I difetti dei monolucidi: come accrescere la sicurezza nelle continue tissue

Bill Corboy

I monolucidi o Yankee dryer, sono considerati, da sempre, il cuore di una macchina per la produzione della carta tissue.

Quest'imponente cilindro a pressione compie una vitale funzione di trasporto, accompagnando il leggerissimo velo di carta attraverso il processo di essiccazione, senza che questo si strappi. E' la zona dove evapora la maggior parte dell'acqua contenuta nel velo e dove, contemporaneamente, si formano la crespatura e la trama al momento del distacco. Le numerose variabili del processo e le operazioni che qui avvengono, sottopongono il monolucido a considerevoli affaticamenti.

Tra questi ricordiamo: vapore acqueo, con pressioni interne fino a 160 psi (10,9 bar); velocità di rotazione; differenziali di temperatura, da parte a parte del mantello e tra i singoli elementi; carichi lineari, provenienti da una o due presse; altri fattori, di solito inesplicabilmente non considerati fonte di affaticamento, come la corrosione ed incisioni sulla superficie. Questa combinazione di pressione, stress meccanici e termici e le conseguenti sollecitazioni sui monolucidi, ha sfortunatamente portato negli anni a numerosi guasti, alcuni dei quali con conseguenze catastrofiche.

Considerando l'importanza centrale dei monolucidi sulle macchine continue tissue, vorremmo in questo articolo dare uno sguardo alle loro caratteristiche, l'ambiente in cui sono chiamati ad operare riguardo a ciò che ad essi è richiesto. Vorremmo in oltre discutere delle tipologie di guasti che possono verificarsi. In un articolo di prossima pubblicazione suggeriremo alcune linee guida per lo sviluppo di metodi di ispezione e metodologie di riparazione, al fine di mantenere costantemente il monolucido in uno stato di sicurezza, efficienza economica e produttività. Negli ultimi anni, poiché le aziende hanno cercato di produrre sempre più grandi quantità di tissue ad altrettanto più alta qualità da una data macchina, le aspettative crescenti, per raggiungere il fine, sono state riposte sul monolucido. I monolucidi più grandi impiegati nella produzione tissue hanno, ad oggi, diametri di 5500 mm con larghezze di tavola superiori ai 7600 mm capaci di sostenere velocità oltre i 2100 m/min.

Di conseguenza, la domanda di produzione è cresciuta considerevolmente man mano che, contemporaneamente, è salita la richiesta di qualità come sviluppo del mercato, spingendo le aziende ad offrire prodotti con più morbidezza e volume.

LA GHISA È ANCORA LA MIGLIORE SOLUZIONE. Durante gli anni, il materiale ineguagliabile prescelto per la struttura dei monolucidi è stata la ghisa che offre una tale combinazione di vantaggi che altri materiali si sono rivelati incapaci di raggiungere.

Tanto per cominciare la ghisa è relativamente poco costosa e semplice da fondere. E' resistente, ha buona stabilità termica ed è facilmente lavorabile da macchine utensili, unitamente ad un'adeguata resistenza all'usura ed alla corrosione. Un altro vantaggio della ghisa è la conduttività termica che permette di raggiungere il più elevato limite di temperatura per l'aderenza del foglio di carta bagnato. Se, da un lato, la ghisa mostra molti attributi positivi, esistono naturalmente alcuni inconvenienti. A causa della struttura composita, il materiale è piuttosto fragile; ciò significa che i guasti possono spesso essere improvvisi ed estesi. In questo modo, anziché sviluppare lentamente eventuali crepe come avvisaglia di imminenti problemi, la ghisa può fratturarsi rapidamente, con conseguenze pericolose.

Nonostante questi inconvenienti, gli attributi positivi continuano ad avere un peso superiore a quelli negativi mantenendo la ghisa come il miglior materiale per la costruzione dei monolucidi. Ci sono stati alcuni tentativi di utilizzare acciaio o leghe di rame berillio che però non hanno fornito prova di successo per una varietà di motivi, inclusi, rispettivamente, la più bassa stabilità e l'eccessiva conducibilità, entrambe in campo termico. Anche se la ghisa è rimasto il materiale scelto per la struttura dei monolucidi fin dalla loro nascita, miglioramenti significativi nella progettazione e nella tecnologia di fusione hanno di gran lunga accresciuto le sue prestazioni durante gli ultimi 40 anni di utilizzo.

