Elementy złączne calowe

Istnieją dwa zasadnicze systemy miar wag i odległości: system metryczny i system imperialny. System imperialny oparty jest na brytyjskiej Ustawie o Wagach i Miarach z 1824 roku, i chociaż staje się on stopniowo coraz mniej popularny, nadal obowiązuje powszechnie w wielu krajach, głównie w państwach anglojęzycznych i w byłych koloniach brytyjskich. Wymiary wyrobów zgodnie z systemem imperialnym wyrażane są w milicalach, calach, stopach, jardach, milach, itd. Mimo iż oficjalnie system jednostek stosowany w Stanach Zjednoczonych określany jest jako “Amerykański System Miar” i, ogólnie rzecz biorąc, występują między nim a systemem imperialnym pewne mniej lub bardziej istotne różnice, w przypadku elementów złącznych, układy te są takie same lub przynajmniej w dużym stopniu zgodne. Najczęściej stosowanymi jednostkami wymiarowymi dla elementów złącznych są cale lub stopy. Naprężenie i nacisk są wyrażane w systemie imperialnym przy pomocy jednostki funt-siła na cal kwadratowy (lbf/in2 lub psi). 1.000 psi jest równe 1 ksi, kilofunt-siła na cal kwadratowy. 1 ksi jest w przybliżeniu równe 6.9 MPa (=N/mm2).

 

Jednostka podstawowa – cal – jest równa dokładnie 25.4 mm. W jednej stopie jest 12 cali, a zatem stopa ma długość 304.8 mm. Jard ma długość 3 stóp lub 36 cali, co jest równe 914.4 mm. W dokumentach cale określa się skrótem in lub oznacza przy użyciu cudzysłowiu - ”. W Wielkiej Brytanii wymiary w calach najczęściej podaje się w formie ułamków (np. 3/4", 1.17/64”), podczas gdy w Stanach Zjednoczonych stosuje się często zapis ułamka dziesiętnego dla wymiarów, które nie są wymiarami nominalnymi (np. 1.2656”, ale także 3/4”).

 

Kolejną istotną różnicą w porównaniu do metrycznego układu miar jest to, że skok gwintu wyrażony jest jako liczba zwojów na cal (TPI), w przeciwieństwie do układu metrycznego, w którym skok (P) jest określany jako odległość pomiędzy dwoma wierzchołkami występu gwintu. Przeliczanie jednostek jest proste, co ilustruje poniższy przykład. Gwint 10 TPI ma skok P równy 25.4/10 = 2.54 mm.

Najczęściej spotykanym rodzajem gwintu w Stanach Zjednoczonych jest Zunifikowany Gwint Zwykły, określany skrótem UNC (niekiedy stosuje się skrót „NC”). Jest to standardowy amerykański gwint zwykły. Zunifikowane gwinty calowe projektuje się z kątem zarysu gwintu 60° w kilku kombinacjach różnych średnic i skoków. Ten system gwintów opracowany został przez Williama Sellersa w 1864 roku i w ciągu kilku lat został przyjęty jako Norma Amerykańska. Szczegółowe informacje na temat tego rodzaju gwintu znaleźć można w normach ASME B1.1 oraz ISO 5864. 

 

Gwinty UNC oznaczane są na przykład w następujący sposób: 3/8” UNC lub 3/8”-16UNC. Liczba 16 to liczba zwojów na cal (TPI) a symbol ” oznacza cal. Przykładem kompletnego oznaczenia średnicy nominalnej elementu złącznego z gwintem zewnętrznym jest 3/8”-16UNC-2A, gdzie określona jest także klasa gwintu – 2A (klasa „standardowa” z naddatkiem – podstawowym odchyleniem od średnicy nominalnej – oraz pole tolerancji). Elementy złączne z gwintem wewnętrznym określane są jako 3/8”-16UNC-2B, gdzie 2B oznacza klasę „standardową” bez naddatku, tylko z polem tolerancji. 

 Najmniejsze znormatyzowane gwinty UNC, o średnicy od 0.0730” do 0.2160” oznaczane są jako gwinty numerowane od “No.1-64UNC” do “No.12-24UNC”. Większe średnice oznaczane są przy pomocy ułamków, począwszy od 1/4“-20UNC do 6 cali średnicy.

