Überlegungen zur Dichtungsauswahl – Installation von Hochdruck-Doppel-Gleitringdichtungen

Anordnung 3 Gleitringdichtungen sindDoppeldichtungenDabei wird der Sperrflüssigkeitshohlraum zwischen den Dichtungen auf einem Druck gehalten, der höher ist als der Dichtungskammerdruck. Im Laufe der Zeit hat die Industrie verschiedene Strategien entwickelt, um die für diese Dichtungen erforderliche Hochdruckumgebung zu schaffen. Diese Strategien werden in den Rohrleitungsplänen der Gleitringdichtung festgehalten. Obwohl viele dieser Pläne ähnliche Funktionen erfüllen, können die Betriebseigenschaften sehr unterschiedlich sein und sich auf alle Aspekte des Dichtungssystems auswirken.

Der Rohrleitungsplan 53B gemäß API 682 ist ein Rohrleitungsplan, der die Sperrflüssigkeit mit einem mit Stickstoff gefüllten Blasenspeicher unter Druck setzt. Die Druckblase wirkt direkt auf die Sperrflüssigkeit und setzt das gesamte Dichtungssystem unter Druck. Die Blase verhindert den direkten Kontakt zwischen dem Druckgas und der Sperrflüssigkeit und verhindert so die Absorption von Gas in die Flüssigkeit. Dadurch kann der Rohrleitungsplan 53B in Anwendungen mit höherem Druck als der Rohrleitungsplan 53A verwendet werden. Da der Akkumulator in sich geschlossen ist, ist außerdem keine ständige Stickstoffversorgung erforderlich, was das System ideal für entfernte Installationen macht.

Die Vorteile des Blasenspeichers werden jedoch durch einige Betriebseigenschaften des Systems zunichte gemacht. Der Druck eines Rohrleitungsplans 53B wird direkt durch den Druck des Gases in der Blase bestimmt. Dieser Druck kann sich aufgrund mehrerer Variablen dramatisch ändern.

Die Blase im Akkumulator muss vorgeladen werden, bevor Sperrflüssigkeit in das System eingefüllt wird. Dies schafft die Grundlage für alle zukünftigen Berechnungen und Interpretationen des Systembetriebs. Der tatsächliche Vorfülldruck hängt vom Betriebsdruck des Systems und dem Sicherheitsvolumen der Sperrflüssigkeit in den Speichern ab. Der Vorladedruck hängt auch von der Temperatur des Gases in der Blase ab. Hinweis: Der Vorfülldruck wird nur bei der Erstinbetriebnahme des Systems eingestellt und wird während des tatsächlichen Betriebs nicht angepasst.

Der Druck des Gases in der Blase variiert je nach Temperatur des Gases. In den meisten Fällen richtet sich die Temperatur des Gases nach der Umgebungstemperatur am Installationsort. Bei Anwendungen in Regionen mit großen täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen kommt es zu großen Schwankungen des Systemdrucks.

Verbrauch von SperrflüssigkeitWährend des Betriebs verbrauchen die Gleitringdichtungen Sperrflüssigkeit durch normale Dichtungslecks. Diese Sperrflüssigkeit wird durch die Flüssigkeit im Druckspeicher aufgefüllt, was zu einer Ausdehnung des Gases in der Blase und einem Abfall des Systemdrucks führt. Diese Änderungen sind eine Funktion der Speichergröße, der Dichtungsleckraten und des gewünschten Wartungsintervalls für das System (z. B. 28 Tage).

Die Änderung des Systemdrucks ist für den Endbenutzer die wichtigste Möglichkeit, die Leistung der Dichtung zu verfolgen. Druck wird auch verwendet, um Wartungsalarme zu erzeugen und Dichtungsfehler zu erkennen. Allerdings ändern sich die Drücke ständig, während das System in Betrieb ist. Wie sollte der Benutzer die Drücke im Plan 53B-System einstellen? Wann ist die Zugabe von Sperrflüssigkeit erforderlich? Wie viel Flüssigkeit sollte hinzugefügt werden?

