Alcune idee sbagliate sulla selezione e sull'applicazione delle pompe centrifughe

L'acquisto di una pompa centrifuga di alta-qualità che soddisfi gli standard di produzione è semplicemente il punto di partenza, non l'obiettivo finale, per garantire un funzionamento del sistema senza problemi-a lungo termine. Se l'apparecchiatura non è progettata per essere compatibile con scenari applicativi specifici, anche i parametri prestazionali più impressionanti porteranno inevitabilmente a problemi di adattamento all'ambiente reale. Ogni pompa centrifuga ha il suo punto di funzionamento ottimale preimpostato e il campo di funzionamento consentito. Una volta che le condizioni operative effettive si discostano dai limiti di progettazione-in termini di portata, battente di aspirazione positivo netto (NPSH), caratteristiche del mezzo o metodi di avvio-e di arresto-minacceranno direttamente la stabilità idraulica, l'affidabilità meccanica e la durata di servizio dell'unità pompa.

Questo articolo, sulla base dell'esperienza pratica ingegneristica, spiegherà e chiarirà alcuni malintesi comuni nella selezione e nell'applicazione della pompa centrifuga per evitare che gli utenti prendano decisioni inadeguate nella selezione del prodotto e nell'applicazione.

 

 

• Alcuni malintesi comuni nella selezione dei prodotti

 

Maggiore è l'efficienza, meglio è

L'"efficienza" è l'indicatore fondamentale per misurare le prestazioni idrauliche di una pompa ed è anche il punto di partenza più diretto affinché gli utenti possano concentrarsi sui costi del consumo energetico. Tuttavia, se l'obiettivo di massimizzare l'efficienza della pompa viene perseguito unilateralmente, spesso è necessario scendere a numerosi compromessi in fase di progettazione, che potrebbero incidere sulla robustezza dell'apparecchiatura e sull'affidabilità del suo funzionamento a lungo-termine.

L’elevata efficienza, che si traduce naturalmente in un minore consumo energetico operativo, è sia un’aspettativa comune degli utenti che una forza trainante primaria dietro l’innovazione continua per i produttori di pompe. È considerato un "obiettivo" perché in condizioni operative critiche che richiedono un funzionamento continuo a lungo-termine, come l'energia nucleare, l'energia termica e gli impianti petrolchimici, la sicurezza e la stabilità (ovvero l'affidabilità) delle unità di pompaggio sono sempre fondamentali.

Il raggiungimento di un design ad alta-efficienza implica in genere diverse caratteristiche tecniche: giochi operativi più piccoli (anelli di usura, meccanismi di bilanciamento, ecc.), alberi della pompa più lunghi e flessibili, requisiti di tolleranza rigorosi e il profilo del percorso del flusso più uniforme possibile. Sebbene questi progetti migliorino in una certa misura l'efficienza idraulica, rendono anche l'attrezzatura più sensibile alla pulizia dei fluidi, alle fluttuazioni delle condizioni operative e all'allineamento dell'installazione, aumentando così la frequenza di manutenzione, innalzando le barriere tecniche e aumentando i costi dei pezzi di ricambio per gli utenti.

I produttori, in base al diverso posizionamento sul mercato e alle strategie di prodotto, hanno obiettivi diversi nelle loro filosofie di progettazione delle pompe: alcuni danno priorità all'efficienza energetica, altri considerano l'affidabilità come un principio fondamentale e altri perseguono una durata di servizio ultra-lunga in condizioni operative estreme. Negli anni '80, il mercato cinese della generazione di energia termica si sviluppò rapidamente, attirando numerosi fornitori di pompe per centrali elettriche di fama internazionale. La maggior parte dei produttori ha utilizzato la sicurezza e l'affidabilità come barriere tecniche, ma un'azienda straniera è entrata nel mercato con "la massima efficienza del settore" come vantaggio differenziante. Sebbene la sua efficienza misurata inizialmente fosse effettivamente superiore dell'1% - 2% rispetto ai suoi concorrenti, dopo la messa in servizio ha spesso subito incidenti dovuti alla rottura dell'albero e alla fine è stata espulsa dal mercato energetico cinese. Questo caso illustra profondamente che le pompe centrifughe non sono necessariamente migliori quanto maggiore è l’efficienza; una strategia di progettazione che sacrifica l’affidabilità a favore dell’efficienza equivale a bere veleno per dissetarsi in condizioni operative critiche.

