Los sellos de aire para bombas de refuerzo dobles, adaptados de la tecnología de sellos de aire para compresores, son más comunes en la industria de sellos de ejes. Estos sellos evitan la descarga del líquido bombeado a la atmósfera, ofrecen menor resistencia por fricción en el eje de la bomba y funcionan con un sistema de soporte más simple. Estas ventajas se traducen en un menor costo total del ciclo de vida de la solución.
Estos sellos funcionan introduciendo una fuente externa de gas presurizado entre las superficies de sellado interna y externa. La topografía particular de la superficie de sellado ejerce presión adicional sobre el gas barrera, provocando su separación y su flotación en la película de gas. Las pérdidas por fricción son bajas, ya que las superficies de sellado ya no entran en contacto. El gas barrera atraviesa la membrana a un caudal bajo, consumiéndolo en forma de fugas, la mayoría de las cuales se filtran a la atmósfera a través de las superficies externas del sello. Los residuos se filtran en la cámara del sello y finalmente son arrastrados por la corriente del proceso.
Todos los sellos herméticos dobles requieren un fluido presurizado (líquido o gas) entre las superficies interna y externa del conjunto del sello mecánico. Se requiere un sistema de soporte para suministrar este fluido al sello. Por el contrario, en un sello doble a presión lubricado con líquido, el fluido barrera circula desde el depósito a través del sello mecánico, donde lubrica las superficies del sello, absorbe el calor y regresa al depósito, donde debe disiparlo. Estos sistemas de soporte de sellos dobles a presión con fluido son complejos. Las cargas térmicas aumentan con la presión y la temperatura del proceso y pueden causar problemas de confiabilidad si no se calculan y configuran correctamente.
El sistema de soporte de doble sello de aire comprimido ocupa poco espacio, no requiere agua de refrigeración y requiere poco mantenimiento. Además, cuando se dispone de una fuente fiable de gas de protección, su fiabilidad es independiente de la presión y la temperatura del proceso.
Debido a la creciente adopción de sellos de aire para bombas de doble presión en el mercado, el Instituto Americano del Petróleo (API) agregó el Programa 74 como parte de la publicación de la segunda edición de API 682.
Un sistema de soporte de programa consiste típicamente en un conjunto de manómetros y válvulas montados en panel que purgan el gas de barrera, regulan la presión aguas abajo y miden la presión y el flujo de gas hacia los sellos mecánicos. Siguiendo el recorrido del gas de barrera a través del panel del Plan 74, el primer elemento es la válvula de retención. Esta permite aislar el suministro de gas de barrera del sello para el reemplazo del elemento filtrante o el mantenimiento de la bomba. El gas de barrera pasa luego a través de un filtro coalescente de 2 a 3 micrómetros (µm) que atrapa líquidos y partículas que pueden dañar las características topográficas de la superficie del sello, creando una película de gas sobre la misma. A continuación, se instalan un regulador de presión y un manómetro para ajustar la presión del suministro de gas de barrera al sello mecánico.
Los sellos de gas de bomba de doble presión requieren que la presión del suministro de gas barrera alcance o supere una presión diferencial mínima superior a la presión máxima en la cámara del sello. Esta caída de presión mínima varía según el fabricante y el tipo de sello, pero suele rondar las 30 libras por pulgada cuadrada (psi). El presostato detecta cualquier problema con la presión del suministro de gas barrera y activa una alarma si la presión cae por debajo del valor mínimo.
El funcionamiento del sello se controla mediante el caudal de gas de barrera mediante un caudalímetro. Las desviaciones del caudal de gas de sellado informadas por los fabricantes de sellos mecánicos indican un rendimiento de sellado reducido. La reducción del caudal de gas de barrera puede deberse a la rotación de la bomba o a la migración de fluido a la cara del sello (debido a gas de barrera o fluido de proceso contaminados).
