Considerações sobre a seleção de vedações – Instalação de vedações mecânicas duplas de alta pressão

Arranjo 3 selos mecânicos sãoselos duplosonde a cavidade do fluido de barreira entre as vedações é mantida a uma pressão maior que a 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 são incorporadas aos projetos de tubulação do selo mecânico. Embora muitos desses projetos tenham funções semelhantes, as características operacionais de cada um podem ser muito diferentes e impactarão 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 bexiga carregado com nitrogênio. A bexiga pressurizada atua diretamente sobre o fluido de barreira, pressurizando todo o sistema de vedação. A bexiga 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 usado em aplicações de pressão mais alta do que o Plano de Tubulação 53A. A natureza autônoma do acumulador também elimina a necessidade de um fornecimento constante de nitrogênio, o que torna o sistema ideal para instalações remotas.

Os benefícios do acumulador de bexiga são, no entanto, compensados ​​por algumas das características operacionais do sistema. A pressão do Plano de Tubulação 53B é determinada diretamente pela pressão do gás na bexiga. Essa pressão pode variar drasticamente devido a diversas variáveis.

A bexiga 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 futuras 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 bexiga. Observação: a pressão de pré-carga é definida apenas no comissionamento inicial do sistema e não será ajustada durante a operação real.

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 Fluidos de BarreiraDurante a operação, as vedações mecânicas consomem fluido de barreira devido ao vazamento normal da vedação. Esse fluido de barreira é reabastecido pelo fluido no acumulador, resultando na expansão do gás na bexiga e na diminuição da pressão do sistema. Essas alterações são função do tamanho do acumulador, das taxas de vazamento da vedação e do intervalo de manutenção desejado para o sistema (por exemplo, 28 dias).

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

O primeiro conjunto amplamente publicado de cálculos de engenharia para sistemas do Plano 53B apareceu na API 682, Quarta Edição. O Anexo F fornece instruções passo a passo sobre como determinar 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). Essa placa de identificação contém uma tabela que captura as pressões de pré-carga, recarga e alarme para o sistema em toda a faixa de condições de temperatura ambiente no local da aplicação. Observação: a tabela na norma é apenas um exemplo e os valores reais podem mudar significativamente quando aplicados a uma aplicação de campo específica.

Uma das premissas básicas da Figura 2 é que o Plano de Tubulação 53B deverá operar continuamente e sem alterar a pressão inicial de pré-carga. Há também a premissa de que o sistema pode ser exposto a uma faixa completa de temperatura ambiente em um curto período de tempo. Isso tem implicações significativas no projeto do sistema e exige que o sistema seja operado a uma pressão maior do que outros planos de tubulação com selo duplo.

Usando a Figura 2 como referência, a aplicação de exemplo é instalada em um local onde a temperatura ambiente está entre -17 °C (1 °F) e 70 °C (158 °F). O limite superior dessa faixa parece ser irrealisticamente alto, mas também inclui os efeitos do aquecimento solar de um acumulador exposto à luz solar direta. As linhas na 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 que a pressão de recarga seja atingida na temperatura ambiente atual. A pressão de alarme é a pressão que indica que o usuário final precisa adicionar fluido de barreira adicional. A 25 °C (77 °F), o operador pré-carregaria o acumulador a 30,3 bar (440 PSIG), o alarme seria definido para 30,7 bar (445 PSIG) e o operador adicionaria fluido de barreira até que a pressão atingisse 37,9 bar (550 PSIG). Se a temperatura ambiente cair 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).

Neste cenário, as pressões de alarme e recarga mudam, ou flutuam, em resposta às temperaturas ambientes. Essa abordagem é frequentemente chamada de estratégia flutuante-flutuante. Tanto o alarme quanto a recarga "flutuam". Isso resulta nas menores pressões operacionais para o sistema de vedação. Isso, no entanto, impõe dois requisitos específicos ao usuário final: determinar a pressão de alarme correta e a pressão de recarga. A pressão de alarme para o 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 as pressões de recarga sejam constantes (ou fixas) e independentes da temperatura ambiente. A estratégia fixo-fixo fornece ao usuário final apenas uma pressão para reabastecer o sistema e um único valor para acionar o alarme. Infelizmente, essa condição deve pressupor que a temperatura esteja no valor máximo, uma vez que os cálculos compensam a queda da temperatura ambiente da temperatura máxima para a mínima. Isso resulta na operação do sistema em pressões mais altas. Em algumas aplicações, o uso de uma estratégia fixo-fixo pode resultar em alterações no projeto da vedação ou nas classificações de MAWP de outros componentes do sistema para lidar com as pressões elevadas.

Outros usuários finais aplicarão uma abordagem híbrida com pressão de alarme fixa e pressão de recarga flutuante. Isso pode reduzir a pressão operacional e, ao mesmo tempo, simplificar as configurações de alarme. A decisão sobre a estratégia de alarme correta só deve ser tomada após considerar as condições da 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 significativamente a temperatura máxima do acumulador para os cálculos de projeto. Colocar o acumulador na sombra ou construir uma proteção solar para o acumulador 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 bexiga. Em condições de temperatura ambiente estacionária ou com variação lenta, essa é uma suposição razoável. Se houver grandes oscilações nas condições de temperatura ambiente entre o dia e a noite, o isolamento do acumulador pode moderar as oscilações efetivas de temperatura da bexiga, resultando em temperaturas operacionais mais estáveis.

Essa abordagem pode ser estendida ao uso de rastreamento térmico e isolamento no acumulador. Quando isso é aplicado corretamente, o acumulador operará em uma temperatura, independentemente das variações diárias ou sazonais da temperatura ambiente. Esta é talvez a opção de projeto mais importante a ser considerada em áreas com grandes variações de temperatura. Essa abordagem tem uma grande base instalada em campo e permitiu que o Plano 53B fosse usado em locais onde o rastreamento térmico não seria possível.

Usuários finais que estejam considerando usar um Plano de Tubulação 53B devem estar cientes de que este plano de tubulação não é simplesmente um Plano de Tubulação 53A com um acumulador. Praticamente todos os aspectos do projeto, comissionamento, operação e manutenção do sistema de um Plano 53B são exclusivos deste plano de tubulação. A maioria das frustrações que os usuários finais têm experimentado advém da falta de compreensão do sistema. Os OEMs de vedações 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.