As vedações de ar da bomba auxiliar dupla, adaptadas da tecnologia de vedação de ar do compressor, são mais comuns na indústria de vedações de eixo. Essas vedações proporcionam descarga zero do líquido bombeado para a atmosfera, proporcionam menor resistência ao atrito no eixo da bomba e funcionam com um sistema de suporte mais simples. Esses benefícios proporcionam um custo geral mais baixo do ciclo de vida da solução.
Estas vedações 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, fazendo com que a superfície de vedação flutue na película de gás. As perdas por atrito são baixas porque as superfícies de vedação não se tocam mais. O gás de barreira passa através da membrana a uma taxa de fluxo baixa, consumindo o gás de barreira na forma de vazamentos, a maioria dos quais vazam para a atmosfera através das superfícies externas de vedação. O resíduo penetra na câmara de vedação e é eventualmente levado pela corrente 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 de pressão lubrificada com líquido, o fluido de barreira circula do reservatório através da vedação mecânica, onde lubrifica as superfícies da vedação, absorve o calor e retorna ao reservatório onde precisa dissipar o calor absorvido. Esses sistemas de suporte de vedação dupla de pressão de fluido 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 definidas adequadamente.
O sistema de suporte de vedação dupla de ar comprimido ocupa pouco espaço, não requer água de resfriamento e requer pouca manutenção. Além disso, quando uma fonte confiável de gás de proteção está disponível, sua confiabilidade é independente da pressão e da temperatura do processo.
Devido à crescente adoção de vedações de ar para bombas de pressão dupla no mercado, o American Petroleum Institute (API) adicionou o Programa 74 como parte da publicação da segunda edição da API 682.
74 Um sistema de apoio ao programa é normalmente 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 os selos mecânicos. Seguindo o caminho do gás de barreira através do painel Plan 74, o primeiro elemento é a válvula de retenção. Isto permite que o fornecimento de gás de barreira seja isolado da vedação para substituição do elemento filtrante ou manutenção da bomba. O gás de barreira passa então através de um filtro coalescente de 2 a 3 micrômetros (µm) que retém líquidos e partículas que podem danificar as características topográficas da superfície de vedação, criando uma película de gás na superfície da superfície de vedação. Isto é seguido por um regulador de pressão e um manômetro para ajustar a pressão do fornecimento de gás de barreira ao selo mecânico.
As vedações a gás da bomba de pressão dupla exigem que a pressão de fornecimento do gás de barreira atenda 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 de 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 fornecimento do gás de barreira e soar um alarme se a pressão cair abaixo do valor mínimo.
A operação da vedação é controlada pelo fluxo do gás de barreira por meio de um medidor de vazão. Desvios nas taxas de fluxo do gás de vedação relatados pelos fabricantes de selos mecânicos indicam desempenho de vedação reduzido. A redução do fluxo de gás de barreira pode ser devido à rotação da bomba ou à migração de fluido para a face da vedação (de gás de barreira contaminado ou fluido de processo).
Freqüentemente, após tais eventos, ocorrem danos às superfícies de vedação e, então, o fluxo do gás de barreira aumenta. 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 fluxo alto está normalmente na faixa de 10 a 100 vezes o fluxo normal do gás de barreira, geralmente não determinado pelo fabricante do selo mecânico, mas depende da quantidade de vazamento de gás que a bomba pode tolerar.
Tradicionalmente, medidores de vazão de bitola variável têm sido usados e não é incomum que medidores de vazão de faixa baixa e alta sejam conectados em série. Um interruptor de fluxo alto pode então ser instalado no medidor de vazão de faixa alta para emitir um alarme de fluxo alto. Os medidores de vazão de área variável só podem ser calibrados para determinados gases em determinadas temperaturas e pressões. Ao operar sob outras condições, como flutuações de temperatura entre o verão e o inverno, a vazão exibida não pode ser considerada um valor preciso, mas está próxima do valor real.
Com o lançamento da 4ª edição da 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 medidores de vazão de massa, que convertem automaticamente o fluxo de massa em fluxo de volume. A característica distintiva dos transmissores de fluxo de massa é que eles fornecem saídas que compensam a pressão e a temperatura para fornecer fluxo real sob condições atmosféricas padrão. A desvantagem é que esses dispositivos são mais caros que os medidores de vazão de área variável.
O problema com o uso de um transmissor de fluxo é encontrar um transmissor capaz de medir o fluxo de gás de barreira durante a operação normal e em pontos de alarme de fluxo alto. Os sensores de fluxo possuem valores máximos e mínimos que podem ser lidos com precisão. Entre o fluxo zero e o valor mínimo, o fluxo de saída pode não ser preciso. O problema é que à medida que a vazão máxima para um determinado modelo de transdutor de fluxo aumenta, a vazão mínima também aumenta.
