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EagleBurgmann DF-(P)DGS6 para uma performance confiável em instalações de fracionamento de GNL

EagleBurgmann DF-(P)DGS6 para uma performance confiável em instalações de fracionamento de GNL

Manter os componentes das linhas de bombeio de Gás Natural Liquefeito (GNL) operando em uma condição ideal é um contínuo desafio para a indústria de óleo e gás. O Aumento das temperaturas em bombas de líquido e os problemas resultantes para seus selos representa tal desafio.

Um caso estudado em uma instalação de fracionamento de GNL nos EUA mostrou como as vedações falham ao bombearem hidrocarbonetos perto de sua pressão de vapor específica, essas falhas puderam ser investigadas e avaliadas, resultando em uma solução de design durável e sustentável.

Essa instalação, localizada em Houston - Texas separa fluxo de GNL misturado em produtos puros de GNL, tais como, Etano, Propano, Butano, Isobutano e Gasolina. Componentes críticos neste processo incluem as bombas de injeção de Etano que operam em pressões a partir de 410 PSI (28 bar) até 1.100 PSI (76 bar). A temperatura do Etano na porta de sucção não deve exceder 60 ˚F (16 ˚C) para certificar-se de que a pressão específica de vapor nunca caia abaixo do valor requerido nas vedações dos eixos.

Infelizmente, aumentos significantes de temperatura é um problema frequente devido às condições atmosféricas. Devido a isso o Etano vaporiza o que resulta em uma falha da vedação e perda do produto.

Por que os selos úmidos para as bombas falham

A possibilidade de condições transientes no meio bombeado é frequentemente ignorada quando equipamentos rotativos estão operando. Mas é importante avaliar corretamente as condições de selagem do sistema nas fases de partida, baixa rotação, ou standby e, ter certeza de que a lubrificação fornecida é suficiente a todo momento para as faces do selo.

A avaliação das fases seguintes ilustra os fatores que afetam a confiabilidade do selo mecânico:

Start-up: A bomba é escorvada. Sob as condições da pressão de sucção, o líquido Etano penetra entre as faces de selagem do selo mecânico e vaporiza, como um resultado da queda de pressão no diâmetro interno do anel deslizante e contra anel. Após o início da operação da bomba, muitas vezes leva-se bastante tempo para conseguirmos o aumento normal da pressão de operação na caixa de selagem (não permitindo que se exceda a pressão de vapor do fluido, gerando risco de vaporização). Até mesmo um baixo calor gerado entre as faces do selo pode aumentar a pressão de vapor suficientemente para permitir que o meio líquido na abertura das faces de selagem evapore. Isso resulta em danos nas faces de selagem os quais seguem um padrão surpreendentemente claro.

Slow-roll (Baixa rotação): O problema aqui é o mesmo para o Start-up, somente agravado. A pressão de descarga não pode ser gerada antes que a rotação alcance uma velocidade limiar. A pressão na caixa de selagem cresce muito lentamente para garantir a margem de vapor de Etano necessária. Mais e mais calor é gerado entre as faces do selo, aumentando a probabilidade de uma lubrificação insuficiente e com isso a falha do selo.

Standby: As condições são similares. Os selos também são muitas vezes deixados inativos por meses sem flushing. Tem sido demonstrado que os depósitos coletados nas faces de selagem e ao redor do selo durante o período de standby por sua vez tem um efeito negativo para o compartimento do selo.

Operação ineficiente: Operar a bomba fora da faixa ideal e com parâmetros incorretos de operação resulta em um aumento da potência necessária de funcionamento e uma vazão fora do esperado. Ambos impactos agem negativamente na margem de vapor da região de selagem podendo resultar em operação a seco das faces do selo.

Outros eventos que precisam ser considerados quando o sistema de selagem auxiliar é dimensionado são as variações de temperatura no meio, frequentes ciclos de partidas/paradas e erros de operação.

No nosso caso, todos estes fatores conspiraram para dar a bomba de Etano um MTBF (Mean Time Between Failures  – Tempo Médio Entre Falhas) de pouco mais do que três semanas.

Estava Claro que alguma coisa precisava ser feita para neutralizar as falhas de selagem, as quais ocasionavam perdas de produtos e a disponibilidade da planta extremamente prejudicada. As causas foram analisadas em colaboração com o cliente, então um time de engenheiros de aplicação e design da EagleBurgmann concentraram-se em encontrar uma solução de selagem durável e confiável.

