Реализация в России крупных проектов по строительству СПГ заводов привела к росту потребности рынка в криогенном оборудовании. Это изделия, к которым предъявляются повышенные требования по надёжности и ресурсу, поскольку они должны работать при критично низких температурах рабочей среды. Традиционно поставщиками криогенной трубопроводной арматуры выступали иностранные производители, но в последнее время в рамках программы импортозамещения появляются разработки и отечественных компаний. Группа компаний ПТПА предлагает криогенные шаровые краны и клиновые задвижки, спроектированные в соответствии с требованиями международных стандартов BS и ISO, но при этом изготовленные на территории России, включая проведение испытаний в криокамере.
Согласно российским нормам к криогенной арматуре относятся изделия, которые эксплуатируются при температуре рабочей среды менее – 50°С (по зарубежным нормам – менее -47°С). Минимальная температура, на которую могут устанавливаться краны и задвижки ПТПА это -196°С.
Такая продукции широко применяется на заводах по производству сжиженного природного газа, хладагентов, в процессе переработки углеводородов и в химической промышленности.
Наиболее распространенные криогенные среды:
- Этилен (точка кипения -104°C при атмосферном давлении)
- Метан (точка кипения -162°C при атмосферном давлении)
- Азот (точка кипения -196°C при атмосферном давлении)
- СПГ (сжиженный природный газ) – смесь из метана (90-95%) с небольшим количеством этана, пропана, бутана и азота. Природный газ переводят в жидкое состояние при криогенной температуре ниже минус 162 °C. СПГ в жидком виде занимает в 600 раз меньше объема, чем тоже количество газа в обычном состоянии. В сжиженном состоянии природный газ можно хранить и транспортировать при помощи СПГ танкеров на большие расстояния.
- Криогенные сепараторные установки
- Терминалы приема СПГ
- Рукава для загрузки и разгрузки СПГ
- СПГ танкеры
- Объекты добычи газа на суше и на море (кратковременное охлаждение рабочей среды до криогенных температур)
- Низкотемпературные резервуары для хранения
- Терминалы сжижения природного газа
- Теплообменники хладагента
- Криогенные уловители паров ШФЛУ и многие другие.
Ключевые преимущества криогенной арматуры ПТПА
Конструкция криогенной арматуры должна соответствовать ряду обязательных требований.
1. Подбор материалов с возможностью эксплуатации при криогенных температурах.
Криогенные среды вызывают температурную деформацию материалов арматуры. Все применяемые при изготовлении материалы должны быть устойчивы к длительному воздействию экстремально низких температурю. Разъемные соединения не должны разгерметизироваться за счет потери эластичности уплотнительных материалов. Стали, применяемые для изготовления арматуры должны сохранять стойкость к ударным нагрузкам при минимальной температуре эксплуатации. Все эти аспекты учитываются при проектировании и подборе материалов и подтверждаются испытаниями.Наиболее распространенным материалом для криогенных условий эксплуатации является аустенитная нержавеющая сталь. На ПТПА для материалов основных деталей шарового крана применяются стали A182 F316, AISI 316 и их российские аналоги 10Х17Н13М2Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, а для клиновых задвижек сталь А351 Gr.CF8 и её аналог 12Х18Н10ТЛ.
2. Удлиненный шток и кольцо-уловитель
Во время работы при криогенной температуре корпус арматуры охлаждается и покрывается конденсатом и инеем. Это может стать проблемой при эксплуатации в случае замерзания уплотнений сальникового узла, а также создает риск повреждения приводного устройства. Поэтому обязательной конструктивной особенностью криогенной арматуры является удлинённый шток. За счёт этого создается воздушная прослойка, которая защищает сальниковый узел и управляющее устройство от замерзания. Высота удлинения штока зависит от диаметра трубопровода и типа установки: с теплоизоляцией или без. Также длинный шток позволяет выполнить термоизоляцию арматуры, общую с термоизоляцией трубопровода, что уменьшает нагрев транспортируемой среды и, как следствие энергоподачи в самом технологическом процессе. Дополнительно на шток приваривается кольцо-уловитель для защиты теплоизоляции и корпуса арматуры от конденсата. В арматуре ПТПА удлиненный шток выполняется согласно требований стандартов SPE 77/200 и BS6364
3. Автоматический сброс давления из внутренней полости.
При работе на криогенных средах для арматуры с внутренними полостями (шаровые краны, клиновые задвижки) необходимо наличие разгрузки данных полостей. Это связано с тем, что скопление рабочей среды внутри арматуры в случае нагревания под действием внешнего тепла вызовет резкий рост давления и разрушение корпуса арматуры. Как отмечалось выше, объем СПГ при комнатной температуре увеличивается в 600 раз.
