I dati di guasto d’impianto mostrano che probabilmente il 60-65% dei costi di manutenzione di pompe centrifughe è attribuibile a guasti delle tenute meccaniche.

La crescente pressione a ridurre i costi operativi di manutenzione ha portato sempre più a perseguire il miglioramento delle prestazioni delle tenute meccaniche. In passato, la limitata affidabilità di queste ultime (e le conseguenti fermate non programmate delle pompe) ha portato a dotare molti stabilimenti di pompe di riserva onde evitare una perdita di produzione in caso di arresto della pompa principale per fallimento della tenuta meccanica.

Parlando in termini di efficienza della tenuta e versatilità del’applicazione, l’impiego di tenute meccaniche ha rappresentato un significativo miglioramento su ogni altro sistema di tenuta. Uno sguardo ai cataloghi dei principali produttori internazionali fa pensare che molte tenute meccaniche dovrebbero poter operare senza perdite per decenni, purché la selezione sia stata effettuata correttamente.

La realtà però è molto differente: la tenuta meccanica rappresenta tutt’ora uno dei maggiori problemi legati all’affidabilità. Ammettendo che l’MTBF sia stato notevolmente incrementato con l’uso di materiali appropriati per le facce, le tenute rimangono un problema in quanto, nella maggior parte dei casi, non riescono a coprire il periodo tra due grandi fermate d’impianto (ovvero da 3 a 6 anni. Nel caso le tue tenute durino da Natale a Ferragosto…forse stai sbagliando il fornitore a cui affidare i tuoi impianti).

Il grosso problema è che oggigiorno (nel 2016!) ci sono ancora scarse informazioni sul comportamento e sulle prestazioni nel campo delle tenute meccaniche, in primis perché il personale di vendita dei principali costruttori è buttato sul campo a suonare campanelli come carne da cannone, senza avere una vera e propria esperienza alle spalle e senza aver mai installato o smontato una tenuta: ti mostrano il catalogo, bello eh, ma non sanno quale sia davvero l’esigenza dell’utilizzatore finale, finendo per appiopparti una tenuta (costosa) ma inefficiente. E allora il cliente, che non sa niente sulle tenute, pensa “Ma quanto è bella la mia cara e vecchia baderna in amianto? Quella sì che funzionava bene…!”.

Se sei su questo blog è perché magari sei alla ricerca di come poter fare durare di più le tue tenute meccaniche per evitare le perdite e i fermi impianto improvvisi nel tuo stabilimento, ovvero sei alla ricerca di valore, inteso come una soluzione chiavi in mano che ti permetta di produrre di più o che ti risolva un problema. Scopri come il nostro Service & Repair Center può esserti utile.

Negli anni 2000, l’ente britannico Bhra (British Hydromechanics Research Association, ora Bhr Group), condusse una ricerca in merito alla vita delle tenute meccaniche installate su circa 3.000 pompe centrifughe in tre distinti impianti di raffinazione del petrolio. Partiamo da questa ricerca per analizzare le prestazioni e vedere, inseguito, come migliorare la vita delle tenute.

Descrizione degli impianti

Impianto A

L’impianto è costituito da un grande complesso petrolchimico unito ad una raffineria. L’impianto comprende 2.600 pompe, tutte equipaggiate con tenute meccaniche. I guasti imputabili a queste ultime sono stati registrati dal sistema computerizzato di manutenzione dello stabilimento. La qualità dei dati è attendibile in quanto ogni tenuta fallita era analizzata e registrata dai tecnici di un team appositamente costituito per monitorare l’affidabilità dei macchinari rotanti dello stabilimento.

Impianto B

E’ la raffineria associata all’impianto A, che viene gestita dalla stessa società. In questo impianto sono in funzione circa 700 pompe centrifughe, equipaggiate tutte con tenute meccaniche. Anche qui tutti i guasti sono registrati in formato digitale.

Impianto C

Si tratta di una moderna raffineria: la quantità di greggio trattata è però circa la metà di quella dell’impianto A. la maggior parte delle tenute meccaniche installate in questo impianto sono in grafite contro carburo di silicio o tungsteno. In questa raffineria sono presenti circa 900 pompe equipaggiate con tenute meccaniche. la maggior parte delle tenute meccaniche installate su pompe di processo (> 95%) sono fornite da un unico produttore. Questo impianto ha un accordo di collaborazione con il distributore locale di tenute che comprende l’esame, la ricerca e la risoluzione dei problemi delle stesse.

