Le tenute pneumatiche a doppio stadio per pompe di sovralimentazione, derivate dalla tecnologia delle tenute pneumatiche per compressori, sono più comuni nel settore delle tenute per alberi. Queste tenute garantiscono l'assenza di perdite di liquido pompato nell'atmosfera, offrono una minore resistenza all'attrito sull'albero della pompa e funzionano con un sistema di supporto più semplice. Questi vantaggi si traducono in un costo complessivo inferiore per l'intero ciclo di vita della soluzione.
Queste guarnizioni funzionano introducendo una fonte esterna di gas pressurizzato tra le superfici di tenuta interna ed esterna. La particolare topografia della superficie di tenuta esercita una pressione aggiuntiva sul gas di barriera, causando la separazione delle superfici di tenuta, che quindi galleggiano nel film di gas. Le perdite per attrito sono basse poiché le superfici di tenuta non sono più a contatto. Il gas di barriera attraversa la membrana a bassa velocità di flusso, consumandosi sotto forma di perdite, la maggior parte delle quali si disperde nell'atmosfera attraverso le superfici di tenuta esterne. Il residuo si infiltra nella camera di tenuta e viene infine asportato dal flusso di processo.
Tutte le doppie tenute ermetiche richiedono un fluido pressurizzato (liquido o gassoso) tra le superfici interne ed esterne del gruppo di tenuta meccanica. È necessario un sistema di supporto per fornire questo fluido alla tenuta. Al contrario, in una doppia tenuta a pressione lubrificata a liquido, il fluido di barriera circola dal serbatoio attraverso la tenuta meccanica, dove lubrifica le superfici di tenuta, assorbe calore e ritorna al serbatoio dove deve dissipare il calore assorbito. Questi sistemi di supporto per doppie tenute a pressione di fluido sono complessi. I carichi termici aumentano con la pressione e la temperatura di processo e possono causare problemi di affidabilità se non calcolati e impostati correttamente.
Il sistema di supporto a doppia tenuta ad aria compressa occupa poco spazio, non richiede acqua di raffreddamento e necessita di una manutenzione minima. Inoltre, quando è disponibile una fonte affidabile di gas di protezione, la sua affidabilità è indipendente dalla pressione e dalla temperatura di processo.
A causa della crescente diffusione sul mercato delle tenute pneumatiche a doppia pressione per pompe, l'American Petroleum Institute (API) ha aggiunto il Programma 74 alla pubblicazione della seconda edizione della norma API 682.
74 Un sistema di supporto del programma è in genere costituito da un insieme di manometri e valvole montati su pannello che spurgano il gas di barriera, regolano la pressione a valle e misurano la pressione e il flusso di gas verso le tenute meccaniche. Seguendo il percorso del gas di barriera attraverso il pannello Plan 74, il primo elemento è la valvola di ritegno. Questa consente di isolare l'alimentazione del gas di barriera dalla tenuta per la sostituzione dell'elemento filtrante o la manutenzione della pompa. Il gas di barriera passa quindi attraverso un filtro coalescente da 2 a 3 micrometri (µm) che intrappola liquidi e particelle che possono danneggiare le caratteristiche topografiche della superficie della tenuta, creando una pellicola di gas sulla superficie della tenuta. Segue un regolatore di pressione e un manometro per impostare la pressione di alimentazione del gas di barriera alla tenuta meccanica.
Le tenute a gas a doppia pressione richiedono che la pressione di alimentazione del gas di barriera raggiunga o superi una pressione differenziale minima rispetto alla pressione massima nella camera di tenuta. Questa caduta di pressione minima varia a seconda del produttore e del tipo di tenuta, ma in genere si aggira intorno ai 30 libbre per pollice quadrato (psi). Il pressostato viene utilizzato per rilevare eventuali problemi con la pressione di alimentazione del gas di barriera e attivare un allarme se la pressione scende al di sotto del valore minimo.
Il funzionamento della tenuta è controllato dal flusso del gas di barriera tramite un flussometro. Deviazioni dai valori di flusso del gas di barriera riportati dai produttori di tenute meccaniche indicano una riduzione delle prestazioni di tenuta. La riduzione del flusso del gas di barriera può essere dovuta alla rotazione della pompa o alla migrazione del fluido verso la superficie di tenuta (da gas di barriera contaminato o fluido di processo).
