Considerazioni di progettazione per i seggi degli alberi in ambienti pericolosi

In ambienti pericolosi, dove sono presenti gas infiammabili, sostanze chimiche corrosive, polveri esplosive o temperature estreme, le richieste sui sigilli degli alberi si intensificano notevolmente. Un guasto di tenuta può causare perdite catastrofiche, incendi, esplosioni o riduzioni tossiche, personale in pericolo, condizioni di funzionamento e l'ambiente.

Comprendere ambienti pericolosi

Gli ambienti pericolosi sono definiti dalla presenza di sostanze che possono causare danni, che sono tipicamente classificati in base a standard internazionali come ATEX (EU) o IECEx (global) per atmosfere esplosive, nonché classificazioni di aree in standard come NFPA 70 (NEC) o API RP 500/505.

Gas e vapori infiammabili[ (ad esempio, idrogeno, metano, solventi) — Questi possono formare miscele esplosive quando mescolate con aria in determinate concentrazioni.
Popolvere combustibili[] (ad esempio, carbone, grano, polveri metalliche) — Anche strati di polvere fini possono accendere se disturbati.
Prodotti chimici corrosivi e tossici[] (ad esempio, acido solforico, cloro, ammoniaca) — Questi materiali di tenuta di attacco e pongono rischi per la salute.
Le temperature estreme[] (alti e bassi) — I guarnitori devono mantenere l'integrità in un ampio range termico.
Alta pressione e le slurries abrasive[[] — Questi accelerano l'usura e riducono la durata della tenuta.

Per esempio, le guarnizioni in atmosfera esplosiva richiedono spesso un contenimento secondario o un design a secco per prevenire l'accensione, mentre quelle maneggevoli hanno bisogno di materiali chimicamente inerti. Capire la natura esatta dell'ambiente - compresi gli estremi di temperatura, il ciclismo a pressione, le vibrazioni e la presenza di molteplici pericoli - è il primo passo nella progettazione di un sigillo affidabile dell'albero.

Considerazioni chiave di progettazione

Selezione dei materiali

La compatibilità dei materiali è forse il fattore più critico nella progettazione di guarnizioni per ambienti pericolosi. Il viso di tenuta, i guarnizioni secondari (O-rings, guarnizioni), e i componenti strutturali devono resistere all'attacco chimico, al gonfiore, all'embrionamento e al degrado termico.

Pasi di tenuta:[ Carbon grafiite (autolubricante, buona conducibilità termica), carburo di silicio (estremamente duro, resistente alla corrosione), carburo di tungsteno (forte, alta resistenza all'usura), e ceramica (allumina, zirconia) per servizi corrosivi.
Elastomers:[ FKM (Viton) per una resistenza chimica moderata; FFKM (Kalrez, Chemraz) per sostanze chimiche aggressive e temperature elevate; EPDM per vapore e alcuni acidi; HNBR per ambienti petroliferi con particelle abrasive.
Componenti metallici:[ Hastelloy, Monel, titanio o acciaio inossidabile duplex per la resistenza alla corrosione. Le molle e i perni di azionamento devono essere realizzati con materiali non trasparenti (ad esempio, bronzo o rame di berillio) in zone a gas esplosivo.
Coatings and platings:[] Rivestimenti in carbonio (DLC) o carburo di tungsteno su facce di tenuta per ridurre l'attrito e l'usura, soprattutto in funzionamento a secco o intermittente.

I produttori spesso forniscono grafici di compatibilità, ma è consigliabile verificare il mondo reale in condizioni di processo reali. Ad esempio, una soda caustica calda di tenuta può eseguire bene in un laboratorio ma non riescono rapidamente a causa di cloruri di traccia o picchi di temperatura.

Meccanismo di sigillamento

La scelta del meccanismo di tenuta dipende dalle condizioni operative (pressione, velocità, temperatura), dalle proprietà fluide (viscosità, pressione del vapore, pulizia), e dalla classificazione dei rischi.

Sigla meccanica

I sigilli meccanici sono la scelta più comune per gli alberi rotanti in pompe, compressori e agitatori, costituiti da una faccia rotante e da una faccia stazionaria, pressata insieme da una molla e da una pressione idraulica.