 

Gwint 8UN jest odmianą gwintu UNC o stałym skoku. Liczba 8 w oznaczeniu 8UN oznacza, że powyżej pewnej nominalnej średnicy (graniczne wartości podano we wspomnianych powyżej normach) skok gwintu 8UN wynosi zawsze 8 TPI, dla każdej średnicy gwintu. W przypadku gwintu 8UN, wszystkie średnice powyżej 1” charakteryzują się takim stałym skokiem o wartości 8 TPI. Gwint 8UN jest najczęściej stosowany przy produkcji elementów złącznych dla przemysłu petrochemicznego, takich jak śruby dwustronne.  Ich kompletne oznaczenie jest podobne do oznaczeń UNC, np. 1.1/2”-8UN-2A/2B lub 3.1/4”-8UN-2A/2B. Pozostałe, o wiele rzadziej występujące szeregi gwintów o stałym skoku, to: 4UN, 6UN, 12UN do 32UN.

 

Wszystkie średnice gwintów w różnych kombinacjach średnicy i skoku, które nie są ujęte w szeregach omówionych we wspomnianych powyżej normach dotyczących gwintów, ale obejmujące naddatki i tolerancje obliczane zgodnie z wzorami tam podanymi, oznaczane są jako UNS, gdzie „S” oznacza gwint specjalny.

Zunifikowany gwint drobnozwojowy opisywany skrótem UNF (niekiedy stosuje się skrót “NF”) jest drobnozwojową wersją zunifikowanych gwintów calowych stosowanych powszechnie w Stanach Zjednoczonych. UNEF jest oznaczeniem bardzo drobnozwojowych gwintów o wartości TPI jeszcze wyższej niż w przypadku gwintów UNF. Zunifikowane gwinty calowe projektuje się z kątem zarysu gwintu 60° w kilku kombinacjach różnych średnic i skoków. Ten system gwintów opracowany został przez Williama Sellersa w 1864 roku i w ciągu kilku lat został przyjęty jako Norma Amerykańska. Szczegółowe informacje na temat tego rodzaju gwintu znaleźć można w normach ASME B1.1 oraz ISO 5864.

 

Gwinty UNF oznaczane są na przykład w następujący sposób: 3/8” UNF lub 3/8”-24UNF. Liczba 24 to liczba zwojów na cal (TPI) a symbol ” oznacza cal. Przykładem kompletnego oznaczenia średnicy nominalnej elementu złącznego z gwintem zewnętrznym jest 3/8”-24UNF-2A, gdzie określona jest także klasa gwintu – 2A (klasa „standardowa” z naddatkiem – podstawowym odchyleniem od średnicy nominalnej – oraz pole tolerancji). Elementy złączne z gwintem wewnętrznym określane są jako 3/8”-24UNF-2B, gdzie 2B oznacza klasę „standardową” bez naddatku, tylko z polem tolerancji. W podobny sposób, gwinty UNEF są oznaczane jako 3/8”-32UNEF-2A/2B.

 

Najmniejsze znormatyzowane gwinty UNF zaczynają się od średnicy 0.0600”, a kończą na 0.2160”. Te wielkości oznaczane są jako gwinty numerowane od “No.0-80UNF” do “No.12-28UNF”. Większe średnice oznaczane są przy pomocy ułamków, począwszy od 1/4“-28UNF do 1.1/2”-12UNF średnicy. Najmniejsza wielkość UNF to No.12-32UNEF, a największa średnica tego szeregu: 1.11/16”-18UNEF. 

Wszystkie średnice gwintów w różnych kombinacjach średnicy i skoku, które nie są ujęte w szeregach omówionych we wspomnianych powyżej normach dotyczących gwintów, ale obejmujące naddatki i tolerancje obliczane zgodnie z wzorami tam podanymi, oznaczane są jako UNS, gdzie „S” oznacza gwint specjalny.

 

Jeśli chodzi o gwint UNF, istnieje pewnego rodzaju zamieszanie wokół średnicy nominalnej 1”. W normie ASME B1.1, 1” gwint UNF ma 12 TPI. Niemniej, przez wiele lat, począwszy od 1935 roku, zamiast standardowej wielkości elementów złącznych 1”-12UNF, powszechnie stosowano niestandardowe elementy złączne 1”-14UNS o 14 TPI. W Tabeli 2 normy ASME B1.1 znajduje się przypis dotyczący gwintu 1”-14 TPI (oznaczanego jako 1”-14UNS): “Wcześniej określany jako NF. Nie jest zalecanym rozmiarem standardowym. Tolerancje i naddatki oparte są na średnicy długości wkręcenia”. Po kilku dziesięcioleciach elementy złączne 1"-14UNS zaczęto powszechnie określać jako Standardowy Gwint Drobnozwojowy lub UNF. Mimo, że z technicznego punktu widzenia jest to niewłaściwe, oznaczenie 1"-14UNF jest powszechnie akceptowane jako norma dla drobnozwojowych elementów złącznych 1”, a 1"-14UNF przyjęło się jako ogólnie stosowany termin. W takim przypadku kiedy mowa jest o gwincie 1” UNF, zawsze warto sprawdzić wymagane TPI.

