Cos'è la tenuta meccanica

Una tenuta meccanica è un componente fondamentale nelle apparecchiature rotanti che impedisce la perdita di fluido e contiene la pressione. Queste tenute sono ampiamente utilizzate in vari settori, tra cui petrolio e gas, lavorazione chimica e trattamento delle acque, dove garantiscono il funzionamento affidabile ed efficiente di pompe, compressori e altri macchinari.

Il design e la funzione delle tenute meccaniche si sono evoluti notevolmente nel corso degli anni, con progressi nella scienza e nell'ingegneria dei materiali che hanno portato a prestazioni e longevità migliorate. In questo post del blog, approfondiremo le complessità delle tenute meccaniche, esplorandone i principi fondamentali, i componenti chiave e le funzioni.

Che cosa è una tenuta meccanica

Una tenuta meccanica è un tipo di dispositivo di tenuta utilizzato per impedire la perdita di fluidi lungo gli alberi rotanti, in particolare in pompe centrifughe e altre apparecchiature rotanti. È costituito da due componenti principali: un anello di tenuta fisso montato nell'alloggiamento della pompa e un anello di tenuta rotante attaccato all'albero. Questi due anelli formano un'interfaccia di tenuta, creando una barriera tra il fluido di processo e l'atmosfera.

Le tenute meccaniche sono un'alternativa superiore alle tradizionali guarnizioni a premistoppa, offrendo migliori prestazioni di tenuta e requisiti di manutenzione ridotti. Sono progettate per contenere i fluidi all'interno della pompa, consentendo all'albero di ruotare liberamente, riducendo al minimo l'attrito e l'usura. Sigillando efficacemente l'albero della pompa, le tenute meccaniche aiutano a prevenire perdite di fluido, che possono portare a perdite di prodotto, contaminazione ambientale e rischi per la sicurezza.

L'azione di tenuta di una tenuta meccanica si basa sulla precisa planarità e levigatezza delle facce della tenuta. Le facce della tenuta rotante e stazionaria vengono premute insieme da una combinazione di forze idrauliche e a molla, creando una sottile pellicola di fluido tra di esse. Questa pellicola di fluido agisce come una barriera, impedendo perdite mentre lubrifica le facce della tenuta per ridurre al minimo usura e attrito.

Come funzionano le tenute meccaniche

Le tenute meccaniche sono progettate per contenere il fluido all'interno di un alloggiamento o di un recipiente di pompaggio creando una tenuta tra le parti fisse e rotanti dell'attrezzatura. Le facce di tenuta primarie, costituite da un anello di tenuta fisso e da un anello di tenuta rotante, sono perpendicolari all'albero e formano un'interfaccia di tenuta. Queste facce di tenuta sono spinte insieme da una combinazione di forze idrauliche dal fluido sigillato e pressione della molla dal meccanismo a molla della tenuta.

Le superfici di tenuta primarie sono in genere realizzate in materiali duri e resistenti all'usura, come carburo di silicio, carburo di tungsteno o grafite di carbonio. Questi materiali sono lavorati con precisione per creare una superficie di tenuta piana e liscia. Quando l'albero ruota, una sottile pellicola di fluido viene disegnata tra le superfici di tenuta, lubrificandole e impedendo il contatto diretto. Questa pellicola di fluido, insieme alle forze idrauliche e a molla, aiuta a mantenere l'integrità della tenuta e impedisce perdite.

Le guarnizioni secondarie, come gli O-ring, le guarnizioni a cuneo o i soffietti elastomerici, vengono utilizzate per sigillare tra i componenti fissi e rotanti del gruppo di tenuta meccanica. Queste guarnizioni secondarie impediscono perdite tra le facce della guarnizione e l'alloggiamento della pompa o la camicia dell'albero. Si adattano anche a piccoli movimenti e disallineamenti dell'albero, assicurando che le facce della guarnizione primaria rimangano in contatto corretto.

In alcuni progetti di tenute meccaniche, come le tenute doppie o le tenute tandem, vengono utilizzate tenute aggiuntive per fornire una maggiore protezione dalle perdite o per sigillare un fluido barriera. Il fluido barriera, che è in genere pulito e compatibile con il fluido di processo, viene mantenuto a una pressione più elevata rispetto al fluido di processo per prevenire la contaminazione e fornire lubrificazione alle superfici di tenuta.

