Подвійні повітряні ущільнення підкачувальних насосів, адаптовані з технології повітряних ущільнень компресорів, більш поширені в галузі ущільнень валів. Ці ущільнення забезпечують нульовий скид рідини, що перекачується, в атмосферу, забезпечують менший опір тертя на валу насоса та працюють з простішою системою опори. Ці переваги забезпечують нижчу загальну вартість життєвого циклу рішення.
Ці ущільнення працюють шляхом подачі зовнішнього джерела стисненого газу між внутрішньою та зовнішньою ущільнювальними поверхнями. Особлива топографія ущільнювальної поверхні створює додатковий тиск на бар'єрний газ, що призводить до розділення ущільнювальної поверхні та її плавання в газовій плівці. Втрати на тертя низькі, оскільки ущільнювальні поверхні більше не торкаються одна одної. Бар'єрний газ проходить через мембрану з низькою швидкістю потоку, споживаючи його у вигляді витоків, більшість з яких потрапляють в атмосферу через зовнішні ущільнювальні поверхні. Залишки просочуються в камеру ущільнення і зрештою виносяться технологічним потоком.
Усі подвійні герметичні ущільнення вимагають рідини (рідини або газу) під тиском між внутрішньою та зовнішньою поверхнями вузла механічного ущільнення. Для подачі цієї рідини до ущільнення потрібна опорна система. На відміну від цього, у подвійному ущільненні з рідинним змащенням під тиском 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 системи опори подвійних ущільнень з рідинним тиском є складними. Теплові навантаження зростають зі збільшенням тиску та температури процесу та можуть спричинити проблеми з надійністю, якщо їх неправильно розрахувати та встановити.
Система опори подвійного ущільнення стисненим повітрям займає мало місця, не потребує охолоджувальної води та потребує мінімального обслуговування. Крім того, за наявності надійного джерела захисного газу її надійність не залежить від тиску та температури процесу.
Через зростання популярності на ринку повітряних ущільнень подвійного тиску насосів, Американський інститут нафти (API) додав Програму 74 як частину публікації другого видання API 682.
74 Система підтримки програми зазвичай являє собою набір панельних манометрів та клапанів, які продувають бар'єрний газ, регулюють тиск нижче за течією та 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 коалесцентний фільтр з розміром пор 2-3 мікрометри (мкм), який затримує рідини та тверді частинки, що можуть пошкодити топографічні особливості поверхні ущільнення, створюючи газову плівку на її поверхні. Далі встановлюються регулятор тиску та манометр для встановлення тиску подачі бар'єрного газу до механічного ущільнення.
Для газових ущільнень з подвійним насосом тиск подачі бар'єрного газу повинен відповідати або перевищувати мінімальний перепад тиску, що перевищує максимальний тиск у камері ущільнення. Цей мінімальний перепад 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 спрацьовування сигналу тривоги, якщо тиск падає нижче мінімального значення.
Робота ущільнення контролюється потоком бар'єрного газу за допомогою витратоміра. Відхилення від швидкостей потоку ущільнювального газу, про які повідомляють виробники механічних ущільнень, свідчать про зниження ефективності ущільнення. Зниження потоку бар'єрного газу може бути пов'язане з обертанням насоса або міграцією рідини до поверхні ущільнення (від забрудненого бар'єрного газу або технологічної рідини).
Часто після таких подій відбувається пошкодження ущільнювальних поверхонь, і тоді потік бар'єрного газу збільшується. Скачки тиску в насосі або часткова втрата тиску бар'єрного газу також можуть пошкодити ущільнювальну поверхню. Сигналізація високої витрати може бути використана для визначення, коли потрібне втручання для корекції високої витрати газу. Задане значення для сигналізації високої витрати зазвичай знаходиться в діапазоні від 10 до 100 разів від нормальної витрати бар'єрного газу, зазвичай не визначається виробником механічного ущільнення, а залежить від того, який витік газу може витримати насос.
Традиційно використовувалися витратоміри зі змінною площею вимірювання, і нерідко витратоміри з низьким та високим діапазонами з'єднуються послідовно. Тоді на витратомірі з високим діапазоном можна встановити реле високої витрати, щоб увімкнути сигнал тривоги про високу витрату. Витратоміри зі змінною площею вимірювання можна калібрувати лише для певних газів за певних температур і тисків. Під час роботи в інших умовах, таких як коливання температури між літом та зимою, відображена витрата не може вважатися точним значенням, але вона близька до фактичного значення.
З виходом 4-го видання API 682 вимірювання витрати та тиску перейшли від аналогових до цифрових 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 особливістю передавачів масової витрати є те, що вони забезпечують виходи, які компенсують тиск і температуру, щоб забезпечити справжній потік за стандартних атмосферних умов. Недоліком є те, що ці пристрої дорожчі за витратоміри зі змінною площею.
Проблема використання датчика витрати полягає в тому, щоб знайти датчик, здатний вимірювати витрату бар'єрного газу під час нормальної роботи та в точках сигналізації високої витрати. Датчики витрати мають максимальні та мінімальні значення, які можна точно зчитати. Між нульовим потоком та мінімальним значенням вихідний потік може бути неточним. Проблема полягає в тому, що зі збільшенням максимальної витрати для конкретної моделі датчика витрати також збільшується мінімальна витрата.
