Специализированные соображения при выборе клапанов

Большинство жидких сред, применяемых в процессной промышленности, представляют собой нефтяные и газовые потоки с различной степенью коррозионной активности. Эти режимы течения, включая соответствующие потоки сред, классифицируются как чистые, загрязнённые или абразивные (в случае суспензионных условий); различие между ними в основном заключается в количестве и типе взвешенных твёрдых частиц, которые могут вызывать засорение арматуры или коррозионное повреждение. Кроме того, потоки сред, содержащих серу и другие смеси, при сочетании с высокими температурами способствуют формированию коррозионно-агрессивной среды. Такие потоки требуют тщательного подбора материалов для обеспечения надлежащего срока службы арматуры. Инженеры по коррозии продолжают проводить исследования и разрабатывать материалы, направленные на решение этих проблем.
　　Во-первых, специальный клапан установки гидрокрекинга и коксования.
　　Установка глубокого риформинга с замедленным коксованием представляет собой процесс разложения шламового нефтяного масла путём глубокого термического крекинга с получением газа, лёгких дистиллятов и кокса; это важное средство для нефтеперерабатывающих заводов, позволяющее повысить выход лёгких нефтепродуктов и увеличить производство нефтяного кокса. Процесс делится на две стадии: коксование и декоксование. Коксование осуществляется непрерывно, тогда как декоксование — периодически. Вход и выход нагревательной печи и коксовой башни соединены четырёхходовыми клапанами. Эти клапаны служат ключевым каналом для переключения потока из нагревательной печи в коксовую башню; они относятся к специальным клапанам, применяемым в условиях высоких температур, и их качество напрямую влияет на производительность установки. Как при проектировании новых отечественных установок, так и при модернизации старых в основном используются импортные четырёхходовые пробковые клапаны, однако их стоимость весьма высока. Отечественные же четырёхходовые клапаны, как правило, характеризуются неоптимальной конструкцией, нестабильным качеством и частыми поломками.
　　Гидрокрекинг на нефтеперерабатывающих заводах является одним из основных процессов переработки сырой нефти. Поскольку установка гидрокрекинга работает при высоких температурах и давлениях, а рабочей средой являются легковоспламеняющийся и взрывоопасный водород и углеводороды, условия эксплуатации отличаются особой сложностью, поэтому уплотнения должны быть надёжными. В связи с этим к конструкции и исполнению арматуры предъявляются высокие требования. В настоящее время в отечественной практике наиболее широко применяются клиновые задвижки из нержавеющей стали и шаровые краны с прямым потоком.
　　Во-вторых, нефтегазовый клапан
　　Для обеспечения управления потоком нефти и газа клапаны для нефти и газа должны обладать следующими основными эксплуатационными характеристиками: герметичностью, прочностью при воздействии давления, безопасностью, регулируемостью, удобством управления потоком рабочей среды и высокой манёвренностью переключения. В условиях работы с высоконапорными, горючими и взрывоопасными нефтегазовыми средами прежде всего необходимо решить задачу обеспечения герметичности, учитывая специфические условия эксплуатации и требования к клапанам для нефти и газа.
　　① В условиях эксплуатации влажного природного газа, содержащего сероводород и диоксид углерода, к материалу корпуса клапана предъявляются особые требования;
　　② в устьевом оборудовании и системе сбора и транспортировки при наличии рассола, остаточной кислоты и других коррозионно-агрессивных сред — выбор материалов корпуса клапанов и требования к антикоррозионной защите;
　　③ Пыль и твёрдые частицы ускоряют эрозию и абразивный износ запорных элементов клапана, что приводит к быстрому выходу уплотнений из строя;
　　④ В условиях открытой местности на плато, в пустыне и в высокогорных холодных районах материал клапанов подвержен хрупкости при низких температурах, изгибной деформации и т. п.;
　　⑤ Специальные клапаны для нефте- и газопроводов дальнего транспорта, срок службы которых должен соответствовать сроку службы самой магистрали — десятилетия без замены.
　　Все это свидетельствует о том, что специальные клапаны для нефтяной и газовой промышленности отличаются от обычных клапанов: в условиях экстремальной эксплуатации они должны обладать высокой надёжностью, а также соответствовать требованиям по высокой прочности и герметичности.
　　В-третьих, условия, содержащие хлор
　　Условия, связанные с использованием хлора, должны соответствовать рекомендациям Американского института хлора по выбору клапанов для «сухой хлорной трубопроводной системы».
　　Условия, связанные с хлором или жидким хлором, являются крайне коррозионно-агрессивными, особенно в случае присутствия воды. При смешивании хлора с водой образуется HCl (соляная кислота), которая вызывает коррозию корпуса клапана и его внутренних деталей. Поскольку хлор обладает высоким коэффициентом теплового расширения, при заключении жидкого хлора в полости клапана это приводит к быстрому повышению давления в этой полости. Клапаны, эксплуатируемые в таких условиях, должны быть оснащены надёжной функцией сброса избыточного давления в полости.
　　Четвёртое: замораживание (криогенные условия)
　　Хотя клапаны для криогенных условий изготавливаются в соответствии со стандартами ASME B16.34 и API, они также обладают другими конструктивными особенностями, обеспечивающими их надёжную эксплуатацию в криогенных условиях. Такие клапаны могут быть оснащены удлинёнными крышками, которые отводят уплотнительное устройство и механизм управления подальше от криогенной жидкости, что позволяет осуществлять регулировку сальникового уплотнения на более высокой температуре и предотвращает замерзание механизма управления клапана в процессе эксплуатации. Подробные сведения о таких удлинённых крышках приведены в стандарте MSS SP-134.
