Typen pijpdraad, met aanduidingen

Publicatie met toestemming van de firma Colder Products

Overzicht

Er zijn verschillende typen schroefdraad ontwikkeld voor het vastdraaien, en ook steeds meer hydraulische systemen. Daarbij gaat de aandacht in het bijzonder naar verbindingen van kunststof met metaal en naar verbindingen met conische of rechte schroefdraad in hydraulische circuits. In dit artikel worden de verschillende typen schroefdraad besproken en hoe die gebruikt dienen te worden. Daarnaast zullen er enkele aanbevelingen worden gegeven.

Evolutie

In de 19e eeuw kwam de noodzaak op veel verschillende typen schroefdraad te gebruiken voor de hydraulische en pneumatische circuits en om delen aan elkaar vast te schroeven. Dit leidde er toe dat veel fabrikanten eigen bevestigingssystemen gingen bedenken. Met als gevolg dat niet alles meer zomaar op elkaar paste. Sir Joseph Whitworth, een Engelse werktuigbouwkundige en uitvinder, introduceerde in 1841 een gestandaardiseerd schroefdraadsysteem om een eind te maken aan alle wildgroei. De zogeheten Whitworth draad is een vorm gebaseerd op een draadhoek van 55 graden, met afgeronde kern- en buitendiameter.

In Amerika stelde William Sellers een standaard op voor bouten, moeren en schroeven die vanaf 1864 verspreiding vond onder de naam National Pipe Tapered Thread (NPT). Het was in feite zijn schroefdraadhoek van 60 graden zoals die gehanteerd werd door vroege Amerikaanse klokkenmakers, die het beginsignaal vormde voor de Amerikaanse industriële revolutie. Deze schroefdraadvormen kregen later de aanduiding American National Standard.

De keus viel op de Whitworth draad als verbinding voor buizen die zelfverzegelend was doordat minstens een van de draden taps was afgesneden. Dit werd bekend als de British Standard Pipe thread (BSP conische of BSP rechte draad). De Whitworth draad wordt nu internationaal gehanteerd als standaard schroefdraad voor het verbinden van buizen van staal met een laag koolstofgehalte.

De meest bekende en gebruikte verbinding waar de pijpdraad zowel de mechanische verbinding als de hydraulische afdichting voor zijn rekening neemt is de American National Pipe Tapered Thread of NPT. NPT heeft een conische mannelijke en vrouwelijke schroefdraad dat afdicht met behulp van PTFE tape of met een afdichtingsmiddel.

Pijpdraad dat gebruikt wordt in hydraulische circuits kan worden onderverdeeld in twee typen:

• a) Afdichtend draad – is pijpdraad voor verbindingen die drukvast worden gemaakt door verzegeling op de draden en die een conische buitendraad en een rechte of conische binnendraad hebben. Het verzegelende effect wordt nog versterkt als er een afdichtingsmiddel aan wordt toegevoegd.
• B) Bevestigend draad – is pijpdraad waarbij de verbindingen niet op de draden drukvast worden gemaakt. De draden zijn hierbij allebei recht en het verzegelen geschiedt door het tegen de buitendraad aandrukken van een zacht materiaal , of met een vlakke pakking.

Maten

Pijpdraadmaten zijn gebaseerd op een binnendiameter (DN) of op de grootte van de flow. Zo staat “1/2–14 NPT” voor een pijpdraad met een nominale binnendiameter van 1/2 inch en 14 gangen per inch, vervaardigd conform de NPT standaard. Als daar de aanduiding “LH” aan is toegevoegd, is het een pijp met linksdraaiende schroefdraad. De meest voorkomende soorten pijpdraad zijn:

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

Pijpdraad van spuitgegoten kunststof wordtgeproduceerd conform de normen ANSI B2.1 en SAE J476.

De term “tapered” (conisch, Vert.) die in verschillende van de namen hierboven voorkomt verwijst naar het grote verschil tussen veel soorten pijpdraad en het draad op bouten en schroeven. Pijpdraad is vaak niet alleen bedoeld voor een mechanische verbinding, maar ook om lekkage in een hydraulisch circuit te verhinderen. Dit gebeurt door de conische vorm van de mannelijke schroefdraad passend te maken voor de conische vorm van de vrouwelijke draad, en daarbij een afdichtmiddel te gebruiken om eventuele holtes tussen de beide stukken draad op te vullen zodat er geen spiraal lek kan ontstaan. Aan de onderzijde zijn deze stukken schroefdraad niet recht als een cilinder, maar kegelvormig: ze zijn conisch. De kegel is 1/16 inch in een inch, wat hetzelfde is als 3/4 inch in een Engelse voet.

