Металлический дисковый затвор NPS 32 Class 900 для НПЗ Salalah, Оман

Теги: поворотный клапан с металлическим уплотнением, поворотный клапан высокого давления, клапан FLOWKS, Salalah Refinery, изоляция технологического газа

Решение FLOWKS: Поворотный клапан с металлическим уплотнением NPS 32 Class 900 для Salalah Refinery, Оман

Обзор проекта

Salalah Refinery на юге Омана работает в условиях, испытывающих оборудование на пределе — длительные высокие температуры окружающей среды, коррозионная прибрежная атмосфера и технологические потоки на грани проектных возможностей. Когда заводу потребовался надёжный клапан изоляции на критической линии технологического газа, инженерной команде предстояло решить, какая конструкция клапана способна обеспечить изоляцию газа большого диаметра и высокого давления без эксплуатационных проблем, свойственных более тяжёлым альтернативам.

Исходная спецификация ссылалась на клапаны Metso. FLOWKS был выбран для полной замены основного поставщика, что означало необходимость соответствия или превышения оригинала по герметизации, целостности уплотнения, ресурсу циклирования и надёжности привода. Клапан имеет маркировку линии MOV-20102 и находится на том же трубопроводе, что и MOV-20101 — электрическая задвижка того же размерного класса. Эта близость определила ряд инженерных решений.

Условия эксплуатации

Клапан работает с технологическим газом при расчётном давлении 150 barG. Расчётный диапазон температур составляет от -29°C до 425°C — диапазон, достаточно широкий, чтобы полностью исключить конструкции с эластомерным покрытием и направить выбор в сторону цельнометаллической конструкции.

Технологический газ в масштабах НПЗ не прощает ошибок. Любая утечка через седло означает потерю продукта и потенциальную угрозу безопасности. В спецификации было указано перекрытие FCI 70-2 Class VI — самый жёсткий класс, определяемый стандартом. Достижение Class VI на клапане такого размера с уплотнением металл-по-металлу потребовало тщательного внимания к геометрии седла и обработке поверхности — не просто выбора твёрдого материала и надежды на лучшее.

Клапан работает в режиме «открыто-закрыто». Он не дросселирует. Когда он закрывается, заводу нужна уверенность, что нижестоящая линия изолирована. Инженерия, стоящая за обеспечением надёжности такого бинарного поведения при NPS 32 и Class 900 — далеко не простая задача.

Конструкция клапана и выбор материалов

Конструкция корпуса

Корпус клапана изготовлен из литой углеродистой стали ASTM A216 Gr. WCB. WCB — основной материал для нефтепереработки — он обеспечивает номинальное давление, пригоден для сварки при ремонте и модификациях, предсказуемо работает в заданном диапазоне температур. Для корпуса, который должен выдерживать 150 barG при 425°C, WCB обеспечивает правильное сочетание прочности, пластичности и соответствия нормам ASME B16.5.

Исходная спецификация предусматривала фланцы с выступающей поверхностью (raised face). FLOWKS изменил это на соединения RTJ (Ring Type Joint). При Class 900 и 150 barG фланцы с выступающей поверхностью зависят от сжатия прокладки, которое может ослабевать при термоциклировании. Соединения RTJ уплотняются за счёт контакта металл-по-металлу между кольцевой прокладкой и канавкой, обработанной на фланцевых поверхностях. Кольцо пластически деформируется под усилием затяжки болтов, заполняя неровности канавки и сохраняя герметичность при тепловых переходных процессах. Для газовой службы при таких давлениях RTJ является консервативным выбором.

Диск

Диск изготовлен из ASTM A351 Gr. CF8M — литой аустенитной нержавеющей стали с добавлением молибдена для стойкости к питтинговой коррозии. Выбор CF8M для диска при использовании WCB для корпуса является намеренным. Корпус обеспечивает структурную прочность и удержание давления. Диск непосредственно контактирует с рабочей средой и нуждается в коррозионной стойкости, которую углеродистая сталь не может обеспечить, особенно в газовом потоке, который может содержать следовые соединения серы или хлориды при повышенных температурах.

Конструкция седла

Седло имеет наплавку Stellite. Stellite — кобальт-хромовый сплав — наносится в виде наплавленного слоя на уплотнительную поверхность и затем обрабатывается до конечной геометрии. Причина выбора Stellite перед другими вариантами твёрдого напыления сводится к стойкости против заедания и размерной стабильности при температуре. При 425°C более мягкие наплавки могут деформироваться под посадочной нагрузкой большого диска, а повторное циклирование наклёпывает зону контакта до появления трещин. Stellite сохраняет твёрдость при повышенных температурах и сопротивляется адгезионному износу, возникающему при контакте металлического диска с металлическим седлом под высокой нагрузкой. Именно это делает работоспособность поворотного клапана с металлическим уплотнением в этом классе давления возможной — материал седла должен выдерживать тысячи циклов открытия-закрытия без потери геометрии уплотнения.

