I migliori metodi di tenuta per sistemi di pompe ad alta pressione

Le pompe ad alta pressione sono componenti essenziali in molte applicazioni industriali, dalla produzione di petrolio e gas alla lavorazione chimica. Mantenere prestazioni di tenuta ottimali in questi ambienti esigenti è fondamentale per garantire affidabilità, sicurezza ed efficienza delle apparecchiature.

Questo articolo esplora le considerazioni e le tecniche chiave per sigillare efficacemente i sistemi di pompe ad alta pressione. Ci addentreremo nelle esigenze specifiche delle applicazioni ad alta pressione, esamineremo vari tipi di guarnizioni e le loro configurazioni, discuteremo la selezione dei materiali e sottolineeremo l'importanza dei sistemi di supporto delle guarnizioni.

Esigenze di tenuta ad alta pressione

Sfide degli ambienti ad alta pressione

I sistemi di pompaggio ad alta pressione operano in condizioni estreme che spingono i limiti dei metodi di tenuta tradizionali. Con l'aumento delle pressioni, le forze che agiscono sulle guarnizioni si intensificano esponenzialmente. Ciò crea un ambiente impegnativo in cui le guarnizioni devono resistere non solo a pressioni immense, ma anche a temperature elevate, fluidi corrosivi e potenziali contaminanti.

Mantenimento dell'integrità del fluido barriera

Un altro aspetto critico della sigillatura ad alta pressione è il mantenimento dell'integrità del fluido barriera. Questo fluido, spesso pressurizzato a un livello superiore al mezzo di processo, funge da difesa di prima linea nelle prestazioni e nella longevità della sigillatura. Lubrifica le superfici della sigillatura, trasporta il calore e impedisce alla contaminazione di entrare nell'interfaccia di sigillatura.

Tuttavia, man mano che aumenta la differenza di pressione tra il fluido di barriera e il mezzo di processo, diventa sempre più difficile mantenere una pellicola di fluido stabile tra le facce di tenuta. Se la pressione del fluido di barriera scende al di sotto della pressione di processo, anche momentaneamente, il mezzo di processo può infiltrarsi nell'interfaccia di tenuta, causando un'usura accelerata e un guasto della tenuta.

Ottimizzazione della durata e dell'affidabilità della guarnizione

Le pressioni estreme riscontrate nelle applicazioni delle pompe ad alta pressione non solo rendono più consequenziali i guasti delle guarnizioni, ma accelerano anche l'usura dei componenti di tenuta. Per massimizzare la durata operativa e l'affidabilità delle guarnizioni ad alta pressione è necessario bilanciare attentamente più considerazioni di progettazione.

Le facce di tenuta devono essere realizzate con materiali durevoli con eccellenti proprietà di resistenza all'usura e al calore. Il design geometrico delle facce di tenuta dovrebbe promuovere una lubrificazione e una dissipazione del calore ottimali. Spesso vengono incorporati meccanismi adattivi per consentire alla tenuta di autoregolarsi al variare delle condizioni. La ridondanza, come le disposizioni a doppia tenuta, fornisce un ulteriore livello di garanzia contro perdite e guasti.

Tipi di guarnizioni per applicazioni ad alta pressione

Tenute meccaniche doppie

Le tenute meccaniche doppie forniscono un ulteriore livello di protezione contro le perdite. In questa progettazione, due tenute indipendenti sono disposte in serie, con un fluido tampone che circola tra di esse. Il fluido tampone agisce come una barriera, impedendo al fluido di processo di fuoriuscire nell'atmosfera se la tenuta primaria si guasta.

La disposizione a doppia tenuta consente anche il monitoraggio delle condizioni della tenuta. Se la tenuta primaria inizia a perdere, la pressione del fluido tampone cambierà, avvisando gli operatori del problema prima che si verifichi un guasto completo. Questo sistema di allerta precoce consente una manutenzione proattiva e aiuta a evitare costosi arresti non pianificati.

Guarnizioni meccaniche bilanciate

Le tenute meccaniche bilanciate sono progettate per equalizzare le forze idrauliche che agiscono sulle facce della tenuta. In una tenuta non bilanciata, l'elevata pressione del fluido può generare una forza eccessiva sulle facce della tenuta, portando a una maggiore usura e a guasti prematuri. Le tenute bilanciate incorporano caratteristiche quali alberi a gradini, passaggi di ricircolo idraulico o elementi sensibili alla pressione per contrastare queste forze.

Bilanciando la pressione, queste guarnizioni riducono l'attrito e la generazione di calore sulle superfici di tenuta. Ciò prolunga la durata della tenuta e consente il funzionamento a pressioni e velocità più elevate. Le guarnizioni bilanciate sono particolarmente adatte per applicazioni con elevate pressioni del fluido, grandi diametri dell'albero o frequenti avviamenti e arresti.

