Validazione sperimentale della simulazione agli elementi finiti dei parametri operativi di un gruppo di tenuta

Retrofit Raffineria INA
30 Marzo 2018

1. INTRODUZIONE

Lo scopo di questa indagine è di stimare, tramite una analisi ad elementi finiti, i valori della coppia e delle perdite di tenuta doppia a cartuccia, per poi validarli con quelli ottenuti provando su di un banco strumentato il Gruppo stesso. Inoltre, si desidera sottolineare come i valori delle perdite, risultano influenzate da numerosi fattori operativi, come pressioni e temperature dei vari fluidi, per cui non è possibile parlare di valori univoci di queste, ma semmai di evidenziare dei campi di variazione.

Per le prove si è impiegato uno dei banchi, dotato di acquisitore dati, presenti nella sala prove della FLUITEN e di cui si riporta una fotografia.

FOTO DEL BANCO PROVA – FIG.1

Come Gruppo di Tenuta, si è scelto il GTP-16141-0000, composto da face to back pressurizzate, destinate al’ impiego su una pompa  nel campo dell’ oil & gas. La tenuta GTP è pressurizzata tramite un sistema a crudo di tipo API PLAN 53B modificato ed ingegnerizzato.

Condizioni reali di esercizio:

  • Diametri albero pompa: 140mm; step 120mm
  • Numero di giri: 993 RPM

Fluido di processo:

  • Pressione: 3,8 barG
  • Tipologia: Desalted Stabilised – Crude Oil

Fluido di barriera:

  • Massima pressione: 10,8 barG
  • Liquido barriera: ISO VG 32

Materiali degli anelli di tenuta:

  • Lato processo: carburo di silicio\Carburo di silicio (presenza di solidi abrasivi nei liquidi pompati)
  • Lato atmosfera: carburo di silicio\Grafite.

 

Le due tenute, lato processo e atmosfera risultano o simili tra di loro e le variazioni sono unicamente dimensionali, come si può vedere nella FIG. 2.

 

2. DESCRIZIONE DELLE PROVE

Condizioni di Prova

La necessità di equilibrare le spinte assiali sul banco rende necessario il montaggio di  due cartucce contrapposte ed unite tramite una cassa stoppa, appositamente costruita. La circolazione dei liquidi è assicurata tramite due distinte centraline, ciascuna dotata di pompa di circolazione e di scambiatore di calore, in modo da rimuovere la potenza dissipata per attrito dalle tenute e di contenere il riscaldamento dei liquidi.

Schema della circolazione

La circolazione del liquido barriera avviene in serie tra le due cartucce e l’uscita della prima coincide con l’ingresso della seconda, come riportato nella FIG. 3. 

Come fluido sia di processo che di barriera viene impiegato dell’olio tipo ISO VG32, le cui pressioni risultano le seguenti.

  • Pressione di processo: 3,8 barg
  • Pressione di barriera: 6,6 barg

Per quanto riguarda il numero di giri, lo si assume pari a quello di esercizio, cioè pari ai: 998 RPM

Rilievo temperature

L’acquisitore dati consente di registrare le temperature dei fluidi stessi e, questo, è di fondamentale importanza per definire le condizioni termiche di contorno agli anelli di tenuta, nella simulazione FEA.

Fluido di barriera

Si registra la temperatura in ingresso alla prima cartuccia ed in uscita alla seconda e l’incremento totale viene diviso, esattamente, tra le due.

Temperatura in ingresso LBI: 50 °C
Temperatura in uscita LBO: 88 °C
Delta medio per cartuccia: DT=(88-50)/2=19°C

Si può quindi ipotizzare una temperatura media della barriera tra le due cartucce, come indicato in TAB.1.

TAB.1 TEMP.   LBI    TEMP.LBO TEMP MEDIA
(°C) (°C) (°C)
CARTUCCIA 1    50    50+19= 69 60
CARTUCCIA 2    69    69+19= 88 79

Fluido simulante il prodotto

Viene monitorata la temperatura in ingresso alla cassa tenuta ed in uscita alla stessa, come da TAB.2

TAB.2 TEMP. LBI    TEMP.LBO TEMP MEDIA
(°C) (°C) (°C)
CARTUCCIA 1  50 50+19= 69 60

 

3. ANALISI AD ELEMENTI FINITI

Si impiega il software SEALHDNL, dedicato esclusivamente allo studio delle tenute meccaniche e sulla formazione del film liquido tra le facce striscianti. Brevemente, si elencano le fasi seguite, che sono le tipiche seguite in tutte le modellazioni FEA.

