Úvahy o výbere tesnenia – Inštalácia dvojitých mechanických tesnení pre vysoký tlak

Usporiadanie 3 mechanických upchávok jedvojité tesneniakde je dutina bariérovej kvapaliny medzi tesneniami udržiavaná na tlaku vyššom ako je tlak v tesniacej komore. V priebehu času sa v tomto odvetví vyvinulo niekoľko stratégií na vytvorenie vysokotlakového prostredia potrebného pre tieto tesnenia. Tieto stratégie sú zachytené v plánoch potrubia mechanického tesnenia. Hoci mnohé z týchto plánov slúžia podobným funkciám, prevádzkové charakteristiky každého z nich sa môžu veľmi líšiť a ovplyvnia všetky aspekty tesniaceho systému.

Plán potrubia 53B, ako je definovaný v norme API 682, je plán potrubia, ktorý natlakuje bariérovú kvapalinu pomocou dusíkom naplneného vakového akumulátora. Tlakový vak pôsobí priamo na bariérovú kvapalinu a natlakuje celý tesniaci systém. Vak zabraňuje priamemu kontaktu medzi tlakovým plynom a bariérovou kvapalinou, čím sa eliminuje absorpcia plynu do kvapaliny. To umožňuje použitie plánu potrubia 53B v aplikáciách s vyšším tlakom ako plán potrubia 53A. Samostatný charakter akumulátora tiež eliminuje potrebu neustáleho prívodu dusíka, vďaka čomu je systém ideálny pre vzdialené inštalácie.

Výhody vakového akumulátora sú však vyvážené niektorými prevádzkovými charakteristikami systému. Tlak v systéme Piping Plan 53B je priamo určený tlakom plynu vo vaku. Tento tlak sa môže dramaticky meniť v dôsledku niekoľkých premenných.

Pred pridaním uzatváracej kvapaliny do systému musí byť vak v akumulátore predplnený. To vytvára základ pre všetky budúce výpočty a interpretácie prevádzky systému. Skutočný predplniaci tlak závisí od prevádzkového tlaku systému a bezpečnostného objemu uzatváracej kvapaliny v akumulátoroch. Predplniaci tlak závisí aj od teploty plynu vo vaku. Poznámka: Predplniaci tlak sa nastavuje iba pri prvom uvedení systému do prevádzky a počas skutočnej prevádzky sa nebude upravovať.

Tlak plynu v mechúre sa bude meniť v závislosti od teploty plynu. Vo väčšine prípadov bude teplota plynu kopírovať teplotu okolia v mieste inštalácie. Aplikácie v oblastiach s veľkými dennými a sezónnymi zmenami teplôt budú zaznamenávať veľké výkyvy tlaku v systéme.

Spotreba bariérovej kvapalinyPočas prevádzky mechanické upchávky spotrebúvajú uzatváraciu kvapalinu v dôsledku bežného úniku tesnenia. Táto uzatváracia kvapalina sa dopĺňa kvapalinou v akumulátore, čo vedie k expanzii plynu v membráne a poklesu tlaku v systéme. Tieto zmeny sú funkciou veľkosti akumulátora, miery úniku tesnenia a požadovaného intervalu údržby systému (napr. 28 dní).

Zmena tlaku v systéme je primárnym spôsobom, akým koncový používateľ sleduje výkon tesnenia. Tlak sa tiež používa na vytváranie alarmov údržby a na detekciu porúch tesnenia. Tlak sa však počas prevádzky systému bude neustále meniť. Ako by mal používateľ nastaviť tlak v systéme Plan 53B? Kedy je potrebné pridať uzatváraciu kvapalinu? Koľko kvapaliny by sa malo pridať?

Prvá široko publikovaná sada technických výpočtov pre systémy podľa plánu 53B sa objavila v norme API 682, štvrté vydanie. Príloha F poskytuje podrobné pokyny, ako určiť tlaky a objemy pre tento plán potrubia. Jednou z najužitočnejších požiadaviek normy API 682 je vytvorenie štandardného typového štítku pre vakové akumulátory (API 682, štvrté vydanie, tabuľka 10). Tento typový štítok obsahuje tabuľku, ktorá zachytáva tlak predbežného naplnenia, dopĺňania a alarmového tlaku pre systém v rozsahu okolitých teplôt na mieste aplikácie. Poznámka: tabuľka v norme je len príkladom a skutočné hodnoty sa pri použití na konkrétnu aplikáciu v teréne výrazne zmenia.

Jedným zo základných predpokladov na obrázku 2 je, že plán potrubia 53B by mal fungovať nepretržite a bez zmeny počiatočného predplnenia. Taktiež sa predpokladá, že systém môže byť vystavený celému rozsahu okolitých teplôt počas krátkeho časového obdobia. To má významný vplyv na návrh systému a vyžaduje, aby systém bol prevádzkovaný pri tlaku vyššom ako iné plány potrubí s dvojitým tesnením.

Na obrázku 2 ako referenciu je príkladová aplikácia nainštalovaná na mieste, kde je okolitá teplota medzi -17 °C (1 °F) a 70 °C (158 °F). Horná hranica tohto rozsahu sa javí ako nereálne vysoká, ale zahŕňa aj účinky solárneho ohrevu akumulátora, ktorý je vystavený priamemu slnečnému žiareniu. Riadky v tabuľke predstavujú teplotné intervaly medzi najvyššou a najnižšou hodnotou.