Линейка криогенной арматуры ПТПА в настоящее время представлена двумя типами арматуры, это краны шаровые и задвижки клиновые, диаметр изделий от 15 до 600 мм, давление от 1,6 до 16,0 МПа.
Из конструктивных особенностей шаровых кранов можно выделить несколько важных моментов.
Для автоматического сброса давления из внутренней полости в шаровых кранах с пробкой в опорах используется сочетание механизмов седел с односторонним поршневым эффектом (SPE) и двустороннем поршневым эффектом (DPE). Первым по ходу потока устанавливается седло SPE, которое обеспечивает сбор избыточного давления из корпуса арматуры во входной патрубок. Вторым по ходу потока устанавливается седло DPE, которое обеспечивает герметичность в случае возможной протечки по первому седлу.Для изделий на высокое давление применяется конструкция с пробкой в опорах, что повышает степень надежности арматуры. Краны изготавливаются с разборным корпусом, что позволяет обслуживать арматуру в процессе эксплуатации. При этом существует исполнение как с верхним, так и с боковом разъемом.
Ключевым преимуществом внутри узла крана является применение уплотнительных элементов типа lip-seal. Они установлены на всех подвижных и разъемных соединениях. В качестве основного уплотнения применяется жесткая заделка полимерного материала PСTFE, которая гарантирована показывает стабильность герметичности при критически низких температурах. Дополнительно во всех разъемных и подвижных соединениях применяются уплотнения на основе терморасширенного графита. Они несут функцию дублирующего уплотнения при огневом воздействии на арматуру.
Криогенные клиновые задвижки также оснащены системой сброса давления при помощи специального отверстия на клине. Гибкая конструкция клина позволяет сохранить стабильные показатели герметичности задвижек. Уплотнения из графита обеспечивают надежную работу и герметичность задвижки по отношению к внешней среде во всем диапазоне температур.
Криогенные испытания: подтверждение надежности
Проведение испытаний криогенной арматуры в процессе производства требует применения специального оборудования. В группе компаний ПТПА такое оборудование есть на двух производственных площадках. На PTPA Middle East в Объединённых Арабских Эмиратах установлен испытательный стенд с погружением для арматуры диаметром до 600 мм. На производстве в Пензе оборудована специальная криокамера, которая позволяет проводить испытания арматуры (также диаметром до 600 мм) при температурах до -196°С. В состав оборудования на обоих площадках входит бронированная камера, которая позволяет проводить испытания воздухом до давления 50,0 МПа.
Для проведения испытаний на предмет выбросов в окружающую среду применяется специальная система контроля протечек. Охлаждение изделий осуществляется в автоматическом режиме с выводом всех показателей на графическую панель и видео фиксацией всех этапов испытания. Подача гелия, азота и их смеси осуществляется при помощи компрессора для нагнетания давления с максимальным значением до 240 бар. Безопасность работающего персонала обеспечивается системой контроля уровня кислорода в зонах камеры с автоматической сигнализацией в случае снижения содержания ниже 19,6%.
Испытания проводятся в соответствии с международными стандартами: BS 6364, Shell SPE 77/306 или 77/200, ISO 28921. В качестве испытательной среды используется смесь азот и гелия (99% N2 + 1% He) для температур от -130°C или чистый гелий (He) для температур от - 196°C.
Вся криогенная арматура подвергается следующим видам испытаний: проверка корпусных деталей высоким давлением, проверка седла и узла затвора как высоким, так и низким давлением, фиксируется крутящий момент при самой низкой температуре, а также в обязательном порядке проводится контроль разъёмных соединений для выявления возможных протечек во внешнюю среду.
Особое внимание уделяется контролю протечек при температуре среды -196°C. Разработка уплотнений и зон установки ведется совместно с поставщиками уплотнений с целью обеспечения стабильной герметичности при всем сроке службы изделия. По результатам испытаний крана шарового PTPA Middle East значения допустимых протечек составили половину допустимой нормы, установленной стандартами Shell MESC 77/306, MESC 77/200.
Таким образом работоспособность и надёжность криогенная арматуры ПТПА подтверждается в процессе криогенных испытаний при температуре рабочей среды от -196°C. При этом изделия, выпускаемые на пензенском заводе, являются продуктом, выпуск которого локализован от этапа изготовления до финальных испытаний на территории России.
Автор: Е. Данильчук