Sigilli doppi o tandem: Due coppie di tenuta con un fluido tampone intermedio (spesso un liquido neutro o un gas). Una doppia tenuta con un fluido di barriera pressurizzato fornisce uno strato di sicurezza: se il guarnizione primaria non riesce, la tenuta secondaria contiene la perdita, e la pressione del fluido di barriera impedisce perdite di prodotto pericoloso all'atmosfera.
Guarnizioni di gas (salsicce di gas secco):] Usate nei compressori che gestiscono gas infiammabili. Questi utilizzano un gap controllato con scanalature a spirale per creare un sigillo non contaminante. Eliminano perdite (escluso minimo), evitano la contaminazione del prodotto e operano senza un sistema di supporto per fluidi di barriera liquida.
Split sigilli:[] Progettato per una facile manutenzione senza smontare l'apparecchiatura. Sono utili in aree pericolose dove vincoli di spazio o di tempo limitati rendono la sostituzione della guarnizione pericolosa.

Sedili di labbra

Le guarnizioni delle labbra (salsicce dell'albero radimentale) sono più semplici e più economiche ma meno efficaci sotto pressione o temperatura elevata. In ambienti pericolosi, i fochetti delle labbra sono limitati a applicazioni a bassa pressione, a bassa velocità e tipicamente richiedono un labirinto secondario o un sigillo di contatto per fornire una barriera ridondante. Non sono consigliati per atmosfere esplosive a meno che non facciano parte di un sistema di contenimento ben progettato.

Selazioni magnetiche

I sigillanti magnetici utilizzano campi magnetici per mantenere il contatto tra le facce senza molle, offrono perdite basse e lunga durata ma sono sensibili alla contaminazione particolata. I sigilli magnetici possono essere utilizzati in piccole pompe o miscelatori che maneggiano fluidi puliti, ma non hanno la capacità di sigillatura di emergenza inerente di doppie guarnizioni meccaniche.

Imballaggio (imballaggio della compressione)

Mentre l'imballaggio tradizionale di compressione è raramente preferito in ambienti pericolosi a causa di perdite e usura più elevate, è ancora utilizzato in alcune apparecchiature legacy. Quando utilizzato, l'imballaggio deve essere scelto con attenzione per basse emissioni (ad esempio, grafite o PTFE-based) e monitorato da vicino.

Caratteristiche di sicurezza

Oltre al meccanismo di sigillatura primaria, le funzioni di sicurezza aggiuntive sono essenziali in ambienti pericolosi per prevenire o mitigare i guasti.

Contenimento antiesplosione:[ Alcuni disegni di tenuta meccanica includono un robusto alloggiamento metallico che può resistere ad un'esplosione interna (ad esempio, in una tenuta a secco che può accendere il gas).
Contenimento secondario (gole in legno, sistemi di fluido tampone): Una camera di contenimento dietro la guarnizione primaria con una porta di quench (per il raffreddamento o il lavaggio) o un sistema di fluido tampone pressurizzato.
Rilevamento e monitoraggio del contatto:[ I sensori come interruttori di pressione, contatori di flusso, rilevatori di gas o sensori di temperatura nel sistema di fluido tampone possono avvisare gli operatori di una perdita primaria di tenuta.
Controlli di temperatura e pressione:[[] Attiva automaticamente l'arresto se la temperatura del viso di tenuta supera un limite sicuro (fonte di accensione potenziale).
Componenti non distruttivi:[ In zone con gas infiammabili o polvere, tutti i componenti di tenuta (compreso alloggiamento, perni di trasmissione e molle) devono essere realizzati con materiali non trasparenti per eliminare una potenziale fonte di accensione.
Capacità di stiratura (per disturbi): Alcuni sigilli sono progettati per funzionare a secco per brevi periodi (ad esempio, utilizzando facce in carburo di silicio con scanalatura speciale). Questo è prezioso se la pompa perde aspirazione o il processo lampeggia fluido.

Queste funzioni di sicurezza devono essere integrate nel sistema di sicurezza generale delle apparecchiature (ESD, antincendio e rilevamento del gas) e conformi a standard quali API 682, ISO 21049 (per guarnizioni), e IEC 61508/61511 (sicurezza funzionale).

Considerazioni di temperatura e pressione

Le temperature estreme influiscono sulla resistenza del materiale, sull'espansione termica e sulla lubrificazione. I sistemi devono gestire sia la temperatura di esercizio che le possibili escursioni (ad esempio, durante l'avvio o i disturbi di processo).

