Dvojité tesnenia pre posilňovacie čerpadlá, adaptované z technológie vzduchových tesnení kompresorov, sú bežnejšie v odvetví tesnení hriadeľov. Tieto tesnenia zabezpečujú nulové vypúšťanie čerpanej kvapaliny do atmosféry, poskytujú menší trecí odpor na hriadeli čerpadla a fungujú s jednoduchším podporným systémom. Tieto výhody poskytujú nižšie celkové náklady na životný cyklus riešenia.
Tieto tesnenia fungujú tak, že medzi vnútorný a vonkajší tesniaci povrch zavádzajú externý zdroj stlačeného plynu. Špecifická topografia tesniaceho povrchu vyvíja dodatočný tlak na bariérový plyn, čo spôsobuje oddelenie tesniaceho povrchu a jeho vznášanie sa v plynovom filme. Straty trením sú nízke, pretože tesniace povrchy sa už nedotýkajú. Bariérový plyn prechádza membránou nízkym prietokom a spotrebúva ho vo forme netesností, z ktorých väčšina uniká do atmosféry cez vonkajšie tesniace povrchy. Zvyšky prenikajú do tesniacej komory a nakoniec sú odnášané procesným prúdom.
Všetky dvojité hermetické upchávky vyžadujú tlakovú kvapalinu (kvapalinu alebo plyn) medzi vnútorným a vonkajším povrchom zostavy mechanického upchávky. Na dodávanie tejto kvapaliny k upchávke je potrebný podporný systém. Naproti tomu v dvojitom tlakovom upchávke mazanej kvapalinou cirkuluje bariérová kvapalina zo zásobníka cez mechanické upchávky, kde maže povrchy upchávky, absorbuje teplo a vracia sa do zásobníka, kde potrebuje absorbované teplo odvádzať. Tieto podporné systémy dvojitého tlakového upchávky kvapalinou sú zložité. Tepelné zaťaženie sa zvyšuje s procesným tlakom a teplotou a môže spôsobiť problémy so spoľahlivosťou, ak nie je správne vypočítané a nastavené.
Systém dvojitého tesnenia so stlačeným vzduchom zaberá málo miesta, nevyžaduje chladiacu vodu a vyžaduje len malú údržbu. Okrem toho, ak je k dispozícii spoľahlivý zdroj ochranného plynu, jeho spoľahlivosť je nezávislá od procesného tlaku a teploty.
Vzhľadom na rastúce používanie vzduchových tesnení s dvojitým tlakovým čerpadlom na trhu pridal Americký ropný inštitút (API) Program 74 ako súčasť publikácie druhého vydania normy API 682.
74 Systém podpory programu je typicky sada panelových meračov a ventilov, ktoré preplachujú bariérový plyn, regulujú tlak za ním a merajú tlak a prietok plynu do mechanických upchávok. Po dráhe bariérového plynu cez panel Plan 74 je prvým prvkom spätný ventil. Ten umožňuje izolovať prívod bariérového plynu od upchávky kvôli výmene filtračného prvku alebo údržbe čerpadla. Bariérový plyn potom prechádza cez koalescenčný filter s veľkosťou pórov 2 až 3 mikrometre (µm), ktorý zachytáva kvapaliny a častice, ktoré môžu poškodiť topografické vlastnosti povrchu upchávky, a vytvára tak plynový film na povrchu upchávky. Nasleduje regulátor tlaku a manometer na nastavenie tlaku prívodu bariérového plynu do mechanickej upchávky.
Dvojtlakové plynové upchávky s čerpadlom vyžadujú, aby tlak prívodu bariérového plynu dosiahol alebo prekročil minimálny tlakový rozdiel nad maximálnym tlakom v komore upchávky. Tento minimálny pokles tlaku sa líši v závislosti od výrobcu a typu upchávky, ale zvyčajne je okolo 30 libier na štvorcový palec (psi). Tlakový spínač sa používa na detekciu akýchkoľvek problémov s tlakom prívodu bariérového plynu a spustenie alarmu, ak tlak klesne pod minimálnu hodnotu.
Činnosť upchávky je riadená prietokom bariérového plynu pomocou prietokomeru. Odchýlky od prietokov uzáverového plynu uvádzaných výrobcami mechanických upchávok naznačujú znížený tesniaci výkon. Znížený prietok bariérového plynu môže byť spôsobený rotáciou čerpadla alebo migráciou kvapaliny na plochu upchávky (z kontaminovaného bariérového plynu alebo procesnej kvapaliny).
