От редакции:
Уважаемые читатели, в последнее время все чаще мы слышим такой термин, как «криогеника». Криогенная отрасль промышленности в последние годы действительно набирает обороты в России: мы видим устойчивый интерес к ней как со стороны заказчиков, так и со стороны потребителей сжиженных газов, которых в последние годы стало больше. И это объяснимо: основными потребителями криогенного оборудования (65% спроса) являются металлургические компании, которые, как правило, находятся в очень хорошем финансовом положении, а затраты на криогенное оборудование, которое периодически требует обновления, занимают несущественную часть издержек. Другой крупный потребитель — химия и нефтехимия (20% спроса). Предприятия этих отраслей начали показывать положительную динамику только в последние годы, а достаточно долгий кризисный период привел к формированию большого отложенного спроса на оборудование.Отрасль в настоящее время осуществляет масштабные инвестиции, что должно привести к росту доли данной группы потребителей. Ну и, конечно же, использование криогенного оборудования в нефтегазовом секторе при работе с СПГ, получающим сегодня все большее распространение.
Но что такое криогенная трубопроводная арматура, как она работает при температуре -196°C? В чем состоят тонкости проектирования подобного оборудования и как обеспечить работоспособность подобной арматуры на столь ответственных объектах, как ракетоноситель или завод по сжижению газов? В этот раз статьей номера стал материал от одного из лидеров сегмента российского специализированного оборудования — Машиностроительной корпорации «Сплав», которая на сегодняшний день уверенно входит в пятерку крупнейших предприятий, осуществляющих разработку и поставку криогенной трубопроводной арматуры. Эксклюзивно для «Вестника» специалисты корпорации поделятся секретами разработки и проектирования уникальных конструкций практически для всех сегментов промышленных газов для температур от -196°C и ниже.
Криогенные рабочие среды — это рабочие среды с температурой в диапазоне от 0 до 120 К (от –273°С до –153°С). Следует отметить, что назначение криогенной трубопроводной арматуры то же, что и назначение общепромышленной трубопроводной арматуры и состоит в управлении потоком рабочей среды — жидкостной или газовой. При этом, ввиду особенностей криогенной рабочей среды, условия эксплуатации выдвигают особые требования к конструкции и материалам криогенной арматуры.
ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЕ:
обеспечение сохранения работоспособности и достаточной герметичности затвора во всем диапазоне температур: от криогенной температуры до температуры окружающей среды, а иногда и при повышенных температурах в процессе отогрева криогенной системы;
обеспечение минимального теплопритока к криогенной рабочей среде как от теплопритока из окружающей среды, так и от теплоты, выделяемой в процессе трения в проточной части арматуры;
применение специальных материалов, рассчитанных на воздействие криогенных температур;
для уменьшения времени захолаживания и расхода криогенной рабочей среды криогенная арматура должна иметь минимальную металлоемкость;
конструкция криогенной арматуры должна обеспечивать работоспособность соединений с учетом колебания размеров деталей от изменения температур;
конструкция криогенной арматуры должна обеспечивать отсутствие утечек криогенной рабочей среды в окружающую среду, исключать загазованность помещений и обмерзание арматуры;
узлы арматуры должны работать без смазки;
конструкция узлов арматуры должна удовлетворять условиям взрыво- и пожаробезопасности;
высокая надежность: ресурс должен составлять 10–30 лет или 3500–5000 циклов наработки.
С учетом основных конструктивных особенностей и назначений криогенную арматуру классифицируют следующим образом:
1) АРМАТУРА БЛОЧНАЯ — криогенная арматура, как правило, для блоков с насыпной тепловой изоляцией, холодная корпусная часть которой устанавливается в криогенном блоке с тепловой изоляцией и соединяется удлиненным штоком и крышкой с приводом, расположенной в зоне с температурой окружающей среды;
2) АРМАТУРА С ВАКУУМНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ — криогенная арматура, имеющая вакуумную изоляцию между холодным корпусом и кожухом с приводом, расположенными в зоне с температурой окружающей среды. Такая арматура применяется в основном для транспортировки газов и криогенных жидкостей с температурой конденсации ниже 120 К. Особенность конструкции заключается в том, что для возможности смены шпиндельной группы без притирки клапана по седлу применяется мягкое уплотнение затвора «металл–фторопласт» или «металл–поликарбонат» (подробности в статье «Особенности и перспективы развития криогенного оборудования в линейке АО «Машиностроительной Корпорации «Сплав» (журнал «Арматуростроение» №1 (106), 2017);
3) АРМАТУРА ВСТРОЕННАЯ — стремление сократить в разы теплоприток к криогенному продукту привело к созданию арматуры, встраиваемой в криогенные трубопроводы или блоки, таким образом, арматура встроенная — криогенная арматура, которая целиком, вместе с приводом расположена внутри криогенного блока;
4) АРМАТУРА КРАТКОВРЕМЕННОГО ЗАХОЛАЖИВАНИЯ — это криогенная арматура, не имеющая тепловой изоляции, сохраняющая работоспособность при криогенных температурах рабочей среды ограниченное в условиях обмерзания время;
5) АРМАТУРА С МЕСТНОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ — это криогенная арматура с изоляцией, обеспечивающей уменьшение теплопритока к среде и снижающей ее испарение.
