Considerações sobre a seleção de selos – Instalação de selos mecânicos duplos de alta pressão

Os selos mecânicos do arranjo 3 sãoselos duplosonde a cavidade do fluido de barreira entre as vedações é mantida a uma pressão superior à pressão da câmara de vedação. Ao longo do tempo, a indústria desenvolveu diversas estratégias para criar o ambiente de alta pressão necessário para essas vedações. Essas estratégias estão contempladas nos diagramas de tubulação da vedação mecânica. Embora muitos desses diagramas desempenhem funções semelhantes, as características operacionais de cada um podem ser bastante diferentes e impactar todos os aspectos do sistema de vedação.

O Plano de Tubulação 53B, conforme definido pela API 682, é um plano de tubulação que pressuriza o fluido de barreira com um acumulador de membrana pressurizado com nitrogênio. A membrana pressurizada atua diretamente sobre o fluido de barreira, pressurizando todo o sistema de vedação. A membrana impede o contato direto entre o gás de pressurização e o fluido de barreira, eliminando a absorção de gás pelo fluido. Isso permite que o Plano de Tubulação 53B seja utilizado em aplicações de pressão mais elevada do que o Plano de Tubulação 53A. A natureza autossuficiente do acumulador também elimina a necessidade de um suprimento constante de nitrogênio, o que torna o sistema ideal para instalações remotas.

As vantagens do acumulador de bexiga são, no entanto, contrabalançadas por algumas das características operacionais do sistema. A pressão em um Plano de Tubulação 53B é determinada diretamente pela pressão do gás na bexiga. Essa pressão pode variar drasticamente devido a diversas variáveis.

A bolsa de fluido refrigerante no acumulador deve ser pré-carregada antes da adição do fluido de barreira ao sistema. Isso cria a base para todos os cálculos e interpretações futuros da operação do sistema. A pressão de pré-carga real depende da pressão de operação do sistema e do volume de segurança do fluido de barreira nos acumuladores. A pressão de pré-carga também depende da temperatura do gás na bolsa. Observação: a pressão de pré-carga é definida apenas na fase inicial de comissionamento do sistema e não será ajustada durante a operação.

A pressão do gás na bexiga varia de acordo com a temperatura do gás. Na maioria dos casos, a temperatura do gás acompanha a temperatura ambiente no local da instalação. Aplicações em regiões com grandes variações diárias e sazonais de temperatura apresentarão grandes oscilações na pressão do sistema.

Consumo de fluido de barreiraDurante a operação, os selos mecânicos consomem fluido de barreira devido a vazamentos normais. Esse fluido é reposto pelo fluido no acumulador, resultando na expansão do gás na membrana e na diminuição da pressão do sistema. Essas variações dependem do tamanho do acumulador, das taxas de vazamento dos selos e do intervalo de manutenção desejado para o sistema (por exemplo, 28 dias).

A variação na pressão do sistema é a principal forma pela qual o usuário final monitora o desempenho da vedação. A pressão também é usada para gerar alarmes de manutenção e detectar falhas na vedação. No entanto, as pressões estarão em constante mudança enquanto o sistema estiver em operação. Como o usuário deve configurar as pressões no sistema Plan 53B? Quando é necessário adicionar fluido de barreira? Qual a quantidade de fluido a ser adicionada?

O primeiro conjunto de cálculos de engenharia amplamente divulgado para sistemas do Plano 53B apareceu na quarta edição da API 682. O Anexo F fornece instruções passo a passo sobre como determinar as pressões e volumes para este plano de tubulação. Um dos requisitos mais úteis da API 682 é a criação de uma placa de identificação padrão para acumuladores de bexiga (API 682, quarta edição, Tabela 10). Esta placa de identificação contém uma tabela que registra as pressões de pré-carga, recarga e alarme para o sistema em toda a faixa de condições de temperatura ambiente no local de aplicação. Observação: a tabela na norma é apenas um exemplo e os valores reais podem variar significativamente quando aplicados a uma aplicação específica em campo.

Uma das premissas básicas da Figura 2 é que o Plano de Tubulação 53B deverá operar continuamente e sem alteração da pressão inicial de pré-carga. Há também a premissa de que o sistema pode ser exposto a toda a faixa de temperatura ambiente em um curto período de tempo. Esses fatores têm implicações significativas no projeto do sistema e exigem que ele opere a uma pressão maior do que outros planos de tubulação com vedação dupla.

Usando a Figura 2 como referência, o exemplo de aplicação é instalado em um local onde a temperatura ambiente varia entre -17 °C (1 °F) e 70 °C (158 °F). O limite superior dessa faixa parece irrealisticamente alto, mas também inclui os efeitos do aquecimento solar de um acumulador exposto à luz solar direta. As linhas da tabela representam os intervalos de temperatura entre os valores mais altos e mais baixos.

