Трубопроводная арматура применяется на всех этапах добычи, транспортировки и переработки нефти и газа. В большинстве своем арматура является типовым продуктом, и основное требование к ней – соответствие стандарту отрасли или заказчика. Но в любом крупном проекте есть ключевые технологические процессы, где от работоспособности каждой единицы оборудования зависит эффективность всего объекта в целом. В таких ситуациях выбор арматуры перестает быть просто подбором самого лучшего по цене варианта и превращается в сложное техническое решение, ошибка в котором чревата самыми нежелательными последствиями и миллионными потерями. Как этого избежать и какие технические решения предлагают производители современной арматуры?
ПТПА последние несколько лет при освоении новой техники включает в свою продуктовую линейку все более и более сложные с технической точки зрения продукты: арматуру для агрессивных и высокотемпературных сред, арматуру на высокое давление рабочей среды – до 70,0 МПА, криогенная арматуру, арматуру для подводной установки. На сегодняшний день инженеры предприятия обладают компетенциями в выпуске высокотехнологичной продукции, которая отвечает требованиям не только российских, но и международных стандартов (API, ISO, PED, DIN, BS). Предлагаем на нескольких конкретных примерах рассмотреть, на какие моменты необходимо обращать внимание при заказе продукции для сложных технологических объектов в нефтегазовой отрасли.
Экстремальные температуры: работоспособность в жестком режиме
Сейчас наиболее надежной конструкцией в трубопроводной арматуре считается шаровой кран. Компактные размеры, стабильная герметичность на жидких и газовых средах, возможность изготовления деталей из различных, в том числе нержавеющих, сталей – вот преимущества этого вида арматуры. Но для типового решения крана с полимерными уплотнениями всегда есть ограничение по верхней границе температуры рабочей среды. Это происходит по нескольким причинам:
Во-первых, у каждого материала есть свой верхний температурный предел. В первую очередь это касается деталей уплотнения, например, для полиуретана это +100 °C, а для фторопласта +200 °C. Поэтому на высокую температуру возможно использование только кранов с типом уплотнения в затворе «металл-металл» или с применением терморасширенного графита.
Во-вторых, температура по-разному влияет на разные материалы, и для того чтобы сохранить прочность арматуры и ее герметичность относительно внешней среды, необходимо с ростом температуры снижать величину рабочего давления. Например, арматура из стали 09Г2С на рабочее давление 4,0 МПа сохраняет все свои характеристики при температуре до +200 °C, а в случае повышения температуры до +400 °C, для поддержания работоспособности изделия давление должно снизиться до 2,3 МПа.
В-третьих, высокая температура влияет на изменение геометрии деталей и может привести к заклиниванию подвижных частей изделия.
Соответственно, при проектировании шаровых кранов на высокую температуру в обязательном порядке выполняется прочностной расчет для определения нужной геометрии деталей, а также производится расчет температурного воздействия и характер распространения температуры между деталями в изделии. Следующее обязательное требование – подбор материалов изделия с одинаковыми коэффициентами линейного теплового расширения, соответствующих максимальной температуре рабочей среды. В затворе кранов применяется тип уплотнения «металл-металл» с манжетным уплотнением «седло-корпус» типа «shevron» из терморасширенного графита, на седла и пробку изделия наносится высокотвёрдое покрытие. Выполнение этих требований позволяет создавать шаровые краны для температуры рабочей среды до +550 °C со стабильными показателями герметичности.
Выбор правильных материалов деталей важен и для экстремально низких температур. При работе на криогенных средах с режимом температуры от −196 °C используются нержавеющие стали, для поршневых уплотнений седел, а также для герметизации соединений деталей корпуса используются манежные уплотнения типа «lip seal». Испытания криогенных изделий на ПТПА проводятся в специальной бронированной криокамере, которая позволяет проверить работоспособность арматуры при различных значения температуры. Рабочей средой для испытаний служит азот с добавлением гелия (99 % N2 + 1 % He) для температур от −130°C и чистый гелий (He) для температур от −196 °C.
