Pompaggio di liquidi contenenti sostanze abrasive

di Armando Morales

Il pompaggio di liquidi contenenti sostanze abrasive riguarda vari settori industriali: impianti per il trattamento delle acque reflue, impianti tecnologici per il trattamento galvanico delle superfici, impianti metallurgici, industria chimica e alimentare.
In tutti questi settori industriali, le soluzioni impiantistiche per il pompaggio devono rispondere ai requisiti tecnici specificati dalle norme tecniche e dalle direttive comunitarie del settore, ma anche dalle best practices già consolidate nel tempo. Si tratta di pratiche che oramai fanno parte di una cultura tecnica acquisita nel settore industriale, che si arricchisce continuamente con l’evoluzione tecnologica e con l’esperienza pratica, sia dal punto di vista tecnico che metodologico.

Fattori significativi che influenzano l’usura per abrasione

Ci focalizziamo ora sul fenomeno dell’usura provocata dall’impatto delle particelle abrasive con gli organi fissi e mobili della macchina durante il suo normale esercizio, quindi lavorando in un intervallo accettabile attorno al punto di funzionamento.

Questo fenomeno interessa l’intero impianto e quindi deve essere considerato ed affrontato in un’ottica globale per mitigare gli effetti negativi che ne derivano, come l’abbassamento dell’efficienza e l’aumento dei consumi energetici.

Per uno studio rigoroso del fenomeno dell’usura per abrasione, dobbiamo anzi tutto identificare, descrivere e valutare puntualmente l’impatto dei vari fattori che lo influenzano.

I fattori che influenzano l’usura per abrasione sono:

Velocità delle particelle
Angolo d’impatto delle particelle abrasive
Pressione del fluido
Caratteristiche delle particelle (dimensioni, durezza, forma,
concentrazione)
Caratteristiche del materiale abraso (durezza, modulo di elasticità)

Di seguito esaminiamo uno dei fattori di maggiore rilevanza, ovvero l’angolo d’impatto delle particelle abrasive, dove le particelle, durante il loro percorso all’interno della pompa, impattano contro le pareti del corpo e sulla girante.

Certamente il livello di usura, come abbiamo espresso precedentemente, dipende anche dal materiale di questi due componenti funzionali della pompa, dalle caratteristiche del liquido pompato, nonché dalle altre caratteristiche sopracitate.

Riportiamo i grafici di usura in funzione dell’angolo d’impatto delle particelle abrasive, facendo delle considerazioni riguardo l’andamento qualitativo e quantitativo delle curve per i tre materiali ad esaminare:

• Materiale duttile
• Materiale duro e fragile
• Gomma naturale morbida

Interpretando i grafici si può notare che per ogni materiale si individua l’angolo d’impatto (critico) che provoca il maggiore livello di usura in percentuale, poi, con il successivo incremento dell’angolo, si osserva tendenzialmente un decremento del fenomeno fino al suo azzeramento, per un angolo d’impatto pari a 90°.

Per la gomma e i materiali duttili si osservano invece delle differenze di tipo qualitativo: per la gomma il decremento è più accentuato, mentre per il materiale duttile è più morbido. Inoltre, per questo materiale viene riportata anche la curva di usura per deformazione, che parte dai 20° con andamento sempre crescente.

In generale possiamo affermare che l’incidenza maggiore si verifica per gli angoli bassi e che per un angolo di incidenza di 90° si azzera la percentuale di usura, cioè non si verifica il fenomeno.

Riguardo i materiali duri e fragili, si osserva che l’usura per deformazione è molto accentuata con un incremento sempre crescente con l’aumento dell’angolo d’impatto.

Altro aspetto significativo è che la massima usura da taglio si verifica per i 50° circa di angolo d’impatto, con un’incidenza molto ridotta per bassi-alti angoli, quindi la curva caratteristica che descrive il fenomeno si presenta come una campana, come si può vedere in figura 1.

Esaminando il secondo fattore in elenco, possiamo dire che l’usura dei materiali bagnati dal liquido pompato contenente sostanze abrasive è fortemente influenzata anche dall’energia cinetica delle particelle (velocità delle particelle) e in grado minore dalla pressione del fluido pompato. Quindi, scrivendo il rapporto esistente tra l’usura e i due fattori sopracitati, ne deriva quanto segue:

usura ≈ Vn ≈ hn/2

dove:

n: esponente
n = 3,0 per le pompe
n = 4,6 per le gomme
n = 1,4 per gli acciai

Pertanto, facendo uso del rapporto sopra riportato, con riferimento ai valori dell’esponente n, si evince che per le pompe l’usura è proporzionale al cubo della velocità della corrente fluida.

