Cos’è una tenuta meccanica?

Questo articolo spiega cos’è una tenuta meccanica e le caratteristiche chiave di progettazione che ne consentono il funzionamento.

Concetti di base sulle tenute per pompe fluidi

Una tenuta meccanica è semplicemente un sistema per il contenimento dei fluidi contenuti all’interno di un serbatoio (normalmente, pompe, miscelatori, ecc.), in cui un albero rotante passa attraverso un alloggiamento stazionario o in cui, occasionalmente, tale alloggiamento ruota attorno all’albero.

Al fine di garantire la tenuta di una pompa centrifuga, la sfida principale consiste nel consentire all’albero rotante di accedere all'area “umida” della pompa, senza causare fuoriuscite di elevate quantità di fluido in pressione.

Per risolvere questo problema, è necessario installare una tenuta tra l’albero e l’alloggiamento della pompa, che sia in grado di trattenere la pressione di processo durante il pompaggio e resistere all'attrito causato dalla rotazione dell’albero.

Metodi tradizionali

Prima di procedere a illustrare il funzionamento delle tenute meccaniche, è importante capire quali sono gli altri metodi utilizzati per garantire la tenuta. Uno di questi metodi è quello basato su tenute a premistoppa.

Le tenute a premistoppa sono dotate di un cordoncino a fili intrecciati, come una fune, avvolto attorno all’albero, che ha il compito di riempire fisicamente lo spazio presente tra l’albero e l’alloggiamento della pompa.

Le tenute a premistoppa sono ancora comunemente utilizzate in numerose applicazioni. Tuttavia, un numero crescente di utenti sta passando alle tenute meccaniche per le seguenti ragioni;

• L’attrito generato dalla rotazione dell'albero usura la guarnizione con il passare del tempo, causando perdite di volume crescente che richiedono periodiche regolazioni o sostituzioni delle tenute.
• L’attrito prodotto dall’albero si traduce anche nella necessità di utilizzare grandi quantità d’acqua per raffreddare la tenuta.
• Queste tenute devono essere tenute pressate contro l’albero, al fine di minimizzare le perdite. Ciò significa che la pompa necessita di maggiore potenza per far ruotare l’albero, con un conseguente spreco di energia.
• Dato che la tenuta deve essere mantenuta a contatto con l’albero, l’attrito causerà la formazione di una scanalatura al suo interno, con la conseguente necessità di ricorrere a costose riparazioni o sostituzioni.

Le tenute meccaniche sono progettate per ovviare a questi svantaggi

Design

Una tenuta meccanica di base consta di tre punti di tenuta.

La sezione stazionaria della tenuta è inserita all’interno dell’alloggiamento della pompa mediante una tenuta statica, che può essere tenuta in posizione mediante un o-ring, o una guarnizione fissata tra la sezione stazionaria e l’alloggiamento della pompa.

^{(evidenziata in rosso in sezione sotto, con la sezione stazionaria raffigurata a sinistra e la sezione rotante a destra)}

La sezione rotante della tenuta viene fissata all’albero, normalmente mediante un O-ring. Anche questo punto di tenuta può essere considerato come statico, in quanto questa sezione della tenuta ruota in maniera solidale con l’albero.

La tenuta meccanica stessa rappresenta l’interfaccia tra la sezione statica e quella rotante del gruppo di tenuta.

Una parte del gruppo tenuta, indipendentemente dal fatto che si tratti di quello della sezione statica o quello della sezione rotante, è sempre saldamente fissato in posizione e spinto da una molla, per assecondare le ridotte flessioni dell’albero, i movimenti dell’albero causati dalle tolleranze dei cuscinetti e i disallineamenti di perpendicolarità causati dalle tolleranze di produzione.

Punti di tenuta

Mentre due punti di tenuta del sistema sono di tipo statico, la tenuta tra la sezione rotante e quella statica richiede una maggiore attenzione. Questa tenuta primaria rappresenta l’elemento di base che accomuna tutte le tipologie di tenute, ed è essenziale per garantire l’efficacia del sistema.

Essenzialmente, la tenuta primaria è rappresentata da un cuscinetto verticale tenuto in pressione mediante una molla. Tale cuscinetto è composto da due superfici piatte, una fissa e una rotante, che scorrono l’una sull’altra. Le facce della tenuta vengono tenute pressate mediante una combinazione di forza idraulica generata dal fluido idraulico e dalla forza della molla installata nel gruppo di tenuta. Tale sistema garantisce la tenuta, prevenendo le fuoriuscite di liquido di processo nel punto compreso tra la sezione rotante (albero) e quelle stazionarie della pompa.

Le superfici delle facce della tenuta sono lavorate in modo da garantire la massima planarità, che normalmente corrisponde a un valore di banda di luce all’elio compreso tra 2 e 3 (0,00003” / 0,0008mm).