Der erste weithin veröffentlichte Satz technischer Berechnungen für Plan 53B-Systeme erschien in der vierten Ausgabe von API 682. Anhang F enthält schrittweise Anleitungen zur Bestimmung der Drücke und Volumina für diesen Rohrleitungsplan. Eine der nützlichsten Anforderungen der API 682 ist die Erstellung eines Standard-Typenschilds für Blasenspeicher (API 682, vierte Ausgabe, Tabelle 10). Dieses Typenschild enthält eine Tabelle, in der die Vorfüll-, Nachfüll- und Alarmdrücke für das System über den Bereich der Umgebungstemperaturbedingungen am Einsatzort erfasst sind. Hinweis: Die Tabelle in der Norm ist nur ein Beispiel und die tatsächlichen Werte können sich erheblich ändern, wenn sie auf eine bestimmte Feldanwendung angewendet werden.

Eine der Grundannahmen in Abbildung 2 besteht darin, dass der Rohrleitungsplan 53B voraussichtlich kontinuierlich und ohne Änderung des anfänglichen Vorfülldrucks betrieben wird. Es besteht auch die Annahme, dass das System über einen kurzen Zeitraum einem gesamten Umgebungstemperaturbereich ausgesetzt sein kann. Diese haben erhebliche Auswirkungen auf das Systemdesign und erfordern, dass das System mit einem höheren Druck betrieben wird als bei anderen Doppeldichtungs-Rohrleitungsplänen.

Unter Verwendung von Abbildung 2 als Referenz wird die Beispielanwendung an einem Ort installiert, an dem die Umgebungstemperatur zwischen -17 °C (1 °F) und 70 °C (158 °F) liegt. Das obere Ende dieses Bereichs scheint unrealistisch hoch zu sein, beinhaltet aber auch die Auswirkungen der solaren Erwärmung eines Akkumulators, der direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Die Zeilen in der Tabelle stellen Temperaturintervalle zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wert dar.

Wenn der Endbenutzer das System betreibt, erhöht er den Sperrflüssigkeitsdruck, bis der Nachfülldruck bei der aktuellen Umgebungstemperatur erreicht ist. Der Alarmdruck ist der Druck, der anzeigt, dass der Endbenutzer zusätzliche Sperrflüssigkeit hinzufügen muss. Bei 25 °C (77 °F) würde der Bediener den Akkumulator auf 30,3 bar (440 PSIG) vorladen, der Alarm würde auf 30,7 bar (445 PSIG) eingestellt und der Bediener würde Sperrflüssigkeit hinzufügen, bis der Druck erreicht wäre 37,9 bar (550 PSIG). Wenn die Umgebungstemperatur auf 0 °C (32 °F) sinkt, sinkt der Alarmdruck auf 28,1 bar (408 PSIG) und der Nachfülldruck auf 34,7 bar (504 PSIG).

In diesem Szenario ändern sich der Alarm- und der Nachfülldruck als Reaktion auf die Umgebungstemperatur oder schwanken. Dieser Ansatz wird oft als Floating-Floating-Strategie bezeichnet. Sowohl der Alarm als auch die Nachfüllung „schweben“. Dadurch ergeben sich die niedrigsten Betriebsdrücke für das Dichtungssystem. Dies stellt jedoch zwei spezifische Anforderungen an den Endbenutzer; Bestimmung des richtigen Alarmdrucks und Nachfülldrucks. Der Alarmdruck für das System ist eine Funktion der Temperatur und dieser Zusammenhang muss im DCS-System des Endbenutzers programmiert werden. Der Nachfülldruck hängt auch von der Umgebungstemperatur ab, sodass der Bediener anhand des Typenschilds den richtigen Druck für die aktuellen Bedingungen ermitteln muss.

