Risoluzione dei problemi delle pompe centrifughe: flusso basso o scarico assente

1. Descrizione del problema e portata

Questa guida diagnostica è progettata per ingegneri e tecnici dell'assistenza che riscontrano pompe centrifughe che presentano una significativa riduzione del flusso volumetrico o una completa mancanza di scarico. I problemi di alimentazione dei fluidi sono tra i guasti più comuni delle pompe centrifughe negli ambienti industriali e possono portare a interruzioni della produzione, danni alle apparecchiature e significative perdite finanziarie. Una diagnostica efficace e tempestiva è fondamentale per ridurre al minimo i tempi di inattività.

1.1. Definizione dei sintomi

• Flusso basso: la pompa è in funzione, ma la portata è inferiore a quella nominale o prevista.
• Nessun adescamento: la pompa è in funzione, ma non viene fornito alcun liquido oppure la pressione in uscita rimane vicina alla pressione di aspirazione.
• Aumento del livello di rumore e vibrazioni: particolarmente caratteristico della cavitazione.
• Surriscaldamento della pompa o del motore: può indicare un aumento del carico o dell'attrito.
• Riduzione della pressione di scarico: La pressione generata dalla pompa è insufficiente per superare la resistenza del sistema.

1.2. Campo di applicazione

Il presente manuale riguarda le pompe centrifughe utilizzate in un'ampia gamma di applicazioni industriali, tra cui:

• Approvvigionamento e drenaggio idrico (EN 1092-1, EN ISO 9906)
• Industria chimica e petrolchimica (API 610, ISO 13709)
• Industria alimentare (rispetto delle norme igieniche)
• Energia
• Sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC).

Classificazione dei malfunzionamenti:

• Critico: Mancanza totale di iniezione, che porta all'arresto immediato del processo produttivo.
• Primario: un flusso basso che influisce in modo significativo sulla produttività o sulla qualità del prodotto, causando potenzialmente danni alle apparecchiature.
• Minore: una piccola diminuzione del flusso che non influisce in modo critico sul processo, ma indica la fase iniziale dello sviluppo di un malfunzionamento.

2. Misure di sicurezza

PRIMA DI INIZIARE QUALSIASI LAVORO DI DIAGNOSTICA O RIPARAZIONE SULL'APPARECCHIATURA DI POMPAGGIO, È NECESSARIO GARANTIRE LA COMPLETA SICUREZZA DEL PERSONALE E DELLE APPARECCHIATURE. LA MANCATA OSSERVANZA DI QUESTE PRECAUZIONI POTREBBE CAUSARE LESIONI GRAVI O MORTE.

• Lockout/Tagout (LOTO): Prima di qualsiasi intervento sulla pompa o sui suoi sistemi correlati, è SICURO eseguire una procedura di lockout/tagout in conformità con gli standard interni dell'azienda e i requisiti di DSTU EN 1032. Scollegare tutte le fonti di energia (elettrica, pneumatica, idraulica) e installare dispositivi di bloccaggio e tag. Verificare l'assenza di tensione.
• Energia residua: garantire che tutta l'energia residua (ad esempio pressione nelle tubazioni, energia potenziale di stoccaggio, liquidi caldi) venga scaricata o deviata in modo sicuro. Aprire le valvole di scarico e depressurizzare il sistema.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): utilizzare sempre DPI adeguati: occhiali di sicurezza, guanti, casco, scarpe antinfortunistiche, indumenti protettivi. Quando si lavora con liquidi aggressivi o caldi: DPI specializzati aggiuntivi.
• Superfici calde: pompe e motori possono raggiungere temperature elevate. Fare attenzione a evitare ustioni.
• Pericolo chimico: quando si lavora con liquidi chimicamente attivi, seguire tutti i protocolli di sicurezza associati a queste sostanze (schede dati di sicurezza MSDS/SDS). Fornire una ventilazione adeguata.
• Conferma di assenza di movimento: dopo aver spento l'alimentazione, assicurarsi che tutte le parti mobili si siano fermate e non possano avviarsi accidentalmente.
• Lavori in quota: Quando si eseguono lavori in quota, seguire le norme di sicurezza, utilizzare i sistemi di sicurezza.