Se le facce della tenuta ruotassero l’una contro l’altra senza alcuna lubrificazione, sarebbero soggette ad una rapida usura e alla conseguente rottura, a causa dell'attrito e della generazione di calore generati in corrispondenza del punto di interfaccia. Per questo motivo, è necessario adottare una qualche forma di lubrificazione tra l’area statica e quella rotante della tenuta; quest'area lubrificata è nota con il nome di film fluido

Il film fluido

Nella maggior parte delle tenute meccaniche, le lubrificazione delle facce viene ottenuta mediante una sottile pellicola di fluido frapposta tra le due facce della tenuta.  Questa pellicola lubrificante può essere prodotta sia dal fluido di processo pompato dal sistema oppure da una sorgente esterna.

La necessità di utilizzare una pellicola fluida tra le facce presenta alcune complessità progettuali, in quanto richiede il passaggio di una quantità di lubrificante sufficiente tra le facce di tenuta, senza però causare la fuoriuscita di quantità significative di fluido di processo, e senza consentire l’ingresso di sostanze contaminanti nel punto di interfaccia presente tra le due facce, in quanto ciò può causare il danneggiamento della tenuta.

Tale risultato viene ottenuto mantenendo una distanza precisa tra le facce, con uno spazio sufficiente a consentire il passaggio di una quantità sufficiente di lubrificante pulito, ma anche sufficientemente contenuta da impedire alle sostanze contaminanti di penetrare all’interno del punto di contatto tra le facce.

Normalmente, tale distanza tra le facce su una  tenuta tipica è pari a 1 micron, ossia una dimensione 75 volte più piccola rispetto al più sottile capello umano.  E dato che la distanza è così ridotta, le particelle potenzialmente dannose per le facce di tenuta non possono penetrare all’interno del sistema. Al contempo, la quantità di fluido lubrificante che riesce a fuoriuscire da tale spazio è talmente ridotta da essere rappresentata da vapore, in quantità pari a circa mezzo cucchiaino al giorno, con un utilizzo tipico.

Senza la pressione di separazione esercitata dal film fluido, le due facce sarebbero a contatto tra loro. In tal caso si verificherebbe un fenomeno noto come “scorrimento a secco”, che causa un rapido deterioramento e quindi il danneggiamento della tenuta.

D’altro canto, in assenza di pressione di processo (e senza la forza esercitata dalle molle), che tengono le facce pressate l’una sull’altra, queste tenderebbero a separarsi, generando un'eccessiva distanza tra loro e quindi consentendo al fluido di fuoriuscire.

La tecnologia che sta alla base delle tenute meccaniche è incentrata sulla longevità delle facce della tenuta primaria, attraverso l’impiego di lubrificanti di alta qualità e la selezione di materiali delle facce di tenuta adeguati al tipo di processo.

Perdite

Quando si parla di perdite, si fa riferimento alle perdite visibili di fluido dalle tenute. Questo fenomeno è possibile in quanto, come descritto in precedenza, le due facce sono tenute separate mediante un film fluido molto sottile. Mantenendo una distanza minima, si crea un percorso che consente la fuoriuscita di fluido, e ciò rende difficile garantire la totale ermeticità delle tenute meccaniche. Tuttavia, è possibile affermare che, a differenza delle tenute a premistoppa, il volume di perdite che caratterizza le tenute meccaniche dovrebbe essere talmente contenuto da non essere rilevabile ad un esame visivo.

In un recente caso di studio, è stato dimostrato che il passaggio dalle tenute a premistoppa a quelle meccaniche consente di ridurre il consumo d'acqua e i costi operativi.

Riepilogando,- perché conviene utilizzare le tenute meccaniche?

• Perché non sono presenti perdite “visibili” di fluido, in quanto le perdite sono ridotte e sottoforma di vapore, generato quando il lubrificante del film fluido entra a contatto con le facce di tenuta.
  • Se le perdite in vapore fossero raccolte e condensate, il volume di fluido fuoriuscito sarebbe pari a circa mezzo cucchiaino, con pressioni di funzionamento e temperatura normali.
• Le moderne tenute a cartuccia non danneggiano l’albero della pompa o il manicotto.
• Le manutenzioni quotidiane sono ridotte, in quanto le tenute sono dotate di molle interne che ne consentono la regolazione automatica con il graduale usurarsi delle facce.
• Le tenute sono dotate di facce leggermente sotto carico, che consumano quantità inferiori di energia rispetto alle tenute a premistoppa.
• Durante il normale funzionamento, la contaminazione dei cuscinetti viene ridotta, in quanto il lubrificante non viene influenzato dalle perdite e dall’attrito.
• In tal modo, le attrezzature risentono anche meno della corrosione, se il prodotto viene mantenuto all’interno della pompa.
• Questa tecnologia consente anche di creare tenute in grado di garantire la tenuta del vuoto, che normalmente rappresenta una sfida in quanto l’aria viene aspirata dalla pompa.
• La riduzione degli sprechi di prodotto si traduce in un risparmio di denaro; anche l’acqua è un bene sempre più costoso. Inoltre questa tecnologia richiede meno procedure di pulitura nelle zone interessate.

Come migliorare l'affidabilità della pompa

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