Una breve lista di questi include:

1) l'introduzione di nervature e acciaio C60, che ha permesso la creazione di armature più resistenti e formati più grandi;

2) miglioramenti nella tecnologia delle leghe e progressi nella pratica delle fusioni, con conseguenti riduzioni della porosità, riuscendo a farla confluire vantaggiosamente lontana dalla superficie esterna del manto;

3) utilizzo di tecniche di analisi con precisi parametri di riferimento, che hanno condotto, in particolare, ad una più sicura e più affidabile progettazione della giunzione tra testata e manto;

4) accresciuta capacità di trasferimento del calore, per mezzo di nervature e installazione di generatori di turbolenza (alettoni e barre);

5) miglioramento nella chimica del materiale.

Così, sebbene si tratti pur sempre di ghisa grigia, i monolucidi continuano la loro evoluzione attraverso sempre più alte qualità e quantità di prodotto.

TAPPI SVOLGE UN RUOLO ATTIVO. Negli ultimi anni 70, l'Associazione Tecnica dell'Industria della Carta e delle Paste da carta (Technical Association of the Pulp and Paper Industry, TAPPI), iniziò negli Stati Uniti ad intraprendere un ruolo attivo nello studio dei guasti e difetti dei cilindri monolucidi istituendo, proprio in quel tempo, la Sottocommissione per la Sicurezza dei Cilindri Monolucidi: (Yankee Dryer Safety Subcommittee, YDSSC) che si incontrò per la prima volta nell'aprile del 1978 con otto addetti provenienti da quattro produttori di tissue e tre fornitori di attrezzature.

Da quel momento il gruppo è cresciuto costantemente in numero di partecipanti, specialmente fino al 1985, quando sono venuti alla luce i primi problemi di corrosione tra testata e manto.

La documentazione dei guasti sui monolucidi è stata decisiva: accumulando dati ed esperienze, risolvendo problemi, migliorando la progettazione, generando conoscenze e fornendo un valido aiuto per l'istruzione dei professionisti in modo da evitare danni nel futuro. Come parte di questo processo di documentazione, la Commissione ha catalogato 69 guasti tra il 1934 ed il 2001. Il moderno archivio fu iniziato nel 1985 e, di conseguenza, sono disponibili più informazioni, 42 per l'esattezza, riguardanti guasti verificatisi in tempi più recenti. Per nostro uso, un guasto è definito come: un monolucido che è stato temporaneamente rimosso dal servizio per riparazioni o sostituzione di particolari di fusione, o permanentemente rimosso prima della fine del periodo di uso previsto a causa di danni, usura o difetti riscontrati nelle parti di fusione.

GUASTI DEI MONOLUCIDI PER CATEGORIA (IN TUTTO IL MONDO)

Esplosioni (tra il 1947 e il 1999) : 15

Incrinature assiali dei bordi : 25

Incrinature della testata : 23

Allargamento delle flange (protuberanze): 10

Riscaldamento/Avviamento: 6

Eccessivo uso di acqua: 6

Porosità e riparazioni della superficie esterna: 6

Un problema centrale nella prevenzione dei guasti è costituito dalla vasta varietà di fonti dalle quali essi possono essere generati. Una lista parziale ricavata dall'archivio TAPPI, include:

-Riscaldamento rapido

-Eccessivo raffreddamento del bordo

-Dispersione di vapore

-Manutenzione inadeguata

-Lubrificazione

-Cuscinetti

-Mancate/compromesse connessioni

-Mancato isolamento dei manicotti

-Riscaldatori ad infrarossi

-Saldatura/brasatura della ghisa

-Corrosione del punto di contatto tra la testata e il manto

-Sporgenza delle flange

-Valvola di scarico di sicurezza sotto dimensionata

-Antincendio

-Urti

-Riscaldamento stazionario

-Eccessivo surriscaldamento

-Organizzazione

Questi potrebbero essere altrimenti catalogati come difetti di progetto, di riparazione e manutenzione, interventi ed errori umani, sistemi ausiliari e organizzazione. Possiamo dare un'occhiata ad alcuni agenti che contribuiscono ai guasti in ognuna di queste categorie.