Uma solução é usar dois transmissores (um de baixa frequência e outro de alta frequência), mas esta é uma opção cara. O segundo método é usar um sensor de fluxo para a faixa de vazão operacional normal e usar um interruptor de vazão alto 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 de barreira saia do painel e se conecte ao selo mecânico. Isto é necessário para evitar o refluxo do líquido bombeado para o painel e danos ao instrumento no caso de perturbações anormais do processo.
A válvula de retenção deve ter uma pressão de abertura baixa. Se a seleção estiver errada, ou se a vedação de ar da bomba de pressão dupla tiver baixo fluxo de gás de barreira, pode-se observar que a pulsação do fluxo de gás de barreira é causada pela abertura e reassentamento da válvula de retenção.
Geralmente, o nitrogênio vegetal é usado como gás de barreira porque está prontamente disponível, é inerte e não causa reações químicas adversas no líquido bombeado. Gases inertes que não estão disponíveis, como o argônio, também podem ser usados. Nos casos em que a pressão necessária do gás de proteção é superior à pressão de nitrogênio da planta, um amplificador de pressão pode aumentar a pressão e armazenar o gás de alta pressão em um receptor conectado à entrada do painel Plan 74. Garrafas de nitrogênio engarrafadas geralmente não são recomendadas, pois exigem a substituição constante de cilindros vazios por cheios. Se a qualidade do selo se deteriorar, a garrafa pode ser esvaziada rapidamente, fazendo com que a bomba pare para evitar maiores danos e falhas do selo mecânico.
Ao contrário dos sistemas de barreira contra líquidos, os sistemas de suporte Plan 74 não requerem proximidade com selos mecânicos. A única ressalva aqui é a seção alongada do tubo de pequeno diâmetro. Uma queda de pressão entre o painel Plan 74 e a vedação pode ocorrer no tubo durante períodos de alto fluxo (degradação da vedação), o que reduz a pressão de barreira disponível para a vedação. Aumentar o tamanho do tubo pode resolver este problema. Como regra, os painéis Plan 74 são montados em um suporte a uma altura conveniente para controlar válvulas e ler leituras de instrumentos. O suporte pode ser montado na placa de base da bomba ou próximo à bomba sem interferir na inspeção e manutenção da bomba. Evite riscos de tropeçar em tubos/tubos que conectam painéis Plan 74 com selos mecânicos.
Para bombas entre mancais com dois selos mecânicos, um em cada extremidade da bomba, não é recomendado utilizar um painel e saída de gás de barreira separada para cada selo mecânico. A solução recomendada é usar um painel Plan 74 separado para cada vedação, ou um painel Plan 74 com duas saídas, cada uma com seu próprio conjunto de medidores de vazão e interruptores de vazão. Em áreas com invernos frios pode ser necessário passar o inverno nos painéis Plan 74. Isto é feito principalmente para proteger o equipamento elétrico do painel, geralmente envolvendo o painel no gabinete e adicionando elementos de aquecimento.
Um fenômeno interessante é que a taxa de fluxo do gás de barreira aumenta com a diminuição da temperatura de fornecimento do gás de barreira. Isso geralmente passa despercebido, mas pode se tornar perceptível em locais com invernos frios 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 fluxo alto para evitar alarmes falsos. Os dutos de ar do painel e os tubos/tubos de conexão devem ser purgados antes de colocar os painéis Plan 74 em serviço. Isto é mais facilmente conseguido 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 tubo/tubo do selo mecânico e reconectando-o após a purga.
Depois de conectar os painéis Plan 74 às vedações e verificar se há vazamentos em todas as conexões, o regulador de pressão pode agora ser ajustado para a pressão definida na aplicação. O painel deve fornecer gás de barreira pressurizado ao selo mecânico antes de encher a bomba com fluido de processo. As vedações e painéis Plan 74 estão prontos para serem iniciados quando os procedimentos de comissionamento e ventilação da bomba forem concluídos.
O elemento filtrante deve ser inspecionado após um mês de operação ou a cada seis meses se não for encontrada contaminação. O intervalo de troca do filtro dependerá da pureza do gás fornecido, mas não deve ultrapassar 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 da barreira causada pela abertura e fechamento da válvula de retenção for grande o suficiente para acionar um alarme de fluxo alto, esses valores de alarme podem precisar ser aumentados para evitar alarmes falsos.
Um passo importante no descomissionamento é que o isolamento e a despressurização do gás de proteção sejam o último passo. Primeiro, isole e despressurize a carcaça da bomba. Assim que a bomba estiver em condições seguras, a pressão de fornecimento 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 de ar de bomba de pressão dupla combinadas com os sistemas de suporte Plan 74 fornecem aos operadores uma solução de vedação de eixo com emissão zero, menor investimento de capital (em comparação com vedações com sistemas de barreira líquida), custo de ciclo de vida reduzido, área ocupada pequena pelo sistema de suporte e requisitos mínimos de serviço.
Quando instalada e operada de acordo com as melhores práticas, esta 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 da John Crane. Savage é bacharel em Engenharia pela Universidade de Sydney, Austrália. Para obter mais informações, visite johncrane.com.
Horário da postagem: 08/09/2022