Mitigazione dei rischi di intrappolamento del liquido nei sistemi di pompe di ricircolo dell’ammoniaca

Di Kushal Aurangabadkar

Negli impianti di refrigerazione industriale ad ammoniaca, le pompe svolgono un ruolo fondamentale nella circolazione dell’ammoniaca liquida, mantenendo l’efficienza di raffreddamento negli evaporatori e negli scambiatori di calore. La scelta del tipo di pompa influisce direttamente sull’affidabilità, sulla sicurezza e sui requisiti di manutenzione dell’impianto. Tra le opzioni più comuni figurano le pompe convenzionali, con tenuta meccanica, e le pompe sigillate, ermetiche. Comprenderne le differenze aiuta i professionisti della refrigerazione a scegliere la tecnologia più adatta al proprio stabilimento. Queste pompe, spesso installate in parallelo per garantire la ridondanza, costituiscono l’elemento centrale degli impianti industriali di stoccaggio frigorifero e di trasformazione alimentare.

Sebbene il loro ruolo nella continuità del processo sia ben compreso, esiste un pericolo meno evidente ma critico: l’intrappolamento del liquido nel corpo pompa quando le valvole di aspirazione e mandata sono chiuse. Se non affrontata, questa condizione può provocare una pericolosa sovrapressione idrostatica, generando sia un rischio per la sicurezza sia una non conformità normativa. Questo articolo confronta due configurazioni comuni delle tubazioni delle pompe, la configurazione delle tubazioni delle pompe convenzionali e quella delle pompe sigillate, concentrandosi sulle loro implicazioni per l’intrappolamento del liquido e la sicurezza di processo.

Pompe convenzionali per ammoniaca

Le pompe convenzionali sono progettate e funzionano mediante una tenuta meccanica dell’albero nel punto in cui quest’ultimo attraversa il corpo pompa per collegarsi al motore. La tenuta impedisce le perdite di ammoniaca consentendo al contempo all’albero di ruotare ad alta velocità. Le pompe sono generalmente monoblocco o montate su basamento e richiedono lubrificazione per garantire la durata della tenuta. Il grande vantaggio di queste pompe convenzionali è rappresentato dal loro progetto collaudato nel tempo e ampiamente adottato nel settore. I ricambi e le competenze per l’assistenza sono facilmente disponibili. Queste pompe offrono inoltre un costo iniziale inferiore rispetto alle opzioni ermetiche, oltre a una maggiore flessibilità nella scelta e nella sostituzione del motore. Tra i problemi comunemente noti figurano l’usura della tenuta meccanica e il fatto che essa rappresenti una potenziale fonte di perdite di ammoniaca. Richiedono inoltre controlli periodici delle condizioni della tenuta, della lubrificazione e delle vibrazioni. Queste pompe necessitano anche di manutenzione periodica e possono causare tempi di fermo non pianificati. In caso di guasto della tenuta, esiste il rischio di un potenziale rilascio di ammoniaca in prossimità delle superfici di tenuta.

Pompe sigillate, ermetiche, per ammoniaca

Nelle pompe sigillate, il motore e la pompa sono racchiusi in un involucro comune saldato. Il motore funziona immerso nell’ammoniaca liquida, senza albero esterno né tenuta meccanica. Il raffreddamento e la lubrificazione sono forniti direttamente dal refrigerante pompato. Il principale vantaggio di queste pompe sigillate è l’assenza di tenute dell’albero, che elimina praticamente il rischio di perdite dalla tenuta.  Le pompe ermetiche sigillate garantiscono efficienza economica a lungo termine grazie alla riduzione della manutenzione e alla necessità minima di ricambi, mentre il loro design compatto migliora la configurazione dell’impianto e aumenta la sicurezza riducendo al minimo i rischi di guasti meccanici. Tra gli aspetti critici figura il costo iniziale più elevato rispetto alle pompe convenzionali. Per la riparazione richiedono competenze di assistenza specialistiche, spesso con restituzione in fabbrica. In caso di guasto del motore, potrebbe essere necessario sostituire l’intera unità anziché limitarsi a riparare la tenuta. Potenzialmente offrono una minore flessibilità in termini di opzioni e disponibilità dei motori rispetto al progetto convenzionale.

