena je tolerance plus nebo mínus jeden obrat a v praxi jsou závity často běžně řezány kratší, než stanovuje norma. Všechny rozměry jsou v palcích.

Americký standardní kuželový trubkový vnější závit

Jmenovitá velikost	Skutečný vnější průměr	Závitů na palec	Délka pevného utažení rukou	Délka účinných závitů
1/8	0,407	27	0,124 ≈ 3,3 obraty	0,260
1/4	0,546	18	0,172 ≈ 3,1 obraty	0,401
3/8	0,681	18	0,184 ≈ 3,3 obraty	0,408
1/2	0,850	14	0,248 ≈ 3,4 obraty	0,534
3/4	1,060	14	0,267 ≈ 3,7 obraty	0,546
1	1,327	11,5	0,313 ≈ 3,6 obraty	0,682

Kuželové/paralelní závitové spoje

Navzdory standardům vytvořeným pro zachování jednotných fitinků jsou kuželové trubkové závity nepřesné a během používání a oprav hrozí riziko poškození závitu, jsou také náchylné k netěsnostem. Oblast, kde se hřbet setkává se dnem, může tvořit spirálovou cestu pro netěsnost, kterou není možné odstranit utažením.

Tlakově těsného spoje je dosaženo kompresí v závitech v důsledku utažení. K této kompresi a utěsnění dochází v prvních několika obratech vnitřního závitu. Při utahování klíčem se materiál z vnějšího i vnitřního závitu vzájemně deformuje. To zajišťuje plný kontakt závitu, který minimalizuje spirálové netěsnosti. Rozdíly mezi vstřikovanými plastovými a obráběnými kovovými závity mohou nastat v důsledku různých výrobních procesů.

Trubkové závity byly původně navrženy jako obráběné tvary závitů. Při použití termoplastů a vstřikování plastů při výrobě plastových tvarů trubkových závitů je z důvodu smrštění tvaru a ustoupení plastu obtížné zajistit spoje bez netěsností. Z tohoto důvodu se doporučuje použití těsnicích prostředků na bázi PTFE na všech plastových trubkových závitech. Nejčastěji se jako těsnění používá PTFE páska, která se 2–3x omotá kolem vnějšího závitu. Tekuté těsnicí tmely na bázi PTFE se také úspěšně používají k zajištění tlakově těsného spoje. Při nanášení těsnicích hmot je vždy důležité postupovat s opatrností, aby se těsnicí tmel nedostal do cesty toku kapaliny v systému.

V následujících částech vám ukážeme příklady použití různých závitů, a problémy, které mohou při pokusu o vytvoření spoje bez netěsnosti nastat.

Po utažení vnějšího kuželového BSPT závitu do rovného vnitřního závitu (BSPP) je možné dosáhnout plného utěsnění pouze při základně vnitřního portu na 1 nebo 2 závitech. Viz obrázek 1. Těsnost je ohrožena nedostatkem kontroly tvaru závitu v BSP specifikacích. Rozdíly ve hřbetech a dnech mohou způsobit nesoulad v závitu a vytvořit spirálovou netěsnost. Pro utěsnění této kombinace je nutné použití těsnicího tmelu.

Použití vnitřních i vnějších kuželových závitů BSPT by poskytlo vyšší šanci na utěsnění, protože v tomto případě dáváte dohromady kužel vnějšího a vnitřního závitu. Viz obrázek 2. Díky tomu máte k dispozici více závitů, které zvyšují šanci na utěsnění proti spirálové netěsnosti. Kontrola hřbetu a dna stále chybí, ale s těsnicím tmelem je dosáhnutí tlakově těsného spoje jednodušší.

Pro vyřešení problému spirálové netěsnosti byla vyvinuta řada variant závitu NPT, které jsou známé jako závity Dryseal pro suché spoje (viz norma SAE J476). Nejznámější je NPTF (F pro palivo). U této konstrukce závitu jsou na hřbetech a dnech vnitřního i vnějšího závitu ovládací prvky, které zajišťují, že se hřbet zbortí nebo vytlačí materiál do dna protilehlého závitu. Přesah mezi hřbetem jednoho závitu a dnem druhého tvoří spolu s boky závitu těsnění proti spirálové netěsnosti.

