Rumori e vibrazioni nelle pompe centrifughe

Nella valutazione delle prestazioni di una pompa centrifuga tipicamente l’attenzione si concentra sui parametri operativi della macchina, legati alle effettive prestazioni in termini di resa meccanica, ma anche rumori e vibrazioni nelle pompe centrifughe vanno considerati con attenzione.Spesso si trascura l’analisi delle vibrazioni e del rumore prodotto, che invece non sono fattori da sottovalutare: a volte possono nascondere problemi meccanici legati al funzionamento della pompa stessa o all’accoppiamento con il motore elettrico.
Le vibrazioni, inoltre, consentono di individuare eventuali problemi prima del verificarsi di altri sintomi, incluso surriscaldamento, eventuali rumori, consumi elettrici e impurità dei lubrificanti.

Da un punto di vista fisico è facile giustificare la presenza di rumore durante il funzionamento di una pompa: il fluido viene convogliato da un corpo rotante (la girante) e spinto verso l’esterno trasformando l’energia cinetica assorbita in energia di pressione alla mandata del corpo pompa.

Per generare tali pressioni si ricorre a portate comprese tra 10 e 100 m/s a seconda del tipo di fluido e questo può generare forti vibrazioni.

Ma fino a quando un rumore o una vibrazione si può ritenere “normale” o fisiologico? Cerchiamo di capire come rispondere a questa domanda analizzando i processi che possono generare alterazioni nel normale funzionamento di una pompa centrifuga.

La natura delle vibrazioni nelle pompe centrifughe

Il suono può essere classificato in base al mezzo di propagazione: acqua, aria oppure in una struttura. I diversi tipi di emissione sonora possono essere raggruppate in tre categorie:

Air-borne noise: sono le emissioni acustiche udibili; le strutture possono irradiare energia acustica mediante vibrazioni trasversali o propagare energia meccanica attraverso vibrazioni longitudinali. La sorgente di energia è in gran parte dovuta ad eccentricità o sbilanciamenti di componenti rotanti o in moto reciproco.

Structure-borne noise: si tratta delle vibrazioni dovute in generale ai componenti meccanici di una pompa centrifuga (alberi, cuscinetti, guarnizioni).

Fluid-borne noise: sono le oscillazioni di pressione legate al funzionamento del fluido di lavoro. Il rumore in questo caso è generato da fluttuazioni di pressione dovute a oscillazioni della colonna di fluido, pulsazioni di pressione, cavitazioni.

Gli ultimi due tipi di vibrazioni sviluppano una energia circa 1000 volte maggiore rispetto alle semplici vibrazioni acustiche, soprattutto nel caso di pompe e motori. Inoltre, a contribuire posso essere fenomeni molto diversi, legati all’usura dei componenti di una pompa oppure ad uno scorretto utilizzo dell’impianto.

Di seguito verranno approfonditi alcuni fenomeni molto importanti legati alla presenza di vibrazioni o rumori anomali nel funzionamento di una pompa centrifuga, ovvero la cavitazione, il colpo d’ariete ed i battimenti in una stazione di pompaggio.

La cavitazione delle pompe centrifughe

Un particolare fenomeno legato alla presenza di vibrazioni o rumori anomali è la cavitazione pompe centrifughe: questo fenomeno consiste in una rapida vaporizzazione localizzata in una zona del fluido a bassa pressione, seguita da una veloce ricondensazione; si manifesta con la formazione di piccole bolle di vapore, il cui collasso istantaneo genera microgetti ad altissima pressione, che possono provocare danni anche gravi alla tubazione o alla girante della macchina idraulica.

In genere la cavitazione della pompa è causa di attrito e turbolenza nel liquido ed in molti casi provoca una notevole perdita di efficienza, emissione di rumore, vibrazioni e danneggiamento dei componenti.

La cavitazione può essere rilevata analizzando le vibrazioni ad alta frequenza: non è possibile calcolare esattamente da dove provengono le vibrazioni da cavitazione, ma il monitoraggio continuo, unito a diverse prove di funzionamento, permettono di determinare i campi di frequenza in cui si verifica il fenomeno e quindi di individuarlo prima che insorgano danni all’impianto.

Nel grafico sottostante viene mostrata l’analisi ad alta frequenza di una pompa centrifuga con due picchi di frequenze rilevate ed associate a fenomeni di cavitazione.

Per prevenire questo fenomeno le misure pratiche a cui ricorrere, a seconda dei casi e delle possibilità effettive, sono le seguenti:

• ricorrere a pompe in serie o a una pompa multistadio, in modo da ridurre la prevalenza della singola pompa (o stadio);
• aumentare il diametro della tubazione e/o diminuire la lunghezza del percorso di aspirazione;
• utilizzare una pompa sommersa o comunque collocare la pompa al livello più basso possibile.