Шток

Шток клапана изготовлен из кованой стали ASTM SA564 Gr. 630 — мартенситной нержавеющей стали, упрочняемой осаждением, широко известной как 17-4 PH. Этот класс предлагает предел текучести значительно выше того, что могут обеспечить аустенитные нержавеющие стали, что имеет значение, поскольку шток передаёт как момент привода, так и усилие посадки диска. При NPS 32 возникающие моменты весьма значительны. Шток, скручивающийся под нагрузкой, теряет точность позиционирования и в конечном итоге может устать в зонах концентрации напряжений. 17-4 PH в состоянии H1150M обеспечивает запас прочности, необходимый для надёжной долгосрочной эксплуатации.

Уплотнение

Применено уплотнение из графита с поджимом (live-loaded). Поджим осуществляется с помощью тарельчатых шайб (Belleville), поддерживающих постоянное сжимающее усилие на наборе уплотнения, компенсируя тепловое расширение и сжатие, которые в противном случае приводили к ослаблению уплотнения. При таком широком диапазоне температур набор уплотнения испытывает значительные размерные изменения между холодным пуском и горячей эксплуатацией. Без поджима операторам пришлось бы периодически подтягивать gland, а между регулировками возможна утечка. Графитовое уплотнение также лучше выдерживает воздействие пожара, чем альтернативы на основе PTFE — реальное соображение для линии технологического газа.

Система привода

[Пневматический привод](https://flowks.com/products/pneumatic-actuators)

Клапан оснащён пневматическим приводом, работающим от подачи приборного воздуха давлением 4-8 barG. Выбор пневматики перед электрическим приводом для этого клапана был обусловлен рядом факторов, специфичных для данной установки.

Пневматические приводы обеспечивают высокий момент в компактном корпусе. При NPS 32 Class 900 момент, необходимый для достижения перекрытия Class VI при полном перепаде давления, весьма значителен. Электрический привод такого же момента был бы существенно крупнее и тяжелее, что создаёт проблемы монтажа и конструктивной поддержки на трубопроводе, уже несущем тяжёлую задвижку на соседней позиции.

Пневматические приводы также предсказуемо отказывают. В спецификации было указано «остаться в последнем положении» (lock-up) с опцией «закрытие при отказе» (fail-close), в зависимости от конфигурации логики безопасности. Достижение fail-close с пневматическим пружинным приводом механически просто — пружина обеспечивает закрывающее усилие, а приборный воздух противодействует ему. Электрические приводы требуют резервного питания от батарей или отдельного ИБП для того же результата, что добавляет сложность и эксплуатационные расходы.

Привод оснащён ручным гидравлическим насосом в качестве резервного средства управления. При потере приборного воздуха или отключении системы управления для обслуживания оператор может циклировать клапан вручную с помощью гидравлического насоса. Это резервирование является стандартной практикой для изоляционной службы на НПЗ — клапан должен быть работоспособным при любых условиях, а не только при нормальных.

Контрольно-измерительные приборы и аксессуары

Комплект управления клапаном включает полный набор аксессуаров, каждый из которых выполняет определённую функцию:

APL510 Limit Switch* — обеспечивает обратную связь по положению в систему управления, подтверждая позиции «открыто» и «закрыто». На клапане изоляции индикация положения не является опциональной; системе управления необходимо знать фактическое состояние клапана, а не только отправленную команду.

SMC AW60 Filter Regulator* — подготавливает приборный воздух перед его поступлением в привод. Частицы или влага в воздухе ухудшают уплотнения привода и электромагнитные клапаны со временем. AW60 подобран по расходу воздуха данного привода, обеспечивая достаточную подачу воздуха при ходе.

SMC VFE3130 Solenoid Valve* — управляет потоком воздуха в привод на основе электрического сигнала от системы управления. VFE3130 — 3-позиционный, 5-портовый электромагнитный клапан, обеспечивающий функцию lock-up путём запирания воздуха в приводе при обесточивании.

SMC VPA4150 Air Control Valve* — управляет пилотной воздушной логикой направленного управления приводом. Этот клапан обеспечивает плавные, контролируемые переходы между положениями «открыто» и «закрыто» вместо резкого хлопка, который мог бы повредить седло или создать гидравлические удары в трубопроводе.

SMC AS600 Flow Control Valve* — регулирует скорость хода привода. Время открытия и закрытия регулируется в диапазоне 5-70 секунд, что позволяет пусконаладочной команде настроить отклик клапана в соответствии с гидравлическими характеристиками трубопровода. Слишком быстро — клапан создаёт скачки давления. Слишком медленно — функция изоляции нарушается при аварийном закрытии.