Vanwege de kegelvorm kan een pijpdraad maar tot een bepaalde afstand in een fitting worden gedraaid voordat het geheel klem komt te zitten. In de norm wordt deze afstand nader gespecificeerd als de lengte van een handvaste verbinding: de afstand tot waar de pijpdraad met de hand kan worden ingeschroefd. Daarnaast wordt nog een andere afstand gespecificeerd, namelijk de effectieve draad, oftewel de lengte van de draad die op een normaal machinaal bewerkt stuk pijpdraad voldoende is voor de verzegeling. Voor de werklieden is het in plaats van uit te gaan van deze afstanden handiger om te weten tot hoe ver ze de verbinding met de hand moeten aandraaien en hoe ver daarna nog met een sleutel. Als vuistregel voor het installeren van conisch pijpdraad, of dat nu van metaal is of van kunststof, is vingervast plus een of twee keer aantrekken met de sleutel. Met hoeveel koppel het geheel moet worden aangetrokken verschilt per toepassing. Vanwege de varianten die er bestaan bij pijpverbindingen, door het gebruik van ongelijke materialen voor het mannelijke en het vrouwelijke schroefdraad, de soorten afdichtings middel, gevoegd bij de interne verschillen zoals de wanddikte van het artikel, kan er dan ook geen algemene specificatie voor de hoeveelheid koppel worden gegeven.

Deze tabel toont de afstanden en het aantal keren aanhalen zoals die zijn opgenomen in de standaard. Een tolerantie van één haal meer of minder is toegestaan, en in de praktijk zijn de stukken schroefdraad vaak korter afgesneden dan voorgeschreven door de standaard. Alle afmetingen zijn in inches.

American Standard Taper Pipe External Thread

Nominale grootte	Opgemeten DA	Gangen per inch	Lengte van de verbinding (handvast)	Lengte van de effectieve draad
1/8	0,407	27	0,124 ≈ 3,3 omw.	0,260
1⁄ 4	0,546	18	0,172 ≈ 3,1 omw.	0,401
3/8	0,681	18	0,184 ≈ 3,3 omw.	0,408
1/2	0,850	14	0,248 ≈ 3,4 omw.	0,534
3/4	1,060	14	0,267 ≈ 3,7 omw.	0,546
1	1,327	11,5	0,313 ≈ 3,6 omw.	0,682

Verbindingen met conische/rechte schroefdraad

Ondanks de normen die zijn ingesteld om te komen tot standaard verloopstukken blijven conische stukken pijpdraad weinig precies en kunnen ze in het gebruik en bij reparaties beschadigd raken en lekkages veroorzaken. In het gedeelte waar de spoed en de as samenkomen kan er een lek ontstaan in de vorm van een spiraal dat niet ongedaan is te maken, hoeveel vaster men de verbinding ook probeert aan te draaien.

Een drukvaste verbinding ontstaat door aandraaien waarbij het geheel in de draden wordt gecomprimeerd. Deze compressie en de verzegeling ontstaan bij de eerste paar omwentelingen van de binnendraad. Wordt er dan met een sleutel kracht op uitgeoefend, dan zal het materiaal van zowel de mannelijke als de vrouwelijke draad zich iets vervormen en zo in elkaar overvloeien. Dit zorgt ervoor dat de stukken volledig met elkaar in contact komen, waardoor spiraallekkage worden tegengegaan. Vanwege de andere fabricageprocessen kunnen zich afwijkingen voordoen tussen draadvormen van spuitgegoten kunststof en die van machinaal bewerkt staal.

Oorspronkelijk was pijpdraad bedoeld om te worden vervaardigd van machinaal bewerkt staal. Met de opkomst van thermoplastics en spuitgegoten kunststof is men ook pijpdraad van kunststof gaan maken. Door slijtage van de mal die daarbij wordt gebruikt en het krimpen van kunststof is het lastig om hier mee lekvrije verbindingen te realiseren. Om die reden wordt het gebruik van afdichtingsmiddel op basis van PTFE aanbevolen voor alle soorten kunststof pijpdraad. De meest toegepaste manier van afdichten is dat voor de montage een stuk PTFE tape twee tot drie keer rond de mannelijke draad wordt gewikkeld. Ook vloeibare afdichtingsmiddelen op basis van PTFE worden wel met goed gevolg voor dit doel ingezet, voor een drukvaste verzegeling. Het is altijd belangrijk om bij het aanbrengen van afdichtingsmiddelen zorgvuldig te werk te gaan, om te voorkomen dat materiaal daarvan terechtkomt in het kanaal waar de stroom doorheen moet lopen.

In de paragrafen hierna staan voorbeelden van het gebruik van verschillende soorten draad, met daarnaast voorbeelden van de problemen die zich kunnen voordoen als men een lekvrije verbinding probeert te realiseren.

Wanneer een conische mannelijke schroefdraad van het type BSPT wordt vastgezet in een rechte vrouwelijke schroefdraad (BSPP), kan de verzegeling alleen tot stand komen aan de basis van de vrouwelijke poort met één of twee draden. Zie figuur 1. De verzegeling is onzeker doordat er in de BSP specificaties geen aansturing is van de vorm van de draad. Afwijkingen tussen de binnen- en buitendraad kunnen ertoe leiden dat de verbinding scheef zit en er een lek in de vorm van een spiraal ontstaat. Bij deze combinatie moet er daarom beslist gebruik worden gemaakt van een afdichtingsmiddel.

