Dvojitá vzduchová těsnění posilovacích čerpadel, adaptovaná z technologie vzduchového těsnění kompresorů, jsou v průmyslu hřídelových těsnění běžnější. Tato těsnění zajišťují nulové vypouštění čerpané kapaliny do atmosféry, poskytují menší třecí odpor na hřídeli čerpadla a fungují s jednodušším podpůrným systémem. Tyto výhody poskytují nižší celkové náklady na životní cyklus řešení.
Tato těsnění fungují na principu zavedení externího zdroje tlakového plynu mezi vnitřní a vnější těsnicí povrch. Specifická topografie těsnicího povrchu vyvíjí dodatečný tlak na bariérový plyn, což způsobuje oddělení těsnicího povrchu a jeho vznášení v plynovém filmu. Ztráty třením jsou nízké, protože se těsnicí povrchy již nedotýkají. Bariérový plyn prochází membránou nízkým průtokem a spotřebovává jej ve formě netěsností, z nichž většina uniká do atmosféry přes vnější těsnicí povrchy. Zbytky pronikají do těsnicí komory a jsou nakonec unášeny procesním proudem.
Všechna dvojitá hermetická těsnění vyžadují tlakovou kapalinu (kapalinu nebo plyn) mezi vnitřním a vnějším povrchem sestavy mechanického těsnění. Pro dodávání této kapaliny k těsnění je nutný podpůrný systém. Naproti tomu u dvojitého těsnění s kapalinovým mazaním cirkuluje bariérová kapalina ze zásobníku přes mechanické těsnění, kde maže povrchy těsnění, absorbuje teplo a vrací se do zásobníku, kde potřebuje absorbované teplo odvádět. Tyto systémy dvojitého těsnění s kapalinovým mazaním jsou složité. Tepelné zatížení se zvyšuje s procesním tlakem a teplotou a může způsobit problémy se spolehlivostí, pokud není správně vypočítáno a nastaveno.
Systém dvojitého těsnění stlačeného vzduchu zabírá málo místa, nevyžaduje chladicí vodu a vyžaduje jen malou údržbu. Navíc, pokud je k dispozici spolehlivý zdroj ochranného plynu, je jeho spolehlivost nezávislá na procesním tlaku a teplotě.
Vzhledem k rostoucímu využívání vzduchových těsnění s dvojitým tlakem čerpadla na trhu přidal Americký ropný institut (API) Program 74 jako součást publikace druhého vydání normy API 682.
74 Systém podpory programu je obvykle sada panelových manometrů a ventilů, které proplachují bariérový plyn, regulují tlak ve výstupním potrubí a měří tlak a průtok plynu do mechanických ucpávek. Prvním prvkem, který sleduje cestu bariérového plynu panelem Plan 74, je zpětný ventil. Ten umožňuje oddělit přívod bariérového plynu od ucpávky za účelem výměny filtračního prvku nebo údržby čerpadla. Bariérový plyn poté prochází koalescenčním filtrem o velikosti pórů 2 až 3 mikrometry (µm), který zachycuje kapaliny a částice, jež mohou poškodit topografické vlastnosti povrchu těsnění, a vytváří na něm plynový film. Následuje regulátor tlaku a manometr pro nastavení tlaku přívodu bariérového plynu do mechanické ucpávky.
Dvojité tlakové čerpadlo plynových těsnění vyžaduje, aby tlak přívodu bariérového plynu dosáhl nebo překročil minimální tlakový rozdíl nad maximálním tlakem v ucpávkové komoře. Tento minimální pokles tlaku se liší v závislosti na výrobci a typu těsnění, ale obvykle se pohybuje kolem 30 liber na čtvereční palec (psi). Tlakový spínač se používá k detekci jakýchkoli problémů s tlakem přívodu bariérového plynu a k spuštění alarmu, pokud tlak klesne pod minimální hodnotu.
Činnost těsnění je řízena průtokem bariérového plynu pomocí průtokoměru. Odchylky od průtoků těsnicího plynu uváděných výrobci mechanických těsnění naznačují snížený těsnicí výkon. Snížený průtok bariérového plynu může být způsoben rotací čerpadla nebo migrací kapaliny k těsnicí ploše (z kontaminovaného bariérového plynu nebo procesní kapaliny).
