As vedações duplas para bombas de reforço, adaptadas da tecnologia de vedações para compressores, são mais comuns na indústria de vedações de eixo. Essas vedações proporcionam descarga zero do líquido bombeado para a atmosfera, oferecem menor resistência ao atrito no eixo da bomba e funcionam com um sistema de suporte mais simples. Esses benefícios resultam em um custo total do ciclo de vida da solução mais baixo.
Esses selos funcionam introduzindo uma fonte externa de gás pressurizado entre as superfícies de vedação interna e externa. A topografia específica da superfície de vedação exerce pressão adicional sobre o gás de barreira, fazendo com que a superfície de vedação se separe e flutue na película de gás. As perdas por atrito são baixas, pois as superfícies de vedação não se tocam mais. O gás de barreira passa pela membrana a uma baixa vazão, consumindo-se na forma de vazamentos, a maior parte dos quais escapa para a atmosfera através das superfícies de vedação externas. O resíduo infiltra-se na câmara de vedação e é eventualmente arrastado pelo fluxo do processo.
Todas as vedações herméticas duplas requerem um fluido pressurizado (líquido ou gás) entre as superfícies interna e externa do conjunto da vedação mecânica. Um sistema de suporte é necessário para fornecer esse fluido à vedação. Em contraste, em uma vedação dupla pressurizada lubrificada por líquido, o fluido de barreira circula do reservatório através da vedação mecânica, onde lubrifica as superfícies da vedação, absorve calor e retorna ao reservatório, onde precisa dissipar o calor absorvido. Esses sistemas de suporte para vedação dupla pressurizada são complexos. As cargas térmicas aumentam com a pressão e a temperatura do processo e podem causar problemas de confiabilidade se não forem calculadas e ajustadas corretamente.
O sistema de suporte de vedação dupla a ar comprimido ocupa pouco espaço, não requer água de refrigeração e exige pouca manutenção. Além disso, quando há uma fonte confiável de gás de proteção, sua confiabilidade é independente da pressão e da temperatura do processo.
Devido à crescente adoção de selos de ar para bombas de dupla pressão no mercado, o Instituto Americano de Petróleo (API) adicionou o Programa 74 como parte da publicação da segunda edição da norma API 682.
74 Um sistema de suporte ao programa é tipicamente um conjunto de medidores e válvulas montados em painel que purgam o gás de barreira, regulam a pressão a jusante e medem a pressão e o fluxo de gás para as selos mecânicos. Seguindo o percurso do gás de barreira através do painel do Plano 74, o primeiro elemento é a válvula de retenção. Esta permite que o suprimento de gás de barreira seja isolado do selo para substituição do elemento filtrante ou manutenção da bomba. O gás de barreira passa então por um filtro coalescente de 2 a 3 micrômetros (µm) que retém líquidos e partículas que podem danificar as características topográficas da superfície do selo, criando uma película de gás na superfície do selo. Em seguida, há um regulador de pressão e um manômetro para ajustar a pressão do suprimento de gás de barreira para o selo mecânico.
As vedações a gás com bomba de dupla pressão exigem que a pressão de alimentação do gás de barreira atinja ou exceda uma pressão diferencial mínima acima da pressão máxima na câmara de vedação. Essa queda de pressão mínima varia de acordo com o fabricante e o tipo da vedação, mas normalmente fica em torno de 30 libras por polegada quadrada (psi). O pressostato é usado para detectar quaisquer problemas com a pressão de alimentação do gás de barreira e acionar um alarme caso a pressão caia abaixo do valor mínimo.
O funcionamento da vedação é controlado pelo fluxo de gás de barreira, medido por um medidor de vazão. Desvios nas taxas de fluxo de gás de vedação relatadas pelos fabricantes de selos mecânicos indicam desempenho de vedação reduzido. A redução do fluxo de gás de barreira pode ser causada pela rotação da bomba ou pela migração de fluido para a face da vedação (proveniente de gás de barreira contaminado ou fluido de processo).
