POMPA

POMPA (XXVII, p. 801)

Evoluzione della teoria delle pompe a giranti palettate. - È molto sentita la necessità di giungere a formulare una soddisfacente teoria tridimensionale, che possa consentire una valutazione precisa del comportamento delle correnti fluide che attraversano le giranti delle p., tenendo conto della terza dimensione ed in maniera rispondente alle esigenze della progettazione. Nel frattempo, si sono sviluppati procedimenti di progettazione e di calcolo, denominati compound o compositi, che utilizzano le indicazioni sperimentali, ottenibili in impianti di ricerca specializzati, nei quali viene applicata la teoria dei modelli.

Vengono, anzitutto, considerate p. geometricamente simili, indi poste a confronto soltanto quelle, fra esse, per le quali si verifica una similitudine dei tracciati delle correnti che le attraversano (diagrammi triangolari delle velocità simili in punti corrispondenti), e la costanza di valore del rapporto c/u fra la velocità assoluta della corrente e la velocità periferica della girante. Questo rapporto è proporzionale al "numero caratteristico di flusso" ϕ = Q/nD³ (rapporto fra la portata fluente Q ed il prodotto del numero n dei giri nell'unità di tempo pel cubo del diametro nominale del palettaggio girante D³). Al rapporto gH/n²D² in cui g indica l'accelerazione di gravità ed H la prevalenza, si è dato il nome di "numero caratteristico di pressione" e lo si indica col simbolo ψ. Se si divide ϕ^1/2 per ψ^3/4 si ottiene l'espressione: k = ϕ^1/2/ψ^3/4 che è proporzionale all'espressione, precedentemente in uso: n_q = nQ^0,5/gH^0,75 e che viene designato numero caratteristico principale o semplicemente numero caratteristico.

Il riferimento ai numeri caratteristici consente di: ricalcolare i diversi modelli e tipi di p. ad uguale valore per la portata o per la pressione; ricalcolare questi modelli ad un uguale diametro D di riferimento e ad uguale pressione; ricalcolare i diversi modelli e tipi di pompe ad uguale potenza ed uguale pressione.

Lo studio e la progettazione delle p. a giranti palettate richiede, dunque, la conoscenza del presumibile tracciato della corrente liquida in spazi di rotazione a generatrici curvilinee. Se si fa astrazione dalle manifestazioni degli attriti, sia interni sia esterni, ci si trova in presenza di "correnti fluide" dette "potenziali", le cui superfici e linee di corrente possono venire tracciate in base a procedimenti analitico-grafici di raffigurazione conforme. Il tracciamento avviene a mezzo di piccole figure elementari di forma quadrangolare, ciascuna delimitata fra due linee di corrente e due linee equipotenziali, normali alle prime.

I diagrammi, che rappresentano nello spazio i valori della spinta idrodinamica e della resistenza di contorno palare possono avere configurazioni differenti a seconda della configurazione nello spazio delle pale del girante e delle caratteristiche idrotecniche principali del palettagio (passo palare, numeri delle pale, rapporto della lunghezza dei profili palari al passo palare, ecc.). In linea generale, a parità di spessori palari, la spinta idrodinamica aumenta con l'aumentare di valore per la curvatura palare mediana e, a pari curvatura mediana, essa aumenta di valore con l'accrescersi degli spessori palari.

Particolarmente importante è la considerazione della spinta idrodinamica sulle pale giranti, la quale è equivalente alla risultante delle pressioni positive e di quelle negative (depressioni) lungo la superficie di contorno palare. Queste ultime, se localizzate e di cospicua entità, possono indurre nella pompa fenomeni di cavitazione.

La grande varietà di servizî e di impieghi industriali delle p., richiedenti ciascuno particolari caratteristiche del macchinario, ha reso necessaria l'ideazione e la creazione di tipi rispondenti alle esigenze di ogni singolo impiego. Alcune classi speciali di p., ad esempio quelle per la vasta gamma delle industrie chimiche, del petrolio, del gas naturale, degli impianti nucleari, richiedono l'attuazione di sistemi di tenuta particolarmente efficaci, l'impiego di speciali fluidi di sbarramento e, persino, l'adozione di tenute a sigillo ermetico.