Často po takových událostech dochází k poškození těsnicích povrchů a poté se zvýší průtok bariérového plynu. Tlakové rázy v čerpadle nebo částečná ztráta tlaku bariérového plynu mohou také poškodit těsnicí povrch. Alarmy vysokého průtoku lze použít k určení, kdy je nutný zásah k nápravě vysokého průtoku plynu. Nastavená hodnota pro alarm vysokého průtoku je obvykle v rozmezí 10 až 100násobku normálního průtoku bariérového plynu, obvykle nestanoví výrobce mechanické ucpávky, ale závisí na tom, jak velký únik plynu čerpadlo toleruje.
Tradičně se používaly průtokoměry s proměnnou plochou a není neobvyklé, že se průtokoměry s nízkým a vysokým rozsahem zapojují sériově. Na průtokoměr s vysokým rozsahem lze poté nainstalovat spínač vysokého průtoku, který spustí alarm vysokého průtoku. Průtokoměry s proměnnou plochou lze kalibrovat pouze pro určité plyny při určitých teplotách a tlacích. Při provozu za jiných podmínek, jako jsou teplotní výkyvy mezi létem a zimou, nelze zobrazený průtok považovat za přesnou hodnotu, ale blíží se skutečné hodnotě.
S vydáním 4. vydání normy API 682 se měření průtoku a tlaku přesunulo z analogového na digitální s lokálním odečtem. Digitální průtokoměry lze použít jako průtokoměry s proměnnou plochou, které převádějí polohu plováku na digitální signály, nebo jako hmotnostní průtokoměry, které automaticky převádějí hmotnostní průtok na objemový průtok. Charakteristickým znakem převodníků hmotnostního průtoku je, že poskytují výstupy, které kompenzují tlak a teplotu, aby za standardních atmosférických podmínek poskytovaly skutečný průtok. Nevýhodou je, že tato zařízení jsou dražší než průtokoměry s proměnnou plochou.
Problém s použitím převodníku průtoku spočívá v nalezení převodníku schopného měřit průtok bariérového plynu za normálního provozu a v bodech alarmu vysokého průtoku. Průtokové senzory mají maximální a minimální hodnoty, které lze přesně odečíst. Mezi nulovým průtokem a minimální hodnotou nemusí být výstupní průtok přesný. Problém je v tom, že s rostoucím maximálním průtokem u konkrétního modelu převodníku průtoku se zvyšuje i minimální průtok.
Jedním z řešení je použití dvou vysílačů (jeden nízkofrekvenční a jeden vysokofrekvenční), ale to je drahá možnost. Druhou metodou je použití průtokového senzoru pro normální provozní rozsah průtoku a použití spínače vysokého průtoku s analogovým průtokoměrem pro vysoký rozsah. Poslední součástí, kterou bariérový plyn prochází, je zpětný ventil předtím, než bariérový plyn opustí panel a připojí se k mechanickému těsnění. To je nezbytné k zabránění zpětnému toku čerpané kapaliny do panelu a poškození přístroje v případě abnormálních procesních poruch.
Zpětný ventil musí mít nízký otevírací tlak. Pokud je výběr nesprávný nebo pokud má vzduchové těsnění dvojitého tlakového čerpadla nízký průtok bariérového plynu, je patrné, že pulzace průtoku bariérového plynu je způsobena otevíráním a opětovným usazením zpětného ventilu.
Obecně se jako bariérový plyn používá dusík z výroby, protože je snadno dostupný, inertní a nezpůsobuje žádné nežádoucí chemické reakce v čerpané kapalině. Lze použít i inertní plyny, které nejsou k dispozici, jako je argon. V případech, kdy je požadovaný tlak ochranného plynu vyšší než tlak dusíku v závodě, může zesilovač tlaku zvýšit tlak a uložit plyn pod vysokým tlakem do sběrné nádoby připojené ke vstupu rozvaděče Plan 74. Lahve s dusíkem v lahvích se obecně nedoporučují, protože vyžadují neustálou výměnu prázdných lahví za plné. Pokud se zhorší kvalita těsnění, lze lahev rychle vyprázdnit, což způsobí zastavení čerpadla, aby se zabránilo dalšímu poškození a selhání mechanické ucpávky.
Na rozdíl od systémů s kapalinovou bariérou nevyžadují podpůrné systémy Plan 74 těsnou blízkost mechanických ucpávek. Jedinou nevýhodou je prodloužená část trubky s malým průměrem. Během období vysokého průtoku může v potrubí dojít k poklesu tlaku mezi panelem Plan 74 a těsněním (degradace těsnění), což snižuje bariérový tlak dostupný pro těsnění. Zvětšení velikosti potrubí může tento problém vyřešit. Panely Plan 74 se zpravidla montují na stojan ve vhodné výšce pro ovládání ventilů a odečítání údajů z přístrojů. Konzolu lze namontovat na základní desku čerpadla nebo vedle čerpadla, aniž by to narušovalo kontrolu a údržbu čerpadla. Zabraňte nebezpečí zakopnutí o potrubí/trubky spojující panely Plan 74 s mechanickými ucpávkami.
