Come selezionare le guarnizioni meccaniche per alte temperature

Che cosa è la tenuta meccanica per alte temperature

Una tenuta meccanica per alte temperature è un componente fondamentale nelle apparecchiature rotanti che operano in condizioni di calore estremo. Queste tenute specializzate sono progettate per resistere a temperature elevate mantenendo la loro efficacia di tenuta, prevenendo perdite e garantendo un funzionamento affidabile. Le tenute meccaniche per alte temperature trovano applicazione in vari settori, tra cui petrolio e gas, lavorazione chimica, produzione di energia e aerospaziale.

Le tenute meccaniche ad alta temperatura sono progettate per affrontare le sfide uniche poste dagli ambienti a temperatura elevata. Devono fare i conti con l'espansione termica, la degradazione dei materiali, la vaporizzazione dei fluidi e la potenziale coking o fouling dei componenti della tenuta. Per affrontare questi problemi, le tenute ad alta temperatura incorporano caratteristiche quali facce di tenuta bilanciate, componenti flottanti e combinazioni di materiali avanzati che possono resistere a calore estremo e mantenere la loro stabilità dimensionale.

Sfide degli ambienti ad alta temperatura sulle guarnizioni meccaniche

Degrado dei materiali

Le temperature elevate possono causare il degrado dei materiali di tenuta, la perdita di proprietà meccaniche e il guasto prematuro. Polimeri, elastomeri e persino metalli possono ammorbidirsi, diventare fragili o subire cambiamenti chimici ad alte temperature, compromettendo le prestazioni di tenuta.

Espansione termica e deformazione meccanica

Le fluttuazioni e i gradienti di temperatura possono portare a una dilatazione termica differenziale tra i componenti della guarnizione e le apparecchiature adiacenti. Ciò può causare deformazioni meccaniche, perdita di contatto di tenuta e percorsi di perdita.

Vaporizzazione dei fluidi e funzionamento a secco

I fluidi ad alta temperatura sono inclini alla vaporizzazione, specialmente all'interfaccia di tenuta. La vaporizzazione può portare a condizioni di funzionamento a secco, maggiore usura e rottura della tenuta. Mantenere una pellicola di fluido stabile è fondamentale per la lubrificazione della tenuta e la dissipazione del calore.

Coking e sporcamento dei componenti della guarnizione

Alcuni fluidi ad alta temperatura, come gli idrocarburi, possono subire coking o lasciare depositi sulle superfici di tenuta e sui componenti. Coking e fouling interrompono l'interfaccia di tenuta, causano usura abrasiva e compromettono le prestazioni della tenuta.

Fattori chiave nella selezione delle tenute meccaniche per il servizio ad alta temperatura

Proprietà dei fluidi di processo

Le proprietà del fluido di processo svolgono un ruolo cruciale nel determinare la soluzione appropriata tenuta meccanica per servizio ad alta temperatura. Le considerazioni chiave includono la composizione chimica del fluido, la viscosità e il potenziale di cambiamenti di fase a temperature elevate.

Ad esempio, i fluidi con elevate pressioni di vapore potrebbero richiedere design di tenuta specializzati per impedire la vaporizzazione e mantenere il liquido all'interfaccia di tenuta. Inoltre, i fluidi corrosivi o aggressivi potrebbero richiedere l'uso di materiali di tenuta e di elastomeri chimicamente resistenti per prevenire guasti prematuri.

Limiti di temperatura dei materiali di tenuta

Gli ambienti ad alta temperatura possono spingere i materiali di tenuta ai loro limiti, rendendo essenziale selezionare componenti in grado di resistere alle condizioni operative previste. La temperatura massima nominale dei materiali delle superfici di tenuta, come carburo di silicio, carburo di tungsteno e grafite di carbonio, deve essere valutata attentamente per garantire che possano mantenere la loro integrità e le proprietà tribologiche alla temperatura operativa desiderata.

Allo stesso modo, gli elastomeri utilizzati nelle guarnizioni secondarie, come FKM, FFKM e PTFE, dovrebbero essere scelti in base alla loro stabilità alla temperatura e alla capacità di mantenere le loro proprietà di tenuta in condizioni di alte temperature.

