Podwójne uszczelnienia pneumatyczne pompy wspomagającej, zaadaptowane z technologii uszczelnień powietrznych sprężarek, są bardziej powszechne w branży uszczelnień wałów. Uszczelnienia te zapewniają zerowy wyrzut tłoczonej cieczy do atmosfery, zapewniają mniejsze opory tarcia na wale pompy i współpracują z prostszym systemem nośnym. Korzyści te zapewniają niższy całkowity koszt cyklu życia rozwiązania.
Uszczelnienia te działają poprzez wprowadzenie zewnętrznego źródła gazu pod ciśnieniem pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnię uszczelniającą. Specyficzna topografia powierzchni uszczelniającej wywiera dodatkowy nacisk na gaz barierowy, powodując oddzielenie powierzchni uszczelniającej, co powoduje unoszenie się powierzchni uszczelniającej w warstwie gazu. Straty na tarcie są niskie, ponieważ powierzchnie uszczelniające nie stykają się już ze sobą. Gaz barierowy przepływa przez membranę z niskim natężeniem przepływu, zużywając go w postaci nieszczelności, z których większość przedostaje się do atmosfery przez zewnętrzne powierzchnie uszczelniające. Pozostałość przedostaje się do komory uszczelnienia i ostatecznie jest odprowadzana przez strumień procesowy.
Wszystkie podwójnie hermetyczne uszczelnienia wymagają płynu pod ciśnieniem (cieczy lub gazu) pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią zespołu uszczelnienia mechanicznego. Aby dostarczyć ten płyn do uszczelnienia, wymagany jest system wsporczy. Natomiast w podwójnym uszczelce ciśnieniowej smarowanej cieczą płyn barierowy przepływa ze zbiornika przez uszczelnienie mechaniczne, gdzie smaruje powierzchnie uszczelnienia, pochłania ciepło i wraca do zbiornika, gdzie musi rozproszyć pochłonięte ciepło. Te systemy wsparcia z podwójnym uszczelnieniem pod ciśnieniem płynu są złożone. Obciążenia termiczne rosną wraz z ciśnieniem i temperaturą procesu i mogą powodować problemy z niezawodnością, jeśli nie zostaną prawidłowo obliczone i ustawione.
System podwójnego uszczelnienia sprężonego powietrza zajmuje niewiele miejsca, nie wymaga wody chłodzącej i wymaga niewielkiej konserwacji. Ponadto, gdy dostępne jest niezawodne źródło gazu osłonowego, jego niezawodność jest niezależna od ciśnienia i temperatury procesu.
Ze względu na rosnące zastosowanie na rynku uszczelnień pneumatycznych do pomp dwuciśnieniowych, Amerykański Instytut Naftowy (API) dodał Program 74 w ramach publikacji drugiego wydania API 682.
74 System wsparcia programu to zazwyczaj zestaw montowanych na panelu manometrów i zaworów, które oczyszczają gaz zaporowy, regulują ciśnienie za zaworem oraz mierzą ciśnienie i przepływ gazu do uszczelnień mechanicznych. Podążając drogą gazu zaporowego przez panel Plan 74, pierwszym elementem jest zawór zwrotny. Umożliwia to odizolowanie dopływu gazu barierowego od uszczelki w celu wymiany elementu filtrującego lub konserwacji pompy. Gaz barierowy przechodzi następnie przez filtr koalescencyjny o średnicy 2 do 3 mikrometrów (µm), który wychwytuje ciecze i cząstki stałe, które mogą uszkodzić cechy topograficzne powierzchni uszczelnienia, tworząc warstwę gazu na powierzchni powierzchni uszczelnienia. Następnie znajduje się regulator ciśnienia i manometr do ustawiania ciśnienia zasilania gazem barierowym do uszczelnienia mechanicznego.
Uszczelnienia gazowe pomp dwuciśnieniowych wymagają, aby ciśnienie zasilania gazem barierowym 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). Przełącznik ciśnienia służy do wykrywania wszelkich problemów z ciśnieniem zasilania gazem barierowym i włączania alarmu, jeśli ciśnienie spadnie poniżej wartości minimalnej.
