Consideraciones para la selección de sellos: instalación de sellos mecánicos dobles de alta presión

Disposición 3 sellos mecánicos sonsellos doblesdonde la cavidad del fluido barrera entre los sellos se mantiene a una presión mayor que la presión de la cámara del sello. Con el tiempo, la industria ha desarrollado varias estrategias para crear el ambiente de alta presión necesario para estos sellos. Estas estrategias se capturan en los planos de tuberías del sello mecánico. Si bien muchos de estos planes cumplen funciones similares, las características operativas de cada uno pueden ser muy diferentes e impactarán todos los aspectos del sistema de sellado.

El plan de tuberías 53B, según lo define API 682, es un plan de tuberías que presuriza el fluido de barrera con un acumulador de vejiga cargado de nitrógeno. La vejiga presurizada actúa directamente sobre el líquido barrera, presurizando todo el sistema de sellado. La vejiga evita el contacto directo entre el gas de presurización y el fluido barrera eliminando la absorción de gas en el fluido. Esto permite utilizar el Plan de tuberías 53B en aplicaciones de mayor presión que el Plan de tuberías 53A. La naturaleza autónoma del acumulador también elimina la necesidad de un suministro constante de nitrógeno, lo que hace que el sistema sea ideal para instalaciones remotas.

Sin embargo, las ventajas del acumulador de vejiga quedan compensadas por algunas de las características operativas del sistema. La presión de un Plan de Tubería 53B está determinada directamente por la presión del gas en la vejiga. Esta presión puede cambiar drásticamente debido a varias variables.

La vejiga del acumulador debe precargarse antes de agregar líquido de barrera al sistema. Esto crea la base para todos los cálculos e interpretaciones futuros del funcionamiento del sistema. La presión de precarga real depende de la presión de funcionamiento del sistema y del volumen de seguridad del fluido barrera en los acumuladores. La presión de precarga también depende de la temperatura del gas en la vejiga. Nota: la presión de precarga solo se establece en la puesta en servicio inicial del sistema y no se ajustará durante el funcionamiento real.

La presión del gas en la vejiga variará dependiendo de la temperatura del gas. En la mayoría de los casos, la temperatura del gas seguirá la temperatura ambiente en el sitio de instalación. Las aplicaciones en regiones donde hay grandes cambios de temperatura diarios y estacionales experimentarán grandes variaciones en la presión del sistema.

Consumo de fluido de barreraDurante el funcionamiento, los sellos mecánicos consumirán líquido de barrera debido a fugas normales en el sello. Este líquido de barrera se repone con el líquido del acumulador, lo que produce una expansión del gas en la vejiga y una disminución de la presión del sistema. Estos cambios son función del tamaño del acumulador, las tasas de fuga del sello y el intervalo de mantenimiento deseado para el sistema (por ejemplo, 28 días).

El cambio en la presión del sistema es la forma principal en que el usuario final realiza un seguimiento del rendimiento del sello. La presión también se utiliza para crear alarmas de mantenimiento y detectar fallas en los sellos. Sin embargo, las presiones cambiarán continuamente mientras el sistema esté en funcionamiento. ¿Cómo debe el usuario configurar las presiones en el sistema Plan 53B? ¿Cuándo es necesario agregar líquido barrera? ¿Cuánto líquido se debe agregar?

El primer conjunto de cálculos de ingeniería ampliamente publicado para sistemas del Plan 53B apareció en API 682, cuarta edición. El Anexo F proporciona instrucciones paso a paso sobre cómo determinar presiones y volúmenes para este plan de tuberías. Uno de los requisitos más útiles de API 682 es la creación de una placa de identificación estándar para acumuladores de vejiga (API 682 Cuarta edición, Tabla 10). Esta placa de identificación contiene una tabla que captura las presiones de precarga, recarga y alarma del sistema en el rango de condiciones de temperatura ambiente en el sitio de aplicación. Nota: la tabla en la norma es solo un ejemplo y los valores reales cambiarán significativamente cuando se apliquen a una aplicación de campo específica.

Uno de los supuestos básicos de la Figura 2 es que se espera que el Plan de Tuberías 53B funcione continuamente y sin cambiar la presión de precarga inicial. También se supone que el sistema puede estar expuesto a todo un rango de temperatura ambiente durante un corto período de tiempo. Estos tienen implicaciones significativas en el diseño del sistema y requieren que el sistema funcione a una presión mayor que otros planes de tuberías de doble sello.

Usando la Figura 2 como referencia, la aplicación de ejemplo se instala en una ubicación donde la temperatura ambiente está entre -17 °C (1 °F) y 70 °C (158 °F). El límite superior de este rango parece irrealmente alto, pero también incluye los efectos del calentamiento solar de un acumulador expuesto a la luz solar directa. Las filas de la tabla representan intervalos de temperatura entre los valores más altos y más bajos.

