Un viaggio più luNgo

Vol. 17 No. 1
R i v i s ta
d i t e c n o lo g i a
d e l l e T e n u t e
Un viaggio
più lungo
La Marina militare statunitense riduce i
costi grazie al retrofit (riconfigurazione)
della tenuta
A ritmo sempre più serrato
Più grande, più efficace, più veloce
Protezione delle tenute
Quattro tecnologie sussidiarie
Teniamo accese le luci
Affidabilità della rete dell‘energia
elettrica
Cover Story
Oltre
le aspettative
La Marina militare statunitense riduce
i costi di manutenzione operando un
retrofit con tenute non a
contatto Flowserve GX-200.
L
a Marina militare degli Stati Uniti aveva bisogno di
una soluzione valida per tutta la flotta ad un problema
che affliggeva le pompe a vite verticali utilizzate per
l‘erogazione di nafta, olio lubrificante e olio lubrificante idraulico
sulle cacciatorpediniere Spruance Classe DD 963, gli incrociatori Classe CG47 e le cacciatorpediniere Classe DDG. Le pompe
LOSP sono montate sulla vasca di raccolta, una geometria che può
causare il funzionamento a secco delle tenute, se il fluido scende
al di sotto dell‘asse centrale della pompa. Le tenute meccaniche
convenzionali dell‘OEM richiedevano la presenza di liquido tra
le facce di tenuta per ridurre la generazione di calore. In assenza
di liquido le facce di tenuta generano calore eccessivamente, con
conseguente degradazione della grafite, distorsione della planarità
e conseguente perdita dalla tenuta. In ultima analisi, le tenute dell‘OEM si guastavano prematuramente, e la manutenzione che ne
seguiva era costosa.
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“Su una nave della Marina”, spiega Bob Epperson,
ingegnere delle vendite Flowserve, “non è possibile
semplicemente sostituire le tenute: si deve anche riparare l‘intera pompa. Il fatto che le tenute esistenti si trovino
all‘interno della pompa dà luogo ad un tipo di manutenzione particolarmente costoso in termini sia di tempo
che di denaro”.
Per quanto le tenute meccaniche costino soltanto dai 300 ai 600 dollari, la loro sostituzione è un
processo da 25.000 dollari e, di solito, su ogni nave
devono essere sostituite, su base almeno annuale,
quattro pompe. Il costo della sostituzione di quattro tenute da 300 dollari l‘una può arrivare a 100.000 dollari.
La Marina aveva bisogno di ridurre la frequenza dei guasti
alle tenute, tagliare i costi di sostituzione e accelerare i tempi delle
operazioni. Gli sforzi della Marina hanno portato all‘ottenimento
di una tenuta così affidabile che non soltanto può essere riutilizzata,
ma ha anche una durata superiore a quella di altri componenti
della pompa, quali ad esempio le guarnizioni.
Difficoltà tecniche
La Marina utilizza numerosi tipi di pompe in diverse configurazioni, tenute e produttori di tenute. Perdita
zero è il requisito principale che una tenuta per la nafta deve
avere: un requisito che escludeva le tenute meccaniche a contatto
dell‘OEM. “Le tenute a contatto perdono e si guastano”, afferma
Rudy Hatala, responsabile del ciclo di vita alla NAVSSES (Navy
Ship Systems Engineering Station) di Filadelfia, in Pennsylvania.
“Per quante tenute a contatto abbiamo provato, e in configurazioni
diverse, tutte perdevano e tutte si guastavano. Dovevamo assolutamente individuare un‘alternativa, e non riuscivamo a trovare una
soluzione valida rivolgendoci ai nostri fornitori tradizionali. Flowserve non era a quell‘epoca uno dei nostri fornitori. La loro tenuta
non a contatto era interessante, ma Flowserve doveva dimostrare
Face to Face
In cerca di
‘aria vitale’
che avrebbe funzionato in modo affidabile”.
Le configurazioni delle pompe della Marina sollevavano non
poche difficoltà ingegneristiche. “Le pompe dell‘olio lubrificante
aspirano dalle vasche di raccolta che si trovano sotto le pompe”,
osserva Hatala. “Fermando le pompe il liquido scolava verso il
basso. All‘avvio delle pompe, le tenute meccaniche a contatto richiedevano un liquido che, semplicemente, non c‘era, e per questo
all‘avvio dovevano funzionare a secco e si guastavano. Avevamo
bisogno di una tenuta non a contatto e che non richiedesse la presenza di liquido”.
