Les joints d'étanchéité à double air pour pompes de surpression, adaptés de la technologie des joints d'étanchéité à air pour compresseurs, sont plus courants dans l'industrie des joints d'arbre. Ces joints assurent une évacuation nulle du liquide pompé dans l'atmosphère, réduisent la résistance au frottement sur l'arbre de la pompe et s'intègrent à un système de support simplifié. 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 de barrage, provoquant sa séparation et sa flottaison dans le film gazeux. Les pertes par frottement sont faibles car les surfaces d'étanchéité ne se touchent plus. Le gaz de barrage traverse la membrane à faible débit, consommant ainsi des fuites, dont la plupart s'échappent dans l'atmosphère par les surfaces d'étanchéité extérieures. Les résidus s'infiltrent dans la chambre d'étanchéité et sont finalement évacués par le flux du procédé.
Toutes les garnitures doubles hermétiques nécessitent un fluide sous pression (liquide ou gazeux) entre les surfaces intérieure et extérieure de la garniture mécanique. Un système de support est nécessaire pour acheminer ce fluide jusqu'à la garniture. En revanche, dans une garniture double sous pression lubrifiée par liquide, le fluide barrière circule du réservoir à travers la garniture mécanique, où il lubrifie les surfaces, absorbe la chaleur et retourne au réservoir où il doit dissiper la chaleur absorbée. Ces systèmes de support de garniture double sous pression sont complexes. Les charges thermiques augmentent avec la pression et la température du procédé 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 est peu encombrant, 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 des 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.
Un système de support de programme est généralement constitué d'un ensemble de manomètres et de vannes montés sur panneau qui purgent le gaz de barrage, régulent la pression en aval et mesurent la pression et le débit de gaz vers les garnitures mécaniques. Suivant le trajet du gaz de barrage à travers le panneau Plan 74, le premier élément est le clapet anti-retour. Il permet d'isoler l'alimentation en gaz de barrage de la garniture mécanique pour le remplacement de l'élément filtrant ou l'entretien de la pompe. Le gaz de barrage traverse ensuite un filtre coalescent de 2 à 3 micromètres (µm) qui piège les liquides et les particules susceptibles d'endommager la surface de la garniture, créant ainsi un film gazeux à sa surface. Viennent ensuite un régulateur de pression et un manomètre permettant de régler la pression d'alimentation en gaz de barrage de la garniture mécanique.
Les joints de pompe à gaz à double pression nécessitent que la pression d'alimentation en gaz de barrage atteigne ou dépasse une pression différentielle minimale supérieure à la pression maximale dans la chambre d'étanchéité. Cette perte de charge 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 barrage et de déclencher une alarme si la pression descend en dessous de la valeur minimale.
Le fonctionnement de la garniture est contrôlé par le débit du gaz de barrage à l'aide d'un débitmètre. Les écarts de débit de gaz de barrage signalés par les fabricants de garnitures mécaniques indiquent une baisse des performances d'étanchéité. Cette diminution du débit de gaz de barrage peut être due à la rotation de la pompe ou à la migration de fluide vers la surface de la garniture (provenant d'un gaz de barrage contaminé ou d'un fluide de procédé).
Souvent, après de tels événements, les surfaces d'étanchéité sont endommagées, ce qui entraîne une augmentation du débit de gaz de barrage. Des coups de bélier dans la pompe ou une perte partielle de pression du gaz de barrage peuvent également endommager la surface d'étanchéité. Des alarmes de débit élevé permettent de déterminer quand une intervention est nécessaire pour corriger un débit de gaz élevé. Le seuil d'alarme de débit élevé se situe généralement entre 10 et 100 fois le débit normal de gaz de barrage, généralement non déterminé par le fabricant de la garniture mécanique, mais dépend de la tolérance de la pompe aux fuites de gaz.
Traditionnellement, on utilise des débitmètres à jauge variable, et il n'est pas rare que des débitmètres à plage basse et haute soient connectés en série. Un commutateur de débit élevé peut alors être installé sur le débitmètre à plage haute pour déclencher une alarme de débit élevé. Les débitmètres à section variable ne peuvent être étalonnés que pour certains gaz, à certaines températures et pressions. Dans d'autres conditions de fonctionnement, telles que les fluctuations de température entre l'été et l'hiver, le débit affiché ne peut pas être considéré comme précis, mais il est proche de la valeur réelle.
Avec la publication de la 4e édition de la norme API 682, les mesures de débit et de pression sont passées de l'analogique au numérique, avec des relevés locaux. 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. Les transmetteurs de débit massique se distinguent par leurs sorties qui compensent la pression et la température pour fournir un débit réel dans des conditions atmosphériques standard. Leur inconvénient est leur coût plus élevé que les débitmètres à section variable.
Le problème avec l'utilisation d'un transmetteur de débit est de trouver un transmetteur capable de mesurer le débit de gaz de barrage en fonctionnement normal et aux seuils d'alarme de débit élevé. Les capteurs de débit ont des valeurs maximales et minimales lisibles avec précision. Entre le débit nul et la valeur minimale, le débit de sortie peut être imprécis. Le problème est que, lorsque le débit maximal d'un modèle de transducteur de débit augmente, le débit minimal augmente également.
Une solution consiste à utiliser deux transmetteurs (un basse fréquence et un haute fréquence), mais cette option est coûteuse. La deuxième méthode consiste à utiliser un capteur de débit pour la plage de débit de fonctionnement normale et un commutateur de débit élevé avec un débitmètre analogique à plage élevée. Le dernier composant traversé par le gaz de barrage est le clapet anti-retour avant que le gaz de barrage 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 procédé.
