Podwójne uszczelnienia pneumatyczne pomp wspomagających, zaadaptowane z technologii uszczelnień pneumatycznych sprężarek, są powszechnie stosowane w branży uszczelnień wału. Uszczelnienia te zapewniają zerowy przepływ pompowanej cieczy do atmosfery, zmniejszają opory tarcia na wale pompy i współpracują z prostszym systemem podparcia. Te zalety przekładają się na niższy całkowity koszt cyklu życia rozwiązania.
Uszczelnienia te działają poprzez wprowadzenie zewnętrznego źródła sprężonego gazu pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą. Specyficzna topografia powierzchni uszczelniającej wywiera dodatkowe ciśnienie na gaz barierowy, powodując jego rozdzielenie i unoszenie się w warstwie gazu. Straty tarcia są niskie, ponieważ powierzchnie uszczelniające nie stykają się ze sobą. Gaz barierowy przepływa przez membranę z niską prędkością przepływu, zużywając go w postaci nieszczelności, z których większość wycieka do atmosfery przez zewnętrzne powierzchnie uszczelnienia. Pozostałości przedostają się do komory uszczelnienia i są ostatecznie odprowadzane przez strumień procesowy.
Wszystkie podwójnie hermetyczne uszczelnienia wymagają obecności sprężonego płynu (cieczy lub gazu) pomiędzy wewnętrzną a zewnętrzną powierzchnią zespołu uszczelnienia mechanicznego. Do dostarczenia tego płynu do uszczelnienia wymagany jest system podtrzymujący. Natomiast w podwójnym uszczelnieniu ciśnieniowym smarowanym cieczą, płyn barierowy krąży ze zbiornika przez uszczelnienie mechaniczne, gdzie smaruje powierzchnie uszczelnienia, pochłania ciepło i powraca do zbiornika, gdzie musi je rozproszyć. Te systemy podtrzymujące podwójne uszczelnienia ciśnieniowe są złożone. Obciążenia cieplne rosną wraz z ciśnieniem i temperaturą procesu i mogą powodować problemy z niezawodnością, jeśli nie zostaną prawidłowo obliczone i ustawione.
Podwójny system uszczelnienia sprężonego powietrza zajmuje niewiele miejsca, nie wymaga chłodzenia wodnego i wymaga minimalnej konserwacji. Ponadto, gdy dostępne jest niezawodne źródło gazu osłonowego, jego niezawodność jest niezależna od ciśnienia i temperatury procesu.
Ze względu na rosnącą popularność uszczelnień powietrznych pomp dwuciśnieniowych na rynku, Amerykański Instytut Naftowy (API) dodał Program 74 jako część publikacji drugiego wydania normy API 682.
74 System wspomagania programu to zazwyczaj zestaw montowanych na panelu manometrów i zaworów, które oczyszczają gaz barierowy, regulują ciśnienie za zaworem oraz mierzą ciśnienie i przepływ gazu do uszczelnień mechanicznych. Podążając ścieżką gazu barierowego przez panel Plan 74, pierwszym elementem jest zawór zwrotny. Umożliwia on odcięcie dopływu gazu barierowego od uszczelnienia w celu wymiany wkładu filtra lub konserwacji pompy. Gaz barierowy przepływa następnie przez filtr koalescencyjny o średnicy porów 2–3 mikrometrów (µm), który zatrzymuje ciecze i cząstki stałe mogące uszkodzić topografię powierzchni uszczelnienia, tworząc na jej powierzchni warstwę gazu. Następnie znajduje się regulator ciśnienia i manometr do ustawiania ciśnienia dopływu gazu barierowego do uszczelnienia mechanicznego.
Uszczelnienia gazowe z pompą dwuciśnieniową wymagają, aby ciśnienie gazu barierowego osiągnęło lub przekroczyło minimalną różnicę ciśnień powyżej maksymalnego ciśnienia w komorze uszczelnienia. Ten minimalny spadek ciśnienia różni się w zależności od producenta i typu uszczelnienia, ale zazwyczaj wynosi około 30 funtów na cal kwadratowy (psi). Wyłącznik ciśnieniowy służy do wykrywania wszelkich problemów z ciśnieniem gazu barierowego i włącza alarm, jeśli ciśnienie spadnie poniżej wartości minimalnej.
Działanie uszczelnienia jest kontrolowane przepływem gazu barierowego za pomocą przepływomierza. Odchylenia od prędkości przepływu gazu uszczelniającego zgłaszane przez producentów uszczelnień mechanicznych wskazują na obniżenie wydajności uszczelnienia. Zmniejszony przepływ gazu barierowego może być spowodowany obrotem pompy lub migracją płynu do powierzchni uszczelnienia (z zanieczyszczonego gazu barierowego lub płynu procesowego).
