Considérations relatives au choix des joints – Installation de joints mécaniques doubles haute pression

Les garnitures mécaniques de l'arrangement 3 sontjoints doublesLa cavité du fluide barrière entre les joints est maintenue à une pression supérieure à celle de la chambre d'étanchéité. Au fil du temps, l'industrie a développé plusieurs stratégies pour créer l'environnement haute pression nécessaire à ces joints. Ces stratégies sont intégrées aux plans de tuyauterie des garnitures mécaniques. Si nombre de ces plans remplissent des fonctions similaires, leurs caractéristiques de fonctionnement peuvent être très différentes et impacter tous les aspects du système d'étanchéité.

Le plan de tuyauterie 53B, tel que défini par la norme API 682, est un plan de tuyauterie qui pressurise le fluide de barrage grâce à un accumulateur à vessie chargé d'azote. La vessie pressurisée agit directement sur le fluide de barrage, pressurisant ainsi l'ensemble du système d'étanchéité. La vessie empêche le contact direct entre le gaz de pressurisation et le fluide de barrage, éliminant ainsi l'absorption de gaz par le fluide. Cela permet d'utiliser le plan de tuyauterie 53B dans des applications à pression plus élevée que le plan de tuyauterie 53A. L'autonomie de l'accumulateur élimine également le besoin d'une alimentation constante en azote, ce qui rend le système idéal pour les installations isolées.

Les avantages de l'accumulateur à vessie sont toutefois contrebalancés par certaines caractéristiques de fonctionnement du système. La pression d'un plan de tuyauterie 53B est directement déterminée par la pression du gaz dans la vessie. Cette pression peut varier considérablement en fonction de plusieurs variables.

La vessie de l'accumulateur doit être préchargée avant l'ajout du fluide de barrage au système. Ceci constitue la base de tous les calculs et interprétations ultérieurs du fonctionnement du système. La pression de précharge réelle dépend de la pression de service du système et du volume de sécurité du fluide de barrage dans les accumulateurs. Elle dépend également de la température du gaz dans la vessie. Remarque : la pression de précharge est définie uniquement lors de la mise en service initiale du système et ne sera pas ajustée pendant le fonctionnement réel.

La pression du gaz dans la vessie varie en fonction de sa température. Dans la plupart des cas, cette température suit la température ambiante sur le site d'installation. Les applications dans les régions soumises à d'importantes variations de température quotidiennes et saisonnières subiront d'importantes variations de pression du système.

Consommation de fluide barrièreEn fonctionnement, les garnitures mécaniques consomment du fluide de barrage en raison des fuites normales. Ce fluide est réapprovisionné par le fluide de l'accumulateur, ce qui entraîne une dilatation du gaz dans la vessie et une diminution de la pression du système. Ces variations dépendent de la taille de l'accumulateur, des taux de fuite des garnitures et de l'intervalle de maintenance souhaité pour le système (par exemple, 28 jours).

La variation de la pression du système est le principal moyen utilisé par l'utilisateur final pour suivre la performance des joints. La pression sert également à déclencher des alarmes de maintenance et à détecter les défaillances des joints. Cependant, les pressions varient continuellement pendant le fonctionnement du système. Comment l'utilisateur doit-il régler les pressions dans le système Plan 53B ? Quand faut-il ajouter du liquide de barrage ? Quelle quantité de liquide faut-il ajouter ?

Le premier ensemble de calculs techniques largement publié pour les systèmes Plan 53B est paru dans la quatrième édition de la norme API 682. L'annexe F fournit des instructions détaillées pour déterminer les pressions et les volumes pour ce plan de tuyauterie. L'une des exigences les plus importantes de la norme API 682 est la création d'une plaque signalétique standard pour les accumulateurs à vessie (tableau 10 de la quatrième édition de la norme API 682). Cette plaque signalétique contient un tableau indiquant les pressions de précharge, de remplissage et d'alarme du système, pour toutes les conditions de température ambiante du site d'application. Remarque : le tableau de la norme n'est qu'un exemple ; les valeurs réelles peuvent varier considérablement selon l'application sur site.

L'une des hypothèses de base de la figure 2 est que le schéma de tuyauterie 53B devrait fonctionner en continu, sans modification de la pression de précharge initiale. On suppose également que le système peut être exposé à une plage de températures ambiantes complète sur une courte période. Ces hypothèses ont des implications importantes pour la conception du système et nécessitent un fonctionnement à une pression supérieure à celle des autres schémas de tuyauterie à double étanchéité.

En prenant la figure 2 comme référence, l'exemple d'application est installé dans un endroit où la température ambiante est comprise entre -17 °C (1 °F) et 70 °C (158 °F). La valeur maximale de cette plage semble excessivement élevée, mais elle inclut également les effets du chauffage solaire d'un accumulateur exposé au soleil direct. Les lignes du tableau représentent les intervalles de température entre les valeurs maximales et minimales.

