Überlegungen zur Dichtungsauswahl – Einbau von doppelten Hochdruck-Gleitringdichtungen

Anordnung 3: Gleitringdichtungen sindDoppeldichtungenDabei wird der Sperrflüssigkeitsraum zwischen den Dichtungen unter einem höheren Druck als dem Dichtungskammerdruck gehalten. Im Laufe der Zeit hat die Industrie verschiedene Strategien zur Erzeugung des für diese Dichtungen notwendigen Hochdruckumfelds entwickelt. Diese Strategien sind in den Rohrleitungsplänen der Gleitringdichtung festgehalten. Obwohl viele dieser Pläne ähnliche Funktionen erfüllen, können sich die Betriebseigenschaften der einzelnen Pläne stark unterscheiden und alle Aspekte des Dichtungssystems beeinflussen.

Rohrleitungsplan 53B gemäß API 682 ist ein System, bei dem die Sperrflüssigkeit mithilfe eines mit Stickstoff gefüllten Druckspeichers unter Druck gesetzt wird. Der Druckspeicher wirkt direkt auf die Sperrflüssigkeit und setzt so das gesamte Dichtungssystem unter Druck. Der Druckspeicher verhindert den direkten Kontakt zwischen Druckgas und Sperrflüssigkeit und somit die Aufnahme von Gas in die Flüssigkeit. Dadurch eignet sich Rohrleitungsplan 53B für Anwendungen mit höheren Drücken als Rohrleitungsplan 53A. Die autarke Bauweise des Druckspeichers macht zudem eine ständige Stickstoffversorgung überflüssig, wodurch sich das System ideal für abgelegene Installationen eignet.

Die Vorteile des Blasenspeichers werden jedoch durch einige Betriebseigenschaften des Systems relativiert. Der Druck in einem Rohrleitungsplan 53B wird direkt durch den Gasdruck in der Blase bestimmt. Dieser Druck kann sich aufgrund verschiedener Faktoren erheblich verändern.

Die Blase im Akkumulator muss vorgeladen werden, bevor Sperrflüssigkeit in das System eingefüllt wird. Dies bildet die Grundlage für alle nachfolgenden Berechnungen und Interpretationen des Systembetriebs. Der tatsächliche Vorladedruck hängt vom Betriebsdruck des Systems und dem Sicherheitsvolumen der Sperrflüssigkeit in den Akkumulatoren ab. Er ist außerdem von der Temperatur des Gases in der Blase abhängig. Hinweis: Der Vorladedruck wird nur bei der Erstinbetriebnahme des Systems eingestellt und während des laufenden Betriebs nicht mehr angepasst.

Der Gasdruck in der Blase variiert mit der Gastemperatur. In den meisten Fällen entspricht die Gastemperatur der Umgebungstemperatur am Installationsort. Anwendungen in Regionen mit großen täglichen und jahreszeitlichen Temperaturschwankungen können jedoch erhebliche Schwankungen des Systemdrucks aufweisen.

Verbrauch von BarriereflüssigkeitIm Betrieb verbrauchen die Gleitringdichtungen durch normale Leckage Sperrflüssigkeit. Diese Sperrflüssigkeit wird durch die Flüssigkeit im Druckspeicher ersetzt, was zu einer Ausdehnung des Gases in der Membran und einem Abfall des Systemdrucks führt. Diese Veränderungen hängen von der Größe des Druckspeichers, den Leckageraten der Dichtungen und dem gewünschten Wartungsintervall des Systems (z. B. 28 Tage) ab.

Die Änderung des Systemdrucks ist die wichtigste Methode für den Endanwender, die Dichtungsleistung zu überwachen. Der Druck wird auch zur Auslösung von Wartungsalarmen und zur Erkennung von Dichtungsausfällen genutzt. Da sich der Druck während des Systembetriebs jedoch kontinuierlich ändert, stellt sich die Frage: Wie sollte der Anwender die Drücke im System Plan 53B einstellen? Wann muss Sperrflüssigkeit nachgefüllt werden? Welche Menge ist erforderlich?

Die ersten allgemein veröffentlichten technischen Berechnungen für Systeme nach Plan 53B erschienen in der vierten Ausgabe der API 682. Anhang F enthält eine detaillierte Anleitung zur Ermittlung von Drücken und Volumina für dieses Rohrleitungssystem. Eine der wichtigsten Anforderungen der API 682 ist die Erstellung eines standardisierten Typenschilds für Blasenspeicher (API 682, vierte Ausgabe, Tabelle 10). Dieses Typenschild enthält eine Tabelle mit den Vordruck-, Nachfüll- und Alarmdrücken des Systems für den jeweiligen Umgebungstemperaturbereich am Einsatzort. Hinweis: Die Tabelle in der Norm ist lediglich ein Beispiel; die tatsächlichen Werte können sich bei der Anwendung vor Ort deutlich unterscheiden.

Eine der Grundannahmen von Abbildung 2 ist, dass das Rohrleitungssystem 53B kontinuierlich und ohne Änderung des anfänglichen Vordrucks betrieben werden soll. Außerdem wird angenommen, dass das System innerhalb kurzer Zeit dem gesamten Umgebungstemperaturbereich ausgesetzt sein kann. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Systemauslegung und erfordert einen höheren Betriebsdruck als bei anderen Rohrleitungssystemen mit doppelter Abdichtung.

Anhand von Abbildung 2 ist die Beispielanwendung an einem Ort installiert, an dem die Umgebungstemperatur zwischen -17 °C (1 °F) und 70 °C (158 °F) liegt. Der obere Wert dieses Bereichs erscheint unrealistisch hoch, berücksichtigt aber auch die Erwärmung eines Akkumulators durch Sonneneinstrahlung. Die Zeilen in der Tabelle stellen die Temperaturintervalle zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Wert dar.