U čerpadel s meziložiskovými ložisky a dvěma mechanickými ucpávkami, jednou na každém konci čerpadla, se nedoporučuje používat jeden panel a samostatný výstup bariérového plynu ke každé mechanické ucpávce. Doporučeným řešením je použití samostatného panelu Plan 74 pro každou ucpávku nebo panelu Plan 74 se dvěma výstupy, každý s vlastní sadou průtokoměrů a spínačů průtoku. V oblastech s chladnými zimami může být nutné panely Plan 74 přezimovat. To se provádí především k ochraně elektrických zařízení panelu, obvykle zapouzdřením panelu do skříně a přidáním topných těles.
Zajímavým jevem je, že průtok bariérového plynu se zvyšuje s klesající teplotou přívodu bariérového plynu. To obvykle zůstává nepovšimnuto, ale může se to stát znatelným v místech s chladnými zimami nebo velkými teplotními rozdíly mezi létem a zimou. V některých případech může být nutné upravit nastavenou hodnotu alarmu vysokého průtoku, aby se zabránilo falešným poplachům. Před uvedením panelů Plan 74 do provozu je nutné propláchnout vzduchové kanály panelu a spojovací potrubí/potrubí. Toho se nejsnadněji dosáhne přidáním odvzdušňovacího ventilu na připojení mechanické ucpávky nebo v jeho blízkosti. Pokud odvzdušňovací ventil není k dispozici, lze systém propláchnout odpojením trubice/trubky od mechanické ucpávky a jejím opětovným připojením po propláchnutí.
Po připojení panelů Plan 74 k těsněním a kontrole těsnosti všech spojů lze nyní regulátor tlaku nastavit na nastavený tlak v aplikaci. Panel musí před naplněním čerpadla procesní kapalinou dodat k mechanickému těsnění tlakový bariérový plyn. Těsnění a panely Plan 74 jsou připraveny ke spuštění po dokončení uvedení čerpadla do provozu a odvzdušnění.
Filtrační prvek je nutné zkontrolovat po měsíci provozu nebo každých šest měsíců, pokud se nezjistí žádné znečištění. Interval výměny filtru bude záviset na čistotě dodávaného plynu, ale neměl by překročit tři roky.
Průtok bariérového plynu by měl být kontrolován a zaznamenáván během běžných kontrol. Pokud je pulzace průtoku bariérového vzduchu způsobená otevíráním a zavíráním zpětného ventilu dostatečně velká, aby spustila alarm vysokého průtoku, může být nutné tyto hodnoty alarmu zvýšit, aby se předešlo falešným poplachům.
Důležitým krokem při vyřazování z provozu je, že posledním krokem by měla být izolace a odtlakování ochranného plynu. Nejprve izolujte a odtlakujte těleso čerpadla. Jakmile je čerpadlo v bezpečném stavu, lze vypnout přívod ochranného plynu a odstranit tlak plynu z potrubí spojujícího panel Plan 74 s mechanickou ucpávkou. Před zahájením jakékoli údržby vypusťte ze systému veškerou kapalinu.
Dvojitá tlaková vzduchová těsnění čerpadla v kombinaci s podpůrnými systémy Plan 74 poskytují provozovatelům řešení hřídelového těsnění s nulovými emisemi, nižší kapitálové investice (ve srovnání s těsněními s kapalinovými bariérovými systémy), snížené náklady na životní cyklus, malou zastavěnou plochu podpůrného systému a minimální servisní požadavky.
Pokud je toto řešení ochranné vrstvy instalováno a provozováno v souladu s osvědčenými postupy, může zajistit dlouhodobou spolehlivost a zvýšit dostupnost rotačních zařízení.
We welcome your suggestions on article topics and sealing issues so that we can better respond to the needs of the industry. Please send your suggestions and questions to sealsensequestions@fluidsealing.com.
Mark Savage je manažerem produktové skupiny ve společnosti John Crane. Savage má bakalářský titul v oboru inženýrství z University of Sydney v Austrálii. Více informací naleznete na johncrane.com.
Čas zveřejnění: 8. září 2022