La tenuta non a contatto Flowserve scelta dalla Marina è la
GX-200, una tenuta doppia pressurizzata a gas realizzata con la
tecnologia Flowserve per facce non a contatto Advanced Pattern
Groove System. Un flusso attendibile di gas inerte di barriera elimina la necessità della presenza di un liquido per raffreddare le
facce di tenuta. Ciò evita la contaminazione di processo, riduce il
consumo di energia e offre zero emissioni di processo in un servizio
pericoloso. I soffietti metallici saldati eliminano il problema della
guarnizione dinamica, e la cartuccia compatta si adatta alle pompe
a camera di tenuta cilindrica compatibili con gli standard ANSI
e DIN.
“La Marina ci ha fornito le condizioni di laboratorio sotto le
quali dovevamo condurre i test”, racconta Epperson. “Abbiamo
sottoposto la tenuta GX-200 a prove di qualificazione shock e vibrazioni, e abbiamo quindi condotto una valutazione a bordo”. La
tenuta ha superato le prescrizioni tecniche di qualificazione della
Marina dopo che ha continuato a funzionare oltre il periodo di test
previsto, pari a 1.000 ore. La piena approvazione è stata concessa
cinque mesi dopo l‘inizio dei test a bordo.
Infine, i programmi dei veterani della Marina si sono espressi
sul costo del ciclo di vita delle modifiche. Le modifiche che superano i tre anni hanno una priorità inferiore rispetto a quelle il cui
ritorno dell‘investimento (return on investment, ROI) è inferiore
ai tre anni. La tenuta GX-200 forniva un ROI di meno di nove
mesi.
Pompe e guarnizioni di lunga durata
Circa il 50% delle tenute a gas non a contatto GX-200 sono
state installate su navi diverse della Marina militare. “Dall‘ottobre
2000 si sono verificati alcuni guasti alle pompe”, aggiunge Hatala.
“Abbiamo già riutilizzato sulle pompe sostitutive alcune delle tenute non a contatto GX-200, una cosa che la Marina militare non
aveva mai fatto. Per la Marina, poter riutilizzare una tenuta è una
cosa straordinaria”.
“Basta semplicemente rimuovere la tenuta GX-200 dalla pompa”,
Face to Face
A
nche se i risultati meritano lo sforzo, la sostituzione di
un gran numero di installazioni non è cosa da poco.
“Ogni nave e ogni equipaggio sono diversi gli uni dagli altri, e le
navi vengono gestite in modi diversi”, osserva Bob Epperson, ingegnere Flowserve addetto alle vendite. “Si tratta di circostanze
che influiscono su come viene trattata l‘installazione”.
Per assicurare il massimo dell‘affidabilità, la soluzione GX-200
adottata dalla Marina militare utilizza quella che chiamano “aria
vitale”: gas che supporta attrezzature vitali a bordo, come i sistemi
elettronici e di armi. Le interruzioni di disponibilità dell‘aria vitale
sono rare, e quando avvengono è raro che durino più di 20 minuti, e
comunque vi sono sistemi di accumulatori.
Per progettare un sistema di sostituzione a supporto delle tenute
GX-200, il reparto ingegneristico Flowserve ha esaminato i disegni
della nave per individuare i luoghi in cui era possibile ricavare due
prese e far correre i tubi. Una volta completati e approvati i progetti,
si dà avvio all‘installazione. Vengono rimossi gli oliatori e le vecchie
tenute, vengono montate le due prese e viene installato un pannello
del gas su cui sono indicati i siti di installazione delle nuove prese.
Una nuova piastra di adattamento sostituisce la vecchia piastra di
supporto. Viene quindi installata la stessa tenuta a gas, il tutto viene
riassemblato e l‘aria viene collegata. Il sistema viene quindi attivato
e testato per la pressione. Dopo l‘avviamento dei motori, un test delle operazioni verifica la performance e quindi l‘intero sistema viene
messo in servizio.
aggiunge Hatala, “smontarla, strofinarla, pulirla, riassemblarla e
rimontarla sulla pompa”.
La pressione del gas di barriera è normalmente più alta della
pressione nella camera della tenuta. “Perfino un‘avaria nel sistema
del gas di barriera non riesce a fermare la Flowserve GX-200”,
spiega Epperson. “In caso di perdita di pressione, la GX-200 funziona sotto pressione inversa. Si tratta di una conquista estremamente rilevante per una tenuta a gas doppia, una conquista che
previene i problemi. Sotto pressione inversa l‘olio che è penetrato
nella tenuta viene spurgato quando la pressione dell‘aria viene ristabilita. La tenuta non è danneggiata, e quindi la pompa continua
a funzionare”.