3. Strumenti diagnostici necessari

Per una diagnostica efficace, è necessario il seguente set di strumenti che soddisfino gli standard di settore.

4. Lista di controllo per la valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, eseguire i seguenti passaggi. Ciò ti consentirà di raccogliere informazioni importanti che ti aiuteranno a restringere le potenziali cause del malfunzionamento.

5. Algoritmo diagnostico sistematico

Utilizzare questo algoritmo passo passo per identificare sistematicamente la causa principale del flusso basso o dell'assenza di boost.

1. Verifica delle condizioni generali della pompa
   1. SE la pompa non si avvia o il motore non gira:
      • Controllare l'alimentazione del motore (tensione, frequenza).
      • Controllare la funzionalità del motorino di avviamento, relè, interruttori.
      • Probabile causa: Guasto elettrico o inceppamento meccanico.
   2. SE la pompa si avvia ma non c'è flusso o pressione:
      1. Vai al passaggio 2.
2. Valutare la presenza di liquido e aria nel sistema
   1. SE assenza di liquido nel corpo della pompa (non riempito):
      • Controllare il livello del liquido nel serbatoio di aspirazione.
      • Controllare la valvola di aspirazione (completamente aperta?).
      • Riempire la pompa e la linea di aspirazione.
      • Causa probabile: riempimento (adescamento) insufficiente o mancanza di fluido.
   2. SE ci sono segni di un tappo d'aria o di un'aspirazione d'aria:
      • Osservare le sezioni libere, ascoltare i sibili.
      • Controllare eventuali perdite su tutti i collegamenti sulla linea di aspirazione.
      • Controllare le guarnizioni di tenuta della pompa.
      • Provare a rimuovere l'aria attraverso le valvole di sfiato.
      • Causa probabile: Intasamento d'aria o aspirazione d'aria.
   3. SE la pompa è adescata e non c'è traccia di aria:
      1. Vai al passaggio 3.
3. Misura della pressione di aspirazione e mandata
   1. Utilizzando manometri e vacuometri (Capitolo 3):
      • Misurare la pressione all'ingresso (P_vsm) e all'uscita (P_nagn) della pompa.
   2. IF P_vsm è molto basso (vicino al vuoto o ben al di sotto del NPSHa nominale) e sono presenti vibrazioni/rumori di cavitazione:
      • Causa probabile: Cavitazione dovuta a problemi di aspirazione (elevata resistenza idraulica, basso livello del fluido, elevata temperatura del fluido).
      • Controllare i filtri, il diametro del tubo di aspirazione, l'altezza di aspirazione.
      • Vai a Analisi della causa principale: cavitazione.
   3. IF P_nagn è molto basso, ma P_vsm è normale e non ci sono segni di cavitazione:
      • Probabile causa: Problemi con la girante (usura, danni, intasamento) o senso di rotazione errato.
      • Controllare il senso di rotazione del motore (vedi marcatura).
      • Spegnere la pompa, eseguire la procedura LOTO, eseguire un'ispezione visiva della girante (utilizzando un endoscopio o smontaggio).
      • Vai all'analisi della causa principale: usura della girante.
   4. IF P_nagn e P_vsm appaiono normali con la valvola di iniezione chiusa, ma nessun flusso con la valvola aperta:
      • Causa probabile: Resistenza eccessiva nel sistema di iniezione (tubazioni intasate, valvole chiuse, caratteristica del sistema calcolata in modo errato).
      • Controllare tutte le valvole della linea di iniezione, i filtri e gli scambiatori di calore.
      • Vai a Analisi delle cause principali: Analisi delle caratteristiche del sistema.
4. Analisi delle vibrazioni e del rumore
   1. Utilizzo dell'analizzatore di vibrazioni (capitolo 3):
      • Misurare il livello di vibrazioni sul corpo della pompa e sui cuscinetti.
      • Confrontare i valori con i valori consentiti secondo ISO 10816 (per la classe dell'apparecchiatura).
      • Norma: Velocità di vibrazione ≤ 4,5 mm/s (RMS) per pompe industriali.
      • Allarme: Velocità di vibrazione > 7,1 mm/s (RMS).
   2. SE livello elevato di vibrazioni con caratteristici rumori di "crack" o "ghiaia":
      • Probabile causa: cavitazione.
      • Controllare l'NPSHa (altezza di aspirazione disponibile).
      • Vai a Analisi della causa principale: cavitazione.
   3. SE la vibrazione è elevata, ma senza i caratteristici rumori di cavitazione:
      • Causa probabile: sbilanciamento della girante (dopo l'usura) o disallineamento dei centri dell'albero.
      • Controllare le condizioni della girante e della frizione.
      • Vai all'analisi della causa principale: usura della girante.

