Le tenute aria per pompe booster doppie, derivate dalla tecnologia delle tenute aria per compressori, sono più diffuse nel settore delle tenute per alberi. Queste tenute garantiscono la dispersione del liquido pompato nell'atmosfera, una minore resistenza all'attrito sull'albero della pompa e un sistema di supporto più semplice. Questi vantaggi si traducono in un costo complessivo del ciclo di vita della soluzione inferiore.
Queste guarnizioni funzionano introducendo una fonte esterna di gas pressurizzato tra le superfici di tenuta interna ed esterna. La particolare topografia della superficie di tenuta esercita una pressione aggiuntiva sul gas barriera, causando la separazione della superficie di tenuta e il suo galleggiamento nel film di gas. Le perdite per attrito sono ridotte poiché le superfici di tenuta non si toccano più. Il gas barriera attraversa la membrana a bassa portata, consumando il gas barriera sotto forma di perdite, la maggior parte delle quali si disperde nell'atmosfera attraverso le superfici di tenuta esterne. Il residuo penetra nella camera di tenuta e viene infine trasportato via dal flusso di processo.
Tutte le tenute ermetiche doppie richiedono un fluido pressurizzato (liquido o gas) tra le superfici interna ed esterna del gruppo di tenuta meccanica. È necessario un sistema di supporto per fornire questo fluido alla tenuta. Al contrario, in una tenuta doppia a pressione lubrificata con liquido, il fluido barriera circola dal serbatoio attraverso la tenuta meccanica, dove lubrifica le superfici di tenuta, assorbe calore e ritorna al serbatoio dove deve dissipare il calore assorbito. Questi sistemi di supporto per la doppia tenuta a pressione del fluido sono complessi. I carichi termici aumentano con la pressione e la temperatura di processo e possono causare problemi di affidabilità se non calcolati e impostati correttamente.
Il sistema di supporto a doppia tenuta ad aria compressa occupa poco spazio, non richiede acqua di raffreddamento e richiede poca manutenzione. Inoltre, quando è disponibile una fonte affidabile di gas di protezione, la sua affidabilità è indipendente dalla pressione e dalla temperatura di processo.
A causa della crescente adozione sul mercato di guarnizioni d'aria per pompe a doppia pressione, l'American Petroleum Institute (API) ha aggiunto il Programma 74 come parte della pubblicazione della seconda edizione dell'API 682.
74 Un sistema di supporto al programma è in genere un set di manometri e valvole montati su pannello che spurgano il gas di barriera, regolano la pressione a valle e misurano la pressione e la portata del gas verso le tenute meccaniche. Seguendo il percorso del gas di barriera attraverso il pannello Plan 74, il primo elemento è la valvola di ritegno. Questa consente di isolare l'alimentazione del gas di barriera dalla tenuta per la sostituzione dell'elemento filtrante o la manutenzione della pompa. Il gas di barriera passa quindi attraverso un filtro a coalescenza da 2 a 3 micrometri (µm) che intrappola liquidi e particolato che possono danneggiare le caratteristiche topografiche della superficie della tenuta, creando una pellicola di gas sulla superficie della tenuta. Seguono un regolatore di pressione e un manometro per impostare la pressione dell'alimentazione del gas di barriera alla tenuta meccanica.
Le tenute a gas con pompa a doppia pressione richiedono che la pressione di alimentazione del gas di barriera soddisfi o superi una pressione differenziale minima superiore alla pressione massima nella camera di tenuta. Questa caduta di pressione minima varia a seconda del produttore e del tipo di tenuta, ma in genere si aggira intorno alle 30 libbre per pollice quadrato (psi). Il pressostato viene utilizzato per rilevare eventuali problemi con la pressione di alimentazione del gas di barriera e attivare un allarme se la pressione scende al di sotto del valore minimo.
Il funzionamento della tenuta è controllato dal flusso del gas di barriera tramite un flussimetro. Eventuali scostamenti dalle portate del gas di tenuta segnalate dai produttori di tenute meccaniche indicano una riduzione delle prestazioni di tenuta. La riduzione del flusso del gas di barriera può essere dovuta alla rotazione della pompa o alla migrazione del fluido verso la superficie di tenuta (da gas di barriera contaminato o fluido di processo).
