Contrôle de l'environnement de la chambre d'étanchéité

La réduction de la température dans la chambre de la garniture offre de nombreux avantages pour les performances et la fiabilité d'une garniture mécanique fonctionnant à chaud. C'est l'un des moyens les plus efficaces d'augmenter la marge de pression de vapeur et d'empêcher le liquide pompé de jaillir dans la chambre du joint ou à l'interface des faces du joint mécanique. De plus, l'abaissement de la température de la chambre du joint augmente également la viscosité du fluide, fournissant un film de fluide plus stable à l'interface des faces du joint.

Un procédé permettant d'obtenir une réduction de température consiste à faire circuler le fluide depuis la chambre d'étanchéité à travers un échangeur de chaleur et à renvoyer le fluide refroidi dans la chambre d'étanchéité. L'échangeur de chaleur est souvent appelé « refroidisseur de joint » car il ne fait pas partie du processus, mais simplement un composant auxiliaire du système. Cet agencement de tuyauterie est connu sous le nom d'API Plan 23. Lorsqu'il est installé, utilisé et entretenu correctement, un Plan 23 est l'une des méthodes les plus efficaces pour abaisser la température de la chambre du joint.

Le fluide est mis en circulation à travers l'échangeur de chaleur par un anneau de pompage incorporé dans la conception de la garniture mécanique. L'anneau de pompage, généralement une roue fendue ou une volute hélicoïdale, tourne avec l'arbre de la pompe et fonctionne comme une pompe miniature dans la chambre d'étanchéité. Par rapport à la roue principale sur l'arbre de la pompe, l'anneau de pompage ne génère qu'une fraction extrêmement faible de la hauteur de pression et du débit. Ainsi, il est d'une importance critique que la conception, la sélection et l'installation du circuit d'écoulement soient optimisées pour fournir le moins de résistance à l'écoulement, maximisant ainsi le taux de circulation et la capacité de l'énergie thermique à être transférée de la chambre d'étanchéité à l'échangeur de chaleur.

Trois éléments principaux du circuit d'écoulement peuvent être optimisés :

L'échangeur de chaleur doit être d'une taille appropriée pour dissiper la charge thermique qui y est placée tout en offrant une résistance minimale à l'écoulement. Les échangeurs de chaleur à calandre et tubes refroidis à l'eau répondent à ces exigences et sont souvent le premier choix pour une conception d'échangeur de chaleur. Les échangeurs de chaleur à plaques, bien que compacts et avec de grands taux de transfert de chaleur, doivent être évités car leur résistance à l'écoulement est élevée. Les échangeurs de chaleur refroidis par air peuvent être utilisés dans les installations à contrainte d'eau. Cependant, une conception et une sélection minutieuses sont nécessaires pour répondre à la capacité de refroidissement nécessaire sans être excessivement grande.

La méthode préférée pour connecter l'échangeur de chaleur à la chambre d'étanchéité consiste à utiliser des tubes étirés (là où les codes et les normes le permettent). Le diamètre doit correspondre à celui du serpentin de l'échangeur de chaleur. En cas de doute, une taille plus grande doit être choisie. Notez que des tailles excessivement grandes ne donneront pas de résultats positifs et peuvent nuire à la réduction de la résistance à l'écoulement du circuit. Pour minimiser la résistance à l'écoulement dans la tubulure, les vannes doivent être évitées. Si nécessaire, il doit s'agir de vannes à opercule à passage intégral ou de vannes à boisseau sphérique ¼ de tour verrouillables. Le nombre de coudes dans le tube doit également être minimisé, en utilisant uniquement des coudes à long rayon et en évitant l'utilisation de raccords courts à 90 degrés. La longueur totale de la tuyauterie doit être réduite au minimum.

Lorsqu'il y a suffisamment d'espace dans la chambre du joint, les conceptions d'anneau de pompage les plus efficaces et les orifices de rinçage délivrant le fluide vers et depuis l'anneau de pompage sont conçus comme une partie intégrante du joint mécanique et de son logement (voir Figure 1). Cela permet au fabricant de joints d'optimiser l'emplacement des orifices de rinçage pour obtenir la pression et le débit maximum de l'anneau de pompage. Il permet également le bon chemin d'écoulement de refroidissement à travers le joint mécanique, garantissant que le fluide froid est livré aux faces du joint mécanique.

Pour les pompes à arbres horizontaux, l'orifice de rinçage doit être situé en haut du logement du joint pour permettre à la chambre du joint d'être purgée de tout gaz emprisonné, et l'orifice de rinçage doit être situé au niveau ou en dessous de l'axe de l'arbre. Les arbres verticaux doivent avoir l'orifice de rinçage au point le plus élevé de la chambre du joint pour obtenir une ventilation complète. Cela nécessite généralement l'utilisation d'un anneau de pompage à écoulement axial avec l'orifice de rinçage situé sous l'anneau de pompage.