6. Matrice delle cause del malfunzionamento

Questa matrice fornisce un riepilogo dei sintomi, delle cause più probabili, dei test diagnostici necessari e dei risultati attesi.

7. Analisi delle cause profonde di ogni malfunzionamento

7.1. Cavitazione

L'essenza del problema: La cavitazione si verifica quando la pressione del fluido all'ingresso della girante scende al di sotto della pressione dei vapori saturi del fluido ad una determinata temperatura. Ciò porta alla formazione e al successivo collasso di bolle di vapore, che provocano intense onde d'urto. Queste onde d'urto ad alta energia (fino a 1500 MPa) danneggiano la superficie della girante e dell'alloggiamento, provocando vaiolature.

Motivi:

• Prevalenza di aspirazione disponibile insufficiente (NPSHa): NPSHa < NPSHr (requisiti della pompa). Ciò può essere causato da:
  • Prevalenza di aspirazione dinamica troppo alta (la pompa è posizionata troppo in alto sopra il livello del liquido).
  • Elevata resistenza della linea di aspirazione (tubi lunghi, molte curve, filtri intasati, diametro del tubo troppo piccolo).
  • Elevata temperatura del liquido, che aumenta la pressione dei vapori saturi.
  • Bassa pressione atmosferica (per sistemi aperti).
  • Basso livello del liquido nel serbatoio di aspirazione.
• Flusso eccessivo: la pompa funziona molto a destra del punto di prestazione ottimale (BEP), causando un calo della pressione di ingresso della girante.

Conferma: Un rumore caratteristico simile al movimento della ghiaia nella pompa, vibrazioni (picchi nell'intervallo 0,5-2 kHz), diminuzione delle prestazioni e della pressione e, nel tempo, chiari segni di vaiolatura sulle pale della girante.

Conseguenze: Rapida usura della girante e di altre parti interne, aumento del rumore e delle vibrazioni, riduzione dell'efficienza e delle prestazioni della pompa, possibile distruzione di guarnizioni e cuscinetti.

7.2. Usura della girante o del corpo

L'essenza del problema: L'usura della girante (girante) o delle superfici interne dell'alloggiamento (ad esempio, guarnizioni a fessura) porta ad un aumento dei flussi interni di fluido dal lato di scarico al lato di aspirazione. Ciò riduce l'efficienza della pompa, riducendo la pressione generata e, di conseguenza, la portata volumetrica.

Motivi:

• Particelle abrasive nel liquido: Il pompaggio di liquidi con particelle solide in sospensione (sabbia, fango) provoca usura erosiva.
• Corrosione chimica: i liquidi aggressivi corrodono il materiale della girante e dell'alloggiamento.
• Cavitazione: come descritto sopra, la cavitazione è una delle principali cause di danni meccanici.
• Invecchiamento del materiale: Usura naturale del materiale nel tempo.
• Materiale errato: Utilizzo di un materiale non adatto al liquido pompato o alle condizioni operative.

Conferma: Controllo visivo della girante (irregolarità, riduzione dello spessore delle pale, buche, spigoli smussati), aumento dei giochi delle guarnizioni di tenuta (misurati con uno spessimetro). Riduzione della pressione di iniezione ai giri nominali.

Conseguenze: Notevole riduzione dell'efficienza, aumento del consumo energetico per svolgere lo stesso lavoro, aumento delle vibrazioni e del rumore, necessità di sostituzione più frequente dei componenti.

7.3. Blocco d'aria (blocco d'aria)

L'essenza del problema: le pompe centrifughe non sono in grado di pompare gas. Se un volume significativo di aria o gas si accumula nel corpo della pompa o nella linea di aspirazione, la girante inizia a ruotare nell'aria/gas senza creare un vuoto sufficiente per aspirare il liquido. Ciò si traduce in un flusso pari a zero o molto basso.