Le alte temperature (sopra 200°C) richiedono guarnizioni in metallo per evitare guarnizioni elastomeriche o grafite flessibili. I materiali facciali non devono subire fessure termiche di stress (ad esempio, evitare carburo di silicio nelle applicazioni di shock termici, utilizzare carburo di tungsteno invece).
Le temperature criogeniche (sotto -50°C) richiedono materiali che rimangono duttili (ad esempio, acciai inossidabili, PTFE o leghe speciali). Gli elastomeri diventano fragili; utilizzano guarnizioni in metallo-to-metal o guarnizioni in PTFE ad energia solare.
Le alte pressioni (sopra 20 bar) richiedono robusti disegni di tenuta con forze di chiusura più elevate, geometrie bilanciate per ridurre il carico del viso, e robuste maniche o alloggiamenti.
Le variazioni di pressione e temperatura cicliche causano movimenti di faccia e influenzano il tracciamento della tenuta. Utilizzare guarnizioni con montaggio flessibile (ad esempio, facce supportate da O-ring) e garantire il design di bloccaggio consente l'espansione termica senza alterare la tenuta.

Lubrificazione, raffreddamento e fluido

In ambienti pericolosi, il sistema di supporto della guarnizione è così critico come il sigillo stesso. La corretta lubrificazione e raffreddamento impediscono il surriscaldamento del viso, che può portare a vaporizzazione, carbonizzazione, o accensione di fluidi infiammabili.

Plan 11/12/13 (API piani di tubazione): Semplice scarico dalla pompa alla camera di tenuta, utilizzata per fluidi puliti.
Plan 32 (acqua esterna):[] Fluidi puliti iniettati nella camera di tenuta quando il fluido di processo è sporco o abrasivo. Il fluido di scarico deve essere compatibile con il processo e non creare un pericolo.
Plan 53B/53C (con guarnizioni doppie con fluido di barriera pressurizzato): Un fluido di barriera ad una pressione maggiore del processo impedisce la perdita del prodotto. Il fluido di barriera è spesso un liquido pulito e neutro (acqua, glicole) che viene monitorato per la contaminazione.
Plan 62 (quench):[] Un flusso di fluido a bassa pressione oltre il lato atmosferico della tenuta per raffreddarlo e diluire qualsiasi perdita.
Giacche di raffreddamento o scambiatori di calore:[[]] Richiesto per applicazioni ad alta temperatura per mantenere la temperatura del fluido di barriera sotto limiti di sicurezza (tipicamente inferiore a 80°C per fluidi di barriera organici).

Tutti i componenti del sistema di supporto (cavalli, tubazioni, refrigeranti) devono essere adeguati per la valutazione della zona e compatibili con il fluido sigillato. In atmosfere esplosive, i sistemi di fluido barriera devono essere progettati per prevenire le sovratensioni che potrebbero rompere i sigilli o creare spray.

Installazione e manutenzione

Anche il sigillo più progettato non mancherà se installato o mantenuto in modo improprio. In ambienti pericolosi, l'installazione deve essere eseguita da tecnici certificati seguendo procedure rigorose:

Cleanliness:[ Qualsiasi contaminazione (sporchi, particelle estere) può causare un guasto precoce.
Allineamento di precisione:[] Correzione dell'albero, disallineamento angolare e il gioco del cuscinetto deve essere all'interno delle tolleranze del produttore di tenuta.
Lubrificazione durante l'avvio:[ Alcuni sigilli hanno bisogno di un pre-lubo o di un filo prima che la pompa inizi a prevenire danni da corsa a secco.
Monitoraggio della conversione:[ Controllo regolare dei livelli di fluido barriera, usura del viso, velocità di fuga e vibrazioni.
Gestione dei pezzi di ricambio:[[] Mantenere cartucce di tenuta certificate a portata di mano per una rapida sostituzione. In zone esplosive, non mescolare mai componenti da diversi fornitori o alterare la geometria del sigillo.

Compliance e Standard

La progettazione di guarnizioni per ambienti pericolosi richiede l'adesione a normative internazionali e standard del settore.