Componenti delle tenute meccaniche

Le tenute meccaniche sono composte da diversi componenti chiave che lavorano insieme per fornire una tenuta efficace e prevenire le perdite. Questi componenti includono:

• Facce di tenuta primarie: le facce di tenuta primarie sono il cuore di una tenuta meccanica. Realizzate con materiali quali carburo di silicio, carburo di tungsteno o grafite di carbonio, queste superfici con lappatura di precisione creano un'interfaccia di tenuta dinamica che impedisce al fluido di fuoriuscire lungo l'albero rotante. La faccia fissa è in genere montata nella ghiandola o nell'alloggiamento della tenuta, mentre la faccia rotante è fissata all'albero o al manicotto dell'albero.
• Guarnizioni secondarie: Guarnizioni secondarie, note anche come guarnizioni statiche, sono responsabili della tenuta tra componenti fissi e della prevenzione delle perdite nell'atmosfera. Queste tenute possono essere realizzate in materiali elastomerici come O-ring, V-ring o cunei in PTFE. In alcuni progetti, soffietti metallici o soffietti elastomerici vengono utilizzati come tenute secondarie per adattarsi ai movimenti dell'albero e fornire una tenuta aggiuntiva.
• Meccanismo a molla: il meccanismo a molla applica una forza costante alle superfici di tenuta primarie, assicurando un contatto e una tenuta adeguati. Questa forza è essenziale per mantenere la faccia di sigillo spazio e adattarsi a qualsiasi disallineamento dell'albero o regolazione assiale dell'albero. I tipi di molle più comuni includono molle elicoidali, molle ondulate e soffietti metallici.
• Hardware di supporto: le tenute meccaniche si basano su vari componenti di supporto per funzionare in modo efficace. Questi includono ghiandole di tenuta, anelli di ritegno, collari di azionamento e perni antirotazione. La ghiandola di tenuta fornisce una superficie di montaggio per la faccia di tenuta fissa e aiuta ad allineare i componenti di tenuta. Gli anelli di ritegno e i collari di azionamento fissano i componenti rotanti all'albero, mentre i perni antirotazione impediscono la rotazione indesiderata della faccia di tenuta.

Funzioni delle tenute meccaniche

Funzione di tenuta primaria

La funzione primaria di una tenuta meccanica è quella di contenere il fluido di processo all'interno della pompa o dell'attrezzatura e prevenire perdite lungo l'albero rotante. Le facce della tenuta primaria creano un'interfaccia di tenuta dinamica che mantiene un sottile film di fluido tra le facce fisse e rotanti. Questo film di fluido, generato dall'azione di pompaggio e dalla geometria della faccia della tenuta, impedisce il contatto diretto tra le facce e riduce al minimo l'usura, consentendo al contempo una tenuta efficiente.

Tenuta e allineamento dell'albero

Le tenute meccaniche forniscono una tenuta efficace attorno agli alberi rotanti, adattandosi alle velocità degli alberi e consentendo un movimento limitato degli alberi. I componenti della tenuta, come le tenute secondarie e il meccanismo a molla, consentono un certo grado di disallineamento dell'albero e di regolazione assiale dell'albero, mantenendo al contempo un ambiente di tenuta adeguato.

Compatibilità e contenimento dei fluidi

Le tenute meccaniche sono progettate per gestire un'ampia gamma di fluidi, tra cui acqua, idrocarburi, sostanze chimiche e liquidi abrasivi. I materiali delle superfici di tenuta e le tenute secondarie sono selezionati in base alla loro compatibilità con il fluido di processo, garantendo prestazioni di tenuta ottimali e longevità.

Gestione della pressione e della temperatura

Le tenute meccaniche sono in grado di funzionare in un'ampia gamma di pressioni e temperature. I componenti della tenuta, come le superfici di tenuta primarie, le tenute secondarie e l'hardware di supporto, sono progettati per resistere ai requisiti specifici di pressione e temperatura dell'applicazione. Nelle applicazioni ad alta pressione, i design delle tenute bilanciate sono spesso utilizzati per ridurre al minimo la forza di chiusura sulle superfici di tenuta, riducendo l'usura e prolungando la durata della tenuta.

