Rozważania dotyczące wyboru uszczelnień – montaż podwójnych uszczelnień mechanicznych wysokociśnieniowych

Układ 3 uszczelnień mechanicznych topodwójne uszczelkigdzie wnęka z płynem barierowym między uszczelnieniami jest utrzymywana pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie w komorze uszczelnienia. Z biegiem czasu branża opracowała kilka strategii tworzenia środowiska wysokiego ciśnienia niezbędnego dla tych uszczelnień. Strategie te są uwzględnione w planach orurowania uszczelnień mechanicznych. Chociaż wiele z tych planów pełni podobne funkcje, charakterystyka pracy każdego z nich może się znacznie różnić i wpływać na wszystkie aspekty systemu uszczelnienia.

Układ rurociągów 53B, zgodnie z definicją API 682, to układ rurociągów, w którym ciecz zaporowa jest sprężana za pomocą akumulatora pęcherzowego wypełnionego azotem. Ciśnieniowy pęcherz działa bezpośrednio na ciecz zaporową, wytwarzając ciśnienie w całym systemie uszczelniającym. Pęcherz zapobiega bezpośredniemu kontaktowi gazu sprężonego z cieczą zaporową, eliminując wchłanianie gazu przez ciecz. Dzięki temu układ rurociągów 53B może być stosowany w instalacjach o wyższym ciśnieniu niż układ 53A. Samodzielny charakter akumulatora eliminuje również potrzebę stałego zasilania azotem, co czyni system idealnym do instalacji zdalnych.

Zalety akumulatora pęcherzowego są jednak niwelowane przez niektóre parametry operacyjne systemu. Ciśnienie w układzie rurociągów 53B jest bezpośrednio zależne od ciśnienia gazu w pęcherzu. Ciśnienie to może się drastycznie zmieniać z powodu kilku zmiennych.

Pęcherz w akumulatorze musi zostać wstępnie naładowany przed dodaniem płynu zaporowego do systemu. Stanowi to podstawę wszystkich przyszłych obliczeń i interpretacji działania systemu. Rzeczywiste ciśnienie wstępnego naładowania zależy od ciśnienia roboczego systemu i bezpiecznej objętości płynu zaporowego w akumulatorach. Ciśnienie wstępnego naładowania zależy również od temperatury gazu w pęcherzu. Uwaga: ciśnienie wstępnego naładowania jest ustawiane tylko podczas pierwszego uruchomienia systemu i nie będzie regulowane podczas rzeczywistej pracy.

Ciśnienie gazu w pęcherzu będzie się zmieniać w zależności od jego temperatury. W większości przypadków temperatura gazu będzie podążać za temperaturą otoczenia w miejscu instalacji. Zastosowania w regionach, w których występują duże dobowe i sezonowe wahania temperatury, będą charakteryzować się dużymi wahaniami ciśnienia w systemie.

Zużycie płynu barierowegoPodczas pracy uszczelnienia mechaniczne zużywają płyn zaporowy w wyniku normalnego wycieku. Płyn zaporowy jest uzupełniany płynem w akumulatorze, co powoduje rozprężanie się gazu w pęcherzu i spadek ciśnienia w układzie. Zmiany te zależą od rozmiaru akumulatora, szybkości wycieku uszczelnienia oraz pożądanego interwału konserwacji układu (np. 28 dni).

Zmiana ciśnienia w systemie to główny sposób, w jaki użytkownik końcowy monitoruje wydajność uszczelnienia. Ciśnienie jest również wykorzystywane do generowania alarmów konserwacyjnych i wykrywania usterek uszczelnień. Jednak ciśnienia będą się stale zmieniać podczas pracy systemu. Jak użytkownik powinien ustawić ciśnienia w systemie Plan 53B? Kiedy należy dodać płyn zaporowy? Ile płynu należy dodać?

Pierwszy szeroko opublikowany zestaw obliczeń inżynierskich dla systemów Plan 53B pojawił się w czwartej edycji normy API 682. Załącznik F zawiera instrukcje krok po kroku dotyczące określania ciśnień i objętości dla tego planu rurociągów. Jednym z najprzydatniejszych wymogów normy API 682 jest utworzenie standardowej tabliczki znamionowej dla akumulatorów pęcherzowych (czwarta edycja normy API 682, tabela 10). Tabliczka znamionowa zawiera tabelę, która zawiera wartości ciśnienia wstępnego ładowania, uzupełniania i alarmu dla systemu w całym zakresie temperatur otoczenia w miejscu zastosowania. Uwaga: tabela w normie jest jedynie przykładem i rzeczywiste wartości ulegną znacznej zmianie po zastosowaniu w konkretnym zastosowaniu terenowym.

Jednym z podstawowych założeń Rysunku 2 jest to, że plan rurociągów 53B ma działać w sposób ciągły i bez zmiany początkowego ciśnienia wstępnego. Zakłada się również, że system może być narażony na działanie całego zakresu temperatur otoczenia w krótkim okresie czasu. Ma to istotne implikacje dla projektu systemu i wymaga, aby system pracował przy ciśnieniu wyższym niż w przypadku innych planów rurociągów z podwójnym uszczelnieniem.

Odnosząc się do rysunku 2, przykładowa aplikacja została zainstalowana w miejscu, gdzie temperatura otoczenia wynosi od -17°C (1°F) do 70°C (158°F). Górna granica tego zakresu wydaje się nierealistycznie wysoka, ale uwzględnia ona również wpływ nagrzewania akumulatora słonecznego wystawionego na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Wiersze w tabeli reprezentują przedziały temperatur między najwyższą a najniższą wartością.