　　V. Обслуживание плавиковой кислоты
　　Клапаны, предназначенные для эксплуатации в условиях работы с фтористоводородной кислотой, должны ограничиваться только теми типами клапанов, которые уже доказали свою надёжность в реальных условиях эксплуатации или были успешно испытаны на способность выдерживать такие условия. Предпочтение следует отдавать клапанам, в которых обычно не возникает условий для накопления твёрдых частиц. Работы по обращению с фтористоводородной кислотой должны выполняться сертифицированными специалистами, осуществляющими строгий контроль за указанными клапанами. Конструктивные и материальные требования, а также детали внутренней геометрии этих клапанов весьма подробны (как правило, это клапаны из углеродистой стали со специальной внутренней арматурой из монеля или с цельномонельной внутренней арматурой), и такие клапаны должны быть спроектированы с учётом специальной конструкции, обеспечивающей устойчивость к коррозии под воздействием фтористоводородной кислоты. В условиях, связанных с содержанием фтористоводородной кислоты, контроль и испытания клапанов должны проводиться по более жёстким стандартам, чем те, которые применяются к обычным технологическим клапанам.
　　Шесть, условия, содержащие водород
　　Такое условие при использовании клапанов по сравнению с традиционными литыми изделиями зачастую обеспечивает их высокое качество литья. Поскольку водород является крайне проницаемой жидкостью, при эксплуатации сварных соединений клапанов класса давления не ниже 600 фунтов применяются меры по снижению потенциального источника утечки.
　　Стандарт API 941 охватывает широкий диапазон условий содержания водорода при выборе и использовании материалов.
　　Семь, условия, содержащие кислород
　　При эксплуатации клапанов в условиях, связанных с присутствием кислорода, следует руководствоваться стандартом Американской ассоциации сжатых газов CGA G4.4–2003 «Системы трубопроводов для кислорода». Клапаны, используемые в данном сервисе, должны быть полностью обезжирены, чистыми и устанавливаться в чистых условиях; при этом они должны быть надлежащим образом упакованы и герметично закрыты, поскольку масла и смазочные материалы крайне пожароопасны в присутствии кислорода. Рекомендации по этому вопросу содержатся в стандарте CGA G4.1 «Оборудование для очистки систем, обслуживающих кислород». Перед монтажом необходимо обеспечить надлежащие условия обращения и хранения.
　　Для предотвращения искрения и воспламенения, вызванных энергичными механическими столкновениями, часто используются латунные или монелевые корпуса клапанов и внутренние детали, соответствующие требованиям к эксплуатации в условиях присутствия кислорода. Для использования в условиях присутствия кислорода доступны специально разработанные смазки на силиконовой основе, поскольку стандартные углеводородные смазочные материалы не допускаются к применению в присутствии кислорода.
　　VIII. Пульсирующий или нестабильный поток
　　При пульсирующем или нестабильном потоке в обратном клапане его выбор требует особого внимания: например, при использовании обратного клапана в поршневых компрессорах изменения расхода могут сопровождаться быстрым открытием и закрытием, что может привести к гидравлическому удару и повреждению клапана. По поводу применения клапанов в условиях пульсирующего и нестабильного потока существуют различные мнения, однако обычно для таких условий рекомендуются дисковые обратные клапаны, обратные клапаны с наклонной пластиной и осевые обратные клапаны.
　　Девять, условия, содержащие кислоту (влажные условия с H2S)
　　При эксплуатации материалов клапанов в условиях, сопровождающихся воздействием кислот, следует руководствоваться стандартом NACE MR0103. Данный стандарт, применяемый в downstream-секторе нефтегазоперерабатывающей отрасли, устанавливает предельные значения твёрдости всех сталей; требует раствора́нного отжига аустенитных сталей; запрещает использование определённых материалов для деталей, работающих под давлением (включая штоки клапанов); а также предусматривает специальные требования к болтовым и сварным клапанам.
　　Следует обратить внимание на ответственность пользователя, установленную в стандарте NACE MR0103, согласно которому пользователь обязан подробно указать, подвергаются ли болты воздействию сред, содержащих H2S. Если пользователь не оговорит иное, болты, не находящиеся внутри клапана — например, болты соединения крышки — как правило, регулируются соответствующими стандартами на продукцию, при этом условия эксплуатации с содержанием серы в данном стандарте не предусмотрены. Крепление корпуса к крышке не обязано соответствовать требованиям NACE, если материал болтов не подвергается непосредственному воздействию технологических жидкостей. Однако если утечка серы из нефти, содержащей серу, не может быть устранена или испарена (например, путём отключения клапана), то болтовое соединение должно соответствовать требованиям стандарта NACE.
　　Если материалы, допускаемые по стандарту NACE, не считаются необходимыми, особое внимание следует уделить материалам болтовых соединений. Установленное требование по твёрдости приведёт к снижению прочности. Прочность болтов соединения крышки будет уменьшена и может оказаться недостаточной для тех же проектных условий, что и при использовании стандартного материала болтов.
　　X. Вязкие или отверждаемые условия
　　При работе клапана с вязкими или застывшими жидкостями, такими как жидкая сера или тяжёлая нефть, для обеспечения его работоспособности часто требуется применение паровой обмотки или парового кожуха, чтобы поддерживать достаточную рабочую температуру. Особое внимание следует уделять обратным клапанам из-за эксплуатационных проблем, связанных с гистерезисной реакцией.