DIFETTI DI PROGETTAZIONE. La corrosione nel punto di contatto tra testata e manto, che fu riconosciuta per la prima volta nel 1985 come la causa di numerosi guasti, è stata da allora identificata più di 55 monolucidi, 21 dei quali sono stati tolti dal servizio mentre uno è esploso. Il problema sorse a causa dell'uso crescente di irrorazioni di agenti chimici per migliorare le caratteristiche di crespatura. Questi agenti chimici hanno causato corrosione dove esisteva uno spazio tra la testata e le flange sul raggio esterno del monolucido, a causa di una forza di chiusura insufficiente. Il problema rimase irrisolto per un'intera decade, prima che influenze di progetto e di ambiente fossero completamente identificate, tuttavia lungo il corso del tempo, molti nuovi sistemi e metodi di ispezione furono sviluppati internamente alle industrie.

Nel medesimo tempo, un gruppo di specialisti si unì in una commissione dedicata al miglioramento della sicurezza degli essiccatori. Immediatamente, si riscontra la difficoltà nella catalogazione dei guasti perché la corrosione tra testata e manto è il risultato della combinazione di cause conseguenti la progettazione e il funzionamento. Le figure 1 e 2 illustrano la crescita del fenomeno della corrosione e come si manifesta. La corrosione nel punto di contatto tra testata e manto non è certamente il primo dei problemi relativi alla progettazione associato al vasto numero di guasti sui monolucidi.

Nella metà del secolo scorso, guasti collegati alle connessioni testata-mantello che utilizzano viti a testa cilindrica vennero alla luce. Infatti, otto dei 12 guasti iniziali riportati nell'archivio TAPPI come accaduti tra il 1934 ed il 1948, riguardavano monolucidi che avevano un collegamento con viti a testa cilindrica tra testata e mantello. Questo ha portato alla virtuale messa al bando di tale schema di progetto dagli stabilimenti nordamericani negli ultimi 50 anni. Bisogna annotare tuttavia che questa categoria di guasti parve essere tipica dei monolucidi con coperture a vite costruiti negli Stati Uniti, in contrasto con quelli assemblati in Europa. Le configurazioni a vite e imbullonate sono mostrate nella figura 3. Un terzo aspetto da considerare relativo alla fase di progetto, identificato con una significante percentuale di guasti, è il rigonfiamento delle flange del corpo del cilindro. Questo tipo di progettazione prese campo da un tentativo di proteggere dalla corrosione la giunzione della testata al corpo del cilindro. Tuttavia, questo ha anche creato uno spazio dove la corrosione può formarsi e una volta formatasi, le forze di trazione tendenti a ruotare il giunto verso l'alto possono diventare abbastanza grandi da rompere le flange (vedere figura 4). Questo processo si è reso concreto nell'unico caso di esplosione. Dovremmo notare comunque che, anche in assenza di corrosione, quest'appendice dalle sembianze piuttosto innocue può presentare un affaticamento notevole quando è raffreddata eccessivamente, a causa per esempio di una sovrabbondante quantità di acqua applicata al bordo del manto. All'inizio della progettazione, questa possibilità non è stata ben compresa prima che fossero disponibili parametri e metodi esatti di riscontro. La soluzione delle flange sembra essere stata abbandonata dagli attuali schemi di progetto, rimanendo una caratteristica dei monolucidi piu vecchi.

GUASTI DERIVANTI DA INADEGUATE MANUTENZIONI E RIPARAZIONI. In questa categoria bisogna includere manutenzione inadeguata, riguardante sistemi di condensazione, giunti, serraggi e perdite attraverso e tra le parti. Un guasto negli USA che ha spinto alla formazione della Sottocommissione per la Sicurezza sui monolucidi della TAPPI, è avvenuto a causa di una fuga di vapore trascurata. Questa, alla fine, si scavò una grossa traccia attraverso la flangia, con il vapore che segava le viti e una frattura, sviluppatasi nel manto e, in seguito, attraverso l'intera superficie dell'essiccatore. Inclusi in questa categoria dovrebbero essere anche la riparazione dei difetti dei monolucidi tramite l'errato inserimento di chiodi nel manto ed inadeguate procedure termiche.