Keď koncový používateľ obsluhuje systém, bude pridávať tlak uzatváracej kvapaliny, kým sa nedosiahne tlak dopĺňania pri aktuálnej okolitej teplote. Alarmový tlak je tlak, ktorý signalizuje, že koncový používateľ potrebuje doplniť ďalšiu uzatváraciu kvapalinu. Pri teplote 25 °C (77 °F) by obsluha prednabila akumulátor na 30,3 baru (440 PSIG), alarm by sa nastavil na 30,7 baru (445 PSIG) a obsluha by pridávala uzatváraciu kvapalinu, kým tlak nedosiahne 37,9 baru (550 PSIG). Ak by okolitá teplota klesla na 0 °C (32 °F), alarmový tlak klesne na 28,1 baru (408 PSIG) a tlak dopĺňania na 34,7 baru (504 PSIG).

V tomto scenári sa tlak alarmu aj tlak dopĺňania menia alebo kolíšu v reakcii na okolitú teplotu. Tento prístup sa často označuje ako stratégia „plávajúce-plávajúce“. Alarm aj tlak dopĺňania „kolíšu“. Výsledkom sú najnižšie prevádzkové tlaky pre tesniaci systém. To však kladie na koncového používateľa dve špecifické požiadavky: určenie správneho tlaku alarmu a tlaku dopĺňania. Tlak alarmu pre systém je funkciou teploty a tento vzťah musí byť naprogramovaný do systému DCS koncového používateľa. Tlak dopĺňania bude tiež závisieť od okolitej teploty, takže obsluha sa bude musieť pozrieť na typový štítok, aby našla správny tlak pre aktuálne podmienky.

Niektorí koncoví používatelia požadujú jednoduchší prístup a chcú stratégiu, kde sú tlak alarmu aj tlak dopĺňania konštantné (alebo fixné) a nezávislé od okolitej teploty. Stratégia fix-fix poskytuje koncovému používateľovi iba jeden tlak na doplnenie systému a iba hodnotu na spustenie alarmu systému. Táto podmienka však bohužiaľ musí predpokladať, že teplota je na maximálnej hodnote, pretože výpočty kompenzujú pokles okolitej teploty z maximálnej na minimálnu teplotu. To vedie k tomu, že systém pracuje pri vyšších tlakoch. V niektorých aplikáciách môže použitie stratégie fix-fix viesť k zmenám v konštrukcii tesnenia alebo v hodnotách MAWP pre iné komponenty systému, aby zvládli zvýšené tlaky.

Iní koncoví používatelia použijú hybridný prístup s pevným tlakom alarmu a pohyblivým tlakom dopĺňania. To môže znížiť prevádzkový tlak a zároveň zjednodušiť nastavenie alarmu. Rozhodnutie o správnej stratégii alarmu by sa malo urobiť až po zvážení podmienok aplikácie, rozsahu okolitej teploty a požiadaviek koncového používateľa.

V návrhu potrubného plánu 53B existujú určité úpravy, ktoré môžu pomôcť zmierniť niektoré z týchto problémov. Ohrev slnečným žiarením môže výrazne zvýšiť maximálnu teplotu akumulátora pre konštrukčné výpočty. Umiestnenie akumulátora do tieňa alebo vybudovanie slnečnej clony pre akumulátor môže eliminovať solárne ohrev a znížiť maximálnu teplotu vo výpočtoch.

Vo vyššie uvedených popisoch sa termín teplota okolia používa na označenie teploty plynu vo vaku. Za ustáleného stavu alebo pomaly sa meniacich podmienok teploty okolia je to rozumný predpoklad. Ak dochádza k veľkým výkyvom teploty okolia medzi dňom a nocou, izolácia akumulátora môže zmierniť efektívne teplotné výkyvy vaku, čo vedie k stabilnejším prevádzkovým teplotám.

Tento prístup je možné rozšíriť aj na použitie tepelného sprievodu a izolácie na akumulátore. Pri správnom použití bude akumulátor pracovať pri jednej teplote bez ohľadu na denné alebo sezónne zmeny okolitej teploty. Toto je pravdepodobne najdôležitejšia možnosť konštrukcie, ktorú treba zvážiť v oblastiach s veľkými teplotnými výkyvmi. Tento prístup má rozsiahlu inštalovanú základňu v teréne a umožnil použitie Plan 53B na miestach, kde by s tepelným sprievodom nebolo možné ho použiť.

Koncoví používatelia, ktorí zvažujú použitie potrubného plánu 53B, by si mali byť vedomí, že tento potrubný plán nie je len potrubný plán 53A s akumulátorom. Prakticky každý aspekt návrhu systému, uvedenia do prevádzky, prevádzky a údržby plánu 53B je pre tento potrubný plán jedinečný. Väčšina frustrácií, ktoré koncoví používatelia zažili, pramení z nedostatočného pochopenia systému. Výrobcovia tesnení môžu pripraviť podrobnejšiu analýzu pre konkrétnu aplikáciu a môžu poskytnúť potrebné informácie, ktoré pomôžu koncovému používateľovi správne špecifikovať a prevádzkovať tento systém.