Lorsque l'utilisateur final utilise le système, il ajoute du fluide de barrage jusqu'à ce que la pression de remplissage soit atteinte à la température ambiante. La pression d'alarme indique que l'utilisateur final doit ajouter du fluide de barrage. À 25 °C (77 °F), l'opérateur précharge l'accumulateur à 30,3 bar (440 PSIG), l'alarme est réglée à 30,7 bar (445 PSIG) et l'opérateur ajoute du fluide de barrage jusqu'à ce que la pression atteigne 37,9 bar (550 PSIG). Si la température ambiante descend à 0 °C (32 °F), la pression d'alarme chute à 28,1 bar (408 PSIG) et la pression de remplissage à 34,7 bar (504 PSIG).

Dans ce scénario, les pressions d'alarme et de remplissage varient toutes deux, ou flottent, en fonction de la température ambiante. Cette approche est souvent qualifiée de « stratégie flottante-flottante ». L'alarme et le remplissage « flottent ». Cela permet d'obtenir les pressions de fonctionnement les plus basses pour le système de scellage. Cependant, cela impose deux exigences spécifiques à l'utilisateur final : déterminer la pression d'alarme et la pression de remplissage correctes. La pression d'alarme du système est fonction de la température et cette relation doit être programmée dans le système DCS de l'utilisateur final. La pression de remplissage dépend également de la température ambiante ; l'opérateur devra donc se référer à la plaque signalétique pour trouver la pression correcte en fonction des conditions actuelles.

Certains utilisateurs finaux exigent une approche plus simple et souhaitent une stratégie où la pression d'alarme et la pression de remplissage sont constantes (ou fixes) et indépendantes de la température ambiante. La stratégie fixe-fixe offre à l'utilisateur une seule pression pour le remplissage du système et une seule valeur pour le déclenchement de l'alarme. Malheureusement, cette condition suppose que la température est maximale, car les calculs compensent la chute de la température ambiante. Le système fonctionne alors à des pressions plus élevées. Dans certaines applications, l'utilisation d'une stratégie fixe-fixe peut entraîner des modifications de la conception des joints ou des valeurs nominales de pression maximale admissible (PMA) d'autres composants du système pour gérer les pressions élevées.

D'autres utilisateurs finaux adopteront une approche hybride avec une pression d'alarme fixe et une pression de remplissage variable. Cela permet de réduire la pression de fonctionnement tout en simplifiant les réglages d'alarme. Le choix de la stratégie d'alarme appropriée ne doit être effectué qu'après avoir pris en compte les conditions d'application, la plage de température ambiante et les besoins de l'utilisateur final.

Certaines modifications apportées à la conception du plan de tuyauterie 53B peuvent contribuer à atténuer ces difficultés. Le rayonnement solaire peut augmenter considérablement la température maximale de l'accumulateur pour les calculs de conception. Placer l'accumulateur à l'ombre ou construire un pare-soleil peut éliminer le rayonnement solaire et réduire la température maximale dans les calculs.

Dans les descriptions ci-dessus, le terme « température ambiante » désigne la température du gaz dans la vessie. Dans des conditions de température ambiante stables ou à variation lente, cette hypothèse est raisonnable. En cas de fortes variations de température ambiante entre le jour et la nuit, l'isolation de l'accumulateur peut atténuer les variations effectives de température de la vessie, ce qui permet d'obtenir des températures de fonctionnement plus stables.

Cette approche peut être étendue à l'utilisation de traçage thermique et d'isolation sur l'accumulateur. Correctement appliquée, l'accumulateur fonctionnera à une température constante, quelles que soient les variations quotidiennes ou saisonnières de la température ambiante. Il s'agit peut-être de l'option de conception la plus importante à considérer dans les zones à fortes variations de température. Cette approche, largement utilisée sur le terrain, a permis d'utiliser le Plan 53B dans des endroits où le traçage thermique n'aurait pas été possible.

Les utilisateurs finaux qui envisagent d'utiliser un plan de tuyauterie 53B doivent savoir que ce plan n'est pas simplement un plan de tuyauterie 53A avec accumulateur. Pratiquement tous les aspects de la conception, de la mise en service, de l'exploitation et de la maintenance d'un plan 53B sont spécifiques à ce plan. La plupart des frustrations rencontrées par les utilisateurs finaux proviennent d'un manque de compréhension du système. Les fabricants d'équipements d'origine (OEM) peuvent réaliser une analyse plus détaillée pour une application spécifique et fournir les informations nécessaires pour aider l'utilisateur final à spécifier et à exploiter correctement ce système.