Pompe per l'industria degli idrocarburi. - Attraverso una graduale, sistematica evoluzione ed a seguito di direttive e prescrizioni d'unificazione, nel vasto campo dell'industria degli idrocarburi si è giunti ad una classificazione, quella dell'American Petroleum Institute (API), che suddivide le pompe in otto classi: 1) p. per impianti di perforazione; 2) p. per impianti di produzione; 3) p. per trasporti petroliferi; 4) p. per impianti di raffinazione; 5) p. per impianti di frazionamento, distillazione e reforming; 6) p. per impianti costieri ed a largo delle coste; 7) p. per impianti trasportabili; 8) p. per servizi speciali.

1. - Le p. per gli impianti di perforazione, in generale alternative a stantuffo, sono adibite al pompaggio dei fanghi di circolazione (sospensioni prossime a dispersioni colloidali, in acqua od in petrolio, di argille bentonitiche). La circolazione del fango, così negli impianti a perforazione "rotary" come in quelli "a turboperforazione" assolve ad una triplice funzione: refrigerazione e lubrificazione dell'utensile perforatore e rimozione dal fondo del pozzo in perforazione dei detriti di roccia frantumati; sollevamento dei detriti alla superficie del suolo ove vengono separati. È opportuno che la velocità di risalita della corrente di fango sia nell'ordine di 1 m/s. Alle p. da adibire alla circolazione del fango possono essere richieste delle prevalenze elevate (dell'ordine di alcune centinaia di atmosfere) con portate notevoli (sino a 50 e più l/s); esse, quinili, possono assorbire delle potenze dell'ordine di varie centinaia di kW (cfr. la fig. 1). Le velocità medie di stantuffo, con la disposizione della p. ad asse orizzontale sinora prevalentemente adottata (fig. 1) sono mediamente dell'ordine di 1 m/s e l'albero compie circa 80 giri al minuto. Le pompe a due cilindri sono generalmente a doppio effetto e le manovelle sono sfasate di 90°. Le camere d'aria alla mandata vengono corredate di un dispositivo di scarico a comando esterno. Le valvole debbono essere ampiamente dimensionate e sono del tipo costruttivo detto a vaso.

Spesso vengono impiegati due complessi-pompe simmetrici sia per averne uno di riserva sia per la possibilità di attuare un collegamento in parallelo od in serie. Per l'azionamento si preferisce usare motori Diesel; in alcuni campi di produzione petrolifera, anche turbomotori a gas. Nelle trasmissioni del moto (ad ingranaggi, a cinghie, miste) viene spesso intercalato un convertitore di coppia.

È in atto l'indirizzo di introdurre in luogo delle p. orizzontali delle p. ad asse verticale, che hanno struttura più compatta, con tre cilindri operatori e con manovelle calettate a 120°, funzionanti a semplice effetto. La condizione spesso imposta alle p. degli impianti di perforazione, che cioè le variazioni della pressione non abbiano a superano il 5%, richiede un dimensionamento molto accurato delle camere d'aria. Occorre anche assicurare una buona tenuta specialmente sul lato della pompa che guarda il motore d'azionamento, e, comunque, si debbon predisporre adeguati dispositivi per la ritenuta e l'allontanamento del fango, che trafila dalle tenute.