 

Minore è l'altezza di aspirazione netta positiva (NPSH) richiesta della pompa, meglio è.

Per gli utenti, quanto più basso è il battente di aspirazione positivo netto (NPSHR) richiesto della pompa, tanto meglio, poiché ciò può ridurre significativamente l'altezza dell'installazione (ovvero, il battente di aspirazione positivo netto NPSHA) e ridurre efficacemente i costi di investimento.

Nella maggior parte dei sistemi di pompaggio, l'NPSHA tende a diminuire all'aumentare della portata, mentre l'NPSHR tende ad aumentare all'aumentare della portata. Pertanto, prima della progettazione del sistema, è necessario prendere in considerazione le raccomandazioni e l'esperienza applicativa del produttore della pompa e fornire un margine di sicurezza sufficiente all'interno di tutte le portate operative previste. Allo stesso tempo, nel determinare l'altezza di aspirazione positiva netta, l'acquirente e il venditore dovrebbero chiarire la relazione tra la portata minima continua stabile e la velocità specifica di aspirazione della pompa. Generalmente, la portata minima continua e stabile della pompa aumenta con l'aumentare della velocità specifica di aspirazione... Quando si seleziona la velocità specifica di aspirazione e il margine di sicurezza NPSH, è necessario considerare gli standard industriali esistenti e l'esperienza del produttore.

A parità di velocità e portata, minore è l'NPSHR, maggiore sarà la velocità specifica di aspirazione della pompa. Rispetto ai modelli di pompe con velocità specifiche di aspirazione inferiori, le pompe con velocità specifiche di aspirazione più elevate hanno maggiori probabilità di incontrare vibrazioni e rumori indesiderati e anche il campo operativo consentito si restringe. Per quanto riguarda l’impatto della velocità specifica di aspirazione sull’affidabilità operativa delle pompe centrifughe, i colleghi internazionali hanno una vasta esperienza nelle applicazioni ingegneristiche e hanno fornito limiti massimi per la velocità specifica di aspirazione, che possono essere utilizzati come riferimento nella scelta delle pompe. Tra questi, il limite per la velocità specifica di aspirazione specificato in UOP 5-11-7 [2] è stato ampiamente riconosciuto e applicato a livello globale e le sue disposizioni sono le seguenti: la velocità specifica di aspirazione della pompa non deve superare 13.000 (m3/h, giri/min m); quando il mezzo di pompaggio è acqua o una soluzione con un contenuto di acqua superiore al 50% e la potenza della girante monostadio della pompa supera 75 kW, la velocità specifica di aspirazione non deve superare 11.000 (m3/h, giri/min, m). Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, oggi, senza aumentare il diametro di ingresso della girante, ci sono molti modi per migliorare le prestazioni di aspirazione delle pompe centrifughe e anche il limite per la velocità specifica di aspirazione è stato aumentato di conseguenza. Dopo aver studiato i prodotti di molte aziende multinazionali (come EBARA, KSB, ITT, ecc.), l'autore ha scoperto che il tipo BB2, progettato utilizzando metodi di progettazione moderni (invece del metodo tradizionale di aumento del diametro di ingresso della girante), può raggiungere un limite di velocità specifico di aspirazione di circa 14.400 (m3/h, giri/min, m).

Pertanto, gli utenti non dovrebbero perseguire ciecamente un "NPSH3 basso" senza considerare le condizioni operative effettive. Dovrebbero invece collaborare con i produttori per lasciare un margine sufficiente e ragionevole tra il battente di aspirazione positivo netto dell'unità (NPSHA) e il battente di aspirazione positivo netto richiesto della pompa (NPSH3), valutando attentamente i rischi di stabilità operativa che potrebbero essere causati da un design con velocità specifica di aspirazione elevata.

 

Quanto più la velocità critica della pompa è lontana dalla sua velocità effettiva, tanto meglio è.

