Предохранительные клапаны для низкотемпературных и криогенных условий эксплуатации
Когда речь заходит об экстремальных условиях эксплуатации оборудования, чаще думают про высокие температуры, чем про низкие. Однако низкотемпературные и криогенные условия широко распространены в разных отраслях — например, в нефтегазовой промышленности, где криогеника связана с хранением, транспортировкой и подготовкой сжиженного газа. Такие процессы подвержены риску превышения давления, что делает необходимым использование предохранительных клапанов, а холод добавляет к этому особые требования, которые рассмотрены в данной статье.
Какие условия считаются криогенными?
С научной точки зрения криогенные температуры расположены в диапазоне от 0 К до 120 К, то есть от -273,15 °C до -153,15 °C. Такую же рамку, но уже в контексте трубопроводной арматуры, задаёт ГОСТ 24856-2014 «Арматура трубопроводная. Термины и определения».
Существуют и иные диапазоны, определяемые различными отраслевыми стандартами. Например, российский норматив ГОСТ 34294-2017 «Арматура трубопроводная криогенная. Общие технические требования» устанавливает для криогенной арматуры диапазон температур от -50 °C до -270 °C. В то же время международный стандарт ISO 21011 считает арматуру криогенной, если она эксплуатируется при температуре -40 °C или ниже.
Однако ISO 21011 прямо исключает предохранительные клапаны из своей области применения и отсылает к специальному стандарту ISO 21013-1. Именно в нём определён отдельный порог в -10 °C для предохранительных клапанов. Во избежание путаницы в подходах к температурным границам, в статье используется международная база стандартов.
| Источник | Область применения | Температурный порог / диапазон |
|---|---|---|
| Научное определение | Общее | 0 К … 120 К (-273,15 °C … -153,15 °C) |
| ГОСТ 24856-2014 | Трубопроводная арматура (термины) | Соответствует научному диапазону |
| ГОСТ 34294-2017 | Криогенная трубопроводная арматура | от -50 °C до -270 °C |
| ISO 21011 | Криогенная арматура (кроме предохранительных клапанов) | -40 °C и ниже |
| ISO 21013-1 | Предохранительные клапаны | -10 °C и ниже |
В чём опасность при работе с криогенными средами?
Металл, охлаждённый контактом с криогенной средой, отводит тепло от окружающего влажного воздуха. Эта влага конденсируется и замерзает на внешней или внутренней поверхности деталей. Образовавшийся лёд создаёт риск нарушения работы предохранительного клапана, тем самым повышая вероятность аварийной ситуации.
Сжиженные газы в процессе испарения колоссально увеличиваются в объёме: например, 1 литр СПГ при нагреве до температуры кипения превращается в 600 литров газообразного вещества. В замкнутом пространстве такое явление чревато резким ростом давления с последующим повреждением или разрушением оборудования, поэтому необходимо тщательно подходить к подбору предохранительных устройств.
Требует экспертной проверки: коэффициент расширения СПГ приведён в материале без указания конкретного состава газа, давления и температурных условий расчёта — точное значение может отличаться в зависимости от состава СПГ и принятых допущений, рекомендуется сверить с профильным справочником.
Криогенные температуры и холод в целом способны превращать металлы в хрупкий материал, который в лучшем случае деформируется, а в худшем — разрушится мгновенно.
Некоторые вещества, такие как жидкий кислород, становятся взрывоопасными при контакте с малейшим органическим загрязнением — маслом, смазкой, жирными следами от пальцев. Поэтому устройства, используемые в системах с такой средой, должны быть идеально чистыми, то есть соответствовать нормам стандарта ISO 23208 (или иным релевантным стандартам, например ASTM G93). Обработка и поддержание её результата — комплексный процесс, начинающийся в специализированном помещении на территории поставщика и завершающийся хранением товара до монтажа в защитной упаковке.
Конструктивные особенности
Герметичность седла
Для криогенных предохранительных клапанов герметичность седла выходит на первый план. В любых условиях утечка негативно влияет на рабочий процесс, но при криогенных температурах она вдобавок несёт риск обледенения. Просачиваясь сквозь клапан, холодная среда охлаждает его детали, и влага из воздуха мгновенно конденсируется, впоследствии превращаясь в лёд. Образовавшаяся корка в лучшем случае затруднит открытие запорного элемента, в худшем — при длительной утечке — полностью заблокирует срабатывание предохранительной арматуры.
Предпочтение отдают сёдлам из мягких материалов, так как металлические не могут обеспечить полной герметичности из-за ограничений по чистоте обработки.
Тепловая изоляция и защита внутренних элементов
Корректная работа предохранительной арматуры во многом зависит от сохранности пружины и других внутренних элементов. Холод от криогенной среды передаётся по металлическим частям вверх, негативно воздействуя на расположенные там детали. В то же время теплопередача от внешней среды в обратном направлении вызывает неконтролируемое испарение криогенной жидкости, что может привести к повышению давления.
