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

Disposición 3 sellos mecánicos sonsellos doblesDonde la cavidad del fluido de barrera entre los sellos se mantiene a una presión superior a la de la cámara de sellado. Con el tiempo, la industria ha desarrollado diversas estrategias para crear el entorno de alta presión necesario para estos sellos. Estas estrategias se reflejan en los planos de tuberías del sello mecánico. Si bien muchos de estos planos cumplen funciones similares, las características operativas de cada uno pueden ser muy diferentes y afectar todos los aspectos del sistema de sellado.

El Plan de Tuberías 53B, según la definición de API 682, presuriza el fluido barrera con un acumulador de vejiga cargado con nitrógeno. La vejiga presurizada actúa directamente sobre el fluido 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 lo hace ideal para instalaciones remotas.

Sin embargo, las ventajas del acumulador de vejiga se ven contrarrestadas por algunas características operativas del sistema. La presión de un Plan de Tuberías 53B se determina directamente por la presión del gas en la vejiga. Esta presión puede variar drásticamente debido a diversas variables.

La vejiga del acumulador debe precargarse antes de añadir el fluido barrera al sistema. Esto sienta las bases para futuros cálculos e interpretaciones del funcionamiento del sistema. La presión real de precarga 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 ajusta durante la puesta en marcha inicial del sistema y no se ajustará durante el funcionamiento real.

La presión del gas en la vejiga varía según su temperatura. En la mayoría de los casos, la temperatura del gas se corresponde con la temperatura ambiente en el lugar de instalación. Las aplicaciones en regiones con grandes variaciones de temperatura diarias y estacionales experimentarán grandes oscilaciones en la presión del sistema.

Consumo de fluidos de barreraDurante el funcionamiento, los sellos mecánicos consumen fluido de barrera debido a las fugas normales. Este fluido de barrera se repone mediante el fluido del acumulador, lo que provoca la expansión del gas en la vejiga y una disminución de la presión del sistema. Estos cambios dependen del tamaño del acumulador, la tasa de fugas del sello y el intervalo de mantenimiento deseado para el sistema (p. ej., 28 días).

El cambio en la presión del sistema es el principal método que utiliza el usuario final para monitorear el rendimiento del sello. La presión también se utiliza para generar alarmas de mantenimiento y detectar fallas en los sellos. Sin embargo, las presiones cambiarán constantemente mientras el sistema esté en funcionamiento. ¿Cómo debe el usuario ajustar las presiones en el sistema Plan 53B? ¿Cuándo es necesario agregar fluido de barrera? ¿Cuánto fluido debe agregarse?

El primer conjunto de cálculos de ingeniería ampliamente publicado para sistemas del Plan 53B apareció en la Cuarta Edición de API 682. El Anexo F proporciona instrucciones paso a paso para determinar las presiones y volúmenes de este plan de tuberías. Uno de los requisitos más útiles de API 682 es la creación de una placa de características estándar para acumuladores de vejiga (Cuarta Edición de API 682, Tabla 10). Esta placa contiene una tabla que captura las presiones de precarga, llenado y alarma del sistema en el rango de temperatura ambiente del lugar de aplicación. Nota: La tabla de la norma es solo un ejemplo y los valores reales pueden variar significativamente al aplicarse a una aplicación de campo específica.

Una de las suposiciones básicas de la Figura 2 es que se espera que el Plan de Tuberías 53B funcione de forma continua y sin modificar la presión de precarga inicial. También se asume que el sistema puede estar expuesto a todo un rango de temperatura ambiente durante un corto período de tiempo. Esto tiene implicaciones significativas en el diseño del sistema y requiere que este funcione a una presión superior a la de otros planes de tuberías de doble sello.

Tomando como referencia la Figura 2, la aplicación de ejemplo se instala en un lugar con una temperatura ambiente de entre -17 °C (1 °F) y 70 °C (158 °F). El límite superior de este rango parece ser excesivamente alto, pero también incluye los efectos del calentamiento solar de un acumulador expuesto a la luz solar directa. Las filas de la tabla representan los intervalos de temperatura entre los valores máximo y mínimo.

Cuando el usuario final opera el sistema, añade presión de fluido de barrera hasta alcanzar la presión de llenado a la temperatura ambiente actual. La presión de alarma indica que el usuario final debe añadir fluido de barrera adicional. A 25 °C (77 °F), el operador precarga el acumulador a 30,3 bar (440 PSIG), la alarma se establece en 30,7 bar (445 PSIG) y añade fluido de barrera hasta alcanzar la presión de 37,9 bar (550 PSIG). Si la temperatura ambiente baja a 0 °C (32 °F), la presión de alarma baja a 28,1 bar (408 PSIG) y la presión de llenado a 34,7 bar (504 PSIG).

En este escenario, tanto la presión de alarma como la de llenado cambian o flotan en función de la temperatura ambiente. Este enfoque se conoce como estrategia de flotación. Tanto la alarma como la de llenado flotan. Esto resulta en las presiones de operación 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 del sistema depende 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 características para encontrar la presión correcta para las condiciones actuales.

Algunos usuarios finales exigen un enfoque más sencillo y desean una estrategia donde tanto la presión de alarma como la de llenado sean constantes (o fijas) e independientes de la temperatura ambiente. La estrategia fija-fija proporciona al usuario final una sola presión para rellenar el sistema y un único valor para activar la alarma. Desafortunadamente, esta condición debe asumir que la temperatura está en el valor máximo, ya que los cálculos compensan la caída de la temperatura ambiente desde el máximo hasta el mínimo. Esto hace que el sistema funcione a presiones más altas. En algunas aplicaciones, el uso de una estrategia fija-fija puede resultar en cambios en el diseño del sello o en las clasificaciones de la presión máxima de trabajo máxima (MAWP) de otros componentes del sistema para soportar las presiones elevadas.

Otros usuarios finales aplicarán un enfoque híbrido con una presión de alarma fija y una presión de llenado variable. Esto puede reducir la presión de operación y simplificar la configuración de la alarma. La decisión sobre la estrategia de alarma correcta solo debe tomarse tras considerar las condiciones de la aplicación, el rango de temperatura ambiente y los requisitos del usuario final.

Existen 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 parasol 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 estables o con cambios lentos, esta es una suposición razonable. Si hay grandes fluctuaciones en la temperatura ambiente entre el día y la noche, el aislamiento del acumulador puede moderar las fluctuaciones efectivas de temperatura de la vejiga, lo que resulta en temperaturas de funcionamiento más estables.

Este enfoque puede extenderse al uso de trazado calefactor y aislamiento en el acumulador. Si se aplica correctamente, el acumulador funcionará a una temperatura constante, independientemente de los cambios diarios o estacionales de la temperatura ambiente. Esta es quizás la opción de diseño más importante a considerar en zonas con grandes variaciones de temperatura. Este enfoque cuenta con una amplia base de instalaciones en el campo y ha permitido utilizar el Plan 53B en lugares donde no habría sido posible con trazado calefactor.

Los usuarios finales que estén considerando usar un Plan de Tuberías 53B deben tener en cuenta que este no es simplemente un Plan de Tuberías 53A con acumulador. Prácticamente todos los aspectos del diseño, la puesta en servicio, la operación y el mantenimiento del sistema de un Plan 53B son específicos de este plan. La mayoría de las frustraciones que han experimentado los usuarios finales se deben a la falta de comprensión del sistema. Los fabricantes de sellos pueden preparar un análisis más detallado para una aplicación específica y proporcionar la información necesaria para ayudar al usuario final a especificar y operar correctamente este sistema.