La velocità critica si riferisce alla velocità caratteristica alla quale un sistema di rotori risuona e il suo valore dipende dalla rigidità del rotore, dalla rigidità del supporto e dalla distribuzione della massa. Negli attuali processi di gara di ingegneria, a causa di un'eccessiva prevenzione dei rischi di risonanza, gli acquirenti tendono a richiedere che la velocità critica trasversale del primo-ordine sia il più lontano possibile dalla velocità nominale della pompa (ad esempio, i primi documenti di gara per le pompe convenzionali dell'acqua di alimentazione in isola nelle centrali nucleari richiedevano che "la prima velocità critica del sistema di alberi della pompa nell'acqua dovesse essere superiore al 125% della velocità corrispondente al suo punto di funzionamento nominale"). Qualche anno dopo questa percentuale è stata aumentata al 135%, e nell’ultima gara si è addirittura richiesto di raggiungere il 150%, pur rispettando gli attuali standard di efficienza energetica.

 

Dal punto di vista dinamico, aumentare la velocità critica fino a un punto lontano dal range di velocità operativa è del tutto fattibile, semplicemente aumentando il diametro dell’albero, accorciando la campata o aumentando la rigidità del supporto. Tuttavia, ciò porta inevitabilmente a un aumento del peso del rotore, a una maggiore difficoltà di bilanciamento e a un conflitto diretto con gli obiettivi di efficienza energetica: nelle stesse condizioni, maggiore è la velocità critica, più spesso è il sistema di alberi e maggiore è la perdita di attrito meccanico e la perdita di attrito del disco, il che significa una minore efficienza della pompa.

 

Pertanto, la scelta della velocità critica è essenzialmente un compromesso-tra "sicurezza dinamica" ed "economia idraulica". Il rapporto tra la velocità critica e la velocità nominale della pompa deve essere determinato razionalmente in base ai diversi tipi di pompa e alle condizioni operative.

 

Le pompe centrifughe possono gestire il flusso di gas-liquido a due-fasi.

Il funzionamento del gas disciolto delle pompe centrifughe prevede un flusso di gas-liquido a due-fasi altamente complesso, che è stato ampiamente studiato da ricercatori sia a livello nazionale che internazionale. L'esperienza ha dimostrato che con design speciali della girante (ad esempio, un coperchio posteriore della girante semi-aperto con un foro di ritorno vicino all'ingresso della girante sul canale di flusso della girante), le pompe centrifughe possono mantenere un funzionamento stabile anche con un contenuto di gas del 10% (in volume). Le normali pompe centrifughe possono gestire liquidi contenenti piccole quantità di gas (dall'1% al 2% in volume). La presenza di una piccola quantità di gas nel liquido può tamponare l'impatto del collasso delle bolle di cavitazione e ridurre il rumore, le vibrazioni e i danni da erosione associati. Tuttavia, quando il contenuto di gas raggiunge il 6%, le normali pompe centrifughe possono andare incontro a fenomeni di cavitazione e blocco del gas, con conseguente forte calo delle prestazioni (portata, prevalenza ed efficienza).

 

• Alcune idee sbagliate nell'applicazione

 

Consente il funzionamento a lungo-termine al di sotto della portata minima stabile e continua

Lo standard ANSI/API 610 definisce la portata minima continua-a stato stazionario (MCSF) come la portata minima alla quale una pompa può funzionare continuamente senza superare i limiti di vibrazione specificati nello standard. In altre parole, se una pompa funziona al di sotto di questa portata per un periodo prolungato, innescherà immediatamente una serie di processi fisici avversi, tra cui riflusso interno, cavitazione, forze radiali aggiuntive (specialmente osservate nelle pompe a singola-voluta) e aumento della temperatura del liquido. Questi possono quindi indurre una catena di modalità di guasto, come la deflessione dell'albero, l'usura dell'anello di usura, la separazione delle superfici terminali della tenuta meccanica e il surriscaldamento anomalo dei cuscinetti. Le conseguenze sono un aumento significativo delle vibrazioni meccaniche e del rumore, che può ridurre drasticamente la durata delle tenute meccaniche e dei cuscinetti o addirittura portare alla rottura dell'albero e a gravi danni al rotore e ai componenti accoppiati.