A menudo, después de estos eventos, se producen daños en las superficies de sellado y, en consecuencia, aumenta el flujo de gas barrera. Los picos de presión en la bomba o la pérdida parcial de la presión del gas barrera también pueden dañar la superficie de sellado. Las alarmas de alto flujo permiten determinar cuándo es necesario intervenir para corregir un flujo de gas elevado. El valor de ajuste de una alarma de alto flujo suele estar entre 10 y 100 veces el flujo normal de gas barrera. Este valor no suele estar determinado por el fabricante del sello mecánico, sino que depende de la cantidad de fuga de gas que la bomba pueda tolerar.
Tradicionalmente se han utilizado caudalímetros de manómetro variable, y no es raro conectar en serie caudalímetros de rango bajo y alto. Posteriormente, se puede instalar un interruptor de caudal alto en el caudalímetro de rango alto para generar una alarma de caudal alto. Los caudalímetros de área variable solo se pueden calibrar para ciertos gases a ciertas temperaturas y presiones. En otras condiciones, como fluctuaciones de temperatura entre verano e invierno, el caudal mostrado no puede considerarse un valor preciso, pero se aproxima al valor real.
Con la publicación de la 4.ª edición de API 682, las mediciones de caudal y presión han pasado de ser analógicas a digitales con lecturas locales. Los caudalímetros digitales pueden utilizarse como caudalímetros de área variable, que convierten la posición del flotador en señales digitales, o como caudalímetros másicos, que convierten automáticamente el caudal másico en caudal volumétrico. La característica distintiva de los transmisores de caudal másico es que proporcionan salidas que compensan la presión y la temperatura para proporcionar un caudal real en condiciones atmosféricas estándar. La desventaja es que estos dispositivos son más caros que los caudalímetros de área variable.
El problema con el uso de un transmisor de flujo radica en encontrar uno capaz de medir el caudal de gas barrera durante el funcionamiento normal y en puntos de alarma de caudal alto. Los sensores de flujo tienen valores máximos y mínimos que se pueden leer con precisión. Entre el caudal cero y el valor mínimo, el caudal de salida puede no ser preciso. El problema radica en que, a medida que aumenta el caudal máximo de un modelo de transductor de flujo en particular, también aumenta el caudal mínimo.
Una solución consiste en usar dos transmisores (uno de baja frecuencia y otro de alta frecuencia), pero esta opción es costosa. El segundo método consiste en usar un sensor de flujo para el rango de flujo operativo normal y un interruptor de alto flujo con un medidor de flujo analógico de alto rango. El último componente por el que pasa el gas barrera es la válvula de retención, antes de que este salga del panel y se conecte al sello mecánico. Esto es necesario para evitar el reflujo del líquido bombeado hacia el panel y daños al instrumento en caso de perturbaciones anormales del proceso.
La válvula de retención debe tener una presión de apertura baja. Si la selección es incorrecta, o si el sello de aire de la bomba de doble presión presenta un flujo de gas barrera bajo, se puede observar que la pulsación del flujo de gas barrera se debe a la apertura y el reasiento de la válvula de retención.
Generalmente, el nitrógeno de planta se utiliza como gas de barrera debido a su fácil disponibilidad, inerte y a que no causa reacciones químicas adversas en el líquido bombeado. También se pueden utilizar gases inertes no disponibles, como el argón. En casos donde la presión requerida del gas de protección es mayor que la presión del nitrógeno de planta, un amplificador de presión puede aumentar la presión y almacenar el gas a alta presión en un receptor conectado a la entrada del panel Plan 74. Generalmente no se recomienda el uso de botellas de nitrógeno, ya que requieren la sustitución constante de los cilindros vacíos por otros llenos. Si la calidad del sello se deteriora, la botella puede vaciarse rápidamente, lo que provoca la parada de la bomba para evitar mayores daños y fallos en el sello mecánico.