Beim Betrieb des Systems erhöht der Endnutzer den Druck der Sperrflüssigkeit, bis der Nachfülldruck bei der aktuellen Umgebungstemperatur erreicht ist. Der Alarmdruck signalisiert, dass der Endnutzer zusätzliche Sperrflüssigkeit nachfüllen muss. Bei 25 °C (77 °F) lädt der Bediener den Akkumulator auf 30,3 bar (440 PSIG) vor, stellt den Alarm auf 30,7 bar (445 PSIG) ein und füllt Sperrflüssigkeit nach, bis der Druck 37,9 bar (550 PSIG) erreicht. Sinkt die Umgebungstemperatur auf 0 °C (32 °F), fällt der Alarmdruck auf 28,1 bar (408 PSIG) und der Nachfülldruck auf 34,7 bar (504 PSIG).

In diesem Szenario ändern sich sowohl der Alarm- als auch der Nachfülldruck in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Dieses Vorgehen wird oft als Floating-Floating-Strategie bezeichnet. Sowohl der Alarm- als auch der Nachfülldruck „gleiten“. Dies führt zu den niedrigsten Betriebsdrücken für das Dichtungssystem. Daraus ergeben sich jedoch zwei spezifische Anforderungen an den Endanwender: die Ermittlung des korrekten Alarm- und Nachfülldrucks. Der Alarmdruck des Systems ist temperaturabhängig, und diese Beziehung muss im Prozessleitsystem (DCS) des Endanwenders programmiert werden. Auch der Nachfülldruck hängt von der Umgebungstemperatur ab, daher muss der Bediener das Typenschild konsultieren, um den korrekten Druck für die aktuellen Bedingungen zu ermitteln.

Manche Endanwender wünschen sich einen einfacheren Ansatz und eine Strategie, bei der sowohl der Alarmdruck als auch der Nachfülldruck konstant (oder fixiert) und unabhängig von der Umgebungstemperatur sind. Diese Strategie mit fixierten Drücken bietet dem Endanwender nur einen Druck zum Nachfüllen und einen einzigen Wert für die Alarmierung des Systems. Leider setzt diese Bedingung voraus, dass die Temperatur maximal ist, da die Berechnungen den Abfall der Umgebungstemperatur vom Maximal- zum Minimalwert berücksichtigen. Dies führt dazu, dass das System mit höheren Drücken arbeitet. In manchen Anwendungen kann die Verwendung einer solchen Strategie Änderungen an der Dichtungskonstruktion oder den MAWP-Werten anderer Systemkomponenten erforderlich machen, um die erhöhten Drücke zu bewältigen.

Andere Endanwender werden einen Hybridansatz mit festem Alarmdruck und variablem Nachfülldruck wählen. Dadurch lässt sich der Betriebsdruck reduzieren und gleichzeitig die Alarmeinstellungen vereinfachen. Die Wahl der geeigneten Alarmstrategie sollte erst nach Berücksichtigung der Anwendungsbedingungen, des Umgebungstemperaturbereichs und der Anforderungen des Endanwenders getroffen werden.

Im Rohrleitungsplan 53B gibt es einige Modifikationen, die dazu beitragen können, einige dieser Herausforderungen zu bewältigen. Die Erwärmung durch Sonneneinstrahlung kann die maximale Temperatur des Speichers für die Auslegungsberechnungen erheblich erhöhen. Durch die Platzierung des Speichers im Schatten oder den Bau eines Sonnenschutzes lässt sich die Sonneneinstrahlung eliminieren und die maximale Temperatur in den Berechnungen reduzieren.

In den obigen Beschreibungen wird der Begriff Umgebungstemperatur verwendet, um die Temperatur des Gases in der Blase zu bezeichnen. Unter stationären oder sich nur langsam ändernden Umgebungstemperaturbedingungen ist diese Annahme gerechtfertigt. Bei großen Schwankungen der Umgebungstemperatur zwischen Tag und Nacht kann die Isolierung des Akkumulators die effektiven Temperaturschwankungen in der Blase verringern und so zu stabileren Betriebstemperaturen führen.

Dieser Ansatz lässt sich durch die Verwendung von Begleitheizung und Isolierung am Akkumulator erweitern. Bei korrekter Anwendung arbeitet der Akkumulator unabhängig von den täglichen oder jahreszeitlichen Schwankungen der Umgebungstemperatur mit einer konstanten Temperatur. Dies ist die wohl wichtigste Konstruktionsoption in Gebieten mit großen Temperaturschwankungen. Dieser Ansatz ist weit verbreitet und hat den Einsatz des Plan 53B an Standorten ermöglicht, die mit Begleitheizung nicht realisierbar gewesen wären.

Endanwender, die den Einsatz eines Rohrleitungsplans 53B erwägen, sollten beachten, dass dieser nicht einfach ein Rohrleitungsplan 53A mit einem Druckspeicher ist. Nahezu jeder Aspekt der Systemplanung, Inbetriebnahme, des Betriebs und der Wartung eines Rohrleitungsplans 53B ist einzigartig. Die meisten Probleme, die Endanwender erleben, resultieren aus einem mangelnden Systemverständnis. Dichtungshersteller können eine detailliertere Analyse für eine spezifische Anwendung erstellen und das notwendige Hintergrundwissen bereitstellen, um dem Endanwender bei der korrekten Spezifizierung und dem Betrieb dieses Systems zu helfen.