Клапаны для СПГ: 8 факторов, определяющих выбор для работы в криогенных условиях

Клапаны для СПГ — это важнейшие узлы регулирования потока, которые используются во всех системах добычи, хранения, транспортировки, погрузки, разгрузки и регазификации сжиженного природного газа. К их основным функциям относятся: отсечка трубопроводов СПГ, регулирование расхода и давления, предотвращение обратного потока, управление последовательностью действий при аварийном отключении, а также защита оборудования от небезопасных условий эксплуатации.

Сжиженный природный газ — это природный газ, охлажденный примерно до −162 °C или −260 °F, что позволяет хранить и транспортировать его в жидком состоянии. При такой температуре в обычных промышленных клапанах могут наблюдаться охрупчивание материала, усадка уплотнений, чрезмерные утечки, увеличение рабочего момента или повреждения, вызванные термическим усадкой.

Поэтому надёжные клапаны для СПГ должны проектироваться как комплексные криогенные узлы. Материалы корпуса клапана, седла, уплотнение штока, удлинители крышки, устройства сброса давления в полости, приводы, процедуры испытаний и ориентация при монтаже — всё это необходимо оценивать с учётом реальных условий технологического процесса СПГ.

Компания «Fujian JST Valve Manufacturing Co., Ltd.» обладает почти 33-летним опытом в области проектирования промышленных арматур. Компания JST Valve предлагает индивидуальные решения в области арматуры для низкотемпературных, коррозионных, высоконапорных, абразивных и других сложных промышленных условий эксплуатации. Конструкция арматуры, материалы, системы уплотнения, приводы и требования к испытаниям могут быть сконфигурированы в соответствии с техническими паспортами заказчика и проектными спецификациями.

Что такое клапаны для СПГ?

Клапаны для СПГ — это клапаны, разработанные или подобранные для использования в системах сжиженного природного газа и связанных с ними криогенных или низкотемпературных технологических системах. В зависимости от места установки они могут вступать в прямой контакт со СПГ, холодными парами природного газа, отпаровывающимся газом, хладагентами, технологическими жидкостями или природным газом при температурах, превышающих основную температуру криогенного технологического процесса.

Не все клапаны на терминале СПГ работают при температуре −162 °C. Линии подготовки газа на добывающих участках, компрессорные установки, установки утилизации паров, инженерные сети и трубопроводы регазифицированного газа могут работать при значительно отличающихся температурах и давлениях. Поэтому расчетная температура, указанная в техническом паспорте клапана, должна отражать фактические условия эксплуатации на конкретном технологическом участке, а не общую температуру, характерную для СПГ.

Правильно подобранный клапан для СПГ должен обеспечивать герметичность при заданном давлении, плотность прилегания седла, приемлемый рабочий крутящий момент, надежность уплотнения штока и надежное срабатывание в режиме нормальной эксплуатации, при охлаждении, запуске, остановке и в аварийных ситуациях.

Где применяются клапаны для СПГ

Объекты по производству СПГ включают в себя множество технологических этапов, на каждом из которых арматура выполняет различные функции. Типичные области применения включают:

• Системы предварительной очистки природного газа и удаления примесей
• Установки сжижения и контуры хладагента
• Криогенные резервуары для хранения СПГ и сопутствующие трубопроводы
• Погрузочные рукава для СПГ и судовые погрузочные системы
• Распределительные коллекторы для погрузки и разгрузки судов-газовозов
• Автомобильные, железнодорожные, контейнерные и бункеровочные станции
• Системы улавливания отпаривающихся газов и компрессорные установки
• Насосы для СПГ, испарители и оборудование для регазификации
• Трубопроводы подачи топливного газа и отвода газа
• Системы аварийного отключения и изоляции технологических процессов

Почему обслуживание криогенного СПГ представляет собой сложную задачу

При криогенных температурах материалы клапана сжимаются. Различные компоненты могут сжиматься с разной скоростью, что приводит к изменению зазоров между шариком, диском, седлом, штоком, корпусом, крышкой, сальником и подшипниками. Клапан, который обеспечивает надлежащую герметичность при температуре окружающей среды, после охлаждения может вести себя иначе.