Direttiva AATEX 2014/34/UE:[ Per le apparecchiature utilizzate in atmosfera esplosiva all'interno dell'UE. I sistemi di alimentazione devono essere valutati per potenziali fonti di accensione (scinti meccaniche, superfici calde, scarichi elettrostatici) e contrassegnati con appropriati concetti di protezione (Ex h, Ex d, ecc.).
Serie IEC 60079:[] Standard globali per atmosfere esplosive, compresa la classificazione delle aree (Zone 0,1,2 per gas; Zona 20,21,22 per polveri) e livelli di protezione delle attrezzature (EPL Ga, Gb, Gc).
API 682 / ISO 21049:[[] Standard per sistemi di tenuta per pompe centrifughe e rotative, che definisce tipi di tenuta, sistemi e sistemi di supporto con specifiche esigenze per servizi pericolosi (Category 1,2,3 a base di gravità).
ISO 12623 (per guarnizioni meccaniche per agitatori): Applicabile per la miscelazione di vasi in processi chimici o farmaceutici.
OSHA 1910 (US): Gestione della sicurezza dei processi per le sostanze chimiche altamente pericolose; comprende requisiti per l'integrità meccanica dei sigilli.

Lavorando con un produttore di guarnizioni che detiene certificazioni come ATEX, IECEx e API Q1 assicura che la progettazione, il test e la documentazione soddisfino i livelli di sicurezza richiesti. EagleBurgmann e John Crane]] fornire risorse e guide di design estese per il servizio pericoloso.

Progettare le migliori pratiche

Basandoci sulle considerazioni sopra riportate, le seguenti migliori pratiche dovrebbero essere implementate quando si progettano guarnizioni per alberi per ambienti pericolosi:

Condurre un'analisi dei rischi:[] Identificare tutte le possibili modalità di guasto (ad esempio, blister per guarnizione, estrusione a O-ring, rottura a molla) e le loro conseguenze.
Seleziona una disposizione a doppia tenuta per tutti ma i servizi più sicuri: Una tenuta meccanica a doppia o tandem con un fluido a barriera pressurizzato riduce significativamente la probabilità di fuga e fornisce ridondanza incorporata.
Materiali di legno provati in un servizio simile:[ Riferimento NACE MR0175/ISO 15156 per ambienti corrosivi, e consultare i dati di prova dei materiali per resistenza chimica, espansione termica e proprietà meccaniche agli estremi di temperatura.
Incorpora un sistema di monitoraggio:[ Al minimo, includere un manometro e un interruttore di livello sul serbatoio del fluido della barriera.Per servizi critici, aggiungere monitoraggio continuo con arresto automatico su alta velocità di fuga o alta temperatura.
Progetto per l'accessibilità alla manutenzione:[] Utilizzare guarnizioni a cartuccia pre-assemblate e non richiedono alcuna regolazione del campo.
Garantire un corretto sistema di supporto:[ Il sistema di fluido barriera deve avere il corretto diametro di tubazione, materiali e pressione di valutazione. Verificare che il fluido di barriera non reagisca con il fluido di processo (ad esempio, fluido a base di acqua in un processo che forma acidi corrosivi se mescolati).
Comportamento dinamico del cliente:[] Conto per deflettori dell'albero, vibrazione e crescita termica. L'analisi degli elementi finiti (FEA) può aiutare a ottimizzare la tenuta di fronte a piattanza e carichi di molla.
Test prototipi sigilli in condizioni peggiori simulate:[ Includere ciclisti a pressione, rampe di temperatura e disturbi a secco per convalidare le prestazioni prima dell'implementazione del campo.
Documenta tutte le decisioni di progettazione e le caratteristiche di sicurezza:[ Fornire un chiaro file tecnico per la conformità normativa (documentazione ASSOX, certificato IECEx, ecc.) e per i futuri equipaggi di manutenzione.
Partner con produttori di guarnizioni esperti:[ Impegnato presto nella fase di progettazione per selezionare la migliore configurazione. Molti fornitori offrono supporto di progettazione, ingegneria delle applicazioni e servizio sul campo. Ad esempio, Flowserve] fornisce una linea completa di guarnizioni e sistemi di supporto per servizi pericolosi.

Conclusioni

I sistemi di controllo dell'albero, che si basano su un'analisi più approfondita, sono semplici componenti, sono barriere di sicurezza che devono essere eseguite senza problemi in condizioni estreme. La progettazione richiede un approccio sistematico che integra scienza materiale, dinamica dei fluidi, gestione termica e sicurezza funzionale.

Considerazioni di progettazione per i seggi degli alberi in ambienti pericolosi

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