Che cosa è una tenuta meccanica ad alta pressione

Che cosa è una tenuta meccanica ad alta pressione

Una tenuta meccanica ad alta pressione è un componente critico nei macchinari che operano in condizioni di pressione estrema, in genere superiori a 50 bar (725 psi). Queste tenute sono progettate per impedire perdite di fluidi o gas dall'attrezzatura, resistendo nel contempo alle immense forze generate dagli ambienti ad alta pressione.

La funzione primaria di una tenuta meccanica ad alta pressione è quella di mantenere una barriera sicura tra il fluido di processo e l'atmosfera, anche nelle condizioni più difficili. Queste tenute sono costituite da due componenti principali: una parte fissa (statore) e una parte rotante (rotore), che vengono premute insieme da una combinazione di forze idrauliche e a molla. Le superfici di tenuta sono in genere realizzate in materiali duri e resistenti all'usura come carburo di silicio, carburo di tungsteno o ceramica, che possono resistere alle alte pressioni e temperature riscontrate in queste applicazioni.

Come funzionano le guarnizioni meccaniche ad alta pressione

Il principio di funzionamento delle tenute meccaniche ad alta pressione si basa sulla creazione di un sottile film fluido tra la parte fissa e quella rotante facce di focaDurante la rotazione dell'albero, gli anelli di tenuta vengono premuti l'uno contro l'altro da una combinazione di forza elastica e pressione idraulica del fluido di processo. Questa pressione provoca una piccola perdita di fluido di processo tra le facce della tenuta, creando un film fluido sottile e stabile che lubrifica e raffredda le facce, prevenendo al contempo ulteriori perdite.

Il film fluido tra le facce della tenuta è mantenuto da un delicato equilibrio tra la pressione idraulica, la forza della molla e la geometria precisa delle facce della tenuta. Le facce della tenuta sono sovrapposte a una planarità molto elevata, in genere entro 2-3 bande di luce all'elio (0,22-0,33 µm), per garantire un contatto uniforme e ridurre al minimo le perdite. L'anello di tenuta rotante è solitamente montato sull'albero con un soffietto flessibile o un altro elemento di tenuta secondario, che si adatta a piccoli disallineamenti dell'albero e movimenti assiali mantenendo la tenuta.

Quale tipo di tenuta meccanica viene utilizzata per applicazioni ad alta pressione

Faccia a faccia

In un accordo faccia a faccia, due sono installate guarnizioni meccaniche con le facce di tenuta orientate l'una verso l'altra. Questa disposizione è comunemente utilizzata nelle applicazioni ad alta pressione perché bilancia le forze idrauliche che agiscono sulle facce di tenuta, riducendo la forza di chiusura netta e la generazione di calore. Le tenute faccia a faccia offrono anche un certo grado di ridondanza, poiché la seconda tenuta può fungere da riserva in caso di guasto della tenuta primaria.

Schierandosi

Le guarnizioni back-to-back sono disposte con le loro facce di tenuta orientate in direzione opposta l'una dall'altra, con lo spazio tra le guarnizioni solitamente riempito con un fluido tampone a una pressione più alta rispetto al fluido di processo. Questa disposizione viene utilizzata quando il fluido di processo è pericoloso, tossico o sensibile all'ambiente, poiché qualsiasi perdita dalla guarnizione primaria è contenuta dal fluido tampone e dalla guarnizione secondaria. Le guarnizioni back-to-back richiedono un sistema di fluido tampone separato e tubazioni e strumentazione aggiuntive.

Tandem (o faccia a schiena)

Le tenute tandem, o faccia a dorso, combinano elementi delle configurazioni faccia a faccia e dorso a dorso. In questa configurazione, due tenute sono installate con le facce orientate in direzioni opposte, con la tenuta primaria rivolta verso il fluido di processo e la tenuta secondaria rivolta verso l'esterno. Lo spazio tra le tenute è solitamente sfiatato in un luogo sicuro o collegato a un sistema di fluido tampone a una pressione inferiore a quella del fluido di processo. Guarnizioni tandem offrono sia i vantaggi di bilanciamento della pressione delle guarnizioni faccia a faccia sia le caratteristiche di sicurezza e contenimento delle guarnizioni schiena a schiena.

Fattori che influenzano le prestazioni della tenuta meccanica ad alta pressione

Pressione del fluido di processo sulle facce di tenuta

Con l'aumentare della pressione del fluido, aumenta anche la forza di chiusura sulle facce della tenuta, determinando carichi facciali più elevati, maggiore generazione di calore e potenzialmente un'usura più rapida. Per contrastare questi effetti, le tenute ad alta pressione spesso incorporano caratteristiche quali fori di bilanciamento, scanalature o orifizi nelle facce della tenuta per ridurre la forza di chiusura effettiva e mantenere una pellicola di fluido stabile.