Assumindo o desafio

Aplicações com uma baixa margem de vapor tais como Etano em nosso caso, possuem uma característica em comum: o liquido tende a transitar para o estado gasoso. Um selo a gás que pode operar com líquido seria aparentemente uma solução perfeita.

O portfolio de Produtos da EagleBurgmann já inclui selos lubrificados a gás para bombas. As faces desse tipo de selo oferecem uma operação sem contato e com um filme estável de gás entre elas. As opções seriam o selo duplo pressurizados com um gás inerte ou um selo duplo com lado produto pressurizado pelo fluido, enquanto o lado atmosfera é operado com um gás de separação não pressurizado.

Tal selo duplo lubrificado a gás seria perfeito para essa aplicação, mas ele não leva em conta o intangível representado pelas condições transientes imprevisíveis e outros estados críticos.

Alguns fabricantes de vedações, incluindo a EagleBurgmann, têm usado a algum tempo com sucesso a tecnologia de selos lubrificados a gás para bombas. Entretanto, Em aplicações críticas, falhas são problemas recorrentes visto que as vedações necessitam de gás limpo em suas faces em todo momento. Se os fatores descritos acima são também levados em conta, isso se torna uma solução de alto-risco.

Outra possível abordagem para Houston foi um selo lubrificado com líquido com a caixa de selagem pressurizada diretamente a partir da descarga da bomba, pois a pressão disponível neste local é maior. Infelizmente, os selos falham constantemente. Particularmente nos dias quentes de verão quando as temperaturas do lado de fora sobem. O que causaria isso?

Como descrito acima, o líquido Etano tende a ser um gás e para manter o meio no estado líquido, ele teve que ser mantido em uma pressão e temperatura específica, aproximadamente 300-400 PSI (21 – 28 bar) a 60 °F (16°C). Quando a bomba está trabalhando em ótimas condições, a temperatura e a pressão estão no ponto ideal: o líquido Etano flui através da bomba e alcança a selagem do eixo no estado líquido. Mas quando a temperatura externa cresce em dias quentes, a temperatura dentro da bomba cresce proporcionalmente, o Etano na região de selagem vaporiza e então alcança as faces do selo como um gás.

Condições transientes imprevisíveis

Selos lubrificados com líquidos são designados para trabalharem no meio líquido. O meio líquido penetra na folga das faces e as lubrifica. Se frações de gás no meio fazem com que o filme lubrificante saia das faces de selagem, elas trabalham a seco e com isso, ficarão danificadas. No entanto, na prática, muitos selos lubrificados com líquido operam com aplicações de Etano sem problemas. O que todos eles precisam é de uma condição de operação uniforme e estável. Sob condições altamente variáveis, esses selos não conseguem trabalhar perfeitamente.

Selos secos a gás estão aptos a selar Etano por conta própria, considerando que o Etano alcance o selo como um gás. Para o Etano transitar para o estado gasoso, a pressão deve cair, ou a pressão especifica de vapor deve claramente exceder a pressão de selagem. Isso pode ser alcançado rapidamente aquecendo o líquido. Mas utilizar uma fonte externa de aquecimento aumenta a complexidade e requisitos para a equipe de manutenção da planta, o que não seria desejável pelo cliente.

Modificações de projeto, tais como aberturas estreitas e um labirinto no lado do selo produto geram escoamentos turbulentos. O atrito do fluido resultante gera um acumulo de calor e, calor também é gerado nas faces do selo. Quanto menor a abertura de selagem, menor o vazamento, mas maior é o calor gerado. Isto pode ser suficiente para um funcionamento contínuo e estável, mas os riscos ainda permanecem durante o start-up, em baixa rotação ou no modo standby se não houver nenhum calor de fricção.

A typical dry gas seal design

 

 

Uma abordagem não convencional: Selos secos a gás

O time de experts da EagleBurgmann teve uma ideia surpreendente e pouco convencional. Por que não aproveitar as propriedades de um tipo de selo atualmente designado para vedação de compressores, como exemplo, para gases?

Selos secos a gás (DGS) provaram-se extremamente confiáveis como selos mecânicos aplicados em compressores. Eles trazem superfícies de vedação que incorporam ranhuras especificas para gás, estruturadas para serem uni ou bidirecionais. Essas ranhuras permitem o afastamento das faces do selo e o não contato durante a operação. Tal como acontece com os selos lubrificados com líquido onde a operação a seco pode danificar a face do selo, com selos secos a gás é o contato das faces do selo que leva ao desgaste prematuro e, finalmente, a falha da vedação.

