Il controllo del calore avviene quando tenuta meccanica Le superfici si fessurano radialmente a causa di sbalzi di temperatura estremi e stress termico. Queste crepe assomigliano ai raggi di una ruota, partendo dal centro e estendendosi verso l'esterno, causando infine il cedimento prematuro della guarnizione.
Le tenute meccaniche impediscono la fuoriuscita di fluido nel punto in cui un albero rotante attraversa il corpo della pompa. Funzionano comprimendo due superfici incredibilmente lisce: una ruota insieme all'albero mentre l'altra rimane ferma. Un film di fluido microscopicamente sottile tra queste superfici fornisce lubrificazione e raffreddamento.
Quando questa pellicola protettiva di fluido scompare o le temperature aumentano, il facce di foca si espandono e si contraggono a velocità diverse. Materiali duri come il carburo di tungsteno e la ceramica non riescono a sopportare queste rapide variazioni di temperatura, quindi si rompono sotto stress.
Come si sviluppano le sollecitazioni termiche nelle superfici di tenuta
Le sollecitazioni termiche si accumulano quando le superfici di tenuta si riscaldano in modo non uniforme e poi si raffreddano troppo rapidamente. Le differenze di temperatura tra il materiale della superficie creano forze interne che alla fine superano la capacità di resistenza del materiale.
- Riscaldamento per attrito: Quando le facce della tenuta sfregano tra loro senza un'adeguata lubrificazione, l'attrito genera un calore intenso nei punti di contatto. La forza elastica e la pressione idraulica che premono le facce l'una contro l'altra peggiorano ulteriormente la situazione. Senza un velo di fluido sufficiente tra le facce, le temperature possono raggiungere diverse centinaia di gradi in pochi secondi.
- Taglio viscoso e dinamica dei fluidi: La rotazione ad alta velocità combinata con fluidi densi crea enormi forze di taglio nel film sottile. Questa azione di taglio genera calore, proprio come quando si sfregano le mani. Quando pressione e velocità diventano troppo elevate, il film di fluido si riscalda abbastanza da deformare la superficie di tenuta in una forma conica.
- Espansione differenziale: Diverso parti del sigillo Le superfici si espandono a velocità diverse quando vengono riscaldate. Il diametro interno vicino all'albero diventa molto più caldo del bordo esterno. Poiché materiali come il carburo di tungsteno hanno un'elevata rigidità ma una scarsa resistenza agli shock termici, non possono flettersi per compensare queste differenze, quindi si rompono.
- Shock termico: Lo scenario più dannoso si verifica quando una superficie di tenuta calda incontra improvvisamente un fluido freddo. Immaginate di far cadere un piatto di vetro caldo nell'acqua fredda: si rompe. La stessa cosa accade alle superfici di tenuta quando, mentre sono calde e asciutte, vengono improvvisamente irrorate da un liquido freddo. La rapida contrazione crea sollecitazioni di trazione che producono il caratteristico schema di fessurazione radiale.
Cause e condizioni operative che portano al controllo del calore
Diverse condizioni operative possono innescare il controllo del calore, ma tutte hanno una cosa in comune: creano condizioni di temperatura estreme che materiale di tenuta non può gestire.
Funzionamento a secco e perdita di lubrificazione
Il funzionamento a secco è la causa principale del controllo termico, poiché elimina la pellicola di fluido refrigerante e lubrificante tra le facce.
- Mancanza di pellicola fluida: Avviare una pompa senza liquido o perdere il flusso di lavaggio provoca lo sfregamento delle superfici di tenuta metallo su metallo. Senza fluido che disperda il calore, le temperature salgono alle stelle in pochi secondi. Quando il fluido ritorna, lo shock termico provoca la rottura istantanea delle superfici calde.
- Lubrificazione inadeguata: Fluidi ad alta viscosità o fluidi barriera non idonei non scorrono correttamente tra le superfici. Il freddo può addensare i fluidi al punto da impedirne il mantenimento della pellicola protettiva. Le superfici potrebbero non essere completamente asciutte, ma non ricevono una lubrificazione sufficiente a prevenire il surriscaldamento.
- Funzionamento a secco dovuto a vaporizzazione o flashing: Operare troppo vicino al punto di ebollizione di un liquido ne provoca la vaporizzazione all'interfaccia di tenuta. Le superfici di tenuta perdono improvvisamente la pellicola liquida e si seccano. Questo accade frequentemente con applicazioni ad acqua calda o quando le pompe vanno in cavitazione, creando zone localizzate di bassa pressione in cui il liquido si trasforma in vapore.
