Rozważania dotyczące wyboru uszczelnienia – montaż podwójnych uszczelnień mechanicznych wysokociśnieniowych

Układ 3 uszczelnienia mechanicznepodwójne uszczelkigdzie wnęka na płyn barierowy pomiędzy uszczelkami jest utrzymywana pod ciśnieniem większym niż ciśnienie w komorze uszczelnienia. Z biegiem czasu w branży opracowano kilka strategii tworzenia środowiska pod wysokim ciśnieniem niezbędnego dla tych uszczelek. Strategie te są ujęte w planach rurociągów uszczelnienia mechanicznego. Chociaż wiele z tych planów spełnia podobne funkcje, charakterystyka działania każdego z nich może być bardzo różna i będzie miała wpływ na wszystkie aspekty systemu uszczelniającego.

Plan rurociągów 53B, zgodnie z definicją w API 682, to plan rurociągów, który spręża płyn barierowy za pomocą akumulatora pęcherzowego naładowanego azotem. Pęcherz pod ciśnieniem działa bezpośrednio na płyn barierowy, wywierając nacisk na cały system uszczelniający. Pęcherz zapobiega bezpośredniemu kontaktowi gazu pod ciśnieniem z płynem barierowym, eliminując wchłanianie gazu do płynu. Dzięki temu plan rurociągów 53B może być stosowany w zastosowaniach o wyższym ciśnieniu niż plan rurociągów 53A. Samowystarczalny charakter akumulatora eliminuje również potrzebę stałego dostarczania azotu, co czyni system idealnym do instalacji odległych.

Zalety akumulatora pęcherzowego są jednak równoważone przez niektóre właściwości operacyjne systemu. Ciśnienie w Planie Rurociągów 53B jest określane bezpośrednio przez ciśnienie gazu w pęcherzu. Ciśnienie to może się radykalnie zmienić ze względu na kilka zmiennych.

Przed dodaniem płynu barierowego do układu należy wstępnie naładować pęcherz w akumulatorze. Stwarza to podstawę do wszelkich przyszłych obliczeń i interpretacji działania systemów. Rzeczywiste ciśnienie wstępne zależy od ciśnienia roboczego systemu i bezpiecznej objętości płynu barierowego w akumulatorach. Ciśnienie wstępne zależy również od temperatury gazu w pęcherzu. Uwaga: ciśnienie wstępne jest ustawiane tylko podczas pierwszego uruchomienia systemu i nie będzie regulowane podczas rzeczywistej pracy.

Ciśnienie gazu w pęcherzu będzie się zmieniać w zależności od temperatury gazu. W większości przypadków temperatura gazu będzie odpowiadać temperaturze otoczenia w miejscu instalacji. Zastosowania w regionach, w których występują duże dzienne i sezonowe zmiany temperatur, będą powodować duże wahania ciśnienia w układzie.

Zużycie płynu barierowegoPodczas pracy uszczelnienia mechaniczne zużywają płyn barierowy w wyniku normalnego wycieku z uszczelnienia. Ten płyn barierowy jest uzupełniany płynem w akumulatorze, co powoduje rozprężenie gazu w pęcherzu i spadek ciśnienia w układzie. Zmiany te są funkcją wielkości akumulatora, stopnia nieszczelności uszczelek i pożądanego okresu konserwacji systemu (np. 28 dni).

Zmiana ciśnienia w systemie jest głównym sposobem, w jaki użytkownik końcowy może śledzić działanie uszczelnienia. Ciśnienie jest również wykorzystywane do tworzenia alarmów konserwacyjnych i wykrywania uszkodzeń uszczelnień. Jednakże ciśnienia będą się zmieniać w sposób ciągły podczas pracy systemu. Jak użytkownik powinien ustawić ciśnienia w systemie Plan 53B? Kiedy konieczne jest dodanie płynu barierowego? Ile płynu należy dodać?

Pierwszy szeroko opublikowany zestaw obliczeń inżynierskich dla systemów Plan 53B pojawił się w API 682 Fourth Edition. Załącznik F zawiera instrukcje krok po kroku dotyczące określania ciśnień i objętości dla tego planu rurociągów. Jednym z najbardziej użytecznych wymagań API 682 jest utworzenie standardowej tabliczki znamionowej dla akumulatorów pęcherzowych (API 682 wydanie czwarte, tabela 10). Niniejsza tabliczka znamionowa zawiera tabelę przedstawiającą ciśnienia wstępnego ładowania, ponownego napełniania i ciśnienia alarmowe systemu w całym zakresie temperatur otoczenia w miejscu zastosowania. Uwaga: tabela w normie jest tylko przykładem i rzeczywiste wartości znacznie się zmienią w przypadku zastosowania w konkretnym zastosowaniu polowym.

Jednym z podstawowych założeń przedstawionych na rysunku 2 jest założenie, że Plan Rurociągów 53B będzie działał w sposób ciągły i bez zmiany początkowego ciśnienia wstępnego. Zakłada się również, że system może być wystawiony na działanie całego zakresu temperatur otoczenia w krótkim okresie czasu. Mają one znaczący wpływ na projekt systemu i wymagają, aby system działał przy ciśnieniu wyższym niż w przypadku innych systemów rurociągów z podwójnym uszczelnieniem.

Używając rysunku 2 jako odniesienia, przykładowa aplikacja jest instalowana w miejscu, w którym temperatura otoczenia wynosi od -17°C (1°F) do 70°C (158°F). Górna granica tego zakresu wydaje się nierealistycznie wysoka, ale uwzględnia także skutki nagrzewania się akumulatora wystawionego na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Wiersze w tabeli przedstawiają przedziały temperatur pomiędzy najwyższą i najniższą wartością.