Quando o usuário final estiver operando o sistema, ele adicionará pressão de fluido de barreira até atingir a pressão de recarga na temperatura ambiente atual. A pressão de alarme é a pressão que indica que o usuário final precisa adicionar mais fluido de barreira. A 25 °C (77 °F), o operador pré-carregará o acumulador a 30,3 bar (440 PSIG), o alarme será configurado para 30,7 bar (445 PSIG) e o operador adicionará fluido de barreira até que a pressão atinja 37,9 bar (550 PSIG). Se a temperatura ambiente diminuir para 0 °C (32 °F), a pressão de alarme cairá para 28,1 bar (408 PSIG) e a pressão de recarga para 34,7 bar (504 PSIG).

Nesse cenário, as pressões de alarme e de recarga variam, ou flutuam, em resposta à temperatura ambiente. Essa abordagem é frequentemente chamada de estratégia flutuante-flutuante. Tanto a pressão de alarme quanto a de recarga "flutuam". Isso resulta nas menores pressões operacionais para o sistema de vedação. No entanto, isso impõe dois requisitos específicos ao usuário final: determinar a pressão de alarme e a pressão de recarga corretas. A pressão de alarme do sistema é uma função da temperatura e essa relação deve ser programada no sistema DCS do usuário final. A pressão de recarga também dependerá da temperatura ambiente, portanto, o operador precisará consultar a placa de identificação para encontrar a pressão correta para as condições atuais.

Alguns usuários finais exigem uma abordagem mais simples e desejam uma estratégia em que tanto a pressão de alarme quanto a pressão de reabastecimento sejam constantes (ou fixas) e independentes da temperatura ambiente. A estratégia de pressão fixa em ambas as pressões fornece ao usuário final apenas uma pressão para reabastecer o sistema e um único valor para acionar o alarme. Infelizmente, essa condição pressupõe que a temperatura esteja no valor máximo, uma vez que os cálculos compensam a queda da temperatura ambiente do valor máximo para o mínimo. Isso resulta na operação do sistema em pressões mais elevadas. Em algumas aplicações, o uso de uma estratégia de pressão fixa em ambas as pressões pode exigir alterações no projeto da vedação ou nas classificações de Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) de outros componentes do sistema para suportar as pressões elevadas.

Outros usuários finais podem adotar uma abordagem híbrida com pressão de alarme fixa e pressão de reabastecimento variável. Isso pode reduzir a pressão de operação e, ao mesmo tempo, simplificar as configurações de alarme. A decisão sobre a estratégia de alarme correta deve ser tomada somente após considerar as condições de aplicação, a faixa de temperatura ambiente e os requisitos do usuário final.

Existem algumas modificações no projeto do Plano de Tubulação 53B que podem ajudar a mitigar alguns desses desafios. O aquecimento por radiação solar pode aumentar consideravelmente a temperatura máxima do acumulador nos cálculos de projeto. Posicionar o acumulador na sombra ou construir uma proteção solar para ele pode eliminar o aquecimento solar e reduzir a temperatura máxima nos cálculos.

Nas descrições acima, o termo temperatura ambiente é usado para representar a temperatura do gás na bolsa. Em condições de temperatura ambiente estáveis ​​ou com variações lentas, essa é uma suposição razoável. Se houver grandes oscilações na temperatura ambiente entre o dia e a noite, o isolamento do acumulador pode moderar as oscilações de temperatura efetivas da bolsa, resultando em temperaturas de operação mais estáveis.

Essa abordagem pode ser estendida ao uso de aquecimento por resistência e isolamento no acumulador. Quando aplicada corretamente, essa técnica fará com que o acumulador opere a uma temperatura constante, independentemente das variações diárias ou sazonais da temperatura ambiente. Essa é talvez a opção de projeto mais importante a ser considerada em áreas com grandes variações de temperatura. Essa abordagem possui uma ampla base instalada em campo e permitiu que o Plano 53B fosse utilizado em locais onde o aquecimento por resistência não seria viável.

Os usuários finais que consideram utilizar um Plano de Tubulação 53B devem estar cientes de que este plano não é simplesmente um Plano de Tubulação 53A com um acumulador. Praticamente todos os aspectos do projeto, comissionamento, operação e manutenção de um Plano 53B são exclusivos deste plano de tubulação. A maioria das frustrações que os usuários finais têm experimentado decorre da falta de compreensão do sistema. Os fabricantes de selos podem preparar uma análise mais detalhada para uma aplicação específica e fornecer o conhecimento necessário para ajudar o usuário final a especificar e operar este sistema corretamente.