 

Nel funzionamento reale, sorgono due malintesi operativi comuni: in primo luogo, alcuni utenti, a causa della mancata comprensione del manuale di funzionamento e manutenzione durante la messa in servizio, credono erroneamente che le pompe centrifughe possano funzionare per periodi prolungati in qualsiasi condizione (anche al di sotto della portata minima stabile continua o addirittura a portata zero). In secondo luogo, alcuni utenti, a causa di un'incomprensione dei termini di garanzia, tentano di creare artificialmente condizioni operative estreme durante la fase di messa in servizio per verificare la "resistenza" dell'apparecchiatura. Tali operazioni costituiscono prove distruttive per le pompe centrifughe, causando potenzialmente non solo malfunzionamenti immediati ma anche lo sviluppo di difetti nascosti come cricche da fatica, e devono essere severamente vietate.

 

Avviare la pompa con la valvola di uscita completamente aperta significa avviare la pompa quando la valvola di uscita è completamente aperta.

In molti sistemi che richiedono un funzionamento continuo a lungo- termine (come i sistemi delle centrali elettriche), in genere vengono installate pompe di riserva e sono sempre pronte per l'avvio (la pompa è riempita con il fluido; i sistemi ausiliari come guarnizioni, acqua di raffreddamento e olio lubrificante sono operativi). Se la pompa principale si guasta, la pompa di riserva si avvierà automaticamente. Pertanto, la valvola di uscita della pompa deve essere aperta, comunemente nota come "avvio valvola aperta".

 

Molti acquirenti o utenti hanno un'idea sbagliata sull'avvio a valvola aperta: credono che significhi iniziare con la valvola di uscita completamente aperta. Questo non è corretto! "Avvio valvola aperta" significa in realtà iniziare con la valvola di uscita a una portata specificata (come la portata nominale). In genere, la portata che la valvola di uscita della pompa in un sistema può gestire è molto maggiore della portata nominale della pompa. Se la valvola di uscita è completamente aperta, la pompa funzionerà a una portata eccessivamente elevata, causando potenzialmente una serie di problemi come cavitazione, vibrazioni, sovraccarico del motore o mancato avvio dell'unità.

 

La procedura corretta è la seguente:In base alla curva delle prestazioni della pompa e alla curva di resistenza del sistema, preimpostare l'apertura della valvola di uscita su una posizione vicina alla portata di lavoro corrispondente, quindi regolarla con precisione- in base alle letture del manometro e dell'amperometro dopo l'avvio della pompa.

 

La tenuta a baderna può essere sostituita direttamente con una tenuta meccanica.

Prendendo come esempio la pompa centrifuga del tipo OH1/OH2, le differenze tra le tenute a baderna e le tenute meccaniche non risiedono solo nel tipo di tenuta ma anche nelle differenze fondamentali nella disposizione strutturale complessiva. Per le tenute a baderna, al fine di fornire spazio assiale sufficiente per ospitare la baderna, gli anelli di baderna, il premistoppa e un'area per un facile funzionamento manuale, i produttori di pompe devono posizionare la girante lontano dal cuscinetto, con conseguente aumento significativo della luce a sbalzo della girante L. Quando la pompa si avvia o l'albero si flette a causa della massima forza radiale, la baderna, grazie alla sua certa rigidità di supporto radiale, agisce oggettivamente come un cuscinetto ausiliario, diventando parte del sistema di cuscinetti e fornendo supporto.

 

La semplice rimozione della guarnizione di tenuta e la sua sostituzione con una tenuta meccanica senza ri-verificare la dinamica del rotore comporterà i seguenti rischi:

 

Mancanza di supporto:Le tenute meccaniche non possiedono la funzione di guarnizioni di tenuta come "parte del sistema di supporto dell'albero". Una volta che lo smorzamento e la rigidità forniti dalla baderna scompaiono, quando la pompa si avvia o l'albero si flette, la deflessione dell'estremità dell'albero può superare la capacità di inseguimento della tenuta meccanica, portando inevitabilmente alla separazione delle facce della tenuta, a perdite e a un'usura irregolare. Ciò riduce la durata dei componenti e potrebbe persino causare danni o guasti alle apparecchiature.

