Пневматичні ущільнення подвійного насоса, адаптовані на основі технології повітряного ущільнення компресора, більш поширені в промисловості ущільнень валів. Ці ущільнення забезпечують нульовий викид перекачуваної рідини в атмосферу, забезпечують менший опір тертя на валу насоса і працюють з більш простою опорною системою. Ці переваги забезпечують нижчу загальну вартість життєвого циклу рішення.
Ці ущільнення працюють шляхом введення зовнішнього джерела газу під тиском між внутрішньою та зовнішньою поверхнями ущільнень. Особливий рельєф ущільнювальної поверхні чинить додатковий тиск на бар’єрний газ, спричиняючи відокремлення ущільнювальної поверхні, змушуючи ущільнювальну поверхню плавати в газовій плівці. Втрати на тертя низькі, оскільки ущільнювальні поверхні більше не стикаються. Бар'єрний газ проходить через мембрану з низькою швидкістю потоку, споживаючи бар'єрний газ у вигляді витоків, більшість з яких витікає в атмосферу через зовнішні ущільнювальні поверхні. Залишок просочується в ущільнювальну камеру і з часом виноситься технологічним потоком.
Для всіх подвійних герметичних ущільнень потрібна рідина під тиском (рідина або газ) між внутрішньою та зовнішньою поверхнями вузла механічного ущільнення. Для доставки цієї рідини до ущільнювача потрібна опорна система. На відміну від цього, у подвійному ущільненні під тиском із рідкою мастилом бар’єрна рідина циркулює з резервуара через механічне ущільнення, де вона змащує поверхні ущільнення, поглинає тепло та повертається в резервуар, де їй потрібно розсіювати поглинене тепло. Ці опорні системи подвійного ущільнення під тиском рідини є складними. Теплові навантаження збільшуються з тиском і температурою процесу і можуть спричинити проблеми з надійністю, якщо їх не розрахувати та налаштувати належним чином.
Система підтримки стисненого повітря з подвійним ущільненням займає мало місця, не потребує охолоджувальної води та потребує незначного обслуговування. Крім того, якщо доступне надійне джерело захисного газу, його надійність не залежить від тиску та температури процесу.
У зв’язку зі зростанням поширення на ринку повітряних ущільнень з подвійним тиском, Американський інститут нафти (API) додав програму 74 як частину публікації другого видання API 682.
74 Система підтримки програми зазвичай являє собою набір манометрів і клапанів, встановлених на панелі, які очищають бар’єрний газ, регулюють вихідний тиск і вимірюють тиск і потік газу до механічних ущільнень. Після проходження бар’єрного газу через панель Plan 74 першим елементом є зворотний клапан. Це дозволяє ізолювати подачу бар'єрного газу від ущільнення для заміни фільтруючого елемента або обслуговування насоса. Потім бар’єрний газ проходить через коалесцуючий фільтр розміром 2–3 мікрометри (мкм), який затримує рідини та частки, які можуть пошкодити топографічні особливості поверхні ущільнення, утворюючи газову плівку на поверхні ущільнення. Далі йде регулятор тиску та манометр для налаштування тиску подачі бар’єрного газу на механічне ущільнення.
Газові ущільнення насоса з подвійним тиском вимагають, щоб тиск подачі бар’єрного газу відповідав або перевищував мінімальний перепад тиску над максимальним тиском у камері ущільнення. Це мінімальне падіння тиску залежить від виробника та типу ущільнення, але зазвичай становить близько 30 фунтів на квадратний дюйм (psi). Реле тиску використовується для виявлення будь-яких проблем із тиском подачі бар’єрного газу та подання сигналу тривоги, якщо тиск падає нижче мінімального значення.
Робота ущільнення контролюється потоком бар'єрного газу за допомогою витратоміра. Відхилення від швидкості потоку ущільнювального газу, про які повідомляють виробники механічних ущільнень, вказують на зниження ефективності ущільнення. Зменшення потоку бар’єрного газу може бути спричинене обертанням насоса або міграцією рідини до поверхні ущільнення (із забрудненого бар’єрного газу чи технологічної рідини).