Po takýchto udalostiach často dochádza k poškodeniu tesniacich povrchov a potom sa zvýši prietok bariérového plynu. Tlakové rázy v čerpadle alebo čiastočná strata tlaku bariérového plynu môžu tiež poškodiť tesniaci povrch. Na určenie, kedy je potrebný zásah na korekciu vysokého prietoku plynu, možno použiť alarmy vysokého prietoku. Nastavená hodnota alarmu vysokého prietoku je zvyčajne v rozmedzí 10 až 100-násobku normálneho prietoku bariérového plynu, zvyčajne nie je určená výrobcom mechanického tesnenia, ale závisí od toho, aký veľký únik plynu dokáže čerpadlo tolerovať.
Tradične sa používali prietokomery s premenlivou plochou a nie je nezvyčajné, že prietokomery s nízkym a vysokým rozsahom sa zapájajú sériovo. Na prietokomer s vysokým rozsahom je potom možné nainštalovať spínač vysokého prietoku, ktorý spustí alarm vysokého prietoku. Prietokomery s premenlivou plochou je možné kalibrovať iba pre určité plyny pri určitých teplotách a tlakoch. Pri prevádzke za iných podmienok, ako sú napríklad teplotné výkyvy medzi letom a zimou, zobrazený prietok nemožno považovať za presnú hodnotu, ale je blízky skutočnej hodnote.
S vydaním 4. vydania normy API 682 sa merania prietoku a tlaku presunuli z analógového na digitálne s lokálnymi údajmi. Digitálne prietokomery sa môžu používať ako prietokomery s premenlivou plochou, ktoré prevádzajú polohu plaváka na digitálne signály, alebo ako hmotnostné prietokomery, ktoré automaticky prevádzajú hmotnostný prietok na objemový prietok. Charakteristickým znakom vysielačov hmotnostného prietoku je, že poskytujú výstupy, ktoré kompenzujú tlak a teplotu, aby sa dosiahol skutočný prietok za štandardných atmosférických podmienok. Nevýhodou je, že tieto zariadenia sú drahšie ako prietokomery s premenlivou plochou.
Problém s používaním prietokového snímača spočíva v nájdení snímača schopného merať prietok bariérového plynu počas normálnej prevádzky a v bodoch alarmu vysokého prietoku. Snímače prietoku majú maximálne a minimálne hodnoty, ktoré je možné presne odčítať. Medzi nulovým prietokom a minimálnou hodnotou nemusí byť výstupný prietok presný. Problém je v tom, že so zvyšujúcim sa maximálnym prietokom pre konkrétny model prietokového snímača sa zvyšuje aj minimálny prietok.
Jedným z riešení je použiť dva vysielače (jeden nízkofrekvenčný a jeden vysokofrekvenčný), ale je to drahá možnosť. Druhou metódou je použiť prietokomer pre normálny prevádzkový rozsah prietoku a použiť spínač vysokého prietoku s analógovým prietokomerom s vysokým rozsahom. Posledným komponentom, cez ktorý prechádza bariérový plyn, je spätný ventil predtým, ako bariérový plyn opustí panel a pripojí sa k mechanickému tesneniu. To je potrebné na zabránenie spätného toku čerpanej kvapaliny do panelu a poškodeniu prístroja v prípade abnormálnych porúch procesu.
Spätný ventil musí mať nízky otvárací tlak. Ak je výber nesprávny alebo ak má vzduchové tesnenie dvojtlakového čerpadla nízky prietok bariérového plynu, je zrejmé, že pulzácia prietoku bariérového plynu je spôsobená otváraním a opätovným usadením spätného ventilu.
Vo všeobecnosti sa ako bariérový plyn používa dusík z rastlín, pretože je ľahko dostupný, inertný a nespôsobuje žiadne nepriaznivé chemické reakcie v čerpanej kvapaline. Môžu sa použiť aj inertné plyny, ktoré nie sú dostupné, ako napríklad argón. V prípadoch, keď je požadovaný tlak ochranného plynu vyšší ako tlak dusíka v závode, môže zosilňovač tlaku zvýšiť tlak a uložiť plyn pod vysokým tlakom do zásobníka pripojeného k vstupu panelu Plan 74. Fľaše s dusíkom vo fľašiach sa vo všeobecnosti neodporúčajú, pretože vyžadujú neustálu výmenu prázdnych fliaš za plné. Ak sa zhorší kvalita tesnenia, fľašu je možné rýchlo vyprázdniť, čo spôsobí zastavenie čerpadla, aby sa zabránilo ďalšiemu poškodeniu a poruche mechanického tesnenia.