Interferenza spaziale:Il diametro interno del premistoppa (cavità di tenuta) in una tenuta a baderna è generalmente inferiore alla dimensione della cavità richiesta dalla tenuta meccanica. Questo spazio ristretto non è sufficiente affinché la tenuta meccanica utilizzi la forza centrifuga per espellere particelle solide dalla superficie di tenuta e inoltre non può fornire spazio di raffreddamento sufficiente, con conseguente surriscaldamento, coking o guasto prematuro della superficie di tenuta.

 

Pertanto, per le pompe centrifughe ad aspirazione finale, quando si considera il passaggio a una tenuta meccanica, è necessario prima eseguire una valutazione della dinamica del rotore per calcolare il rapporto L³/D⁴. Qui L è la distanza (pollici o millimetri) tra il centro del cuscinetto interno e il centro della girante; D è il diametro dell'albero (pollici o millimetri) sulla boccola della tenuta meccanica. Questo valore deve essere inferiore a 60 (unità USA), o inferiore a 2,0 in unità metriche, per essere considerato entro l'intervallo accettabile per la deflessione dell'estremità dell'albero della tenuta meccanica.

 

Consenti l'inversione

In molte applicazioni critiche di pompe centrifughe, gli utenti in genere richiedono che la pompa possa resistere a una rotazione inversa a breve-termine quando si verificano condizioni quali un guasto della valvola di uscita o un malfunzionamento della valvola di ritegno e che la velocità inversa consentita raggiunga la velocità nominale. Dal punto di vista del margine di coppia dinamica del rotore, ciò è teoricamente fattibile, a condizione che il diametro dell'albero, la connessione della chiavetta e il dado di bloccaggio vengano controllati rispetto alla coppia inversa di picco. Tuttavia, nelle applicazioni ingegneristiche pratiche, a causa dei vincoli derivanti da molteplici fattori quali costi, efficienza energetica, sicurezza e affidabilità, sistemi di tenuta meccanica e condizioni operative, è spesso difficile ottenere contemporaneamente prestazioni ottimali in avanti fornendo allo stesso tempo all'apparecchiatura una forte tolleranza inversa.

 

Inoltre, l'"inversione", come tipica condizione di guasto/incidente, spesso non è un evento isolato, ma è spesso accompagnato da una sovrapposizione di situazioni estreme:

Autoinversione inversa "Power Slip"-Inizio:Quando l'apparecchiatura perde potenza, la valvola di uscita non funziona correttamente e la pompa è in rotazione inversa ad alta- velocità, se l'alimentazione viene ripristinata improvvisamente in un breve periodo di tempo (ovvero, il motore accelera di nuovo), equivale ad avviare improvvisamente l'unità pompa durante il processo di rotazione inversa. In questo momento, il rotore della pompa sarà soggetto alla sovrapposizione vettoriale della coppia positiva e della coppia inerziale inversa e dovrà affrontare istantaneamente un carico d'urto pari a quasi il doppio della coppia nominale, che può facilmente causare la rottura dell'albero o lo strappo dell'elemento elastico del giunto.

Guasto al lavaggio della tenuta meccanica:Per le strutture di tenuta meccanica dotate di anelli di pompaggio (flusso a vortice), la direzione di pompaggio è strettamente unidirezionale. Durante il funzionamento inverso, l'anello di pompaggio potrebbe non riuscire a stabilire il flusso di lavaggio o addirittura generare un differenziale di pressione inverso, con conseguente interruzione del fluido di lavaggio della tenuta meccanica. Ciò, a sua volta, provoca attrito secco e fessurazioni termiche sulla superficie di tenuta, riducendo notevolmente la durata della tenuta meccanica. Pertanto, una volta invertita la pompa, la tenuta meccanica deve essere smontata e ispezionata dopo l'arresto e, se necessario, gli anelli di tenuta dinamici e stazionari devono essere sostituiti.