Для решения обеих задач применяется удлинённая крышка. Увеличенное расстояние создаёт тепловой барьер, защищая пружину от холода изнутри и одновременно снижая теплоприток к среде снаружи. Также может применяться вакуумная оболочка, однако она имеет ограничения в виде сложного монтажа и технического обслуживания.
Какой тип выбрать: классический пружинный, с сильфоном или пилотный?
Однозначного ответа на этот вопрос нет — каждый тип имеет нюансы, которые стоит рассмотреть.
Классический пружинный
До сих пор на предприятиях по производству и регазификации сжиженного природного газа классический пружинный тип остаётся популярен. Под «классическим» здесь имеется в виду именно тип конструкции — для криогенных условий она в любом случае нуждается в модификации.
Выбор в его пользу обусловлен простотой устройства и накопленным опытом эксплуатации в промышленности. Тем не менее при работе с холодными и экстремально холодными средами этого преимущества недостаточно: на первый план выходит герметичность седла. В этом смысле пружинные устройства уступают пилотным, так как склонны к утечкам при приближении к давлению срабатывания, а усилие прижатия фиксировано настройкой и не зависит от давления в системе. Учитывая эту особенность, необходимо выбирать опции с мягкими сёдлами: даже с уменьшенной эластичностью под воздействием низких температур они обеспечат высокую герметичность и сохранят её стабильность в течение многих циклов срабатывания.
С сильфоном
Обледенение можно предотвратить, подключив выход всех клапанов к сухому коллектору, куда сбрасывался бы только обезвоженный газ. Но это решение влечёт цепочку проблем: так как множество устройств может быть подключено к одной системе сброса, давление в ней будет меняться, создавая переменное противодавление. Это создаёт необходимость выбора клапана с сильфоном, который изолирует влияние противодавления на тарелку и позволяет механизму сработать «вовремя».
Однако риск обледенения, который пытались исключить, просто переходит в другую часть устройства: внутренняя полость сильфона соединяется с атмосферой через вентиляционное отверстие в крышке, через которое так же попадает влага, конденсируется и замерзает. Из-за этого гофрированная мембрана блокируется, а клапан не открывается. Даже при установленном локальном обогреве холод будет передаваться от металла к металлу или непосредственно в момент сброса, что приведёт к потере эластичности сильфона. В конечном итоге сильфон треснет, и сильная утечка превратит весь клапан в лёд.
Пилотный
Обе проблемы, сопряжённые с использованием предыдущих типов, можно решить, выбрав пилотное устройство. Чтобы разобраться в этом, нужно понять принцип его работы.
Разделение сред. Пилот и основной клапан работают с разными состояниями одного и того же вещества. Главная часть контактирует с жидкой или двухфазной средой, управляющая — только с газообразной. Сам пилот физически располагается вне холодной зоны: он закреплён на кронштейне снаружи изоляции. Благодаря этому он остаётся в зоне положительных температур и не подвергается прямому воздействию криогенного холода.
Подача в него именно газовой фазы обеспечивается тем, что импульсная трубка, ведущая к пилоту, подключена к газовой подушке в верхней части резервуара. Благодаря этому во вспомогательный клапан не поступает жидкость, которая могла бы охладить его или вызвать гидроудар при вскипании. Газ тоже холодный, однако в силу своих физических свойств он не способен мгновенно понизить температуру деталей пилота. При этом чувствительность управляющего клапана не нарушается теплом внутри него, так как импульсная трубка сообщается с газовой подушкой и давление остаётся равным давлению в системе.
Непроточная управляющая часть. Для криогенных применений выбирают непроточный тип управляющей части: вспомогательное устройство пропускает лишь небольшой объём среды, что дополнительно снижает риск обледенения.
Обмерзание основного клапана не критично. Основной клапан, находясь в контакте с жидкой или двухфазной средой, тоже обмерзает, но это не играет особой роли. Если лёд образуется в обычном пружинном устройстве, сила пружины может его не преодолеть. В пилотном типе на поршень действует гораздо большее давление, поэтому образовавшиеся кристаллы просто разрушаются и не мешают открытию клапана.
Сбалансированный пилот против противодавления. В некоторых случаях даже небольшой выброс среды из вспомогательного устройства недопустим, из-за чего его выход отводят в коллектор — а это чревато переменным противодавлением. Решение — сбалансированный пилот: поскольку сама управляющая часть не находится в холоде, риски, присутствующие у сильфонных клапанов, устраняются. Такое исполнение существует только для устройств модулирующего типа.
Упрощённая схема пилотного предохранительного клапана: импульсная трубка подаёт газовую фазу из верхней части резервуара к пилоту, расположенному вне холодной зоны, что защищает управляющую часть от прямого воздействия криогенной среды.
Материалы
Металлы
При выборе подходящих материалов в первую очередь необходимо обратить внимание на такие параметры, как ударная вязкость, тепловое расширение и фазовая стабильность. Холод делает металлы хрупкими, влияет на сжатие и может изменить кристаллическую решётку. Соответственно, допустимые к использованию металлы должны быть достаточно вязкими, иметь стабильный коэффициент теплового расширения и сохранять структуру даже под воздействием криогенных температур.