Motivi:

• Adescamento insufficiente della pompa: Prima dell'avvio, la pompa e la linea di aspirazione non erano completamente riempite di liquido.
• Aspirazione aria: Perdite nella linea di aspirazione (collegamenti che perdono, crepe, guarnizioni dell'albero danneggiate, collegamenti flangiati allentati).
• Livello del fluido nel serbatoio basso: la porta di aspirazione è esposta e la pompa inizia ad aspirare aria.
• Degassamento dei liquidi: i liquidi altamente volatili o quelli riscaldati possono produrre gas nella linea di aspirazione.

Conferma: La pompa funziona, il motore assorbe poca corrente, pressione di aspirazione prossima a quella atmosferica (o addirittura positiva), pressione di scarico molto bassa o nulla. Si sente spesso un rumore caratteristico di lavoro nell'aria o di gorgoglio.

Conseguenze: Mancanza di alimentazione, possibile surriscaldamento della pompa per mancato raffreddamento del liquido, danneggiamento delle tenute meccaniche.

7.4. Problemi di aspirazione (diversi da cavitazione e camera d'aria)

Sintesi del problema: anche senza cavitazione o camera d'aria, i problemi nella linea di aspirazione possono ridurre significativamente le prestazioni della pompa limitando il flusso del fluido alla girante.

Motivi:

• Filtro/filtro di aspirazione intasato: L'accumulo di particelle estranee provoca un'eccessiva caduta di pressione all'ingresso della pompa.
• Valvola di aspirazione chiusa o parzialmente chiusa: limita il flusso del fluido.
• Linea di aspirazione progettata in modo errato: Diametro della tubazione troppo piccolo, curve eccessive, cambi di direzione improvvisi, linea troppo lunga con conseguenti elevate perdite per attrito.
• Altezza di aspirazione: altezza di aspirazione statica eccessiva.

Conferma: Bassa pressione di aspirazione (il vacuometro indica un vuoto elevato) con livello del fluido nel serbatoio normale, che migliora quando si pulisce il filtro o si apre la valvola. Assenza di rumori caratteristici di cavitazione.

Conseguenze: Prestazioni ridotte, aumento del carico della pompa, potenziale cavitazione con ulteriore deterioramento.

7.5. Analisi della curva del sistema

L'essenza del problema: la pompa funziona all'intersezione della sua curva caratteristica e della caratteristica del sistema della tubazione. Se la resistenza del sistema (caratteristica del sistema) aumenta notevolmente, il punto di funzionamento della pompa si sposta verso sinistra sulla curva caratteristica, con conseguente diminuzione della portata, anche se la pompa funziona perfettamente.

Motivi:

• Aumento della pressione statica: aumento dell'altezza alla quale deve essere fornito il liquido.
• Aumento delle perdite per attrito: Intasamento delle tubazioni con depositi, corrosione o escrescenze; utilizzo di tubazioni di diametro inferiore a quello calcolato; aggiunta di nuovi raccordi o apparecchiature (scambiatori di calore, filtri) alla linea di iniezione senza ricalcolo.
• Valvola di scarico parzialmente chiusa o intasata: aumenta la resistenza idraulica.
• Aumento della pressione di uscita: cambiamento delle condizioni sul lato ricevente del sistema.

Conferma: la pompa produce un'elevata pressione di scarico (spesso superiore a quella nominale) ma una portata bassa. Il motore assorbe una corrente maggiore (se la pompa funziona molto a sinistra del BEP). Ispezione dell'intera linea di iniezione. Calcolo delle caratteristiche effettive del sistema in base ai parametri di pressione e flusso misurati.

Conseguenze: Riduzione delle prestazioni del sistema, aumento del consumo di energia, possibile sovraccarico del motore, surriscaldamento del fluido (se la pompa è in modalità ricircolo).

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

Dopo aver identificato la causa principale utilizzando le sezioni precedenti, seguire i passaggi seguenti per risolvere il problema.

8.1. Eliminazione della cavitazione

ATTENZIONE: i lavori di modifica del sistema idraulico potrebbero richiedere l'arresto e la LOTO.

