Overwegingen bij de keuze van afdichtingen – Installatie van dubbele mechanische hogedrukafdichtingen

De mechanische afdichtingen van configuratie 3 zijndubbele afdichtingenwaarbij de barrièrevloeistofruimte tussen de afdichtingen op een druk wordt gehouden die hoger is dan de druk in de afdichtingskamer. In de loop der tijd heeft de industrie verschillende strategieën ontwikkeld om de hoge druk te creëren die nodig is voor deze afdichtingen. Deze strategieën zijn vastgelegd in de leidingtekeningen van de mechanische afdichting. Hoewel veel van deze tekeningen vergelijkbare functies vervullen, kunnen de operationele kenmerken van elk ontwerp sterk verschillen en hebben ze invloed op alle aspecten van het afdichtingssysteem.

Leidingplan 53B, zoals gedefinieerd door API 682, is een leidingplan waarbij de barrièrevloeistof onder druk wordt gezet met een met stikstof gevulde blaasaccumulator. De onder druk staande blaas oefent een directe druk uit op de barrièrevloeistof, waardoor het gehele afdichtingssysteem onder druk komt te staan. De blaas voorkomt direct contact tussen het drukgas en de barrièrevloeistof, waardoor absorptie van gas in de vloeistof wordt geëlimineerd. Hierdoor kan leidingplan 53B worden gebruikt in toepassingen met hogere drukken dan leidingplan 53A. Doordat de accumulator een zelfstandig systeem is, is een constante stikstoftoevoer niet nodig, wat het systeem ideaal maakt voor installaties op afgelegen locaties.

De voordelen van de blaasaccumulator worden echter tenietgedaan door enkele operationele kenmerken van het systeem. De druk in een Piping Plan 53B wordt rechtstreeks bepaald door de druk van het gas in de blaas. Deze druk kan door verschillende variabelen sterk veranderen.

De blaas in de accumulator moet worden voorgevuld voordat de barrièrevloeistof aan het systeem wordt toegevoegd. Dit vormt de basis voor alle toekomstige berekeningen en interpretaties van de werking van het systeem. De daadwerkelijke voorvuldruk is afhankelijk van de werkdruk van het systeem en het veiligheidsvolume aan barrièrevloeistof in de accumulatoren. De voorvuldruk is ook afhankelijk van de temperatuur van het gas in de blaas. Let op: de voorvuldruk wordt alleen ingesteld tijdens de eerste inbedrijfstelling van het systeem en wordt niet aangepast tijdens de daadwerkelijke werking.

De gasdruk in de blaas varieert afhankelijk van de temperatuur van het gas. In de meeste gevallen volgt de gastemperatuur de omgevingstemperatuur op de installatielocatie. Toepassingen in regio's met grote dagelijkse en seizoensgebonden temperatuurschommelingen zullen grote schommelingen in de systeemdruk ondervinden.

Verbruik van barrièrevloeistoffenTijdens bedrijf verbruiken de mechanische afdichtingen barrièrevloeistof door normale lekkage. Deze barrièrevloeistof wordt aangevuld door de vloeistof in de accumulator, wat resulteert in een uitzetting van het gas in de blaas en een daling van de systeemdruk. Deze veranderingen zijn afhankelijk van de grootte van de accumulator, de lekkagesnelheid van de afdichtingen en het gewenste onderhoudsinterval voor het systeem (bijvoorbeeld 28 dagen).

De verandering in de systeemdruk is de belangrijkste manier waarop de eindgebruiker de prestaties van de afdichting controleert. Druk wordt ook gebruikt om onderhoudsalarmen te genereren en afdichtingsfouten te detecteren. De druk zal echter continu veranderen tijdens de werking van het systeem. Hoe moet de gebruiker de druk instellen in het Plan 53B-systeem? Wanneer is het nodig om barrièrevloeistof toe te voegen? Hoeveel vloeistof moet er worden toegevoegd?

De eerste breed gepubliceerde set technische berekeningen voor Plan 53B-systemen verscheen in API 682 Vierde Editie. Bijlage F bevat stapsgewijze instructies voor het bepalen van drukken en volumes voor dit leidingplan. Een van de nuttigste vereisten van API 682 is het opstellen van een standaard typeplaatje voor membraanaccumulatoren (API 682 Vierde Editie, Tabel 10). Dit typeplaatje bevat een tabel met de voordruk-, navul- en alarmdrukken voor het systeem over het bereik van de omgevingstemperatuur op de toepassingslocatie. Let op: de tabel in de standaard is slechts een voorbeeld en de werkelijke waarden zullen aanzienlijk afwijken bij toepassing in een specifieke praktijksituatie.

Een van de basisveronderstellingen van Figuur 2 is dat leidingplan 53B naar verwachting continu zal werken zonder de initiële voordruk te wijzigen. Er wordt ook aangenomen dat het systeem gedurende een korte periode aan een volledig temperatuurbereik van de omgeving kan worden blootgesteld. Dit heeft aanzienlijke gevolgen voor het systeemontwerp en vereist dat het systeem op een hogere druk werkt dan andere leidingplannen met dubbele afdichting.

Figuur 2 dient als referentie. De voorbeeldtoepassing is geïnstalleerd op een locatie waar de omgevingstemperatuur tussen -17 °C (1 °F) en 70 °C (158 °F) ligt. De bovengrens van dit bereik lijkt onrealistisch hoog, maar omvat ook de effecten van zonnewarmte op een accu die aan direct zonlicht is blootgesteld. De rijen in de tabel geven de temperatuurintervallen tussen de hoogste en laagste waarden weer.