Низкая температура также может снизить вязкость или гибкость неподходящих материалов. Мягкие седла и эластомерные уплотнения необходимо тщательно подбирать, поскольку не каждый полимер или эластомер сохраняет надлежащие свойства при температурах СПГ.

Еще одной проблемой является скопление жидкости. Если СПГ оказывается изолированным внутри закрытой полости корпуса и впоследствии поглощает тепло, он может испариться и вызвать резкое повышение давления в полости. Поэтому криогенные шаровые краны могут потребовать установки системы сброса давления в полости, утвержденной в рамках проекта, например конструкции седла с самосбросом давления или другого инженерного решения для сброса давления.

8 факторов, определяющих выбор клапанов для СПГ

1. Минимальная расчетная температура

Минимальная расчетная температура — один из первых параметров, которые необходимо учитывать при выборе клапанов для СПГ. Она определяет допустимые материалы корпуса, крышки, штока, крепежных элементов, седла, сальника, прокладки и привода.

В технических характеристиках клапана следует проводить различие между нормальной рабочей температурой, минимальной рабочей температурой, минимальной расчетной температурой металла, условиями охлаждения и возможным воздействием холодного пара. Указание только “эксплуатация с СПГ” не является достаточным для точного подбора клапана.

2. Материалы корпуса клапана и его внутренних деталей

Аустенитные нержавеющие стали обычно рассматриваются в качестве материала для непосредственного применения в криогенных установках СПГ, поскольку они способны сохранять необходимую вязкость при очень низких температурах. В зависимости от конкретного применения могут также предписываться определенные никелевые сплавы и другие материалы, прошедшие испытания на низкотемпературную стойкость.

Низкотемпературные углеродистые стали могут применяться в более теплых участках комплекса по производству СПГ, если их сертифицированные температурные пределы соответствуют требованиям, однако их не следует автоматически использовать для трубопроводов, в которых может достигаться полная температура СПГ.

Окончательный выбор материала должен основываться на расчетной температуре, классе давления, составе технологической среды, требованиях к коррозионной стойкости, требованиях к испытаниям на ударную вязкость, применимых стандартах, а также на утвержденной заказчиком спецификации материала.

3. Расширенная защита крышки и уплотнения штока

Во многих криогенных клапанах для СПГ используется конструкция с удлинённой крышкой или удлинённым штоком. Такое удлинение позволяет разместить сальник и уплотнительные элементы штока подальше от самой холодной зоны технологического процесса.

Длину удлинителя крышки и ориентацию его установки необходимо тщательно выбирать. При проектировании также следует учитывать толщину изоляции, доступность, образование инея, крепление привода, теплопроводность и возможность попадания холодных паров в зону сальника.

4. Конструкция сиденья и герметичность

Конструкция седла напрямую влияет на герметичность, рабочий крутящий момент, износ, давление в полости и срок службы. Криогенные седла должны выдерживать изменения размеров в процессе охлаждения, сохраняя при этом требуемую уплотнительную нагрузку.

В зависимости от типа клапана и требований проекта в системе уплотнения могут использоваться седла из полимеров, пригодных для работы в криогенных условиях, армированные полимерные седла, металлические седла, упругие вставки или композитные конструкции. Необходимые критерии допустимой утечки должны быть определены до составления коммерческого предложения и начала производства.

5. Класс давления и перепад давления

Класс давления клапана сам по себе не определяет его пригодность к эксплуатации. Максимальный перепад давления влияет на нагрузку на седло, крутящий момент штока, силы, действующие на тарелку или шарик, размеры привода, а также на способность клапана открываться или закрываться в аварийных ситуациях.

Заказчики должны указать расчетное давление, рабочее давление, перепад давления при перекрытии, направление потока, требования к сбросу давления, а также максимальное давление, которое может возникнуть в условиях перекрытия или теплового расширения.

6. Требования по пожарной безопасности и к неорганизованным выбросам

На объектах по производству СПГ используются легковоспламеняющиеся углеводородные жидкости, поэтому технические условия проекта могут включать требования к испытаниям на огнестойкость, антистатическую конструкцию, стойкие к выбросу штоки, контролируемые внешние утечки, а также показатели по неорганизованным выбросам.