Capacità di pressione dei progetti di tenuta

La pressione nominale di una tenuta meccanica è un altro fattore critico nelle applicazioni ad alta temperatura. I design delle tenute devono essere in grado di resistere alle pressioni operative previste senza compromettere l'integrità dell'interfaccia di tenuta o consentire perdite eccessive.

Le disposizioni di tenuta back-to-back e tandem sono spesso impiegate in servizi ad alta pressione e alta temperatura per fornire ridondanza di tenuta aggiuntiva e migliorare le capacità di pressione. La selezione di materiali per le superfici di tenuta con elevata resistenza alla compressione e l'uso di robusti design di alloggiamenti di tenuta possono migliorare ulteriormente le prestazioni di pressione delle tenute meccaniche in ambienti esigenti ad alta temperatura.

Velocità dell'albero e dinamica delle attrezzature

La velocità di rotazione dell'attrezzatura e la dinamica dell'albero associata possono avere un impatto significativo sulle prestazioni delle tenute meccaniche in applicazioni ad alta temperatura. Le elevate velocità dell'albero possono generare un calore maggiore all'interfaccia di tenuta a causa dell'attrito, portando a un'usura accelerata e a una potenziale distorsione termica dei componenti della tenuta.

Per attenuare questi problemi, si possono impiegare design di tenuta con caratteristiche di lubrificazione migliorate, come scanalature a spirale o motivi di faccia incisi al laser, per migliorare la dissipazione del calore e mantenere una pellicola di fluido stabile tra le facce della tenuta. Inoltre, l'uso di guarnizioni secondarie flessibili in grafite o Grafoil può adattarsi al disallineamento dell'albero e ridurre al minimo l'impatto della dinamica delle apparecchiature sulle prestazioni della tenuta in servizio ad alta temperatura.

Tipi e disposizioni di tenute meccaniche per applicazioni ad alta temperatura

Disposizione Back-to-Back

In una disposizione di tenuta back-to-back, due tenute meccaniche sono montate con le loro piastre posteriori rivolte l'una verso l'altra. Questa configurazione consente un raffreddamento o fluido barriera per circolare tra le guarnizioni, gestendo efficacemente la dissipazione del calore.

Le guarnizioni back-to-back sono ideali per applicazioni ad alta temperatura in cui il fluido di processo è particolarmente caldo o in cui l'espansione termica dei componenti è un problema. Il fluido barriera aiuta a mantenere un ambiente stabile per le facce della guarnizione, prevenendo la degradazione del materiale e garantendo prestazioni ottimali.

Disposizione faccia a faccia

Le disposizioni di tenuta faccia a faccia presentano due tenute meccaniche montate con le loro facce di tenuta orientate l'una verso l'altra. Questa configurazione è vantaggiosa nelle applicazioni ad alta temperatura in cui il fluido di processo è pulito e non presenta rischi di intasamento o contaminazione dei componenti della tenuta.

Le guarnizioni faccia a faccia consentono un'efficiente dissipazione del calore attraverso le facce della guarnizione, poiché il fluido di raffreddamento può entrare direttamente in contatto con entrambi i set di facce. Questa disposizione è spesso utilizzata insieme a un piano di tubazioni adatto per garantire un raffreddamento e una lubrificazione adeguati delle facce della guarnizione.

Disposizione in tandem

Le configurazioni di tenuta in tandem sono costituite da due tenute meccaniche montate in serie, con un fluido tampone tra di esse. Questa configurazione fornisce un livello aggiuntivo di protezione contro le perdite ed è comunemente utilizzata in applicazioni ad alta temperatura in cui il fluido di processo è pericoloso o sensibile all'ambiente.

Il fluido tampone serve a lubrificare e raffreddare le superfici di tenuta, fungendo anche da barriera tra il fluido di processo e l'atmosfera. Le tenute tandem sono particolarmente efficaci nel prevenire la vaporizzazione del fluido e il funzionamento a secco, poiché il fluido tampone mantiene uno stato liquido anche a temperature elevate.