Pracą uszczelnienia steruje się przepływem gazu zaporowego za pomocą przepływomierza. Odchylenia od natężenia przepływu gazu uszczelniającego zgłaszane przez producentów uszczelnień mechanicznych wskazują na zmniejszoną skuteczność 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, a następnie zwiększa się przepływ gazu zaporowego. Skoki ciśnienia w pompie lub częściowa utrata ciśnienia gazu barierowego mogą również uszkodzić powierzchnię uszczelniającą. Alarmy wysokiego przepływu można wykorzystać do określenia, kiedy konieczna jest interwencja w celu skorygowania wysokiego przepływu gazu. Wartość zadana alarmu wysokiego przepływu mieści się zazwyczaj w zakresie od 10 do 100-krotności normalnego przepływu gazu barierowego i zwykle nie jest określana przez producenta uszczelnienia mechanicznego, ale zależy od tego, jak duży wyciek gazu jest tolerowany przez pompę.
Tradycyjnie stosowano przepływomierze o zmiennej średnicy i nierzadko zdarza się, że przepływomierze o niskim i wysokim zakresie są łączone szeregowo. Następnie na przepływomierzu wysokiego zakresu można zainstalować przełącznik wysokiego przepływu, aby włączyć alarm wysokiego przepływu. Przepływomierze o zmiennej powierzchni można kalibrować tylko dla określonych gazów w określonych temperaturach i ciśnieniach. Podczas pracy w innych warunkach, takich jak wahania temperatury między latem a zimą, wyświetlanego natężenia przepływu nie można uważać za wartość dokładną, ale jest ona zbliżona do wartości rzeczywistej.
Wraz z wydaniem czwartej edycji API 682 pomiary przepływu i ciśnienia przeszły z analogowych na cyfrowe z odczytami lokalnymi. Przepływomierze cyfrowe mogą być stosowane jako przepływomierze o zmiennej powierzchni, które przetwarzają położenie pływaka na sygnały cyfrowe, lub przepływomierze masowe, które automatycznie przekształcają przepływ masowy na przepływ objętościowy. Cechą wyróżniającą przetworniki przepływu masowego jest to, że zapewniają one sygnały wyjściowe kompensujące ciśnienie i temperaturę, aby zapewnić rzeczywisty przepływ w standardowych warunkach atmosferycznych. Wadą jest to, że urządzenia te są droższe niż przepływomierze o zmiennej powierzchni.
Problemem związanym ze stosowaniem przetwornika przepływu jest znalezienie przetwornika zdolnego do pomiaru przepływu gazu zaporowego 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 nie być dokładny. Problem polega na tym, że wraz ze wzrostem maksymalnego natężenia przepływu dla konkretnego modelu przetwornika przepływu wzrasta również minimalne natężenie przepływu.
Jednym z rozwiązań jest zastosowanie dwóch nadajników (jednego o niskiej częstotliwości i jednego o wysokiej częstotliwości), ale jest to opcja kosztowna. Druga metoda polega na użyciu czujnika przepływu dla normalnego roboczego zakresu przepływu i zastosowaniu przełącznika wysokiego przepływu z analogowym przepływomierzem o dużym zakresie. Ostatnim elementem, przez który przechodzi 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 przyrządu w przypadku nietypowych zakłóceń procesu.
Zawór zwrotny musi mieć niskie ciśnienie otwarcia. Jeśli wybór jest nieprawidłowy lub jeśli uszczelnienie powietrzne pompy dwuciśnieniowej charakteryzuje się niskim przepływem gazu zaporowego, można zauważyć, że pulsacja przepływu gazu zaporowego jest spowodowana otwieraniem i ponownym zamykaniem zaworu zwrotnego.
Generalnie azot roślinny stosowany jest jako gaz barierowy, ponieważ jest łatwo dostępny, obojętny i nie powoduje żadnych niepożądanych reakcji chemicznych w pompowanej cieczy. Można również zastosować niedostępne gazy obojętne, takie jak argon. W przypadkach, gdy wymagane ciśnienie gazu osłonowego jest wyższe niż ciśnienie azotu w instalacji, wzmacniacz ciśnienia może zwiększyć ciśnienie i zmagazynować gaz pod wysokim ciśnieniem w odbiorniku podłączonym do wejścia panelu Plan 74. Generalnie nie zaleca się butli z azotem butelkowanym, ponieważ wymagają one ciągłej wymiany pustych butli na pełne. Jeśli jakość uszczelnienia ulegnie pogorszeniu, butelkę można szybko opróżnić, co powoduje zatrzymanie pompy, aby zapobiec dalszym uszkodzeniom i awariom uszczelnienia mechanicznego.
