Vegyipari szivattyúk meghibásodása és ezek elkerülése

Átírás

1 JELLEGZETES ÜZEMFENNTARTÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTERÜLETEK 5.07 Vegyipari szivattyúk meghibásodása és ezek elkerülése Tárgyszavak: vegyipari szivattyúk; membránszivattyú; centrifugálszivattyú; kavitáció. Membránszivattyúk alkalmazása szigorú környezetvédelmi követelmények esetén A környezetvédelmi előírások megkövetelik, hogy bizonyos anyagokat abszolút biztonságos módon szivattyúzzanak. Például kőolajfinomítókban kén-hidrogén és szén-dioxid igen alacsony kéntartalmú keverékéből nagy mennyiséget kell kb. 300 bar nyomáson szivattyúzni, ami különösen nehéz feladatot jelent a szivattyúknak. A közeg ui. erősen toxikus és nincsenek kenési tulajdonságai, a gőznyomás a környezeti hőmérsékleten is magas, és előfordul, hogy szilárd részecskék is vannak a folyadékban, ami a tömítésben okoz problémákat. Erre a célra eddig triplex vagy kvintuplex (három- vagy ötfokozatú) dugattyús szivattyúkat, vagy nagy fordulatszámú centrifugálszivattyúkat szoktak használni, amelyek a tapasztalatok szerint nem felelnek meg teljesen a szigorú követelményeknek. A dugattyús szivattyúknál még többszörös tömítés esetében is előfordul szivárgás. A javítás során a teljes tömszelencét ki kell cserélni, amit csak speciálisan képzett szakmunkások végezhetnek el, ezért a költségek magasak. A szállított közeg, amelynek nincsenek kenési tulajdonságai, gyors kopást okoz. A nagy fordulatszámú centrifugálszivattyúknál a szilárd részecskék jelentik a legnagyobb problémát. Oldott szilárd anyagok, pl. szén is lerakódnak a tengely tömítésében és még igen kis lerakódás is a nagy fordulatszám miatt kiegyensúlyozatlansághoz vezet, ami miatt a szivattyút azonnal le kell állítani. A javítás igényes munka és sokba kerül. Ennél a szivattyútípusnál az elgőzölgött folyadékot össze kell gyűjteni és vissza kell vezetni a szívóvezetékbe vagy a tartályba, ami egy újabb veszélyforrást jelent.

2 Mind a két szivattyútípus energetikai hatásfoka alacsony. Másik közös problémájuk, hogy a szívóoldali kis nyomású tömítés nagy gőznyomású közeg esetén veszélyforrást jelent. Membránszivattyúk működési elve A korszerű membránszivattyúkkal az ilyen folyadékok biztonságosan kezelhetők hosszú időn át. Előnyt jelent a kisebb karbantartási munka- és alkatrészigény, a kis működési költség és jobb energetikai hatásfok. A membránszivattyú lényegében nem más, mint egy dugattyús szivattyú, amelyben membrán választja el a szállítandó közeget és a hidraulikai kamrát, így a szállított folyadék nem szivároghat ki a környezetbe. A membránszivattyú és a dugattyús szivattyú működési elve azonos (1. ábra). A dugattyú mozgása következtében a közeg kamrájának térfogata periodikusan csökken és növekszik. A nyomás csökkenése esetén nyílik a szívószelep és a szállítandó közeg beáramlik a kamrába; amikor a dugattyú elérte hátsó holtpontját, a szívószelep zár. Amikor a dugattyú előre megy, a közeg kamrájának térfogata csökken, a nyomószelep kinyílik, és a beszívott közeg kinyomódik. Az elülső holtponton a nyomószelep zár, és ismét megkezdődik a szívási ütem. F H V L R V S V 5 M 1. ábra Membránszivattyú működési elve. A szállítandó közeg kamrája (F) hermetikusan el van szigetelve a hidraulikai kamrától (H)

