Considerazioni sulla scelta delle guarnizioni – Installazione di doppie guarnizioni meccaniche ad alta pressione

Disposizione 3 guarnizioni meccaniche sonodoppie guarnizionidove la cavità del fluido di barriera tra le tenute viene mantenuta a una pressione superiore alla pressione della camera di tenuta. Nel corso del tempo, l'industria ha sviluppato diverse strategie per creare l'ambiente ad alta pressione necessario per queste tenute. Queste strategie sono riportate negli schemi di tubazioni delle tenute meccaniche. Sebbene molti di questi schemi svolgano funzioni simili, le caratteristiche operative di ciascuno possono essere molto diverse e influenzeranno tutti gli aspetti del sistema di tenuta.

Lo schema di tubazioni 53B, come definito dalla norma API 682, prevede la pressurizzazione del fluido di barriera tramite un accumulatore a membrana caricato con azoto. La membrana pressurizzata agisce direttamente sul fluido di barriera, pressurizzando l'intero sistema di tenuta. La membrana impedisce il contatto diretto tra il gas di pressurizzazione e il fluido di barriera, eliminando l'assorbimento di gas nel fluido. Ciò consente di utilizzare lo schema di tubazioni 53B in applicazioni a pressioni più elevate rispetto allo schema di tubazioni 53A. La natura autonoma dell'accumulatore elimina inoltre la necessità di un'alimentazione costante di azoto, rendendo il sistema ideale per installazioni remote.

I vantaggi dell'accumulatore a membrana sono tuttavia controbilanciati da alcune caratteristiche operative del sistema. La pressione di un sistema Piping Plan 53B è determinata direttamente dalla pressione del gas nella membrana. Questa pressione può variare drasticamente a causa di diverse variabili.

La membrana dell'accumulatore deve essere precaricata prima di immettere il fluido di barriera nel sistema. Questa precarica costituisce la base per tutti i calcoli e le interpretazioni future del funzionamento del sistema. La pressione di precarica effettiva dipende dalla pressione di esercizio del sistema e dal volume di sicurezza del fluido di barriera negli accumulatori. La pressione di precarica dipende anche dalla temperatura del gas nella membrana. Nota: la pressione di precarica viene impostata solo durante la messa in servizio iniziale del sistema e non verrà modificata durante il funzionamento effettivo.

La pressione del gas nella sacca varia in base alla temperatura del gas. Nella maggior parte dei casi, la temperatura del gas seguirà l'andamento della temperatura ambiente nel luogo di installazione. Le applicazioni in regioni con ampie variazioni di temperatura giornaliere e stagionali saranno soggette a forti oscillazioni della pressione del sistema.

Consumo di fluidi di barrieraDurante il funzionamento, le tenute meccaniche consumano fluido di barriera a causa delle normali perdite di tenuta. Questo fluido di barriera viene reintegrato dal fluido presente nell'accumulatore, con conseguente espansione del gas nella membrana e diminuzione della pressione del sistema. Queste variazioni dipendono dalle dimensioni dell'accumulatore, dalla velocità di perdita delle tenute e dall'intervallo di manutenzione desiderato per il sistema (ad esempio, 28 giorni).

La variazione della pressione del sistema è il principale indicatore utilizzato dall'utente finale per monitorare le prestazioni della tenuta. La pressione viene utilizzata anche per generare allarmi di manutenzione e per rilevare guasti alle tenute. Tuttavia, durante il funzionamento del sistema, la pressione varia continuamente. Come deve essere impostata la pressione nel sistema Plan 53B? Quando è necessario aggiungere fluido di barriera? Quanto fluido deve essere aggiunto?

La prima serie di calcoli ingegneristici per i sistemi Plan 53B ampiamente pubblicata è apparsa nella quarta edizione della norma API 682. L'allegato F fornisce istruzioni dettagliate su come determinare pressioni e volumi per questo schema di tubazioni. Uno dei requisiti più utili della norma API 682 è la creazione di una targhetta standard per gli accumulatori a membrana (quarta edizione API 682, Tabella 10). Questa targhetta contiene una tabella che riporta le pressioni di precarica, riempimento e allarme per il sistema nell'intervallo di temperature ambiente del sito di applicazione. Nota: la tabella nella norma è solo un esempio e i valori effettivi varieranno significativamente se applicati a una specifica applicazione sul campo.

Uno dei presupposti fondamentali della Figura 2 è che il sistema di tubazioni 53B debba funzionare in modo continuo e senza variazioni della pressione di precarica iniziale. Si presume inoltre che il sistema possa essere esposto a un'intera gamma di temperature ambiente in un breve periodo di tempo. Questi fattori hanno implicazioni significative nella progettazione del sistema e richiedono che quest'ultimo venga fatto funzionare a una pressione superiore rispetto ad altri sistemi di tubazioni a doppia tenuta.

Prendendo come riferimento la Figura 2, l'applicazione di esempio è installata in un luogo in cui la temperatura ambiente è compresa tra -17 °C (1 °F) e 70 °C (158 °F). Il limite superiore di questo intervallo può sembrare irrealisticamente alto, ma include anche gli effetti del riscaldamento solare di un accumulatore esposto alla luce solare diretta. Le righe della tabella rappresentano gli intervalli di temperatura tra il valore massimo e quello minimo.

