Editoriale: l’ottimizzazione di pompe ed espansori riduce i costi operativi e prolunga la durata

25.08.2020
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Gli espansori e le pompe ad alta energia coinvolti nell'industria degli idrocarburi devono affrontare molte sfide; dall'evoluzione delle condizioni operative ai fluidi corrosivi e all'aumento dei costi operativi durante la loro durata. I progressi nella tecnologia di produzione, riparazione e monitoraggio consentono agli operatori di mitigare questi effetti e prolungare la vita utile effettiva di questa importante apparecchiatura.
Editoriale: l’ottimizzazione di pompe ed espansori riduce i costi operativi e prolunga la durata

Le modifiche alla girante possono migliorare l'efficienza quando cambiano le applicazioni (Fonte immagine: Sulzer Ltd.)

Charles Soothill, responsabile della tecnologia per la divisione servizi di Sulzer, esamina alcuni dei recenti progressi nella tecnologia delle apparecchiature rotanti e come possono essere implementati per migliorare le prestazioni e ridurre al minimo i costi.

Tutti i giorni utilizziamo tutti prodotti dell'industria degli idrocarburi; il carburante per andare al lavoro, il gas per cucinare la cena o le plastiche utilizzate per realizzare gli involucri della nostra elettronica. Questo settore è strettamente legato alle nostre vite e quindi qualsiasi miglioramento che riduca i costi operativi andrà a vantaggio di noi utenti finali.

Le pompe e gli espansori ad alta energia svolgono un ruolo vitale nel settore degli idrocarburi e ognuno ha le proprie sfide. L'efficienza è essenziale in entrambe le applicazioni per garantire l'uso ottimale dell'energia, che è uno dei maggiori costi operativi del settore. Con il funzionamento continuo, i processi dannosi, come l'erosione e la corrosione, hanno un impatto significativo sulle tolleranze delle palette, sulle guarnizioni e sui giochi della girante. Senza un intervento tempestivo, questi possono portare a perdite considerevoli.

Pompe
In genere, le pompe di grandi dimensioni sono progettate per una vita utile estesa, tuttavia, quando le prestazioni iniziano a deteriorarsi, è spesso un segno che la voluta o la girante si sono usurate o corrose. Avendo, in molti casi, fornito decenni di servizio affidabile, trovare nuove parti può essere una sfida che, anche se riuscita, può significare un lungo tempo di consegna prima della consegna. Fortunatamente, le più recenti tecnologie di progettazione e processi di produzione possono ridurre notevolmente i tempi e i costi necessari per la creazione di parti di ricambio.

In situazioni in cui i produttori di apparecchiature originali (OEM) sono in grado di creare parti per macchine legacy, questo servizio potrebbe subire un ritardo poiché potrebbe essere necessaria una costruzione speciale. Il vantaggio OEM qui è la disponibilità di disegni originali per le parti, tuttavia, la riassegnazione dell'attrezzatura di produzione a un progetto una tantum può comportare costi aggiuntivi e un ritardo nella consegna, a meno che non sia disponibile un processo alternativo.

Fortunatamente, la tecnologia moderna offre una soluzione che può essere implementata da OEM, riparatori e fornitori di ricambi specializzati. L'avvento del reverse engineering che utilizza sofisticate macchine di misura a coordinate, software di modellazione solida 3D e scansione laser consente di ricreare parti complesse con tempi di consegna brevi.

Ammodernamento e rinnovo della pompa
I progressi nella tecnologia di progettazione sono stati accompagnati da sviluppi simili nella scienza dei materiali che insieme consentono di aggiornare i progetti originali. Le pompe più vecchie fabbricate utilizzando materiali come bronzo e ghisa, che non possono essere saldate, possono prolungare la loro vita utile utilizzando acciaio inossidabile o altre leghe avanzate.

In molti casi, le condizioni operative originali per le quali la pompa è stata progettata si saranno evolute dalla prima messa in servizio della pompa. Tali modifiche possono portare a una riduzione sia delle prestazioni che dell'efficienza, ma queste possono essere affrontate durante una riparazione o revisione importante.

Quando si crea una nuova girante, il design idraulico può essere ottimizzato per le condizioni operative - molto spesso questo ridurrà il fabbisogno energetico e porterà a riduzioni significative dei costi operativi. Utilizzando il software di progettazione più recente e la fluidodinamica computazionale (CFD), i componenti di ingegneria inversa possono essere messi a punto per fornire prestazioni idrauliche ottimali.

Sviluppi di produzione
Il tempo necessario per creare nuovi componenti per asset di alto valore come pompe ed espansori ad alta energia è stato notevolmente ridotto di recente con l'avvento delle apparecchiature di produzione ibride. Processi come la deposizione laser del metallo e la fresatura a cinque assi possono essere eseguiti su una singola macchina, consentendo una produzione rapida.