Vantaggi dell'utilizzo di tenute meccaniche

Riduzione dei tassi di perdita

Uno dei principali vantaggi dell'uso di tenute meccaniche è la loro capacità di ridurre significativamente i tassi di perdita rispetto ai metodi di imballaggio tradizionali. L'interfaccia di tenuta dinamica creata dalle facce di tenuta primarie riduce al minimo la fuoriuscita di fluido, garantendo un contenimento efficiente del fluido di processo. Questa riduzione delle perdite non solo migliora l'efficienza complessiva del sistema di pompaggio, ma riduce anche al minimo l'impatto ambientale e aumenta la sicurezza sul posto di lavoro.

Costi di manutenzione inferiori

Le tenute meccaniche offrono costi di manutenzione inferiori rispetto ad altri metodi di tenuta, come la guarnizione a premistoppa. I componenti di precisione e i materiali avanzati delle superfici di tenuta utilizzati nelle tenute meccaniche determinano una maggiore durata utile e una ridotta usura, riducendo al minimo la necessità di frequenti sostituzioni delle tenute. Inoltre, i ridotti tassi di perdite associati alle tenute meccaniche aiutano a prevenire danni ai cuscinetti e ad altri componenti della pompa, riducendo ulteriormente i requisiti e i costi di manutenzione.

Maggiore efficienza operativa

L'uso di tenute meccaniche contribuisce ad aumentare l'efficienza operativa nei sistemi di pompaggio. Mantenendo un ambiente di tenuta adeguato e riducendo al minimo le perdite, le tenute meccaniche riducono il consumo di energia e migliorano le prestazioni complessive della pompa. La tenuta efficiente fornita dalle tenute meccaniche aiuta anche a prevenire la contaminazione del fluido di processo, mantenendo la qualità del prodotto e riducendo il rischio di interruzioni del processo.

Longevità e durata

Le tenute meccaniche sono progettate per durare a lungo e durare a lungo, offrendo una vita utile estesa in applicazioni impegnative. I materiali di alta qualità utilizzati nella costruzione delle tenute, come carburo di silicio, carburo di tungsteno e plastiche ingegnerizzate, offrono un'eccellente resistenza all'usura e compatibilità chimica. Il design robusto delle tenute meccaniche, combinato con un'installazione e una manutenzione adeguate, garantisce prestazioni di tenuta affidabili per un periodo prolungato, riducendo i tempi di fermo e i costi di sostituzione.

Tipologie di Tenute Meccaniche

Sigilli singoli

Le guarnizioni meccaniche singole, note anche come guarnizioni a componenti, sono costituite da un singolo set di facce di tenuta che forniscono un'interfaccia di tenuta dinamica tra l'albero rotante e l'alloggiamento stazionario. Queste guarnizioni sono solitamente utilizzate in applicazioni con fluidi puliti e non abrasivi e condizioni di temperatura e pressione moderate.

Le guarnizioni singole possono essere bilanciate o non bilanciate, a seconda della distribuzione della pressione sulle facce della guarnizione. Le guarnizioni bilanciate hanno la stessa pressione su entrambi i lati delle facce della guarnizione, riducendo l'usura e prolungando la durata della guarnizione. Le guarnizioni non bilanciate hanno una pressione maggiore su un lato, il che può portare a una maggiore usura e a una minore durata della guarnizione.

Doppi sigilli

Doppie tenute meccaniche presentano due serie di facce di tenuta, che forniscono uno strato aggiuntivo di protezione contro le perdite. Lo spazio tra le due serie di facce di tenuta è riempito con un fluido barriera, che può essere un liquido o un gas. Il fluido barriera serve a lubrificare e raffreddare le facce di tenuta, nonché a impedire che il fluido di processo entri nell'atmosfera.

Le guarnizioni doppie sono comunemente utilizzate in applicazioni con fluidi pericolosi, tossici o costosi, dove le perdite devono essere ridotte al minimo. Possono anche essere utilizzate in applicazioni ad alta pressione o ad alta temperatura, dove una singola guarnizione potrebbe non fornire prestazioni di tenuta adeguate.

Guarnizioni pusher vs. non pusher

Le guarnizioni pusher, note anche come guarnizioni convenzionali, utilizzano un meccanismo a molla per mantenere il contatto tra le facce della guarnizione. La molla spinge la faccia della guarnizione rotante contro la faccia della guarnizione fissa, assicurando una tenuta stagna. Le guarnizioni pusher sono ampiamente utilizzate per la loro semplicità e convenienza.