3 Általában 350 bar nyomásig PTFE membránokat alkalmaznak, nagyobb nyomáson már fémmembránra van szükség. A műanyag membrán rugalmasabb, mint a fém és még nagy hozam esetén is alkalmazható. A korszerű membránszivattyúk egyik fő sajátossága a membrán állapotának folyamatos jelzése és ún. szendvicsmembrán alkalmazása. Ez a megoldás biztosítja, hogy a membrán sérülése (pl. kopás következtében) ne maradjon észrevétlen. A műanyag membrán élettartama rendkívül hosszú. Folyamatosan, azaz évi 8000 óránál többet működő szivatytyúnál a membránt általában az éves általános javítás során szokták kicserélni. Ismertek olyan esetek is, amikor a membrán több mint négy éven át kifogástalanul működött. A membránszivattyú biztonságos működésének előfeltétele a membrán pontos beszerelése a szivattyúba, hogy így ne fordulhasson elő annak túlfeszítése. A membránszivattyú biztonságosan tud szennyező anyagokat és szilárd részecskéket tartalmazó folyadékokat is szállítani, de ha ilyen szennyezések a szállítandó közegben rendszeresen előfordulnak, a szívó- és nyomószelepek kiválasztásánál erre tekintettel kell lenni. Mivel a hidraulikafolyadék általában tartalmaz oldott gázokat, a hidraulikakamrát állandóan szellőztetni kell. Erre a célra szellőztető szelepet alkalmaznak. Alkalmazási lehetőségek A membránszivattyúk 600 kw hidraulikus teljesítménnyel készülnek. Több membránszivattyút villamosan összekapcsolva nagy teljesítményt lehet elérni a nyomás kis mértékű pulzációja mellett. A membránszivattyúk működési jellemzőit nagy pontossággal lehet szabályozni, ami szintén előny a nagy fordulatszámú centrifugálszivattyúkkal szemben. A technológiai membránszivattyú szivárgásmentes megoldása környezetvédelmi szempontból különösen fontos, ugyanakkor a működési és karbantartási költségei is kedvezők. A nagyobb beruházási költségek általában két év alatt megtérülnek, de ennél rövidebb a megtérülési idő, ha számításba veszik, hogy nincs szükség drága ellenőrző műszerekre és a kezelők személyi védelmére. A kavitáció elkerülése centrifugálszivattyúknál Fontos, hogy megfelelő folyadéknyomás legyen a centrifugálszivattyúk szívási oldalán, mivel a szállított folyadékban oldott gáz prob-

4 lémákat okozhat. Kevésbé ismertek azonban azok a gyakorlati eljárások, amelyekkel a felhasználó a szivattyú specifikálásával és a rendszer kialakításával elkerülheti az ilyen problémákat. A centrifugálszivattyú működési elve A centrifugálszivattyú a vegyipari üzemek tipikus gépe. A centrifugálszivattyú a hajtómotor energiáját először kinetikus energiává (szállított közeg sebességévé), aztán folyadéknyomássá alakítja át. A sebesség a forgó lapátkerékben (impellerben), a nyomás pedig a diffúzorban alakul ki. A szivattyú belsejében a folyadék mozgása igen bonyolult. A sebességvektorok nem párhuzamosak a folyadékmozgást határoló falakkal és másodlagos mozgások alakulnak ki a kiömlőnyílás közelében. A folyadék a szivattyúban az impeller tengelye közelében lép be, és az impellerlapátok a folyadékot nagy sebességgel repítik ki. Ahol a folyadék elhagyja az impellert, kisnyomású zóna alakul ki. Mivel a lapátok görbültek, a folyadék tangenciális és radiális irányba lökődik ki a forgó impellerből. Nagynyomású szivattyúkban több impeller van, közöttük vezetőlapátok csökkentik fokozatosan a folyadék sebességét. Kisebb nyomású szivattyúknál a diffúzor egy spirális, fokozatosan növekvő keresztmetszetű cső (az ún. csigaház vagy voluta), amelyben a folyadék sebessége fokozatosan lecsökken. A folyadéknak átadott energia arányos a folyadék sebességével az impeller lapátjainak csúcsánál. Minél gyorsabban forog az impeller, annál nagyobb a folyadék sebessége és annál több energiát vesz fel. A volutában lelassul a folyadék, és a sebesség a Bernoulli-elv szerint nyomássá alakul át. A centrifugálszivattyúkat úgy tervezik, hogy figyelembe véve a nyomást, az energiát és a hozamot a legnagyobb hatékonysággal működjenek. Ezeket a tényezőket határozza meg a szivattyúk jelleggörbéje. Ezt a görbét tesztek alapján a szivattyú gyártója dolgozza ki. Adott folyamatban összerajzolva a folyamat nyomásgörbéjét és a szivattyú jelleggörbéjét, meghatározható, hogy a szivattyú a jelleggörbe mely pontján működik és milyen változások következnek be, ha a nyomásgörbe vagy a szivattyú teljesítménygörbéje változik. Nem szokás a szivattyút folyamatosan olyan teljesítménnyel üzemeltetni, amely az optimális működési ponttól távol van. Ez nemcsak gazdaságilag hátrányos, hanem a szivattyú is károsodik.