I principali fluidi pompati, che sono alla fine riconducibili a molte altre tipologie industriali, sono:

  • Idrocarburi (Lpg, benzina, idrocarburi pesanti)
  • Acqua (acqua dolce, sour water)
  • Acidi (fluoridrico, solforico)

Analisi dei guasti

Breve periodo (< 50 giorni)

In questo lasso di tempo, fallisce tra il 4% ed il 20% delle tenute meccaniche! le cause prevalenti sono l’imperfetto allineamento dell’albero (revisione errata o superficiale della pompa centrifuga), avaria nel sistema di lubrificazione o impaccamento della tenuta.

Il disallineamento dell’albero si riflette nel minor tempo a manifestare cedimento per fatica nelle tenute a soffietto metallico, eccessiva usura della tenuta secondaria (nelle doppie) e affaticamento delle molle.

Guasti al sistema di flussaggio avvengono più frequentemente all’avviamento come risultato di un bloccaggio (es. prodotto che solidifica) o per procedure non corrette di installazione della pompa.

Infine, l’impaccamento (hang-up) è il risultato di cristallizzazione o di depositi che accumulandosi sotto la faccia ne impediscono il normale movimento flottante durante il funzionamento.

Medio periodo (da 50 a 300 giorni)

I gusti di medio periodo (principalmente rottura delle facce) sono imputabili ad affaticamento termico e meccanico dei materiali. La quasi totalità delle tenute a contatto con idrocarburi (circa il 96%) e con acqua dolce (90%) collassa nel medio periodo. Per le tenute in servizio su acidi il risultato è molto simile alle precedenti.

Lungo periodo (> 300 giorni)

Quando una tenuta meccanica presenta una curva di vita ideale possiamo aspettarci che il guasto di lungo periodo corrisponda all’usura fisiologica delle parti. E’ ben noto che solo una minima parte delle tenute meccaniche si usuri nel normale servizio (dal 2% al 10%).

Relazione tra causa di guasto e vita tenuta

Per quanto riguarda l’impianto A, dove sono installate il maggior numero di pompe, sono state trovate 12 cause prevalenti di guasto:

  1. Impaccamento da depositi carboniosi
  2. Impaccamento da cristallizzazione
  3. Disallineamento delle facce di tenuta
  4. Guasti al sistema ausiliario (quench, raffreddamento, flussaggio)
  5. Errata compressione delle molle
  6. Guasto di componenti esterni (es. molle)
  7. Funzionamento a secco
  8. Guasto alla tenuta secondaria
  9. Guasto ad un componente della tenuta (escluse facce o tenuta secondaria)
  10. Particelle metalliche inglobate nella faccia in carbone
  11. Carbone fortemente usurato (oltre 4 mm)
  12. Attacco chimico

Disallineamento ed impaccamento da accumulo di particelle sono le cause più frequenti di breve vita (< 50 giorni) delle tenute meccaniche.

L’impaccamento dovuto ai depositi carboniosi e alla cristallizzazione è una causa significativa dei guasti sul medio periodo (da 50 a 300 giorni). Il funzionamento senza lubrificazione (a secco) è stata la causa principale di guasto nell’impianto A (20% dei guasti). La maggior parte di queste avarie (70%) sono accadute nel medio periodo. I dati inoltre mostrano che guasti per funzionamento a secco all’avviamento sono piuttosto rari, cioè il funzionamento a secco per brevi istanti non è determinante al guasto mentre lo è una lunga esposizione a tale situazione.

Nel lungo periodo le tenute meccaniche sono soggette più facilmente a fallimenti per cause esterne alla tenuta oppure al fallimento dell’elemento di tenuta secondario (es. o-ring) per fenomeni di continue sollecitazione dovute magari all’alta temperatura.

Relazione tra vita tenuta e materiali di facce

Le schede dell’impianto A forniscono dettagli anche sui materiali delle facce delle tenute così che è stato possibile collegare gli stessi alla vita della tenuta. I risultati mostrano in modo evidente che l’impiego di materiali appropriati può determinare un cambio fondamentale nella distribuzione dei guasti. Ad esempio, la combinazione Silicio/Silicio appare meno influenzata dal guasto all’avviamento.

