Per comprendere le perdite nelle pompe centrifughe, è fondamentale capire prima il loro funzionamento di base. Quando il fluido entra attraverso l'occhio della girante e risale lungo le pale, si trova a bassa pressione e bassa velocità. Quando il fluido attraversa la voluta, la pressione e la velocità aumentano. Il fluido esce quindi attraverso lo scarico, dove la pressione è elevata ma la velocità diminuisce. Il fluido che entra nella pompa deve poi uscirne. La pompa imprime una prevalenza (o pressione), ovvero aumenta l'energia del fluido pompato.
Alcuni guasti ai componenti di una pompa centrifuga, come giunti, raccordi idraulici, giunti statici e cuscinetti, possono causare il malfunzionamento dell'intero sistema, ma circa il sessantanove percento di tutti i guasti alle pompe è dovuto al malfunzionamento del dispositivo di tenuta.
LA NECESSITÀ DI TENUTE MECCANICHE
Una guarnizione meccanicaÈ un dispositivo utilizzato per controllare le perdite tra un albero rotante e un recipiente contenente liquido o gas. La sua funzione principale è quella di controllare le perdite. Tutte le guarnizioni perdono, ed è necessario che ciò avvenga per mantenere un film fluido su tutta la superficie di tenuta meccanica. La perdita verso l'atmosfera è piuttosto bassa; la perdita in un idrocarburo, ad esempio, viene misurata da un misuratore di VOC in parti per milione.
Prima dello sviluppo delle tenute meccaniche, gli ingegneri sigillavano tipicamente le pompe con guarnizioni meccaniche. Queste guarnizioni, costituite da un materiale fibroso generalmente impregnato di un lubrificante come la grafite, venivano tagliate in sezioni e inserite in una cosiddetta "cassa di tenuta". Sul retro veniva poi aggiunta una ghiera di tenuta per comprimere ulteriormente il materiale. Poiché la guarnizione è a diretto contatto con l'albero, necessita di lubrificazione, ma ciò comporta comunque una perdita di potenza.
Solitamente un "anello a lanterna" consente di applicare acqua di lavaggio alla guarnizione. Quest'acqua, necessaria per lubrificare e raffreddare l'albero, fuoriuscirà nel processo o nell'atmosfera. A seconda dell'applicazione, potrebbe essere necessario:
- Dirigere l'acqua di risciacquo lontano dal processo per evitare contaminazioni.
- Evitare che l'acqua di scarico si accumuli sul pavimento (spruzzo eccessivo), un problema che riguarda sia le normative OSHA sia le esigenze di pulizia.
- Proteggere la scatola del cuscinetto dall'acqua di lavaggio, che può contaminare l'olio e causare, a lungo andare, il guasto del cuscinetto.
Come per ogni pompa, è consigliabile testarla per determinarne i costi annuali di funzionamento. Una pompa a tenuta meccanica può essere economica da installare e manutenere, ma se si calcola il consumo di acqua in litri al minuto o all'anno, il costo potrebbe sorprendere. Una pompa a tenuta meccanica potrebbe invece consentire un notevole risparmio sui costi annuali.
Considerata la geometria generale di una tenuta meccanica, ovunque sia presente una guarnizione o un O-ring, si crea un potenziale punto di perdita:
- Un O-ring dinamico (o guarnizione) eroso, usurato o sfregato a causa del movimento della tenuta meccanica.
- Sporco o contaminanti tra le guarnizioni meccaniche.
- Un funzionamento anomalo all'interno delle tenute meccaniche.
I CINQUE TIPI DI GUASTI DEI DISPOSITIVI DI TENUTA
Se la pompa centrifuga presenta una perdita incontrollata, è necessario verificare attentamente tutte le possibili cause per stabilire se sono necessarie riparazioni o una nuova installazione.
1. Guasti operativi
Trascurare il punto di massima efficienza: state utilizzando la pompa nel punto di massima efficienza (BEP) della curva di prestazione? Ogni pompa è progettata per un punto di massima efficienza specifico. Quando si utilizza la pompa al di fuori di tale intervallo, si creano problemi di flusso che possono causare il malfunzionamento del sistema.
Prevalenza netta positiva di aspirazione (NPSH) insufficiente: se la prevalenza di aspirazione della pompa è insufficiente, il gruppo rotante può diventare instabile, causare cavitazione e provocare un guasto alla tenuta.