Isso acontece porque os selos para compressores também possuem estados críticos de operação: Coast-down (lento e controlado movimento do compressor), turning (operando a baixas velocidades) e ratcheting (girando o eixo em intervalos definidos de 90°) todas essas situações fazem com que as faces do selo, as quais são separadas durante processos normais de operação, venham a entrar em contato. É esse contato durante a operação que pode resultar em danos.

Para superar essas situações a EagleBurgmann desenvolveu e com sucesso aplicou selos secos a gás (Dry gas seals) com um inovador recobrimento de diamante nas faces do selo.

A chave é o recobrimento de Diamante

EagleBurgmann DiamondFace é um revestimento microcristalino de diamante para selos mecânicos extremamente duro e resistente ao desgaste, oferece uma excelente condutividade térmica, máxima resistência química e baixo coeficiente de atrito. A adesão do revestimento também excede todos os requisitos conhecidos. Isso aumenta muitas vezes a vida de serviço do selo mecânico; os intervalos de manutenção são estendidos e, os custos reduzidos.

DF-(P)DGS6 – A solução para meios altamente voláteis

A solução foi utilizar um EagleBurgmann DF-(P)DGS6 (o “P” representa a versão de alta pressão do selo) para uma bomba de Etano líquido que cada vez estava mais propensa a falhas. Trata-se de um selo mecânico com recobrimento DiamondFace que foi projetado especificadamente para meios puramente gasosos.

A bomba de Etano em Houston foi adaptada com o DF-(P)DGS6 e retornou em serviço em Julho de 2011. A solução selou o meio de modo seguro e confiável em ambos os estados: líquido e gasoso. A cobertura de DiamondFace nas faces protege o selo contra danos em condições transientes que podem resultar em operação a seco e contato das faces do selo.

O modo de operação também foi simplificado: Os selos não precisam de Flushing (Plano API 02). Os filtros utilizados anteriormente podem ser omitidos, de modo que, não há a necessidade de mantê-los.

Selo EagleBurgmann DF-DGS6 tipo Tandem com Labirinto interno.

Face estacionária e rotativo do lado processo possuem recobrimento DiamondFace.

1 - Anel deslizante, estacionário

2 - Contra anel, rotativo

3 - Anel de pressão

4 - Mola

5 - Luva de eixo e vedação do contra anel

6 - Luva intermediária

7 - Alojamento (tamanho ajustável para o espaço de instalação)

8 - Porca ajustável para desalinhamento axial

9 - Anel bi-partido

10 – Anel de aperto

11 - Tampa

12 - Labirinto lado processo.

GBI – Entrada de gás de separação (Gas Buffer Inlet)

GBO – Saída de gás de separação (Gas Buffer Outlet)

D - Dreno

Partes amarelas são rotativas, azuis estacionárias, cinza: Alojamentos e eixo da bomba.

Após poucos meses, o cliente reportou que o vazamento de gás Etano para o Sistema do Flare caiu 83%, um valor que melhorou para mais de 90% posteriormente.

Após oito meses, a bomba foi parada e aberta para um reparo no impelidor. O cliente queria que o selo passasse por testes dinâmicos durante este tempo, para que os resultados pudessem ser comparados com os dados originais. O selo foi removido e enviado para a EagleBurgmann em Houston, Texas onde foi testado. As faces do selo não apresentaram qualquer tipo de risco ou marca. Elas pareciam tão boas como se fossem novas.

Os componentes de selagem foram limpos e remontados. O DF-(P)DGS6 foi então testado extensivamente em uma plataforma de ensaio dinâmico. O selo estava em perfeitas condições e entregue com excelentes resultados (com uma taxa de vazamento abaixo do valor determinado no teste de aceitação), o cliente imediatamente o reinstalou na bomba sem trabalhos adicionais e o selo tem operado sem problemas desde então. Operações por períodos que excedam cinco anos agora é possível com a solução DF-(P)DGS6.

Mais de 150 selos EagleBurgmann DF-(P)DGS6 estão sendo utilizados com sucesso em várias diferentes aplicações de GNL em todo o mundo – mais recentemente também em aplicações com CO2.

Para mais informações sobre o selo DF-(P)DGS, entre em contato conosco em: info@us.eagleburgmann.com​.