5 A szivattyúgyártók általában kiadnak táblázatokat a szivattyú megválasztásához, amelyek a sorozatban gyártott szivattyú működési adatait tartalmazzák. Előnyös, ha ilyen szivattyút sikerül kiválasztani adott technológiai folyamathoz, semmint speciális szivattyút terveztetni és gyártatni. Mi a kavitáció? Hogy egy szivattyú hosszú időn át zavartalanul működjön, ahhoz két feltételnek kell teljesülnie: A működés során folyamatosan fenn kell tartani egy bizonyos mi- nimális hozamot. Az egész működési tartományban nem léphet fel kavitáció. Ha a szivattyú kedvezőtlen körülmények között működik, számos káros jelenség léphet fel. Ilyen pl. folyadék szivárgása a szivattyúházból a tömszelencéknél, rossz hatékonysággal működő motor, túl erős hidraulikus nyomás, a tengely meghajlása, a hőmérséklet erős emelkedése, a folyadék visszaáramlása, csapágyak meghibásodása, a termék minőségének romlása. A kavitáció lényegében gázfázisú buborékok képződése, majd öszszeesése dinamikus folyamatok eredményeképpen. Buborékok akkor képződhetnek, ha adott helyen a nyomás egyenlő vagy kisebb, mint a folyadék gőznyomása; a buborékok akkor esnek össze, amikor a buborék olyan helyre jut, ahol a nyomás ennél az értéknél nagyobb. A kavitáció nem normális állapot, aminek nemcsak a teljesítmény csökkenése a következménye, hanem a berendezések károsodása is. Gőzkavitáció A folyadékon belül képződő buborékok belsejében gáz vagy gőz, vagy a kettő keveréke van. Gőzbuborékok a szállított folyadék elpárolgása folytán keletkeznek a szivattyú belsejében olyan helyen, ahol a statikus nyomás kisebb, mint a folyadék gőznyomása. Gőzbuborékok képződésének és összeesésének folyamatát általában gőzkavitációnak nevezik. Ezzel szemben a gázbuborékok a szállított folyadékban oldott gázoktól származnak. Sok esetben az oldott gáz levegő. Gőzkavitáció olyan esetben jelentkezik, amikor nem elégséges a nettó pozitív szivóoldali nyomás. Ez megmutatkozik a szivattyú teljesítményének csökkenésében, erős zajban és rezgésben és a szivattyú elemeinek gyorsabb elhasználódásában. Enyhébb esetben a fémeleme-

6 ken tűszúrásszerű gödrök (ún. pittingek) képződnek több év alatt, de előállhatnak katasztrofális roncsolások viszonylag rövid idő alatt. A gőzbuborékokat az áramlás viszi az impeller központjától a széle felé. A buborék először a nagy sebességű területet éri el, ahol kisebb a nyomás, aztán a nagynyomású zónába jut, ahol a nyomás következtében összeesik. Sok száz buborék robban be az impellerlapátok ugyanazon pontján, de több a csigaházban esik össze. A buborékot körülvevő folyadék belövell az üregbe és egy mikrojet alakul ki, ami ütéseket mér az elemek felületére. Ennek erős eróziós hatása van. Amikor a buborék összeesik, egy lökéshullám indul el, ami hallhatóvá teszi a kavitációt. A kavitációs erózió vagy pitting főleg a fáradási repedéseknél jelentkezik, hatása hasonló a homokfúváshoz. Kavitációs erózióra a legérzékenyebb terület az impellerlapátok kisnyomású oldala a beömlőnyílás közelében, de pittinget tapasztaltak a lapátok csúcsainál is. A kavitáció radiális és axiális kiegyensúlyozatlanságot is eredményezhet az impellernél, mivel a buborékok képződése és összeesése nem szimmetrikusan megy végbe. A buborékok következtében a szivatytyú által létrehozott nyomás erősen csökkenhet, mivel az energia az üregek feltöltése miatt szükséges sebesség növelésére fordítódik. A kavitáció kedvez a korróziós folyamatoknak is. A buborékok öszszeesése roncsolja a fémfelületek védőrétegét, amely így érzékeny lesz a kémiai hatásokra. Gázbuborékok Gázbuborékok akkor keletkeznek a szivattyúzott folyadékban, ha valamilyen gáz (sok esetben levegő) a folyadékkal együtt belép a szivattyúba. A helyzet kétfázisú közeg szivattyúzásához vezethet. A gázbuborékok ritkán okoznak kárt az járókerékben vagy a szivattyúházban. Fő hatásuk a hozam váltakozó erősödése és fojtása, ami csökkenti a szivattyú nyomását és kapacitását. A jelenség fő mechanizmusa a gázfázis kiválása a folyadékfázisból és a gáz felhalmozódása az impellerlapátok belépő oldalán, ami hanghatással is jár. Ebben a mechanizmusban az impeller belsejében uralkodó különféle nyomásmezők játszanak szerepet. Nyomásmezőt lényegében a következők alakítják: a centrifugális és Coriolis-erők, a lapátok aerodinamikus hatása, tehetetlenségi erők, amelyek a folyadék részecskéinek gyorsulásával és lassulásával függenek össze az áramlás irányában.