Controllo della temperatura nella camera di tenuta

Le alte temperature possono causare l'espansione termica di componenti di tenuta, con conseguente aumento dei carichi frontali e dell'usura. Il calore eccessivo può anche degradare le proprietà lubrificanti del film fluido, aumentando l'attrito e il rischio di rottura della tenuta. Per mitigare questi problemi, le tenute ad alta pressione spesso incorporano camicie di raffreddamento, scambiatori di calore o sistemi a termosifone per rimuovere il calore dal camera di tenuta e mantenere temperature operative stabili.

Lubrificazione e raffreddamento adeguati delle superfici di tenuta

Il film fluido tra le facce della tenuta funge sia da lubrificante che da refrigerante, dissipando il calore generato dall'attrito e impedendo il contatto diretto tra le facce. Per garantire una lubrificazione e un raffreddamento adeguati, le tenute ad alta pressione possono incorporare caratteristiche come scanalature a spirale, scanalature radiali o microstrutture sulle facce della tenuta per favorire la circolazione del fluido e la dissipazione del calore. selezione del sigillo Anche i materiali di superficie con buona conduttività termica e proprietà autolubrificanti, come il carburo di silicio o i materiali caricati con grafite, possono migliorare le prestazioni di lubrificazione e raffreddamento.

Sistemi di supporto per applicazioni ad alta pressione con tenuta meccanica

Le tenute meccaniche ad alta pressione richiedono sistemi di supporto specializzati per garantire prestazioni ottimali e longevità. Questi sistemi contribuiscono a mantenere condizioni operative stabili, a prevenire guasti alle tenute e a prolungarne la durata. Un componente cruciale è il Piano API 52, che utilizza un serbatoio di fluido tampone per fornire un ambiente pulito, fresco e pressurizzato per le guarnizioni.

Il sistema API Plan 52 fa circolare un fluido tampone compatibile, come glicole o olio, attraverso una camera di tenuta a una pressione superiore a quella del fluido di processo. Questa differenza di pressione positiva impedisce al fluido di processo di entrare nella camera di tenuta, riducendo al minimo la contaminazione e prolungando la durata della tenuta. Il sistema aiuta anche a dissipare il calore generato dalle tenute, mantenendo una temperatura di esercizio stabile.

Altri sistemi di supporto essenziali per tenute meccaniche ad alta pressione includono:

1. Lubrificazione corretta della superficie di tenuta: Una lubrificazione adeguata è fondamentale per ridurre l'attrito e l'usura sulle superfici di tenuta. Ciò può essere ottenuto tramite l'uso di fluidi barriera, come olio o grasso, o incorporando caratteristiche di lubrificazione nel design della tenuta.
2. Controllo della temperatura: Mantenere una temperatura costante nella camera di tenuta è fondamentale per prevenire la distorsione termica e garantire il corretto allineamento delle facce di tenuta. Ciò può essere ottenuto tramite l'uso di camicie di raffreddamento, scambiatori di calore o unità di controllo della temperatura.
3. Monitoraggio della pressione: Monitoraggio continuo del pressione nella guarnizione La camera aiuta a rilevare eventuali anomalie o perdite, consentendo una manutenzione tempestiva e prevenendo guasti catastrofici.

Applicazioni della tenuta meccanica ad alta pressione

• Pompe centrifughe:Le tenute meccaniche ad alta pressione vengono utilizzate nelle pompe centrifughe che gestiscono fluidi ad alta pressione, come le pompe per l'acqua di alimentazione delle caldaie, le pompe per condotte e le pompe di iniezione nei pozzi di petrolio e gas.
• Compressori: Le tenute meccaniche vengono utilizzate nei compressori ad alta pressione per gas quali idrogeno, gas naturale e anidride carbonica, nonché nei compressori frigoriferi che utilizzano refrigeranti ad alta pressione.
• Turbine: Le guarnizioni ad alta pressione vengono utilizzate nelle turbine a vapore e a gas per impedire la fuoriuscita di vapore ad alta pressione o di gas di combustione dalla carcassa della turbina.
• Reattori e recipienti a pressione: Le tenute meccaniche vengono utilizzate negli agitatori, nei miscelatori e in altre apparecchiature rotanti nei reattori ad alta pressione e nei recipienti a pressione nell'industria chimica e petrolchimica.
• Attrezzature sottomarine:Le guarnizioni ad alta pressione sono componenti essenziali nelle apparecchiature sottomarine per la produzione di petrolio e gas, come pompe, compressori e valvole sottomarine, dove devono resistere a pressioni estreme e condizioni ambientali difficili.
• Sistemi idrici ad alta pressione: Le tenute meccaniche vengono utilizzate nelle pompe e nelle valvole per acqua ad alta pressione in applicazioni quali la dissalazione ad osmosi inversa, la pulizia ad alta pressione e il taglio a getto d'acqua.

Domande frequenti

Qual è il limite di pressione per le tenute meccaniche?

In generale, le tenute meccaniche standard possono gestire pressioni fino a circa 20 bar (290 psi), mentre guarnizioni ad alta pressione sono progettati per pressioni comprese tra 20 e 200 bar (tra 290 e 2.900 psi) o superiori.