Le macchine rotanti, quali turbine, pompe e compressori, sono continuamente sottoposte a forze meccaniche significative. Poiché la maggior parte di queste macchine è fondamentale per il processo, vengono implementati sistemi con funzioni di protezione e/o monitoraggio per prevenire i guasti. In questo articolo evidenziamo alcuni guasti comuni legati alla velocità che possono verificarsi nelle macchine rotanti.
Protezione della velocità
1. Eccesso di velocità
La struttura delle macchine rotanti è progettata per resistere a una determinata velocità di rotazione, nota come velocità di progetto. Quando si verifica un eccesso di velocità, l’albero della macchina ruota più velocemente di quanto la struttura della macchina sia in grado di sopportare. Le forze aumentano in modo esponenziale con la velocità di rotazione, il che può causare l’allentamento delle parti. Ciò potrebbe avere un impatto catastrofico sia sul processo, sia sul personale, sia sull’ambiente. Le analisi dei rischi dimostrano quindi che nella maggior parte dei casi è obbligatorio disporre di un sistema di protezione contro il sovravelocità. Attraverso misurazioni della velocità è possibile rilevare la velocità di rotazione (RPM). Un sistema di protezione contro il sovravelocità garantisce che la velocità di rotazione rimanga entro determinati limiti, al fine di prevenire danni alla macchina. Se i valori limite predefiniti vengono superati, la macchina viene spenta immediatamente (Figura 1). Questi arresti della macchina devono avvenire in un lasso di tempo molto breve. Secondo le attuali linee guida relative alle macchine (API 670), i sistemi di protezione contro il sovravelocità devono avere un tempo di risposta non superiore a 40 ms.
L’eccesso di velocità è il timore maggiore di qualsiasi operatore di macchinari rotanti. Una mancata reazione tempestiva o il malfunzionamento di un sistema di protezione dall’eccesso di velocità potrebbero causare l’allentamento delle pale della turbina o delle parti del rotore. Nel peggiore dei casi, queste parti potrebbero perforare l’alloggiamento della turbina, compromettendo la sicurezza del personale e causando gravi danni alle apparecchiature alimentate dalla turbina.
2. Accelerazione
Un’accelerazione troppo rapida di una macchina rotante può far sì che essa entri in sovravelocità nonostante il sistema di protezione contro la sovravelocità presente, causando una situazione pericolosa. A seconda della velocità di accelerazione, l’arresto del motore di una macchina non porterà immediatamente a una diminuzione della velocità di rotazione. A causa delle forze importanti in gioco, la velocità potrebbe persino aumentare poco dopo che il motore è già stato arrestato. Quando un sistema di protezione contro il sovravelocità interviene al raggiungimento del valore limite pari al 110% della velocità di rotazione massima tollerabile, un certo grado di accelerazione può comunque far sì che la velocità accumulata superi il 110% consentito (Figura 2). In questo modo la macchina raggiunge comunque una velocità di rotazione critica, con conseguenti danni.
Durante l’avvio di una macchina rotante, a seconda dell’energia disponibile, essa dovrebbe essere protetta in fase di accelerazione. A differenza della protezione da sovravelocità, la protezione dall’accelerazione non tiene conto solo del numero di giri al minuto (RPM), ma dell’aumento di tale valore entro un intervallo di tempo predeterminato. Quando i sensori di velocità rilevano un aumento eccessivo dell’accelerazione, il sistema di protezione arresta la turbina.
Quando la macchina non è protetta contro l’accelerazione, entrerà comunque in sovravelocità. Un sistema di protezione dalla sovravelocità non è in grado di arrestare la macchina in tempo durante un aumento eccessivo dell’accelerazione.
Monitoraggio della velocità
3. Rotazione inversa
Può accadere che la pressione del processo provochi la rotazione di un compressore nella direzione sbagliata mentre la turbina che aziona tale compressore non è in funzione. Questo fenomeno è noto come rotazione inversa. Tale pressione può verificarsi perché la valvola di aspirazione non si chiude correttamente, causando una perdita. Quando la turbina viene avviata mentre il compressore si trova in questa condizione, ne derivano danni. La pressione che si accumula a seguito della rotazione inversa e quella proveniente dalla turbina si contrappongono, il che può, ad esempio, causare danni al giunto. Si tratta spesso di danni economici, ma non rappresenta un pericolo diretto per il personale e l’ambiente.
4. Arresto/avanzamento lento
È importante che una turbina sia effettivamente ferma prima di avviare i lavori di revisione o manutenzione. Dopotutto, l’enorme massa di una turbina può causare situazioni pericolose se i lavori di manutenzione vengono avviati mentre la turbina sta ancora ruotando lentamente. Per monitorare questo aspetto, le misurazioni della velocità devono essere effettuate per un periodo più lungo rispetto alle normali misurazioni di velocità, poiché la turbina funziona a una velocità molto bassa durante il processo di arresto.
5. Underspeed
La velocità insufficiente è l’opposto della velocità eccessiva, ma rappresenta un guasto meno critico. Per mantenere in funzione un processo, un impianto deve mantenere un numero minimo di giri al minuto (RPM). Il processo non può più essere azionato con un numero di giri inferiore. Sebbene la velocità insufficiente sia altamente indesiderabile a causa dell’interruzione del processo produttivo, non ha lo stesso impatto catastrofico della velocità eccessiva. È possibile impostare valori limite in modo che venga attivato un allarme quando viene raggiunto il numero minimo di giri al minuto necessario per mantenere in funzione il processo. Ciò consente all’operatore di impedire il verificarsi del sottogiro. Le misurazioni del sottogiro possono anche essere utilizzate per indicare, ad esempio, che è possibile avviare un motore a passo.
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