7 Ha szabad gáz van a szivattyúzott folyadékban, a szivattyú nyomása, teljesítménye és hatékonysága csökken. A teljesítmény folyamatosan csökken, ha a folyadék gáztartalma növekszik, míg egy kritikus gáztartalomnál a szivattyú elveszti kezdő nyomását, instabillá válik a nyomás, ami változó hozamhoz vezet. Lehetőségek a kavitáció elkerülésére Gőzkavitáció akkor fordul elő, ha az impeller által megkövetelt szívóoldali nyomás nagyobb, mint amennyi a rendszerben rendelkezésre áll. Ennek a helyzetnek megszüntetése két módon lehetséges: a szivattyú által megkövetelt szívóoldali nyomás csökkentésével; a rendszer által biztosított szívóoldali nyomás növelésével. Az első megoldás a szivattyú specifikációjának módosítását jelenti. Az impeller beömlőnyílásának növelésével csökkenthető a szükséges szívóoldali nyomás, de ebben az esetben előfordulhat a folyadék visszaáramlása, aminek hatása hasonló a kavitációhoz. Csökkenthető a szívóoldali nyomásigény kisebb fordulatszámú szivattyúval, két beömlőnyílású impellerrel, vertikális tengelyű szivattyúval, esetleg több párhuzamosan működő szivattyúval. Lehetőség van a fő szivattyú elé feladó (booster) szivattyú kapcsolására, amelynek ugyanolyan teljesítménnyel, de kisebb nyomással kell működnie, mint a fő szivattyúnak, hiszen csak azt a nyomást kell szolgáltatnia, amelyre a fő szivattyú szívóoldalán szükség van. Hatékony eljárás a kavitáció megszüntetésére centrifugálszivattyúknál, amikor a nagynyomású oldalról kis folyadékáramot (bleedet) a szívóoldalra visszavezetnek, ahol tangenciális irányba befecskendezve forgó áramlást hoznak létre, mielőtt az beömlene az impellerbe. A hatás az áramlásra hasonló egy impellerhez, anélkül, hogy valamilyen eszközöket vagy áramlási akadályokat kellene elhelyezni a szívóoldalra az impeller elé (2. ábra). A kísérletek igazolják, hogy az ilyen megoldás megszünteti a kavitációt, csökkenti az eróziót és a rezgéseket, miközben a folyadék megfelelő nyomással jut az impellerre. A nyomóoldalról kis folyadékáram visszavezetését a szívóoldalra sok rendszerben lehet alkalmazni, így pl. kőolaj-finomítókban is, ahol forró illékony folyadékokat kell a szivattyúval szállítani. Oldott gázt tartalmazó folyadékot szállító szivattyúk teljesítményének javítására kétfázisú kezelésre is lehetőség van, mégpedig az impeller lapátjai közötti járatkeresztmetszet növelésével, azaz a lapátok számának csökkentésével. Ebben az esetben is alkalmazható a vissza-

8 vezetéses (bleed) rendszer megfelelőképpen kialakított és elhelyezett fúvókákkal. kiömlés visszavezetést szabályozó szelep szívás fúvóka impeller csigaház, voluta 2. ábra Bleed rendszer: a nyomott oldalról kis folyadékáram visszavezetése a szívási oldalra A folyamat átalakítása A kavitáció elkerülésének másik útja a technológiai folyamat megfelelő kialakítása. A folyamat által biztosított szívóoldali nyomás a következő tényezőktől függ: statikus nyomás az impeller középvonala felett; nyomás a folyadék felszínén; súrlódási veszteség a szívóoldali csővezetékben; a folyadék gőznyomása. A javulás az első két tényező növelésével és/vagy az utolsó két tényező csökkentésével érhető el. A statikus nyomás a szivattyú alacsonyabb szinten vagy a tartály magasabb szinten való elhelyezésével, ill. magasabb folyadékszint tartásával növelhető. Ezek közül a folyadékszint növelését lehet többnyire gazdaságosan megoldani. Vannak esetek, amikor a tartályt, amelyből a szivattyú a folyadékot elszállítja, nyomás alá lehet helyezni, de ez az út nem mindig járható. Például egy levegőz-