Spesso, dopo tali eventi, si verificano danni alle superfici di tenuta, con conseguente aumento del flusso del gas barriera. Anche picchi di pressione nella pompa o una perdita parziale di pressione del gas barriera possono danneggiare la superficie di tenuta. Gli allarmi di alta portata possono essere utilizzati per determinare quando è necessario un intervento per correggere un flusso di gas elevato. Il setpoint per un allarme di alta portata è in genere compreso tra 10 e 100 volte la normale portata del gas barriera, solitamente non determinato dal produttore della tenuta meccanica, ma dipende dalla quantità di perdite di gas che la pompa può tollerare.
Tradizionalmente, sono stati utilizzati misuratori di portata a calibro variabile e non è raro che misuratori di portata a basso e alto campo siano collegati in serie. Un interruttore di alta portata può quindi essere installato sul misuratore di portata ad alto campo per generare un allarme di portata elevata. I misuratori di portata ad area variabile possono essere calibrati solo per determinati gas a determinate temperature e pressioni. Quando operano in altre condizioni, come le fluttuazioni di temperatura tra estate e inverno, la portata visualizzata non può essere considerata un valore accurato, ma è vicina al valore effettivo.
Con l'uscita della quarta edizione della norma API 682, le misurazioni di portata e pressione sono passate da analogiche a digitali con letture locali. I misuratori di portata digitali possono essere utilizzati come misuratori di portata ad area variabile, che convertono la posizione del galleggiante in segnali digitali, o come misuratori di portata massica, che convertono automaticamente la portata massica in portata volumetrica. La caratteristica distintiva dei trasmettitori di portata massica è che forniscono uscite che compensano la pressione e la temperatura per fornire la portata effettiva in condizioni atmosferiche standard. Lo svantaggio è che questi dispositivi sono più costosi dei misuratori di portata ad area variabile.
Il problema con l'utilizzo di un trasmettitore di portata è trovare un trasmettitore in grado di misurare la portata del gas di barriera durante il normale funzionamento e in caso di allarme di portata elevata. I sensori di portata hanno valori massimi e minimi che possono essere letti con precisione. Tra portata zero e valore minimo, la portata in uscita potrebbe non essere precisa. Il problema è che all'aumentare della portata massima per un particolare modello di trasduttore di portata, aumenta anche la portata minima.
Una soluzione consiste nell'utilizzare due trasmettitori (uno a bassa frequenza e uno ad alta frequenza), ma si tratta di un'opzione costosa. Il secondo metodo consiste nell'utilizzare un sensore di flusso per il normale intervallo di portata operativo e un pressostato ad alta portata con un misuratore di portata analogico ad alto intervallo. L'ultimo componente attraversato dal gas di barriera è la valvola di ritegno prima che il gas di barriera esca dal pannello e si colleghi alla tenuta meccanica. Ciò è necessario per impedire il riflusso del liquido pompato nel pannello e danni allo strumento in caso di anomalie di processo.
La valvola di ritegno deve avere una bassa pressione di apertura. Se la selezione è errata, o se la tenuta d'aria della pompa a doppia pressione ha un flusso di gas barriera basso, si può notare che la pulsazione del flusso di gas barriera è causata dall'apertura e dal rientro della valvola di ritegno.
Generalmente, l'azoto vegetale viene utilizzato come gas barriera perché è facilmente disponibile, inerte e non causa reazioni chimiche avverse nel liquido pompato. Possono essere utilizzati anche gas inerti non disponibili, come l'argon. Nei casi in cui la pressione del gas di protezione richiesta sia superiore alla pressione dell'azoto vegetale, un moltiplicatore di pressione può aumentare la pressione e immagazzinare il gas ad alta pressione in un serbatoio collegato all'ingresso del pannello Plan 74. Le bombole di azoto in bombola sono generalmente sconsigliate in quanto richiedono la costante sostituzione delle bombole vuote con quelle piene. Se la qualità della tenuta si deteriora, la bombola può essere svuotata rapidamente, causando l'arresto della pompa ed evitando ulteriori danni e guasti alla tenuta meccanica.
A differenza dei sistemi a barriera liquida, i sistemi di supporto Plan 74 non richiedono la vicinanza alle tenute meccaniche. L'unica avvertenza in questo caso è la sezione allungata del tubo di piccolo diametro. Durante i periodi di flusso elevato, può verificarsi una caduta di pressione tra il pannello Plan 74 e la tenuta nel tubo (degrado della tenuta), che riduce la pressione di barriera disponibile per la tenuta. Aumentando le dimensioni del tubo è possibile risolvere questo problema. Di norma, i pannelli Plan 74 sono montati su un supporto a un'altezza comoda per il controllo delle valvole e la lettura dei valori degli strumenti. La staffa può essere montata sulla piastra di base della pompa o accanto alla pompa senza interferire con l'ispezione e la manutenzione della pompa. Evitare rischi di inciampo sui tubi/tubi che collegano i pannelli Plan 74 alle tenute meccaniche.