Воздушный ресивер* — обеспечивает локальный объём запасённого приборного воздуха для гарантии того, что клапан может выполнить по меньшей мере один полный ход даже при прерывании основной подачи воздуха. Это особенно важно для режима fail-close, где привод должен преодолеть давление в трубопроводе и трение седла для достижения закрытого положения.

FLOWKS стандартизировал пневматику SMC для крупногабаритных приводных клапанов, поскольку компоненты прошли проверку в полевых условиях, глобально доступны и взаимозаменяемы с существующим складом запчастей НПЗ. Когда сервисному технику в Salalah необходимо заменить электромагнитный клапан во время ремонта, доступность важнее теоретических различий в спецификациях между брендами.

Характеристики клапана и пропускная способность

Номинальный Cv клапана составляет 20 383 с равнопроцентной расходной характеристикой. Эти два числа определяют гидравлическое поведение клапана и заслуживают пояснения.

Cv 20 383 означает, что клапан оказывает минимальное сопротивление потоку в полностью открытом положении — именно то, что должен делать изоляционный клапан. Конструкция полнопроходного диска обеспечивает прохождение технологического газа с минимальным перепадом давления. На НПЗ, где каждая доля бара потери давления обходится в затраты на компримирование, низкое сопротивление изоляционных клапанов экономически значимо.

Равнопроцентная характеристика важна даже для клапана «открыто-закрыто». При приближении диска к закрытому положению эта геометрия обеспечивает контролируемое снижение потока на последних градусах поворота, уменьшая гидравлический удар при посадке. Это защищает поверхность Stellite и продлевает срок службы седла.

Клапан соответствует стандартам производительности FLOWKS valve во всём диапазоне температур. Момент при полном открытии, утечка через седло и ресурс циклирования были проверены на соответствие требованиям спецификации перед выпуском клапана для отгрузки.

Ключевые инженерные решения

Почему поворотный клапан, а не задвижка

Соседний клапан линии, MOV-20101, представляет собой электрическую задвижку NPS 32 Class 900. Логично спросить, почему MOV-20102 не был специфицирован так же. Ответ кроется в специфических требованиях к изоляции на данной позиции.

Задвижки — отличные изоляционные устройства — прямой путь потока, низкий перепад давления, надёжное перекрытие. Но при NPS 32 задвижка Class 900 — это чрезвычайно тяжёлая сборка. Корпус, крышка, клин и шток требуют существенной конструктивной поддержки, специального подъёмного оборудования для обслуживания и большого монтажного пространства. Электрический привод на MOV-20101 добавляет ещё веса.

Поворотный клапан высокого давления обеспечивает ту же функцию изоляции при доле установленного веса и габаритов. Диск поворачивается на 90 градусов для открытия или закрытия — нет выдвижного штока, нет крышки, нет клина, который нужно поднимать из потока. Это означает более быстрое срабатывание, более простой подбор привода и меньшую общую массу системы. На трубопроводе, где конструктивные опоры уже несли вес задвижки NPS 32 Class 900, выбор поворотного клапана для второй точки изоляции снизил общую нагрузку на трубопроводную эстакаду.

Компромисс — утечка через седло. Клиновая задвижка создаёт высокое линейное посадочное усилие, которое обычно превосходит вращательный контакт поворотного клапана. Но конструкция седла FLOWKS с наплавкой Stellite в сочетании с точной обработкой посадочной поверхности диска из CF8M обеспечила утечку на уровне FCI 70-2 Class VI — без видимой утечки. При этом поворотный клапан соответствует изоляционной способности задвижки, предлагая преимущества в весе, скорости и ремонтопригодности.

Почему пневматика, а не электрика

MOV-20101 рядом использует электрический привод. MOV-20102 использует пневматику. Это не было несоответствием — это была намеренная системная инженерия.

Задвижка на MOV-20101 — конструкция с выдвижным штоком, требующая многооборотного управления. Электрические многооборотные приводы хорошо подходят для этого: они обеспечивают точное позиционирование, высокий момент и могут удерживать положение без непрерывного питания. Компромисс — время хода — электрические приводы на крупных задвижках медленные.

Поворотный клапан на MOV-20102 требует четвертьоборотного управления с заданным регулированием скорости. Пневматические приводы превосходят в четвертьоборотной работе. Они срабатывают быстро при необходимости, их скорость можно настроить регуляторами потока, и они обеспечивают отказоустойчивое действие через пружинный возврат или логику запирания воздуха без необходимости в батареях. Диапазон регулировки времени хода 5-70 секунд даёт пусконаладочной команде гибкость для согласования скорости закрытия клапана с допустимостью гидравлических ударов трубопровода.