9 tető tartályt nem lehet nyomás alá helyezni, mivel így nem teljesítheti feladatát. A gőznyomás csökkentésére a folyadék hőmérsékletének csökkentésével van lehetőség, de jelentős hűtés szükséges ahhoz, hogy a szivattyú szívóoldali nyomása érzékelhetően megemelkedjék. A szívóoldali csőrendszer helyes kialakításával és a súrlódási veszteségek csökkentésével jelentősen növelhető a szívóoldali nyomás. Vigyázni kell azonban arra, hogy a csővezeték megrövidítése ne idézzen elő turbulenciát a szivattyúba való beömlés előtt. Ökölszabály, hogy a szivattyúba való beömlés előtt legalább 5 10 átmérőnek megfelelő egyenes csőhossz legyen. Másik lehetőség a csősúrlódás csökkentésére nagyobb átmérőjű vezetékek alkalmazása. A csőátmérővel együtt azonban a szelepek és csőidomok méretét is növelni kell. Nagyobb ívek és kisebb nyomásveszteséggel járó szelepek alkalmazásával szintén csökkenthető a szívóvezetékben a súrlódási veszteség. A nyomásveszteség gyakori oka, hogy az új csőrendszerekben a szerelési szennyeződés, törmelék felfogására behelyezett szűrőket elfelejtik eltávolítani a későbbi üzemelés során. Ez elfogadhatatlan mértékű nyomásveszteséget okoz. Ha mindenképpen szükség van szűrők alkalmazására a rendszerben, azt lehetőleg a szivattyúk után kell elhelyezni, és olyan szivattyút kell választani, amely alkalmas szilárd részecskéket tartalmazó folyadék kezelésére is. Összeállította: Dr. Garai Tamás Keller, R.: Consider diaphragm pumps for high environmental demands. = Hydrocarbon Processing, 82. k. 8. sz p , 52. Zaher, M. A.: Avoid cavitation in centrifugal pumps. = Chemical Engineering, 110. k. 6. sz p Röviden A világ legnagyobb pótalkatrész-raktára Airbus-okhoz A hamburgi repülőtéren működő,az egész Airbus-flotta minden típusát világszerte ellátó központi pótalkatrész-raktár felülete a típuskiegészítések és a világ gépparkjaiban az Airbus-ok növekedő aránya miatt kevésnek bizonyult. A raktárat a meglevő raktárépülethez közvetlenül csatlakozó bővítő csarnokok újjáépítésével lényegesen megnövelték. Az új egység három alápincézett raktárcsarnokból áll, beépített funkcionális helyiségekkel, irodákkal, lefedett te-

10 herudvarral, továbbá a főbejáratnál portásépülettel és minden szükséges külső berendezéssel. A három, egyenként 45 m széles, 75 m hosszú pótalkatrész-raktárt tűzfalak választják el egymástól. Az 5,5 m magas alagsorban kaptak helyet a raktárblokkok mellett a mellékhelyiségek és az épületgépészeti rendszer. A földszinttől kezdve, amelyen rakodókaros polcok, paletták, logisztikai speciális irodák, műhelyek találhatók a primer tartószerkezet acél. A 10,5 m belmagasságú raktártereket 45 m-t áthidaló acél tetőszerkezetek fedik. A homlokzat függőleges és vízszintes ablakkeretekkel és alumínium kazettákkal kombinált alumínium hullámbádogok által tagozódik az oromba. Ezt a falburkolatrendszert acélbádog kazetták hordozzák behelyezett hőszigeteléssel és a masszív tartományban kétrészes Z-profilokkal. A tetők kettőshéj-szerkezetűek. Az alsó trapézbádogon levő strukturált dongaboltozatok tartják a gőzzáró berendezést, a hőszigetelést és a külső héjat. A meglevőket az új raktárépületekkel a teherudvar tetőzete köti össze mint egyedi alapokon nyugvó tiszta acélszerkezet, trapézbádog betétekkel és egyhéjas alumínium hullámbádog homlokzattal. (Bautechnik, 80. k. 2. sz p )