اعتبارات اختيار الختم - تركيب أختام ميكانيكية مزدوجة عالية الضغط

الترتيب 3 الأختام الميكانيكية هيأختام مزدوجةحيث يُحافظ على ضغط تجويف السائل الحاجز بين الأختام أعلى من ضغط حجرة الختم. مع مرور الوقت، طورت الصناعة عدة استراتيجيات لخلق بيئة الضغط العالي اللازمة لهذه الأختام. تُدرج هذه الاستراتيجيات في مخططات أنابيب الختم الميكانيكي. مع أن العديد من هذه المخططات تؤدي وظائف متشابهة، إلا أن خصائص تشغيل كل منها قد تختلف اختلافًا كبيرًا، مما يؤثر على جميع جوانب نظام الختم.

مخطط الأنابيب 53B، كما هو مُعرّف في API 682، هو مخطط أنابيب يضغط سائل الحاجز باستخدام مُراكم مثانة مشحون بالنيتروجين. يعمل المُراكم المضغوط مباشرةً على سائل الحاجز، مُضغطًا نظام الختم بأكمله. يمنع المُراكم التلامس المباشر بين غاز الضغط وسائل الحاجز، مما يُقلل من امتصاص الغاز في السائل. هذا يسمح باستخدام مخطط الأنابيب 53B في تطبيقات ذات ضغط أعلى من مخطط الأنابيب 53A. كما أن طبيعة المُراكم الذاتية تُغني عن الحاجة إلى إمداد مُستمر بالنيتروجين، مما يجعله مثاليًا للتركيبات البعيدة.

مع ذلك، فإن فوائد مُراكم المثانة تُقابلها بعض خصائص تشغيل النظام. يُحدَّد ضغط مخطط الأنابيب 53B مباشرةً بضغط الغاز في المثانة. يمكن أن يتغير هذا الضغط بشكل كبير نتيجةً لعدة متغيرات.

يجب شحن المثانة في المُراكم مسبقًا قبل إضافة سائل الحاجز إلى النظام. يُشكل هذا أساسًا لجميع الحسابات والتفسيرات المستقبلية لتشغيل الأنظمة. يعتمد ضغط الشحن المسبق الفعلي على ضغط تشغيل النظام وحجم السائل الحاجز الآمن في المُراكمات. كما يعتمد ضغط الشحن المسبق على درجة حرارة الغاز في المثانة. ملاحظة: يُضبط ضغط الشحن المسبق فقط عند التشغيل الأولي للنظام، ولن يُضبط أثناء التشغيل الفعلي.

يختلف ضغط الغاز في المثانة تبعًا لدرجة حرارته. في معظم الحالات، تتوافق درجة حرارة الغاز مع درجة الحرارة المحيطة بموقع التركيب. ستشهد التطبيقات في المناطق التي تشهد تغيرات كبيرة في درجات الحرارة يوميًا وموسميًا تقلبات كبيرة في ضغط النظام.

استهلاك السوائل الحاجزةأثناء التشغيل، تستهلك الأختام الميكانيكية سائل الحاجز من خلال تسرب طبيعي. يُعاد ملء هذا السائل بواسطة السائل الموجود في المُراكم، مما يؤدي إلى تمدد الغاز في المثانة وانخفاض ضغط النظام. تعتمد هذه التغييرات على حجم المُراكم، ومعدلات تسرب الأختام، وفترة الصيانة المطلوبة للنظام (مثلاً، 28 يومًا).