Использование различных технологий привода на соседних клапанах — стандартная практика в проектировании НПЗ. Функция каждого клапана определяет тип привода. DCS взаимодействует с обоими через стандартные дискретные и аналоговые сигналы — тип привода прозрачен для системы управления.

Испытания и инспекция

Каждый клапан FLOWKS для нефтеперерабатывающей службы проходит структурированные испытания перед отгрузкой. Для данного клапана последовательность включала гидростатические испытания корпуса и седла при давлениях Class 900, функциональное циклирование по всему ходу, и проверку утечки через седло по критериям FCI 70-2 Class VI.

Канавки RTJ-фланцев были проверены методом капиллярной дефектоскопии для подтверждения отсутствия литейных дефектов или аномалий обработки на уплотнительных поверхностях. Целостность RTJ зависит исключительно от геометрической точности канавки — любой дефект, препятствующий правильному прилеганию кольцевой прокладки, приведёт к утечке под давлением.

Сборка привода была испытана как единый узел. Клапан и привод были смонтированы вместе с полным комплектом управления — электромагнитный клапан, фильтр-регулятор, воздушный клапан управления, регулятор потока, концевые выключатели — подключёнными электрически и пневматически для функциональных испытаний. Времена хода были измерены на обоих концах регулируемого диапазона. Ручной гидравлический насос был опробован для подтверждения возможности полного цикла без приборного воздуха.

Воздушный ресивер был испытан под давлением и проверен на достаточный объём для полного хода при симулированной потере питания.

Документация включала прослеживаемость материалов для всех деталей, удерживающих давление, сертифицированные отчёты об испытаниях химического состава и твёрдости наплавки Stellite, и полный пакет расчётов подбора привода с указанием запасов прочности.

Поставка проекта

FLOWKS выполнил данный проект как прямую замену первоначально указанных клапанов Metso. Переход потребовал, чтобы каждый интерфейс — фланцевые размеры, строительная длина, крепление привода, управляющие подключения — соответствовал исходной установке. Соответствие ASME B16.5 на фланцах обеспечило монтаж клапана к существующему трубопроводу без модификаций.

Клапан был поставлен с полным пакетом данных, включая исполнительные чертежи, сертификаты на материалы, отчёты об испытаниях, руководства по эксплуатации и обслуживанию, и рекомендованный перечень запчастей. Перечень идентифицировал компоненты, наиболее вероятно требующие замены в первом цикле обслуживания — набор уплотнения, электромагнитный клапан, элемент фильтр-регулятора — чтобы НПЗ мог закупить запчасти до ввода клапана в эксплуатацию.

Для Salalah Refinery результат — изоляционный клапан, обеспечивающий полный расчётный диапазон — 150 barG, от -29°C до 425°C, технологический газ — с эксплуатационной простотой четвертьоборотной поворотной конструкции. Пневматическая система привода обеспечивает скорость и отказоустойчивое поведение, требуемое логикой безопасности, а ручной гидравлический резерв обеспечивает работоспособность при любых условиях.

Производственная программа FLOWKS

FLOWKS производит комплексный диапазон промышленных клапанов для нефтегазовой, нефтехимической, энергетической и водной отраслей:

Шаровые клапаны* — Плавающие и цапфовые конструкции, с мягким и металлическим уплотнением, размерами от NPS 2 до NPS 56 и классами давления до Class 2500.

Регулирующие клапаны* — Корпусные и угловые конфигурации с пневматическими или электрическими приводами, профилированной арматурой для дроссельной службы в широком диапазоне технологических условий.

Задвижки* — Клиновые и упругоклиновые конструкции в литом и кованом исполнении, подходящие для изоляционной службы на НПЗ и трубопроводах.

Вентили* — Прямые, угловые и Y-образные корпуса для дроссельной и изоляционной службы.

Обратные клапаны* — Поворотные, подъёмные, наклоннодисковые и двухдисковые конструкции для предотвращения обратного потока в технологических и вспомогательных системах.

Фильтры* — Y-образные и T-образные сетчатые фильтры для удаления мусора из трубопроводов и защиты оборудования.

[Шиберные задвижки](https://flowks.com/products/knife-gate-valves)* — Однонаправленные изоляционные клапаны для шлама, порошка и вязких сред.

Пробковые клапаны* — Смазываемые и несмазываемые конструкции для изоляции и переключения в нефтегазовых трубопроводах.

Все клапаны FLOWKS производятся в рамках системы менеджмента качества ISO 9001, с испытаниями и сертификацией в соответствии с международными стандартами, включая спецификации API, ASME и EN.

**FLOWKS — How Quality Lasts!