Często po takich zdarzeniach dochodzi do uszkodzenia powierzchni uszczelniających, co powoduje wzrost przepływu gazu barierowego. Skoki ciśnienia w pompie lub częściowy spadek ciśnienia gazu barierowego również mogą uszkodzić powierzchnię uszczelniającą. Alarmy wysokiego przepływu mogą być używane do określenia, kiedy należy interweniować w celu skorygowania wysokiego przepływu gazu. Nastawa alarmu wysokiego przepływu mieści się zazwyczaj w zakresie od 10 do 100 razy w stosunku do normalnego przepływu gazu barierowego, zazwyczaj nie jest określana przez producenta uszczelnienia mechanicznego, ale zależy od tego, jaki wyciek gazu jest w stanie wytrzymać pompa.
Tradycyjnie stosowano przepływomierze o zmiennym przekroju i nierzadko zdarza się, że przepływomierze o niskim i wysokim zakresie są połączone szeregowo. W takim przypadku na przepływomierzu o wysokim zakresie można zainstalować przełącznik wysokiego przepływu, który generowałby alarm wysokiego przepływu. Przepływomierze o zmiennym przekroju można kalibrować tylko dla określonych gazów w określonych temperaturach i ciśnieniach. W innych warunkach, takich jak wahania temperatury między latem a zimą, wyświetlane natężenie przepływu nie może być uznane za wartość dokładną, lecz jest zbliżone do wartości rzeczywistej.
Wraz z wydaniem normy API 682, wydanie czwarte, pomiary przepływu i ciśnienia przeszły z analogowych na cyfrowe z odczytami lokalnymi. Przepływomierze cyfrowe mogą być używane jako przepływomierze o zmiennym przekroju, które przetwarzają położenie pływaka na sygnały cyfrowe, lub jako przepływomierze masowe, które automatycznie przetwarzają przepływ masowy na przepływ objętościowy. Cechą wyróżniającą przetworniki przepływu masowego jest to, że zapewniają one sygnały wyjściowe kompensujące ciśnienie i temperaturę, zapewniając rzeczywisty przepływ w standardowych warunkach atmosferycznych. Wadą jest to, że urządzenia te są droższe niż przepływomierze o zmiennym przekroju.
Problem z zastosowaniem przetwornika przepływu polega na znalezieniu przetwornika zdolnego do pomiaru przepływu gazu barierowego podczas normalnej pracy oraz w punktach alarmowych wysokiego przepływu. Czujniki przepływu mają wartości maksymalne i minimalne, które można dokładnie odczytać. Pomiędzy przepływem zerowym a wartością minimalną, przepływ wyjściowy może być niedokładny. Problem polega na tym, że wraz ze wzrostem maksymalnego natężenia przepływu dla danego modelu przetwornika przepływu, wzrasta również minimalne natężenie przepływu.
Jednym z rozwiązań jest zastosowanie dwóch przetworników (jednego niskiej i jednego wysokiej częstotliwości), ale jest to kosztowne rozwiązanie. Drugą metodą jest użycie czujnika przepływu dla normalnego zakresu przepływu roboczego i przełącznika wysokiego przepływu z analogowym przepływomierzem o wysokim zakresie. Ostatnim elementem, przez który przepływa gaz barierowy, jest zawór zwrotny, zanim gaz barierowy opuści panel i połączy się z uszczelnieniem mechanicznym. Jest to konieczne, aby zapobiec cofaniu się pompowanej cieczy do panelu i uszkodzeniu urządzenia w przypadku nieprawidłowych zakłóceń procesu.
Zawór zwrotny musi mieć niskie ciśnienie otwarcia. Jeśli dobór jest nieprawidłowy lub jeśli uszczelka powietrzna pompy dwuciśnieniowej ma niski przepływ gazu barierowego, można zauważyć, że pulsacja przepływu gazu barierowego jest spowodowana otwieraniem i ponownym zamykaniem zaworu zwrotnego.
Zazwyczaj azot roślinny jest stosowany jako gaz barierowy, ponieważ jest łatwo dostępny, obojętny i nie powoduje żadnych niekorzystnych reakcji chemicznych w pompowanej cieczy. Można również stosować gazy obojętne, które nie są dostępne, takie jak argon. W przypadkach, gdy wymagane ciśnienie gazu osłonowego jest wyższe niż ciśnienie azotu w instalacji, urządzenie wspomagające ciśnienie może zwiększyć ciśnienie i magazynować gaz pod wysokim ciśnieniem w odbiorniku podłączonym do wlotu panelu Plan 74. Butle z azotem w butlach nie są zazwyczaj zalecane, ponieważ wymagają ciągłej wymiany pustych butli na pełne. W przypadku pogorszenia jakości uszczelnienia, butlę można szybko opróżnić, co spowoduje zatrzymanie pompy, zapobiegając dalszym uszkodzeniom i awarii uszczelnienia mechanicznego.
