Криогенные запорные клапаны для СПГ-завода Sumber

Решение по пневматическим криогенным клапанам «открыто-закрыто» для завода СПГ Sumber, Индонезия

Криогенный клапан СПГ, пневматический клапан «открыто-закрыто», мини-завод СПГ, клапан FLOWKS, криогенный шаровой клапан

Обзор проекта

Мини-завод СПГ Sumber в Индонезии потребовал полный пакет пневматических клапанов «открыто-закрыто» для изоляции процессов в криогенной и окружающей зонах эксплуатации. FLOWKS был выбран для поставки смешанного портфеля клапанов — поворотных клапанов с осевым центрированием, вентилей и шаровых клапанов — все с пневматическим приводом и пружинным возвратом с закрытием при отказе.

Мини-заводы СПГ работают иначе, чем обычные СПГ-сооружения. Площадь оборудования меньше, технологические циклы происходят чаще, и каждый клапан должен выполнять двойную функцию: рутинную изоляцию при нормальной эксплуатации и быстрое перекрытие при аварийных ситуациях. Это предъявляет реальные требования к времени отклика привода, герметичности седла при перепадах температур и способности продолжать функционировать после месяцев нахождения в одном положении.

Условия эксплуатации и инженерные проблемы

Эксплуатация СПГ означает работу при температурах до -196°C. При этой температуре обычная углеродистая сталь становится хрупкой. Стандартные эластомерные седла разрушаются. Уплотнения замерзают. Соединения штока с приводом ослабевают из-за дифференциального термического сжатия. Всё это не теоретично — это происходит, когда клапан устанавливается в службу жидкого метана без продуманного подбора материалов.

Сооружение Sumber также имеет технологические линии окружающей температуры — охлаждающая вода, приборный воздух, пожарная вода — где требования к клапанам совершенно иные. Нужна коррозионная стойкость, а не криогенная вязкость. Седла EPDM, а не PCTFE. Стандартный крепёж, а не криогенный B8M.

Таким образом, инженерная задача состояла не в одной проблеме. Их было две: криогенная изоляция на технологической стороне и надёжная изоляция при окружающей температуре на вспомогательной стороне, в рамках одного пакета клапанов и одного графика поставки.

Стратегия подбора клапанов

[Поворотные клапаны](https://flowks.com/products/cryogenic-valves/cryogenic-butterfly-valve-with-inspection-port) для вспомогательной службы

Вспомогательные линии — охлаждающая вода и общее обслуживание — нуждались в изоляции большого диаметра. Поворотные клапаны были логичным выбором. Мы поставили поворотные клапаны с осевым центрированием с корпусами типа lug из ковкого чугуна (A536), с дисками из нержавеющей стали CF8M и штоками из материала F6A. Седла EPDM обеспечивают работу в диапазоне температур систем технической воды без проблем.

Этим клапанам не нужны криогенные характеристики. Они должны надёжно открываться и закрываться в тропическом климате, противостоять коррозии от обработанной воды и интегрироваться с пневматической системой управления завода. Корпус A536 обеспечивает конструктивную прочность при разумном весе. Диск CF8M противостоит питтингу. Седло EPDM обеспечивает двустороннее уплотнение с длительным сроком службы.

Вентили для криогенных технологических линий

Криогенные технологические линии нуждались в вентилях. Вентили обеспечивают лучшие дроссельные характеристики, чем шаровые клапаны, а в службе «открыто-закрыто» их конструкция седла более устойчива к термоциклированию. Когда клапан переходит от окружающей температуры к -196°C и обратно, седло принимает на себя реальные нагрузки. Вентиль с наплавкой Stellite на поверхности седла справляется с этим лучше, чем конструкция с мягким седлом.

Для меньших размеров был выбран кованый F316L, для больших — литой CF3M. Оба — химический состав 316L, разница в способе производства. Ковка обеспечивает лучшую структуру зерна и механические свойства; литьё — диапазон размеров и экономичность для больших диаметров. XM-19 (Nitronic 50) был выбран для штоков из-за сочетания прочности и криогенной вязкости.

Шаровые клапаны для изоляции СПГ и криогенных жидкостей

Где процесс требовал полнопроходной, быстро действующей изоляции — особенно на линиях СПГ и криогенных жидкостей — шаровые клапаны были ответом. В выбор вошли конструкции с плавающим шаром в корпусе из нержавеющей стали CF8M.

Для криогенных шаровых клапанов были специфицированы седла PCTFE. PCTFE сохраняет механические свойства при -196°C значительно лучше, чем стандартный PTFE. Он не подвержен холодной текучести так, как PTFE может при длительной нагрузке при криогенных температурах. Для службы шаровых клапанов при окружающей температуре RPTFE и PTFE были достаточны.

Криогенные шаровые клапаны в этом пакете также получили удлинённые крышки с удлинёнными штоками. Это не опция в службе СПГ — это проектное требование. Удлинение создаёт расстояние между криогенной рабочей средой и уплотнением штока, поддерживая уплотнение в диапазоне температур, где оно может фактически герметизировать. Без этого иней поднимается по штоку, уплотнение теряет эластичность, и возникают выбросы.