Figura 1: pompa sigillata per ammoniaca

Uno dei problemi ricorrenti che ho riscontrato con le pompe convenzionali a tenuta meccanica utilizzate per far circolare l’ammoniaca nei nostri congelatori rapidi riguardava il cedimento della tenuta. Le tenute meccaniche sono soggette a usura prematura a causa delle fluttuazioni di pressione e delle vibrazioni nella rete di tubazioni, con conseguenti perdite di ammoniaca di piccola entità ma frequenti. Questi guasti comportano potenziali rischi per la sicurezza e tempi di fermo della produzione. Il rischio per la sicurezza derivava dal fatto che gli operatori dovevano intervenire ripetutamente in seguito all’attivazione dei rilevatori di ammoniaca nella sala pompe. I tempi di fermo erano dovuti al fatto che ogni sostituzione della tenuta richiedeva l’arresto di una parte dell’impianto di refrigerazione, incidendo sui requisiti di raffreddamento della produzione e causando fermi non programmati.

Sostituendo le pompe convenzionali con pompe ermetiche sigillate, lo stabilimento ha ottenuto:

• Eliminazione delle perdite dalla tenuta dell’albero, con un miglioramento della sicurezza degli operatori.
• Riduzione dei tempi di fermo, senza più interventi ricorrenti di manutenzione delle tenute, con un miglioramento della disponibilità e dell’affidabilità dei congelatori.
• Miglioramento della conformità normativa, con una significativa riduzione delle segnalazioni di perdite di ammoniaca.
• Risparmi sui costi del ciclo di vita: sebbene le pompe ermetiche fossero inizialmente più costose, si sono ripagate entro due anni grazie alla riduzione della manodopera per la manutenzione e dei tempi di fermo non pianificati.

Questo cambiamento ha segnato una svolta nel programma di sicurezza di processo dello stabilimento, dimostrando come l’ammodernamento delle apparecchiature possa contribuire direttamente al PSM, alla conformità ambientale e all’efficienza operativa. In base alle ricerche di mercato, molti stabilimenti stanno passando alle pompe sigillate a causa della crescente attenzione alla sicurezza, alle normative ambientali e agli obiettivi di sostenibilità. Tuttavia, le pompe convenzionali rimangono ampiamente utilizzate, soprattutto negli impianti più datati, nei quali i costi e la familiarità con la tecnologia orientano le decisioni. Nelle attività critiche del settore alimentare e delle bevande, le pompe sigillate sono sempre più spesso preferite per ridurre il rischio di rilascio di ammoniaca.

Il pericolo del liquido intrappolato

L’ammoniaca liquida, come tutti i liquidi, è praticamente incomprimibile. Se confinata in un volume chiuso dell’impianto, anche un piccolo aumento della temperatura può provocare un incremento sproporzionato della pressione. Effetto dell’espansione idrostatica: in assenza di un percorso di scarico, l’ammoniaca intrappolata nel corpo pompa può raggiungere pressioni ben superiori a 1.000 psig anche in presenza di aumenti di temperatura modesti. Una situazione di questo tipo può provocare la rottura dei corpi pompa, danneggiare le tubazioni e rilasciare grandi quantità di ammoniaca nell’ambiente, causando un grave incidente sotto il profilo della sicurezza e della conformità normativa. Evitare l’intrappolamento del liquido nei sistemi di pompaggio non rappresenta quindi soltanto una buona pratica ingegneristica.