2. - Le p. per gli impianti di produzione possono essere di tre categorie: a) alternative a bilancere (denominate in ingl. sucker rod pumps) operanti all'interno dei pozzi con aste tuffanti ed aspiranti (fig. 2); b) p. sdoppiate in due porzioni, l'una dislocata nel pozzo in produzione e l'altra in superficie; c) elettropompe sommergibili, che vengono calate nel pozzo e vi funzionano sommerse (fig. 3). Le p. della classe a vengono suddivise, secondo la classificazione A.P.I., in cinque cutegorie, raffigurate schematicamente nella fig. 2 nelle diverse versioni costruttive e denominate rispettivamente, in inglese: 1) tubing typi with shoe ("tubolare con scarpa"); 2) tubing type with extehsion shoe and nipple ("tubolare con scarpa estensibile e nipple"; 3) top hold down ("ad asta tuffante e cilindro fisso in alto"); 4) bottom hold down ("ad asta tuffante e cilindro fisso in basso"); 5) rod type, travelling barrel ("ad asta tuffante e cilindro mobile"). Esse constano di uno stantuffo cavo, tuffante, che scorre entro un corpo cilindrico, foggiato a barile, alla cui estremità inferiore è situato un foro chiuso da una valvola con otturatore a sfera fissa, mentre a quella superiore vi sono luci chiuse da una valvola ad otturatore sferico mobile. Quando lo stantuffo compie la corsa ascendente, l'otturatore della valvola inferiore si apre per effetto della spinta idrostatica del liquido contenuto nel pozzo ed il corpo della p. si riempie di liquido. Durante la corsa discendente si apre, invece, l'otturatore della valvola superiore ed avviene il travaso del liquido, contenuto nel corpo della pompa, verso l'alto, ossia alla mandata della pompa. Il petrolio ascende, adunque, progressivamente nella colonna metallica, infilata nel pozzo in produzione, sino a raggiungere la superficie del suolo, dopo che lo stantuffo ha compiuto un certo numero di corse. Se la p. opera al fondo di un pozzo molto profondo, si tratta di sollevare una colonna liquida molto alta e pesante: la maggiore o minore profondità del pozzo è, quindi, il fattore operativo che maggiormente influenza il pompaggio del grezzo petrolifero.

Le p. tubolari hanno, in linea generale, un diametro maggiore di quelle ad asta tuffante. Le corse di stantuffo possono variare da poche decine di centimetri a varî metri ed il loro numero da 6 a 24 al minuto. A pari numero di corse al minuto e di lunghezza della corsa di stantuffo, la portata di liquido smaltito dipende dal diametro del foro, che viene variato ordinariamente da uno a 4^3/4 di pollice (da 25,4 a 121 mm) con possibilità di variazione della portata teorica da 1 a 22 circa. In generale le p. in esame sono duplici, con unico azionamento a motore. Le p. "tubolari" hanno avuto questa denominazione pel fatto che esse divengono una parte integrante del tubaggio del pozzo in produzione, sicché la p. di produzione può venire dislocata esattamente alla profondità desiderata nel pozzo. Il tubaggio deve venire rimosso allorquando si debba procedere ad una revisione della p. A compenso di questo svantaggio, le p. tubolari danno una maggiore produzione volumetrica. Oggi vengono preferibilmente costruite a sezioni anziché con il corpo in un sol pezzo. Operano meglio in pozzi ad alti livelli liquidi e con fori di sonda ad asse rettilineo. Le p. "ad inserzione" (ingl. rod pumps) vengono attaccate intere al treno d'aste (rods) tuffanti ed aspiranti e così inserite nei pozzi di produzione, arrestandole nella posizione desiderata in profondità e facendole poggiare su di un seggio precedentemente fissato al tubaggio del pozzo. Possono adunque venire rimosse dai pozzi ed ispezionate e revisionate senza che occorra rimuovere il tubaggio. Hanno un funzionamento più elastico e sono più adatte al pompaggio di grezzi petroliferi contenenti gas. Pei pozzi molto profondi si preferiscono p. a combined seal ossia a sigillo superiore ed a seggio di sostegno inferiore, che offrono maggiori vantaggi, però con un maggior costo. Esiste sia la versione costruttiva con involucro a barile sia quella detta ad L e cioè con l'involucro a sezioni, dotato di solito di un collare centrante.

Per la pulizia dei pozzi, dopo operazioni di idrofrattura, e nei pozzi con sabbie flottanti si adoperano pompe dette tritubolari, corredate con un tubo centrale fisso, connesso agli scontri, e con due tubi, attaccati al treno d'aste, uno all'esterno e l'altro all'interno del tubo fisso.

