Cosa sono le guarnizioni a gas secco

Nel campo dei macchinari rotanti, la tenuta efficace dei gas di processo è di fondamentale importanza per garantire prestazioni e affidabilità ottimali. Le tenute a gas secco sono emerse come una soluzione di tenuta ampiamente adottata, offrendo vantaggi distinti rispetto alle tradizionali tenute lubrificate a liquido.

Questo articolo del blog approfondisce i dettagli delle guarnizioni a gas secco, analizzandone la progettazione, i principi di funzionamento e le applicazioni in vari settori industriali.

Cosa sono le guarnizioni a gas secco

Le guarnizioni a gas secco sono un tipo di guarnizioni senza contatto tenuta meccanica comunemente utilizzati nei compressori centrifughi per prevenire perdite di gas di processo lungo l'albero rotante. Queste guarnizioni funzionano senza la necessità di lubrificazione liquida, affidandosi invece a una sottile pellicola di gas per mantenere uno spazio tra le superfici di tenuta. Questa separazione è ottenuta tramite una combinazione di scanalature sugli anelli di accoppiamento e le forze idrodinamiche generate dalla rotazione dell'albero.

Le guarnizioni a gas secco offrono diversi vantaggi rispetto alle tradizionali guarnizioni a umido (lubrificate a olio), tra cui un minor consumo energetico, un rischio di contaminazione ridotto e una migliore efficienza del compressore. Sono ampiamente utilizzate in vari settori, come la lavorazione di petrolio e gas, gli impianti petrolchimici e le applicazioni di trasporto del gas.

Componenti delle guarnizioni a gas secco

• Anello rotante: l'anello rotante è attaccato all'albero del compressore e presenta una faccia lavorata con precisione con un motivo a scanalatura a spirale. Questo motivo aiuta a generare la forza di sollevamento idrodinamica necessaria per mantenere lo spazio tra le superfici di tenuta durante il funzionamento.
• Anello stazionario: l'anello stazionario è montato nell'alloggiamento della guarnizione e ha una superficie di tenuta liscia che si accoppia con l'anello rotante. È solitamente realizzato in un materiale duro e resistente all'usura, come il carburo di silicio o il carburo di tungsteno, per resistere alle difficili condizioni operative.
• Sistema di fornitura del gas di tenuta: il sistema di fornitura del gas di tenuta fornisce un gas pulito e asciutto (solitamente azoto) a una pressione controllata con precisione alla cavità di tenuta. Questo gas è essenziale per creare la pellicola sottile tra le superfici di tenuta e prevenire la contaminazione dal gas di processo. Il sistema di fornitura del gas di tenuta in genere include filtri, regolatori di pressione e valvole di controllo del flusso per mantenere l'ambiente di tenuta ottimale.

Oltre a questi componenti primari, le guarnizioni a gas secco incorporano anche elementi di tenuta secondari, come O-ring e guarnizioni, per evitare perdite tra i componenti fissi.

Come funzionano le tenute per gas secco

Le guarnizioni a gas secco funzionano secondo il principio della tecnologia di tenuta senza contatto, di tipo gap. L'azione di tenuta è ottenuta tramite una sottile pellicola di gas pressurizzato che scorre tra le facce della guarnizione realizzate con precisione, creando una barriera che impedisce le perdite.

Il gas di tenuta ad alta pressione viene iniettato nell'interfaccia di tenuta attraverso le porte nell'anello stazionario. Quando il gas entra nello spazio tra gli anelli rotanti e stazionari, si espande e crea un profilo di pressione attraverso le facce di tenuta. Questo profilo di pressione genera una forza di apertura che separa le facce di un piccolo spazio, che in genere misura pochi micron.

La rotazione dell'albero e dell'anello rotante collegato genera un effetto idrodinamico all'interno del film di gas. Questo effetto fa sì che la pressione del gas aumenti radialmente verso l'esterno, creando una tenuta stabile e senza contatto tra i componenti rotanti e fissi.

Per mantenere la fessura di tenuta ottimale, le guarnizioni a gas secco si basano sull'equilibrio tra la forza di apertura generata dal gas pressurizzato e la forza di chiusura esercitata dalle molle di tenuta e la differenza di pressione tra le superfici di tenuta. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta fornisce continuamente gas pulito e secco a una pressione leggermente superiore al gas di processo per garantire una tenuta positiva e prevenire la contaminazione.

Il gas fuoriuscito dalla guarnizione primaria viene raccolto nella camera della guarnizione secondaria e scaricato in modo sicuro o riciclato nuovamente nel compressore.

Tipi di guarnizioni a gas secco

Le guarnizioni a gas secco sono disponibili in varie configurazioni per soddisfare diversi requisiti applicativi. I tre tipi principali di guarnizioni a gas secco sono guarnizioni singole, guarnizioni tandem e guarnizioni doppie opposte.

Sigilli singoli

Le guarnizioni singole a gas secco sono costituite da un singolo set di anelli rotanti e fissi. Queste guarnizioni sono solitamente utilizzate in applicazioni con differenziali di pressione inferiori e condizioni operative meno impegnative. Le guarnizioni singole sono più compatte e convenienti rispetto ad altri tipi di guarnizioni a gas secco.

Il gas di tenuta viene introdotto tra gli anelli rotanti e fissi, creando una pellicola sottile che impedisce il contatto diretto tra le superfici. Questa pellicola mantiene uno spazio stabile, consentendo una tenuta efficiente e riducendo al minimo l'usura dei componenti.