W przeciwieństwie do systemów barierowych dla cieczy, systemy wsporcze Plan 74 nie wymagają bliskiego sąsiedztwa uszczelnień mechanicznych. Jedynym zastrzeżeniem jest wydłużony odcinek rury o małej średnicy. W okresach wysokiego przepływu w rurze może wystąpić spadek ciśnienia między panelem Plan 74 a uszczelnieniem (degradacja uszczelnienia), co zmniejsza ciśnienie barierowe dostępne dla uszczelnienia. Zwiększenie średnicy rury może rozwiązać ten problem. Panele Plan 74 są zazwyczaj montowane na stojaku na dogodnej wysokości do sterowania zaworami i odczytywania wskazań przyrządów. Wspornik można zamontować na płycie podstawy pompy lub obok pompy, bez zakłócania kontroli i konserwacji pompy. Unikaj ryzyka potknięcia się o rury/rury łączące panele Plan 74 z uszczelnieniami mechanicznymi.
W przypadku pomp międzyłożyskowych z dwoma uszczelnieniami mechanicznymi, po jednym na każdym końcu pompy, nie zaleca się stosowania jednego panelu i oddzielnego wylotu gazu barierowego do każdego uszczelnienia mechanicznego. Zalecanym rozwiązaniem jest zastosowanie oddzielnego panelu Plan 74 dla każdego uszczelnienia lub panelu Plan 74 z dwoma wyjściami, z których każde ma własny zestaw przepływomierzy i przełączników przepływu. W regionach o mroźnych zimach może być konieczne zimowanie paneli Plan 74. Ma to na celu przede wszystkim ochronę urządzeń elektrycznych panelu, zazwyczaj poprzez zabudowę panelu w obudowie i dodanie elementów grzejnych.
Interesującym zjawiskiem jest wzrost natężenia przepływu gazu barierowego wraz ze spadkiem temperatury zasilania gazem barierowym. Zazwyczaj pozostaje to niezauważalne, ale może stać się zauważalne w miejscach z mroźnymi zimami lub dużymi różnicami temperatur między latem a zimą. W niektórych przypadkach może być konieczne dostosowanie nastawy alarmu wysokiego przepływu, aby zapobiec fałszywym alarmom. Kanały wentylacyjne paneli i rury/rury łączące muszą zostać przedmuchane przed oddaniem paneli Plan 74 do użytku. Najłatwiej to osiągnąć, dodając zawór odpowietrzający na lub w pobliżu przyłącza uszczelnienia mechanicznego. Jeśli zawór odpowietrzający nie jest dostępny, system można przedmuchać, odłączając rurę/rurę od uszczelnienia mechanicznego, a następnie ponownie ją podłączając po przedmuchaniu.
Po podłączeniu paneli Plan 74 do uszczelnień i sprawdzeniu szczelności wszystkich połączeń, można wyregulować regulator ciśnienia do ciśnienia zadanego w danym zastosowaniu. Panel musi dostarczyć sprężony gaz barierowy do uszczelnienia mechanicznego przed napełnieniem pompy płynem procesowym. Uszczelnienia i panele Plan 74 są gotowe do uruchomienia po zakończeniu procedur uruchomienia i odpowietrzania pompy.
Wkład filtrujący należy sprawdzić po miesiącu użytkowania lub co sześć miesięcy, jeśli nie stwierdzono zanieczyszczeń. Częstotliwość wymiany filtra zależy od czystości dostarczanego gazu, ale nie powinna przekraczać trzech lat.
Podczas rutynowych kontroli należy sprawdzać i rejestrować natężenie przepływu gazu barierowego. Jeśli pulsacja przepływu powietrza barierowego powodowana otwieraniem i zamykaniem zaworu zwrotnego jest na tyle duża, że powoduje alarm wysokiego przepływu, wartości te mogą wymagać zwiększenia, aby uniknąć fałszywych alarmów.
Ważnym etapem demontażu jest odizolowanie i rozprężenie gazu osłonowego na końcu. Najpierw należy odizolować i rozprężyć obudowę pompy. Gdy pompa znajdzie się w bezpiecznym stanie, można wyłączyć dopływ gazu osłonowego i usunąć ciśnienie gazu z rurociągu łączącego panel Plan 74 z uszczelnieniem mechanicznym. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac konserwacyjnych należy spuścić cały płyn z układu.
Podwójne uszczelnienia pneumatyczne pomp ciśnieniowych w połączeniu z systemami wspomagania Plan 74 zapewniają operatorom rozwiązanie w postaci uszczelnienia wału o zerowej emisji, niższych nakładów inwestycyjnych (w porównaniu z uszczelnieniami z systemami bariery cieczowej), niższych kosztów cyklu życia, małej powierzchni układu wspomagania i minimalnych wymagań serwisowych.
Jeśli zostanie zainstalowane i obsługiwane zgodnie z najlepszymi praktykami, takie rozwiązanie może zapewnić długoterminową niezawodność i zwiększyć dostępność urządzeń obrotowych.
We welcome your suggestions on article topics and sealing issues so that we can better respond to the needs of the industry. Please send your suggestions and questions to sealsensequestions@fluidsealing.com.
Mark Savage jest kierownikiem grupy produktów w firmie John Crane. Savage uzyskał tytuł licencjata inżynierii na Uniwersytecie w Sydney w Australii. Więcej informacji można znaleźć na stronie johncrane.com.
Czas publikacji: 08.09.2022