Entrambe hanno causato diversi guasti terminati con esplosioni. Comunque da molti anni esistono delle procedure adatte alla riparazione di questi problemi e sono dettagliati in pubblicazioni disponibili. In particolare si dovrebbero seguire specifiche per l' interferenza dell'accoppiamento tra il foro, praticato nel monolucido ed i chiodi, per la giusta distanza fra i chiodi e per un certo numero di chiodi per una data area; i chiodi non devono né interferire fra loro né essere raggruppati.

Saldatura e brasatura della ghisa su recipienti sottoposti a pressione sono proibite dai codici e dai regolamenti di sicurezza, perchè il calore altera le microstrutture. L'irrorazione termica invece non altera le microstrutture del materiale di base quando è eseguita nel modo corretto.

LACUNE IN FASE OPERATIVA ED ERRORI UMANI. All'interno di questo paragrafo tratteremo quei guasti che possono verificarsi a causa di negligenza e mancanza di istruzione specifica o chiarezza nelle procedure da applicare. I monolucidi e i loro sistemi di controllo sono progettati per predeterminate condizioni di carico. Lacune in fase operativa ed errori umani possono creare problemi quali, ad esempio, sottoporre il manto sotto pressione ad eccessivo carico, come potrebbe succedere durante il riscaldamento o il raffreddamento (riscaldamento e raffreddamento non graduali causano pesanti affaticamenti termici), oppure l' uso di eccessivi quantitativi d'acqua su un area circoscritta del manto, o bypassando interblocchi, o rimuovendo impropriamente accumuli di carta dalla cappa. La lista dei guasti che hanno causato la perdita di monolucidi, è piena di azioni simili.

La figura 5, mostra una testa di essiccatore crepata, il risultato di una cappa ad alta temperatura e velocità operante mentre l'essiccatore non aveva la protezione del foglio di carta. II manto potrebbe espandersi quando è riscaldato dalla cappa e, relativamente alla parte centrale che non subisce deformazioni, esercita forze enormi sulla giunzione testata/manto. Al miglioramento della qualità di progetto e fabbricazione dei monolucidi, una minore proporzione di guasti può essere attribuita a difetti di progettazione e quindi occorre porre maggiore enfasi su questa categoria di guasti.

GUASTI NEI SISTEMI AUSILIARI. Molti guasti censiti ed archiviati sono riconosciuti per essere capitati non a causa di difetti del monolucido, per scarsa manutenzione e/o errori di operazioni, ma a causa di difetti di sistemi o componenti complementari al rullo stesso.

Un'esplosione in Svezia è stata registrata come avvenuta perché la valvola di controllo della pressione si ruppe rimanendo bloccata nella posizione "aperto" (le valvole che regolano la parte di alimentazione del vapore sono progettate per bloccarsi in posizione "chiuso" in caso di rottura) e la valvola di scarico di sicurezza (SRV), anche se funzionò correttamente, era dimensionata solo per smaltire una piccola parte del vapore in transito. La pressione del vapore crebbe in brevissimo tempo provocando l'esplosione del monolucido. Similmente, difetti dei cuscinetti hanno il potenziale per causare danneggiamenti ai perni così severi da rendere l'essiccatore inservibile. Questo significa che deve essere prestata considerevole cura nell'installazione e lubrificazione dei cuscinetti. Giacché, quasi invariabilmente, i cuscinetti sono progettati per una vita superiore ai 20 anni (B10), qualsiasi guasto che si verifichi in un tempo più breve, dovrebbe essere studiato minuziosamente.