La soluzione economicamente ottimale per le pompe di produzione è, in linea generale, quella caratterizzata dal minore diametro trasversale possibile, da lunga corsa dello stantuffo e da basso numero di corse al minuto, compatibili con lo smaltimento della desiderata portata di greggio. Le pompe debbono essere caratterizzate da facilità di manutenzione e da grande rapidità di riparazione, essendo i costi per dette operazioni assolutamente trascurabili di fronte alle perdite finanziarie derivanti da arresto della produzione dei pozzi. Cure particolari vanno poste nella scelta di materiali adatti per gli organi più esposti ad erosioni e corrosioni e nell'impiego di adeguati inibitori di corrosione. Esistono all'uopo speciali leghe inossidabili ed anticorrosive, e materiali sintetici d'ottima resistenza alla corrosione.

3. Le p. per i trasporti petroliferi sono impiegate sia sulle petroliere sia per i servizî nei porti o nei terminali d'imbarco e di sbarco e lungo le reti degli oleodotti. Le navi petroliere, quale che sia l'apparato motore, richiedono l'installazione a bordo d'impianti di p. capaci di effettuare con rapidità le operazioni di carico e scarico dei prodotti petroliferi.

Gl'impianti di pompaggio di bordo debbono venire commisurati al tonnellaggio utile della petroliera ed alle durate previste per le operazioni di carico e di scarico. Si tratta di p. costituite da uno o più elementi dislocati in serie, a palettaggio radiale-centrifugo, con il primo elemento spesso a introduzione bilaterale e gli altri, eventuali, con dislocazione contrapposta nel corpo della pompa (fig. 4). Si possono ottenere prevalenze anche superiori ai 100 m e portate oltre i 400 l/s. I raccordi tubolari verso l'imbocco dei palettaggi giranti debbono essere corredati di dispositivi d'aerazione con tubi di diametro dell'ordine dei 50 mm, da collegare all'aspirazione della pompa di strippaggio per l'allontanamento di gas e di vapore. Occorrono tenute di caratteristiche atte ad una vasta gamma di prodotti petroliferi e, anche, all'acqua marina; l'albero della p. deve venire protetto dal contatto coi liquidi oleosi mediante bussole di ricoprimento di adatti materiali. Speciali anelli di tenuta vengono predisposti sui telai delle giranti e sull'involucro della p., onde ridurre le fughe interne.

Le p. di spinta per gli oleodotti coprono una vasta gamma di tipi, tutti, in generale, a palettaggio radiale-centrifugo, con numero di elementi in serie variabile, di solito, da uno a sei (fig. 5). Abitualmente hanno scatole di tenuta a sigillo meccanico. Vengono usate sia p. ad asse orizzontale, sia p. ad asse verticale inserite direttamente sull'oleodotto (fig. 6) evitando gomiti e curvature tubolari, al cui azionamento provvedono elettromotori (fig. 7) oppure da motori a fluido. In alcune stazioni di pompaggio di oleodotti vengono usate p. alternative per lo più ad asse verticale, triplex a tre cilindri operatori, con manovelle a 120°, di struttura molto compatta ed a velocità di rotazione relativamente alta (che può andare dai 250 ai 500 giri al minuto, a seconda delle dimensioni).

P. delle stesse caratteristiche generali vengono impiegate per gli ímpianti di raccordo a installazioni costiere, ad aeroporti, alle stazioni di deposito o di smistamento, a quelle di carico d'autocisterne o di cisterne ferroviarie ed alle stazioni terminali (superficiali o sotterranee).