Einige Endbenutzer fordern einen einfacheren Ansatz und wünschen sich eine Strategie, bei der sowohl der Alarmdruck als auch die Nachfülldrücke konstant (oder fest) und unabhängig von der Umgebungstemperatur sind. Die Fest-Fest-Strategie bietet dem Endbenutzer nur einen Druck zum Nachfüllen des Systems und nur einen Wert zum Alarmieren des Systems. Leider muss bei dieser Bedingung davon ausgegangen werden, dass die Temperatur den Maximalwert erreicht, da die Berechnungen den Abfall der Umgebungstemperatur von der Maximal- zur Minimaltemperatur kompensieren. Dies führt dazu, dass das System bei höheren Drücken arbeitet. In einigen Anwendungen kann die Verwendung einer Fest-Fest-Strategie zu Änderungen im Dichtungsdesign oder den MAWP-Werten für andere Systemkomponenten führen, um die erhöhten Drücke zu bewältigen.

Andere Endbenutzer werden einen Hybridansatz mit einem festen Alarmdruck und einem variablen Nachfülldruck anwenden. Dadurch kann der Betriebsdruck reduziert und gleichzeitig die Alarmeinstellungen vereinfacht werden. Die Entscheidung über die richtige Alarmstrategie sollte nur unter Berücksichtigung der Anwendungsbedingungen, des Umgebungstemperaturbereichs und der Anforderungen des Endbenutzers getroffen werden.

Es gibt einige Änderungen im Entwurf des Rohrleitungsplans 53B, die dazu beitragen können, einige dieser Herausforderungen zu mildern. Die Erwärmung durch Sonneneinstrahlung kann die maximale Temperatur des Akkumulators für Auslegungsberechnungen erheblich erhöhen. Durch die Platzierung des Akkus im Schatten oder den Bau eines Sonnenschutzes für den Akku kann die Sonnenerwärmung vermieden und die maximale Temperatur in den Berechnungen reduziert werden.

In den obigen Beschreibungen wird der Begriff Umgebungstemperatur verwendet, um die Temperatur des Gases in der Blase darzustellen. Unter stationären oder sich langsam ändernden Umgebungstemperaturbedingungen ist dies eine vernünftige Annahme. Wenn die Umgebungstemperatur zwischen Tag und Nacht stark schwankt, kann die Isolierung des Akkumulators die effektiven Temperaturschwankungen der Blase abmildern, was zu stabileren Betriebstemperaturen führt.

Dieser Ansatz kann auf die Verwendung von Begleitheizung und Isolierung am Akkumulator ausgeweitet werden. Wenn dies ordnungsgemäß angewendet wird, arbeitet der Akku unabhängig von den täglichen oder jahreszeitlichen Schwankungen der Umgebungstemperatur bei einer Temperatur. Dies ist möglicherweise die wichtigste einzelne Entwurfsoption, die in Bereichen mit großen Temperaturschwankungen in Betracht gezogen werden sollte. Dieser Ansatz verfügt über eine große installierte Basis im Feld und ermöglicht den Einsatz des Plan 53B an Standorten, die mit Begleitheizung nicht möglich gewesen wären.

Endbenutzer, die die Verwendung eines Rohrleitungsplans 53B in Betracht ziehen, sollten sich darüber im Klaren sein, dass es sich bei diesem Rohrleitungsplan nicht einfach um einen Rohrleitungsplan 53A mit Akkumulator handelt. Praktisch jeder Aspekt des Systemdesigns, der Inbetriebnahme, des Betriebs und der Wartung eines Plan 53B ist für diesen Rohrleitungsplan einzigartig. Die meisten Frustrationen, die Endbenutzer erlebt haben, sind auf mangelndes Verständnis des Systems zurückzuführen. Dichtungs-OEMs können eine detailliertere Analyse für eine bestimmte Anwendung erstellen und die erforderlichen Hintergrundinformationen bereitstellen, um dem Endbenutzer bei der ordnungsgemäßen Spezifikation und dem Betrieb dieses Systems zu helfen.