Per le pompe intercuscinetto con due tenute meccaniche, una a ciascuna estremità della pompa, si sconsiglia di utilizzare un pannello e un'uscita separata del gas barriera per ciascuna tenuta meccanica. La soluzione consigliata è quella di utilizzare un pannello Plan 74 separato per ciascuna tenuta, oppure un pannello Plan 74 con due uscite, ciascuna dotata di un proprio set di flussimetri e flussostati. Nelle zone con inverni rigidi potrebbe essere necessario svernare i pannelli Plan 74. Ciò avviene principalmente per proteggere le apparecchiature elettriche del pannello, solitamente incassando il pannello nell'armadio e aggiungendo elementi riscaldanti.
Un fenomeno interessante è che la portata del gas barriera aumenta al diminuire della temperatura di alimentazione del gas barriera. Questo fenomeno solitamente passa inosservato, ma può diventare evidente in luoghi con inverni freddi o forti escursioni termiche tra estate e inverno. In alcuni casi, potrebbe essere necessario regolare il setpoint di allarme per portata elevata per evitare falsi allarmi. I condotti dell'aria del pannello e i tubi/tubazioni di collegamento devono essere spurgati prima di mettere in servizio i pannelli Plan 74. Il modo più semplice per ottenere questo risultato è aggiungere una valvola di sfiato in corrispondenza o in prossimità del collegamento della tenuta meccanica. Se non è disponibile una valvola di sfiato, il sistema può essere spurgato scollegando il tubo/tubo dalla tenuta meccanica e ricollegandolo dopo lo spurgo.
Dopo aver collegato i pannelli Plan 74 alle tenute e aver verificato la presenza di perdite in tutti i collegamenti, è possibile regolare il regolatore di pressione alla pressione impostata nell'applicazione. Il pannello deve fornire gas barriera pressurizzato alla tenuta meccanica prima di riempire la pompa con il fluido di processo. Le tenute e i pannelli Plan 74 sono pronti per l'uso una volta completate le procedure di messa in servizio e sfiato della pompa.
L'elemento filtrante deve essere ispezionato dopo un mese di funzionamento o ogni sei mesi se non si riscontra alcuna contaminazione. L'intervallo di sostituzione del filtro dipenderà dalla purezza del gas fornito, ma non dovrebbe superare i tre anni.
Le portate del gas di barriera devono essere controllate e registrate durante le ispezioni di routine. Se la pulsazione del flusso d'aria di barriera causata dall'apertura e dalla chiusura della valvola di ritegno è sufficientemente elevata da attivare un allarme di portata elevata, potrebbe essere necessario aumentare questi valori di allarme per evitare falsi allarmi.
Un passaggio importante nella dismissione è che l'isolamento e la depressurizzazione del gas di protezione siano l'ultimo passaggio. Innanzitutto, isolare e depressurizzare il corpo pompa. Una volta che la pompa è in condizioni di sicurezza, è possibile interrompere la pressione di alimentazione del gas di protezione e rimuovere la pressione del gas dalla tubazione che collega il pannello Plan 74 alla tenuta meccanica. Scaricare tutto il fluido dal sistema prima di iniziare qualsiasi intervento di manutenzione.
Le tenute pneumatiche a doppia pressione, abbinate ai sistemi di supporto Plan 74, offrono agli operatori una soluzione di tenuta dell'albero a zero emissioni, un investimento di capitale inferiore (rispetto alle tenute con sistemi di barriera liquida), costi del ciclo di vita ridotti, ingombro ridotto del sistema di supporto e requisiti di assistenza minimi.
Se installata e utilizzata secondo le migliori pratiche, questa soluzione di contenimento può garantire affidabilità a lungo termine e aumentare la disponibilità delle apparecchiature rotanti.
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Mark Savage è responsabile del gruppo di prodotto presso John Crane. Savage ha conseguito una laurea triennale in Ingegneria presso l'Università di Sydney, in Australia. Per maggiori informazioni, visita johncrane.com.
Data di pubblicazione: 08/09/2022