Запорная арматура: держим поток под контролем

Образ трубопроводного вентиля одним из первых приходит в голову, когда мы говорим о нефтегазовой отрасли. И это неслучайно: важность запорной арматуры при добыче, транспортировке и переработке углеводородов сложно переоценить.

Существует несколько её разновидностей, и всё это многообразие представлено в России. Каковы достоинства и недостатки каждого из типов трубопроводной запорной арматуры? Как отрасль переживает санкции? И стоит ли нам в ближайшем будущем ждать здесь новых технологических прорывов?

Специфика нефтегаза: агрессивные среды и высокое давление

Трубопроводная запорная арматура применяется во многих отраслях: везде, где есть необходимость в перекрытии потока в технологическом процессе. Но нефтегазовая отрасль всё же стоит особняком.

«Здесь, помимо соблюдения технологий добычи, изготовления и транспортирования продукта, нужно обеспечить и безопасность производства. Для мгновенной локализации возможных аварий и нештатных ситуаций нужна надёжная, безотказная и качественная трубопроводная арматура», — отмечает заместитель генерального директора по инновационным проектам ЗАО «НПО Регулятор», канд. техн. наук Сергей Неклюдов.

Запорной арматуре в нефтегазовом комплексе приходится работать в условиях агрессивной рабочей среды (в частности, с высоким содержанием сероводорода), высокого давления, а в некоторых случаях экстремальных температур.

«Это выставляет особые требования к конструкциям, используемым в нефтегазовой отрасли. В первую очередь это химическая стойкость и герметичность.

Также это высокая устойчивость к загрязнённым средам, отсутствие застойных зон, приводящих к преждевременному выходу клапана из строя, повышенное значение допустимого перепада давления, возможность проведения ремонтных и сервисных работ без демонтажа, в полевых условиях.

Последний пункт приобретает особую актуальность в свете тенденции к увеличению межремонтных интервалов на предприятиях», — рассказывает генеральный директор ООО ПНФ «ЛГ Автоматика», канд. техн. наук Михаил Зилонов.

Запорная арматура на любой вкус и цвет

Существует несколько разновидностей трубопроводной запорной арматуры: задвижки, затворы, краны, клапаны. При этом все опрошенные эксперты сошлись во мнении, что не стоит выделять среди них «чемпиона». Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, а конечный выбор модели зависит от поставленных задач.

Исторически первыми появились задвижки и вентили, отмечает Сергей Неклюдов. Они до сих пор пользуются спросом на рынке благодаря невысокой стоимости из-за простоты конструкции. Однако отсюда вытекают и их недостатки.

«Вентили обладают высоким гидравлическим сопротивлением, их невозможно применять на потоках сильно загрязнённых рабочих сред, а также на средах с высокой вязкостью. Подача рабочей среды возможна только в одном направлении, обусловленном конструкцией клапана.

Задвижки имеют значительные строительные размеры, длительное время перестановки, и, кроме того, полость заслонки содержит застойную зону, в которой скапливаются механические примеси, что приводит к необходимости регулярной разборки и очистки, в противном случае — к потере герметичности, то есть работоспособности», — объясняет Сергей Неклюдов.

Широко распространены на нефтегазовых предприятиях шаровые краны. К их преимуществам относят высокую герметичность, простоту конструкции, высокое быстродействие, удобство монтажа, низкую стоимость обслуживания, малое гидравлическое сопротивление и отсутствие застойных зон, перечисляет представитель «НПО Регулятор».

«Шаровым краном мы можем резко открыть и перекрыть поток, то есть он лучше подходит для какого-то аварийного отключения системы. Но у шаровых кранов нет технологии, позволяющей эксплуатировать их при высоких температурах, например, при 600 °С.

Да, есть отечественные производители, которые умудряются сюда вставлять графитовые сёдла, но по факту это решение недолговечно и нормально не работает.

При такой температуре эффективны игольчатые вентили, и каждый заказчик сам выбирает, что ему нужно, исходя из своих потребностей», — рассуждает менеджер по продажам ООО «Флюид-Лайн» Алексей Капитанов.

Также стоит отметить возникновение скачков давления при быстром открытии или закрытии, более высокую стоимость шаровых кранов и тот факт, что их невозможно ремонтировать на месте, а нужно везти на завод-изготовитель. Впрочем, последний пункт отчасти компенсируется общей высокой надёжностью конструкции.

Следующий тип запорной арматуры — клапаны. Главные их преимущества: чувствительность, плавность хода и точность регулирования.

