Doppelte Luftdichtungen für Druckerhöhungspumpen, die von der Kompressor-Luftdichtungstechnologie übernommen wurden, sind in der Wellendichtungsindustrie häufiger anzutreffen. Diese Dichtungen sorgen dafür, dass die gepumpte Flüssigkeit nicht in die Atmosphäre abfließt, sorgen für einen geringeren Reibungswiderstand an der Pumpenwelle und arbeiten mit einem einfacheren Stützsystem. Diese Vorteile führen zu niedrigeren Gesamtlebenszykluskosten der Lösung.
Diese Dichtungen funktionieren durch die Einführung einer externen Druckgasquelle zwischen der inneren und äußeren Dichtfläche. Die besondere Topographie der Dichtfläche übt zusätzlichen Druck auf das Sperrgas aus, wodurch sich die Dichtfläche trennt und die Dichtfläche im Gasfilm schwimmt. Die Reibungsverluste sind gering, da sich die Dichtflächen nicht mehr berühren. Das Sperrgas strömt mit einer geringen Durchflussrate durch die Membran und verbraucht das Sperrgas in Form von Lecks, die größtenteils durch die äußeren Dichtungsflächen in die Atmosphäre gelangen. Der Rückstand sickert in die Dichtungskammer und wird schließlich vom Prozessstrom mitgerissen.
Alle doppelten hermetischen Dichtungen erfordern eine unter Druck stehende Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas) zwischen der Innen- und Außenfläche der Gleitringdichtungsbaugruppe. Um diese Flüssigkeit zur Dichtung zu transportieren, ist ein Unterstützungssystem erforderlich. Im Gegensatz dazu zirkuliert bei einer flüssigkeitsgeschmierten Druckdoppeldichtung die Sperrflüssigkeit vom Behälter durch die Gleitringdichtung, wo sie die Dichtungsoberflächen schmiert, Wärme absorbiert und zum Behälter zurückkehrt, wo sie die aufgenommene Wärme abführen muss. Diese Flüssigkeitsdruck-Doppeldichtungs-Unterstützungssysteme sind komplex. Die thermischen Belastungen steigen mit Prozessdruck und -temperatur und können zu Zuverlässigkeitsproblemen führen, wenn sie nicht richtig berechnet und eingestellt werden.
Das Druckluft-Doppeldichtungs-Unterstützungssystem nimmt wenig Platz ein, benötigt kein Kühlwasser und ist wartungsarm. Wenn außerdem eine zuverlässige Schutzgasquelle verfügbar ist, ist deren Zuverlässigkeit unabhängig von Prozessdruck und -temperatur.
Aufgrund der zunehmenden Akzeptanz von Luftdichtungen für Doppeldruckpumpen auf dem Markt hat das American Petroleum Institute (API) im Rahmen der Veröffentlichung der zweiten Ausgabe von API 682 das Programm 74 hinzugefügt.
74 Bei einem Programmunterstützungssystem handelt es sich in der Regel um eine Reihe von an der Schalttafel montierten Manometern und Ventilen, die das Sperrgas spülen, den nachgeschalteten Druck regulieren und den Druck und den Gasfluss zu mechanischen Dichtungen messen. Dem Weg des Sperrgases durch die Plan 74-Platte folgend, ist das erste Element das Rückschlagventil. Dadurch kann die Sperrgasversorgung von der Dichtung getrennt werden, um das Filterelement auszutauschen oder die Pumpe zu warten. Das Sperrgas durchläuft dann einen 2 bis 3 Mikrometer (µm) großen Koaleszenzfilter, der Flüssigkeiten und Partikel einfängt, die die topografischen Merkmale der Dichtungsoberfläche beschädigen können, wodurch ein Gasfilm auf der Oberfläche der Dichtungsoberfläche entsteht. Daran schließt sich ein Druckregler und ein Manometer zur Einstellung des Drucks der Sperrgasversorgung der Gleitringdichtung an.