Ad esempio, è possibile creare una girante da un nucleo forgiato che viene lavorato utilizzando metodi a 5 assi per stabilire la forma di base. Quindi, un laser scioglie un flusso di polvere e deposita uno strato di nuovo metallo sulla superficie. Ciò consente di accumulare rapidamente un grande volume di materiale. La superficie dura può quindi essere lavorata alle dimensioni finali, tutto sulla stessa macchina.

La flessibilità di questo metodo di produzione offre anche la possibilità di creare componenti utilizzando materiali diversi, consentendo l'utilizzo di leghe specifiche in diverse aree del progetto. Si tratta di un'estensione delle tecnologie esistenti come rivestimenti speciali e rivestimenti rigidi in cui le proprietà ottimizzate del materiale possono essere incorporate nel design durante il processo di produzione, piuttosto che come processo aggiuntivo.

Miglioramento del design della pompa
Nelle situazioni in cui è richiesta una risorsa pompa rivista, gli operatori possono sfruttare tutte le più recenti tecnologie di progettazione e produzione per fornire una pompa ottimizzata per l'applicazione. Il consumo di energia, che è una componente chiave nei costi operativi, può essere ridotto concentrandosi sull'efficienza della pompa e riducendo al minimo tutte le possibili perdite nel sistema.

Acquisendo una comprensione completa dell'applicazione, delle caratteristiche del fluido e delle richieste di flusso, è possibile selezionare la tecnologia della pompa più appropriata che fornirà un'efficienza eccellente. L'abbinamento della struttura della pompa con il design ottimale della girante si tradurrà nella soluzione più conveniente, sia in termini di investimento di capitale iniziale che di costi operativi a lungo termine.

Ulteriori guadagni possono essere ottenuti attraverso il corretto dimensionamento della pompa per evitare sprechi di energia. Questa può sembrare un'affermazione ovvia, ma spesso si verifica un sovradimensionamento a causa dell'aggiunta di più fattori di sicurezza ai valori di prevalenza e flusso richiesti. Di conseguenza, la pompa sovradimensionata non funziona entro la sua curva di efficienza ottimale durante la normale produzione.

Utilizzo dei dati per ottimizzare le prestazioni della pompa
Dopo aver ottenuto il miglior design possibile per un'applicazione, è importante mantenere le migliori prestazioni e garantire che la manutenzione venga eseguita nel momento più opportuno. Oggi, l'analisi avanzata può essere utilizzata per acquisire ed elaborare i dati delle pompe esistenti per offrire notevoli risparmi sia sui costi operativi che di manutenzione.

Evidenziando gli asset con prestazioni insufficienti, è possibile implementare una strategia di manutenzione proattiva e giustificare le raccomandazioni di investimento; tempismo accurato per ridurre al minimo la perdita di produzione. L'utilizzo di dati su prestazioni, affidabilità ed efficienza consente agli operatori di determinare la capacità del sistema di soddisfare gli indicatori chiave di prestazione (KPI).

Una maggiore disponibilità della pompa può avere un effetto significativo sui ricavi assicurando un migliore mantenimento della produttività. Ulteriori vantaggi possono essere ottenuti riducendo le spese di manutenzione impiegando le risorse quando sono necessarie piuttosto che secondo un programma prestabilito.

Affinamento dei dati grezzi
Un sistema digitale creato da Sulzer, chiamato BLUE BOX utilizza i dati per pressione, flusso, densità, viscosità e consumo energetico. Insieme alle informazioni per il reparto manutenzione, comprese le letture delle vibrazioni e della temperatura degli asset, gli strumenti analitici generano visualizzazioni quasi in tempo reale per le parti interessate nella gestione e manutenzione del sistema.

I dati vengono estratti direttamente da una varietà di fonti quali controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA), controllori logici programmabili (PLC), storici di processo, database, sensori e strumentazione. A questo punto, è possibile installare un computer di livello industriale per elaborare i dati: noto come dispositivo periferico, è dotato di firewall che forniscono una connessione sicura a Internet.

I dati dei clienti vengono elaborati in un server cloud utilizzando un protocollo di trasferimento file sicuro (SFTP). Utilizzando algoritmi collaudati, i dati vengono analizzati rispetto a curve di prestazione note e visualizzati in un'interfaccia personalizzata che offre all'operatore il massimo vantaggio. Questa soluzione basata su cloud semplifica la conformità normativa con un impatto IT minimo ed è progettata per essere facilmente scalabile per adattarsi a un'ampia gamma di operazioni.

Espansori
In comune con le pompe ad alta energia, gli espansori sono risorse di alto valore su cui si fa affidamento per un funzionamento continuo ed efficiente. Qualsiasi tempo di inattività ha conseguenze operative significative, quindi deve essere ridotto al minimo assoluto. Pertanto, il miglioramento dell'efficienza e dell'affidabilità, nonché la riduzione delle riparazioni non programmate, sono obiettivi importanti per il team di manutenzione.

Ogni espansore contiene un rotore che funziona ad alte velocità e pressioni di rotazione, può anche essere necessario per sopportare temperature elevate e fluidi corrosivi. Per mantenere una risorsa così importante operativa e affidabile, l'uso dei dati sulle prestazioni della strumentazione per la manutenzione predittiva può fare una differenza decisiva in termini di disponibilità e costo totale di proprietà (TCO) per tutta la sua durata.