1. Aumentare l'NPSHa disponibile:
   • Controllare il livello del fluido: aumentare il livello del fluido nel serbatoio di aspirazione se basso.
   • Pulizia di filtri/reti: pulire o sostituire i filtri e gli schermi intasati sulla linea di aspirazione.
   • Riduzione delle perdite per attrito: controllare lo stato interno della linea di aspirazione per eventuali depositi. Considera la possibilità di sostituire i tubi con un diametro maggiore o di ridurre il numero di raccordi e gomiti.
   • Caduta della temperatura del liquido: se il liquido viene pompato a temperatura elevata, prendere in considerazione il raffreddamento.
   • Riduzione della velocità della pompa: Se possibile, ridurre la velocità della pompa con un convertitore di frequenza per spostare il punto di funzionamento sulla curva NPSHr.
   • Controllare l'altezza di aspirazione: se possibile, abbassare la pompa più vicino al livello del liquido o installare un serbatoio di supporto.
2. Controllo della pressione: dopo le azioni correttive, misurare nuovamente le pressioni di aspirazione e scarico. Assicurarsi che NPSHa > NPSHr (con un margine di 0,5-1,0 m).
3. Controllo delle vibrazioni e del rumore: Avviare la pompa e controllare la vibrazione (gli indicatori di velocità di vibrazione devono rientrare nei limiti della norma ISO 10816, ≤ 4,5 mm/s) e l'assenza di rumori caratteristici di cavitazione.

8.2. Eliminazione dell'usura della girante o dell'alloggiamento

ATTENZIONE: Richiede la rimozione completa del LOTO e della pompa.

1. Smontaggio e ispezione visiva:
   • Eseguire la procedura LOTO, scaricare il fluido, rimuovere la pompa.
   • Ispezionare la girante, l'alloggiamento e le guarnizioni delle fessure per individuare eventuali segni di usura, erosione, corrosione, crepe o corpi estranei.
   • Misurare le guarnizioni degli spazi. Le distanze consentite devono essere conformi alla documentazione tecnica del produttore. Di solito, per le pompe di medie dimensioni, un aumento del gioco di 0,2-0,3 mm riduce già significativamente l'efficienza.
2. Sostituzione dei componenti:
   • Sostituire le giranti, le guarnizioni di tenuta, l'alloggiamento o i relativi rivestimenti usurati. Utilizzare solo pezzi di ricambio originali o analoghi certificati che soddisfino i requisiti DSTU e ISO in termini di materiale e dimensioni.
   • Quando si sostituisce la girante, garantire un corretto bilanciamento (bilanciamento dinamico secondo ISO 1940-1, classe G6.3 o G2.5) per evitare vibrazioni.
3. Allineamento albero: dopo la sostituzione e il montaggio, ASSICURARSI di allineare accuratamente la pompa e gli alberi motore (utilizzare un dispositivo di allineamento laser). Disallineamento consentito: eccentricità radiale fino a 0,05 mm, eccentricità angolare fino a 0,01 mm/100 mm.
4. Prova di funzionamento: avviare la pompa, controllare la pressione, il flusso, le vibrazioni e la temperatura.

8.3. Eliminazione dell'ingorgo del traffico aereo

ATTENZIONE: assicurarsi che il sistema sia depressurizzato prima di aprire le valvole di sfiato.

1. Adescamento della pompa:
   • Arrestare la pompa, eseguire LOTO.
   • Aprire la valvola di sfiato (se presente) nella parte superiore dell'alloggiamento della pompa e riempire lentamente la pompa con il liquido finché non inizia a fuoriuscire liquido senza bolle d'aria.
   • Chiudere la valvola di sfiato.
   • Assicurarsi che anche la linea di aspirazione sia completamente riempita.
2. Ispezionare eventuali perdite d'aria:
   • Ispezionare l'intera linea di aspirazione, compresi i collegamenti flangiati, i collegamenti filettati e le guarnizioni dell'albero.
   • Utilizzare una soluzione di sapone o un altro rilevatore di perdite per individuare le perdite. Eliminare le perdite: serrare gli elementi di fissaggio, sostituire guarnizioni, guarnizioni o paraolio.
   • Per i premistoppa, assicurarsi che vi sia un piccolo e costante gocciolamento di fluido (1-2 gocce al minuto) per la lubrificazione e il raffreddamento, che impedisca anche l'aspirazione di aria.
3. Innalzamento del livello del liquido: assicurarsi che il livello minimo del liquido nel serbatoio di aspirazione sia sempre al di sopra della porta di aspirazione.
4. Prova di funzionamento: avviare la pompa, controllare il flusso e la pressione.