Rendere il sistema a prova di errore
La Marina militare affronta gli stessi problemi di personale e
di addestramento che affrontano i fabbricanti, e per tale motivo la
semplificazione ha la sua importanza. “Questo era un punto che
la Marina voleva verificare”, racconta Hatala. “Flowserve sa bene
che i metodi di test adottati dalla Marina vanno ben oltre il rigore:
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Cover Story
Da un capo all‘altro
della flotta
A
ll‘inizio del 2006 il modello Flowserve GX-200
non a contatto con perdite zero rispondeva a tutti i requisiti di qualificazione pertinenti del Naval
Sea Systems Command (NAVSEA). Più di 120 tenute sono state
installate su numerose navi e piattaforme di varie classi. La MACHALT 562 per l‘erogazione della nafta si applica alle pompe a
vite Warren 250 TS, mentre la MACHALT 579 per l‘erogazione dell‘olio lubrificante si applica alle pompe a vite Warren 575
TS. Il test operativo iniziale è stato effettuato sull‘incrociatore
USS Monterey per più di 500 ore sulle pompe per
l‘erogazione della nafta (Fuel Oil Service Pumps, FOSP) 1A e 2A. Le tenute sono state installate su quattro FOSP e su una pompa di erogazione dell‘olio lubrificante
(Lube Oil Service Pump, LOSP)
nell‘ottobre del 2000.
noi facciamo cose che uno
non potrebbe mai immaginare. Poiché molti giovani
marinai sono in modalità
di apprendimento, il nostro
modo di rendere il sistema a
prova di errore è disegnato e
inteso per mantenere le cose in
funzione senza richiedere che i nostri
marinai debbano sapere nulla a proposito
delle tenute non a contatto”.
La tenuta GX-200 offre la semplicità di installazione del design a cartuccia, e Flowserve ha messo a punto una
procedura snella di installazione. Grazie al fatto che i marinai dedicano meno tempo alla manutenzione delle pompe equipaggiate
con la tenuta GX-200, l‘equipaggio può essere assegnato a compiti
critici per il successo della missione di priorità maggiore. “Quando
addestriamo i marinai trattiamo l‘argomento della pompa e della
sostituzione della tenuta”, continua Hatala, “ma i marinai sono a
rotazione sulle navi entro un periodo di tre anni, e non ricordano necessariamente i dettagli di manutenzione che non utilizzano
spesso”.
Per semplificare l‘installazione i marinai seguono un‘attività
di manutenzione intermedia a terra (Shore Intermediate Maintenance Activity, SIMA). In un kit di modifica di macchinario preassemblato (preassembled machinery alteration, MACHALT) sono
contenuti tutti i pezzi necessari per installare una tenuta GX-200,
oltre a semplici istruzioni corredate di fotografie che illustrano ogni
passo da seguire.
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La Marina considera altamente affidabili le tenute Flowserve
GX-200; eppure, a volte si verificano delle perdite, e per motivi
sorprendenti. “La tenuta Flowserve era stata installata da due anni,
e le nostre vecchie tenute meccaniche si erano guastate in tre mesi”,
racconta Hatala a proposito di un viaggio fatto a San Diego per
eseguire indagini sulla segnalazione di una perdita. “Allora pensammo: ‘Beh, alla fine, il nostro primo guasto’. Ma la tenuta, invece, era a posto. Era la guarnizione ad essersi deteriorata”.
“Le guarnizioni non si erano mai deteriorate
prima”, continua Hatala, “Con le sostituzioni che avvenivano ogni tre mesi, non
rimanevano mai su una pompa
abbastanza a lungo da rovinarsi.
Adesso abbiamo bisogno di una
guarnizione migliore. Grazie
alla lunga durata della tenuta, stiamo identificando
nuovi problemi. Potremmo arrivare al punto in cui
avremo logorato una pompa prima di aver mai sostituito la sua tenuta. Questa ci
sembra essere la tendenza”.
Face to Face
Extremes
A ritmo sempre
più serrato
Poichè il settore pone maggiormente l‘accento
sui concetti di „più grande, più efficace, più veloce“,
Flowserve accetta la sfida
I
produttori di compressori stanno catturando quote di
mercato con la progettazione di apparecchiature che
operano a velocità sempre più elevate. Per assicurare l‘affidabilità sul campo nel mondo reale, essi muniscono le loro unità
di tenute meccaniche in grado di sopportare il calore.
Un‘attiva ricerca nel campo del design di tenute ad alta velocità presso lo stabilimento Flowserve di Temecula, in California,
ci mantiene in una posizione ben avanzata nelle tendenze del settore. In questo stabilimento ogni nuovo progetto di tenuta deve
provare il suo affidabilità sopravvivendo ad un regime rigoroso
di test condotti su uno dei due banchi di prova ad alta velocità
della società.