Foche in tandem

Le tenute tandem a gas secco presentano due set di anelli rotanti e fissi disposti in serie. Questa configurazione fornisce un ulteriore livello di protezione e ridondanza, rendendo le tenute tandem adatte ad applicazioni più critiche o ad ambienti con differenziali di pressione più elevati.

In una disposizione di tenuta tandem, la tenuta primaria funziona come elemento di tenuta principale, mentre la tenuta secondaria funge da backup. Se la tenuta primaria si guasta o subisce perdite eccessive, la tenuta secondaria subentra per mantenere l'integrità di tenuta del sistema.

Il gas di tenuta viene fornito sia alle tenute primarie che secondarie, garantendo prestazioni di tenuta costanti e affidabili. Le tenute tandem offrono maggiore sicurezza e affidabilità, in quanto possono continuare a funzionare anche se un set di componenti di tenuta si guasta.

Doppie guarnizioni opposte

Le guarnizioni a gas secco a doppia opposizione sono costituite da due serie di anelli rotanti e fissi disposti in una configurazione opposta. In questa disposizione, le facce di tenuta sono posizionate schiena contro schiena, con il gas di tenuta fornito tra di esse.

La progettazione opposta delle doppie guarnizioni consente il bilanciamento della pressione, contribuendo a ridurre al minimo le forze assiali che agiscono sui componenti di tenuta.

Il flusso del gas di tenuta nelle tenute doppie contrapposte è gestito tramite una serie di porte e canali all'interno dell'alloggiamento della tenuta. Ciò garantisce una distribuzione uniforme del gas di tenuta e aiuta a mantenere un'interfaccia di tenuta stabile tra i componenti rotanti e fissi.

Le guarnizioni doppie opposte offrono un'eccellente efficienza di tenuta e sono in grado di gestire differenziali di pressione più elevati rispetto alle guarnizioni singole e tandem. Sono comunemente utilizzate in applicazioni impegnative, come compressori e pompe ad alta pressione, in cui le prestazioni di tenuta affidabili sono fondamentali.

Vantaggi delle tenute per gas secco

Affidabilità migliorata

Le guarnizioni a gas secco offrono un'affidabilità notevolmente superiore rispetto ai metodi di tenuta tradizionali. Il design senza contatto delle guarnizioni a gas secco riduce al minimo l'usura, riducendo il rischio di guasti e prolungando la vita operativa della guarnizione.

Efficienza migliorata

Le guarnizioni a gas secco funzionano con un gioco ridotto tra i componenti rotanti e quelli fissi, riducendo così le perdite e migliorando l'efficienza di tenuta.

Costi di manutenzione inferiori

La natura non a contatto delle guarnizioni a gas secco riduce l'attrito e l'usura, riducendo al minimo la necessità di manutenzione frequente e sostituzione di parti. Questo vantaggio comporta minori costi di manutenzione per tutta la durata dell'attrezzatura, nonché tempi di fermo ridotti associati alle attività di manutenzione delle guarnizioni.

Benefici ambientali

Le guarnizioni a gas secco forniscono una soluzione di tenuta più pulita e più ecologica rispetto alle tradizionali guarnizioni a base di olio. Utilizzando gas inerte come mezzo di tenuta, le guarnizioni a gas secco eliminano il rischio di perdite e contaminazione di olio, contribuendo a ridurre al minimo l'impatto ambientale dell'attrezzatura.

Svantaggi delle tenute per gas secco

Costo iniziale più elevato

La tecnologia avanzata e la produzione di precisione richieste per le guarnizioni a gas secco spesso comportano costi iniziali più elevati rispetto ai metodi di tenuta tradizionali.

Sensibilità ai contaminanti

Le guarnizioni a gas secco sono più sensibili ai contaminanti nel gas di tenuta rispetto alle guarnizioni tradizionali. Particelle, liquidi o altre impurità nell'alimentazione del gas possono danneggiare le superfici di tenuta, causando guasti prematuri.

Intervallo di temperatura limitato

Le guarnizioni a gas secco hanno un intervallo di temperatura di esercizio più limitato rispetto ad alcuni metodi di tenuta tradizionali. I materiali utilizzati nelle guarnizioni a gas secco potrebbero non essere adatti per applicazioni a temperature estremamente alte o basse, limitandone l'uso in determinati settori o processi.

Applicazioni delle guarnizioni a gas secco

Compressori centrifughi

Le guarnizioni a gas secco sono ampiamente utilizzate nei compressori centrifughi, in particolare nel settore petrolifero e del gas. Forniscono una tenuta affidabile ed efficiente per applicazioni ad alta pressione e alta velocità, garantendo prestazioni ottimali del compressore e riducendo al minimo le perdite di gas.

Turbomacchine

Le guarnizioni a gas secco trovano applicazione in vari turbomacchinari, come turbine a vapore, turbine a gas ed espansori. Offrono prestazioni di tenuta superiori, perdite di attrito ridotte e maggiore efficienza rispetto alle tecnologie di tenuta tradizionali.

Lavorazione petrolchimica

Negli impianti di lavorazione petrolchimica, le guarnizioni a gas secco sono impiegate in pompe, miscelatori e altre apparecchiature rotanti. Contribuiscono a mantenere la purezza del processo, a prevenire perdite di fluidi pericolosi o preziosi e a contribuire alla sicurezza e all'efficienza complessive dell'impianto.

Gas industriali

Le guarnizioni a gas secco sono utilizzate nella produzione, stoccaggio e movimentazione di gas industriali, come idrogeno, azoto e ossigeno. Il loro design senza contatto e la compatibilità con vari tipi di gas le rendono adatte a mantenere l'integrità e la purezza dei gas durante tutto il processo.