Überlegungen zur Dichtungsauswahl – Einbau doppelter Hochdruck-Gleitringdichtungen

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

Rohrleitungsplan 53B gemäß API 682 ist ein Rohrleitungsplan, der die Sperrflüssigkeit mithilfe eines mit Stickstoff gefüllten Blasenspeichers unter Druck setzt. Der unter Druck stehende Blasenspeicher wirkt direkt auf die Sperrflüssigkeit und setzt das gesamte Dichtungssystem unter Druck. Der Blasenspeicher verhindert den direkten Kontakt zwischen Druckgas und Sperrflüssigkeit und verhindert so die Aufnahme von Gas in die Flüssigkeit. Dadurch kann Rohrleitungsplan 53B auch bei höheren Drücken als Rohrleitungsplan 53A eingesetzt werden. Der in sich geschlossene Speicher macht zudem eine konstante Stickstoffversorgung überflüssig, was das System ideal für dezentrale Installationen macht.

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

Die Blase im Speicher muss vor dem Einfüllen der Sperrflüssigkeit in das System vorgeladen werden. Dies bildet die Grundlage für alle weiteren Berechnungen und Interpretationen des Systembetriebs. Der tatsächliche Vorladedruck hängt vom Betriebsdruck des Systems und dem Sicherheitsvolumen der Sperrflüssigkeit im Speicher ab. Der Vorladedruck ist außerdem von der Gastemperatur in der Blase abhängig. Hinweis: Der Vorladedruck wird nur bei der Erstinbetriebnahme des Systems eingestellt und kann im laufenden Betrieb nicht mehr angepasst werden.

Der Gasdruck in der Blase variiert je nach Gastemperatur. In den meisten Fällen folgt die Gastemperatur der Umgebungstemperatur am Installationsort. Anwendungen in Regionen mit großen täglichen und saisonalen Temperaturschwankungen führen zu großen Schwankungen des Systemdrucks.

SperrflüssigkeitsverbrauchWährend des Betriebs verbrauchen die Gleitringdichtungen Sperrflüssigkeit durch normale Dichtungsleckage. Diese Sperrflüssigkeit wird durch die Flüssigkeit im Druckspeicher ergänzt, was zu einer Ausdehnung des Gases in der Blase und einem Abfall des Systemdrucks führt. Diese Änderungen hängen von der Größe des Druckspeichers, der Dichtungsleckage und dem gewünschten Wartungsintervall des Systems (z. B. 28 Tage) ab.

Die Veränderung des Systemdrucks ist die wichtigste Methode, mit der der Endbenutzer die Dichtungsleistung überwacht. Der Druck wird auch verwendet, um Wartungsalarme auszulösen und Dichtungsfehler zu erkennen. Der Druck ändert sich jedoch während des Systembetriebs ständig. Wie sollte der Benutzer den Druck im Plan 53B-System einstellen? Wann muss Sperrflüssigkeit nachgefüllt werden? Wie viel Flüssigkeit sollte nachgefüllt werden?

Die ersten allgemein veröffentlichten technischen Berechnungen für Plan-53B-Systeme erschienen in der vierten Ausgabe von API 682. Anhang F enthält eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Bestimmung von Druck und Volumen für diesen Rohrleitungsplan. Eine der wichtigsten Anforderungen von API 682 ist die Erstellung eines Standardtypenschilds für Blasenspeicher (API 682, vierte Ausgabe, Tabelle 10). Dieses Typenschild enthält eine Tabelle mit den Vorlade-, Nachfüll- und Alarmdrücken des Systems über den gesamten Umgebungstemperaturbereich am Einsatzort. Hinweis: Die Tabelle in der Norm dient lediglich als Beispiel. Die tatsächlichen Werte können sich bei Anwendung im Feld erheblich ändern.

Eine der Grundannahmen in Abbildung 2 ist, dass der Rohrleitungsplan 53B kontinuierlich und ohne Änderung des anfänglichen Vorfülldrucks betrieben wird. Außerdem wird angenommen, dass das System über einen kurzen Zeitraum dem gesamten Umgebungstemperaturbereich ausgesetzt sein kann. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Systemauslegung und erfordert einen höheren Betriebsdruck als bei anderen Doppeldichtungs-Rohrleitungsplänen.

Abbildung 2 dient als Referenz für die Beispielanwendung, deren Umgebungstemperatur zwischen -17 °C (1 °F) und 70 °C (158 °F) liegt. Der obere Grenzwert dieses Bereichs erscheint unrealistisch hoch, berücksichtigt aber auch die Auswirkungen der Sonnenerwärmung eines Akkumulators, der direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Die Zeilen in der Tabelle stellen die Temperaturintervalle zwischen den höchsten und niedrigsten Werten dar.