Il colpo di Ariete

Vibrazioni e rumori anomali possono essere associati anche ad un aumento di pressione, che è il risultato di una improvvisa variazione della velocità del fluido. Si tratta del cosiddetto “colpo d’Ariete”, che si verifica quando un flusso di liquido in movimento viene bruscamente fermato (o avviato) o quando è forzato ad un rapido cambio di direzione ( per esempio la rapida chiusura/apertura di una valvola o di una pompa possono creare pericolosi picchi di pressione che portano al danneggiamento di guarnizioni, membrane a soffietto, valvole, manometri, ecc..). L’onda di pressione liberata accelera rapidamente fino alla velocità del suono in un liquido, che può superare i 1.200 m/s.

È possibile stimare l’aumento di pressione con la seguente formula:

P = (0.052 × V × L) / t + P1

dove P = aumento di pressione, P1 = pressione iniziale, V = velocità del flusso in ‘m/s’, t = tempo in ‘s’ (chiusura della valvola o della pompa), L = lunghezza del tubo a monte in ‘mt’.

Questo aumento di pressione è di fatto molto pericoloso perché può portare anche alla rottura delle tubazione, oltre che al danneggiamento dei componenti dell’impianto.

Per evitare o ridurre la possibilità che si verifichi il colpo d’Ariete è quindi opportuno effettuare le operazioni di avviamento e arresto delle pompe centrifughe in modo controllato, inoltre è possibile installare valvole di sfioro che si aprono all’arresto della pompa scaricando l’onda d’urto e si richiudono lentamente al raggiungimento della pressione statica.

Il battimento nelle stazioni di pompaggio

La sovrapposizione di due frequenze vibrazionali analoghe genera il battimento, un fenomeno chiaramente percettibile nel campo acustico.

Il suono, composto da due distinte tonalità di frequenza leggermente diversa, cambia di volume alla frequenza di battimento alzandosi e abbassandosi ritmicamente e in caso di battimento generato da macchine adiacenti, può generare ampiezze tali da danneggiare le macchine e persino causarne l’avaria.

Non sempre è possibile eliminare le cause del battimento: diventa quindi importante ridurne il più possibile gli effetti. E’ importante verificare non solo il corretto bilanciamento delle parti meccaniche in rotazione, ma anche il corretto stazionamento delle pompe e degli azionamenti, che spesso possono generare questi problemi.

La misura e il monitoraggio: un esempio pratico

Dopo la selezione e l’installazione di una pompa idonea è opportuno procedere al monitoraggio delle vibrazioni in condizioni d’esercizio. Ma quali punti di lettura e criteri d’accettazione usare per misurare le vibrazioni? Esistono delle normative in merito che impongono ai costruttori degli standard molto stringenti per quanto riguarda i livelli di vibrazioni ammissibili, ma il punto chiave è il metodo di rilevamento e di analisi. Per questo si utilizzano oggigiorno delle procedure informatizzate che consentono di monitorare in continuo gli impianti industriali e di tenere costantemente sotto controllo le prestazioni dei vari componenti dell’impianto.

Un esempio concreto riguarda il controllo di un acquedotto, come rappresentato in figura seguente.
La funzione dell’acquedotto non riguarda solo la fornitura affidabile e sicura di acqua potabile, ma anche lo smaltimento delle acque reflue in conformità con le leggi e con le esigenze dell’ambiente. È chiaro inoltre che il malfunzionamento di una delle molte pompe centrifughe installate può mettere a repentaglio l’intera affidabilità della fornitura d’acqua e porre quindi un grave problema alla continuità produttiva. Dato che le tubazioni, le stazioni intermedie di pompaggio e gli impianti di trattamento reflui sono distribuiti su un’area piuttosto estesa, è possibile creare un vero e proprio “network”, collegando i vari dispositivi installati tramite connessione Ethernet o GPRS per consentire un monitoraggio continuo.

I dispositivi di analisi delle vibrazioni, come gli analizzatori delle vibrazioni con puntatori a penna o gli strumenti di rilevamento delle condizioni dei cuscinetti, offrono informazioni rapide sullo stato dell’attrezzatura. Per individuare l’origine del problema, invece di utilizzare una tecnica di analisi approfondita delle vibrazioni con uno spettro, effettuano un’analisi dei livelli globali delle vibrazioni o delle condizioni dei cuscinetti stessi.

Analizzando appunto lo spettro di vibrazione (ossia, l’ampiezza delle vibrazioni rispetto alla frequenza), si possono ottenere numerose informazioni su eventuali malfunzionamenti: questa analisi sofisticata non solo fornisce informazioni su eventuali problemi incombenti ma consente anche agli utenti di individuare la causa alla radice e fare una previsione dei tempi che precedono il guasto.

Tuttavia, questo tipo tradizionale di test delle vibrazioni richiede una formazione avanzata e una capacità di analisi dello spettro e della storia passata dell’attrezzatura estremamente accurata.