Gwinty imperialne pochodzące z Wielkiej Brytanii to tak zwane gwinty zgodne z Brytyjskim Standardem Whitwortha, określane skrótem BSW lub po prostu WW. BSW jest najczęściej występującym gwintem zwykłym w Wielkiej Brytanii, ale jego popularność szybko spada z uwagi na ogólnoświatową tendencję do stosowania gwintów metrycznych. Gwinty Whitwortha projektuje się z kątem zarysu gwintu 55°. Gwint ten zawdzięcza swoją nazwę Anglikowi Sir Josephowi Whitworthowi, który w 1841 roku zaproponował ustandaryzowanie gwintów śrubowych. Jego propozycje stały się standardową praktyką w Wielkiej Brytanii w latach 60. XIX wieku i była to pierwsza ogólnokrajowa norma dotycząca gwintów śrubowych. Szczegółowe informacje na temat tego rodzaju gwintu znaleźć można w normie BS 84.

 

Przykładowe oznaczenia gwintów: 3/8” WW, 3/8” BSW, lub lepiej 3/8”-16BSW. Liczba 16 to liczba zwojów na cal (TPI) a symbol ” oznacza cal. Jeśli jest to wymagane, klasa gwintu może być określona w nawiasach po oznaczeniu. Norma BS 84 określa klasę jako zamkniętą lub swobodną (tylko w przypadku elementów złącznych z gwintem zewnętrznym), normalną (tylko w przypadku elementów złącznych z gwintem wewnętrznym) lub średnią w przypadku śrub i nakrętek. Jeśli nie jest to określone, dostarczana będzie klasa normalna i/lub średnia.

 

Gwinty BSW są znormalizowane w średnicach od 1/8”-40BSW do 6”-2,5BSW. Mimo, że niektóre kombinacje średnicy i skoku gwintów Whitwortha są takie same jak w przypadku gwintów UNC, zamienne użycie jest możliwe, ale niezalecane, z uwagi na różne kąty zarysu gwintu i inne drobne różnice w konfiguracji gwintu.

Gwint drobnozwojowy zgodny z Brytyjskim Standardem, oznaczany skrótem BSF, jest wariantem gwintu Whitwortha (Brytyjski Standard Whitwortha) o małym skoku. Był on kiedyś najczęściej występującym gwintem zwykłym w Wielkiej Brytanii, ale jego popularność szybko spada z uwagi na ogólnoświatową tendencję do stosowania gwintów metrycznych. Gwinty drobnozwojowe zgodne z Brytyjskim Standardem, tak jak gwinty Whitwortha, projektuje się z kątem zarysu gwintu 55°. Gwint ten zawdzięcza swoją nazwę Anglikowi Sir Josephowi Whitworthowi, który w 1841 roku zaproponował ustandaryzowanie gwintów śrubowych. Jego propozycje stały się standardową praktyką w Wielkiej Brytanii w latach 60. XIX wieku i była to pierwsza ogólnokrajowa norma dotycząca gwintów śrubowych. Szczegółowe informacje na temat tego rodzaju gwintu znaleźć można w normie BS 84.

 

Gwinty takie oznaczane są na przykład w następujący sposób: 3/8” BSF lub raczej 3/8”-20BSF. Liczba 20 to liczba zwojów na cal (TPI) a symbol ” oznacza cal. Jeśli jest to wymagane, klasa gwintu może być określona w nawiasach po oznaczeniu. Norma BS 84 określa klasę jako zamkniętą lub swobodną (tylko w przypadku elementów złącznych z gwintem zewnętrznym), normalną (tylko w przypadku elementów złącznych z gwintem wewnętrznym) lub średnią w przypadku śrub i nakrętek. Jeśli nie jest to określone, dostarczana będzie klasa normalna i/lub średnia.

 

Gwinty BSF są znormalizowane w średnicach od 3/16”-32BSF do 4.1/4”-4BSF. Nie występują kombinacje gwintów BSF takie same jak w przypadku gwintów UNF lub UNEF.

Gwint rurowy BSP, znany także pod nazwą gwintu rurowego Whitwortha, jest najczęściej spotykanym gwintem w zastosowaniach rurowych na świecie. Wszelkiego rodzaju wyroby takie jak rury, łączniki rurowe, smarowniczki, itp. są wyposażone w tego rodzaju gwint. Gwinty BSP projektuje się z kątem zarysu gwintu 55°. Szczegółowy opis każdego aspektu takiego gwintu można znaleźć w normach EN ISO 228-1 lub EN 10226-1 i EN 10226-2 (dwie ostatnie normy oparte są na ISO 7-1).