Bei Doppeldruckpumpen-Gasdichtungen muss der Sperrgasversorgungsdruck einen minimalen Differenzdruck über dem maximalen Druck in der Dichtungskammer erreichen oder überschreiten. Dieser minimale Druckabfall variiert je nach Dichtungshersteller und -typ, beträgt jedoch typischerweise etwa 30 Pfund pro Quadratzoll (psi). Der Druckschalter wird verwendet, um Probleme mit dem Sperrgas-Versorgungsdruck zu erkennen und einen Alarm auszulösen, wenn der Druck unter den Mindestwert fällt.
Die Funktion der Dichtung wird über den Sperrgasfluss mithilfe eines Durchflussmessers gesteuert. Von Gleitringdichtungsherstellern gemeldete Abweichungen von den Dichtungsgasdurchflussraten deuten auf eine verminderte Dichtungsleistung hin. Ein verringerter Sperrgasfluss kann auf die Rotation der Pumpe oder die Flüssigkeitsmigration zur Dichtungsfläche zurückzuführen sein (von verunreinigtem Sperrgas oder Prozessflüssigkeit).
Häufig kommt es nach solchen Ereignissen zu Schäden an den Dichtflächen und dann zu einem Anstieg des Sperrgasflusses. Auch Druckstöße in der Pumpe oder ein teilweiser Verlust des Sperrgasdrucks können zu Schäden an der Dichtfläche führen. Mithilfe von Hochflussalarmen lässt sich ermitteln, wann ein Eingreifen zur Korrektur eines hohen Gasflusses erforderlich ist. Der Sollwert für einen Alarm bei hohem Durchfluss liegt typischerweise im Bereich des 10- bis 100-fachen des normalen Sperrgasdurchflusses und wird normalerweise nicht vom Hersteller der Gleitringdichtung festgelegt, sondern hängt davon ab, wie viel Gasleckage die Pumpe tolerieren kann.
Traditionell werden Durchflussmesser mit variablem Messbereich verwendet, und es ist nicht ungewöhnlich, dass Durchflussmesser mit niedrigem und hohem Messbereich in Reihe geschaltet werden. Anschließend kann ein Hochdurchflussschalter am Hochbereichsdurchflussmesser installiert werden, um einen Hochdurchflussalarm auszulösen. Schwebekörper-Durchflussmesser können nur für bestimmte Gase bei bestimmten Temperaturen und Drücken kalibriert werden. Bei Betrieb unter anderen Bedingungen, wie z. B. Temperaturschwankungen zwischen Sommer und Winter, kann die angezeigte Durchflussmenge nicht als genauer Wert angesehen werden, sondern liegt nahe am tatsächlichen Wert.
Mit der Veröffentlichung der 4. Ausgabe von API 682 sind Durchfluss- und Druckmessungen von analogen zu digitalen Messungen mit lokalen Messwerten übergegangen. Digitale Durchflussmesser können als Schwebekörper-Durchflussmesser eingesetzt werden, die die Schwebekörperposition in digitale Signale umwandeln, oder als Massendurchflussmesser, die den Massendurchfluss automatisch in Volumendurchfluss umwandeln. Das besondere Merkmal von Massendurchflusstransmittern besteht darin, dass sie Ausgänge liefern, die Druck und Temperatur kompensieren, um unter normalen atmosphärischen Bedingungen einen echten Durchfluss zu gewährleisten. Der Nachteil besteht darin, dass diese Geräte teurer sind als Schwebekörper-Durchflussmesser.
Das Problem bei der Verwendung eines Durchflussmessumformers besteht darin, einen Messumformer zu finden, der den Sperrgasdurchfluss im Normalbetrieb und an Alarmpunkten mit hohem Durchfluss messen kann. Durchflusssensoren verfügen über Maximal- und Minimalwerte, die genau abgelesen werden können. Zwischen dem Nulldurchfluss und dem Minimalwert ist der Ausgangsdurchfluss möglicherweise nicht genau. Das Problem besteht darin, dass mit zunehmender maximaler Durchflussrate für ein bestimmtes Durchflusswandlermodell auch die minimale Durchflussrate zunimmt.
