Les joints d'étanchéité à l'air des pompes de surpression doubles, adaptés de la technologie des joints d'air des compresseurs, sont plus courants dans l'industrie des joints d'arbre. Ces joints assurent un rejet nul du liquide pompé dans l'atmosphère, offrent moins de résistance au frottement sur l'arbre de la pompe et fonctionnent avec un système de support plus simple. Ces avantages permettent de réduire le coût global du cycle de vie de la solution.
Ces joints fonctionnent en introduisant une source externe de gaz sous pression entre les surfaces d'étanchéité intérieure et extérieure. La topographie particulière de la surface d'étanchéité exerce une pression supplémentaire sur le gaz barrière, provoquant la séparation de la surface d'étanchéité, la faisant flotter dans le film de gaz. Les pertes par frottement sont faibles car les surfaces d'étanchéité ne se touchent plus. Le gaz barrière traverse la membrane à un faible débit, consommant le gaz barrière sous forme de fuites, dont la plupart s'échappent dans l'atmosphère à travers les surfaces extérieures du joint. Les résidus s'infiltrent dans la chambre d'étanchéité et sont finalement emportés par le flux du processus.
Tous les joints hermétiques doubles nécessitent un fluide sous pression (liquide ou gaz) entre les surfaces intérieure et extérieure de l'ensemble de garniture mécanique. Un système de support est nécessaire pour acheminer ce fluide jusqu'au joint. En revanche, dans un joint double sous pression lubrifié par liquide, le fluide barrière circule du réservoir à travers la garniture mécanique, où il lubrifie les surfaces du joint, absorbe la chaleur et retourne au réservoir où il doit dissiper la chaleur absorbée. Ces systèmes de support de joint double à pression de fluide sont complexes. Les charges thermiques augmentent avec la pression et la température du processus et peuvent entraîner des problèmes de fiabilité si elles ne sont pas correctement calculées et réglées.
Le système de support à double joint à air comprimé prend peu de place, ne nécessite pas d'eau de refroidissement et nécessite peu d'entretien. De plus, lorsqu’une source fiable de gaz de protection est disponible, sa fiabilité est indépendante de la pression et de la température du procédé.
En raison de l'adoption croissante des joints d'étanchéité à l'air pour pompes à double pression sur le marché, l'American Petroleum Institute (API) a ajouté le programme 74 dans le cadre de la publication de la deuxième édition de l'API 682.
74 Un système de support de programme est généralement un ensemble de jauges et de vannes montées sur panneau qui purgent le gaz de barrière, régulent la pression en aval et mesurent la pression et le débit de gaz vers les garnitures mécaniques. En suivant le parcours du gaz barrière à travers le panneau Plan 74, le premier élément est le clapet anti-retour. Cela permet d'isoler l'alimentation en gaz de barrière du joint pour le remplacement de l'élément filtrant ou l'entretien de la pompe. Le gaz barrière passe ensuite à travers un filtre coalescent de 2 à 3 micromètres (µm) qui retient les liquides et les particules susceptibles d'endommager les caractéristiques topographiques de la surface du joint, créant un film de gaz sur la surface du joint. Viennent ensuite un régulateur de pression et un manomètre pour régler la pression de l'alimentation en gaz de barrière de la garniture mécanique.
Les joints à gaz à pompe à double pression nécessitent que la pression d'alimentation en gaz de barrière atteigne ou dépasse une pression différentielle minimale supérieure à la pression maximale dans la chambre d'étanchéité. Cette chute de pression minimale varie selon le fabricant et le type de joint, mais est généralement d'environ 30 livres par pouce carré (psi). Le pressostat permet de détecter tout problème de pression d'alimentation en gaz de barrière et de déclencher une alarme si la pression descend en dessous de la valeur minimale.
Le fonctionnement du joint est contrôlé par le débit du gaz de barrière à l'aide d'un débitmètre. Les écarts par rapport aux débits de gaz d’étanchéité signalés par les fabricants de garnitures mécaniques indiquent une performance d’étanchéité réduite. La réduction du débit de gaz de barrière peut être due à la rotation de la pompe ou à la migration de fluide vers la face du joint (provenant d'un gaz de barrière ou d'un fluide de procédé contaminé).