Configurazioni di tenuta

Faccia a faccia

In una configurazione faccia a faccia, due tenute meccaniche sono montate con le loro facce di tenuta rivolte l'una verso l'altra. Questa disposizione consente un design compatto e semplifica l'installazione e la manutenzione. Le tenute faccia a faccia sono spesso utilizzate in applicazioni con spazio limitato o in cui è richiesto un facile accesso alle tenute.

Tuttavia, le guarnizioni faccia a faccia possono essere più soggette all'accumulo di calore, poiché il calore generato da una guarnizione può trasferirsi all'altra.

Uno dopo l'altro

Le configurazioni di tenuta back-to-back hanno le facce di tenuta che puntano lontano l'una dall'altra. Questa disposizione fornisce un'eccellente resistenza alle fluttuazioni di pressione e all'espansione termica. L'orientamento opposto delle tenute aiuta a bilanciare le forze assiali, riducendo l'usura sulle facce di tenuta.

Le guarnizioni back-to-back sono comunemente utilizzate in applicazioni ad alta pressione e alta temperatura. Sono anche adatte per sistemi con frequenti cicli di pressione o in cui lo shock termico è un problema.

Configurazioni Tandem

Le configurazioni di tenuta tandem sono composte da due tenute montate nella stessa direzione, con un fluido tampone tra di esse. Questa disposizione combina i vantaggi delle tenute doppie e delle tenute bilanciate. La tenuta primaria gestisce il fluido di processo ad alta pressione, mentre la tenuta secondaria contiene il fluido tampone e fornisce protezione di backup.

Le guarnizioni tandem offrono una prevenzione superiore delle perdite e consentono il monitoraggio delle prestazioni della guarnizione. Sono spesso utilizzate in applicazioni critiche in cui è richiesta la massima affidabilità, come nell'elaborazione petrolchimica o nella generazione di energia.

Sistemi di tenuta meccanica a doppio stadio

Per applicazioni ad altissima pressione, doppio stadio tenuta meccanica possono essere impiegati sistemi. In questa progettazione, vengono utilizzati due set di guarnizioni meccaniche, con una boccola di strozzatura o sigillo a labirinto tra loro. Il primo stadio riduce la pressione a un livello gestibile, mentre il secondo stadio fornisce la sigillatura finale.

I sistemi a doppio stadio consentono la sigillatura di pressioni che sarebbero impraticabili o impossibili con una singola guarnizione. Offrono anche una maggiore sicurezza, poiché i punti di sigillatura multipli riducono il rischio di guasti catastrofici. Tuttavia, questi sistemi sono più complessi e richiedono una progettazione e una manutenzione attente per garantirne il corretto funzionamento.

Di seguito è riportata la sezione Selezione dei materiali e Sistemi di supporto delle guarnizioni, redatta secondo le istruzioni fornite:

Selezione dei materiali

Sistemi di supporto delle guarnizioni

Le tenute meccaniche ad alta pressione spesso richiedono sistemi di supporto aggiuntivi per funzionare correttamente e raggiungere una durata di servizio ottimale. Questi sistemi ausiliari mantengono un ambiente pulito e fresco attorno alle facce della tenuta, il che è essenziale per prevenire l'usura prematura, la distorsione della faccia e la degradazione del fluido. I due tipi principali di sistemi di supporto della tenuta sono Piano API 54 e il Piano 53A.

Piano API 54

API Plan 54, noto anche come sistema "a circuito chiuso", fa circolare un fluido barriera pulito e freddo tra le cavità di tenuta doppie. Il fluido barriera viene mantenuto a una pressione superiore al fluido pompato, impedendo al fluido di processo di entrare nelle cavità di tenuta.

Il circuito chiuso include un serbatoio, una pompa di circolazione, uno scambiatore di calore e una strumentazione per monitorare la pressione, la temperatura e il livello del fluido di barriera. I sistemi Plan 54 offrono eccellenti prestazioni di tenuta e longevità, ma richiedono una progettazione e una manutenzione accurate per garantire un funzionamento affidabile.

Piano API 53

API Plan 53A, o "iniezione di fluido barriera", è un sistema di supporto più semplice che inietta un fluido pulito nella cavità di tenuta da una fonte esterna. Il fluido barriera viene in genere iniettato a una pressione di 15-25 psi superiore alla pressione della camera di tenuta.

Sebbene i sistemi Plan 53A siano meno complessi di Plan 54, non forniscono raffreddamento e richiedono una fornitura affidabile e continua di fluido barriera pulito.