Configurazione delle tubazioni delle pompe convenzionali

Storicamente, i corpi pompa sono stati dotati di linee di sfiato manuali collegate al separatore di liquido. Lo scopo principale di questi sfiati riguarda l’avviamento, consentendo agli operatori di espellere il vapore e di assicurarsi che la pompa sia completamente adescata con ammoniaca liquida. Durante il normale funzionamento, questi sfiati sono generalmente chiusi. Se vengono chiuse anche le valvole di isolamento sull’aspirazione e sulla mandata, il corpo pompa diventa un volume di liquido completamente intrappolato. Per garantire la conformità ai requisiti RAGAGEP e OSHA PSM, questa configurazione richiede una rigorosa disciplina operativa, con l’apertura dello sfiato prima dell’arresto, oppure l’aggiunta di una valvola di sicurezza idrostatica dedicata.

Figura 2: tubazioni di una pompa convenzionale per ammoniaca

Configurazione delle tubazioni delle pompe sigillate

Le pompe di ricircolo ermetiche o a motore incapsulato utilizzano linee di ritorno del raffreddamento.  Queste assicurano il flusso di raffreddamento per i motori e i cuscinetti delle pompe. Fungono inoltre da percorso di spurgo continuo dal corpo pompa al collettore di aspirazione umida. Poiché queste linee di ritorno sono normalmente aperte e non dipendono dall’intervento dell’operatore, impediscono intrinsecamente che il corpo pompa si trasformi in un volume di liquido intrappolato. Dal punto di vista del PSM, ciò rende la configurazione del ritorno del raffreddamento più robusta, poiché elimina la necessità di dispositivi di sicurezza idrostatica separati e riduce la dipendenza dall’intervento umano.

Figura 3: pompa sigillata per ammoniaca con linea di sfiato del raffreddamento

Analisi comparativa

Buone pratiche per gli stabilimenti

• Valutare le configurazioni delle pompe esistenti: individuare gli impianti dotati esclusivamente di sfiato e verificare se sono installate valvole di sicurezza idrostatiche.

• Formazione degli operatori: sottolineare l’importanza dello sfiato prima dell’arresto della pompa nelle configurazioni convenzionali.

• Percorso di ammodernamento: ove possibile, valutare il passaggio a pompe sigillate che offrano una protezione integrata contro l’intrappolamento del liquido.

• Non isolare mai i ritorni del raffreddamento: per gli impianti dotati di linee di ritorno del raffreddamento, assicurarsi che le procedure vietino la chiusura di queste linee in qualsiasi circostanza.

Conclusione

Sia le pompe convenzionali sia quelle sigillate per ammoniaca trovano applicazione nella refrigerazione industriale. Sebbene le pompe convenzionali offrano un’affidabilità comprovata e costi iniziali inferiori, richiedono un’attenzione costante alle tenute e presentano maggiori rischi di perdita. Le pompe sigillate, pur essendo inizialmente più costose, aumentano la sicurezza, riducono le emissioni e semplificano la manutenzione. Nelle applicazioni reali, il passaggio dalle pompe convenzionali a quelle sigillate ha risolto problemi critici, riducendo al minimo le perdite di ammoniaca, garantendo la conformità normativa e migliorando la disponibilità dell’impianto.

L’evoluzione dalla configurazione delle tubazioni delle pompe convenzionali a quella delle pompe sigillate rappresenta un significativo passo avanti nella sicurezza della refrigerazione ad ammoniaca. Sebbene entrambe le configurazioni servano a mantenere adescate le pompe, soltanto quella con ritorno del raffreddamento fornisce una protezione continua contro l’intrappolamento del liquido e la sovrapressione idrostatica.  Dal punto di vista del Process Safety Management, la configurazione con ritorno del raffreddamento è intrinsecamente più sicura, dipende meno dall’operatore ed è maggiormente conforme ai moderni RAGAGEP. Per gli stabilimenti che utilizzano impianti di refrigerazione ad ammoniaca, riconoscere questa differenza e applicare le buone pratiche può ridurre significativamente il rischio di guasti catastrofici alle pompe e favorire l’efficienza a lungo termine.

Autore

Kushal Aurangabadkar
Cargill Inc
Responsabile tecnico

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