Souvent, après de tels événements, les surfaces d'étanchéité sont endommagées, puis le débit de gaz de barrière augmente. Des coups de bélier dans la pompe ou une perte partielle de pression du gaz de barrière peuvent également endommager la surface d'étanchéité. Les alarmes de débit élevé peuvent être utilisées pour déterminer quand une intervention est nécessaire pour corriger un débit de gaz élevé. Le point de consigne d'une alarme de débit élevé est généralement compris entre 10 et 100 fois le débit de gaz de barrière normal, généralement non déterminé par le fabricant de la garniture mécanique, mais dépend du niveau de fuite de gaz que la pompe peut tolérer.
Traditionnellement, des débitmètres à jauge variable sont utilisés et il n'est pas rare que des débitmètres basse et haute gamme soient connectés en série. Un interrupteur à haut débit peut ensuite être installé sur le débitmètre haut de gamme pour déclencher une alarme de débit élevé. Les débitmètres à section variable ne peuvent être calibrés que pour certains gaz à certaines températures et pressions. Lors d'un fonctionnement dans d'autres conditions, telles que des fluctuations de température entre l'été et l'hiver, le débit affiché ne peut pas être considéré comme une valeur précise, mais est proche de la valeur réelle.
Avec la sortie de la 4e édition de l'API 682, les mesures de débit et de pression sont passées de l'analogique au numérique avec des lectures locales. Les débitmètres numériques peuvent être utilisés comme débitmètres à section variable, qui convertissent la position du flotteur en signaux numériques, ou comme débitmètres massiques, qui convertissent automatiquement le débit massique en débit volumique. La particularité des transmetteurs de débit massique est qu'ils fournissent des sorties qui compensent la pression et la température pour fournir un débit réel dans des conditions atmosphériques standard. L’inconvénient est que ces appareils sont plus chers que les débitmètres à section variable.
Le problème de l’utilisation d’un transmetteur de débit est de trouver un transmetteur capable de mesurer le débit de gaz de barrière en fonctionnement normal et aux points d’alarme de débit élevé. Les capteurs de débit ont des valeurs maximales et minimales qui peuvent être lues avec précision. Entre le débit nul et la valeur minimale, le débit de sortie peut ne pas être précis. Le problème est que, à mesure que le débit maximum pour un modèle de transducteur de débit particulier augmente, le débit minimum augmente également.
Une solution consiste à utiliser deux émetteurs (un basse fréquence et un haute fréquence), mais c'est une option coûteuse. La deuxième méthode consiste à utiliser un capteur de débit pour la plage de débit de fonctionnement normale et à utiliser un commutateur de débit élevé avec un débitmètre analogique à plage élevée. Le dernier composant traversé par le gaz de barrière est le clapet anti-retour avant que le gaz de barrière ne quitte le panneau et ne se connecte à la garniture mécanique. Ceci est nécessaire pour éviter le reflux du liquide pompé dans le panneau et l'endommagement de l'instrument en cas de perturbations anormales du processus.
Le clapet anti-retour doit avoir une faible pression d'ouverture. Si la sélection est erronée ou si le joint d'air de la pompe à double pression a un faible débit de gaz de barrière, on peut voir que la pulsation du débit de gaz de barrière est provoquée par l'ouverture et la réinstallation du clapet anti-retour.
Généralement, l’azote végétal est utilisé comme gaz barrière car il est facilement disponible, inerte et ne provoque aucune réaction chimique indésirable dans le liquide pompé. Des gaz inertes non disponibles, comme l'argon, peuvent également être utilisés. Dans les cas où la pression du gaz de protection requise est supérieure à la pression de l'azote de l'usine, un surpresseur peut augmenter la pression et stocker le gaz haute pression dans un récepteur connecté à l'entrée du panneau Plan 74. Les bouteilles d'azote en bouteille ne sont généralement pas recommandées car elles nécessitent de remplacer constamment les bouteilles vides par des bouteilles pleines. Si la qualité du joint se détériore, la bouteille peut être rapidement vidée, provoquant l'arrêt de la pompe pour éviter d'autres dommages et une défaillance du joint mécanique.