  • Disegno geometrico degli anelli di tenuta e suddivisioni in mesh di questi.
  • Definizione dei vari cari concentrati, come molle e spinte idrauliche, e loro punti di applicazione.
  • Definizione della distribuzione delle pressioni.
  • Definizione della distribuzione delle temperature.
  • Definizione della distribuzione dei fluidi.

Tutte grandezze significative sono riepilogate nella tabella FIG. 4 e TAB.3.

TENUTA LATO ATMOSFERA E LATO PROCESSO. FIG.4

Distribuzione e valori delle pressioni, delle temperature e dei fluidi impiegata nella schematizzazione FEA.

 TAB. 3 PRESSIONI TEMPERATURE FLUIDI
PI PO T1 T2 FL1 FL2
INTERNA ESTERNA INTERNA ESTERNA INTERNO ESTERNO
(barA) (barA) (C°) (C°)
CARTUCCIA 1

TENUTA LATO ATMOSFERA

1 7,6 22 60 ARIA OLIO ISO VG32
ARIA OLIO
CARTUCCIA 1

TENUTA LATO PROCESSO

7,6 4,8 60 30 OLIO ISO VG32 OLIO ISO VG32
OLIO ISO VG32 OLIO ISO VG32
CARTUCCIA 2

TENUTA LATO ATMOSFERA

1 7,6 22 79 ARIA OLIO ISO VG32
ARIA OLIO
CARTUCCIA 2

TENUTA LATO PROCESSO

7,6 4,8 79 30 OLIO ISO VG32 OLIO ISO VG32
OLIO ISO VG32 OLIO ISO VG32

 

4. RISULTATI TEORICI OTTENUTI

COPPIA RESISTENTE

Questo valore analitico è facilmente confrontabile con quello reale ottenuto a banco, su cui è posto un torsiometro. La lettura e la registrazione sono continue durante le prove il suo il valore medio si attesta attorno a 115 N*m per due cartucce. Nella tabella TAB.4 si confrontano i valori teorici e rilevati e, da questa, si può vedere che i valori coincidono come ordine di grandezza.

TAB.4                               DATI CALCOLATI CON ANALISI FEM DATI RILEVATI
COPPIA TENUTA LATO ATMOSFERA COPPIA TENUTA LATO PROCESSO COPPIA TOTALE

 

COPPIA TOTALE

 

(N*m) (N*m) (N*m) (N*m)
16,5 36 52,5 115/2=57,5

Si nota immediatamente che, in termine di ordine di grandezza, i dati rilevati concordano con quelli teorici ricavati dall’analisi.

 

TEMPERATURA DEGLI ANELLI

Altro dato analitico interessante è la distribuzione delle temperature sulle facce ma, purtroppo, difficilmente rilevabile e, quindi, ci si deve limitare, con tutti i dubbi del caso, a quello teorico.

Dalle due slides si nota che la tenuta lato atmosfera risente di un maggiore incremento termico, in quanto sottoposta al valore totale della pressione e, inoltre, sulla parte interna è lambita dall’aria che, essendo un aeriforme, ha una bassa inerzia termica ed una scarsa capacità di rimuovere il calore. Come aspetto positivo si nota la sua distribuzione uniforme della temperatura su tutta l’altezza della faccia che, per via della “cedevolezza” della grafite, denota un contatto regolare delle facce stesse.

Per quanto riguarda il lato processo, risente solo di un differenziale di pressione ma, avendo due materiali duri, si denota un leggero contatto di spigolo sul bordo interno in cui si evidenzia la massima temperatura raggiunta.

 

PERDITE

Per le perdite, generalmente, si pensa ad un valore univoco o, al massimo, variabili con la pressione. In realtà il cambiamento di ogni parametro operativo comporta una piccola o consistente variazione delle perdite stesse, la cui visibilità è legata alla consistenza delle stesse. Queste pagine non hanno la pretesa di individuare dei valori o parametri esatti ma, semplicemente, di evidenziare come esistano dei “campi” in cui sono contenuti i valori delle perdite al cambiare di alcuni parametri operativi. Per semplicità operativa, ci si limita alla sola variazione della temperatura e della pressione del fluido di barriera.

Si ipotizzano due limiti della pressione: P= 7,6 bar a e 5,6 bar a
e due per la temperatura: T= 50° e 90° C.