Il primo banco di prova, basato su una piattaforma di compressore Sundyne, è in grado di funzionare a circa 40.000 rpm e
di sviluppare una pressione di 1.500 psi. La seconda unità, basata
su una piattaforma Cooper, può operare a 80.000 rpm e sviluppare 1.500 psi di pressione.
Alcuni altri sviluppi messi a punto da Flowserve, e precisamente dalla fabbrica dedicata alla produzione di tenute per
compressori di Dortmund, in Germania, sono eccezionali. Ad
esempio, Flowserve ha messo a punto un prototipo di tenuta per
compressori per la Cooper-Joy Compressors che verrà utilizzato
nel settore del gas e del petrolio. Questa tenuta singola Gaspac
da 0,8750 pollici, Modello KZ-10, ha funzionato con successo ad
una velocità rotazionale di 60.113 rpm, mentre si trovava ad una
pressione di 50 bar (732 psig). Queste condizioni corrispondono
ad una velocità periferica di 215 m/s (707 ft/s, Mach 2-plus).
Ovviamente in questi progetti, in cui perfino il minimo squilibrio può risultare disastroso, viene lasciato poco spazio agli errori.
Per alleviare questi problemi, Flowserve equipaggia le sue tenute
ad alta velocità con una guarnizione di centraggio ingegnerizzata che mantiene la concentricità della tenuta senza danneggiare
l‘albero.
I produttori di compressori che portano avanti progetti per
velocità più elevate sanno che Flowserve è l‘unico fornitore di
tenute per compressori in grado di fornire un‘unità a cartuccia
collaudata a velocità che si avvicinano agli 80.000 rpm. Questa si
chiama affidabilità nel mondo reale!
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Ancillaries
Protezione delle tenute
Quattro tecnologie sussidiarie contribuiscono ad assicurare
che le tenute Flowserve rimangano in buono stato
I
l modo più facile per
spurgare le tenute meccaniche nella maggior
parte delle applicazioni di compressori è quello di utilizzare gas
pressurizzato ricavato dallo scarico
del compressore. L‘inconveniente
principale, naturalmente, è che il
gas della tenuta contiene ora gli
stessi contaminanti presenti all‘uscita del compressore. Considerata
l‘alta sensibilità di tutte le tenute
meccaniche a gas agli elementi
di contaminazione solidi e liquidi
trasportati nei gas per lo spurgo
delle tenute, Flowserve ha sviluppato un sistema di attrezzature
sussidiarie di pretrattamento dei
gas, ideate per la protezione delle
tenute contro la contaminazione.
La normale rotazione dell‘albero è sufficiente per mantenere
la sottile separazione tra le facce di
u n a tenuta a secco.
Quando l‘albero rallenta, tuttavia, il flusso attraverso il compressore diminuisce e il flusso del gas della tenuta può diminuire a livelli di insufficienza. Quando il flusso del gas della tenuta è troppo
basso, il gas di processo non trattato può contaminare la camera
della tenuta e le facce della tenuta possono venire in contatto,
macinando e pressando sulle superfici tutti i particolati.
L‘Ampliflow Gas Booster fornisce un flusso di gas della
tenuta pressurizzato, filtrato e pulito quando la velocità e il differenziale di pressione del compressore sono troppo bassi per tenere
separate le facce della tenuta. Anche a zero rpm, la tecnologia
Ampliflow fornisce un flusso di gas sufficiente per separare le
facce.
L‘utilizzo dello scarico del compressore per fornire il gas della tenuta è un progetto attuabile solamente se il gas di processo
è ragionevolmente pulito. In caso contrario qualsiasi liquido in
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sospeso e qualsiasi particolato
possono contaminare le facce
di tenuta. In risposta, il sistema
di condizionamento del gas
Flowserve Cleanpac elimina
questi problemi di contaminazione rimuovendo particolati
di dimensioni fino a 0,3 micron
e un volume fino al 10% di
blocchi di liquidi.
Le industrie petrolchimiche e petrolifere non utilizzano
l‘aria per spurgare le tenute a
gas non a contatto a causa di
problemi di infiammabilità. Il
gas preferito per proteggere le
tenute meccaniche in applicazioni che trattano idrocarburi e
gas infiammabili è invece l‘azoto. Tuttavia, la fornitura di una
scorta affidabile di materiale
inerte a postazioni remote può
dimostrarsi poco
pra- tica o addirittura impossibile a
realizzarsi. Per queste situazioni, Flowserve offre N2 Genpac, un
sistema modulare di separazione dell‘aria completamente strumentato, indipendente e basato su membrane. Questa tecnologia
concentra l‘azoto atmosferico in un flusso ad alta purezza adatto
alle tenute e alle forniture di gas di separazione.