Одним із рішень є використання двох передавачів (одного низькочастотного та одного високочастотного), але це дорогий варіант. Другий метод полягає у використанні датчика витрати для нормального робочого діапазону витрати та використанні реле високої витрати з аналоговим витратоміром високого діапазону. Останнім компонентом, через який проходить бар'єрний газ, є зворотний клапан, перш ніж бар'єрний газ залишає панель та з'єднується з механічним ущільненням. Це необхідно для запобігання зворотному потоку рідини, що перекачується, в панель та пошкодженню приладу у разі аномальних порушень процесу.
Зворотний клапан повинен мати низький тиск відкриття. Якщо вибір неправильний або якщо повітряне ущільнення насоса подвійного тиску має низький потік бар'єрного газу, можна побачити, що пульсація потоку бар'єрного газу спричинена відкриттям та повторним закриттям зворотного клапана.
Зазвичай, заводський азот використовується як бар'єрний газ, оскільки він легкодоступний, інертний і не викликає жодних негативних хімічних реакцій у рідині, що перекачується. Також можна використовувати інертні гази, які недоступні, такі як аргон. У випадках, коли необхідний тиск захисного газу перевищує тиск заводського азоту, підсилювач тиску може підвищити тиск і зберігати газ високого тиску в ресивері, підключеному до входу панелі Plan 74. Балони з азотом у балонах зазвичай не рекомендуються, оскільки вони вимагають постійної заміни порожніх балонів на повні. Якщо якість ущільнення погіршується, балон можна швидко спорожнити, що призведе до зупинки насоса, щоб запобігти подальшому пошкодженню та виходу з ладу механічного ущільнення.
На відміну від систем рідинного бар'єру, опорні системи Plan 74 не потребують безпосередньої близькості до механічних ущільнень. Єдиним застереженням тут є видовжена ділянка трубки малого діаметра. Під час періодів високого потоку в трубі може виникнути падіння тиску між панеллю Plan 74 та ущільненням (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 керування клапанами та зчитування показань приладів. Кронштейн можна встановити на опорній плиті насоса або поруч із насосом, не заважаючи перевірці та технічному обслуговуванню насоса. Уникайте небезпеки спотикання об труби/труби, що з'єднують панелі Plan 74 з механічними ущільненнями.
Для насосів з двома механічними ущільненнями, по одному на кожному кінці насоса, не рекомендується використовувати одну панель та окремий вихід бар'єрного газу для кожного механічного ущільнення. Рекомендованим рішенням є використання окремої панелі Plan 74 для кожного ущільнення або панелі Plan 74 з двома виходами, кожен з власним набором витратомірів та реле потоку. У районах з холодними зимами може знадобитися перезимувати панелі Plan 74. Це робиться в першу чергу для захисту електрообладнання панелі, зазвичай шляхом розміщення панелі в шафі 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 холодними зимами або великими перепадами температур між літом і зимою. У деяких випадках може знадобитися відрегулювати уставку сигналізації високого потоку, щоб запобігти хибним спрацьовуванням. Повітроводи панелі та з'єднувальні труби/труби необхідно продути перед введенням панелей Plan 74 в експлуатацію. Найлегше цього досягти, додавши вентиляційний клапан на з'єднанні механічного ущільнення або поблизу нього. Якщо випускний клапан недоступний, систему можна продути, від'єднавши трубку/трубу від механічного ущільнення, а потім знову підключивши її після продувки.
Після підключення панелей Plan 74 до ущільнень та перевірки всіх з'єднань на наявність витоків, регулятор тиску можна налаштувати на встановлений тиск у застосуванні. Панель повинна подавати стиснений бар'єрний газ до механічного ущільнення перед заповненням насоса технологічною рідиною. Ущільнення та панелі Plan 74 готові до роботи після завершення процедур введення в експлуатацію насоса та видалення повітря.
Фільтруючий елемент необхідно перевіряти після місяця експлуатації або кожні шість місяців, якщо забруднення не виявлено. Інтервал заміни фільтра залежатиме від чистоти газу, що подається, але не повинен перевищувати трьох років.
Швидкість потоку бар'єрного газу слід перевіряти та записувати під час планових перевірок. Якщо пульсація потоку бар'єрного повітря, спричинена відкриттям та закриттям зворотного клапана, є достатньо великою, щоб спрацювати сигнал тривоги високого потоку, ці значення сигналізації, можливо, доведеться збільшити, щоб уникнути хибних тривог.
Важливим кроком у виведенні з експлуатації є те, що ізоляція та скидання тиску захисного газу мають бути останнім кроком. Спочатку ізолюйте та скиньте тиск у корпусі насоса. Після того, як насос буде у безпечному стані, тиск подачі захисного газу можна вимкнути та видалити тиск газу з трубопроводу, що з'єднує панель Plan 74 з механічним ущільненням. Злийте всю рідину з системи перед початком будь-яких робіт з технічного обслуговування.
Подвійні повітряні ущільнення насоса тиску в поєднанні з опорними системами Plan 74 забезпечують операторам рішення для ущільнення вала з нульовим рівнем викидів, менші капіталовкладення (порівняно з ущільненнями з системами рідинного бар'єру), знижену вартість життєвого циклу, малу площу опорної системи та мінімальні вимоги до обслуговування.
За умови встановлення та експлуатації відповідно до найкращих практик, це рішення для герметизації може забезпечити довгострокову надійність та 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 наук з інженерії, отриманий в Університеті Сіднея, Австралія. Для отримання додаткової інформації відвідайте johncrane.com.
Час публікації: 08 вересня 2022 р.