Durante i periodi di arresto pianificati, rapporti di ispezione dettagliati possono evidenziare miglioramenti a un espansore che miglioreranno i costi del ciclo di vita (LCC), l'efficienza del processo e la produttività. A seconda dei risultati, è possibile utilizzare diverse tecniche moderne di manutenzione e riparazione per risolvere problemi specifici.

La moderna tecnologia di rivestimento può ora essere applicata ad apparecchiature precedenti che non erano state progettate per tenere conto, ad esempio, di flussi di gas carichi di particolato. In questo modo, le superfici originali possono essere ripristinate e migliorate per offrire un'antivegetativa e una resistenza alla corrosione notevolmente migliorate.

Efficienza ottimizzata
La sezione stazionaria di un espansore è costituita da molte parti di precisione che si trovano in prossimità delle parti rotanti per raggiungere elevati livelli di efficienza. Alcuni di questi componenti trarranno vantaggio dall'essere aggiornati e fabbricati con leghe robuste, come Hastelloy X, che offrono una maggiore durata in ambienti ad alta temperatura.

Lo spessore dell'involucro stesso può essere aumentato, il che rende il componente più robusto e meno soggetto a distorsioni termiche nel tempo. Questo miglioramento può spesso essere accoppiato con un rivestimento abradibile sulla superficie interna dello statore che fornisce un maggiore controllo del gioco con le pale del rotore. Quest'area è cruciale per ottimizzare l'efficienza dell'espansore poiché la perdita dalla punta rappresenta una sostanziale perdita di efficienza nelle apparecchiature precedenti.

Allo stesso tempo, le pale del rotore possono anche essere aggiornate per sfruttare le moderne leghe progettate per applicazioni in cui sono richieste elevata resistenza e buona resistenza alla corrosione a temperature fino a 700 ° C (1’300 ° F). Insieme a segmenti di statore rivisti che offrono un migliore controllo dimensionale, è possibile implementare una serie di miglioramenti che aumentano l'efficienza e quindi la produttività.

Oltre agli espansori assiali di gas caldi utilizzati nelle applicazioni di acido nitrico e FCC (Fluid Catalytic Cracking), Sulzer utilizza queste tecnologie di riparazione anche per gli espansori radiali in flusso utilizzati in varie applicazioni criogeniche come la produzione di gas naturale liquefatto (GNL), gas naturale liquido ( NGL), recupero del punto di rugiada (DPC), recupero dell'etilene e gas industriali.

Aggiornamenti dei componenti
Alcune modifiche specifiche applicabili agli espansori di gas caldi assiali includono la sostituzione dei bulloni di fissaggio del disco di espansione con un diverso grado di acciaio. È possibile aggiornare più dischi espansori, se tenuti insieme sul rotore da un bullone che passa attraverso i loro centri. Il bullone originale è solitamente lavorato in acciaio inossidabile 422 ed è soggetto a notevoli sollecitazioni termiche. Questo componente può essere aggiornato a una lega di acciaio inossidabile 450 personalizzata che consente un maggiore allungamento del bullone, con conseguente maggiore schiacciamento del "fascio" sul gruppo rotore.

Lo stesso principio di aggiornamento può essere applicato ai cuscinetti di supporto del rotore. Funzionando a velocità così elevate, è importante che i cuscinetti possano resistere alle sollecitazioni operative per fornire affidabilità a lungo termine. I cuscinetti a manicotto cilindrici possono essere aggiornati a cuscinetti a cuscinetto inclinabile, mentre i cuscinetti a sede sferica possono essere sostituiti con cuscinetti a sede cilindrica, che forniscono prestazioni migliori e contribuiranno a ridurre i costi di manutenzione in futuro.

Gli espansori FCC subiscono spesso l'usura delle pale causata dalle particelle di catalizzatore nei gas di combustione. Il catalizzatore tende ad accumulare depositi solidi sui bordi di attacco e sulle punte delle lame, che possono causare problemi di vibrazione ed esacerbare il problema. Tipicamente, le lame usurate vengono semplicemente sostituite; tuttavia, con la sua esperienza nella riparazione delle pale delle turbine a gas (che funzionano a temperature fino a 1100dgrC), Sulzer può ridurre i costi riparando le pale degli espansori FCC (che tipicamente funzionano a temperature inferiori, fino a 700dgrC).

Questi miglioramenti sono stati resi possibili tramite nuovi materiali e tecnologie di riparazione. Lavorando con un fornitore di manutenzione indipendente esperto o un OEM con attrezzature simili (Sulzer è entrambi) per valutare le condizioni di risorse importanti, è possibile dare la priorità a qualsiasi progetto di aggiornamento e giustificare le decisioni di investimento di supporto. Sfruttando le nuove tecnologie, gli operatori del settore degli idrocarburi possono ridurre i costi operativi attraverso una maggiore affidabilità, efficienza e prestazioni.

Fonte: Sulzer Ltd.

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