L‘American Petroleum Institute promulga standard che raccomandano l‘uso di gas secco e riscaldato per la protezione delle
tenute meccaniche. Il traguardo è di mantenere un margine del
punto di rugiada di 20 °C (36° F). Il sistema di condizionamento
del gas Flowserve Drypac è dotato di un essiccatore refrigerato
per ridurre il punto di rugiada del gas della tenuta, e di un postriscaldatore per aumentare la temperatura del gas ad un livello
sufficiente da mantenere il margine. Il sistema Drypac integra entrambe le tecnologie Ampliflow e Cleanpac al fine di prolungare
la durata delle tenute a gas il più a lungo possibile.
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Response
Teniamo accese
le luci di casa
Le tenute ingegnerizzate superano infiniti cicli
per migliorare l‘affidabilità della rete dell‘energia
elettrica in California
L
a La centrale elettrica californiana Duke Energy
Moss Landing si trova a circa un miglio all‘interno
dal villaggio di Moss Landing, sulla costa più orientale della Baia di Monterey, a metà strada tra Monterey e Santa
Cruz in California. Come parte di una ristrutturazione della centrale, la Duke Energy installò nel 2002 tre compressori a due stadi
Atlas Copco Energas da 24.000 rpm per fornire gas naturale a
quattro turbine a gas. I compressori producono attualmente una
pressione di uscita compresa tra i 485 psi e i 500 psi, ma non sono
operativi in maniera continuativa. La norma è costituita da sei
o sette cicli settimanali di avvio/arresto del compressore, poiché
la centrale genera una quantità di energia che corrisponde alla
domanda.
Questo singolo aspetto dell‘operazione mise a fuoco un problema centrale del progetto. Le tenute del compressore sono
soggette alle normative vigenti in California che prescrivono
emissioni zero. E le tenute originali del compressore dell‘OEM
perdevano.
“L‘avvio e l‘arresto”, commenta Craig Hill, ingegnere assistente presso la Duke Energy, “costituivano il fattore chiave nelle
avarie delle tenute originali. Quando l‘albero si fermava si verificava un riflusso, con fuoriuscita del gas naturale. Riuscivamo
ad ottenere soltanto dalle 2.500 alle 3.500 ore di operatività tra
un‘avaria e l‘altra, mentre avremmo dovuto averne 50.000”. Il
tasso di avarie ci condusse a non meno di 17 sostituzioni delle tenute originali dell‘OEM che interessarono tutti e tre i compressori
in un periodo di poco superiore ai 18 mesi.
“L‘OEM della tenuta originale non offriva assistenza tecnica negli Stati Uniti”, aggiunge Hill. “Ci trovavamo di fronte ad
una rotazione di sei-otto mesi sulle nuove tenute e le riparazioni.
Questo ci costrinse ad avere un‘eccedenza di scorte delle nostre
tenute”. Per assicurare una disponibilità adeguata, la Duke immagazzinò un valore di quasi 250.000 dollari di tenute a cartuccia e di kit di riparazione.
La Atlas Copco supportò l‘indagine e l‘affannosa ricerca di
Face to Face
una soluzione alle perdite delle tenute. Una volta diradata la confusione, si stabilì che la causa presunta alla radice del problema
era la degradazione di un certo componente non metallico della
tenuta che ne contaminava le facce.
La Duke Energy conosceva già bene le tenute Flowserve utilizzate in altre applicazioni della centrale, e pertanto invitò Randy
Olson, proprietario della Sealtec Inc., il distributore locale della
Flowserve, a intervenire nella questione.
Olson si rivolse a John Marta, esperto di tenute per compressori senior della Flowserve di Littleton, in Colorado, che seguì gli
sforzi della società per la fornitura di una tenuta ingegnerizzata.
Fu quindi realizzata, appositamente per l‘albero e l‘alloggiamento del compressore Duke Energy 2,09-in., una doppia tenuta
contrapposta a gas Flowserve Gaspac “D” che non richiedeva
alcun‘altra modifica. La possibilità di riutilizzare il sistema di supporto della tenuta esistente ha costituito anch‘esso un fattore di
gran peso nel processo di selezione del design delle tenute.
Il paio di tenute originali su cui si operò il retrofit nel novembre del 2003 continua a funzionare senza avarie, quasi 30 mesi
dopo, e tutti i compressori sono oggi dotati di tenute Flowserve
Gaspac.
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