Le guarnizioni non-pusher, come le guarnizioni a soffietto e le guarnizioni a soffietto metalliche, utilizzano un elemento flessibile per mantenere il contatto tra le facce della guarnizione. L'elemento flessibile, solitamente realizzato in materiali elastomerici o metallici, funge sia da molla che da guarnizione secondaria. Le guarnizioni non-pusher offrono prestazioni migliori in applicazioni con elevata eccentricità o disallineamento dell'albero, poiché l'elemento flessibile può adattarsi a queste irregolarità.

Guarnizioni a cartuccia

Le guarnizioni a cartuccia sono unità preassemblate che combinano tutti i componenti di una guarnizione meccanica in un singolo pacchetto facile da installare. Sono costituite dalle superfici di tenuta, dalle guarnizioni secondarie, dal meccanismo a molla e dall'hardware di supporto, tutti alloggiati in un singolo assemblaggio.

Le guarnizioni a cartuccia offrono diversi vantaggi rispetto alle guarnizioni a componenti, tra cui installazione più semplice, affidabilità migliorata e costi di manutenzione ridotti. Sono particolarmente utili nelle applicazioni in cui è richiesta una frequente sostituzione della guarnizione, in quanto possono essere installate rapidamente e facilmente senza la necessità di strumenti specializzati o competenze specifiche.

Sigilli divisi

Guarnizioni divise sono progettati per essere installati attorno a un albero senza la necessità di smontare completamente l'attrezzatura. Sono costituiti da due o più parti che possono essere assemblate attorno all'albero, rendendoli ideali per applicazioni in cui la sostituzione della tenuta deve essere eseguita rapidamente e con tempi di fermo minimi.

Le guarnizioni split sono comunemente utilizzate in apparecchiature grandi e costose come pompe, compressori e agitatori, dove lo smontaggio completo sarebbe dispendioso in termini di tempo e denaro. Sono utili anche in applicazioni in cui l'apparecchiatura non può essere facilmente spostata o accessibile, come nelle installazioni sotterranee o offshore.

Applicazioni delle tenute meccaniche

Olio e gas

Nel settore petrolifero e del gas, le tenute meccaniche sono utilizzate in pompe e compressori che gestiscono idrocarburi, fluidi di perforazione e altri mezzi di processo. Queste tenute sono progettate per resistere ad alte pressioni, temperature e condizioni abrasive comunemente riscontrate in questo settore. Le tenute meccaniche specializzate, come le tenute API 682, sono progettate per soddisfare i severi requisiti del settore petrolifero.

Elaborazione chimica

Gli impianti di lavorazione chimica si affidano a tenute meccaniche per contenere e prevenire perdite di vari prodotti chimici, solventi e reagenti. Queste tenute devono essere compatibili con i fluidi di processo e resistere alla corrosione, all'erosione e all'attacco chimico. Le tenute meccaniche doppie con fluidi barriera sono spesso impiegate per fornire un ulteriore livello di protezione contro le perdite e garantire la conformità alle normative ambientali.

Trattamento dell'acqua

Nelle applicazioni di trattamento delle acque, le tenute meccaniche svolgono un ruolo cruciale nella tenuta di pompe e altre apparecchiature che gestiscono acqua, acque reflue e vari prodotti chimici di trattamento. Queste tenute devono essere in grado di resistere all'esposizione a cloro, acidi e altre sostanze corrosive, impedendo al contempo la contaminazione della fornitura idrica. Le tenute a cartuccia sono comunemente utilizzate in questo settore per la loro facilità di installazione e manutenzione.

Cibo e bevande

L'industria alimentare e delle bevande richiede tenute meccaniche che soddisfino rigorosi standard di igiene e sanificazione. Queste tenute devono essere progettate per prevenire la crescita batterica, resistere a frequenti cicli di pulizia e sterilizzazione e mantenere la purezza del prodotto. Le tenute meccaniche singole e doppie realizzate con materiali approvati dalla FDA, come acciaio inossidabile ed elastomeri speciali, sono ampiamente utilizzate in questo settore per garantire la sicurezza del prodotto e la conformità alle normative.