Spesso, in seguito a tali eventi, si verificano danni alle superfici di tenuta e di conseguenza aumenta il flusso del gas di barriera. Anche i picchi di pressione nella pompa o la perdita parziale della pressione del gas di barriera possono danneggiare la superficie di tenuta. Gli allarmi di flusso elevato possono essere utilizzati per determinare quando è necessario intervenire per correggere un flusso di gas eccessivo. Il valore di soglia per un allarme di flusso elevato è in genere compreso tra 10 e 100 volte il normale flusso del gas di barriera, e di solito non viene determinato dal produttore della tenuta meccanica, ma dipende dalla quantità di perdite di gas che la pompa può tollerare.
Tradizionalmente si utilizzano flussimetri a sezione variabile ed è frequente che flussimetri a bassa e alta portata siano collegati in serie. Sul flussimetro ad alta portata può essere installato un interruttore di flusso elevato per attivare un allarme. I flussimetri a sezione variabile possono essere calibrati solo per determinati gas a determinate temperature e pressioni. Quando si opera in condizioni diverse, come ad esempio le fluttuazioni di temperatura tra estate e inverno, la portata visualizzata non può essere considerata un valore preciso, ma è comunque vicina al valore reale.
Con la pubblicazione della quarta edizione dello standard API 682, le misurazioni di portata e pressione sono passate dall'analogico al digitale, con letture locali. I flussimetri digitali possono essere utilizzati come flussimetri a sezione variabile, che convertono la posizione del galleggiante in segnali digitali, o come flussimetri di massa, che convertono automaticamente la portata massica in portata volumetrica. La caratteristica distintiva dei trasmettitori di portata massica è la capacità di fornire valori di uscita che compensano la pressione e la temperatura, garantendo così la portata reale in condizioni atmosferiche standard. Lo svantaggio di questi dispositivi è il costo più elevato rispetto ai flussimetri a sezione variabile.
Il problema nell'utilizzo di un trasmettitore di flusso è trovare un trasmettitore in grado di misurare il flusso del gas di barriera sia durante il normale funzionamento che in corrispondenza dei punti di allarme per flussi elevati. I sensori di flusso hanno valori massimi e minimi che possono essere letti con precisione. Tra il flusso nullo e il valore minimo, il flusso in uscita potrebbe non essere accurato. Il problema è che, all'aumentare della portata massima per un determinato modello di trasduttore di flusso, aumenta anche la portata minima.
Una soluzione consiste nell'utilizzare due trasmettitori (uno a bassa frequenza e uno ad alta frequenza), ma si tratta di un'opzione costosa. Il secondo metodo prevede l'utilizzo di un sensore di flusso per l'intervallo di flusso operativo normale e di un pressostato per flussi elevati con un flussometro analogico ad alta portata. L'ultimo componente attraversato dal gas di barriera è la valvola di non ritorno, prima che il gas esca dal pannello e si colleghi alla tenuta meccanica. Ciò è necessario per impedire il riflusso del liquido pompato nel pannello e danni allo strumento in caso di anomalie di processo.
La valvola di ritegno deve avere una bassa pressione di apertura. Se la selezione è errata, o se la tenuta d'aria della pompa a doppia pressione ha un flusso di gas di barriera insufficiente, si può notare che la pulsazione del flusso di gas di barriera è causata dall'apertura e dalla chiusura della valvola di ritegno.
Generalmente, l'azoto di impianto viene utilizzato come gas di barriera perché è facilmente reperibile, inerte e non provoca reazioni chimiche indesiderate nel liquido pompato. Possono essere utilizzati anche gas inerti non disponibili, come l'argon. Nei casi in cui la pressione del gas di protezione richiesta sia superiore alla pressione dell'azoto di impianto, un booster di pressione può aumentare la pressione e immagazzinare il gas ad alta pressione in un serbatoio collegato all'ingresso del pannello Plan 74. Le bombole di azoto non sono generalmente raccomandate in quanto richiedono la sostituzione continua delle bombole vuote con bombole piene. Se la tenuta si deteriora, la bombola può essere svuotata rapidamente, provocando l'arresto della pompa per evitare ulteriori danni e il cedimento della tenuta meccanica.
A differenza dei sistemi a barriera liquida, i sistemi di supporto Plan 74 non richiedono la vicinanza alle tenute meccaniche. L'unico inconveniente è rappresentato dalla sezione allungata del tubo di piccolo diametro. Durante i periodi di flusso elevato, può verificarsi una caduta di pressione tra il pannello Plan 74 e la tenuta (degrado della tenuta), che riduce la pressione di barriera disponibile per la tenuta stessa. Aumentare il diametro del tubo può risolvere questo problema. Di norma, i pannelli Plan 74 vengono montati su un supporto ad un'altezza comoda per il controllo delle valvole e la lettura degli strumenti. La staffa può essere montata sulla piastra di base della pompa o accanto alla pompa senza interferire con l'ispezione e la manutenzione della pompa. Evitare pericoli di inciampo sui tubi/tubi di collegamento dei pannelli Plan 74 con tenute meccaniche.