Wenn der Endbenutzer das System bedient, erhöht er den Sperrflüssigkeitsdruck, bis der Nachfülldruck bei der aktuellen Umgebungstemperatur erreicht ist. Der Alarmdruck zeigt an, dass der Endbenutzer zusätzliche Sperrflüssigkeit nachfüllen muss. Bei 25 °C (77 °F) lädt der Bediener den Speicher auf 30,3 bar (440 PSIG), 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), sinkt der Alarmdruck auf 28,1 bar (408 PSIG) und der Nachfülldruck auf 34,7 bar (504 PSIG).

In diesem Szenario ändern sich Alarm- und Nachfülldruck in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Dieser Ansatz wird oft als „Floating-Floating“-Strategie bezeichnet. Sowohl Alarm- als auch Nachfülldruck „schwimmen“. Dies führt zu den niedrigsten Betriebsdrücken für das Dichtungssystem. Dies stellt jedoch zwei besondere Anforderungen an den Endbenutzer: die Bestimmung des korrekten Alarm- und Nachfülldrucks. Der Alarmdruck des Systems ist temperaturabhängig, und diese Beziehung muss im Prozessleitsystem des Endbenutzers programmiert werden. Der Nachfülldruck hängt auch von der Umgebungstemperatur ab, daher muss der Bediener den korrekten Druck für die aktuellen Bedingungen anhand des Typenschilds ermitteln.

Manche Endnutzer wünschen sich einen einfacheren Ansatz und 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 Endnutzer nur einen Druck zum Nachfüllen des Systems und einen Wert für die Alarmierung des Systems. Leider muss dabei von der Maximaltemperatur ausgegangen werden, da die Berechnungen den Abfall der Umgebungstemperatur vom Maximal- zum Minimalwert kompensieren. Dies führt dazu, dass das System mit höheren Drücken arbeitet. In manchen Anwendungen kann die Fest-Fest-Strategie Änderungen im Dichtungsdesign oder den MAWP-Werten anderer Systemkomponenten erfordern, um den erhöhten Drücken standzuhalten.

Andere Endnutzer nutzen einen Hybridansatz mit festem Alarmdruck und variablem Nachfülldruck. Dies kann den Betriebsdruck reduzieren und gleichzeitig die Alarmeinstellungen vereinfachen. Die Entscheidung über die richtige Alarmstrategie sollte erst nach Berücksichtigung der Anwendungsbedingungen, des Umgebungstemperaturbereichs und der Anforderungen des Endnutzers getroffen werden.

Einige Modifikationen im Entwurf des Rohrleitungsplans 53B können dazu beitragen, einige dieser Herausforderungen zu meistern. Erwärmung durch Sonneneinstrahlung kann die maximale Temperatur des Speichers für die Konstruktionsberechnungen deutlich erhöhen. Durch die Platzierung des Speichers im Schatten oder den Bau eines Sonnenschutzes 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. Bei konstanten oder sich langsam ändernden Umgebungstemperaturen ist dies eine vernünftige Annahme. Bei starken Schwankungen der Umgebungstemperatur zwischen Tag und Nacht kann eine Isolierung des Akkumulators die effektiven Temperaturschwankungen der Blase abmildern und so zu stabileren Betriebstemperaturen führen.

Dieser Ansatz lässt sich durch den Einsatz von Begleitheizungen und Isolierung am Akkumulator erweitern. Bei richtiger Anwendung arbeitet der Akkumulator unabhängig von täglichen oder saisonalen Schwankungen der Umgebungstemperatur bei gleichbleibender Temperatur. Dies ist möglicherweise die wichtigste Designoption in Gebieten mit großen Temperaturschwankungen. Dieser Ansatz hat sich in der Praxis bewährt und ermöglicht den Einsatz des Plan 53B an Standorten, die mit Begleitheizungen nicht möglich gewesen wären.

Endnutzer, die den Einsatz eines Rohrleitungsplans 53B in Erwägung ziehen, sollten sich bewusst sein, dass dieser Rohrleitungsplan nicht einfach ein Rohrleitungsplan 53A mit Druckspeicher ist. Nahezu jeder Aspekt der Systemkonstruktion, Inbetriebnahme, des Betriebs und der Wartung eines Plans 53B ist für diesen Rohrleitungsplan einzigartig. Die meisten Frustrationen, die Endnutzer erlebt haben, sind auf mangelndes Systemverständnis zurückzuführen. Dichtungshersteller können eine detailliertere Analyse für eine spezifische Anwendung erstellen und den Endnutzer mit dem erforderlichen Hintergrundwissen unterstützen, um ihn bei der korrekten Spezifikation und Bedienung dieses Systems zu unterstützen.