Часто після таких подій відбувається пошкодження ущільнювальних поверхонь, і тоді посилюється потік бар'єрного газу. Стрибки тиску в насосі або часткова втрата тиску бар'єрного газу також можуть пошкодити ущільнювальну поверхню. Сигналізацію високого потоку можна використовувати, щоб визначити, коли потрібне втручання для корекції високого потоку газу. Значення для сигналізації високого потоку зазвичай знаходиться в діапазоні від 10 до 100-кратного перевищення нормального потоку бар’єрного газу, зазвичай не визначається виробником механічного ущільнення, але залежить від того, який витік газу може витримати насос.
Традиційно використовувалися витратоміри зі змінним калібру, і нерідко, коли витратоміри низького та високого діапазонів з’єднували послідовно. Потім на витратомір високого діапазону можна встановити перемикач високого потоку, щоб подати сигнал тривоги високого потоку. Витратоміри зі змінною площею можна відкалібрувати лише для певних газів при певних температурах і тисках. При роботі в інших умовах, таких як коливання температури між літом і зимою, відображена витрата не може вважатися точним значенням, але є близькою до фактичного значення.
З випуском 4-го видання API 682 вимірювання витрат і тиску перейшли з аналогового на цифровий з локальними показниками. Цифрові витратоміри можна використовувати як витратоміри зі змінною площею, які перетворюють положення поплавця в цифрові сигнали, або масові витратоміри, які автоматично перетворюють масову витрату в об’ємну. Відмінною рисою датчиків масової витрати є те, що вони забезпечують вихідні сигнали, які компенсують тиск і температуру, щоб забезпечити справжню витрату за стандартних атмосферних умов. Недоліком є те, що ці пристрої дорожчі, ніж витратоміри зі змінною площею.
Проблема з використанням передавача потоку полягає в тому, щоб знайти передавач, здатний вимірювати потік бар’єрного газу під час нормальної роботи та в точках сигналізації високого потоку. Датчики потоку мають максимальні та мінімальні значення, які можна точно зчитати. Між нульовою витратою та мінімальним значенням вихідна витрата може бути неточною. Проблема полягає в тому, що зі збільшенням максимальної швидкості потоку для конкретної моделі датчика потоку зростає мінімальна швидкість потоку.
Одним з рішень є використання двох передавачів (один низькочастотний і один високочастотний), але це дорогий варіант. Другий метод полягає у використанні датчика потоку для нормального робочого діапазону потоку та використання перемикача високого потоку з аналоговим витратоміром високого діапазону. Останнім компонентом, через який проходить бар’єрний газ, є зворотний клапан перед тим, як бар’єрний газ покине панель і з’єднається з механічним ущільненням. Це необхідно для запобігання зворотного потоку рідини, що перекачується, в панель і пошкодження приладу в разі аномальних порушень процесу.
Зворотний клапан повинен мати низький тиск відкриття. Якщо вибір неправильний або повітряне ущільнення насоса подвійного тиску має низький потік бар’єрного газу, можна побачити, що пульсація потоку бар’єрного газу спричинена відкриттям і повторним встановленням зворотного клапана.
Як правило, рослинний азот використовується як бар’єрний газ, оскільки він легкодоступний, інертний і не викликає жодних несприятливих хімічних реакцій у рідині, що перекачується. Також можна використовувати недоступні інертні гази, наприклад аргон. У випадках, коли необхідний тиск захисного газу перевищує тиск азоту в установці, підсилювач тиску може підвищити тиск і зберігати газ високого тиску в ресивері, підключеному до входу панелі Plan 74. Пляшки з азотом у пляшках зазвичай не рекомендуються, оскільки вони вимагають постійної заміни порожніх балонів на повні. Якщо якість ущільнення погіршується, пляшку можна швидко спорожнити, що призведе до зупинки насоса, щоб запобігти подальшому пошкодженню та виходу з ладу механічного ущільнення.