Contrairement aux systèmes de barrière contre les liquides, les systèmes de support Plan 74 ne nécessitent pas de proximité avec les garnitures mécaniques. Le seul bémol ici concerne la section allongée du tube de petit diamètre. Une chute de pression entre le panneau Plan 74 et le joint peut se produire dans la canalisation lors des périodes de fort débit (dégradation du joint), ce qui réduit la pression de barrière disponible pour le joint. Augmenter la taille du tuyau peut résoudre ce problème. En règle générale, les panneaux Plan 74 sont montés sur un support à une hauteur pratique pour contrôler les vannes et lire les lectures des instruments. Le support peut être monté sur la plaque de base de la pompe ou à côté de la pompe sans interférer avec l'inspection et la maintenance de la pompe. Évitez les risques de trébuchement sur les tuyaux/tuyaux reliant les panneaux Plan 74 avec des garnitures mécaniques.
Pour les pompes entre paliers équipées de deux garnitures mécaniques, une à chaque extrémité de la pompe, il n'est pas recommandé d'utiliser un panneau et une sortie de gaz de barrière séparée pour chaque garniture mécanique. La solution recommandée consiste à utiliser un panneau Plan 74 séparé pour chaque joint, ou un panneau Plan 74 avec deux sorties, chacune avec son propre ensemble de débitmètres et de commutateurs de débit. Dans les régions aux hivers froids, il peut être nécessaire d'hiverner les panneaux Plan 74. Ceci est effectué principalement pour protéger l'équipement électrique du panneau, généralement en enfermant le panneau dans l'armoire et en ajoutant des éléments chauffants.
Un phénomène intéressant est que le débit du gaz barrière augmente avec la diminution de la température d’alimentation en gaz barrière. Cela passe généralement inaperçu, mais peut devenir perceptible dans les endroits où les hivers sont froids ou où les différences de température entre l'été et l'hiver sont importantes. Dans certains cas, il peut être nécessaire d’ajuster le point de consigne de l’alarme de débit élevé pour éviter les fausses alarmes. Les conduits d'air des panneaux et les tuyaux/tuyaux de raccordement doivent être purgés avant la mise en service des panneaux Plan 74. Ceci est plus facilement réalisé en ajoutant une vanne de ventilation au niveau ou à proximité du raccord de la garniture mécanique. Si une vanne de purge n'est pas disponible, le système peut être purgé en déconnectant le tube/tube de la garniture mécanique, puis en le reconnectant après la purge.
Après avoir connecté les panneaux Plan 74 aux joints et vérifié l'étanchéité de tous les raccords, le régulateur de pression peut maintenant être ajusté à la pression réglée dans l'application. Le panneau doit fournir du gaz de barrière sous pression à la garniture mécanique avant de remplir la pompe avec du fluide de procédé. Les joints et panneaux Plan 74 sont prêts à démarrer lorsque les procédures de mise en service et de ventilation de la pompe sont terminées.
L'élément filtrant doit être inspecté après un mois de fonctionnement ou tous les six mois si aucune contamination n'est constatée. L'intervalle de remplacement du filtre dépend de la pureté du gaz fourni, mais ne doit pas dépasser trois ans.
Les taux de gaz de barrière doivent être vérifiés et enregistrés lors des inspections de routine. Si la pulsation du débit d'air de la barrière provoquée par l'ouverture et la fermeture du clapet anti-retour est suffisamment importante pour déclencher une alarme de débit élevé, ces valeurs d'alarme devront peut-être être augmentées pour éviter les fausses alarmes.
Une étape importante du déclassement est que l’isolement et la dépressurisation du gaz de protection constituent la dernière étape. Tout d’abord, isolez et dépressurisez le corps de la pompe. Une fois que la pompe est dans un état sûr, la pression d'alimentation en gaz de protection peut être coupée et la pression du gaz retirée de la tuyauterie reliant le panneau Plan 74 à la garniture mécanique. Vidangez tout le liquide du système avant de commencer tout travail de maintenance.
Les joints d'étanchéité à l'air de pompe à double pression combinés aux systèmes de support Plan 74 offrent aux opérateurs une solution de joint d'arbre à zéro émission, un investissement en capital inférieur (par rapport aux joints avec systèmes de barrière aux liquides), un coût de cycle de vie réduit, un faible encombrement du système de support et des exigences d'entretien minimales.
Lorsqu’elle est installée et exploitée conformément aux meilleures pratiques, cette solution de confinement peut assurer une fiabilité à long terme et augmenter la disponibilité des équipements rotatifs.
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Mark Savage est chef de groupe de produits chez John Crane. Savage est titulaire d'un baccalauréat ès sciences en ingénierie de l'Université de Sydney, en Australie. Pour plus d’informations, visitez johncrane.com.
Heure de publication : 08 septembre 2022