Considerações sobre a seleção de vedações – Instalação de vedações mecânicas duplas 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 maior que a pressão da câmara de vedação. Com o tempo, a indústria desenvolveu diversas estratégias para criar o ambiente de alta pressão necessário para essas vedações. Essas estratégias são capturadas nos planos de tubulação do selo mecânico. Embora muitos desses planos 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 evita o contato direto entre o gás de pressurização e o fluido de barreira, eliminando a absorção de gás no fluido. Isto 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 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 de um Plano de Tubulação 53B é determinada diretamente pela pressão do gás na bexiga. Essa pressão pode mudar drasticamente devido a diversas variáveis.

A bexiga no acumulador deve ser pré-carregada antes que o fluido de barreira seja adicionado ao sistema. Isto cria a base para todos os cálculos e interpretações futuras da operação do sistema. A pressão de pré-carga real depende da pressão operacional 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. Nota: a pressão de pré-carga só é definida no comissionamento inicial do sistema e não será ajustada durante a operação real.

A pressão do gás na bexiga irá variar dependendo da temperatura do gás. Na maioria dos casos, a temperatura do gás acompanhará a temperatura ambiente no local de instalação. Aplicações em regiões onde há grandes mudanças diárias e sazonais nas temperaturas sofrerão grandes oscilações na pressão do sistema.

Consumo de Fluidos de BarreiraDurante a operação, os selos mecânicos consumirão fluido de barreira devido ao vazamento normal do selo. Este fluido de barreira é reabastecido pelo fluido no acumulador, resultando numa expansão do gás na bexiga e numa diminuição na pressão do sistema. Essas alterações são função do tamanho do acumulador, das taxas de vazamento do selo e do intervalo de manutenção desejado para o sistema (por exemplo, 28 dias).

A mudança na pressão do sistema é a principal forma pela qual o usuário final monitora o desempenho da vedação. A pressão também é usada para criar alarmes de manutenção e detectar falhas de 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? Quanto líquido deve ser adicionado?

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). Esta placa de identificação contém uma tabela que captura as pressões de pré-carga, recarga e alarme do sistema em toda a faixa de condições de temperatura ambiente no local de aplicação. Nota: a tabela na norma é apenas um exemplo e os valores reais mudarão significativamente quando aplicados a uma aplicação de campo específica.

Uma das suposições básicas da Figura 2 é que se espera que o Plano de Tubulação 53B opere continuamente e sem alterar a pressão de pré-carga inicial. Também existe a suposição de que o sistema pode ser exposto a toda uma faixa de temperatura ambiente durante um curto período de tempo. Estes têm implicações significativas no projeto do sistema e exigem que o sistema seja operado a uma pressão maior do que outros planos de tubulação de vedação dupla.

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

Quando o usuário final estiver operando o sistema, ele adicionará pressão ao 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 para 30,3 bar (440 PSIG), o alarme seria ajustado 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 diminuir para 0°C (32°F), a pressão do alarme cairá para 28,1 bar (408 PSIG) e a pressão de reabastecimento para 34,7 bar (504 PSIG).

Neste cenário, as pressões de alarme e de 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”. Isto resulta nas pressões operacionais mais baixas para o sistema de vedação. Isto, no entanto, impõe dois requisitos específicos ao utilizador final; determinar a pressão de alarme correta e a pressão de recarga. A pressão de alarme do sistema é uma função da temperatura e esta 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 onde 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 apenas um valor para alarmar o sistema. Infelizmente, esta condição deve assumir que a temperatura está no valor máximo, uma vez que os cálculos compensam a queda da temperatura ambiente da temperatura máxima para a mínima. Isso resulta no sistema operando 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 MAWP de outros componentes do sistema para lidar com pressões elevadas.

Outros usuários finais aplicarão uma abordagem híbrida com pressão de alarme fixa e pressão de recarga flutuante. Isto pode reduzir a pressão operacional e simplificar as configurações de alarme. A decisão da estratégia de alarme correta só deve ser tomada após considerar as condições de aplicação, a faixa de temperatura ambiente e os requisitos do usuário final.

Existem algumas modificações no desenho do Plano de Tubulação 53B que podem ajudar a mitigar alguns destes desafios. O aquecimento pela radiação solar pode aumentar bastante a temperatura máxima do acumulador para cálculos de projeto. Colocar o acumulador na sombra ou construir um protetor 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. Sob condições de temperatura ambiente de estado estacionário ou de mudança lenta, esta 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.

Esta abordagem pode ser estendida ao uso de traceamento térmico e isolamento no acumulador. Quando isto for aplicado corretamente, o acumulador operará em uma temperatura, independentemente das mudanças diárias ou sazonais na temperatura ambiente. Esta é talvez a opção de projeto mais importante a ser considerada em áreas com grandes variações de temperatura. Esta abordagem tem uma grande base instalada no campo e permitiu que o Plano 53B fosse utilizado em locais que não seriam possíveis com o traceamento térmico.

Os usuários finais que estão 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 do sistema, comissionamento, operação e manutenção de um Plano 53B são exclusivos deste plano de tubulação. A maioria das frustrações que os usuários finais experimentaram vem da falta de compreensão do sistema. Os OEMs de vedação podem preparar uma análise mais detalhada para uma aplicação específica e podem fornecer o histórico necessário para ajudar o usuário final a especificar e operar adequadamente este sistema.