Variantou závitu Dryseal pro suché spoje je NPSF (National Pipe Straight Fuel –⁠ Americký národní standardní rovný trubkový závit pro palivové připojení). Používá se pro vnitřní závity a lze do něj zašroubovat vnější závit NPTF, které zajišťuje uspokojivé mechanické spojení a hydraulickou těsnost. Kombinace paralelního a kuželového závitu není považována za ideální, ale je často používaná. Vysoce kvalitní plastové rychlospojky obvykle mají závity NPT.

Dalším kuželovým závitem je britský standardní trubkový závit, zkráceně BSP, na který se vztahuje britská norma 21. Závit BSP se běžně používá pro nízkotlaké instalatérské aplikace, nedoporučuje se pro středně a vysokotlaké hydraulické systémy. Tento tvar používá Whitworthův závit s úhlem 55° a kuželem 1:16. Není zaměnitelný s americkým závitem NPT, přestože velikosti 1/2" a 3/4" mají také 14 závitů na palec.

Problémy vznikají při šroubování tvaru s vnějším závitem NPT do tvaru s přímým vnitřním závitem BSP. Velikosti 1/16", 1/8", 1/4" a 3/8" mají rozdílnou rozteč, což způsobuje nesoulad závitů. Úhly boků závitů se u NPT a BSP také liší. NPT má závit s úhlem 60°, zatímco BSP má závit s úhlem 55°.

Velikosti 1/2" a 3/4" NPT i BSP mají 14 závitů na palec a NPT zapadá do BSP docela dobře.

Přestože tyto závity mají stejnou rozteč a dobře do sebe zapadají, stále jsou zde problémy s tvarem závitu. Rozdílné úhly závitů a tolerance hřbetu a dna umožní spirálovou netěsnost, viz obrázek 7. Společně je možné tyto závity použít při současném použití vhodného těsnicího tmelu.

Mnoho problémů nastává při zabudování plastových rychlospojek s odpovídajícími vstřikovanými tvary trubkových závitů do hydraulických systémů s kovovými trubkami. Pokud není postupováno s opatrností, může dojít k netěsnostem a poškození tvaru plastového závitu. Při hledání důvodu selhání spoje kovu s plastem je nutné vzít v úvahu dva faktory, chemické poškození a nadměrné utažení.

K chemickému poškození může dojít při použití nevhodného těsnicího prostředku. Těsnění závitu je pokus o zablokování spirálové cesty pro netěsnost, ke které dochází, když do sebe hřbety a dna závitů nepasují. Při utěsňování plastových závitových tvarů je nutné se vyvarovat anaerobních těsnicích tmelů. Tyto tmely obsahují chemikálie, které mohou plast poškodit. Pro plastové závity je lepší zvolit tmel na potrubní závity na bázi PTFE.

Přílišné utažení plastového trubkového závitu bude mít nepříznivý vliv na funkci spoje. Hlavním rozdílem mezi plasty a kovy je chování polymerů. Vstřikované plastové součásti se dále deformují, pokud jsou pod konstantním zatížením, např. dotvarování. Dotvarování je pokračující roztahování nebo deformace nepřetržitě zatížené plastové součásti. Plastový materiál ve tvaru vstřikovaného plastového trubkového závitu se obvykle bude v důsledku nadměrného utažení ve vnějším kuželovém portu dotvarovávat. Deformace vnitřních prvků součásti může vést k celkovému selhání součásti.

Standardní tvary trubkových závitů výrobce Colder Products Company

Velikosti NPT:	Velikosti BSPT:
1/16 – 27 NPT
1/8 – 27 NPT	1/8 – 28 BSPT
1/4 – 18 NPT	1/4 – 19 BSPT
3/8 – 18 NPT	3/8 – 19 BSPT
1/2 – 14 NPT	1/2 – 14 BSPT
3/4 – 14 NPT	3/4 – 14 BSPT
1 – 11-1/2 NPT