8.4. Risoluzione dei problemi di aspirazione

ATTENZIONE: Richiede il sistema LOTO completo e il drenaggio delle sezioni della tubazione.

1. Pulizia del tratto di aspirazione:
   • Eseguire LOTO, svuotare il sistema.
   • Pulire o sostituire i filtri di aspirazione, gli schermi, i filtri di aspirazione intasati.
   • Controllare lo stato interno del tubo di aspirazione per eventuali depositi o corpi estranei.
2. Controllo valvola: assicurarsi che la valvola di aspirazione sia completamente aperta e funzioni correttamente. Eliminare eventuali ostruzioni meccaniche o malfunzionamenti delle valvole.
3. Valutazione della configurazione della tubazione: Se il problema è costante e non legato all'intasamento, potrebbe essere necessario rivedere il design della linea di aspirazione: ridurre il numero di curve, aumentare il diametro del tubo, minimizzare la lunghezza. (Conformità alla norma ISO 9905).
4. Prova di funzionamento: avviare la pompa, controllare la pressione di aspirazione (il vacuometro dovrebbe mostrare un vuoto inferiore) e il flusso.

8.5. Regolazione delle caratteristiche del sistema

ATTENZIONE: Le modifiche alle tubazioni possono influire sull'idraulica dell'intero sistema.

1. Analisi della resistenza del sistema:
   • Determinare quali componenti nella linea di scarico creano una resistenza eccessiva (filtri intasati, scambiatori di calore, valvole parzialmente chiuse).
   • Pulire o sostituire gli elementi ostruiti. Aprire completamente le valvole di intercettazione dello scarico.
2. Modifica della configurazione:
   • Considerare di aumentare il diametro dei tubi di scarico, ridurre il numero di raccordi o curve per ridurre le perdite per attrito.
   • Se la prevalenza statica è aumentata in modo significativo (ad esempio, un cambiamento nel percorso delle tubazioni o nel punto di scarico), potrebbe essere necessario riconsiderare la selezione della pompa o aggiungere una pompa aggiuntiva.
3. Utilizzo di un convertitore di frequenza (VFD): Se la pompa funziona a una velocità fissa, l'installazione di un VFD consentirà alla pompa di regolare la propria velocità di rotazione per funzionare nel punto ottimale per le caratteristiche mutevoli del sistema, fornendo il flusso desiderato e il risparmio energetico.
4. Prova di funzionamento e verifica: avviare la pompa, misurare il flusso e la pressione. Assicurarsi che il punto di lavoro della pompa soddisfi i requisiti del processo e sia vicino alla zona BEP.

9. Misure preventive

L’implementazione di misure preventive efficaci è fondamentale per prevenire guasti ripetuti e prolungare la durata delle apparecchiature di pompaggio.

10. Pezzi di ricambio e componenti

Per riparazioni rapide ed efficienti, è importante disporre di pezzi di ricambio critici.

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11. Collegamenti

• DSTU EN ISO 9906: Pompe centrifughe. Prove di accettazione idraulica. Classi di precisione 1, 2 e 3.
• DSTU EN ISO 10816-3: Vibrazioni meccaniche. Valutazione delle vibrazioni della macchina su parti fisse mediante misurazioni. Parte 3. Macchine industriali con una potenza nominale superiore a 15 kW e una velocità nominale compresa tra 120 giri al minuto e 15.000 giri al minuto nelle condizioni di funzionamento in loco.
• ISO 1940-1: Vibrazioni. Requisiti per il bilanciamento dei rotori in stato rigido.
• API 610 / ISO 13709: Pompe centrifughe per l'industria petrolifera, petrolchimica e del gas.
• Manuali di uso e manutenzione dei produttori di pompe (ad esempio Grundfos, KSB, Wilo, Sulzer).
• UkrSEPRO: Certificazione di prodotto in Ucraina.