La tecnologia del metallo, la qualità della conicità dei perni, la viscosità del lubrificante, lo scorrimento, la temperatura, la pulizia ed umidità sono tutti fattori importanti per il raggiungimento della vita prevista dei cuscinetti nonché per la sicurezza del monolucido. Guasti nei collegamenti e nei sistemi di sicurezza, descritti nel caso della valvola di scarico e sovraccarichi nei collegamenti con la cappa, così come anche in numerosi altri casi, hanno contribuito a danneggiare il monolucido. Un programma per l'ispezione sistematica di questi altri componenti critici è fondamentale per una sicura e lunga vita dei cilindro essiccatore.

LACUNE DI GESTIONE DELLA DIREZIONE AZIENDALE. Anche una rapida rassegna della letteratura accumulata riguardo ai guasti sui monolucidi, suggerirà il ruolo predominante che la gestione aziendale ha giocato in questi eventi. In senso stretto, tutti i guasti sono guasti derivanti dalla gestione.

Il passo seguente, tratto da un classico sulla sicurezza industriale di H.W. Heinrich, probabilmente rende meglio l'idea di questo convincimento:

Le persone preposte alla gestione (di un'azienda), selezionano, acquistano, installano e fanno uso di attrezzature. In certi casi possono anche progettarle e costruirle. La direzione aziendale è titolare delle attrezzature e la sola autorità nelle decisioni finali per quanto attiene alla manipolazione, funzionamento, manutenzione, posizionamento e custodia.... Il personale incaricato di rendere sicuri i macchinari e, di conseguenza, creare e mantenere condizioni sicure di lavoro, fa capo direttamente alla direzione....In ogni senso, quindi, la direzione è totalmente responsabile per la sicurezza meccanica e le condizioni fisiche del luogo di lavoro. la direzione crea (impiego) e di conseguenza ha il dovere di dirigere; seleziona personale alle sue dipendenze....

La direzione può anche istruire i suoi impiegati, metterli al corrente circa metodi di sicurezza e fornire competente supervisione....

Per tanto, e nessun'altra esatta conclusione può essere raggiunta che questa, a ragione delle sue abilità e opportunità, la direzione è responsabile della sicurezza.

I monolucidi sono spesso acquistati esclusivamente in base al prezzo. Spesso le procedure non sono scritte e il personale non è istruito. L'impegno per la produzione, frequentemente, supera quello per la sicurezza mentre sono dedicati sbrigativi trattamenti di manutenzione e controllo. Fin tanto che si continuerà ad andare avanti in questo modo, sempre più guasti nei monolucidi si aggiungeranno a quelli già archiviati. Di certo, ad oggi è disponibile una sufficiente letteratura per guidare i titolari e gli operatori nella gestione della sicurezza delle proprie attrezzature relative ai cilindri monolucidi.

CONCLUSIONI. Questa breve panoramica dei guasti e delle categorie di guasti intende sensibilizzare il lettore sulla necessità di comprendere i molteplici modi in cui i monolucidi sono stati danneggiati, cosicché egli possa essere meglio preparato a far fronte a simili possibilità presso il suo stabilimento. C'è un gran numero di informazioni disponibili per chi riveste incarichi di sicurezza del personale e del patrimonio nello stabilimento tissue, ed in ognuna vi sono riferimenti ai guasti e a come questi possano essere prevenuti. Riferimenti a queste pubblicazioni sono indicati in coda a quest'articolo. Con un'ampliata comprensione dei rischi che accompagnano questi imponenti cilindri rotanti a pressione, grava sugli interessati l'istituzione di una schedatura metodi di ispezione riconosciuti efficaci per ridurre le probabilità di danni. In un articolo successivo sarà analizzato l'argomento ispezioni sui rulli monolucidi.

Forse non tutti sanno che:..

L'origine del termine "Yankee" col quale è identificato negli Stati Uniti il monolucido, non è ancora stata completamente chiarita.

Intorno all'origine di questo temine, ruotano una varietà di storie ma nessuna ancora è stata assunta come quella vera. Quella che sembra più credile narra che un olandese, tal Yonke, fu coinvolto nello sviluppo dei primi cilindri essiccatori. Quando l'idea di un grande cilindro essiccatore per l'industria della carta fu importata negli USA, la versione americanizzata del nome divenne, per praticità Yankee. C'è nessuno che ha qualche altra teoria, circa le origini del nome Yankee, che pensa sia più corretta?