4. Le p. per gli impiantì di raffineria, che richiedono una vasta gamma di servizî di pompaggio, con esigenze e caratteristiche fluidotecniche svariate e particolari modalità di funzionamento, sono di molteplici tipi e versioni costruttive. Per varï servizî di raffineria si debbono pompare o far circolare liquidi oleosi molto caldi, spesso volatili e talvolta corrosivi; in alcuni di essi si verifica la concomitanza di elevate pressioni e di alte temperature e, quindi, si richiedono materiali costruttivi speciali e l'adozione di dispositivi particolari in relazione alle esigenze tecniche ed economiche da assolvere. Occorre, per ciascuno specifico servizio, il tipo e modello di p. più adatto. Tende a prevalere l'adozione di sole p. centrifughe nei servizî di raffineria, ma vi sono particolari circostanze nelle quali può essere opportuna l'installazione di p. alternative a stantuffi, specialmente dei tipi verticali triplex odierni (fig. 8). La fig. 9 illustra un esempio di p. centrifuga ad asse orizzontale, con girante a sbalzo ed una sola scatola di tenuta, per servizî varî di raffineria. Viceversa la fig. 10 presenta un esempio di p. ad asse verticale per servizî di raffineria, ad una sola girante. La fig. 11 mostra una p. multipla ad asse orizzontale della classe denominata a barile, classe che comprende anche tipi ad asse verticale.

Le condizioni operative di una p., funzionante con liquidi freddi e poco viscosi, sono pressapoco le stesse (a meno dell'influenza del peso specifico) di quando la p. opera su acqua fredda; ma, se la p. deve operare su olî di viscosità notevolmente maggiore di quella dell'acqua alla temperatura ordinaria, le condizioni operative mutano sensibilmente (cfr. il diagramma della fig. 12 in cui appare l'influenza della variazione di viscosità cinematica sulle caratteristiche di una p. Ingersoll Rand per servizî di raffineria). Se si desiderano buoni rendimenti assieme a una soddisfacente durata del macchinario, è bene tendere a p. con alti numeri caratteristici, ma bisogna tener presente che, quanto maggiore è la viscosità dell'olio da pompare, tanto più lontani si è dalla similitudine del funzionamento. Le p. per olî molto caldi vengono previste a doppio involucro e, possibilmente, ideate in maniera da poter variare il numero di elementi della p. da dislocare in serie nell'involucro. Bisogna curare sia il buon isolamento esterno e la circolazione dell'olio caldo nella zona inferiore del corpo di p., sia la suddivisione della corrente di mandata in due flussi, l'uno diretto verso l'alto e l'altro verso il basso, allo scopo di evitare notevoli differenze di temperatura e le inerenti distorsioni termiche nelle due porzioni della cassa od involucro della p. I supporti debbono venire collocati a metà altezza del corpo della pompa.

5. Per le p. dei servizî di raffineria e per gli impianti di frazionamento, distillazione e reforming, adibite a far circolare o pompare frazioni più leggere dei grezzi petroliferi (propano, butano, ecc.) si sono dovute ideare e perfezionare speciali tenute a sigillo.

Negli S. U. A., a cura del Comitato dell'A.P.I. per l'industria sono state emanate norme e specificazioni pei materiali da adoperare per le diverse categorie e tipi di p. per l'industria degli idrocarburi; per gli olî aventi materiali in sospensione sono prescritti i tipi denominati slurry pumps progettati in base al criterio di evitare i ristagni delle particelle solide contenute nel liquido oleoso. I circuiti degli impianti catalitici sono corredati, di solito, con pompe slurry.

Vanno sotto il nome ingl. di coke crusher pumps le p. adibite ai servizî di pompaggio dei residui di fondo delle torri di flash e di ricircolazione degli olî neri, che trascinano pezzi duri di coke, di forma e grandezza irregolare. Alla girante, in queste p., è preinserito un dispositivo trituratore-sminuzzatore. Esistono anche soluzioni costruttive miste di slurry and crusher pumps, affermantisi nei più recenti processi di raffinazione petrolifera: quelli a coke fluidificato con catalisi ed a coke ritardato.

Gli olî che hanno basse tensioni di vapore possono venire pompati anche con altezze d'aspirazione poco diverse da quelle richieste per l'acqua alle diverse temperature; per gli olî volatili, le benzine, i gasolî, il propano e il butano, si deve tenere adatto conto delle tensioni di vapore del liquido; bisogna anche mantenere un sufficiente, ampio margine di sicurezza all'aspirazione delle relative pompe, inviandovi il liquido con adeguate prevalenze positive (battenti) anziché negative (altezze d'aspirazione), come deve farsi per tutti i liquidi caldi.