Operazione a testa morta:Se si imposta la valvola di controllo su un valore troppo basso per regolare la pompa, si rischia di ostruire il flusso. Un flusso ostruito provoca il ricircolo all'interno della pompa, generando calore e favorendo il cedimento della guarnizione.
Funzionamento a secco e sfiato inadeguato della tenuta: le pompe verticali sono le più soggette a questo problema, poiché la tenuta meccanica è posizionata nella parte superiore. In caso di sfiato inadeguato, l'aria può rimanere intrappolata intorno alla tenuta e non riuscire a fuoriuscire dalla camera di premistoppa. La tenuta meccanica si danneggerà rapidamente se la pompa continua a funzionare in queste condizioni.
Basso margine di vapore:Si tratta di fluidi che vaporizzano; gli idrocarburi caldi vaporizzano una volta esposti alle condizioni atmosferiche. Quando il film di fluido attraversa la tenuta meccanica, può vaporizzare sul lato atmosferico e causare un guasto. Questo guasto si verifica spesso nei sistemi di alimentazione delle caldaie: l'acqua calda a 250-280 °F vaporizza a causa della caduta di pressione attraverso le superfici di tenuta.
2. Guasti meccanici
Il disallineamento dell'albero, lo squilibrio dell'accoppiamento e lo squilibrio della girante possono tutti contribuire al cedimento delle tenute meccaniche. Inoltre, dopo l'installazione della pompa, se i tubi imbullonati ad essa non sono allineati, si eserciterà una forte sollecitazione sulla pompa stessa. È inoltre necessario evitare una base inadeguata: la base è stabile? È stata stuccata correttamente? Il piede è morbido? È imbullonato correttamente? Infine, controllare i cuscinetti. Se la tolleranza dei cuscinetti si riduce, gli alberi si muoveranno e causeranno vibrazioni nella pompa.
3. Guasti ai componenti di tenuta
Avete una buona coppia tribologica (lo studio dell'attrito)? Avete scelto le combinazioni di superfici di tenuta corrette? E per quanto riguarda la qualità del materiale delle superfici di tenuta? I materiali sono adatti alla vostra specifica applicazione? Avete selezionato le guarnizioni secondarie appropriate, come guarnizioni e O-ring, resistenti agli agenti chimici e al calore? Le molle non devono essere ostruite né i soffietti corrosi. Infine, fate attenzione alle deformazioni delle superfici di tenuta dovute a pressione o calore, poiché una tenuta meccanica sottoposta a forte pressione tenderà a incurvarsi e il profilo deformato potrebbe causare perdite.
4. Errori di progettazione del sistema
È necessario un sistema di lavaggio delle tenute adeguato, insieme a un raffreddamento sufficiente. I sistemi doppi utilizzano fluidi di barriera; il serbatoio di tenuta ausiliario deve essere posizionato correttamente, con la strumentazione e le tubazioni appropriate. È necessario tenere conto della lunghezza del tratto rettilineo di tubo in aspirazione: alcuni sistemi di pompaggio più vecchi, spesso forniti come skid preassemblati, includono una curva a 90° in aspirazione, proprio prima che il flusso entri nell'occhio della girante. La curva crea un flusso turbolento che genera instabilità nell'assemblaggio rotante. Anche tutte le tubazioni di aspirazione/mandata e di bypass devono essere progettate correttamente, soprattutto se alcune tubazioni sono state riparate nel corso degli anni.
5. Tutto il resto
Altri fattori di varia natura sono responsabili solo dell'8% circa di tutti i guasti. Ad esempio, a volte sono necessari sistemi ausiliari per garantire un ambiente operativo adeguato a una tenuta meccanica. Nel caso di sistemi a doppio circuito, è necessario un fluido ausiliario che funga da barriera per impedire la contaminazione o la fuoriuscita di fluido di processo nell'ambiente. Tuttavia, per la maggior parte degli utenti, la soluzione ideale sarà quella di affrontare una delle prime quattro categorie.
CONCLUSIONE
Le tenute meccaniche sono un fattore determinante per l'affidabilità delle apparecchiature rotanti. Sono responsabili di perdite e guasti del sistema, ma segnalano anche problemi che potrebbero causare danni seri in futuro. L'affidabilità delle tenute è fortemente influenzata dalla loro progettazione e dalle condizioni operative.
Data di pubblicazione: 26 giugno 2023