Le clapet anti-retour doit avoir une faible pression d'ouverture. Si le choix est incorrect ou si le joint d'étanchéité de la pompe à double pression présente un faible débit de gaz de barrage, les pulsations du débit de gaz de barrage sont dues à l'ouverture et à la refermeture du clapet anti-retour.
En général, l'azote végétal est utilisé comme gaz de barrage car il est facilement disponible, inerte et ne provoque pas de réactions chimiques indésirables dans le liquide pompé. Des gaz inertes non disponibles, comme l'argon, peuvent également être utilisés. Si la pression du gaz de protection requise est supérieure à la pression d'azote du système, un surpresseur peut augmenter la pression et stocker le gaz haute pression dans un réservoir raccordé à l'entrée du panneau Plan 74. Les bouteilles d'azote en bouteille sont généralement déconseillées, car elles nécessitent le remplacement constant des bouteilles vides par des bouteilles pleines. Si la qualité de l'étanchéité se détériore, la bouteille peut être rapidement vidée, ce qui entraîne l'arrêt de la pompe pour éviter d'autres dommages et une défaillance de la garniture mécanique.
Contrairement aux systèmes de barrière liquide, les systèmes de support Plan 74 ne nécessitent pas de proximité immédiate avec les garnitures mécaniques. Le seul inconvénient réside dans la section allongée du tube de petit diamètre. Une chute de pression entre le panneau Plan 74 et la garniture peut se produire dans la conduite en période de fort débit (dégradation de la garniture), ce qui réduit la pression de barrière disponible pour la garniture. L'augmentation de la taille de la conduite peut résoudre ce problème. En règle générale, les panneaux Plan 74 sont montés sur un support à une hauteur pratique pour le contrôle des vannes et la lecture des instruments. Le support peut être monté sur la plaque de base de la pompe ou à côté de la pompe sans gêner l'inspection et la maintenance de la pompe. Évitez les risques de trébuchement sur les conduites reliant les panneaux Plan 74 aux garnitures mécaniques.
Pour les pompes inter-paliers équipées de deux garnitures mécaniques, une à chaque extrémité, il est déconseillé d'utiliser un seul panneau et une sortie de gaz de barrage séparée pour chaque garniture mécanique. La solution recommandée consiste à utiliser un panneau Plan 74 distinct pour chaque garniture, ou un panneau Plan 74 à deux sorties, chacune équipée de son propre jeu de débitmètres et de pressostats. Dans les régions aux hivers froids, il peut être nécessaire d'hiverner les panneaux Plan 74. Cette mesure vise principalement à protéger les équipements électriques du panneau, généralement en l'enfermant dans une armoire et en y ajoutant des éléments chauffants.
Un phénomène intéressant est que le débit du gaz de barrage augmente avec la baisse de la température d'alimentation. Ce phénomène passe généralement inaperçu, mais peut devenir perceptible dans les régions aux hivers rigoureux ou aux écarts de température importants entre l'été et l'hiver. Dans certains cas, il peut être nécessaire d'ajuster le seuil d'alarme de débit élevé pour éviter les fausses alarmes. Les conduits d'air et les tuyaux de raccordement des panneaux doivent être purgés avant la mise en service des panneaux Plan 74. Le plus simple est d'ajouter une vanne de purge au niveau ou à proximité du raccord de la garniture mécanique. En l'absence de vanne de purge, le système peut être purgé en déconnectant le tube de la garniture mécanique, puis en le reconnectant après la purge.
Après avoir raccordé les panneaux Plan 74 aux joints et vérifié l'étanchéité de tous les raccords, le régulateur de pression peut être réglé à la pression définie pour l'application. Le panneau doit alimenter la garniture mécanique en gaz de barrage sous pression avant de remplir la pompe de fluide de procédé. Les joints et les panneaux Plan 74 sont prêts à fonctionner une fois les procédures de mise en service et de purge de la pompe terminées.
L'élément filtrant doit être inspecté après un mois de fonctionnement ou tous les six mois si aucune contamination n'est détectée. L'intervalle de remplacement du filtre dépend de la pureté du gaz fourni, mais ne doit pas dépasser trois ans.
Les débits de gaz de barrage doivent être vérifiés et enregistrés lors des inspections de routine. Si les pulsations du débit d'air de barrage provoquées par l'ouverture et la fermeture du clapet anti-retour sont suffisamment importantes pour déclencher une alarme de débit élevé, il peut être nécessaire d'augmenter ces valeurs pour éviter les fausses alarmes.
Une étape importante du démantèlement est l'isolation et la dépressurisation du gaz de protection, qui doivent être la dernière étape. Il faut d'abord isoler et dépressuriser le corps de pompe. Une fois la pompe en bon état, l'alimentation en gaz de protection peut être coupée et la pression de gaz peut être supprimée dans la tuyauterie reliant le panneau Plan 74 à la garniture mécanique. Vidanger tout le fluide du système avant toute intervention de maintenance.
Les joints d'étanchéité à 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 liquide), un coût de cycle de vie réduit, un faible encombrement du système de support et des exigences de service 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 produit chez John Crane. Il est titulaire d'une licence en ingénierie de l'Université de Sydney, en Australie. Pour plus d'informations, rendez-vous sur johncrane.com.
Date de publication : 08/09/2022