Guasto del meccanismo anti-allentamento:Se gli elementi di fissaggio sul rotore (come i dadi della girante e i dadi di bloccaggio dei cuscinetti) non hanno un design anti-allentamento affidabile (ad esempio, si basano esclusivamente sulla coppia di attrito senza una struttura di bloccaggio meccanico), la coppia di impatto istantanea generata dalla rotazione inversa può causare l'allentamento, lo spostamento o addirittura il danneggiamento delle parti.

 

• Riassumere

Sulla base dei rischi di cui sopra, si consiglia una strategia di controllo su più livelli: per condizioni operative non-critiche o per scenari critici in cui la rotazione inversa può essere evitata tramite l'interblocco del processo, non è consigliabile forzare le pompe ad avere tolleranza di rotazione inversa; per le pompe critiche che devono tollerare la rotazione inversa, l'indice di coppia inversa deve essere chiaramente specificato in fase di progettazione e il produttore deve condurre una verifica speciale della resistenza dell'albero e una certificazione anti-allentamento degli elementi di fissaggio per garantire un margine di sicurezza.

 

La razionalità della scelta e dell'applicazione della pompa centrifuga determina direttamente il-costo del ciclo di vita e l'affidabilità operativa del sistema di pompa. Sulla base dell’analisi precedente, le conclusioni principali sono riassunte come segue:

• Una maggiore efficienza non è sempre migliore: i progetti ad alta-efficienza spesso comportano il sacrificio del gioco dell'anello di usura, del margine del diametro dell'albero e della levigatezza del canale di flusso. L’affidabilità dovrebbe avere la priorità in condizioni operative critiche.
• Un NPSH richiesto inferiore non è sempre migliore: un NPSH3 basso è solitamente accompagnato da un'elevata velocità specifica di aspirazione, che porta a un campo operativo più ristretto e a un aumento del rischio di vibrazioni. La selezione della pompa deve corrispondere all'NPSH del sistema e la velocità specifica di aspirazione deve essere limitata in base a standard quali UOP e HI.
• La velocità critica dovrebbe essere impostata in modo ragionevole, non aumentata ciecamente – L’aumento della velocità critica è correlato negativamente con l’efficienza energetica. Il margine di velocità critica per i rotori bagnati dovrebbe essere selezionato in modo ragionevole in base al tipo di pompa e agli standard (come API 610) per evitare una progettazione eccessiva-.
• Le normali pompe centrifughe hanno una tolleranza estremamente bassa ai mezzi gassosi: solo le pompe appositamente progettate possono gestire un contenuto di gas del 10%. Le pompe convenzionali subiscono un degrado delle prestazioni superiore al 2% e possono presentare un blocco dell'aria superiore al 6%.
• È severamente vietato il funzionamento prolungato al di sotto della portata minima stabile e continua: è necessario configurare misure di protezione del flusso minimo (come valvole di bypass o di ricircolo automatico).
• Avvio della valvola aperta-avvio ≠ avvio della valvola a uscita completa-avvio: il grado di apertura preimpostato deve corrispondere alla portata nominale per evitare sovraccarico e cavitazione. ● Le tenute delle baderne non possono essere sostituite direttamente con tenute meccaniche: è necessario eseguire i calcoli della deflessione del rotore (L³/D⁴) e valutare l'impatto dinamico delle modifiche alla struttura di supporto.
• La rotazione inversa deve essere gestita con cautela: non è necessaria a meno che non sia assolutamente necessaria; se necessario, dovrebbero essere eseguiti controlli di resistenza specifici e progettazioni anti-allentamento.
• L'acqua purificata industriale non è adatta come mezzo di raffreddamento per le pompe ad alta-temperatura: si consiglia acqua addolcita o vapore, mentre la gestione e la manutenzione della qualità dell'acqua dovrebbero essere rafforzate.

 

Solo abbandonando la mentalità di selezione isolata della "supremazia dei parametri" e stabilendo un quadro decisionale scientifico-di "adattamento del sistema, corrispondenza delle condizioni operative e compromessi sull'intero ciclo di vita" è possibile evitare fondamentalmente i suddetti malintesi e ottenere un funzionamento efficiente, stabile e di lunga-vita dei sistemi di pompe centrifughe.