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 di fluido tra le facce di tenuta fisse e rotanti. Quando l'albero ruota, gli anelli di tenuta vengono premuti insieme 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 di tenuta, creando un sottile film di fluido stabile che lubrifica e raffredda le facce, impedendo 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 una disposizione faccia a faccia, due tenute meccaniche sono installate con le loro facce di tenuta orientate l'una verso l'altra. Questa disposizione è comunemente utilizzata in 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 forniscono anche un certo grado di ridondanza, poiché la seconda tenuta può fungere da backup 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 guarnizioni tandem, o faccia a faccia, combinano elementi di disposizioni faccia a faccia e dorso a dorso. In questa configurazione, due guarnizioni sono installate con le loro facce orientate in direzioni opposte, con la guarnizione primaria rivolta verso il fluido di processo e la guarnizione secondaria rivolta verso l'esterno. Lo spazio tra le guarnizioni è solitamente sfiatato in una posizione sicura o collegato a un sistema di fluido tampone a una pressione inferiore rispetto al fluido di processo. Le guarnizioni tandem forniscono sia i vantaggi di bilanciamento della pressione delle guarnizioni faccia a faccia sia le caratteristiche di sicurezza e contenimento delle guarnizioni dorso a dorso.

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 dei componenti della guarnizione, 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 guarnizione. Per attenuare questi problemi, le guarnizioni ad alta pressione spesso incorporano camicie di raffreddamento, scambiatori di calore o sistemi a termosifone per rimuovere il calore dalla camera di tenuta e mantenere temperature operative stabili.

Lubrificazione e raffreddamento adeguati delle superfici di tenuta

Il film fluido tra le facce della tenuta agisce sia come lubrificante che come refrigerante, allontanando il calore di 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 quali scanalature a spirale, scanalature radiali o microstrutture sulle facce della tenuta per promuovere la circolazione del fluido e la dissipazione del calore. La selezione di materiali per le facce della tenuta con buona conduttività termica e proprietà autolubrificanti, come materiali caricati in carburo di silicio o grafite, può anche 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 e longevità ottimali. Questi sistemi aiutano a mantenere condizioni operative stabili, a prevenire guasti alle tenute e a prolungarne la durata. Un componente cruciale è l'API Plan 52, che utilizza un serbatoio di fluido tampone per fornire un ambiente pulito, fresco e pressurizzato per le tenute.

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: Il monitoraggio continuo della pressione nella camera di tenuta 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 come 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 le tenute ad alta pressione sono progettate per pressioni che vanno da 20 a 200 bar (da 290 a 2.900 psi) o superiori.