Per le pompe con cuscinetti interconnessi e due tenute meccaniche, una a ciascuna estremità della pompa, non è consigliabile utilizzare un unico pannello e un'uscita separata per il gas di barriera per ogni tenuta meccanica. La soluzione raccomandata è quella di utilizzare un pannello Plan 74 separato per ogni tenuta, oppure un pannello Plan 74 con due uscite, ciascuna con il proprio set di flussimetri e pressostati. Nelle zone con inverni rigidi potrebbe essere necessario proteggere i pannelli Plan 74 durante l'inverno. Ciò viene fatto principalmente per proteggere le apparecchiature elettriche del pannello, solitamente racchiudendolo in un armadio e aggiungendo elementi riscaldanti.
Un fenomeno interessante è che la portata del gas di barriera aumenta al diminuire della temperatura di alimentazione del gas di barriera. Questo di solito passa inosservato, ma può diventare evidente in luoghi con inverni rigidi o con grandi differenze di temperatura tra estate e inverno. In alcuni casi, potrebbe essere necessario regolare il punto di intervento dell'allarme di flusso elevato per evitare falsi allarmi. I condotti dell'aria del pannello e i tubi di collegamento devono essere spurgati prima di mettere in servizio i pannelli Plan 74. Il modo più semplice per farlo è aggiungere una valvola di sfiato in corrispondenza o in prossimità del raccordo della tenuta meccanica. Se non è disponibile una valvola di spurgo, il sistema può essere spurgato scollegando il tubo dalla tenuta meccanica e ricollegandolo dopo lo spurgo.
Dopo aver collegato i pannelli Plan 74 alle tenute e aver verificato l'assenza di perdite in tutti i collegamenti, è possibile regolare il regolatore di pressione alla pressione impostata per l'applicazione. Il pannello deve fornire gas di barriera pressurizzato alla tenuta meccanica prima di riempire la pompa con il fluido di processo. Le tenute e i pannelli Plan 74 sono pronti per l'avvio una volta completate le procedure di collaudo e sfiato della pompa.
L'elemento filtrante deve essere ispezionato dopo un mese di funzionamento o ogni sei mesi se non si riscontrano contaminazioni. L'intervallo di sostituzione del filtro dipenderà dalla purezza del gas fornito, ma non dovrebbe superare i tre anni.
Durante le ispezioni di routine è necessario verificare e registrare le portate del gas di barriera. Se la pulsazione del flusso d'aria di barriera causata dall'apertura e dalla chiusura della valvola di ritegno è sufficientemente elevata da attivare un allarme di flusso elevato, potrebbe essere necessario aumentare i valori di allarme per evitare falsi allarmi.
Un passaggio importante nella fase di smantellamento è che l'isolamento e la depressurizzazione del gas di protezione devono essere eseguiti come ultimo passaggio. Innanzitutto, isolare e depressurizzare il corpo della pompa. Una volta che la pompa è in condizioni di sicurezza, è possibile interrompere l'alimentazione del gas di protezione e rimuovere la pressione del gas dalla tubazione che collega il pannello Plan 74 alla tenuta meccanica. Scaricare tutto il fluido dal sistema prima di iniziare qualsiasi intervento di manutenzione.
Le tenute pneumatiche a doppia pressione, abbinate ai sistemi di supporto Plan 74, offrono agli operatori una soluzione di tenuta dell'albero a zero emissioni, un investimento iniziale inferiore (rispetto alle tenute con sistemi a barriera liquida), costi del ciclo di vita ridotti, ingombro ridotto del sistema di supporto e requisiti di manutenzione minimi.
Se installata e utilizzata secondo le migliori pratiche, questa soluzione di contenimento può garantire affidabilità a lungo termine e aumentare la disponibilità delle apparecchiature rotanti.
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Mark Savage è responsabile di gruppo prodotto presso John Crane. Savage ha conseguito una laurea in ingegneria presso l'Università di Sydney, in Australia. Per ulteriori informazioni, visita il sito johncrane.com.
Data di pubblicazione: 8 settembre 2022