Na rozdiel od systémov s kvapalinovou bariérou, podporné systémy Plan 74 nevyžadujú tesnú blízkosť mechanických upchávok. Jedinou nevýhodou je predĺžená časť trubice s malým priemerom. Počas období vysokého prietoku môže v potrubí dôjsť k poklesu tlaku medzi panelom Plan 74 a tesnením (degradácia tesnenia), čo znižuje bariérový tlak dostupný pre tesnenie. Zväčšenie veľkosti potrubia môže tento problém vyriešiť. Panely Plan 74 sa spravidla montujú na stojan vo vhodnej výške na ovládanie ventilov a odčítanie údajov z prístrojov. Konzolu je možné namontovať na základnú dosku čerpadla alebo vedľa čerpadla bez toho, aby to prekážalo pri kontrole a údržbe čerpadla. Zabráňte nebezpečenstvu zakopnutia o potrubia/potrubia spájajúce panely Plan 74 s mechanickými upchávkami.
Pri čerpadlách s medziložiskami a dvoma mechanickými upchávkami, jednou na každom konci čerpadla, sa neodporúča používať jeden panel a samostatný výstup bariérového plynu pre každú mechanickú upchávku. Odporúčaným riešením je použiť samostatný panel Plan 74 pre každú upchávku alebo panel Plan 74 s dvoma výstupmi, každý s vlastnou sadou prietokomerov a prietokových spínačov. V oblastiach s chladnými zimami môže byť potrebné panely Plan 74 prezimovať. Toto sa robí predovšetkým na ochranu elektrických zariadení panelu, zvyčajne zapuzdrením panelu v skrinke a pridaním vykurovacích prvkov.
Zaujímavým javom je, že prietok bariérového plynu sa zvyšuje so znižujúcou sa teplotou prívodu bariérového plynu. Toto zvyčajne zostáva nepovšimnuté, ale môže sa stať citeľným na miestach s chladnými zimami alebo veľkými teplotnými rozdielmi medzi letom a zimou. V niektorých prípadoch môže byť potrebné upraviť nastavenú hodnotu alarmu vysokého prietoku, aby sa predišlo falošným poplachom. Pred uvedením panelov Plan 74 do prevádzky je potrebné prepláchnuť vzduchové potrubia panela a spojovacie potrubia. Najjednoduchšie sa to dosiahne pridaním odvzdušňovacieho ventilu na pripojenie mechanického tesnenia alebo v jeho blízkosti. Ak odvzdušňovací ventil nie je k dispozícii, systém je možné prepláchnuť odpojením trubice/rúry od mechanického tesnenia a jej opätovným pripojením po prepláchnutí.
Po pripojení panelov Plan 74 k tesneniam a kontrole tesnosti všetkých spojov je teraz možné regulátor tlaku nastaviť na nastavený tlak v aplikácii. Panel musí pred naplnením čerpadla procesnou kvapalinou dodať mechanickému tesneniu stlačený bariérový plyn. Tesnenia a panely Plan 74 sú pripravené na spustenie po dokončení postupov uvedenia čerpadla do prevádzky a odvzdušnenia.
Filtračný prvok sa musí skontrolovať po mesiaci prevádzky alebo každých šesť mesiacov, ak sa nezistí žiadna kontaminácia. Interval výmeny filtra bude závisieť od čistoty dodávaného plynu, ale nemal by presiahnuť tri roky.
Prietok bariérového plynu by sa mal kontrolovať a zaznamenávať počas bežných kontrol. Ak je pulzácia prietoku bariérového vzduchu spôsobená otváraním a zatváraním spätného ventilu dostatočne veľká na spustenie alarmu vysokého prietoku, môže byť potrebné zvýšiť tieto hodnoty alarmu, aby sa predišlo falošným poplachom.
Dôležitým krokom pri vyraďovaní z prevádzky je, že posledným krokom by mala byť izolácia a zníženie tlaku ochranného plynu. Najprv izolujte a znížte tlak v telese čerpadla. Keď je čerpadlo v bezpečnom stave, je možné vypnúť prívod ochranného plynu a odstrániť tlak plynu z potrubia spájajúceho panel Plan 74 s mechanickým tesnením. Pred začatím akýchkoľvek údržbárskych prác vypustite zo systému všetku kvapalinu.
Dvojité tlakové tesnenia čerpadla v kombinácii s podpornými systémami Plan 74 poskytujú operátorom riešenie s nulovými emisiami hriadeľového tesnenia, nižšie kapitálové investície (v porovnaní s tesneniami s kvapalinovými bariérovými systémami), znížené náklady na životný cyklus, malú zastavanú plochu podporného systému a minimálne požiadavky na servis.
Pri inštalácii a prevádzke v súlade s osvedčenými postupmi môže toto riešenie izolácie zabezpečiť dlhodobú spoľahlivosť a zvýšiť dostupnosť rotačných zariadení.
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 je manažérom produktovej skupiny v spoločnosti John Crane. Savage má bakalársky titul v odbore inžinierstvo z University of Sydney v Austrálii. Viac informácií nájdete na stránke johncrane.com.
Čas uverejnenia: 8. septembra 2022