Selos de ar duplos para bombas de reforço, adaptados da tecnologia de selos de ar para compressores, são mais comuns na indústria de selos de eixo. Esses selos proporcionam descarga zero do líquido bombeado para a atmosfera, menor resistência ao atrito no eixo da bomba e funcionam com um sistema de suporte mais simples. Esses benefícios proporcionam um menor custo geral do ciclo de vida da solução.
Essas 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, causando a separação da superfície de vedação, que flutua na película de gás. As perdas por atrito são baixas, pois as superfícies de vedação não se tocam mais. O gás de barreira atravessa a membrana a uma baixa vazão, consumindo-o na forma de vazamentos, a maioria dos quais vaza para a atmosfera através das superfícies externas da vedação. O resíduo infiltra-se na câmara de vedação e é eventualmente levado pela corrente do processo.
Todas as vedações herméticas duplas requerem um fluido pressurizado (líquido ou gasoso) entre as superfícies interna e externa do conjunto de 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 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 ajustadas corretamente.
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 independe da pressão e da temperatura do processo.
Devido à crescente adoção de vedações de ar de bomba de dupla pressão no mercado, o Instituto Americano de Petróleo (API) adicionou o Programa 74 como parte da publicação da segunda edição da 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 os selos mecânicos. Seguindo o caminho do gás de barreira através do painel do Plano 74, o primeiro elemento é a válvula de retenção. Isso 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 então passa 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. Isso é seguido por um regulador de pressão e um manômetro para ajustar a pressão do suprimento de gás de barreira para o selo mecânico.
Selos de gás com bomba de pressão dupla exigem que a pressão de fornecimento 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 de selo, 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 vazões do gás de vedação relatados pelos fabricantes de selos mecânicos indicam desempenho reduzido da vedação. A redução do fluxo do gás de barreira pode ser devido à rotação da bomba ou à migração de fluido para a face da vedação (de gás de barreira ou fluido de processo contaminado).
Frequentemente, após tais eventos, ocorrem danos às superfícies de vedação e, consequentemente, o fluxo de 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 alta vazão podem ser usados para determinar quando é necessária uma intervenção para corrigir a alta vazão de gás. O ponto de ajuste para um alarme de alta vazão está normalmente na faixa de 10 a 100 vezes a vazão 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 calibre variável têm sido utilizados, e não é incomum que medidores de vazão de faixa baixa e alta sejam conectados em série. Uma chave de vazão alta pode então ser instalada no medidor de vazão de faixa alta para emitir um alarme de vazão alta. 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 sim 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. Medidores de vazão digitais podem ser usados como medidores de vazão de área variável, que convertem a posição da boia em sinais digitais, ou medidores de vazão mássica, que convertem automaticamente a vazão mássica em vazão volumétrica. A característica distintiva 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 fluxo é encontrar um transmissor capaz de medir a vazão de gás de barreira durante a operação normal e em pontos de alarme de alta vazão. Os sensores de fluxo possuem valores máximos e mínimos 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 fluxo aumenta, a vazão mínima também aumenta.
Uma solução é usar dois transmissores (um de baixa frequência e um de alta frequência), mas esta é uma opção cara. O segundo método é usar um sensor de fluxo para a faixa de fluxo operacional normal e usar uma chave de fluxo alta com um medidor de fluxo analógico de faixa alta. 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. Isso é necessário para evitar o refluxo do líquido bombeado para o painel e danos ao instrumento em caso de distúrbios anormais do processo.
A válvula de retenção deve ter uma pressão de abertura baixa. Se a seleção estiver incorreta, ou se a vedação de ar da bomba de dupla pressão apresentar baixo fluxo de gás de barreira, pode-se observar que a pulsação do fluxo de gás de barreira é causada pela abertura e reposicionamento da válvula de retenção.
Geralmente, o nitrogênio vegetal é usado como gás de barreira por ser facilmente disponível, inerte e não causar 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 do gás de proteção necessária é maior que a pressão do nitrogênio vegetal, um booster de pressão pode aumentar a pressão e armazenar o gás de alta pressão em um reservatório conectado à entrada do painel do Plano 74. Garrafas de nitrogênio engarrafadas geralmente não são recomendadas, pois exigem a substituição constante de cilindros vazios por cilindros cheios. Se a qualidade da vedação se deteriorar, a garrafa pode ser esvaziada rapidamente, causando a parada da bomba para evitar maiores danos e falha da vedação mecânica.
Ao contrário dos sistemas de barreira contra líquidos, os sistemas de suporte do Plano 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 do Plano 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 tamanho do tubo pode resolver esse problema. Como regra, os painéis do Plano 74 são montados em um suporte a uma altura conveniente para controlar válvulas e ler as leituras dos 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 tropeços em tubulações/tubulações que conectam os painéis do Plano 74 com selos mecânicos.
Para bombas intermancais com dois selos mecânicos, um em cada extremidade da bomba, não é recomendado usar 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 selo, 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 hibernar os painéis Plan 74. Isso é feito principalmente para proteger o equipamento elétrico 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 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 alta vazão para evitar alarmes falsos. Os dutos de ar dos painéis e os tubos/tubos de conexão devem ser purgados antes de colocar os painéis do Plano 74 em serviço. Isso é mais facilmente alcançado adicionando uma válvula de ventilação na conexão do selo mecânico ou próximo a ela. Se uma válvula de sangria não estiver disponível, o sistema pode ser purgado desconectando o tubo/tubo do selo mecânico e reconectando-o 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 ao selo mecânico antes de encher a bomba com fluido de processo. As vedações e os painéis do Plano 74 estarão prontos para operação após a conclusão dos procedimentos de comissionamento e ventilação da bomba.
O elemento filtrante deve ser inspecionado após um mês de operação ou a cada seis meses se não houver contaminação. O intervalo de troca 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 da barreira causada pela abertura e fechamento da válvula de retenção for grande o suficiente para disparar um alarme de fluxo alto, 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 fornecimento do gás de proteção pode ser desligada e a pressão do gás removida da tubulação que conecta o painel do Plano 74 ao selo mecânico. Drene todo o fluido do sistema antes de iniciar qualquer trabalho de manutenção.
As vedações de ar com bomba de pressão dupla combinadas com os sistemas de suporte do Plano 74 oferecem aos operadores uma solução de vedação de eixo com emissão zero, menor investimento de capital (em comparação com vedações com sistemas de barreira líquida), menor custo de ciclo de vida, menor pegada do sistema de suporte e requisitos mínimos de serviço.
Quando instalada e operada de acordo com as melhores práticas, esta solução de contenção pode fornecer 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, visite johncrane.com.
Horário da publicação: 08/09/2022