Le macchine rotanti, come turbine, pompe e compressori, sono continuamente sottoposte a forze meccaniche importanti. Poiché la maggior parte di queste macchine sono critiche per il processo, vengono implementati sistemi con funzioni di protezione e/o monitoraggio per prevenire i guasti. In questo articolo vengono evidenziati alcuni guasti comuni legati alla velocità che possono verificarsi con le macchine rotanti.
Protezione della velocità
1. Sovravelocità
La struttura delle macchine rotanti è progettata per resistere a una determinata velocità di rotazione, nota come velocità di costruzione. Quando si verifica una sovravelocità, l'albero della macchina ruota a una velocità superiore a quella che la struttura della macchina è in grado di sopportare. Le forze aumentano in modo esponenziale con la velocità di rotazione e possono causare il distacco di parti. Ciò potrebbe avere un impatto catastrofico sul processo, sul personale e sull'ambiente. Le analisi dei rischi mostrano quindi che nella maggior parte dei casi è obbligatorio disporre di un sistema di protezione contro la sovravelocità. Attraverso le misure di velocità è possibile misurare la velocità di rotazione (RPM). Un sistema di protezione da sovravelocità garantisce che la velocità di rotazione rimanga entro certi limiti, per evitare danni alla macchina. Se i valori limite predefiniti vengono superati, la macchina si spegne immediatamente (Figura 1). Questi interventi sulla macchina devono avvenire in tempi molto brevi. Secondo le attuali linee guida per le macchine (API 670), i sistemi di protezione da sovravelocità devono avere un tempo di risposta non superiore a 40 ms.
L'eccesso di velocità è la paura più grande di ogni operatore di macchine rotanti. La mancata risposta in tempo o il malfunzionamento di un sistema di protezione dalla sovravelocità possono causare il distacco delle pale della turbina o di parti del rotore. Nel peggiore dei casi, queste parti attraversano 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 provocare una sovravelocità nonostante il sistema di protezione dalla sovravelocità presente, causando una situazione pericolosa. A seconda della velocità di accelerazione, l'arresto del conducente di una macchina non porterà immediatamente a una diminuzione della velocità di rotazione. A causa di forze maggiori, la velocità può addirittura aumentare dopo poco tempo dall'arresto del conducente. Quando un sistema di protezione da sovravelocità interviene al raggiungimento del valore limite del 110% della velocità di rotazione massima tollerabile, un certo grado di accelerazione può ancora 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, è necessario proteggerla dall'accelerazione. A differenza della protezione contro la sovravelocità, la protezione contro l'accelerazione non considera solo il numero di giri, ma anche l'aumento del numero di giri entro un intervallo di tempo predeterminato. Quando i sensori di velocità rilevano un aumento eccessivo dell'accelerazione, il sistema di protezione fa scattare la turbina.
Quando la macchina non è protetta per l'accelerazione, va comunque in sovravelocità. Un sistema di protezione dalla sovravelocità non è in grado di arrestare in tempo la macchina durante un aumento eccessivo dell'accelerazione.
Monitoraggio della velocità
3. Rotazione inversa
Può accadere che la pressione del processo faccia girare un compressore nella direzione sbagliata mentre la turbina che lo aziona non è in funzione. Questo fenomeno è noto come rotazione inversa. Questa pressione può verificarsi perché la valvola di aspirazione non si chiude correttamente, causando una perdita. Se la turbina viene avviata in questa condizione del compressore, si verifica un danno. La pressione generata dall'inversione di rotazione e la pressione della turbina si contrastano a vicenda, causando ad esempio il danneggiamento del giunto. Spesso si tratta di un danno economico, ma non rappresenta un pericolo diretto per il personale e l'ambiente.
4. Arresto / Creep
È importante che una turbina sia effettivamente ferma prima di iniziare i lavori di manutenzione. Infatti, 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 misure di velocità devono essere effettuate per un periodo più lungo rispetto alle normali misure di velocità, poiché la turbina gira a una velocità molto bassa durante il processo di arresto.
5. Sottovelocità
La sottovelocità è l'opposto della sovravelocità, ma è un guasto meno critico. Per mantenere un processo in funzione, un impianto deve mantenere un numero di giri minimo. Il processo non può più funzionare con un numero di giri inferiore. Sebbene la sottovelocità sia altamente indesiderabile a causa dell'interruzione del processo produttivo, non ha lo stesso impatto catastrofico della sovravelocità. I valori limite possono essere impostati in modo da attivare un allarme quando viene raggiunto il numero di giri minimo per mantenere il processo in funzione. In questo modo l'operatore può evitare che si verifichi una sottovelocità. Le misure di sottovelocità possono anche essere utilizzate per indicare, ad esempio, che è possibile attivare un motore jog.
Hardware Istec
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Per testare e verificare i sistemi di protezione da sovravelocità, Istec ha sviluppato il generatore di frequenza IST-101. Questo strumento simula i segnali di velocità, consentendo di testare completamente la funzione di intervento di un sistema di protezione senza creare una reale situazione di sovravelocità.