W przeciwieństwie do systemów barier płynnych, systemy wsparcia Plan 74 nie wymagają bliskiej odległości od uszczelnień mechanicznych. Jedynym zastrzeżeniem jest wydłużony odcinek rurki o małej średnicy. W okresach dużego przepływu (degradacja uszczelnienia) w rurze może wystąpić spadek ciśnienia pomiędzy płytą Plan 74 a uszczelką, co powoduje zmniejszenie ciśnienia barierowego dostępnego dla uszczelki. Zwiększenie rozmiaru rury może rozwiązać ten problem. Z reguły panele Plan 74 montowane są na stojaku na wysokości dogodnej do sterowania zaworami i odczytu wskazań przyrządów. Wspornik można zamontować na płycie podstawy pompy lub obok pompy, nie zakłócając kontroli i konserwacji pompy. Unikaj ryzyka potknięcia się o 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 osobnego panelu Plan 74 dla każdego uszczelnienia lub panelu Plan 74 z dwoma wyjściami, każde z własnym zestawem przepływomierzy i przełączników przepływu. Na obszarach o mroźnych zimach może zaistnieć konieczność przezimowania paneli Plan 74. Odbywa się to przede wszystkim w celu ochrony wyposażenia elektrycznego panelu, zwykle poprzez zamknięcie panelu w szafce i dodanie elementów grzejnych.
Interesującym zjawiskiem jest to, że natężenie przepływu gazu barierowego wzrasta wraz ze spadkiem temperatury zasilania gazem barierowym. Zwykle pozostaje to niezauważone, ale może być zauważalne w miejscach o mroźnych zimach lub dużych różnicach temperatur między latem a zimą. W niektórych przypadkach może być konieczne dostosowanie wartości zadanej alarmu wysokiego przepływu, aby zapobiec fałszywym alarmom. Kanały powietrzne panelu i rury łączące muszą zostać oczyszczone przed oddaniem paneli Plan 74 do użytku. Najłatwiej to osiągnąć poprzez dodanie zaworu odpowietrzającego na połączeniu uszczelnienia mechanicznego lub w jego pobliżu. Jeśli zawór odpowietrzający nie jest dostępny, system można oczyścić, odłączając rurkę/rurę od uszczelnienia mechanicznego, a następnie podłączając ją ponownie po przepłukaniu.
Po podłączeniu paneli Plan 74 do uszczelek i sprawdzeniu wszystkich połączeń pod kątem szczelności, można teraz ustawić regulator ciśnienia na ciśnienie ustawione w aplikacji. Panel musi dostarczyć sprężony gaz barierowy do uszczelnienia mechanicznego przed napełnieniem pompy płynem procesowym. Uszczelnienia i panele Plan 74 są gotowe do pracy po zakończeniu procedur uruchamiania pompy i odpowietrzania.
Wkład filtrujący należy sprawdzić po miesiącu pracy lub co sześć miesięcy, jeżeli nie stwierdzono zanieczyszczeń. Okres wymiany filtra będzie zależał od czystości dostarczanego gazu, ale nie powinien przekraczać trzech lat.
Podczas rutynowych inspekcji należy sprawdzać i rejestrować ilości gazu barierowego. Jeżeli pulsacja przepływu powietrza barierowego spowodowana otwieraniem i zamykaniem zaworu zwrotnego jest wystarczająco duża, aby wywołać alarm wysokiego przepływu, może zaistnieć potrzeba zwiększenia tych wartości alarmowych, aby uniknąć fałszywych alarmów.
Ważnym krokiem w procesie likwidacji jest to, że ostatnim krokiem powinna być izolacja i obniżenie ciśnienia gazu osłonowego. Najpierw odizoluj i rozhermetyzuj obudowę pompy. Gdy pompa osiągnie bezpieczny stan, można odciąć ciśnienie gazu osłonowego i usunąć ciśnienie gazu z rurociągu łączącego panel Plan 74 z uszczelnieniem mechanicznym. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek prac konserwacyjnych spuść cały płyn z układu.
Uszczelnienia powietrzne pomp dwuciśnieniowych w połączeniu z systemami wsparcia Plan 74 zapewniają operatorom rozwiązanie w zakresie uszczelnienia wału o zerowej emisji, niższe inwestycje kapitałowe (w porównaniu z uszczelnieniami z systemami bariery cieczowej), obniżone koszty cyklu życia, niewielkie rozmiary systemu wsparcia i minimalne wymagania serwisowe.
To rozwiązanie zabezpieczające, zainstalowane i obsługiwane zgodnie z najlepszymi praktykami, może zapewnić długoterminową niezawodność i zwiększyć dostępność sprzętu obrotowego.
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 menedżerem grupy produktów w firmie John Crane. Savage posiada tytuł licencjata w dziedzinie inżynierii uzyskany na Uniwersytecie w Sydney w Australii. Więcej informacji można znaleźć na stronie johncrane.com.
Czas publikacji: 8 września 2022 r