Предохранительный клапан с пилотным управлением для СПГ: низкие температуры и риски пилотного контура

Можно ли использовать предохранительный клапан с пилотным управлением для СПГ?

Да — как возможную конструктивную схему для конкретного режима защиты оборудования со СПГ, при условии проверки выбранной конфигурации.
Первичные источники подтверждают применение предохранительных клапанов с пилотным управлением в определённых системах СПГ, но важно учитывать границы
применимости этих сведений.

ISO 18154
распространяется на предохранительные клапаны с пилотным управлением мембранного типа, используемые на грузовых танках судов — перевозчиков СПГ. Стандарт подтверждает, что такая конструктивная схема
применима в указанной области; при этом стандарт не является универсальным стандартом применения для терминалов, линий сжижения,
перекачивающих трубопроводов, ёмкостей хранения или любой конструкции пилота.

Стандарт API 521 имеет значение на уровне системы, поскольку API
прямо включает терминалы СПГ в область своих рекомендаций по системам сброса и снижения давления. Это обосновывает рассмотрение сценариев сброса
и системы ниже по потоку, но не подтверждает пригодность конкретного POSV именно для применения со СПГ.

Пример применения POSV для СПГ от LESER
показывает, почему важна конфигурация: в документированном криогенном решении POSV применяется управление тепловым режимом
пилота с учётом конкретного проекта, включая тепловую развязку и испаритель в одном из применений. Смысл не в том, что каждому POSV для СПГ требуются
такие элементы, а в том, что температура пилота и состояние среды могут быть параметрами, задаваемыми инженерными решениями, а не предположениями, выведенными
из номинальных характеристик основного клапана.

Это семейство изделий LESER High Efficiency POSV
даёт дополнительные сведения производителя, но страница семейства продукции не заменяет подтверждения криогенной пригодности конкретной конфигурации.

Необходимо различать три утверждения:

«Такая конструкция применяется для СПГ»
 не означает, что 
это семейство изделий пригодно для любой задачи предохранительного сброса в системах СПГ,
 и ни одно из этих утверждений автоматически не означает, что 
этот конкретный клапан в выбранной конфигурации пригоден для рассматриваемого сценария сброса давления.

Прежде чем переходить к дальнейшему рассмотрению варианта, определите задачу предохранительного сброса, ожидаемое состояние среды при сбросе, соответствующие температуры, противодавление,
материалы основного клапана и пилота, схему отбора и передачи давления, схему отвода среды из пилота и подтверждающие материалы, необходимые проекту.

Слово кандидат выбрано намеренно. Оно означает, что конструкция заслуживает технического рассмотрения, но не означает,
что клапан уже подобран по пропускной способности, сертифицирован, принят или одобрен для проекта.

Для более общих сведений о семействе изделий можно рассмотреть
предохранительные клапаны с пилотным управлением
отдельно от этого руководства по предварительному отбору для СПГ.

Для других сценариев защиты систем СПГ, выходящих за рамки вопросов пилотного контура, см.
руководство по применению предохранительных клапанов для СПГ.

Почему низкотемпературной пригодности основного клапана недостаточно

Предохранительный клапан с пилотным управлением не является единым объектом с одним температурным допуском. Это собранная система защиты от избыточного давления, чьи
компоненты могут различаться материалами, уплотнительными элементами, условиями воздействия и документально установленными пределами.

Основной узел сброса давления может включать работающий под давлением корпус, сопло, тарелку или поршень и уплотнительные
элементы основного клапана. Контур управления дополнительно включает пилотный клапан, тракт передачи давления, трубки, уплотнения пилота, фильтры или дросселирующие элементы,
если таковые применяются, а также камеру управляющего давления (dome) и соответствующий контур. Сведения о температурной пригодности одного элемента не следует автоматически
распространять на остальные.

Технические характеристики Baker Hughes Consolidated 3900/3900 TM
отдельно рассматривают варианты пилота и модулятора, конфигурацию основного клапана, дистанционный отбор давления, отвод среды из пилота, противодавление и
данные для выбора отдельных компонентов. Такая структура подтверждает рассматриваемый инженерный принцип: проверке подлежит POSV в конкретной конфигурации,
а не общее заявление о семействе продукции.

При проверке материалов следует учитывать фактическое распределение температур

При проверке материалов для криогенных условий следует учитывать расположение каждого компонента, а также температуру и состояние среды, воздействию которых он может подвергаться.
Для POSV, предназначенного для СПГ, это означает, что одной проверки сплава корпуса недостаточно. Внутренние детали пилота, поршневые или мембранные элементы, мягкие седла,
уплотнительные кольца круглого сечения или другие эластомеры, уплотнения на основе PTFE при их применении, трубки отбора давления и материалы фитингов могут иметь разные
документально установленные пределы допустимых условий эксплуатации.

Документация LESER по СПГ содержит пример конкретного производителя: в его криогенной конфигурации POSV применено проектное решение
для поддержания заданных условий работы пилота, а в системе уплотнения основного клапана указан определённый состав PTFE.
Это показывает, что выбор материалов компонентов и управление температурой могут иметь значение, но не устанавливает
универсального набора материалов для СПГ.

Не используйте одно значение температуры как подтверждение пригодности всего предохранительного клапана с пилотным управлением, если документация поставщика
прямо не подтверждает, что это значение относится ко всей выбранной конфигурации.

Та же осторожность требуется при использовании таблиц для семейств изделий. Самое низкое значение температуры, указанное в каком-либо разделе каталога,
не следует распространять на каждый пилот, уплотнение, сочетание материалов или конфигурацию клапана.

Как низкая температура может нарушить достоверность сигнала давления в пилотном контуре

Низкая температура становится проблемой для пилотного контура, когда изменяет или прерывает сигнал давления, который необходим пилоту для
выполнения функции управления. Этот риск относится к контуру отбора давления и управления, хотя основной тракт предохранительного сброса значительно больше.

В упрощённом функциональном виде:

давление в защищаемой системе → точка отбора давления → импульсный тракт → пилот → давление в управляющей полости → реакция основного клапана

Каждое звено этой цепи должно сохранять информацию о давлении, на которую рассчитана реакция пилота.

Инструкция по эксплуатации Baker Hughes Consolidated 2900 POSRV
прямо описывает механизм отказа: засорённая или замёрзшая линия отбора давления пилота может перекрыть передачу давления системы
к пилоту, вследствие чего он может перестать правильно воспринимать давление защищаемой системы и выполнять предусмотренную функцию
предохранительного сброса.

Это предупреждение описывает функциональное последствие, не устанавливая универсального порогового значения для СПГ. При проектировании необходимо определить,
существует ли в конкретной установке обоснованная возможность закупорки или замерзания тракта передачи давления и, если да, какое одобренное производителем
решение позволяет контролировать этот риск.

Читатели, которым нужна полная общая последовательность работы, могут ознакомиться с материалом о том,
как работает предохранительный клапан с пилотным управлением;
в этой статье рассматривается только принцип работы, необходимый для объяснения риска при предварительном отборе для СПГ.

Не объединяйте разные механизмы в один риск

Закупорка означает ограниченную проходимость или полное перекрытие тракта передачи давления.

Замерзание может быть одной из причин закупорки, если фактические местные условия среды и температурный режим допускают его возникновение.

Загрязнение твёрдыми частицами, отложения или технологические загрязнения могут ограничивать проходимость тракта отбора и передачи давления по различным механизмам.
Эти механизмы следует определять исходя из фактических условий эксплуатации, а не объединять под общим названием «замерзание».

В рекомендациях производителей по эксплуатации в углеводородных средах могут рассматриваться риски образования гидратов или загрязнения, но это не даёт оснований
считать образование гидратов типичным отказом пилотного контура при работе со СПГ. Аналогично, инструкция по защите от замерзания, составленная для других условий эксплуатации,
демонстрирует соответствующий механизм; однако это не доказывает автоматически, что такой же механизм существует в конкретной установке СПГ.

Имеющиеся подтверждающие источники не дают оснований для универсального утверждения, будто вскипание или двухфазное течение в любой линии отбора давления при работе со СПГ
вызывает один и тот же предсказуемый вид отказа пилота. Существенный вопрос заключается в том, остаются ли давление и состояние среды, передаваемые
пилоту, репрезентативными для выбранной конструкции.

Давление, воспринимаемое пилотом, должно оставаться репрезентативным для защищаемой системы при заданных
условиях эксплуатации и предохранительного сброса.

Если предлагаемая конструкция зависит от тракта отбора и передачи давления, для которого местная температура, состояние среды, риск закупорки или меры управления тепловым режимом
ещё не определены, эту неопределённость следует явно отражать при оценке варианта.

Что необходимо проверить в пилоте и контуре отбора давления?

Если тракт пилота рассматривается как часть функции защиты от избыточного давления, при оценке можно перейти от общего понятия
«криогенная пригодность» к конкретным вопросам конфигурации.

Дистанционный отбор давления — проектное решение, а не автоматическое улучшение

Дистанционный отбор давления является обоснованным техническим решением, однако рекомендовать его только потому, что речь идёт о СПГ, не следует. Такая схема добавляет
физический тракт между защищаемой системой и пилотом, поэтому его трассировка, длина, фитинги, перепад высот и местное температурное воздействие
становятся предметом проверки.

Данные для заказа Baker Hughes 2900/2900 TM
запрашивают сведения о дистанционном отборе давления, в том числе длину линии отбора давления, её эквивалентную длину и перепад высот, а также отдельно
— создаваемое и наложенное противодавление, схему отбора давления пилотом и схему отвода среды из пилота. Это исходные инженерные данные,
а не второстепенные варианты оформления.

В какой точке пилот должен воспринимать давление, репрезентативное для защищаемой системы, и какой физический тракт соединяет эту точку с пилотом?

Фильтры решают конкретную проблему, а не проблему «работы со СПГ» вообще

Фильтры на линии подачи среды к пилоту предусмотрены как дополнительные варианты в документированных конфигурациях POSV. Они могут быть уместны при обоснованном риске загрязнения твёрдыми частицами,
но фильтр не следует считать обязательным элементом для любой системы СПГ.

Если предлагается фильтр, проверьте, какую проблему он призван решать, как влияет на тракт отбора давления и управления, какого осмотра или
технического обслуживания он требует и входит ли он в точную конфигурацию, предложенную поставщиком.

Проверяйте отвод среды из пилота совместно с противодавлением

Отвод среды из пилота и давление на выходе следует рассматривать в рамках одной проверки конфигурации. Технические данные Baker Hughes по серии Consolidated
3900 показывают, что влияние противодавления зависит от конструкции пилота и от того, направлен ли его отвод к
выходу основного клапана, в атмосферу или в другое указанное в документации место. Опубликованные численные пределы относятся к конкретным изделиям
и здесь не обобщаются.

Поэтому при оценке системы нужны ответы на два взаимосвязанных вопроса: какое давление действует на выходе основного клапана и какое давление
действует на отвод среды из пилота в выбранной конфигурации. Если предусмотрен общий сбросной коллектор, ожидаемое наложенное
и создаваемое противодавление должны входить в исходные данные для расчётного подбора размеров и выбора клапана.

Противодавление характеризует смонтированную систему предохранительного сброса и одновременно служит исходным параметром при выборе клапана; выбранную схему отвода среды из пилота
необходимо проверить с учётом фактического давления ниже по потоку.

Предотвращение обратного потока требуется не во всех случаях

Устройства предотвращения обратного потока документированы как дополнительные варианты конфигурации, а не как обязательное для всех оборудование. Необходимость такого устройства
зависит от выбранной конструкции пилота и фактических соотношений давлений в смонтированной системе.

Тот же подход применим к остальным элементам пилотного контура: названия вариантов конфигурации следует воспринимать как повод для инженерной проверки,
а не для автоматического решения о закупке.

Что подтверждают стандарты — и чего они не подтверждают?

Стандарты являются необходимой доказательной основой, но разные стандарты отвечают на разные вопросы. При обоснованной оценке POSV для СПГ разграничивают
область действия стандарта на изделие, правила защиты от избыточного давления, рекомендации по системе предохранительного сброса и подтверждения соответствия требованиям конкретного проекта.

применимость стандарта ≠ подтверждение сертификации или соответствия ≠ пригодность для применения со СПГ ≠ принятие в рамках проекта

ISO 4126-4
устанавливает общие требования к предохранительным клапанам с пилотным управлением. ISO определяет его как стандарт на изделие, а не как
стандарт применения, и указывает, что сам стандарт не устанавливает температурных ограничений. Эти положения необходимо рассматривать
совместно: отсутствие температурных ограничений на уровне стандарта не доказывает пригодности любой конфигурации POSV для СПГ.

Стандарты, относящиеся к СПГ, могут иметь гораздо более узкую область применения

ISO 18154
посвящён конкретной, но узкой области применения: предохранительным клапанам с пилотным управлением мембранного типа на грузовых танках судов — перевозчиков СПГ.
Он служит подтверждением применимости в указанной морской области, а не универсальным правилом для каждого объекта СПГ или любой конструкции пилота.

Роль API 520

API 520 Часть I устанавливает требования к расчётному подбору размеров и выбору клапана в пределах
своей области применения, тогда как API 520 Часть II рассматривает вопросы монтажа. В действующем каталоге API перечислены
опубликованные редакции, а в плане разработки стандартов также указаны последующие редакции, находящиеся в разработке; поэтому требования конкретной редакции
следует сверять с нормативной основой, принятой для проекта.

API 521 содержит рекомендации по системам предохранительного сброса и снижения давления
и прямо включает терминалы СПГ в заявленную область применения. Он особенно важен при рассмотрении сценариев сброса и системы ниже по потоку,
в том числе при определении исходных условий по противодавлению.

ASME BPVC Раздел XIII — действующий раздел ASME по защите оборудования под давлением от избыточного давления.
Если проект предусматривает применение норм ASME при проектировании и изготовлении, его следует учитывать при проверке соответствия нормам; он не является
подтверждением пригодности пилотного контура или материалов для СПГ.

Для планирования осмотров и ремонта в процессе эксплуатации
API RP 576 рассматривает методы осмотра и ремонта устройств предохранительного сброса давления,
включая предохранительные клапаны с пилотным управлением. При этом документ не обосновывает единый интервал осмотра для всех проектов СПГ.

Для более широкого обзора стандартов без расширения этой статьи за рамки POSV для СПГ см.
руководство по стандартам предохранительных клапанов.

При оценке поставщика рассматривайте четыре вопроса по отдельности:

1. Какие технические стандарты относятся к данной системе защиты от избыточного давления и изделию?
2. Какие сертификаты, документы о соответствии или результаты испытаний имеются для конкретной предлагаемой конфигурации?
3. Отвечает ли эта конфигурация заданному режиму защиты оборудования со СПГ, температурным воздействиям, условиям пилотного контура и противодавлению?
4. Принимается ли комплект подтверждающих материалов покупателем, ответственным инженером и в применимой юрисдикции?

Длинный перечень стандартов не заменяет ответов на эти вопросы.

Когда вариант LNG POSV следует передать на дальнейшую проверку, отложить или отклонить?

Приведённая ниже логика PROCEED / HOLD / REJECT — это схема предварительного инженерного отбора, используемая в данной статье.
Она не является классификацией ISO, API, ASME или регулирующих органов.

ПРОДОЛЖИТЬ

Использовать ПРОДОЛЖИТЬ следует, когда сведений достаточно для перехода к детальной инженерной проработке конкретной модели
или рассмотрению поставщиком.

• задача сброса давления и требуемая пропускная способность;
• состав СПГ или установленные характеристики среды и ожидаемое фазовое состояние при сбросе;
• рабочие температуры, температуры при сбросе и значимые температуры компонентов;
• ожидаемое наложенное и накопленное противодавление;
• тип пилота и характер его срабатывания;
• точка отбора давления и схема его измерения и передачи;
• материалы основного клапана, пилота, трубок и фитингов;
• уплотнения и другие мягкие компоненты;
• схема отвода среды из пилота;
• монтажные ограничения, влияющие на отбор давления или температурное воздействие;
• применимые стандарты и требуемые проектом подтверждающие документы.

PROCEED не означает одобрения. Это значит, что вариант описан достаточно подробно для содержательной проверки.

HOLD

Использовать HOLD следует, когда недостающие сведения могут существенно изменить оценку пригодности.

• неизвестна фактическая температура воздействия на пилот или импульсную линию;
• не определены допустимые условия для мягких компонентов пилота или основного клапана;
• не определена точка отбора давления или схема его измерения и передачи;
• не выполнена трассировка или проверка дистанционного импульсного тракта;
• не выяснено взаимное влияние отвода среды из пилота и противодавления;
• температурный диапазон семейства изделий не подтверждён для конкретной предлагаемой конфигурации;
• не установлено ожидаемое фазовое состояние среды у пилота, если от него зависит работа конфигурации;
• не представлены требуемые документы о соответствии, сертификации или испытаниях.

Отсутствие данных не означает непригодность.

ОТКЛОНИТЬ

Использовать ОТКЛОНИТЬ только при документально установленном несоответствии.

Например, предполагается эксплуатация компонента за пределами его документированных ограничений либо конфигурация пилота и тракта отбора и передачи давления не может
удовлетворить обязательному условию проекта; условия противодавления не соответствуют документированным условиям выбранной конфигурации;
либо вариант не проходит требуемую проверку пригодности для заданной задачи предохранительного сброса.

Эта схема помогает организовать проверку, но не заменяет формальный расчётный подбор размеров, сертификацию, приёмку покупателем
или одобрение ответственным инженером.

Что следует включить в RFQ на клапан с пилотным управлением для СПГ?

В запросе предложения (RFQ) на POSV для СПГ следует определить задачу предохранительного сброса, состояние технологической среды, низкотемпературные воздействия, пилотный контур и
условия в системе ниже по потоку, а не только номинальный размер клапана, среду и давление настройки.

Оригинальная документация производителей для оформления заказа подтверждает такой подход. В документации Baker Hughes для заказа POSV запрашиваются сведения о среде и условиях эксплуатации
и параметры предохранительного сброса, включая требуемую пропускную способность, рабочую температуру и температуру при сбросе, давление настройки, создаваемое и наложенное
противодавление, схему отбора давления пилотом, схему отвода среды из пилота и, где применимо, геометрию выносного тракта отбора давления. Эти исходные данные могут повлиять на конфигурацию.

Сведения, которые покупателю следует предоставить

Режим сброса

• защищаемое оборудование или условия применения;
• рассматриваемый обоснованный сценарий сброса давления;
• требуемая производительность сброса;
• основание для выбора давления настройки;
• принятые в проекте расчётные условия превышения давления, если они определены.

Технологические и криогенные условия

• состав СПГ или установленные характеристики среды;
• рабочее давление;
• рабочая температура;
• температура сброса давления;
• ожидаемое фазовое состояние среды при сбросе;
• условия окружающей среды или местные температурные условия, если они влияют на пилот или элементы измерения и передачи давления.

Установленная система

• накопленное противодавление;
• наложенного противодавления;
• условия общего коллектора или системы отвода сбрасываемой среды;
• монтажные ограничения, влияющие на трубки, отвод среды из пилота или температурные воздействия.

Исходные данные по пилоту и отбору давления

• предлагаемое расположение точки отбора давления;
• требование к встроенному или дистанционному отбору давления, если оно уже определено;
• известные длина, трассировка, фитинги и перепад высот импульсной линии при дистанционном отборе;
• место отвода среды из пилота;
• известные риски загрязнения, закупорки или замерзания, требующие рассмотрения производителем.

Проектные подтверждающие документы

• применимый стандарт проектирования и принятая редакция, если указаны;
• спецификация заказчика;
• требуемый комплект документов о соответствии, сертификации, испытаниях и технической документации.

Подтверждающие материалы, которые поставщику следует предоставить

Поставщику следует указать конкретную конфигурацию предлагаемого варианта, а не ограничиваться ответом на уровне семейства изделий.

• точная модель и конфигурация;
• тип пилота и характер его срабатывания;
• материалы элементов основного клапана, удерживающих давление, и его внутренних деталей;
• материалы и внутренние детали пилота;
• материалы седла, поршневых или мембранных элементов и других мягких компонентов, где применимо;
• конфигурация трубок и фитингов;
• схема отбора давления;
• схема отвода среды из пилота;
• конфигурация фильтра, теплообменника, системы управления тепловым режимом или обратным потоком, если применяется;
• документально подтверждённые допустимые условия для соответствующих компонентов выбранной конфигурации;
• исходные данные и обоснование по противодавлению, а также ограничения или поправки, зависящие от конфигурации;
• требуемые проектом материалы, подтверждающие расчётный подбор размеров или сертифицированную пропускную способность;
• требуемые проектом документы об испытаниях, соответствии или сертификации.

Исходные данные покупателя определяют задачу. Документы поставщика показывают, может ли клапан в конкретной конфигурации решить её.

Одной записи «Применение: СПГ» недостаточно для полноценного обмена данными ни для одной из сторон. Аналогично, обозначение криогенный
не заменяет уточнения того, какую именно конфигурацию, пилот, тракт отбора и передачи давления, мягкие компоненты, условия противодавления и фактические
температуры подтверждает поставщик.

Для более общего рассмотрения выбора клапана см.
руководство по выбору предохранительных клапанов.

Готовите запрос на POSV для СПГ?
Направьте сведения о заданной задаче предохранительного сброса, условиях эксплуатации и сброса, ожидаемом противодавлении,
состоянии среды и требованиях к пилоту и тракту отбора и передачи давления в ZOBAI для рассмотрения поставщиком и подготовки запроса коммерческого предложения (RFQ) с учётом фактических условий эксплуатации.

Частые вопросы: выбор предохранительного клапана с пилотным управлением для СПГ