Wanneer de eindgebruiker het systeem bedient, voegt hij barrièrevloeistof toe totdat de bijvuldruk is bereikt bij de huidige omgevingstemperatuur. De alarmdruk is de druk die aangeeft dat de eindgebruiker extra barrièrevloeistof moet toevoegen. Bij 25 °C (77 °F) vult de operator de accumulator voor tot 30,3 bar (440 PSIG), wordt het alarm ingesteld op 30,7 bar (445 PSIG) en voegt de operator barrièrevloeistof toe totdat de druk 37,9 bar (550 PSIG) bereikt. Als de omgevingstemperatuur daalt tot 0 °C (32 °F), daalt de alarmdruk tot 28,1 bar (408 PSIG) en de bijvuldruk tot 34,7 bar (504 PSIG).

In dit scenario veranderen zowel de alarmdruk als de bijvuldruk, ofwel fluctueren ze, als reactie op de omgevingstemperatuur. Deze aanpak wordt vaak een 'floating-floating'-strategie genoemd. Zowel de alarmdruk als de bijvuldruk fluctueren. Dit resulteert in de laagste werkdruk voor het afdichtingssysteem. Dit stelt echter twee specifieke eisen aan de eindgebruiker: het bepalen van de juiste alarmdruk en bijvuldruk. De alarmdruk voor het systeem is afhankelijk van de temperatuur en deze relatie moet in het DCS-systeem van de eindgebruiker worden geprogrammeerd. De bijvuldruk is eveneens afhankelijk van de omgevingstemperatuur, dus de operator moet het typeplaatje raadplegen om de juiste druk voor de huidige omstandigheden te vinden.

Sommige eindgebruikers vragen om een ​​eenvoudigere aanpak en wensen een strategie waarbij zowel de alarmdruk als de vuldruk constant (of vast) zijn en onafhankelijk van de omgevingstemperatuur. De vast-vast-strategie biedt de eindgebruiker slechts één druk voor het bijvullen van het systeem en één waarde voor het alarm. Helaas moet in deze situatie worden aangenomen dat de temperatuur maximaal is, aangezien de berekeningen rekening houden met een daling van de omgevingstemperatuur van maximaal naar minimaal. Dit resulteert erin dat het systeem op hogere drukken werkt. In sommige toepassingen kan het gebruik van een vast-vast-strategie leiden tot aanpassingen in het ontwerp van de afdichting of de maximale toelaatbare werkdruk (MAWP) van andere systeemcomponenten om de verhoogde drukken aan te kunnen.

Andere eindgebruikers zullen een hybride aanpak hanteren met een vaste alarmdruk en een variabele bijvuldruk. Dit kan de werkdruk verlagen en tegelijkertijd de alarminstellingen vereenvoudigen. De juiste alarmstrategie moet pas worden gekozen na afweging van de toepassingsomstandigheden, het omgevingstemperatuurbereik en de eisen van de eindgebruiker.

Er zijn enkele aanpassingen in het ontwerp van het leidingplan 53B die een aantal van deze problemen kunnen verhelpen. Opwarming door zonnestraling kan de maximale temperatuur van de accumulator in de berekeningen aanzienlijk verhogen. Door de accumulator in de schaduw te plaatsen of een zonnescherm voor de accumulator te construeren, kan opwarming door de zon worden voorkomen en de maximale temperatuur in de berekeningen worden verlaagd.

In de bovenstaande beschrijvingen wordt de term omgevingstemperatuur gebruikt om de temperatuur van het gas in de blaas aan te duiden. Onder stabiele of langzaam veranderende omgevingsomstandigheden is dit een redelijke aanname. Als er grote schommelingen in de omgevingstemperatuur zijn tussen dag en nacht, kan isolatie van de accumulator de effectieve temperatuurschommelingen van de blaas beperken, wat resulteert in stabielere bedrijfstemperaturen.

Deze aanpak kan worden uitgebreid met het gebruik van elektrische verwarming en isolatie op de accumulator. Wanneer dit correct wordt toegepast, zal de accumulator op een constante temperatuur werken, ongeacht de dagelijkse of seizoensgebonden schommelingen in de omgevingstemperatuur. Dit is wellicht de belangrijkste ontwerpoptie om te overwegen in gebieden met grote temperatuurschommelingen. Deze aanpak is al veelvuldig in de praktijk toegepast en heeft het mogelijk gemaakt om Plan 53B te gebruiken op locaties waar dit met elektrische verwarming niet mogelijk zou zijn geweest.

Eindgebruikers die overwegen een leidingplan 53B te gebruiken, moeten zich ervan bewust zijn dat dit leidingplan niet zomaar een leidingplan 53A met een accumulator is. Vrijwel elk aspect van het systeemontwerp, de inbedrijfstelling, de werking en het onderhoud van een leidingplan 53B is uniek voor dit specifieke leidingplan. De meeste frustraties die eindgebruikers ervaren, komen voort uit een gebrek aan begrip van het systeem. Fabrikanten van afdichtingen kunnen een meer gedetailleerde analyse voor een specifieke toepassing uitvoeren en de benodigde achtergrondinformatie verstrekken om de eindgebruiker te helpen dit systeem correct te specificeren en te bedienen.