Come si sceglie la giusta pompa per il processo petrolchimico?

La scelta delle pompe in una raffineria o in un impianto petrolchimico non è un esercizio da catalogo. A pompa per processi petrolchimici funziona in condizioni che combinano alta temperatura, alta pressione, fluidi infiammabili o tossici e cicli di lavoro continui. Una selezione errata crea arresti imprevisti, guasti alle guarnizioni e incidenti di sicurezza. Questa guida copre i tipi di pompe, i requisiti API 610, la selezione dei materiali, i sistemi di tenuta meccanica e le pratiche di affidabilità al livello di specifica richiesto dagli ingegneri di processo e dagli acquirenti di apparecchiature all'ingrosso.

Cos'è una pompa per processi petrolchimici?

A pompa per processi petrolchimici è una macchina per la movimentazione dei fluidi progettata specificamente per l'uso nelle industrie di raffinazione, lavorazione chimica e relative industrie degli idrocarburi. Trasferisce liquidi che possono essere caldi, freddi, viscosi, abrasivi, volatili o chimicamente aggressivi. La pompa deve contenere il fluido senza perdite, funzionare in modo affidabile per periodi prolungati tra gli intervalli di manutenzione pianificati e soddisfare i requisiti di sicurezza dell'installazione.

Ambiente operativo e caratteristiche del fluido

• I fluidi di processo includono petrolio greggio, nafta, benzene, toluene, xilene, acido solforico, soda caustica, gas liquefatti e oli per il trasferimento di calore ad alta temperatura.
• Le temperature di esercizio vanno dal servizio criogenico inferiore a -100 gradi Celsius al servizio di carica del riscaldatore acceso superiore a 400 gradi Celsius.
• Le pressioni di esercizio nel servizio di alimentazione del reattore ad alta pressione possono superare i 300 bar in alcune configurazioni.
• Molti fluidi di processo sono classificati come pericolosi, infiammabili o tossici ai sensi delle normative OSHA sulla gestione della sicurezza dei processi (PSM), rendendo il contenimento a perdite zero un criterio di progettazione non negoziabile.
• Le variazioni di gravità specifica e viscosità nei flussi di processo richiedono un attento dimensionamento idraulico per evitare di operare lontano dal punto di migliore efficienza (BEP).

Tipi di pompe utilizzate nei servizi petrolchimici

Nessun singolo tipo di pompa copre l'intera gamma di condizioni di servizio petrolchimiche. Gli ingegneri di processo selezionano la tecnologia delle pompe in base alla portata, alla pressione differenziale, alle proprietà del fluido e agli obiettivi di affidabilità. La tabella seguente mette a confronto le principali categorie di pompe utilizzate negli impianti petrolchimici.

Pompa centrifuga per l'industria petrolchimica

Il pompa centrifuga per l'industria petrolchimica il servizio rappresenta la maggior parte delle unità di pompaggio installate in una tipica raffineria. Le pompe centrifughe offrono flusso continuo, carico di coppia regolare, facilità di controllo tramite azionamento a frequenza variabile (VFD) e frequenza di manutenzione relativamente bassa se adeguatamente dimensionate. Il loro limite principale è la sensibilità al battente netto di aspirazione positivo (NPSH), in particolare con gli idrocarburi volatili vicini al punto di bolla. Un margine NPSH di almeno 1,0 metro al di sopra dell'NPSH richiesto è il minimo standard, con molti concessori di licenza che specificano rapporti di margine NPSH di 3 dB per i servizi critici.

Opzioni di spostamento positivo

Le pompe volumetriche sono specificate quando il fluido è troppo viscoso per la tecnologia centrifuga, quando è richiesto un dosaggio preciso o quando pressioni differenziali molto elevate superano il range pratico dei modelli centrifughi. Le pompe a ingranaggi gestiscono viscosità da 20 cSt a oltre 100.000 cSt. Le pompe a pistoni alternativi sono la scelta standard per l'iniezione ad alta pressione nei reattori che operano a una pressione superiore a 100 bar.

Pompa per processi petrolchimici API 610: requisiti standard

Il American Petroleum Institute standard API 610 is the governing specification for centrifugal pumps in the petroleum, petrochemical, and natural gas industries. Compliance with this standard is required on most EPC projects worldwide. An Pompa per processi petrolchimici API 610 devono soddisfare requisiti dimensionali, idraulici, meccanici e di prova che vanno ben oltre la pratica generale delle pompe industriali.

