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

Les joints mécaniques de la configuration 3 sontdouble jointDans ce système, la pression du fluide barrière entre les joints est maintenue supérieure à celle de la chambre d'étanchéité. L'industrie a développé au fil du temps plusieurs stratégies pour créer l'environnement haute pression nécessaire à ces joints. Ces stratégies sont intégrées aux schémas de tuyauterie des garnitures mécaniques. Bien que nombre de ces schémas remplissent des fonctions similaires, leurs caractéristiques de fonctionnement peuvent être très différentes et influent sur tous les aspects du système d'étanchéité.

Le schéma de tuyauterie 53B, défini par la norme API 682, est un schéma qui pressurise le fluide barrière à l'aide d'un accumulateur à vessie rempli d'azote. La vessie pressurisée agit directement sur le fluide barrière, pressurisant ainsi l'ensemble du système d'étanchéité. Elle empêche tout contact direct entre le gaz de pressurisation et le fluide barrière, évitant ainsi l'absorption de gaz par ce dernier. Ceci permet d'utiliser le schéma de tuyauterie 53B dans des applications à plus haute pression que le schéma 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 système de tuyauterie 53B est directement déterminée par la pression du gaz contenu dans la vessie. Cette pression peut varier considérablement en fonction de plusieurs facteurs.

La vessie de l'accumulateur doit être préchargée avant l'ajout du fluide barrière dans le système. Cette étape est essentielle pour tous les calculs et interprétations ultérieurs du fonctionnement du système. La pression de précharge dépend de la pression de service du système et du volume de sécurité du fluide barrière dans les accumulateurs. Elle dépend également de la température du gaz contenu dans la vessie. Remarque : la pression de précharge est réglée uniquement lors de la mise en service initiale du système et ne sera pas modifiée en cours de fonctionnement.

La pression du gaz dans la vessie varie en fonction de sa température. Généralement, cette dernière suit la température ambiante du lieu d'installation. Dans les régions où les variations de température quotidiennes et saisonnières sont importantes, la pression du système subira de fortes fluctuations.

Consommation de fluide barrièreEn fonctionnement, les garnitures mécaniques consomment du fluide barrière par fuite normale. Ce fluide est remplacé par celui contenu dans l'accumulateur, ce qui entraîne une expansion du gaz dans la vessie et une diminution de la pression du système. Ces variations dépendent de la capacité de l'accumulateur, du débit de fuite des garnitures et de l'intervalle de maintenance souhaité (par exemple, 28 jours).

La variation de pression du système est le principal moyen pour l'utilisateur final de contrôler l'étanchéité. La pression sert également à déclencher des alarmes de maintenance et à détecter les défaillances d'étanchéité. Cependant, la pression fluctue constamment pendant le fonctionnement du système. Comment l'utilisateur doit-il paramétrer les pressions dans le système Plan 53B ? Quand faut-il ajouter du fluide barrière ? Quelle quantité de fluide faut-il ajouter ?

Le premier ensemble de calculs d'ingénierie largement publié pour les systèmes de type 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 de ce réseau de tuyauterie. L'une des exigences les plus utiles de l'API 682 est la création d'une plaque signalétique standard pour les accumulateurs à vessie (API 682, quatrième édition, tableau 10). Cette plaque signalétique contient un tableau répertoriant les pressions de précharge, de remplissage et d'alarme du système en fonction des températures ambiantes du site d'application. Remarque : le tableau de la norme n'est qu'un exemple et les valeurs réelles peuvent varier considérablement selon l'application sur le terrain.

L'une des hypothèses fondamentales de la figure 2 est que le plan de tuyauterie 53B est conçu pour fonctionner en continu et sans modification de la pression de précharge initiale. On suppose également que le système peut être exposé à toute la plage de températures ambiantes sur une courte période. Ces hypothèses ont des conséquences importantes sur la conception du système et imposent un fonctionnement à une pression supérieure à celle des autres plans de tuyauterie à double joint.