Podczas obsługi systemu przez użytkownika końcowego, zwiększa on ciśnienie płynu barierowego, aż do osiągnięcia ciśnienia uzupełniania odpowiadającego aktualnej temperaturze otoczenia. Ciśnienie alarmowe to ciśnienie, które wskazuje użytkownikowi końcowemu konieczność uzupełnienia płynu barierowego. Przy temperaturze 25°C (77°F) operator wstępnie naładowałby akumulator do ciśnienia 30,3 bara (440 PSIG), alarm zostałby ustawiony na 30,7 bara (445 PSIG), a operator uzupełniałby płyn barierowy, aż ciśnienie osiągnęłoby 37,9 bara (550 PSIG). Jeśli temperatura otoczenia spadłaby do 0°C (32°F), ciśnienie alarmowe spadłoby do 28,1 bara (408 PSIG), a ciśnienie uzupełniania do 34,7 bara (504 PSIG).

W tym scenariuszu zarówno ciśnienie alarmowe, jak i ciśnienie napełniania zmieniają się, czyli unoszą się, w reakcji na temperaturę otoczenia. Takie podejście jest często określane jako strategia „pływająco-pływająca”. Zarówno alarm, jak i ciśnienie napełniania unoszą się. Skutkuje to najniższym ciśnieniem roboczym dla systemu uszczelniającego. Nakłada to jednak dwa szczególne wymagania na użytkownika końcowego: określenie prawidłowego ciśnienia alarmowego i ciśnienia napełniania. Ciśnienie alarmowe dla systemu jest funkcją temperatury i ta zależność musi być zaprogramowana w systemie DCS użytkownika końcowego. Ciśnienie napełniania będzie również zależeć od temperatury otoczenia, dlatego operator będzie musiał zapoznać się z tabliczką znamionową, aby znaleźć prawidłowe ciśnienie dla aktualnych warunków.

Niektórzy użytkownicy końcowi domagają się prostszego podejścia i preferują strategię, w której zarówno ciśnienie alarmowe, jak i ciśnienie napełniania są stałe (lub stałe) i niezależne od temperatury otoczenia. Strategia „stały-stały” zapewnia użytkownikowi końcowemu tylko jedno ciśnienie do napełniania systemu i tylko jedną wartość do alarmowania systemu. Niestety, w tym przypadku należy założyć, że temperatura jest maksymalna, ponieważ obliczenia kompensują spadek temperatury otoczenia z maksymalnej do minimalnej. W rezultacie system pracuje przy wyższych ciśnieniach. W niektórych zastosowaniach zastosowanie strategii „stały-stały” może skutkować zmianami w konstrukcji uszczelnienia lub wartościach MAWP dla innych komponentów systemu, aby mogły one poradzić sobie z podwyższonymi ciśnieniami.

Inni użytkownicy końcowi zastosują podejście hybrydowe ze stałym ciśnieniem alarmowym i zmiennym ciśnieniem uzupełniania. Pozwala to na obniżenie ciśnienia roboczego przy jednoczesnym uproszczeniu ustawień alarmu. Decyzja o właściwej strategii alarmowej powinna zostać podjęta dopiero po uwzględnieniu warunków zastosowania, zakresu temperatur otoczenia oraz wymagań użytkownika końcowego.

Wprowadzono pewne modyfikacje w projekcie Planu rurociągów 53B, które mogą pomóc złagodzić niektóre z tych wyzwań. Ogrzewanie przez promieniowanie słoneczne może znacznie zwiększyć maksymalną temperaturę akumulatora w obliczeniach projektowych. Umieszczenie akumulatora w zacienionym miejscu lub zbudowanie osłony przeciwsłonecznej może wyeliminować nagrzewanie się przez słońce i obniżyć maksymalną temperaturę w obliczeniach.

W powyższych opisach termin „temperatura otoczenia” jest używany do określenia temperatury gazu w zbiorniku. W warunkach ustalonej lub wolno zmieniającej się temperatury otoczenia jest to uzasadnione założenie. Jeśli występują duże wahania temperatury otoczenia między dniem a nocą, izolacja akumulatora może złagodzić efektywne wahania temperatury zbiornika, zapewniając bardziej stabilną temperaturę pracy.

To podejście można rozszerzyć na zastosowanie ogrzewania i izolacji akumulatora. Przy prawidłowym zastosowaniu, akumulator będzie pracował w jednej temperaturze, niezależnie od dziennych lub sezonowych zmian temperatury otoczenia. Jest to prawdopodobnie najważniejsza opcja projektowa do rozważenia w obszarach o dużych wahaniach temperatury. To podejście ma dużą bazę instalacji terenowych i umożliwiło zastosowanie Planu 53B w lokalizacjach, w których ogrzewanie nie byłoby możliwe.

Użytkownicy końcowi rozważający zastosowanie schematu orurowania 53B powinni mieć świadomość, że ten schemat orurowania to nie tylko schemat orurowania 53A z akumulatorem. Praktycznie każdy aspekt projektowania, uruchomienia, eksploatacji i konserwacji systemu z systemem 53B jest unikalny dla tego schematu. Większość problemów, z jakimi borykają się użytkownicy końcowi, wynika z braku zrozumienia systemu. Producenci OEM uszczelnień mogą przygotować bardziej szczegółową analizę dla konkretnego zastosowania i zapewnić niezbędne informacje, aby pomóc użytkownikowi końcowemu w prawidłowym określeniu specyfikacji i obsłudze tego systemu.