Eine Lösung besteht darin, zwei Sender zu verwenden (einen Niederfrequenz- und einen Hochfrequenzsender), aber das ist eine teure Option. Die zweite Methode besteht darin, einen Durchflusssensor für den normalen Betriebsdurchflussbereich und einen Hochdurchflussschalter mit einem analogen Hochbereichsdurchflussmesser zu verwenden. Die letzte Komponente, durch die das Sperrgas strömt, ist das Rückschlagventil, bevor das Sperrgas die Platte verlässt und mit der Gleitringdichtung verbunden wird. Dies ist notwendig, um bei anormalen Prozessstörungen einen Rückfluss der gepumpten Flüssigkeit in das Panel und eine Beschädigung des Instruments zu verhindern.
Das Rückschlagventil muss einen niedrigen Öffnungsdruck haben. Wenn die Auswahl falsch ist oder wenn die Luftdichtung der Doppeldruckpumpe einen geringen Sperrgasfluss aufweist, ist ersichtlich, dass die Pulsation des Sperrgasflusses durch das Öffnen und Neusetzen des Rückschlagventils verursacht wird.
Im Allgemeinen wird Pflanzenstickstoff als Sperrgas verwendet, da er leicht verfügbar und inert ist und keine schädlichen chemischen Reaktionen in der gepumpten Flüssigkeit hervorruft. Es können auch nicht verfügbare Inertgase wie Argon verwendet werden. In Fällen, in denen der erforderliche Schutzgasdruck höher ist als der Stickstoffdruck der Anlage, kann ein Druckverstärker den Druck erhöhen und das Hochdruckgas in einem Behälter speichern, der an den Plan 74-Panel-Einlass angeschlossen ist. In Flaschen abgefüllte Stickstoffflaschen werden im Allgemeinen nicht empfohlen, da sie einen ständigen Austausch leerer Flaschen durch volle erfordern. Wenn die Qualität der Dichtung nachlässt, kann die Flasche schnell entleert werden, wodurch die Pumpe stoppt, um weitere Schäden und einen Ausfall der Gleitringdichtung zu verhindern.
Im Gegensatz zu Flüssigkeitsbarrieresystemen erfordern Plan 74-Unterstützungssysteme keine unmittelbare Nähe zu mechanischen Dichtungen. Der einzige Nachteil hierbei ist der längliche Abschnitt des Rohrs mit kleinem Durchmesser. Bei hohem Durchfluss kann es im Rohr zu einem Druckabfall zwischen der Plan 74-Platte und der Dichtung kommen (Verschlechterung der Dichtung), wodurch der für die Dichtung verfügbare Sperrdruck verringert wird. Eine Vergrößerung des Rohres kann dieses Problem lösen. In der Regel werden Plan 74-Panels auf einem Ständer in bequemer Höhe montiert, um Ventile zu steuern und Instrumentenwerte abzulesen. Die Halterung kann auf der Pumpengrundplatte oder neben der Pumpe montiert werden, ohne die Inspektion und Wartung der Pumpe zu beeinträchtigen. Vermeiden Sie Stolperfallen an Rohren/Rohren, die Plan 74-Paneele mit mechanischen Dichtungen verbinden.
Bei Zwischenlagerpumpen mit zwei Gleitringdichtungen, eine an jedem Ende der Pumpe, wird die Verwendung einer Platte und eines separaten Sperrgasauslasses für jede Gleitringdichtung nicht empfohlen. Die empfohlene Lösung besteht darin, für jede Dichtung ein separates Plan 74-Panel oder ein Plan 74-Panel mit zwei Ausgängen zu verwenden, von denen jeder über einen eigenen Satz Durchflussmesser und Durchflussschalter verfügt. In Gebieten mit kalten Wintern kann es notwendig sein, die Plan 74-Paneele zu überwintern. Dies geschieht in erster Linie zum Schutz der elektrischen Ausrüstung des Panels, normalerweise durch Einschließen des Panels in den Schrank und das Hinzufügen von Heizelementen.