Эти требования должны быть подтверждены с учетом конкретной модели клапана, его размера, номинального давления, конфигурации седла и выбранного стандарта. Общее утверждение о том, что клапан является “пожаробезопасным”, не должно заменять документацию и испытательные требования, предусмотренные конкретным проектом.

7. Рабочие характеристики привода и системы аварийного отключения

Для привода клапанов СПГ могут использоваться пневматические, гидравлические, электрические или электрогидравлические приводы. Привод должен обеспечивать достаточный крутящий момент или тягу в самых сложных условиях эксплуатации, включая низкую температуру окружающей среды, максимальный перепад давления, трение удлиненного штока и режим аварийного отключения.

Технические характеристики привода могут включать:

• Режим «открытие при сбое», «закрытие при сбое» или «оставление в исходном положении при сбое»
• Обязательное время открытия и закрытия
• Минимальные требования к подаче воздуха, гидравлической или электрической энергии
• Испытания с частичным или полным ходом
• Индикация положения — локальная и удаленная
• Классификация электрооборудования для взрывоопасных зон
• Требования к огнестойкости или к охране окружающей среды

8. Криогенные испытания и документация

Одних лишь испытаний при атмосферном давлении и на седле может оказаться недостаточно для оценки работоспособности клапана при температуре СПГ. Поэтому в технических требованиях проекта могут быть предусмотрены низкотемпературные производственные испытания, криогенные типовые испытания, испытания на неконтролируемые выбросы, отслеживаемость материалов, протоколы испытаний на ударную прочность, неразрушающий контроль, а также функциональные испытания привода.

В объеме испытаний должны быть указаны: испытательная температура, испытательная среда, положение клапана, пределы утечки, количество рабочих циклов, уровни давления, метод измерения, требования к присутствующим свидетелям, а также документация, которая должна быть представлена вместе с клапаном.

Распространенные типы клапанов, используемых на объектах СПГ

На мобильных устройствах проведите пальцем по экрану в горизонтальном направлении, чтобы увидеть таблицу полностью.

Требования к материалам для клапанов СПГ

При выборе материалов для клапанов для СПГ необходимо учитывать как низкотемпературную вязкость, так и технологическую совместимость. Выбранные материалы должны оставаться пригодными для эксплуатации при заданных расчетных температурах и давлениях, а также соответствовать проектным требованиям в отношении коррозионной стойкости, свариваемости, термообработки, испытаний на ударную вязкость, прослеживаемости и неразрушающего контроля.

Рекомендации по материалам необходимо сверять с полным техническим паспортом проекта и действующими стандартами.

Стандарты, на которые обычно ссылаются при разработке клапанов для СПГ

Применимые стандарты зависят от типа арматуры, условий монтажа, технологической системы, требований заказчика и законодательства. В проектной документации могут указываться стандарты, касающиеся проектирования низкотемпературной арматуры, арматуры для трубопроводов, номинальных значений давления и температуры, криогенных испытаний, испытаний на огнестойкость, выбросов и оборудования, работающего под давлением.

• ISO 28921-1: Конструкция, материалы, изготовление и производственные испытания отдельных низкотемпературных запорных и обратных клапанов.
• ISO 28921-2: испытания изолирующих клапанов в условиях низких температур.
• ISO 21011: Требования к проектированию, изготовлению и испытаниям клапанов, используемых в криогенных сосудах.
• ASME B16.34: номинальные значения давления и температуры, материалы, размеры, испытания, контроль и маркировка соответствующих промышленных клапанов.
• Спецификация API 6D: требования к клапанам для трубопроводов и трубопроводной арматуре, предусмотренные проектом.

Как компания JST Valve содействует реализации проектов в сфере СПГ

Компания JST Valve в сотрудничестве с заказчиками проводит оценку условий эксплуатации арматуры и разрабатывает индивидуальные решения для конкретных проектов. В зависимости от области применения и утвержденных технических требований в комплект поставки могут входить криогенные шаровые краны, задвижки, клапаны, обратные клапаны, дроссельные клапаны, комплекты арматуры с приводами, а также изготовленная по индивидуальному заказу продукция для регулирования расхода.