Quando l'utente finale utilizza il sistema, aggiungerà pressione al fluido di barriera fino a raggiungere la pressione di riempimento alla temperatura ambiente corrente. La pressione di allarme è la pressione che indica all'utente finale la necessità di aggiungere ulteriore fluido di barriera. A 25 °C (77 °F), l'operatore precaricherà l'accumulatore a 30,3 bar (440 PSIG), l'allarme verrà impostato a 30,7 bar (445 PSIG) e l'operatore aggiungerà fluido di barriera fino a raggiungere una pressione di 37,9 bar (550 PSIG). Se la temperatura ambiente scende a 0 °C (32 °F), la pressione di allarme scenderà a 28,1 bar (408 PSIG) e la pressione di riempimento a 34,7 bar (504 PSIG).

In questo scenario, sia la pressione di allarme che quella di riempimento variano, o fluttuano, in risposta alle temperature ambiente. Questo approccio è spesso definito strategia "fluttuante-fluttuante". Sia la pressione di allarme che quella di riempimento "fluttuano". Ciò si traduce nelle pressioni operative più basse per il sistema di tenuta. Tuttavia, questo impone due requisiti specifici all'utente finale: determinare la corretta pressione di allarme e la pressione di riempimento. La pressione di allarme del sistema è funzione della temperatura e questa relazione deve essere programmata nel sistema DCS dell'utente finale. Anche la pressione di riempimento dipenderà dalla temperatura ambiente, quindi l'operatore dovrà consultare la targhetta per trovare la pressione corretta per le condizioni attuali.

Alcuni utenti finali richiedono un approccio più semplice e desiderano una strategia in cui sia la pressione di allarme che quella di riempimento siano costanti (o fisse) e indipendenti dalla temperatura ambiente. La strategia "fissa-fissa" fornisce all'utente finale un'unica pressione per il riempimento del sistema e un unico valore per l'attivazione dell'allarme. Sfortunatamente, questa condizione presuppone che la temperatura sia al valore massimo, poiché i calcoli compensano la diminuzione della temperatura ambiente tra il valore massimo e quello minimo. Ciò comporta che il sistema operi a pressioni più elevate. In alcune applicazioni, l'utilizzo di una strategia "fissa-fissa" può comportare modifiche alla progettazione delle guarnizioni o ai valori MAWP (Maximum Allowable Work Pressure) di altri componenti del sistema per gestire le pressioni elevate.

Altri utenti finali adotteranno un approccio ibrido con una pressione di allarme fissa e una pressione di riempimento variabile. Questo può ridurre la pressione di esercizio semplificando al contempo le impostazioni di allarme. La scelta della strategia di allarme più appropriata deve essere fatta solo dopo aver considerato le condizioni di applicazione, l'intervallo di temperatura ambiente e le esigenze dell'utente finale.

Sono state apportate alcune modifiche al progetto del Piano di tubazioni 53B che possono contribuire ad attenuare alcune di queste problematiche. Il riscaldamento dovuto alla radiazione solare può aumentare notevolmente la temperatura massima dell'accumulatore per i calcoli di progetto. Posizionare l'accumulatore all'ombra o costruire uno schermo solare per proteggerlo può eliminare il riscaldamento solare e ridurre la temperatura massima nei calcoli.

Nelle descrizioni precedenti, il termine temperatura ambiente viene utilizzato per indicare la temperatura del gas nella membrana. In condizioni di temperatura ambiente costante o a variazione lenta, questa è un'ipotesi ragionevole. Se si verificano ampie oscillazioni della temperatura ambiente tra il giorno e la notte, l'isolamento dell'accumulatore può attenuare le variazioni di temperatura effettive della membrana, garantendo temperature di esercizio più stabili.

Questo approccio può essere esteso all'utilizzo di riscaldamento a traccia e isolamento sull'accumulatore. Se applicato correttamente, l'accumulatore funzionerà a una temperatura costante indipendentemente dalle variazioni giornaliere o stagionali della temperatura ambiente. Questa è forse l'opzione progettuale più importante da considerare nelle aree con ampie variazioni di temperatura. Questo approccio vanta una vasta base installata sul campo e ha permesso l'utilizzo del Piano 53B in località che non sarebbero state idonee con il riscaldamento a traccia.

Gli utenti finali che stanno valutando l'utilizzo di uno schema di tubazioni 53B devono essere consapevoli che questo schema non è semplicemente uno schema 53A con un accumulatore. Praticamente ogni aspetto della progettazione, messa in servizio, funzionamento e manutenzione di uno schema 53B è specifico per questo tipo di tubazioni. La maggior parte delle difficoltà riscontrate dagli utenti finali deriva da una scarsa conoscenza del sistema. I produttori di guarnizioni possono preparare un'analisi più dettagliata per una specifica applicazione e fornire le informazioni necessarie per aiutare l'utente finale a specificare e utilizzare correttamente questo sistema.