Considerando questo rapporto, occorre prestare attenzione a non superare il limite di velocità del fluido per limitare il fenomeno dell’usura, nonché per contenere le perdite di carico distribuite all’interno del circuito.

Abrasione e caratteristiche delle particelle abrasive

Prendendo in considerazione le caratteristiche delle particelle solide abrasive trasportate dal fluido pompato, si nota che il rapporto tra la durezza delle particelle e quella della superficie d’incidenza ha una significativa importanza sul fenomeno dell’usura; in particolare si osserva che l’usura aumenta rapidamente se la durezza delle particelle è maggiore della durezza superficiale del materiale abraso.

Come si riscontra nella letteratura tecnica, per i metalli duri l’usura è proporzionale alla durezza delle particelle abrasive fino alla durezza del metallo; per durezze dell’abrasivo superiori non vengono invece riscontrati ulteriori aumenti dell’usura del metallo duro.

Le altre caratteristiche di rilievo sono quelle relative alle dimensioni delle particelle, dove si riscontra un rapporto di proporzionalità diretta: l’usura aumenta con le dimensioni delle particelle.

Riguardo la forma delle particelle, la maggiore influenza si registra per le particelle puntiformi. Il fenomeno dell’usura aumenta anche in funzione della concentrazione del materiale solido abrasivo fino al 20% in peso; oltre questa percentuale, l’usura si mantiene praticamente invariata.

Riguardo i rivestimenti in gomma, essi sono particolarmente sensibili alle particelle puntiformi di grosse dimensioni.

Esaminando il fenomeno sui metalli, come dimostrato dalle evidenze in campo industriale, è noto che la resistenza all’usura è influenzata anche dalla microstruttura e dalla composizione chimica del metallo.
Inoltre riveste particolare importanza la natura del liquido: in caso di pompaggio di liquidi altamente corrosivi, la resistenza all’abrasione viene significativamente indebolita.

Risulta interessante sottolineare che il livello di deterioramento di una pompa, ovvero il livello di usura che si può registrare durante il suo normale funzionamento, può essere aggravato dalla combinazione di vari fenomeni come la cavitazione e la corrosione, oltre che dall’abrasione dovuta alla presenza di particelle solide; inoltre possiamo dire che il regime di flusso che si stabilisce, laminare o turbolento, ha una sua influenza secondo dati sperimentali noti con una maggiore influenza in caso di regime turbolento.

Per mitigare questi fenomeni che determinano l’usura a livello industriale occorre dotarsi di un rigoroso piano organico di manutenzione come parte di una politica industriale mirata alla protezione degli asset dell’area operativa con impatto sui livelli di efficienza e di servizio.

Soluzioni tecniche contro l’usura per abrasione

Impiego di materiali metallici con finitura superficiale e caratteristiche meccaniche adeguate
Applicazione di vernici protettive speciali per isolare la superficie bagnate
Impiego di rivestimenti protettivi ad altra prestazione per ricoprire girante e corpo della pompa (Vedi figura 3)

L’uso industriale di questi rivestimenti in funzione del fluido da convogliare e dei parametri operativi, risultano una valida soluzione tecnica anche contro le potenziali abrasioni di tipo severo, con spessori di materiale depositato che può indicativamente variare da 3 mm a 6 mm circa, sono resistenti alle sostanze chimiche per un ampio intervallo di temperature e presentano una bassissima permeabilità, il che assicura l’isolamento delle superfici bagnate.

Inoltre, i rivestimenti hanno un impatto favorevole dal punto di vista fluidodinamico, e quindi migliorano l’efficienza idraulica della macchina.

Infine, essi contribuiscono a ridurre significativamente gli interventi manutentivi correttivi, assicurando la continuità operativa dell’impianto. È noto che i costi energetici sono una componente importante in tutto il ciclo di vita di una pompa e che questi sono influenzati dall’usura e da altri fattori concorrenti. E’ perciò importante monitorare sempre i consumi e verificare che la pompa lavori nell’intervallo ottimale indicato dal costruttore.

La pompa X-Class di ASV Stubbe ha elevate prestazioni ed è adatta per impieghi gravosi in vari ambiti industriali come il settore metallurgico, gli impianti chimici industriali e gli impianti per il trattamento delle acque reflue. Queste pompe possono manipolare fluidi corrosivi altamente concentrati e con concentrazione di particelle solide fino al 45%.
Le nuove pompe X-Class si distinguono per un’alta qualità di fabbricazione e per un design innovativo. La loro resistente scocca in metallo è rivestita internamente da materiale plastico.