Le p. dei servizî di cracking catalitico, pei quali intervengono pressioni di 120 e più atm e temperature dai 300 ai 430 °C, richiedono particolari accorgimenti specialmente per quanto concerne la capacità erodente e corrosiva di taluni olî.

6, 7, 8. - Alle giranti delle p. centrifughe in uso nell'industria petrolifera, sia delle classi dianzi considerate, sia di quelle per gli impianti costieri od al largo delle coste, per gli impianti trasportabili e per servizî speciali, vengono dati angoli d'inclinazione della palettatura girante alla mandata maggiori di quelli usualmente adottati per acqua, e cioè sin verso i 60°, in guisa da poterne ridurre alquanto i diametri esterni, a pari valore per la prevalenza, con l'inerente diminuzione delle perdite d'energia per attrito fluido, sia all'interno dei condotti giranti sia sui telai di ricoprimento. Gli anelli di tenuta dei telai della girante vengono foggiati a coltello, ed alla "lingua" della voluta-spirale è opportuno dare un'estensione circonferenziale circa doppia dell'usuale per poter ridurre l'entità delle resistenze viscose alle basse portate d'erogazione.

Le tenute a sigillo meccanico possono venire usate nelle p. in esame sino a pressioni dell'ordine delle 40 atm ed a temperature di circa 180°; per valori maggiori si devono usare tenute a sigillo multiplo e con camere di sbarramento fluido, esplicanti anche le funzioni della refrigerazione della scatola di tenuta e di lubrificazione degli elementi sigillanti. Nella specificazione A.P.I. Standard 610 sono indicate alcune caratteristiche tecniche unificate a questo riguardo.

L'avvento degli impianti di produzione d'energia elettrica che adoperano combustibili nucleari ha dato cospicuo impulso al perfezionamento dei dispositivi di tenuta delle turbomacchine, sia motrici, sia operatrici a fluido, determinando due specifici indirizzi: a) dispositivi di tenute a fughe di fluido ridotte e controllate; b) dispositivi di tenute dette "a sigillo". Per questi dispositivi si sono ideati e perfezionati sia tipi a sigillo meccanico (semplice o multiplo) ad anelli galleggianti o flottanti (fig. 13), sia tipi a sigillo ermetico.

Pompe per industrie chimiche e petrolchimiche. - Esiste una vasta gamma di tipi e di modelli, caratterizzati principalmente da: costruzione a una sola girante palettata dislocata a sbalzo sull'albero; scatola di tenuta di costruzione speciale e con modalità tecniche diverse a seconda del prodotto (chimico o petrolchimico) circolante, specialmente per quanto concerne la lubrificazione ed il raffreddamento; caratteristiche fluidotecniche del palettaggio girante e della voluta spirale atte a favorire il richiamo del liquido nella girante e l'eliminazione di accumuli d'aria o d'altro gas; semplicità di montaggio e smontaggio e facilità d'ispezionamento interno della pompa senza dover rimuovere le tubazioni.

Sono state ideate e poste in commercio costruzioni di serie, eseguibili nello stesso modello in materiali costruttivi diversi (bronzo, ghise speciali, acciai speciali, leghe particolarmente resistenti a determinati agenti chimici, inossidabili, anticorrosive, altamente resistenti al calore, ecc.).

Bibl.: F. A. Kristall e F. A. Annet, Pumps, New York 1953; Tyler G. Hicks, Pump selection and application, ivi 1957; A. J. Stepanoff, Centrifugal and axial flow pumps, ivi 1957; M. Medici, Le pompe per l'industria petrolifera, in Rivoluzione Industriale, n. 65, 1958; A. de Kovats e G. Desmur, Pompes, ventilateurs, compresseurs centrifuges et axiaux, 2ª ed., Parigi 1960.