En prenant la figure 2 comme référence, l'application d'exemple est installée dans un lieu où la température ambiante varie entre -17 °C (1 °F) et 70 °C (158 °F). La limite supérieure de cette plage peut paraître irréaliste, mais elle tient compte de l'échauffement solaire d'un accumulateur exposé à la lumière directe du soleil. Les lignes du tableau représentent les intervalles de température entre les valeurs minimale et maximale.

Lors de l'utilisation du système, l'utilisateur final ajoute du fluide barrière jusqu'à ce que la pression de remplissage soit atteinte à la température ambiante. La pression d'alarme indique qu'il est nécessaire d'ajouter du fluide barrière. 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 barrière 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 en fonction de la température ambiante. Cette approche est souvent qualifiée de stratégie à double variation. L'alarme et le remplissage « varient », ce qui permet d'obtenir les pressions de fonctionnement les plus basses pour le système d'étanchéité. Cependant, cela impose deux exigences spécifiques à l'utilisateur final : déterminer les pressions d'alarme et de remplissage appropriées. La pression d'alarme du système dépend de la température et cette relation doit être programmée dans le système de contrôle-commande (DCS) de l'utilisateur. 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 dans les conditions actuelles.

Certains utilisateurs finaux privilégient une approche simplifiée et souhaitent une stratégie où la pression d'alarme et la pression de remplissage sont constantes (ou fixes) et indépendantes de la température ambiante. Cette stratégie à pression fixe ne leur fournit qu'une seule pression pour le remplissage et une seule valeur pour l'alarme. Malheureusement, cette condition suppose une température maximale, car les calculs compensent la baisse de température ambiante entre le maximum et le minimum. Il en résulte un fonctionnement du système à des pressions plus élevées. Dans certaines applications, l'utilisation d'une telle stratégie peut nécessiter des modifications de la conception des joints ou des valeurs de pression maximale admissible (PMA) d'autres composants du système afin de supporter ces 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 service tout en simplifiant les paramètres d'alarme. Le choix de la stratégie d'alarme appropriée doit être effectué en tenant compte des conditions d'application, de la plage de températures ambiantes et des exigences de l'utilisateur final.

Certaines modifications apportées à la conception du plan de tuyauterie 53B permettent d'atténuer ces difficultés. L'échauffement dû au rayonnement solaire peut considérablement augmenter la température maximale de l'accumulateur pour les calculs de dimensionnement. Placer l'accumulateur à l'ombre ou installer un brise-soleil permet d'éliminer cet échauffement et de réduire la température maximale prise en compte dans les calculs.

Dans les descriptions précédentes, le terme « température ambiante » désigne la température du gaz contenu dans la vessie. Cette hypothèse est raisonnable lorsque la température ambiante est stable ou varie lentement. En cas de fortes variations de température ambiante entre le jour et la nuit, l'isolation de l'accumulateur permet d'atténuer les variations de température effectives de la vessie et d'obtenir ainsi des températures de fonctionnement plus stables.

Cette approche peut être étendue à l'utilisation d'un traçage thermique et d'une isolation sur l'accumulateur. Correctement mise en œuvre, cette solution garantit un fonctionnement à température constante de l'accumulateur, quelles que soient les variations quotidiennes ou saisonnières de la température ambiante. Il s'agit sans doute de l'option de conception la plus importante à envisager dans les zones à fortes variations de température. Largement déployée sur le terrain, cette approche a permis l'utilisation du Plan 53B dans des endroits où le traçage thermique seul aurait été impossible.

Les utilisateurs finaux envisageant d'utiliser un plan de tuyauterie 53B doivent savoir que ce plan est différent d'un plan 53A équipé d'un accumulateur. Pratiquement tous les aspects de la conception, de la mise en service, de l'exploitation et de la maintenance d'un système 53B sont spécifiques. La plupart des difficultés rencontrées par les utilisateurs finaux proviennent d'une méconnaissance du système. Les fabricants d'équipements d'étanchéité 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.