Frequentemente, após tais eventos, ocorrem danos às superfícies de vedação, o que leva ao aumento do fluxo de gás de barreira. Picos de pressão na bomba ou perda parcial da pressão do gás de barreira também podem danificar a superfície de vedação. Alarmes de alto fluxo podem ser usados para determinar quando é necessária intervenção para corrigir o alto fluxo de gás. O ponto de ajuste para um alarme de alto fluxo geralmente varia de 10 a 100 vezes o fluxo normal de gás de barreira, normalmente não determinado pelo fabricante do selo mecânico, mas dependendo da quantidade de vazamento de gás que a bomba pode tolerar.
Tradicionalmente, são utilizados medidores de vazão de área variável, sendo comum a conexão em série de medidores de vazão de faixa baixa e alta. Um interruptor de alta vazão pode então ser instalado no medidor de vazão de faixa alta para acionar um alarme de alta vazão. Medidores de vazão de área variável só podem ser calibrados para determinados gases em determinadas temperaturas e pressões. Quando operam em outras condições, como flutuações de temperatura entre o verão e o inverno, a vazão exibida não pode ser considerada um valor preciso, mas se aproxima do valor real.
Com o lançamento da 4ª edição da norma API 682, as medições de vazão e pressão passaram de analógicas para digitais com leituras locais. Os medidores de vazão digitais podem ser usados como medidores de vazão de área variável, que convertem a posição do flutuador em sinais digitais, ou como medidores de vazão mássica, que convertem automaticamente a vazão mássica em vazão volumétrica. A principal característica dos transmissores de vazão mássica é que eles fornecem saídas que compensam a pressão e a temperatura para fornecer a vazão real em condições atmosféricas padrão. A desvantagem é que esses dispositivos são mais caros do que os medidores de vazão de área variável.
O problema com o uso de um transmissor de vazão é encontrar um transmissor capaz de medir a vazão do gás de barreira durante a operação normal e em pontos de alarme de alta vazão. Os sensores de vazão possuem valores máximo e mínimo que podem ser lidos com precisão. Entre a vazão zero e o valor mínimo, a vazão de saída pode não ser precisa. O problema é que, à medida que a vazão máxima para um determinado modelo de transdutor de vazão aumenta, a vazão mínima também aumenta.
Uma solução é usar dois transmissores (um de baixa frequência e outro de alta frequência), mas essa é uma opção cara. O segundo método é usar um sensor de fluxo para a faixa de vazão operacional normal e um interruptor de alta vazão com um medidor de vazão analógico de alta faixa. O último componente pelo qual o gás de barreira passa é a válvula de retenção, antes que o gás saia do painel e se conecte ao selo mecânico. Isso é necessário para evitar o refluxo do líquido bombeado para dentro do painel e danos ao instrumento em caso de perturbações anormais no processo.
A válvula de retenção deve ter uma baixa pressão de abertura. Se a seleção estiver incorreta, ou se a vedação de ar da bomba de dupla pressão tiver um fluxo de gás de barreira baixo, pode-se observar que a pulsação do fluxo de gás de barreira é causada pela abertura e fechamento da válvula de retenção.
Geralmente, utiliza-se nitrogênio industrial como gás de barreira por ser facilmente disponível, inerte e não causar reações químicas adversas no líquido bombeado. Gases inertes indisponíveis, como o argônio, também podem ser utilizados. Nos casos em que a pressão do gás de proteção necessária for maior que a pressão do nitrogênio industrial, um compressor de pressão pode aumentar a pressão e armazenar o gás de alta pressão em um reservatório conectado à entrada do painel Plan 74. Cilindros de nitrogênio engarrafados geralmente não são recomendados, pois exigem a substituição constante de cilindros vazios por cheios. Se a qualidade da vedação se deteriorar, o cilindro pode ser esvaziado rapidamente, fazendo com que a bomba pare para evitar maiores danos e falha da vedação mecânica.