Étant donné que le circuit d'écoulement Plan 23 n'est pas véritablement une boucle fermée, une perte de fluide refroidi dans la chambre d'étanchéité se produit lorsque le fluide entre et sort de la gorge de la chambre d'étanchéité. Ce mélange de fluide chaud provenant de la pompe et de fluide refroidi dans la chambre d'étanchéité peut être minimisé par l'ajout d'une bague de gorge de chambre d'étanchéité à dégagement réduit. Une douille fixe convient dans la plupart des cas. Cependant, des jeux plus serrés peuvent être obtenus avec l'utilisation d'une douille flottante. C'est une bonne pratique d'exécuter les bagues flottantes contre une surface renouvelable, comme un manchon, plutôt que contre l'arbre nu de la pompe. Cette douille peut être intégrée dans la conception de la garniture mécanique ou installée en tant qu'élément séparé dans la gorge de la chambre de garniture. Lorsqu'il est installé en tant qu'élément séparé, le coussinet doit être remplacé à chaque changement de joint mécanique pour minimiser le mélange des fluides chauds et froids dans la chambre du joint. La méthode de rétention de la bague doit tenir compte des différences de température du corps de pompe, qui sera proche de la température du procédé, et des pièces de la bague qui sont plus proches de la température de joint beaucoup plus basse.

L'échangeur de chaleur doit être monté dans une position au-dessus et sur le côté du joint mécanique afin que de courtes longueurs de tuyauterie directes puissent être réalisées pour connecter les orifices de rinçage de la chambre du joint (ou du joint mécanique) à l'échangeur de chaleur. Cela peut aider le débit de l'anneau de pompage pendant que la pompe fonctionne et continuer à créer un débit pendant que la pompe est inactive.

La tubulure d'interconnexion entre les orifices de rinçage de la chambre du joint (ou du joint mécanique) et l'échangeur de chaleur doit être inclinée vers le haut vers un évent de point haut à une pente minimale de 0,5 pouces par pied (40 millimètres par mètre). Comme les tubes d'interconnexion seront chauds pendant le fonctionnement, le risque de brûlures par contact pour le personnel d'entretien et d'exploitation est présent. Les pare-chaleur à mailles expansées sont la méthode préférée pour atténuer les risques de brûlure, car ils permettent à la convection naturelle de la chaleur de se produire à partir du tube exposé. Pour les installations où l'espace est restreint, une isolation mécanique peut être utilisée pour atténuer les risques.

L'orientation de l'échangeur de chaleur doit être choisie de manière à ce que tout air emprisonné dans les serpentins de refroidissement puisse s'écouler naturellement vers un point haut et être ventilé. L'emplacement et la hauteur de l'échangeur de chaleur doivent être choisis de manière à faciliter l'accès pour l'entretien de l'échangeur de chaleur tout en minimisant l'impact de l'accès à la pompe pour l'entretien. L'échangeur de chaleur ne doit jamais être monté directement au-dessus de la pompe ou du moteur.

Avant de démarrer la pompe, le processus et le côté eau de l'échangeur de chaleur doivent être purgés de tout air ou vapeur emprisonné. Les évents de point haut montés à la fois sur la tuyauterie d'eau de refroidissement et sur la tuyauterie de procédé facilitent l'aération. La ventilation du côté procédé permet également de ventiler l'échangeur de chaleur, la chambre d'étanchéité et la tubulure d'interconnexion. La ventilation côté procédé nécessite souvent des considérations de dimensionnement et d'acheminement spéciales en fonction des propriétés du fluide, de la pression du système, de la température et des dangers. La conception doit garantir une capacité de ventilation efficace tout en maintenant un fonctionnement sûr.

Le nettoyage de l'échangeur de chaleur doit être effectué lorsqu'une perte d'efficacité est apparente. Normalement, cela résulte de l'encrassement du côté eau de refroidissement de l'échangeur de chaleur. La vitesse à laquelle l'encrassement se produit dépend de la qualité de l'eau de refroidissement et de la charge thermique placée sur l'échangeur de chaleur. Les zones où l'eau est dure nécessiteront un nettoyage fréquent de l'échangeur de chaleur pour éliminer le tartre minéral. L'échangeur de chaleur doit être nettoyé à chaque changement de joint.

Il existe certaines applications où cette solution peut ne pas être le choix idéal :

Pour ces situations, des méthodes de refroidissement alternatives telles que API Plan 21 ou Plan 32 doivent être envisagées. Le besoin de refroidissement de la chambre du joint peut également être éliminé par l'utilisation d'un joint à double pression.

API Plan 23 fournit une méthode efficace de contrôle de la température de la chambre du joint autour du joint mécanique. Cette réduction de la température de la chambre du joint peut supprimer la vaporisation et améliorer les propriétés du fluide à l'interface des faces du joint mécanique, ce qui améliore la fiabilité du joint.

Le mois prochain : Quelles précautions sont nécessaires lors de l'utilisation des tableaux de couple d'un fabricant de joints ?

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Mark Savage est chef de groupe de produits chez John Crane, responsable de la conception, du développement et de l'application de joints à soufflets métalliques pour compresseurs, pompes et machines tournantes. Il a travaillé dans l'industrie de l'étanchéité pendant 23 ans et a été impliqué dans le développement des meilleures pratiques pour les joints d'arbre et leurs systèmes de support. M. Savage est titulaire d'un baccalauréat en génie de l'Université de Sydney, en Australie.