Ein interessantes Phänomen besteht darin, dass die Durchflussrate des Sperrgases mit abnehmender Temperatur der Sperrgaszufuhr zunimmt. Dies bleibt meist unbemerkt, kann sich aber an Orten mit kalten Wintern oder großen Temperaturunterschieden zwischen Sommer und Winter bemerkbar machen. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, den Alarmsollwert für hohen Durchfluss anzupassen, um Fehlalarme zu verhindern. Die Luftkanäle und Verbindungsrohre der Paneele müssen vor der Inbetriebnahme der Plan 74-Paneele gespült werden. Dies lässt sich am einfachsten durch den Einbau eines Entlüftungsventils am oder in der Nähe des Gleitringdichtungsanschlusses erreichen. Wenn kein Entlüftungsventil verfügbar ist, kann das System gespült werden, indem der Schlauch/das Rohr von der Gleitringdichtung getrennt und nach dem Spülen wieder angeschlossen wird.
Nachdem die Plan 74-Platten mit den Dichtungen verbunden und alle Verbindungen auf Dichtheit überprüft wurden, kann nun der Druckregler auf den eingestellten Druck in der Anwendung eingestellt werden. Die Schalttafel muss die Gleitringdichtung mit unter Druck stehendem Sperrgas versorgen, bevor die Pumpe mit Prozessflüssigkeit gefüllt wird. Die Dichtungen und Platten von Plan 74 sind einsatzbereit, sobald die Inbetriebnahme- und Entlüftungsverfahren der Pumpe abgeschlossen sind.
Das Filterelement muss nach einem Monat Betrieb oder alle sechs Monate überprüft werden, wenn keine Verschmutzung festgestellt wird. Das Filterwechselintervall hängt von der Reinheit des zugeführten Gases ab, sollte jedoch drei Jahre nicht überschreiten.
Die Sperrgasmengen sollten bei Routineinspektionen überprüft und aufgezeichnet werden. Wenn die durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils verursachte Pulsation des Sperrluftstroms groß genug ist, um einen Alarm für hohen Durchfluss auszulösen, müssen diese Alarmwerte möglicherweise erhöht werden, um Fehlalarme zu vermeiden.
Ein wichtiger Schritt bei der Stilllegung besteht darin, dass die Isolierung und Druckentlastung des Schutzgases der letzte Schritt sein sollte. Isolieren Sie zunächst das Pumpengehäuse und machen Sie es drucklos. Sobald sich die Pumpe in einem sicheren Zustand befindet, kann der Schutzgasversorgungsdruck abgeschaltet und der Gasdruck aus den Rohrleitungen entfernt werden, die das Plan 74-Panel mit der Gleitringdichtung verbinden. Lassen Sie die gesamte Flüssigkeit aus dem System ab, bevor Sie mit Wartungsarbeiten beginnen.
Doppeldruckpumpen-Luftdichtungen in Kombination mit Plan 74-Unterstützungssystemen bieten Betreibern eine emissionsfreie Wellendichtungslösung, geringere Kapitalinvestitionen (im Vergleich zu Dichtungen mit Flüssigkeitssperrsystemen), reduzierte Lebenszykluskosten, einen kleinen Platzbedarf des Unterstützungssystems und minimale Wartungsanforderungen.
Bei Installation und Betrieb gemäß Best Practices kann diese Containment-Lösung langfristige Zuverlässigkeit bieten und die Verfügbarkeit rotierender Anlagen erhöhen.
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 ist Produktgruppenmanager bei John Crane. Savage hat einen Bachelor of Science in Ingenieurwissenschaften von der University of Sydney, Australien. Weitere Informationen finden Sie unter johncrane.com.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.09.2022