Хорошей опцией являются аустенитные нержавеющие стали, например AISI 304 и AISI 316 или сплавы на их основе. Их кристаллическая решётка имеет форму гранецентрированного куба, что позволяет атомам скользить относительно друг друга — в результате даже в условиях экстремального холода материал остаётся вязким и пластичным. Стали версии LN (304LN и 316LN) содержат азот, который позволяет им оставаться сравнительно стабильными, то есть не переходить в более хрупкий мартенсит (полностью исключить переход нельзя). Ограничение: коэффициент теплового расширения у аустенитных сталей выше, чем у углеродистых, что требует более точных расчётов зазоров между деталями.
Криогенные среды, такие как жидкий водород или кислород, могут сильно окислять металлы. Дополнительные риски создаёт конденсат из окружающей среды, содержащий хлориды и другие примеси. Для особо требовательных условий подходят никелевые суперсплавы, например Inconel/Monel — они имеют аустенитную структуру и обладают значительной стойкостью к коррозии.
Материалы для сёдел и уплотнений
Мягкие сёдла используются в криогенных предохранительных клапанах для достижения большей герметичности. Как и в случае с металлами, холод влияет на физические свойства полимеров, ограничивая возможный выбор.
| Материал | Поведение при криогенных температурах | Особенности |
|---|---|---|
| NBR, EPDM, неопрен | Становятся стеклообразно-твёрдыми (общая граница ~ -40 °C) | Не подходят для криогенных условий |
| PTFE | Сохраняет работоспособность при криогенных температурах | Наиболее универсален, химически инертен |
| PCTFE | Сохраняет работоспособность при криогенных температурах | Отличается степенью хладостойкости и устойчивости к деформации от PTFE и UHMWPE |
| UHMWPE (сверхмолекулярный полиэтилен) | Сохраняет работоспособность при криогенных температурах | Обладает большей прочностью |
Между фторополимерами и UHMWPE есть различия в степени хладостойкости, устойчивости к деформации и воздействию рабочих сред — выбор стоит делать с учётом специфических условий и задач.
Испытания (по ISO 21013-1 / ISO 21013-4)
Предохранительные клапаны для криогенных условий делятся на две категории — А и В.
| Категория | Назначение | Циклов при проверке герметичности (нормальные условия) |
|---|---|---|
| А | Устройства для ожидаемого сброса давления — системы с периодическими повышениями давления при нормальном рабочем режиме | 1000 |
| В | Устройства для неожиданного сброса давления — системы с альтернативными устройствами для сброса или регулировки давления | 20 |
Для пилотных клапанов существует отдельная классификация на тип 1 и тип 2, относящаяся к поведению устройства в аварийной ситуации.
Испытания проводятся на криогенной среде, температура которой не должна превышать на 30 градусов наименьшую из двух величин: минимальную расчётную температуру клапана или температуру жидкого азота при 110% от установочного давления (азот может использоваться в качестве альтернативной испытательной среды вне зависимости от минимальной расчётной температуры клапана).
Если устройство тестируется для работы с веществом, которое конденсируется из газа в твёрдое состояние, оно должно быть дополнительно проверено с использованием этого вещества при давлении и температуре, позволяющих веществу легко перейти из газа в твёрдое состояние.
Испытания «дождём»
Такой вид тестов проводится для проверки работоспособности клапана при попадании и обмерзании влаги. Испытаний два: одно в стандартных «тёплых» условиях (0 °C), второе — в «холодных».
Ещё не охлаждённое срабатываниями устройство опрыскивается из лейки или иного оборудования, имитирующего сильный дождь, на протяжении 3 минут. Затем даётся 5 минут на стекание воды. После этого давление в резервуаре повышают так, чтобы открыть/закрыть клапан не менее 5 раз, отслеживая отклонения установочного давления и время между двумя открытиями. В конце устройство оставляют закрытым при 90% от установочного давления на 5 минут, после чего проверяют утечку — она не должна превышать 3×10⁻³ см³/с × DN.
После завершения тёплого испытания давление снова поднимают для проведения не менее 5 циклов срабатывания. Пока клапан работает, его опрыскивают со всех сторон; отклонение установочного давления должно оставаться в пределах допуска. После 5 циклов устройство оставляют закрытым на 5 минут при 90% от установочного давления, продолжая полив водой. По истечении времени проверяют утечку — она не должна превышать 3×10⁻³ см³/с × DN.
Примечания к тексту:
- Требования к чистоте могут также соответствовать стандарту ASTM G93 как альтернативе ISO 23208.
- Переход аустенита в мартенсит у сталей LN-серии снижается, но не исключается полностью.
- Азот может использоваться в качестве альтернативной испытательной среды вне зависимости от минимальной расчётной температуры клапана.
