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Gli operatori di turbine a vapore per uso generale affermano da tempo che le tenute ad anello in carbonio convenzionali soffrono di diverse carenze. Uno degli inconvenienti è l'usura del foro interno dell'anello, che aumenta gradualmente il gioco dell'albero e le perdite di vapore, per cui si rendono necessarie sostituzioni regolari (spesso addirittura quattro volte all'anno). Nonostante i loro svantaggi, gli anelli di carbonio rappresentano lo standard nelle tenute per turbine a vapore per uso generale. Poiché gli anelli di carbonio sono semplici da installare e hanno un costo di sostituzione inferiore a 1.000 USD per un set completo, il costo di mantenimento della tenuta ad anelli di carbonio può sembrare contenuto.

Tuttavia, vi sono ulteriori costi associati all'usura e alla potenziale rottura degli anelli di carbonio, tra cui i maggiori costi idraulici derivanti dalle perdite di vapore e dal degrado delle prestazioni dei cuscinetti, a causa della contaminazione dell'olio e delle temperature di esercizio più elevate.

Per gli operatori che cercano di ridurre le perdite di vapore e di aumentare l'affidabilità delle apparecchiature, sono disponibili sul mercato due principali alternative agli anelli di carbonio: le tenute meccaniche e la tenuta a spazzola mobile.

Tenute meccaniche

Le tenute meccaniche utilizzate nelle turbine a vapore per uso generale sono un derivato delle tenute a gas secco. Il profilo unico con scanalature a spirale su una delle superfici di tenuta attira il vapore, creando una diga di pressione che distanzia leggermente le superfici di tenuta rotanti e stazionarie, per un'interfaccia di tenuta a pellicola e senza contatto. La perdita risultante è estremamente bassa e viene misurata in parti per milione.

Con un design decisamente dissimile dagli anelli di carbonio convenzionali, la tenuta meccanica richiede importanti modifiche alla configurazione esistente del premistoppa di una turbina. Sulle turbine a vapore in cui la camera di vapore e i premistoppa sono componenti individuali, l'assemblaggio della tenuta meccanica può essere fissato ad entrambe le estremità della camera di vapore al posto dei premistoppa ad anello di carbonio. Sulle turbine in cui la camera di vapore e i premistoppa sono un pezzo unico, è necessaria una lavorazione importante per montare le tenute meccaniche.

Oltre alle rettifiche al premistoppa, l'albero della turbina può richiedere una modifica per fissare l'assemblaggio rotante della tenuta. La regolazione finale della tenuta meccanica richiede un attento allineamento con il rotore e l'involucro per assicurare che le superfici di tenuta rotante e stazionaria siano correttamente sigillate.

Il costo dell'hardware per un set di tenute meccaniche per sostituire i premistoppa di ingresso e di scarico può variare da 20.000 a 30.000 USD. In termini di hardware, installazione e costi di fermo macchina, una semplice rettifica alla tenuta meccanica può arrivare a costare più della metà del prezzo di una nuova turbina.

La vita utile di una tenuta meccanica è direttamente proporzionale alla qualità del vapore. Le tenute meccaniche funzionano meglio in condizioni di vapore secco e in cicli di lavoro continui, che mitigano la formazione di condensa. Anche in ambienti simili, le impurità del vapore si cristallizzeranno nel tempo nella diga di pressione, il che aumenterà la separazione delle superfici e le perdite.

I cicli di servizio intermittenti possono favorire la formazione di condensa all'interno delle linee del vapore, della camera di vapore e dei premistoppa mentre la turbina è a riposo.

Anche se gli operatori possono rimuovere la condensa dal sistema prima dell'avvio, i residui di condensa possono rappresentare un problema per la tenuta meccanica. L'infiammazione della condensa in un gas, meglio descritta come una piccola esplosione, può danneggiare irrimediabilmente le superfici della tenuta.

Tenute a spazzola mobile

Il secondo candidato per la sostituzione degli anelli in carbonio è la tenuta a spazzole mobili (FBS). La FBS combina la tenuta in carbonio con la tecnologia della tenuta a spazzola e un involucro formato da una leggera fascia in acciaio inossidabile. Questa tecnologia è progettata per resistere all'infiammazione della condensa, fornendo al contempo un tasso di perdita inferiore e più stabile.

In quanto tenuta mobile, la FBS tende a sopportare maggiormente le vibrazioni, i guasti ai cuscinetti e il movimento radiale rispetto ad altre opzioni. La tenuta a spazzola funge da tenuta dell'albero principale e si fa carico del vapore ad alta pressione. Fornisce una riduzione immediata della pressione mentre le setole filtrano gli agenti contaminanti del vapore, proteggendo gli anelli di carbonio a valle. L'anello di carbonio della FBS fornisce una tenuta delle superfici contro la parete del premistoppa o la piastra di separazione a valle.

Progettata per adattarsi nello stesso spazio di un anello di carbonio, la FBS rappresenta un sostituto diretto. La tenuta ha un design a componenti separati, con due segmenti uniti da una molla a elica cilindrica. Il suo assemblaggio autocentrante può eliminare la necessità di eseguire la procedura di allineamento coinvolta in alcune applicazioni.

Gli operatori addestrati nella sostituzione degli anelli di carbonio possono sostituire un anello di carbonio con una FBS, che dispone di solo due segmenti rispetto ai tre dell'anello di carbonio.

Con un aggiornamento completo della turbina a vapore alla tecnologia della FBS, che costa la metà e, talvolta, anche un quarto rispetto all'hardware e all'installazione della tenuta meccanica, la FBS rappresenta un'opzione più economica per molti operatori.

In base all'impianto, è necessario valutare quale candidato per la sostituzione dell'anello in carbonio soddisfa tutti i requisiti: idoneità alle condizioni operative, inclusi la qualità del vapore e il ciclo di lavoro; sufficiente riduzione delle perdite di vapore; migliore affidabilità; bassi costi di investimento e di manutenzione.

Informazioni sull’autore:

Peter Zanini è il direttore dello sviluppo commerciale e della linea di prodotti per le tenute a spazzola Inpro/Seal e della sua società madre, Waukesha Bearings Corporation. Ha una laurea in ingegneria meccanica conseguita presso il Worcester Polytechnic Institute. Per contattare il sig. Zanini, chiamare il numero 860-673-4096 o scrivere un’e-mail a pzanini@doverprecision.com.