Questo articolo discute i progressi tecnologici nella manutenzione degli impianti mirati a ridurre i costi e migliorare l'efficienza delle tenute meccaniche. Evidenzia innovazioni come la tenuta meccanica a faccia terminale senza contatto con scanalature, che riduce l'attrito e l'usura utilizzando gas inerti invece di barriere liquide. Nuovi materiali come il carburo di silicio con proprietà auto-lubrificanti e superfici di tenuta rivestite di diamante migliorano la durata e le prestazioni. La standardizzazione attraverso EN 12756 e API 682 garantisce l'intercambiabilità e la riduzione dei costi. Questi progressi migliorano significativamente l'affidabilità della tenuta, il risparmio energetico e la durata del servizio, specialmente in applicazioni critiche come petrolio e gas, petrolchimici e farmaceutici.
Nella manutenzione degli impianti è possibile ridurre i costi. Per raggiungere questo obiettivo, ci sono due fattori importanti:
Sviluppo tecnologico
Una tenuta meccanica è composta da un componente rotante (anello dinamico) e un componente fisso (anello statico). L'anello mobile è solitamente collegato alla parte rotante dell'attrezzatura (come l'albero), mentre l'anello fisso è collegato alla parte fissa della macchina (come la scatola di imballaggio della pompa rotativa). Per garantire un'efficace prestazione di tenuta, la superficie di tenuta deve essere assolutamente piatta e la rugosità superficiale deve essere estremamente bassa. Gli anelli dinamici e statici abbinati con precisione possono adattarsi strettamente, prevenendo efficacemente la fuoriuscita di fluidi di processo.
L'interazione tra le due superfici di tenuta determina lo stato di equilibrio idraulico della tenuta meccanica. In condizioni di lavoro normali, il film liquido formato può raggiungere l'equilibrio idraulico tra le forze di apertura e chiusura generate dalla pressione del fluido di tenuta, limitando così la fuoriuscita fisica. Lo standard API 682 fornisce linee guida dettagliate e specifiche su come calcolare i parametri di dimensione corretti.
Tuttavia, durante il funzionamento, l'anello di tenuta può deformarsi a causa di sollecitazioni meccaniche e termiche, che possono influire sulle prestazioni della tenuta meccanica. Questa deformazione romperà l'equilibrio idraulico originale, rendendo instabile il film liquido tra le superfici di tenuta e portando a perdite eccessive.
Pertanto, gli ingegneri stanno costantemente esplorando nuovi metodi tecnologici per ridurre l'attrito, specialmente in condizioni di applicazione critiche, con un'attenzione particolare allo sviluppo di nuovi materiali e all'applicazione di nuove tecnologie di tenuta. Queste innovazioni hanno migliorato significativamente l'efficienza e l'affidabilità della tenuta nei processi di produzione moderni.
Tecnologia senza contatto - faccia terminale scorrevole con scanalature
Il sistema di tenuta meccanica a faccia terminale senza contatto è composto da un anello mobile e un anello fisso. La faccia terminale dell'anello mobile è appositamente lavorata per avere una forma geometrica specifica (come a spirale o a gradini), che può generare effetti fluidodinamici tra le due facce terminali, formando così un piccolo gap stabile tra di esse (vedi Figura 1). Questo design utilizza il principio del sollevamento fluidodinamico, permettendo alla superficie di tenuta di mantenere uno stato di tenuta efficace senza contatto diretto.
A differenza delle tenute a contatto tradizionali, questo design senza contatto non si basa su barriere liquide e sui relativi sistemi di supporto. Al contrario, raggiunge l'effetto di tenuta fornendo gas inerti all'interfaccia di tenuta. La selezione dei gas inerti è solitamente basata sulla loro stabilità chimica e adattabilità all'ambiente di lavoro per evitare reazioni con il mezzo sigillato. Inoltre, la pressione e la portata del gas inerte possono essere controllate con precisione tramite un semplice pannello di controllo per garantire la stabilità e l'affidabilità delle prestazioni di tenuta.
Grazie alla riduzione efficace del coefficiente di attrito e dell'usura delle tenute a quasi zero, questa soluzione è molto adatta per applicazioni che richiedono un significativo risparmio energetico, specialmente nelle industrie del petrolio e gas, petrolchimiche e farmaceutiche che richiedono zero emissioni.
Nuova generazione di materiali
I materiali in carburo di silicio con proprietà auto-lubrificanti sono ampiamente utilizzati nelle tenute meccaniche. Nella selezione dell'abbinamento per le parti mobili, vengono solitamente utilizzati materiali di diversa durezza per minimizzare l'attrito il più possibile. La selezione della combinazione di anelli di tenuta è particolarmente cruciale, tra cui la combinazione più comunemente usata è l'anello in carbonio e l'anello in carburo di silicio (vedi Figura 2, coefficiente PxV di pressione x velocità del ciclo per combinazioni di superfici comuni). Questa combinazione non solo ha un'eccellente conducibilità termica e resistenza chimica, ma resiste anche efficacemente all'usura causata da particelle abrasive nel fluido.
Quando gli anelli in grafite e gli anelli in carburo di silicio si deformano per vari motivi, mostrano un'eccellente adattabilità reciproca, mantenendo così buone prestazioni di tenuta. Tuttavia, in situazioni in cui la pressione di lavoro è molto alta o il fluido contiene una grande quantità di sporco, devono essere utilizzati due anelli ad alta durezza per garantire l'effetto di tenuta. Sebbene questi materiali abbiano un alto coefficiente di attrito, ciò può comportare la generazione di più calore durante la rotazione, che può causare l'evaporazione del film liquido, portando a funzionamento a secco, deformazione o frattura dell'anello e influenzando le prestazioni delle guarnizioni ausiliarie.