Raffreddamento scarso e temperatura elevata
Anche con una lubrificazione adeguata, un raffreddamento insufficiente consente l'accumulo di calore fino a causare la rottura delle superfici di tenuta.
- Flusso di raffreddamento/lavaggio insufficiente: Linee di scarico bloccate, scambiatori di calore incrostati o guasti alla pompa nel sistema di supporto della guarnizione impediscono un corretto raffreddamento. Il calore generato sulle superfici non ha modo di dissiparsi. La temperatura continua a salire finché le sollecitazioni termiche superano la resistenza del materiale e si formano delle crepe.
- Alta temperatura del prodotto: Il pompaggio di olio caldo, condensa di vapore o altri fluidi ad alta temperatura espone le guarnizioni a calore costante. Le superfici di tenuta operano a temperature prossime alla loro temperatura massima nominale. Qualsiasi ulteriore calore dovuto all'attrito o a variazioni di processo le spinge oltre il limite, in una zona soggetta a surriscaldamento.
- Ciclismo termale: I ripetuti cicli caldo-freddo affaticano il materiale della guarnizione. Iniziare con un prodotto caldo e poi sciacquare con acqua fredda crea enormi sbalzi di temperatura. Ogni ciclo indebolisce il materiale fino a quando non compaiono delle crepe. È come piegare una graffetta avanti e indietro finché non si rompe.
Limiti di alta pressione e velocità (PV)
Ogni materiale di tenuta ha un valore massimo di PV, ovvero il prodotto della pressione e della velocità superficiale che può sopportare. Il superamento di questo limite genera calore eccessivo per attrito.
Operare a velocità superiori a 200,000 psi-ft/min aumenta drasticamente la temperatura delle superfici e il tasso di usura. La combinazione di alta velocità e alta pressione crea un attrito maggiore di quanto il film fluido possa dissipare. Le superfici si riscaldano progressivamente fino a causare cricche termiche.
cavitazione
La cavitazione crea violenti collassi di bolle che generano punti caldi localizzati sulle superfici di tenuta. Quando la pressione del fluido scende al di sotto della pressione di vapore, si formano bolle che poi implodono contro le superfici di tenuta.
Queste implosioni creano aree microscopiche di calore e pressione estremi. Lo stress termico ripetuto dovuto a migliaia di collassi di bolle al secondo produce infine il quadro di frattura radiale caratteristico delle cricche termiche.
La cavitazione causa anche vibrazioni che interrompono il film di fluido tra le facce. Ciò porta a condizioni di funzionamento a secco intermittenti che aggravano il problema dello stress termico.
Intrappolamento dell'aria e picchi di pressione
Sacche d'aria e picchi di pressione interrompono le condizioni stabili necessarie alle guarnizioni per funzionare correttamente. L'aria intrappolata nella camera di tenuta crea punti asciutti dove le facce si toccano senza lubrificazione.
Picchi di pressione durante l'avvio o anomalie di processo aumentano improvvisamente il carico sulle superfici di tenuta. Questa pressione extra comprime il film di fluido, causando un contatto momentaneo metallo su metallo e un rapido riscaldamento.
La combinazione di sacche d'aria e variazioni di pressione crea punti caldi imprevedibili che sollecitano le superfici di tenuta. Nel tempo, questi ripetuti shock termici producono le tipiche cricche radiali dovute al controllo termico.
Domande frequenti
È possibile riparare le guarnizioni sottoposte a controllo termico?
No, le superfici di tenuta sottoposte a controllo termico non possono essere riparate e devono essere sostituite. Le crepe compromettono la capacità della tenuta di mantenere un adeguato film di fluido e causano danni progressivi alla superficie di contatto.
Quanto velocemente può verificarsi il controllo del calore?
Il controllo termico può avvenire in pochi secondi durante il funzionamento a secco intenso o in poche ore in condizioni limite. La velocità dipende dalle temperature estreme e dalla rapidità con cui le superfici di tenuta si riscaldano e si raffreddano.
Quali materiali di tenuta sono più resistenti al controllo termico?
Il carburo di silicio offre generalmente la migliore resistenza al controllo termico grazie alla sua eccellente conduttività termica. Anche i materiali in carbonio-grafite offrono buone prestazioni perché resistono meglio agli shock termici rispetto alle ceramiche dure.
Come posso evitare che le guarnizioni della pompa si rovinino a causa del calore?
Garantire un flusso di lavaggio adeguato, non far mai funzionare le pompe a secco, mantenere la temperatura corretta del fluido e operare entro i limiti di PV della tenuta. L'installazione di dispositivi di monitoraggio della temperatura e di sistemi di spegnimento automatico fornisce una protezione aggiuntiva contro condizioni che causano il surriscaldamento.