Criteri chiave di progettazione e costruzione API 610

• Il flusso minimo continuo stabile (MCSF) deve essere definito dal produttore e contrassegnato sulla curva delle prestazioni della pompa.
• La regione operativa preferita (POR) è definita dal 70% al 120% del flusso BEP: la selezione della pompa deve posizionare il punto nominale all'interno di questo intervallo.
• Per i diametri della girante superiori a una soglia dimensionale specificata nello standard è necessario un corpo a doppia voluta, per ridurre i carichi radiali sui cuscinetti durante il funzionamento fuori BEP.
• L'alloggiamento del cuscinetto deve consentire la lubrificazione dell'anello d'olio, la nebbia d'olio puro o l'alimentazione di olio pressurizzato come specificato. I cuscinetti lubrificati con grasso non sono ammessi per la maggior parte delle applicazioni di processo.
• È richiesta una durata minima del cuscinetto L10 di 25.000 ore alle condizioni nominali, calcolata secondo ISO 281.
• Prima della spedizione è obbligatorio un test della pressione idrostatica pari a 1,5 volte la pressione di esercizio massima consentita (MAWP).

Codici del tipo di pompa secondo API 610

L'API 610 definisce codici di tipo standardizzati che descrivono la configurazione meccanica della pompa. La tabella seguente riassume i tipi specificati più frequentemente.

Materiali per pompe petrolchimiche ad alta temperatura

Materiali per pompe petrolchimiche ad alta temperatura deve mantenere la resistenza meccanica, resistere all'ossidazione e rimanere dimensionalmente stabile in intervalli di temperature operative che spesso si estendono su diverse centinaia di gradi Celsius. La selezione del materiale tiene conto anche della corrosione causata dal fluido di processo e di eventuali contaminanti trascinati.

Selezione delle leghe dell'involucro e della girante

Il table below maps common process service conditions to the appropriate casing and wetted parts material. These selections follow industry practice aligned with API 610 and NACE MR0103 corrosion-resistant materials requirements.

Selezione di tenute per pompe petrolchimiche e tenute meccaniche

Il shaft seal system is the most failure-prone component in any pompa per processi petrolchimici . Corretto selezione della tenuta della pompa petrolchimica e della tenuta meccanica è regolato dalla norma API 682, che definisce i tipi di sigilli, le disposizioni e i piani di scarico per servizi pericolosi e non pericolosi.

Panoramica dei piani di tenuta API 682

L'API 682 specifica i piani delle tubazioni che controllano l'ambiente sulle facce della tenuta. La tabella seguente riassume i piani più utilizzati e la loro logica applicativa.

Manutenzione e affidabilità delle pompe per processi petrolchimici

Un programma di affidabilità strutturato riduce il tempo medio tra i guasti (MTBF) e abbassa i costi del ciclo di vita. Manutenzione e affidabilità delle pompe di processo petrolchimico i programmi sono incentrati sul monitoraggio predittivo, sull'analisi delle cause profonde e su standard di riparazione disciplinati.

Strategie di monitoraggio delle condizioni

• Analisi delle vibrazioni: Il monitoraggio online delle vibrazioni con sensori di velocità e accelerazione rileva lo squilibrio della girante, i difetti dei cuscinetti e l'instabilità idraulica prima del guasto. API 670 specifica i requisiti della strumentazione per il monitoraggio continuo delle vibrazioni sulle pompe critiche.
• Monitoraggio della temperatura dei cuscinetti: I rilevatori di temperatura di resistenza (RTD) installati nell'alloggiamento dei cuscinetti avvisano gli operatori in caso di interruzione della lubrificazione o sovraccarico prima che si verifichi il grippaggio dei cuscinetti.
• Rilevamento perdite di tenuta: Le doppie tenute meccaniche dotate di sistemi Plan 52 o 53A consentono agli operatori di monitorare il livello e la pressione del fluido tampone o barriera come indicatori indiretti delle condizioni della tenuta interna.
• Andamento delle prestazioni: Il confronto regolare dei dati effettivi di prevalenza-flusso-potenza rispetto alla curva originale della pompa identifica l'usura interna degli anelli di usura e dei passaggi della girante prima che la perdita di efficienza diventi grave.
• Analisi dell'olio: L'analisi spettrometrica periodica dell'olio dell'alloggiamento dei cuscinetti rileva particelle metalliche soggette a usura dalle piste e dai perni dei cuscinetti, fornendo un allarme tempestivo di imminente guasto del cuscinetto.

Conformità e standard di settore

• API 610 (ISO 13709): Pompe centrifughe per l'industria petrolifera, petrolchimica e del gas naturale. Le specifiche principali per la progettazione, i materiali, i test e la documentazione della pompa.
• API 682 (ISO 21049): Pompe: sistemi di tenuta dell'albero per pompe centrifughe e rotative. Regola il tipo di tenuta meccanica, la disposizione e la selezione del piano di lavaggio.
• API670: Sistemi di protezione dei macchinari. Specifica la strumentazione per il monitoraggio di vibrazioni, temperatura e velocità per apparecchiature rotanti critiche.
• NACE MR0103/ISO 17945: Materiali metallici resistenti allo stress cracking da solfuro in ambienti corrosivi di raffinazione del petrolio. Obbligatorio per i componenti della pompa per servizi acidi.
• ASME B73.1: Pompe centrifughe ad aspirazione assiale orizzontale per processi chimici: indicate per servizi chimici generali non API all'interno di impianti petrolchimici.