Guida alla selezione dei materiali per tenute meccaniche ad alta temperatura

Materiali del viso:

Carburo di silicio: elevata conduttività termica, resistenza all'usura, compatibilità chimica, resistenza agli shock termici. Adatto per temperature fino a 1800°F (982°C).
Carburo di tungsteno: resistenza all'usura superiore, ideale per ambienti abrasivi.
Grafite di carbonio: autolubrificante, termicamente stabile, adatta a condizioni di funzionamento a secco e temperature fino a 1000°F (538°C).

Elastomeri:

Fluoroelastomeri (FKM): adatti a temperature fino a 204 °C (400 °F), offrono una buona resistenza chimica.
Perfluoroelastomeri (FFKM): possono sopportare temperature fino a 600°F (316°C), offrendo un'eccezionale resistenza chimica.
Politetrafluoroetilene (PTFE): eccellente stabilità termica, basso attrito, inerzia chimica. Adatto per temperature fino a 500°F (260°C).

Metallurgia:

Acciai inossidabili (ad esempio 316L, 17-4PH): resistenza, durevolezza, resistenza all'ossidazione a temperature elevate.
Leghe Hastelloy e Inconel: resistenza alla corrosione superiore e prestazioni ad alta temperatura. Ideali per ambienti chimici aggressivi e temperature superiori a 1000 °F (538 °C).

Guarnizioni secondarie:

Grafite flessibile: eccellente sigillabilità, conduttività termica, resistenza chimica. Adatto per temperature fino a 1200°F (649°C).
Grafoil: proprietà simili alla grafite flessibile, può resistere a temperature fino a 850 °F (454 °C).

Sistemi di supporto per tenute meccaniche per servizio ad alta temperatura

Sistemi di fluidi di barriera e tampone

Un sistema di fluido barriera introduce un liquido compatibile tra le facce di tenuta, creando una barriera fisica tra il fluido di processo e l'atmosfera. Questo fluido barriera viene mantenuto a una pressione più alta rispetto al fluido di processo, impedendo al fluido di processo di raggiungere le facce di tenuta.

Al contrario, un sistema di fluido tampone utilizza un fluido compatibile sia con il fluido di processo che con i materiali di tenuta, ma a una pressione inferiore rispetto al fluido di processo. Il fluido tampone aiuta a raffreddare e lubrificare le superfici di tenuta, riducendo la generazione di calore e prolungando la durata della tenuta.

Piani di tubazioni

I piani di tubazioni sono disposizioni standardizzate di apparecchiature ausiliarie e tubazioni che supportano le tenute meccaniche in varie applicazioni, incluso il servizio ad alta temperatura. Questi piani sono designati da numeri secondo lo standard 682 dell'American Petroleum Institute (API). Alcuni piani di tubazioni comuni per tenute meccaniche ad alta temperatura includono:

Piano 23: Questo piano utilizza uno scambiatore di calore per raffreddare il fluido barriera, che viene fatto circolare da un sistema di pompaggio squillo o pompa esterna. Il fluido barriera raffreddato aiuta a mantenere temperature stabili sulle superfici di tenuta.
Piano 52: In questa disposizione, un serbatoio esterno fornisce fluido tampone alla camera di tenuta tramite una boccola di strozzatura. Il fluido tampone aiuta a raffreddare e lubrificare le superfici di tenuta, mentre la boccola di strozzatura controlla la portata e mantiene il differenziale di pressione desiderato.
Progetto 53A: Questo progetto combina le caratteristiche dei progetti 52 e 23, utilizzando un serbatoio esterno pressurizzato per fornire fluido di barriera alla camera di tenuta e uno scambiatore di calore per raffreddare il fluido circolante.
Piano 54: simile al Piano 53A, questo piano utilizza un serbatoio pressurizzato esterno e uno scambiatore di calore, ma include anche una boccola di strozzatura a gioco ridotto per controllare il flusso del fluido di barriera e mantenere la pressione differenziale.