Cuando el usuario final esté operando el sistema, agregará presión de fluido de barrera hasta que se alcance la presión de llenado a la temperatura ambiente actual. La presión de alarma es la presión que indica que el usuario final necesita agregar líquido de barrera adicional. A 25°C (77°F), el operador precargaría el acumulador a 30,3 bar (440 PSIG), la alarma se configuraría en 30,7 bar (445 PSIG) y el operador agregaría líquido de barrera hasta que se alcanzara la presión. 37,9 bares (550 PSIG). Si la temperatura ambiente disminuyó a 0°C (32°F), entonces la presión de alarma caerá a 28,1 bar (408 PSIG) y la presión de llenado a 34,7 bar (504 PSIG).

En este escenario, las presiones de alarma y de recarga cambian, o flotan, en respuesta a la temperatura ambiente. Este enfoque a menudo se denomina estrategia flotante-flotante. Tanto la alarma como el recambio “flotan”. Esto da como resultado las presiones operativas más bajas para el sistema de sellado. Sin embargo, esto impone dos requisitos específicos al usuario final; determinar la presión de alarma y la presión de llenado correctas. La presión de alarma para el sistema es una función de la temperatura y esta relación debe programarse en el sistema DCS del usuario final. La presión de llenado también dependerá de la temperatura ambiente, por lo que el operador deberá consultar la placa de identificación para encontrar la presión correcta para las condiciones actuales.

Algunos usuarios finales exigen un enfoque más simple y desean una estrategia en la que tanto la presión de alarma como la presión de llenado sean constantes (o fijas) e independientes de la temperatura ambiente. La estrategia fijo-fijo proporciona al usuario final una sola presión para recargar el sistema y un único valor para alarmar el sistema. Desafortunadamente, esta condición debe suponer que la temperatura está en el valor máximo, ya que los cálculos compensan la caída de la temperatura ambiente del máximo al mínimo. Esto da como resultado que el sistema funcione a presiones más altas. En algunas aplicaciones, el uso de una estrategia fija-fija puede dar lugar a cambios en el diseño del sello o en las clasificaciones MAWP de otros componentes del sistema para manejar las presiones elevadas.

Otros usuarios finales aplicarán un enfoque híbrido con una presión de alarma fija y una presión de recarga flotante. Esto puede reducir la presión de funcionamiento y al mismo tiempo simplificar la configuración de la alarma. La decisión sobre la estrategia de alarma correcta solo debe tomarse después de considerar las condiciones de la aplicación, el rango de temperatura ambiente y los requisitos del usuario final.

Hay algunas modificaciones en el diseño del Plan de Tuberías 53B que pueden ayudar a mitigar algunos de estos desafíos. El calentamiento por radiación solar puede aumentar considerablemente la temperatura máxima del acumulador para los cálculos de diseño. Colocar el acumulador a la sombra o construir un protector solar para el acumulador puede eliminar el calentamiento solar y reducir la temperatura máxima en los cálculos.

En las descripciones anteriores, el término temperatura ambiente se utiliza para representar la temperatura del gas en la vejiga. En condiciones de temperatura ambiente de estado estacionario o que cambian lentamente, esta es una suposición razonable. Si hay grandes cambios en las condiciones de temperatura ambiente entre el día y la noche, aislar el acumulador puede moderar los cambios efectivos de temperatura de la vejiga, lo que da como resultado temperaturas de funcionamiento más estables.

Este enfoque se puede ampliar al uso de trazado calefactor y aislamiento en el acumulador. Cuando esto se aplica correctamente, el acumulador funcionará a una temperatura independientemente de los cambios diarios o estacionales en la temperatura ambiente. Esta es quizás la opción de diseño más importante a considerar en áreas con grandes variaciones de temperatura. Este enfoque tiene una gran base instalada en el campo y ha permitido que el Plan 53B se utilice en ubicaciones que no hubieran sido posibles con el trazado de calor.

Los usuarios finales que estén considerando utilizar un plan de tuberías 53B deben tener en cuenta que este plan de tuberías no es simplemente un plan de tuberías 53A con un acumulador. Prácticamente todos los aspectos del diseño, puesta en servicio, operación y mantenimiento del sistema de un Plan 53B son exclusivos de este plan de tuberías. La mayoría de las frustraciones que han experimentado los usuarios finales provienen de una falta de comprensión del sistema. Los OEM de Seal pueden preparar un análisis más detallado para una aplicación específica y pueden proporcionar los antecedentes necesarios para ayudar al usuario final a especificar y operar correctamente este sistema.