Domande frequenti

D1: Qual è la differenza tra le configurazioni delle pompe API 610 OH1 e OH2?

Sia OH1 che OH2 sono pompe centrifughe a sbalzo monostadio. La differenza sta nel modo in cui è supportato l'involucro. Una pompa OH1 è montata su piedi: l'involucro poggia su piedi imbullonati alla piastra di base. Una pompa OH2 è montata sulla linea centrale: il corpo è supportato in corrispondenza della linea centrale da staffe, che consentono alla pompa di espandersi termicamente verso l'alto e verso il basso in modo uniforme dalla linea centrale dell'albero. Ciò impedisce il disallineamento dell'albero dovuto alla crescita termica. Il montaggio OH2 è richiesto dalla norma API 610 per i servizi in cui la temperatura del fluido pompato supera circa 200 gradi Celsius, poiché gli involucri montati su piedi ad alta temperatura generano un disallineamento inaccettabile tra albero e giunto.

D2: Come si calcola il margine NPSH per una pompa per idrocarburi volatili?

Il battente di aspirazione positivo netto disponibile (NPSHa) viene calcolato dalla pressione del serbatoio di aspirazione, dal battente statico del liquido sopra l'ugello di aspirazione della pompa, dalle perdite per attrito della linea di aspirazione e dalla pressione del vapore del fluido alla temperatura di aspirazione. Il risultato deve superare l'NPSH richiesto dalla pompa (NPSHr), ricavato dalla curva delle prestazioni del produttore, del margine specificato. L'API 610 richiede che NPSHa superi NPSHr di almeno 0 metri nel punto nominale, ma la maggior parte delle pratiche ingegneristiche applica un margine di 3 dB (NPSHa uguale o superiore a 1,3 volte NPSHr) per idrocarburi leggeri e servizi volatili per prevenire danni da cavitazione e instabilità del ricircolo di aspirazione.

Q3: Quando è necessaria una tenuta meccanica doppia invece di una tenuta singola?

L'API 682 classifica i fluidi in base al livello di pericolo e alle proprietà fisiche. Una disposizione a doppia tenuta, non pressurizzata (Piano 52) o pressurizzata (Piano 53A), è necessaria quando il fluido pompato è classificato come tossico, cancerogeno o altamente infiammabile con un punto di ebollizione normale inferiore a 0 gradi Celsius o quando le normative ambientali locali vietano qualsiasi emissione nell'atmosfera del fluido di processo. Per servizi a basso rischio sono consentite tenute singole con piani di livello adeguati. La selezione finale deve essere confermata rispetto allo studio HAZOP del sito, alle normative locali sulle emissioni e ai requisiti del concessore della licenza di processo.

Q4: Cosa causa il guasto prematuro della tenuta meccanica nelle pompe petrolchimiche?

Il most common root causes of premature seal failure in petrochemical service are dry running during startup or process upset, incorrect flush plan selection leading to fluid vaporization or contamination at the seal faces, excessive shaft vibration from hydraulic instability when the pump operates far from BEP, and thermal shock from rapid temperature cycling. Each of these failure modes produces distinct face wear patterns that can be identified during post-failure teardown. A properly executed root cause failure analysis (RCFA) on each seal failure event is the most effective tool for reducing the site's overall seal mean time between failures.

Riferimenti

• Istituto americano del petrolio. Standard API 610 / ISO 13709: Pompe centrifughe per l'industria petrolifera, petrolchimica e del gas naturale , 12a ed. Washington, DC: API, 2021.
• Istituto americano del petrolio. Standard API 682 / ISO 21049: Pompe - Sistemi di tenuta dell'albero per pompe centrifughe e rotative , 4a ed. Washington, DC: API, 2014.
• Istituto americano del petrolio. Norma API 670: Sistemi di protezione dei macchinari , 5a ed. Washington, DC: API, 2014.
• NACE Internazionale. NACE MR0103/ISO 17945: Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries — Metallic Materials Resistant to Sulfide Stress Cracking in Corrosive Petroleum Refining Environments . Houston, Texas: NACE, 2015.
• Karassik, IJ, et al. Manuale della pompa , 4a ed. New York: McGraw-Hill, 2008.
• Bloch, H.P. e Geitner, F.K. Gestione pratica dei macchinari per impianti di processo, volume 2: analisi dei guasti dei macchinari e risoluzione dei problemi , 4a ed. Oxford: Elsevier, 2012.