 

Gwint BSP występuje w 2 rodzajach, jako równoległy lub cylindryczny (BSPP) oraz stożkowy (BSPT). Norma EN ISO 228-1 opisuje zewnętrzny i wewnętrzny gwint BSPP nieprzeznaczony do uzyskiwania połączeń gwintów, które są szczelne dla nadciśnienia. Jeśli połączenia przy użyciu gwintów BSPP muszą być szczelne dla nadciśnienia, można to osiągnąć przez uszczelnienie powierzchni na zewnątrz gwintów i umieszczenie między nimi odpowiedniej uszczelki. Norma EN 10226-1 opisuje połączenie gwintów zewnętrznych BSPT z gwintami wewnętrznymi BSPP, zaś norma EN 10226-2 opisuje połączenie gwintów zewnętrznych i wewnętrznych BSPT. Oba te systemy są odpowiednie do uzyskania połączenia szczelnego dla nadciśnienia na powierzchniach nośnych gwintów (gwinty rurowe szczelne). Zaleca się zastosowanie środka uszczelniającego (np. taśmy PTFE) w celu zwiększenia szczelności połączenia oraz aby zapobiec spiralnym wyciekom.

 

Oznaczeniem nominalnej średnicy dla gwintów BSP jest rozmiar rury. Równoległe zewnętrzne i wewnętrzne gwinty, gdzie połączenie szczelne na nadciśnienie nie występuje na gwintach (EN ISO 228-1) oznaczane jest literą G. Zewnętrzne gwinty są dodatkowo określane literami A lub B, która oznacza klasę tolerancji. W przypadku gwintów, które wytwarzają połączenie szczelne na nadciśnienie (EN 10226), oznaczane są one literą R w przypadku stożkowego zewnętrznego gwintu, Rp w przypadku równoległego wewnętrznego gwintu, i R¬c w przypadku stożkowego wewnętrznego gwintu.

 

Przykładami są gwinty G1.1/2” oraz G1.1/2”A dla równoległych zewnętrznych i wewnętrznych (odpowiednio) gwintów zgodnie z EN ISO 228-1, R1.1/2” dla stożkowych gwintów zewnętrznych, Rp1.1/2” dla równoległych gwintów wewnętrznych oraz Rc1.1/2” dla stożkowych gwintów wewnętrznych, zgodnie z EN 10226.

 

Należy także wspomnieć o ASME B1.20.1, normie opisującej różnorodne gwinty rurowe (NPT, NPSC, NPTR, NPSM i NPSL) oraz o normie ASME B1.20.3 dotyczącej gwintów rurowych szczelnych (NPTF-1, NPTF-2, PTF-SAE SHORT, NPSF i NPSI). Te ostatnie są w stanie wytwarzać szczelne na nadciśnienie połączenia bez zastosowania środków uszczelniających. Dzięki kontaktowi między grzbietem gwintu a bruzdą gwintu utworzone zostaje uszczelnienie obwodowe. Wszystkie takie gwinty oparte są na kącie zarysu gwintu 60° i mają podobną funkcjonalność jak wspomniane powyżej gwinty BSPP i BSPT. Są one oznaczane przez połączenie rozmiaru rury i skoku gwintu oraz skrót określający rodzaj gwintu. Takie gwinty rurowe są używane głównie w Stanach Zjednoczonych. Gwinty rurowe zgodne z takimi normami nie mogą być wymieniane na gwinty BSP.

Norma lub standard to dokument zawierający uzgodnienia, specyfikacje lub kryteria dotyczące wyrobu, usługi lub metody. Normy są ustanawiane w ramach firmy lub organizacji, w ramach konsorcjum organizacji, bądź przez uznane jednostki normalizacyjne. Uznane jednostki normalizacyjne (krajowe i międzynarodowe) pracują zgodnie z określonym procesem.

 

Norma jest bardzo ważna w handlu międzynarodowym. Normy zapewniają łatwiejszą akceptację wyrobów lub usług w innych krajach. Kiedy istnieje norma, wyrób nie wymaga obszernego ani dodatkowego opisu. Większość cech wyrobu (w przypadku elementów złącznych są to często wymiary, tolerancje, materiały, własności mechaniczne, itp.) są opisane w normie. Normy ułatwiają także przekazywanie informacji na temat nowych technologii.

 

Ogólnie rzecz biorąc, normy są stosowane dobrowolnie. Nie oznacza to, że niekiedy spełnienie wymogów normy może być obowiązkowe. Rząd może powoływać się na normy w prawach i przepisach. Także umowy mogą odwoływać się do stosowania i przestrzegania określonych norm.

 

Główne organizacje normalizacyjne w zakresie elementów złącznych calowych: