Уплотнительные кольца для взрывной декомпрессии в шаровом кране с цапфой

Что такое взрывная декомпрессия?

У многих производителей и операторов нефтегазовой отрасли возникают проблемы с утечками из-за эластомерных уплотнений, особенно при падении давления. В первую очередь это происходит в уплотнениях, которые создают барьер против газообразных сред, если газ под высоким давлением падает до уровня очень низкого давления за очень короткий период времени. Результатом этого процесса часто является повреждение уплотнительных колец Viton. Эластомерный материал либо рвется в различных местах, либо вздувается на поверхности. Это явление называется взрывной декомпрессией.

Ввиду высоких требований к эластомерным уплотнениям против взрывной декомпрессии (AED / Anti Explosive Decompression) все шаровые краны с цапфой, поставляемые Клапан ZECO оснащены уплотнительными кольцами Viton AED. Большинство имеющихся на складе брендов оснащены уплотнительными кольцами, сертифицированными по стандарту NORSOK M-710 (ведущий международный стандарт в этой области).

Что такое уплотнительное кольцо для взрывной декомпрессии?

Стандартные эластомерные уплотнительные кольца обеспечивают характеристики FE класса A в зависимости от температуры, давления и жидкостей. Вода, ароматические соединения, амины, CO2, гликоль, метанол и т. д. могут либо раздуть матрицу до точки разрыва в канавке уплотнительного кольца, либо химически атаковать сам полимер. Низкая температура (ситуации продувки) требует использования специальных уплотнительных колец, устойчивых к ЭД, поскольку стандартные эластомеры становятся твердыми и больше не могут повторять боковое движение штока.

Компонентом клапанов, который приводит к наиболее ограниченному «рабочему окну», являются эластомерные уплотнительные кольца. Такие уплотнительные кольца чаще всего встречаются в шаровых кранах с цапфой. При низких температурах эластомеры становятся тверже, менее эластичными и теряют память. Для статических уплотнений устойчивость к низким температурам несколько лучше, поскольку нет необходимости сильно полагаться на упругость. При эксплуатации при температуре -29C рекомендуется использовать манжетные уплотнения (соответственно, с указанием «AED»).

Следует отметить, что в Австралии уплотнительные кольца Viton AED подлежат карт-бланш всех размеров и классов, даже при стандартной эксплуатации при стандартной температуре и даже для плавающих шариков. Даже компания Shell Oil использует в своих цапфах уплотнительные кольца AED только для класса 600 и выше. Класс 150 и 300, особенно при стандартной эксплуатации при нормальных температурах, это явление не возникает и не возникает даже в клапанах классов 900, 1500, плавающих шаровых кранах при нормальных температурах и меньших размерах до 100NB.

Кроме того, плавающие шаровые краны часто содержат только одно статическое резервное уплотнение штока, которое менее подвержено воздействию, а плавающие шаровые краны обычно не имеют динамических уплотнительных колец седла.

Компонентами, требующими пристального внимания, являются вода, метанол, гликоль, амины, аммиак CO2 и H2S. Когда относительно небольшие и/или молекулы мигрируют в открытую структуру полимера или эластомера, происходит набухание. Доступно множество других марок эластомеров, устойчивых к ЭД, таких как Aflas®, East-O-Lion 985® (HBNR) и т. д., в зависимости от условий эксплуатации, температуры и т. д.

Серьезное ограничение высокого давления существует в газообразных или летучих средах, когда легкие компоненты жидкости со временем диффундируют в эластомер и расширяются в матрице при быстрой декомпрессии, прежде чем они смогут снова диффундировать. Эффект называется взрывной декомпрессией (ED) и проявляется при особенно низких давлениях, когда присутствует CO2 или H2O.

Противовзрывные декомпрессионные уплотнения (AED)

Уплотнения AED и уплотнительные кольца AED доступны в PPE из различных типов эластомерных материалов, включая HNBR, FEPM (Aflas®), FKM и FFKM под торговыми марками EnDura®, Perlast® и Perlast® ICE.

Помимо витона, другим приемлемым материалом уплотнительных колец является HNBR (который по своей природе устойчив к AED). Крупные компании, такие как Shell, обычно рекомендуют гораздо более дорогие манжетные уплотнения класса 1500 и выше. Однако, как минимум, в цапфовых клапанах больших размеров необходимо использовать опорные кольца из нейлона или PEEK сразу за уплотнительным кольцом из Viton (практика, которую не применяют китайские конструкции с западными значками).

Например, работа с углекислым газом является примером условий эксплуатации, когда для шаровых кранов с цапфой требуются уплотнительные кольца, устойчивые к ЭД. Помимо необходимости избегать попадания жидкого углекислого газа в отверстие шара, проектировщику следует внимательно подходить к выбору материалов для остальных компонентов, из которых состоит клапан.

Эластомеры содержат пустоты и жесткие включения, образующиеся в процессе производства. Жидкости, контактирующие с материалом, впитываются и диффундируют по материалу. При высоком давлении жидкость остается жидкой; когда давление падает, жидкость расширяется до газа, который может вызвать механические повреждения, такие как экструзия и вздутие, и подвергаться быстрой декомпрессии газа (RGD), часто называемой взрывным разложением, поэтому требуются уплотнительные кольца, устойчивые к ЭД.

Проблема с некоторыми материалами прокладок или уплотнений связана с RGD (взрывная декомпрессия). При многократной декомпрессии, когда давление периодически повышается и понижается, трещины могут образовываться и расти при напряжениях, намного меньших, чем точки разрыва. Если количество циклов превышает количество усталостных циклов до разрушения, то трещины будут расти и, в конечном итоге, материал выйдет из строя.

Тестирование на взрывную декомпрессию

Компания PPE является ведущим производителем и разработчиком решений для герметизации, предотвращающих взрывоопасную декомпрессию (AED). Лаборатории разработки материалов PPE, расположенные в Великобритании и Хьюстоне, располагают современным оборудованием для испытаний на ЭД резиновых изделий, используемых в промышленности.

Испытательные стенды высокого давления способны выдерживать давление уплотнений различной геометрии до 13,8 МПа или 20 000 фунтов на квадратный дюйм в течение любого периода времени, любого количества циклов сброса давления и при любой температуре до 250 °C (482 °F). Установки можно использовать для проверки материалов на соответствие различным отраслевым стандартам или для проведения индивидуальных испытаний для имитации реальных полевых операций.

Испытательные стенды компании PPE способны проводить испытания в соответствии с такими стандартами, как TOTAL GS PVV 142, NORSOK M710, NACE TM0297 и ISO 23936-2. Вставки держателей уплотнительных колец взаимозаменяемы для обеспечения различных уровней сжатия в зависимости от геометрии торца и поршня.

Клапан ZECO