 

TENUTA LATO ATMOSFERA

 

 

T1= temperatura olio barriera
T2= temperatura ambiente
P2=pressione atmosferica
S= 918 rpm

 

 

Si nota che le due rette non hanno uguale pendenza e che risulta superiore quella alla pressione di 7,6 bar a.
In Tab. 5 si riportano i due valori con i relativi percentuali.

 

PERDITE TAB. 5
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 3,2 gr/h 3,7 gr/h (3,7-3,2)/3,2*100= 15,6%
5,6 BAR A 2,7 gr/h 3,0 gr/h (3,0-2,7)/2,7*100= 11,6%

Esaminiamo anche i grafici inerenti alla potenza dissipata per attrito e alla altezza del meato liquido tra le facce.            

Come fatto per le perdite, si considerano le loro variazioni percentuali, riportate nella TAB. 6.

COPPIA DI ATTRITO   TAB. 6
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 1,6 kW 1,5 kW (1,6-1,5)/1,6*100= – 6,25%
5,6 BAR A 1,6 kW 1,6 kW (1,4-1,27)/1,4*100= – 9,30%

 

ALTEZZA DEL MEATO TRA LE FACCE   TAB. 7
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 0,767 micr. 0,775 micr (0,775-0,767)/0,767*100= 1,04%
5,6 BAR A 0,747 micr 0,767 micr (0,767-0,747)/0,747*100= 2,6 %

 

TENUTA LATO PROCESSO

La situazione sulla tenuta lato processo risulta piu’ complessa, rispetto a quella sul lato atmosfera, perché, oltre alle variazioni temperatura e di pressione della barriera, bisognerebbe ipotizzare anche quelle del liquido simulante il processo e, ovviamente, tutto questo comporterebbe un a notevole complicazione nella gestione delle casistiche.

Per semplicità operativa, si suppone che il processo non subisca variazioni di grandezze.

PERDITE TAB. 8
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 0,75 gr/h 0,85 gr/h (0,85-0,75)/0,75*100= 13,3%
5,6 BAR A 0,25 gr/h 0,27 gr/h (0,27-0,25)/0,25*100= 8%

POTENZA DI ATTRITO   TAB. 9
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 3,7 kW 3,2 kW (3,7-3,2)/3,7*100= – 13,5%
5,6 BAR A 3,3 kW 2,7 kW (3,3-2,7)/3,3*100= – 18,2%

 

ALTEZZA DEL MEATO TRA LE FACCE   TAB. 10
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C DELTA %
7,6 BAR A 0,345 micr. 0,368 micr (0,368-0,345)/0,345*100= 6,6%
5,6 BAR A 0,320 micr 0,335 micr (0,335-0,320)/0,320*100= 4,7 %

 

5. CONCLUSIONI

Risulta evidente il differente comportamento delle due tenute.

Quella lato atmosfera, pur essendo sottoposta alla pressione totale, presenta una minore potenza dissipata per attrito e una migliore formazione del film liquido e questo, ovviamente, comporta delle maggiori perdite rispetto a quella lato processo. Tutto questo è dovuto alla presenza di un anello di tenuta in grafite, materiale cedevole e con ottime caratteristiche tribologiche, che consente un perfetto accoppiamento delle facce striscianti.

Quella lato processo, invece, paga la presenza di due materiali duri, rigidi e poco deformabili, le cui deformazioni, indotte sia dalla pressione che dalla temperatura, inducono dei contatti di spigolo che, localmente, tendono a rompere il film liquido. Ovviamente, la scelta di due materiali duri è dettata dal fatto che, in queste applicazioni, i prodotti di processo sono sporchi e contenenti particelle solide e abrasive.

Per quanto riguarda i valori delle perdite risultano variabili, in funzione della pressione e della temperatura, tra un 1% minimo e un massimo pari al  20% circa.

In tabella 11, si riportano i valori totali per una cartuccia riferite in grammi ora.

PERDITE TOTALI   TAB. 11
PRESSIONE BARRIERA T1 =50°C T2 = 90°C
7,6 BAR A 3,95 gr/h 4,55 gr/h
5,6 BAR A 2,95 gr/h 3,20 gr/h

 

Le perdite reali, misurate durante le prove e dopo un periodo di rodaggio, sono risultate variabili e comprese tra un valore minimo di 3 gr/h ed un massimo di 6 gr/h. I grafici di FIG. 9 e 10 riportano come variano le perdite in funzione sia della temperatura che della pressione. Nel primo le perdite sono espresse in gr/h, mentre nel secondo in mg/h.

FIG.9 TENUTA LATO ATMOSFERA

FIG.10 TENUTA LATO PROCESSO