ТРЕБОВАНИЯ К ПРИМЕНЯЕМЫМ МАТЕРИАЛАМ
Условия работы криогенной арматуры накладывают ограничения на выбор применяемых материалов:
гарантированные механические свойства при криогенных температурах;
стойкость к охрупчиванию при низких температурах;
совместимость по условиям взрывобезопасности с криогенными продуктами;
малая теплопроводность;
высокие антифрикционные свойства в режимах работы без смазки;
совместимость по условиям коррозионностойкости с криогенными рабочими средами.
По функциональному назначению криогенная арматура может быть запорной, регулирующей, запорно-регулирующей, предохранительной, обратной, отключающей, распределительно-смесительной и комбинированной.
Наиболее характерными «криогенными» представителями продукции МК «Сплав» являются:
1) КЛАПАНЫ ЗАПОРНЫЕ С РУЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
Клапаны предназначены для установки в качестве запорных устройств на технологических линиях криогенных систем. Данные клапаны имеют удлиненный шток, уплотнение в затворе «металл-фторопласт», герметичность по отношению к внешней среде по штоку осуществляется с помощью сильфона и дополнительного дублирующего сальника, выполненного из фторопласта. Клапаны выпускаются от DN 6 до DN 50.
2) КЛАПАНЫ С УПРАВЛЕНИЕМ ПНЕВМОПРИВОДОМ (ОТСЕЧНЫЕ)
Клапаны предназначены для установки в качестве запорных устройств на технологических линиях криогенных систем. Данные клапаны имеют удлиненный шток, уплотнение в затворе «металл-фторопласт», герметичность по отношению к внешней среде по штоку осуществляется с помощью сильфона и дополнительного дублирующего сальника, выполненного из фторопласта. Управление клапаном осуществляется пневмоприводом отсечного типа. Под действием воздуха поршень пневмопривода перемещается и открывает (клапан нормально закрытый — «НЗ») или закрывает (клапан нормально открытый — «НО») клапан. При отсутствии давления под действием пружины пневмопривода клапан закрывается («НЗ») или открывается («НО»). Клапаны выпускаются от DN 15 до DN 200.
3) КЛАПАНЫ ОБРАТНЫЕ ПОДЪЕМНОГО ТИПА
Клапаны предназначены для предотвращения обратного потока рабочей среды на технологических линиях криогенных систем. При прохождении потока среды сквозь клапан золотник под действием среды поднимается вверх и клапан открывается. Когда давление на входе клапана падает, клапан опять закрывается, потому что на какой-то момент поток среды останавливается (давление на входе и на выходе одинаковое), и силы пружины хватает, чтобы закрыть клапан. Среда со стороны выходного отверстия обратного клапана также давит на золотник и не дает ему открыться. Клапаны обратные выпускаются от DN 15 до DN 40.
НОВЕЙШАЯ РАЗРАБОТКА АО «Машиностроительная Корпорация «Сплав» — ТРЕХЭКСЦЕНТРИКОВЫЙ ДИСКОВЫЙ ЗАТВОР
Криогенная арматура — одно из наиболее значимых направлений производственной политики МК «Сплав». Среди значимых проектов, в которых участвовала корпорация — разработка опытных образцов, испытания, а также серийное производство и дальнейшая поставка специальной трубопроводной арматуры для космодрома в Индии; разработка и изготовление трубопроводной арматуры и блоков для испытательных стендов по заказу НИИМаш; поставка оборудования для Конструкторского бюро «Южное» им. М. К. Янгеля в рамках реализации проекта ракетно-космического комплекса «Циклон-4» (космодром «Алкантара», Бразилия) и т. д. Отметим, что на сегодняшний день «Сплав» — единственный производитель в России, имеющий в своем портфеле полный ассортимент различной арматуры для криогенных систем заправки изделий ракетно-космической техники, воздухоразделительных установок и заводов по производству СПГ.