Криогенные конструктивные особенности

Удлинённые штоки на криогенных клапанах в этом пакете были спроектированы с учётом трёх факторов: температура уплотнения, соосность штока и защита привода. Длина удлинения рассчитана так, чтобы уплотнение работало в диапазоне, с которым графит или PTFE могут справляться. Материал штока — XM-19 — выбран потому, что он сохраняет предел текучести при -196°C без хрупкости, поражающей стандартные аустенитные марки при длительной криогенной нагрузке.

Крепёж криогенных клапанов использовал шпильки B8M с гайками 8M, оцинкованные и покрытые PTFE. В тропической прибрежной среде Индонезии внешняя коррозия крепежа столь же реальная угроза, как и внутренняя криогенная хрупкость. Система покрытия учитывает оба фактора.

Для процесса подбора криогенных клапанов ключевым документом является отчёт о проверке материалов. Каждый смачиваемый компонент криогенных клапанов — корпус, крышка, диск, шар, фиксатор седла, шток — нуждается в положительной идентификации материала для подтверждения соответствия требованиям низкотемпературной службы.

Пневматический привод и система управления

Все клапаны в пакете были поставлены с пневматическими пружинными приводами, одностороннего действия, с закрытием при отказе. Логика проста: при потере приборного воздуха клапан закрывается. На объекте СПГ это безопасное состояние для изоляционных клапанов.

Приводы были подобраны для обеспечения полного хода в течение трёх секунд. Это время отклика имеет значение для последовательностей аварийного закрытия. Когда срабатывает система ESD, клапан должен закрыться до того, как возмущение процесса распространится. Три секунды — не произвольное значение — оно соответствует временнóй логике отключения, на которую была рассчитана система безопасности завода.

Реечные приводы использовались на клапанах вращательного действия (поворотные и шаровые). Линейные приводы — на вентилях. Оба типа были специфицированы с монтажными интерфейсами стандарта Namur. Сборки пневматических приводных клапанов включали электромагнитные клапаны, концевые выключатели и фильтр-регуляторы — все от признанных международных производителей.

Индуктивные выключатели Pepperl+Fuchs использовались для обратной связи по положению. Электромагнитные клапаны Namur IMI Norgren обеспечивали управление пилотным воздухом. Фильтр-регуляторы SMC очищали и регулировали подачу приборного воздуха к приводу. Эта комбинация не экзотична — это стандартная спецификация для проектов СПГ, требующих проверенной надёжности в пакете автоматизации клапанов.

Соответствие требованиям взрывоопасных зон

Сооружение Sumber включает классифицированные зоны, где может присутствовать горючий газ. Электрооборудование, установленное на клапанах — электромагнитные клапаны и концевые выключатели — требовало сертификации взрывозащищённого исполнения.

Приборы были специфицированы на Ex ic IIA T4. Это рейтинг искробезопасности, подходящий для зон Zone 2, где пропан-воздушные смеси являются представительной группой газов. Уровень защиты «ic» означает, что оборудование спроектировано так, что даже в условиях неисправности оно не может генерировать достаточно энергии для воспламенения окружающей атмосферы.

Искробезопасность имеет преимущество перед взрывонепроницаемыми корпусами в сборках клапанов: проводка проще, компоненты легче, и обслуживание может выполняться без обесточивания всей цепи. Для мини-завода СПГ, где расположение клапанов распределено по технологической площади, эта практичность имеет значение.

Испытания и поставка

Каждый клапан в пакете прошёл гидростатические испытания корпуса и седла перед отгрузкой. Криогенные клапаны дополнительно прошли криогенные испытания на утечку для проверки герметичности седла при рабочей температуре. Это шаг, который некоторые поставщики пропускают — он дорог и трудоёмок — но это единственный способ подтвердить, что конструкция седла действительно работает при -196°C.

Сборки «клапан-привод» были функционально испытаны как единые узлы. Калибровка концевых выключателей, отклик электромагнитного клапана, проверка времени хода и действие закрытия при отказе были проверены на испытательном стенде до выпуска сборок.

Итоги проекта

Мини-завод СПГ Sumber потребовал пакет клапанов, способный работать в двух фундаментально различных эксплуатационных средах — криогенная изоляция процессов и изоляция вспомогательных линий при окружающей температуре — в рамках единой скоординированной поставки. FLOWKS разработал подбор по трём типам клапанов, согласовал материалы с условиями эксплуатации и стандартизировал пневматический пакет автоматизации для обеспечения единообразия всей установки.

Результат — парк клапанов, который чисто интегрируется с системой ESD завода, надёжно работает во всём диапазоне температур от -196°C до окружающей и обеспечивает эксплуатационнику удобную в обслуживании установку с проверенной международной приборной оснасткой.

FLOWKS производит полный диапазон промышленных клапанов, включая шаровые клапаны, регулирующие клапаны, задвижки, вентили, обратные клапаны, фильтры, шиберные задвижки и пробковые клапаны — для нефтегазовой, нефтехимической, энергетической и СПГ отраслей по всему миру.

**FLOWKS — How Quality Lasts!