Ao contrário dos sistemas de barreira líquida, os sistemas de suporte Plan 74 não exigem proximidade com selos mecânicos. A única ressalva é a seção alongada do tubo de pequeno diâmetro. Uma queda de pressão entre o painel Plan 74 e o selo pode ocorrer na tubulação durante períodos de alto fluxo (degradação do selo), o que reduz a pressão de barreira disponível para o selo. Aumentar o diâmetro da tubulação pode resolver esse problema. Normalmente, os painéis Plan 74 são montados em um suporte a uma altura conveniente para o controle de válvulas e leitura de instrumentos. O suporte pode ser montado na base da bomba ou próximo à bomba sem interferir na inspeção e manutenção da mesma. Evite riscos de tropeços nas tubulações que conectam os painéis Plan 74 aos selos mecânicos.
Para bombas com mancais interligados e dois selos mecânicos, um em cada extremidade da bomba, não é recomendável usar um único painel e uma saída de gás de barreira separada para cada selo mecânico. A solução recomendada é usar um painel Plan 74 separado para cada selo, ou um painel Plan 74 com duas saídas, cada uma com seu próprio conjunto de medidores de vazão e interruptores de fluxo. Em áreas com invernos rigorosos, pode ser necessário proteger os painéis Plan 74 durante o inverno. Isso é feito principalmente para proteger os equipamentos elétricos do painel, geralmente encapsulando o painel no gabinete e adicionando elementos de aquecimento.
Um fenômeno interessante é que a vazão do gás de barreira aumenta com a diminuição da temperatura de fornecimento do gás. Isso geralmente passa despercebido, mas pode se tornar perceptível em locais com invernos rigorosos ou grandes diferenças de temperatura entre o verão e o inverno. Em alguns casos, pode ser necessário ajustar o ponto de ajuste do alarme de alta vazão para evitar alarmes falsos. Os dutos de ar e os tubos de conexão dos painéis devem ser purgados antes da entrada em operação dos painéis Plan 74. Isso é mais facilmente obtido adicionando uma válvula de ventilação na conexão do selo mecânico ou próximo a ela. Se uma válvula de purga não estiver disponível, o sistema pode ser purgado desconectando o(s) tubo(s) do selo mecânico e reconectando-o(s) após a purga.
Após conectar os painéis do Plano 74 às vedações e verificar se há vazamentos em todas as conexões, o regulador de pressão pode ser ajustado para a pressão definida na aplicação. O painel deve fornecer gás de barreira pressurizado à vedação mecânica antes de a bomba ser abastecida com o fluido de processo. As vedações e os painéis do Plano 74 estarão prontos para uso assim que os procedimentos de comissionamento e ventilação da bomba forem concluídos.
O elemento filtrante deve ser inspecionado após um mês de funcionamento ou a cada seis meses, caso não seja detectada nenhuma contaminação. O intervalo de substituição do filtro dependerá da pureza do gás fornecido, mas não deve exceder três anos.
As taxas de gás de barreira devem ser verificadas e registradas durante as inspeções de rotina. Se a pulsação do fluxo de ar na barreira, causada pela abertura e fechamento da válvula de retenção, for grande o suficiente para acionar um alarme de alto fluxo, esses valores de alarme podem precisar ser aumentados para evitar alarmes falsos.
Uma etapa importante no descomissionamento é que o isolamento e a despressurização do gás de proteção devem ser a última etapa. Primeiro, isole e despressurize a carcaça da bomba. Assim que a bomba estiver em condições seguras, a pressão de suprimento do gás de proteção pode ser desligada e a pressão do gás removida da tubulação que conecta o painel Plan 74 ao selo mecânico. Drene todo o fluido do sistema antes de iniciar qualquer trabalho de manutenção.
As vedações pneumáticas de bomba de dupla pressão, combinadas com os sistemas de suporte Plan 74, oferecem aos operadores uma solução de vedação de eixo com emissão zero, menor investimento inicial (em comparação com vedações com sistemas de barreira líquida), custo reduzido do ciclo de vida, tamanho compacto do sistema de suporte e requisitos mínimos de manutenção.
Quando instalada e operada de acordo com as melhores práticas, essa solução de contenção pode proporcionar confiabilidade a longo prazo e aumentar a disponibilidade de equipamentos rotativos.
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Mark Savage é gerente de grupo de produtos na John Crane. Savage é bacharel em Engenharia pela Universidade de Sydney, Austrália. Para mais informações, acesse johncrane.com.
Data da publicação: 08/09/2022