Дисковые затворы трехэксцентриковой конструкции, разработанные проектно-конструкторским и технологическим институтом «Атомармпроект» Машиностроительной корпорации «Сплав», предназначены для использования в качестве запорной и запорно-регулирующей арматуры номинальным диаметром от DN 100 до DN 600 в различных технологических процессах в широком диапазоне температур от -200°С до +600°С и давлением рабочей среды от 0.6 МПа до 4.0 МПа.
Применяемые в конструкции затвора материалы обеспечивают высочайший уровень безопасности, соответствие европейским EN 1626, BS 6364, ISO 21011, ISO 28921-1, российскому стандарту СТ ЦКБА 006, а также проекту межгосударственного стандарта «Арматура трубопроводная криогенная. Общие технические условия» и другим назначенным характеристикам даже в самых сложных условиях эксплуатации.
По сравнению с традиционными исполнениями трехэксцентриковая оригинальная геометрия диска позволяет обеспечить наименьший крутящий момент при управлении затвором, снизить износ уплотняющих поверхностей и обеспечить высокую герметичность затвора по классу «А» по ГОСТ Р 54808-2011.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ:
регулируемая сальниковая набивка с графитовыми или фторопластовыми кольцами обеспечивает высокую герметичность по штоку. В качестве опции предлагается дублирование набивки резиновыми кольцами;
уплотнение в затворе «металл–металл/графит» на порядок увеличивает срок службы изделия. Многослойное уплотнительное кольцо, состоящее из чередующихся слоев графита и пластин из нержавеющей стали аустенитного класса, способно самоустанавливаться, обеспечивая равномерную посадку на седло и исключая протечки. Данное свойство позволяет корпусу затвора и диску выдерживать температурные деформации относительно друг друга без заеданий при сохранении герметичности между уплотняющимися поверхностями. Закрепленное с помощью удерживающего кольца и винтов уплотнительное кольцо имеет степень свободы в радиальном направлении. Спирально-навитая прокладка за уплотнительным кольцом обеспечивает отсутствие протечки между диском и уплотняющим кольцом (рис. 5);
разборная конструкция седла и диска, а также свободный доступ для замены сальниковых уплотнений обеспечивают высокую степень ремонтопригодности затвора;
простота и надежность конструкции изделия гарантируют длительный срок эксплуатации арматуры;
стандартное крепление привода — монтажный кронштейн и соединение вала — соответствует ISO 5211;
внешний указатель положения диска обозначается выборкой на валу: затвор находится в положении «открыт», когда выборка находится на одной линии с осью потока;
графитовое или фторопластовое защитное кольцо в подшипниках защищает поверхность подшипников от попадания механических примесей и исключает возможность заедания вала;
цельная конструкция вала обеспечивает дополнительную прочность в пределах зоны действия давления среды.
Трехэксцентриковый затвор разработки МК «Сплав» универсален по принципу монтажа на трубопроводах — он имеет исполнение фланцевое, межфланцевое и под приварку. Затвор данного типа может поставляться с рукояткой для малоразмерных затворов, с редуктором, с пневмоприводом и с электроприводом.
ТРЕБОВАНИЯ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ КРИОГЕННОЙ АРМАТУРЫ
Машиностроительная корпорация «Сплав» является предприятием полного цикла и производит криогенную арматуру от идеи, воплощающей замысел конструктора, до поставки потребителю и гарантийного обслуживания. При изготовлении криогенной арматуры особое внимание уделяется процессу обеспечения высочайшего качества. Для этого на предприятии действует система многоступенчатого контроля, обязательная для каждого этапа производства, начиная с входного контроля поступающих материалов, производственных испытаний продукции на прочность и герметичность и до «холодных» испытаний. На предприятиях корпорации возможно размещение заказов на изготовление вновь разрабатываемых изделий преимущественно из нержавеющих сталей, в том числе оборудования для природного газа (системы осушки, подогрева, сжижения, хранения, транспортирования, в том числе железнодорожным подвижным составом), криогенной арматуры (клапанов, вентилей, затворов, задвижек, в том числе с ручным, электрическим и пневматическим приводами). Машиностроительная корпорация «Сплав» сертифицирована в системе менеджмента качества СМК ГОСТ Р ИСО 9001-2008, имеет лицензию ФСЭТАН на изготовление оборудования для предприятий атомной отрасли, а также разрешение на применение выпускаемого оборудования.