Техническая поддержка компании JST Valve может включать:

• Анализ данных о среде, температуре, давлении и перепаде давления
• Выбор материалов для корпуса, отделки, сидений, уплотнений и прокладок
• Конфигурации с удлинённым капотом и удлинённым стержнем
• Оценка сброса давления в полости и направления движения седла
• Комплекты пневматических, электрических, гидравлических или отказоустойчивых приводов
• Индивидуальные размеры, соединения и схемы работы
• Проверка, испытания, отслеживаемость и документация в соответствии с требованиями к закупкам

Информация, необходимая для выбора клапанов для СПГ

Чтобы получить точные технические рекомендации и коммерческое предложение по клапанам для СПГ, пожалуйста, укажите:

• Техническая среда и полный состав жидкости
• Минимальная, нормальная и максимальная рабочая температура
• Минимальная расчетная температура металла
• Рабочее давление и расчетное давление
• Максимальный перепад давления при отключении
• Тип клапана, номинальный диаметр и класс давления
• Требуемое направление потока и ориентация при монтаже
• Требования к критериям приемки по утечкам
• Требования к корпусу, отделке, сиденью, уплотнителям и прокладкам
• Стандарт на торцевое соединение и расстояние между торцами
• Тип привода, положение в случае отказа и требуемое время срабатывания
• Требования к криогенным, противопожарным, эмиссионным и функциональным испытаниям
• Необходимые сертификаты, планы проверок, чертежи и документация
• Количество, график поставки и место назначения проекта

Часто задаваемые вопросы об арматуре для СПГ

Какую температуру должны выдерживать клапаны для СПГ?

Температура при непосредственном использовании СПГ может достигать примерно −162 °C. Однако требуемая расчетная температура клапана зависит от конкретного места установки и условий технологического процесса. Некоторые клапаны на СПГ-комплексе эксплуатируются в более теплых условиях: в низкотемпературных средах, в паровых системах, в системах технического газоснабжения или в средах с регазифицированным газом.

Почему в криогенных клапанах для СПГ используются удлиненные крышки?

Удлиненный колпачок или шток позволяют удалить зону сальника и уплотнения штока подальше от самой холодной зоны технологического процесса. При определении его размеров и ориентации необходимо учитывать теплоизоляцию, теплопроводность, холодный пар, доступность и монтаж привода.

Почему сброс давления в полости имеет важное значение для шаровых кранов, используемых в системах СПГ?

СПГ, скопившийся внутри закрытой полости клапана, может поглощать тепло, испаряться и вызывать рост давления. Поэтому конструкцию седла шарового клапана и направление сброса давления необходимо проверить с учетом схемы трубопроводов проекта и концепции изоляции.

Какие клапаны обычно используются для отключения систем СПГ?

Для отсечки обычно рассматриваются криогенные шаровые и задвижки. Для некоторых систем с трубами большого диаметра могут выбираться клапаны-бабочки, однако окончательный выбор зависит от требований к утечке, перепада давления, рабочего крутящего момента, занимаемого места, веса и проектных стандартов.

Могут ли клапаны для СПГ также регулировать расход и давление?

Да. Поворотные клапаны, регулирующие клапаны, сегментные шаровые клапаны и отдельные модели дроссельных клапанов могут быть спроектированы для регулирования расхода или давления. При расчете размеров регулирующих клапанов необходимо учитывать коэффициент пропускной способности, перепад давления, флэшинг, кавитацию, уровень шума, требуемый диапазон регулирования и время отклика привода.

Может ли компания JST Valve изготавливать клапаны для СПГ по индивидуальному заказу?

Компания JST Valve может провести оценку индивидуальных конфигураций клапанов на основе технологических данных заказчика, чертежей, требований к материалам, применимых стандартов, технических характеристик приводов, плана контроля, объема испытаний и требований к документации.

Технические справочные материалы

Дополнительную техническую информацию можно получить по адресу

Обзор по СПГ от Управления энергетической информации США



Стандарт ISO 28921-1 на низкотемпературные клапаны



Стандарт ISO 21011 на криогенные клапаны

и

ASME B16.34