Un processo di produzione recentemente sviluppato prevede l'aggiunta di particelle di materiale auto-lubrificante a una matrice di carburo di silicio sinterizzato attraverso il metodo di immersione (metodo di immersione del carburo di silicio). Gli anelli fissi e rotanti realizzati con questo metodo possono raggiungere limiti di prestazioni estremamente elevati. In particolare, le guarnizioni meccaniche che utilizzano questo materiale possono limitare il valore della coppia assorbita, riducendo significativamente l'attrito e la generazione di calore. Questo non solo migliora la durata e l'affidabilità dei componenti di tenuta, ma ne estende anche la vita utile, particolarmente adatto per applicazioni in condizioni di lavoro estreme.
Superficie di tenuta rivestita di diamante
Gli anelli in carburo di silicio sono tipicamente rivestiti con un sottile strato di rivestimento diamantato attraverso il processo di deposizione chimica da vapore (CVD) per migliorare le loro proprietà tribologiche e la compatibilità chimica. Nelle applicazioni con acqua calda nelle centrali elettriche e nelle strutture petrolifere e petrolchimiche, i gas liquidi sono soggetti a evaporazione, portando alla perdita delle prestazioni di lubrificazione, mentre i rivestimenti diamantati possono migliorare significativamente la resistenza all'usura e alla corrosione delle guarnizioni.
Nell'industria farmaceutica, le guarnizioni tradizionali spesso non possono soddisfare requisiti rigorosi a causa della necessità di evitare qualsiasi contaminazione, mentre le guarnizioni rivestite di diamante mostrano un'eccellente inerzia chimica e purezza, soddisfacendo pienamente questi requisiti di alto standard.
Inoltre, le guarnizioni meccaniche che utilizzano anelli rivestiti di diamante possono resistere a brevi operazioni in condizioni di funzionamento a secco di doppia tenuta e tenuta senza contatto, espandendo ulteriormente il loro campo di applicazione.
Guarnizioni per macchinari ingegneristici
Durante la fase di progettazione, mantenere la coerenza nell'area della sezione trasversale dell'anello di tenuta è una sfida importante (vedi Figura 3). Questa coerenza è cruciale per garantire la stabilità di guida dell'anello di tenuta e prevenire l'inversione. Questo tipo di guarnizione è attualmente ampiamente utilizzato in pompe di alimentazione caldaie, oleodotti, sistemi di iniezione d'acqua, pompe multifase e altre applicazioni ad alta pressione con pressioni di lavoro superiori a 100 bar. Controllare accuratamente le dimensioni e la forma dell'anello di tenuta non solo aiuta a mantenere le prestazioni di tenuta, ma riduce anche efficacemente l'usura e prolunga la vita utile.
Standardizzazione e intercambiabilità
I componenti delle guarnizioni meccaniche, come altri accessori industriali, hanno uno standard di riferimento che specifica le loro dimensioni di installazione, consentendo l'uso di guarnizioni prodotte da altri produttori per la sostituzione. Questo non solo migliora la qualità del servizio per gli utenti finali, ma riduce anche i costi operativi della fabbrica.
Standard EN 12756
Lo standard EN 12756 specifica le principali dimensioni di installazione per guarnizioni meccaniche singole e doppie quando utilizzate come componenti, escludendo flange e manicotti che coprono componenti rotanti e fissi. Nel primo periodo post-bellico, il primo lotto di guarnizioni meccaniche fu introdotto dagli Stati Uniti in Europa, con l'unità di misura in pollici.
Lo standard DIN 24960 si è successivamente evoluto nello standard EN 12756, portando significativi benefici ai produttori che producono pompe secondo gli standard ISO, specialmente per gli utenti finali che non sono più limitati ai fornitori di guarnizioni che forniscono prodotti non standardizzati. Il prezzo delle guarnizioni e i relativi costi di manutenzione sono quindi diminuiti significativamente.
Standard API
Le pompe nelle apparecchiature petrolifere e del gas sono tipicamente fabbricate secondo gli standard API 610, mentre le guarnizioni meccaniche sono tipicamente fabbricate secondo gli standard API 682. Secondo questo standard, le guarnizioni devono essere fornite sotto forma di componenti cilindrici, dotati di flange e boccole, per semplificare l'installazione e consentire il collaudo prima della consegna. Lo standard API fornisce raccomandazioni per determinare la dimensione delle guarnizioni meccaniche in base alle specifiche della scatola di imballaggio delle diverse pompe API sul mercato.
Questa standardizzazione non è solo tecnicamente fattibile, ma può anche standardizzare le dimensioni complessive dei componenti all'interno della scatola di riempimento, consentendo così una produzione di massa su scala media e riducendo i costi di produzione e gestione del magazzino.
Importante, questa standardizzazione consente agli utenti finali di scegliere diversi 'produttori qualificati di guarnizioni meccaniche', eliminando così i problemi di intercambiabilità. Attraverso questo metodo, gli utenti possono scegliere in modo flessibile guarnizioni adatte e garantirne la sostituzione senza problemi, riducendo i tempi di inattività e i costi di manutenzione causati da guarnizioni non corrispondenti.