يُعدّ تغيير ضغط النظام الطريقة الأساسية التي يتبعها المستخدم النهائي لتتبع أداء السدادات. كما يُستخدم الضغط لإنشاء تنبيهات الصيانة واكتشاف أعطال السدادات. ومع ذلك، ستتغير الضغوط باستمرار أثناء تشغيل النظام. كيف يُضبط المستخدم الضغوط في نظام Plan 53B؟ متى يلزم إضافة سائل حاجز؟ ما كمية السائل التي يجب إضافتها؟

نُشرت أول مجموعة من الحسابات الهندسية لأنظمة الخطة 53B على نطاق واسع في الإصدار الرابع من معيار API 682. يوفر الملحق "و" تعليمات مفصلة حول كيفية تحديد الضغوط والأحجام لخطة الأنابيب هذه. من أهم متطلبات معيار API 682 إنشاء لوحة اسمية قياسية لمراكمات المثانات (API 682 الإصدار الرابع، الجدول 10). تحتوي هذه اللوحة على جدول يبين ضغوط ما قبل الشحن، وإعادة التعبئة، وضغط الإنذار للنظام ضمن نطاق ظروف درجة الحرارة المحيطة في موقع التطبيق. ملاحظة: الجدول المذكور في المعيار هو مجرد مثال، وأن القيم الفعلية ستتغير بشكل كبير عند تطبيقها على تطبيق ميداني محدد.

أحد الافتراضات الأساسية في الشكل 2 هو أن خطة الأنابيب 53B يُتوقع أن تعمل بشكل مستمر ودون تغيير ضغط الشحن المسبق الأولي. كما يُفترض أن النظام قد يتعرض لنطاق كامل من درجات الحرارة المحيطة خلال فترة زمنية قصيرة. لهذه الافتراضات آثار مهمة على تصميم النظام، وتتطلب تشغيله عند ضغط أعلى من ضغط خطط الأنابيب ثنائية الختم الأخرى.

باستخدام الشكل 2 كمرجع، ثُبّت تطبيق المثال في موقع تتراوح فيه درجة الحرارة المحيطة بين -17 درجة مئوية (1 درجة فهرنهايت) و70 درجة مئوية (158 درجة فهرنهايت). يبدو الحد الأقصى لهذا النطاق مرتفعًا بشكل غير واقعي، ولكنه يشمل أيضًا تأثيرات التسخين الشمسي لمُركّم مُعرّض لأشعة الشمس المباشرة. تُمثّل الصفوف في الجدول فواصل درجات الحرارة بين أعلى وأدنى القيم.

عند تشغيل المستخدم النهائي للنظام، سيزيد ضغط سائل الحاجز حتى يصل ضغط إعادة التعبئة إلى درجة الحرارة المحيطة الحالية. ضغط الإنذار هو الضغط الذي يشير إلى حاجة المستخدم النهائي إلى إضافة سائل حاجز إضافي. عند درجة حرارة 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت)، يقوم المشغل بشحن المُراكم مسبقًا إلى 30.3 بار (440 رطل/بوصة مربعة)، ويُضبط الإنذار على 30.7 بار (445 رطل/بوصة مربعة)، ثم يضيف المشغل سائل الحاجز حتى يصل الضغط إلى 37.9 بار (550 رطل/بوصة مربعة). إذا انخفضت درجة الحرارة المحيطة إلى 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت)، سينخفض ​​ضغط الإنذار إلى 28.1 بار (408 رطل/بوصة مربعة) وضغط إعادة التعبئة إلى 34.7 بار (504 رطل/بوصة مربعة).

في هذا السيناريو، يتغير ضغط الإنذار وإعادة التعبئة، أو يطفوان، استجابةً لدرجات الحرارة المحيطة. يُشار إلى هذا النهج غالبًا باسم استراتيجية الطفو-الطفو. يطفوان كلٌّ من الإنذار وإعادة التعبئة، مما ينتج عنه أقل ضغوط تشغيل لنظام الختم. مع ذلك، يفرض هذا متطلبين محددين على المستخدم النهائي: تحديد ضغط الإنذار وضغط إعادة التعبئة الصحيحين. يعتمد ضغط الإنذار للنظام على درجة الحرارة، ويجب برمجة هذه العلاقة في نظام التحكم الموزع (DCS) الخاص بالمستخدم النهائي. يعتمد ضغط إعادة التعبئة أيضًا على درجة الحرارة المحيطة، لذا سيتعين على المشغل الرجوع إلى لوحة الاسم لتحديد الضغط المناسب للظروف الحالية.