A diferencia de los sistemas de barrera líquida, los sistemas de soporte Plan 74 no requieren una proximidad cercana a los sellos mecánicos. La única desventaja es la sección alargada del tubo de pequeño diámetro. Durante períodos de alto caudal, puede producirse una caída de presión entre el panel Plan 74 y el sello en la tubería (degradación del sello), lo que reduce la presión de barrera disponible para el sello. Aumentar el tamaño de la tubería puede solucionar este problema. Por lo general, los paneles Plan 74 se montan en un soporte a una altura conveniente para controlar válvulas y leer las lecturas de los instrumentos. El soporte puede montarse en la placa base de la bomba o junto a ella sin interferir con la inspección y el mantenimiento de la bomba. Evite tropiezos en las tuberías que conectan los paneles Plan 74 con los sellos mecánicos.
Para bombas intercojinetes con dos sellos mecánicos, uno en cada extremo, no se recomienda usar un solo panel con salida de gas de barrera independiente para cada sello mecánico. La solución recomendada es usar un panel Plan 74 independiente para cada sello, o un panel Plan 74 con dos salidas, cada una con su propio conjunto de caudalímetros e interruptores de flujo. En zonas con inviernos fríos, puede ser necesario invernar los paneles Plan 74. Esto se hace principalmente para proteger el equipo eléctrico del panel, generalmente encerrándolo en el gabinete y añadiendo elementos calefactores.
Un fenómeno interesante es que el caudal del gas barrera aumenta al disminuir la temperatura de suministro. Esto suele pasar desapercibido, pero puede notarse en lugares con inviernos fríos o grandes diferencias de temperatura entre verano e invierno. En algunos casos, puede ser necesario ajustar el valor de ajuste de la alarma de flujo alto para evitar falsas alarmas. Los conductos de aire y las tuberías de conexión de los paneles deben purgarse antes de poner en servicio los paneles Plan 74. Esto se logra más fácilmente añadiendo una válvula de ventilación en la conexión del sello mecánico o cerca de ella. Si no se dispone de una válvula de purga, el sistema puede purgarse desconectando el tubo del sello mecánico y volviéndolo a conectar después de la purga.
Tras conectar los paneles Plan 74 a los sellos y comprobar si hay fugas en todas las conexiones, se puede ajustar el regulador de presión a la presión de tara de la aplicación. El panel debe suministrar gas de barrera presurizado al sello mecánico antes de llenar la bomba con fluido de proceso. Los sellos y paneles Plan 74 estarán listos para funcionar una vez finalizados los procedimientos de puesta en marcha y purga de la bomba.
El elemento filtrante debe inspeccionarse después de un mes de funcionamiento o cada seis meses si no se detecta contaminación. El intervalo de reemplazo del filtro dependerá de la pureza del gas suministrado, pero no debe exceder los tres años.
Los caudales de gas de barrera deben verificarse y registrarse durante las inspecciones de rutina. Si la pulsación del flujo de aire de barrera, causada por la apertura y el cierre de la válvula de retención, es lo suficientemente grande como para activar una alarma de flujo alto, es posible que sea necesario aumentar estos valores de alarma para evitar falsas alarmas.
Un paso importante en el desmantelamiento es que el aislamiento y la despresurización del gas de protección deben ser el último paso. Primero, aísle y despresurice la carcasa de la bomba. Una vez que la bomba esté en condiciones seguras, se puede cortar la presión del suministro de gas de protección y retirar la presión del gas de la tubería que conecta el panel Plan 74 con el sello mecánico. Drene todo el fluido del sistema antes de comenzar cualquier trabajo de mantenimiento.
Los sellos de aire de bomba de doble presión combinados con los sistemas de soporte Plan 74 brindan a los operadores una solución de sello de eje de cero emisiones, menor inversión de capital (en comparación con los sellos con sistemas de barrera líquida), menor costo de ciclo de vida, pequeña huella del sistema de soporte y requisitos mínimos de servicio.
Cuando se instala y opera de acuerdo con las mejores prácticas, esta solución de contención puede brindar confiabilidad a largo plazo y aumentar la disponibilidad de equipos rotatorios.
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Mark Savage es gerente de grupo de productos en John Crane. Savage es licenciado en Ingeniería por la Universidad de Sídney, Australia. Para más información, visite johncrane.com.
Hora de publicación: 08/09/2022