Подводная установка: безотказность в труднодоступных местах
С каждым годом всё более и более усложняется доступ к новым месторождениям нефти и газа. Добыча ведётся за Северным полярным кругом и на морском шельфе, в том числе с установкой подводных добычных комплексов. Подводная арматура должна обладать сразу несколькими характеристиками, которые отличают её от типовых конструкций. Во-первых, это способность выполнять свои функции в агрессивной морской среде и в условиях глубоководного давления. Во-вторых – простота обслуживания и управления. И, наконец, такая арматура должна обеспечивать 100 % герметичность относительно внешней среды, не допуская загрязнения морского шельфа.
Данные задачи на ПТПА были реализованы следующим образом.
1) В процессе проектирования подводной арматуры были проведены дополнительные проверки прочности конструкции с применением метода конечно-элементного анализа. Также при помощи специального программного обеспечения был отработан ряд сценариев по нагружению арматуры и отработке возможных нештатных ситуаций, которые могли бы произойти с изделием на трубопроводе. В итоге был разработан усиленный корпус, способный выдерживать давление воды на глубине до 1000 метров.
2) Все внешние соединения деталей имеют дополнительные уплотнительные элементы. В затворе изделий устанавливаются особые манжетные уплотнения типа «lip seal» или «shevron». На детали затвора наносится особое твёрдое покрытие. В итоге получается сверхнадёжная конструкция, которая может работать под водой не менее 30 лет, не требуя никакого обслуживания.
3) Для управления подводной арматурой применяются специальные приводные устройства – гидроприводы и редукторы, которые оборудованы интерфейсом для управления с помощью робота ТНПА (телеуправляемого необитаемого подводного аппарата).
Опасный водород: эффективность на особых средах
Увеличение инвестиций в «чистую энергию» с минимальными выбросами и влиянием на атмосферу – один из главных общемировых трендов. Особое место здесь занимает водород, который считается ключевым элемент декарбонизации – постепенного уменьшения объемов потребления нефти, природного газа и угля. Оборудование, применяемое в технологических процессах производства водорода, должно не только соответствовать всем требованиям технического процесса (температура, давление), но и учитывать особые свойства рабочей среды:
1. Водород адсорбируется на металле: он заполняет собой все имеющиеся на поверхности поры и микротрещины и в силу своей химической активности образует гидриды, которые нарушают пластичность, приводя к хрупкому разрушению стали.
2. Молекулы водорода очень малы: они обладает высокой проникающей способностью, поэтому при изготовлении арматуры устанавливаются повышенные требования по оценке герметичности изделия.
3. Водород пожароопасен: при смеси с воздухом он образует взрывоопасную смесь – «гремучий газ», а значит все оборудование должно обладать повышенным ресурсом надежности, не допуская ни малейшей утечки во внешнюю среду.
АО «ПТПА» – одно из первых предприятий в России предлагает поставку арматуры на водород. При этом с учетом всех особенностей рабочей среды специалисты компании заложили следующие обязательные требования:
- высокое качество материала заготовок: предпочтение отдается прокату и поковке, подбираются материалы, стойкие к водородному охрупчиванию, а в процессе производства детали проходят обязательную проверку неразрушающими методами контроля – радиография, ультразвук и капиллярная дефектоскопия;
- проведение испытаний на герметичность изделия на среде «гелий», который аналогичен по проникающей способности водороду;
- усиленный контроль качества выполнения технологических операций в процессе производства.
Таким образом создание арматуры для ключевых технологических операций и процессов требует особого внимания к конструкции изделий, геометрии основных деталей, подбору материалов, выполнению необходимого объема контроля, проведению испытаний готового продукта. Поэтому в процессе выбора поставщика, необходимо искать предприятия, у которых есть подтвержденный опыт выпуска изделий для сложных условий работы и нестандартных рабочих сред.
Справка о компании
ПТПА – международная группа компаний, специализирующаяся на изготовлении высокотехнологичной трубопроводной арматуры для нефтяной, газовой, энергетической и других отраслей промышленности, включая объекты с критическими условиями эксплуатации. Производственные мощности группы расположены в России в городе Пензе и за рубежом (Шаржа, ОАЭ). ПТПА предоставляет своим партнерам широкие возможности по модернизации продукции под конкретные требования проекта. Подробная информация – на сайте компании www.ptpa.ru