يطلب بعض المستخدمين النهائيين نهجًا أبسط، ويرغبون في استراتيجية يكون فيها ضغط الإنذار وضغط إعادة التعبئة ثابتين (أو ثابتين) ومستقلين عن درجات الحرارة المحيطة. توفر استراتيجية "ثابت-ثابت" للمستخدم النهائي ضغطًا واحدًا فقط لإعادة تعبئة النظام وقيمة واحدة فقط لإنذاره. للأسف، يجب أن تفترض هذه الحالة أن درجة الحرارة عند أقصى قيمة، لأن الحسابات تعوّض عن انخفاض درجة الحرارة المحيطة من الحد الأقصى إلى الحد الأدنى. يؤدي هذا إلى تشغيل النظام عند ضغوط أعلى. في بعض التطبيقات، قد يؤدي استخدام استراتيجية "ثابت-ثابت" إلى تغييرات في تصميم الختم أو تصنيفات الضغط الأقصى المسموح به لمكونات النظام الأخرى للتعامل مع الضغوط المرتفعة.

سيستخدم مستخدمون آخرون نهجًا هجينًا يجمع بين ضغط إنذار ثابت وضغط إعادة تعبئة متغير. يُقلل هذا من ضغط التشغيل ويُبسط إعدادات الإنذار. يجب اتخاذ قرار استراتيجية الإنذار الصحيحة بعد مراعاة ظروف الاستخدام، ونطاق درجة الحرارة المحيطة، ومتطلبات المستخدم النهائي.

هناك بعض التعديلات على تصميم مخطط الأنابيب 53B، والتي من شأنها أن تُسهم في تخفيف بعض هذه التحديات. يُمكن للتسخين الناتج عن الإشعاع الشمسي أن يزيد بشكل كبير من درجة الحرارة القصوى للمُرَكِّز (المُرَكِّز) في حسابات التصميم. كما يُمكن وضع المُرَكِّز في الظل أو بناء حاجز شمسي له، مما يُقلل من تأثير التسخين الشمسي ويُقلل من درجة الحرارة القصوى في الحسابات.

في الأوصاف السابقة، يُستخدم مصطلح درجة الحرارة المحيطة للإشارة إلى درجة حرارة الغاز في المثانة. في ظل ظروف درجة الحرارة المحيطة المستقرة أو المتغيرة ببطء، يُعد هذا افتراضًا منطقيًا. في حال وجود تقلبات كبيرة في درجة الحرارة المحيطة بين الليل والنهار، فإن عزل المُراكم يُمكن أن يُخفف من تقلبات درجة الحرارة الفعلية للمثانة، مما يُؤدي إلى درجات حرارة تشغيل أكثر استقرارًا.

يمكن توسيع نطاق هذا النهج ليشمل استخدام تتبع الحرارة والعزل على المُراكم. عند تطبيقه بشكل صحيح، سيعمل المُراكم بدرجة حرارة واحدة بغض النظر عن التغيرات اليومية أو الموسمية في درجة الحرارة المحيطة. ولعل هذا هو خيار التصميم الوحيد الأهم الذي يجب مراعاته في المناطق ذات التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة. يتميز هذا النهج بقاعدة تثبيت واسعة في الميدان، وقد سمح باستخدام Plan 53B في مواقع لم يكن من الممكن الوصول إليها باستخدام تتبع الحرارة.

يجب على المستخدمين النهائيين الذين يفكرون في استخدام مخطط الأنابيب 53B أن يدركوا أن هذا المخطط ليس مجرد مخطط أنابيب 53A مزود بمراكم. فكل جانب تقريبًا من جوانب تصميم النظام، وتشغيله، وتشغيله، وصيانته، في مخطط الأنابيب 53B، فريد من نوعه. معظم الإحباطات التي واجهها المستخدمون النهائيون تنبع من عدم فهم النظام. يمكن لمصنعي المعدات الأصلية (OEMs) إعداد تحليل أكثر تفصيلًا لتطبيق محدد، وتوفير المعلومات الأساسية اللازمة لمساعدة المستخدم النهائي على تحديد هذا النظام وتشغيله بشكل صحيح.