На відміну від рідинних бар’єрних систем, опорні системи Plan 74 не вимагають близького розташування механічних ущільнень. Єдине застереження тут – подовжений перетин труби малого діаметру. Падіння тиску між панеллю Plan 74 і ущільненням може виникнути в трубі під час періодів високого потоку (деградація ущільнення), що зменшує бар’єрний тиск, доступний для ущільнення. Збільшення розміру труби може вирішити цю проблему. Як правило, панелі Plan 74 монтуються на підставці на зручній висоті для управління арматурою і зчитування показань приладів. Кронштейн можна встановити на опорну плиту насоса або поруч з насосом, не заважаючи перевірці та обслуговуванню насоса. Уникайте небезпеки спіткнутися про труби/труби, що з’єднують панелі Plan 74 з механічними ущільненнями.
Для міжпідшипникових насосів із двома механічними ущільненнями, по одному на кожному кінці насоса, не рекомендується використовувати одну панель і окремий вихід бар’єрного газу для кожного механічного ущільнення. Рекомендованим рішенням є використання окремої панелі Plan 74 для кожного ущільнення або панелі Plan 74 із двома виходами, кожен із власним набором витратомірів і перемикачів потоку. У регіонах з холодними зимами може знадобитися перезимівля панелей Plan 74. Це робиться в першу чергу для захисту електричного обладнання панелі, як правило, шляхом упаковки панелі в шафу та додавання нагрівальних елементів.
Цікавим явищем є те, що швидкість потоку бар'єрного газу збільшується зі зниженням температури подачі бар'єрного газу. Зазвичай це залишається непоміченим, але може стати помітним у місцях з холодною зимою або великою різницею температур між літом і зимою. У деяких випадках може знадобитися відрегулювати задане значення сигналу високого потоку, щоб запобігти помилковим сигналам тривоги. Перед введенням панелей Plan 74 в експлуатацію необхідно очистити повітропроводи панелей і сполучні труби/труби. Найпростіше цього досягти, додавши вентиляційний клапан біля з’єднання механічного ущільнення. Якщо випускний клапан недоступний, систему можна продути, від’єднавши трубку/трубку від механічного ущільнення, а потім знову приєднавши її після продувки.
Після підключення панелей Plan 74 до ущільнювачів і перевірки всіх з’єднань на герметичність регулятор тиску тепер можна налаштувати на заданий тиск у застосуванні. Перед заповненням насоса технологічною рідиною панель повинна подавати бар’єрний газ під тиском до механічного ущільнення. Ущільнення та панелі Plan 74 готові до запуску, коли буде завершено введення насоса в експлуатацію та процедури вентиляції.
Фільтруючий елемент необхідно перевіряти через місяць роботи або кожні шість місяців, якщо забруднень не виявлено. Інтервал заміни фільтра залежить від чистоти газу, що подається, але не повинен перевищувати трьох років.
Норми бар’єрного газу слід перевіряти та записувати під час планових перевірок. Якщо пульсація бар’єрного повітряного потоку, спричинена відкриттям і закриттям зворотного клапана, є достатньо великою, щоб спрацьовувати сигнал тривоги високого потоку, ці значення тривоги, можливо, потрібно збільшити, щоб уникнути помилкових тривог.
Важливим кроком у виведенні з експлуатації є те, що ізоляція та скидання тиску захисного газу повинні бути останнім кроком. Спочатку ізолюйте корпус насоса та скиньте тиск. Коли насос переведеться в безпечний стан, тиск подачі захисного газу можна вимкнути, а тиск газу зняти з трубопроводу, що з’єднує панель Plan 74 з механічним ущільненням. Злийте всю рідину з системи перед початком будь-яких робіт з технічного обслуговування.
Повітряні ущільнення насоса подвійного тиску в поєднанні з опорними системами Plan 74 забезпечують операторам ущільнення валу з нульовим рівнем викидів, менші капіталовкладення (порівняно з ущільненнями з рідинними бар’єрними системами), скорочену вартість життєвого циклу, невелику площу опорної системи та мінімальні вимоги до обслуговування.
При встановленні та експлуатації відповідно до найкращих практик це рішення для локалізації може забезпечити довгострокову надійність і підвищити доступність обертового обладнання.
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.
Марк Севідж — менеджер групи продуктів у John Crane. Севідж має ступінь бакалавра інженерних наук Сіднейського університету, Австралія. Для отримання додаткової інформації відвідайте johncrane.com.
Час публікації: 08 вересня 2022 р