Gdy użytkownik końcowy obsługuje system, będzie zwiększał ciśnienie płynu barierowego aż do osiągnięcia ciśnienia ponownego napełniania przy aktualnej temperaturze otoczenia. Ciśnienie alarmowe to ciśnienie, które wskazuje, że użytkownik końcowy musi dodać dodatkową ilość płynu barierowego. W temperaturze 25°C (77°F) operator wstępnie naładuje akumulator do ciśnienia 30,3 bara (440 psig), alarm zostanie ustawiony na 30,7 bara (445 psig), a operator będzie dodawał płyn barierowy aż do osiągnięcia ciśnienia 37,9 bara (550 psig). Jeśli temperatura otoczenia spadnie do 0°C (32°F), ciśnienie alarmowe spadnie do 28,1 bara (408 psig), a ciśnienie napełniania do 34,7 bara (504 psig).

W tym scenariuszu zarówno ciśnienie alarmowe, jak i ciśnienie napełniania zmieniają się lub utrzymują się na stałym poziomie w odpowiedzi na temperaturę otoczenia. Podejście to jest często określane jako strategia pływająca. Zarówno alarm, jak i wkład „pływają”. Dzięki temu uzyskuje się najniższe ciśnienia robocze systemu uszczelniającego. Nakłada to jednak na użytkownika końcowego dwa szczególne wymagania; określenie prawidłowego ciśnienia alarmowego i ciśnienia napełniania. Ciśnienie alarmowe w systemie jest funkcją temperatury i tę zależność należy zaprogramować w systemie DCS użytkownika końcowego. Ciśnienie ponownego napełniania będzie również zależeć od temperatury otoczenia, dlatego operator będzie musiał zapoznać się z tabliczką znamionową, aby znaleźć ciśnienie prawidłowe dla bieżących warunków.

Niektórzy użytkownicy końcowi domagają się prostszego podejścia i strategii, w której zarówno ciśnienie alarmowe, jak i ciśnienia napełniania są stałe (lub stałe) i niezależne od temperatury otoczenia. Strategia stała-stała zapewnia użytkownikowi końcowemu tylko jedno ciśnienie do ponownego napełnienia systemu i tylko wartość do alarmowania systemu. Niestety w tym warunku należy przyjąć, że temperatura ma wartość maksymalną, ponieważ obliczenia kompensują spadek temperatury otoczenia od temperatury maksymalnej do minimalnej. Powoduje to, że system pracuje przy wyższych ciśnieniach. W niektórych zastosowaniach strategia stała-stała może skutkować zmianami w konstrukcji uszczelnienia lub wartościach znamionowych MAWP innych komponentów systemu, które radzą sobie z podwyższonymi ciśnieniami.

Inni użytkownicy końcowi zastosują podejście hybrydowe ze stałym ciśnieniem alarmowym i zmiennym ciśnieniem napełniania. Może to zmniejszyć ciśnienie robocze i uprościć ustawienia alarmów. Decyzję dotyczącą właściwej strategii alarmowania należy podjąć dopiero po rozważeniu warunków zastosowania, zakresu temperatur otoczenia i wymagań użytkownika końcowego.

W projekcie Planu Rurociągów 53B wprowadzono pewne modyfikacje, które mogą pomóc złagodzić niektóre z tych wyzwań. Ogrzewanie promieniowaniem słonecznym może znacznie zwiększyć maksymalną temperaturę akumulatora do obliczeń projektowych. Umieszczenie akumulatora w cieniu lub zbudowanie osłony przeciwsłonecznej akumulatora może wyeliminować nagrzewanie się akumulatora słonecznego i zmniejszyć w obliczeniach maksymalną temperaturę.

W powyższych opisach termin temperatura otoczenia jest używany do przedstawienia temperatury gazu w pęcherzu. W stabilnych lub wolno zmieniających się warunkach temperatury otoczenia jest to rozsądne założenie. Jeśli występują duże wahania temperatury otoczenia pomiędzy dniem a nocą, zaizolowanie akumulatora może złagodzić efektywne wahania temperatury przepony, co skutkuje bardziej stabilnymi temperaturami pracy.

Podejście to można rozszerzyć na wykorzystanie przewodów grzejnych i izolacji akumulatora. Przy prawidłowym zastosowaniu akumulator będzie pracował w jednej temperaturze niezależnie od dobowych lub sezonowych zmian temperatury otoczenia. Jest to prawdopodobnie najważniejsza pojedyncza opcja projektowa do rozważenia w obszarach o dużych różnicach temperatur. Podejście to ma dużą bazę zainstalowaną w terenie i umożliwiło zastosowanie Plan 53B w lokalizacjach, które nie byłyby możliwe w przypadku instalacji grzewczej.

Użytkownicy końcowi, którzy rozważają zastosowanie planu rurociągów 53B, powinni mieć świadomość, że ten plan rurociągów nie jest po prostu planem rurociągów 53A z akumulatorem. Praktycznie każdy aspekt projektowania systemu, uruchomienia, obsługi i konserwacji Planu 53B jest unikalny dla tego planu rurociągów. Większość frustracji, jakich doświadczyli użytkownicy końcowi, wynika z braku zrozumienia systemu. Producenci OEM uszczelnień mogą przygotować bardziej szczegółową analizę dla konkretnego zastosowania i mogą zapewnić podstawy wymagane do pomocy użytkownikowi końcowemu we właściwym określeniu i obsłudze tego systemu.