Meer kans op een goede verzegeling is er als er gebruik wordt gemaakt van mannelijke en vrouwelijke draden van het type BSPT die allebei conisch zijn, omdat daardoor de kegels van de mannelijke en vrouwelijke draad goed in elkaar passen. Zie figuur 2. Hierdoor kan spiraallekkage bij meerdere soorten pijpdraad mogelijk worden voorkomen. Weliswaar zijn de spoed en de as nog steeds niet aan te sturen, maar met een afdichtingsmiddel is in zulke gevallen een drukvaste verbinding toch gemakkelijker te realiseren.

Om het probleem met spiraallekkage te ondervangen is een aantal varianten van de NPT draad uitgebracht die bekend staan onder de benaming Dryseal schroefdraad ("droge afdichting", zie SAE-norm J476). Het meest bekend is de NPTF (met de F van het Engels voor brandstof). Met deze schroefdraad kunnen de spoed en de as van zowel de mannelijke als de vrouwelijke schroefdraad worden aangestuurd, om er zeker van te zijn dat de spoed daadwerkelijk materiaal tot in het diepst van de draad die ermee wordt samengevoegd samendrukt of naar verplaatst. De perspassing tussen de as van de ene draad en de spoed van de andere zorgt samen met de passende flanken voor een verzegeling tegen spiraallekkage.

Een variant van de Dryseal draad is de NPSF (National Pipe Straight Fuel). Deze is bedoeld voor interne draden, terwijl er ook een externe NPTF op kan worden geschroefd voor een voldoende stevige mechanische verbinding en dito hydraulische afdichting. De combinatie van een rechte en een conische draad wordt weliswaar niet als ideaal gezien, maar is toch wijdverbreid. Snelsluitende verbindingen van een hoge kwaliteit kunststof zijn meestal voorzien van NPT schroefdraad.

Een andere conische draad is de British Standard Pipe of BSP, waarvoor de Britse norm 21 geldt. BSP-draad wordt meestal gebruikt voor leidingen waar weinig druk op staat, maar voor hydraulische systemen met meer druk wordt het niet aanbevolen. Deze vorm maakt gebruik van de Whitworth draad met een hoek van 55° en een kegel van 1 in 16. Hij is niet uitwisselbaar met de Amerikaanse NPT draad, al hebben ze in de maten 1/2" en 3/4" size wel allebei 14 gangen per inch.

Het kan tot problemen komen als men probeert een mannelijke NPT vorm in een rechte vrouwelijke BSP te draaien. De maten 1/16", 1/8", 1/4" en 3/8" hebben een afwijkende spoed, waardoor de draden niet goed worden uitgelijnd. Ook de flankhoeken zijn bij de NPT anders dan bij de BSP. NPT heeft een draad van 60°, BSP een van 55°.

De maten 1/2" en 3/4" zijn zowel bij de NPT als bij de BSP allemaal 14 gangen per inch, en de NPT past dan ook redelijk op de BSP.

Hoewel deze draden dezelfde spoed hebben en goed in elkaar passen, blijven er toch problemen met deze vorm. Doordat de schroefdraadhoeken en de toleranties van de spoed en de as van elkaar afwijken, zal er spiraallekkage optreden zoals weergegeven in figuur 7. Deze draden kunnen goed in combinatie met elkaar worden gebruikt, mits er een geschikt dichtmiddel bij wordt toegepast.

Veel van de problemen ontstaan als kunststof snelsluitverbindingen met bijbehorende pijpdraad van spuitgegoten kunststof in hydraulische installaties met metalen leidingen worden gemonteerd. Als dit niet met de nodige omzichtigheid wordt gedaan, kunnen er lekken ontstaan en vervormingen van de kunststof draad optreden. Bij het naspeuren van de oorzaak van een mislukte verbinding van metaal met kunststof zijn er twee factoren waar met name op moet worden gelet, namelijk chemische aantasting en te ver aandraaien.

Chemische aantasting kan zich voordoen als er gebruik is gemaakt van ongeschikte afdichtingsmiddelen. Verzegelen van draad wordt gedaan om het spiraallek proberen te dichten dat ontstaat als de spoed en de as van de draad niet op kan zijn afgestemd. Voor het verzegelen van kunststofdraad moet het gebruik van anaerobe afdichtingsmiddelen worden vermeden. Deze afdichtingsmiddelen bevatten chemicaliën die de kunststof kunnen aantasten. Gebruik van een dichtmiddel op PTFE-basis is bij draden van kunststof een betere keus.

Wanneer een kunststof draad te vast wordt aangedraaid, heeft dat een averechts effect op de stevigheid van de verbinding. Het grote verschil tussen kunststof en metaal zit hem in het gedrag van de polymeren. Bij delen van spuitgegoten kunststof blijft het vervormingsproces doorgaan als ze onder een constante druk (bij kruip bijv.) worden gehouden. Kruip is een doorlopend proces van uitrekking of vervorming van een stuk kunststof dat continu wordt belast. Het materiaal van een pijpdraad van spuitgegoten kunststof zal gaan kruipen als het te vast is aangedraaid in een conische vrouwelijke poort. Doordat het onderdeel van binnen is vervormd, kan het in zijn geheel defect raken.

Standaard pijpdraadvormen van Colder Products

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