Vita delle tenute nel moderno impianto C

I fallimenti delle tenute riscontrati nel periodo di avviamento dell’impianto (circa un mese) rappresentano il 7% del numero totale di guasti, che paragonato al risultato degli impianti A e B, è più più modesto. L’esperienza ha mostrato che la maggio r parte dei guasti alle tenute erano riconducibili ad errori di installazione o procedure non corrette di avviamento delle pompe. L’impaccamento delle tenute dovute a depositi è stato percepito come la causa primaria di fallimento delle tenute. Circa il 20% delle tenute dell’impianto C è fallito a causa di ciò in un arco di 12 mesi. Sicuramente si tratta di una situazione migliore rispetto a quella degli altri due impianti, dove la percentuale di guasti era del 50% dopo soli 7 mesi (500 ore di lavoro). Il guasto dopo i 12 mesi pare legato all’impaccamento (hang-up) della tenuta secondaria statica (o-ring) o da ragioni esterne alla tenuta, come il fallimento dei cuscinetti (evidentemente la revisione della pompa non è stata fatta bene…i cuscinetti non devono fallire così presto!). Una buona percentuale di tenute è durata più di 32 mesi (circa 23.000 ore) senza problemi: è quindi evidente che le tenute dell’impianto C abbiano operato in maniera più soddisfacente degli impianti A e B. L’MTBF è migliorato il modo significativo, il che sta a significare che i programmi di miglioramento (esame, ricerca cause, risoluzione dei problemi), che la nostra società attua da più di 20 anni a clienti di diverse tipologie industriali, portano sempre a risultati nettamente positivi. L’approccio corretto dovrebbe essere quello di analizzare ogni guasto con il costruttore delle tenute: abbiamo a disposizione case history ed ROI dove dimostriamo che un metodo del genere porta ad un aumento sostanziale dell’MTBF, testimoniando la validità dell’approccio al problema scelto dai nostri clienti.

Relazione tra tipo di tenuta e vita della tenuta

La maggioranza delle tenute meccaniche dell’impianto (il più moderno), circa l’80%, sono tenute singole, in linea con quanto avviene nei maggiori stabilimenti di produzione. Il restante 20% è equamente suddiviso in tenute meccaniche doppie e tenute tandem. La soluzione di una tenuta tandem è preferita nei servizi con idrocarburi leggeri anche se secondo la nostra esperienza, le tenute meccaniche tandem rappresentano una pessima scelta in qualunque caso, trattandosi di tenute singole adattate a lavorare da doppie. Le tenute doppie richiedono opportuni circuiti per assicurare la presenza del liquido di barriera in pressione. L’MTBF in funzione del tipo di tenuta è molto interessante: le tenute doppie risultano almeno due volte più affidabili delle tenute singole e quasi tre volte più affidabili delle tenute tandem. Le prestazioni delle tenute singole si stanno comunque avvicinando ad un livello di affidabilità decisamente buono.

Conclusioni

L’analisi in questione è stata fatta per identificare differenti modi di cause di guasto alle tenute in un ampio spettro di fluidi, riconducibili a diverse tipologie industriali. I dati alla mano (quindi non il Divino Otelma) hanno mostrato che ci sono caratteristiche ben distinte nella transizione da guasti da avviamento (entro i 50 giorni), a guasti prematuri e guasti per usura nel tempo.

Un dato interessante è quello che indica che le cause predominanti di guasto sono comuni a tutti i fluidi considerati. La situazione migliore si ha nell’impianto C, dove il fornitore di tenute meccaniche è parte integrante di un processo di miglioramento dello stabilimento: un partner tecnologico ed esperto sul campo in grado di analizzare e proporre soluzioni migliorative laddove sia richiesta una maggiore affidabilità. Anche perché, parlandoci chiaro, le tenute meccaniche sono nate per sopperire alle perdite fisiologiche delle baderne, ovvero una tecnologia di 150 anni fa. Molti costruttori di tenute di basso livello hanno fatto rimpiangere la “stoppa” (quando una tenuta meccanica perde…perde! Non si può registrare come una baderna).

Per concludere, o meglio per iniziare, oggi la continua ricerca permettere di installare soluzioni innovative ad alto contenuto tecnologico che permettono di eliminare per diversi anni le problematiche legate alle perdite di una pompa centrifuga. Il tutto unito ad una rigorosa revisione dell’equipaggiamento, senza la quale anche le migliori tenute possono fallire prematuramente.