«Возможности систем, основанных только на запирании потока, ограничены. Выполнение более сложных функций управления, таких, например, как регулирование или поддержание заданных значений величин, реагирование на недопустимые изменения параметров среды, невозможно без применения исполнительных механизмов — клапанов.

В управлении технологическими процессами ведущая роль остаётся за регулирующими и отсечными клапанами, которые применяются для управления жидкими и газообразными потоками сред и обеспечивают высокий класс герметичности», — считает Михаил Зилонов.

Главный инженер ЗАО «ПО «МЗТА» Олег Кочетков отмечает, что к преимуществам клапанов относятся малый ход затворного органа для полного открытия и меньшие нагрузки, которые приводят к износу уплотнительных поверхностей.

К тому же здесь легче обеспечить требуемую герметичность затвора. В то же время клапаны не лишены недостатков: из-за высокого гидравлического сопротивления ограничены пределы их применения. Также стоит отметить наличие в их конструкции застойных зон.

Коррозия не пройдёт

Извечный враг всех стальных трубопроводов в целом и запорной арматуры в частности — коррозия. Задачу усложняет тот факт, что оборудование находится в постоянном контакте с агрессивными химическими средами. Поэтому стойкость материалов приобретает первостепенное значение.

Однако прогресс не  стоит на месте, и сегодня есть способы если не полностью уберечь оборудование от коррозии, то минимизировать вероятность её возникновения. Всего можно выделить два базовых подхода. Первый — применение материалов, неподверженных коррозии, второе — нанесение антикоррозионных покрытий.

История трубопроводной запорной арматуры насчитывает несколько тысячелетий. Первый подтверждённый факт её использования относится к периоду римской империи. А в промышленности она получила распространение в xix веке, когда появились паровые механизмы и потребность перекрывать поток горячего пара в трубах.

«Выбор определяется стоимостью. Использование специальных материалов обеспечивает практически абсолютную стойкость к коррозии, однако, как правило, это весьма дорогостоящее решение.

В своей компании мы применяем различные покрытия, в том числе гальванические, которые обеспечивают стойкость углеродных корпусов к коррозионно-опасным средам. Это могут быть покрытия на базе цинка, никеля, хрома и т. д.

Если в рабочей среде присутствует абразив или скорости потока высоки, мы изготавливаем клапаны из коррозионно-стойких нержавеек, титановых, никелевых сплавов, сплавов молибдена, которые обеспечивают абсолютную или практически абсолютную стойкость к той или иной среде», — рассказывает Михаил Зилонов.

Нужно понимать, что универсального рецепта не существует и в каждом конкретном случае нужна своя сталь. И  не  во  всех случаях приставка «нержавеющая» является гарантией, что проблем не будет.

«Например, та же 304 сталь, которая считается пищевой, на самом деле не очень хорошо подходит для нефтехимии. В ней развивается щелевая, точечная коррозия, которую ещё называют водородной.

Это очень опасно, потому что водород проникает под поверхность нержавеющей стали внутрь кристаллической решётки, объединяется там с углеродом, который является связующим звеном кристаллической решётки, отвечая за её прочность.

В результате образуется метан под высоким давлением внутри нержавейки. В металле возникают каверны, рано или поздно они увеличиваются, и происходит разрыв», — приводит пример Алексей Капитанов.

Чтобы этого не происходило, в кристаллическую решётку встраивают никель, молибден или титан, которые образуют надёжную защиту от проникновения сероводорода — оксидную плёнку. В то же время это решение не является панацеей в случае с соляной кислотой. «Муки выбора» усугубляет и тот факт, что из-за санкций некоторые марки стали теперь недоступны в РФ.

«Сплав «Инколой», кстати, сейчас запрещён к поставкам в Россию. Есть проблемы с вывозом из-за рубежа, даже из  Кореи. Нужно доказать, что это нужно не для военных целей и не для ядерной промышленности. Раньше это было формальностью, но теперь проверкой занимается не фирма-поставщик, а государственный департамент.

Это создаёт сложности, потому что, например, мембраны для регуляторов делают из «Инколоя». Кто-то покрывает второпластом, но он имеет плохую адгезию к металлу, и с ним сложно в этом смысле работать. Как вариант, развиваются сульфинертные покрытия — это аморфный кремний, который наносится на поверхность тонкой плёнкой, без зазоров; он устойчив к  растрескиванию», — рассказывает Алексей Капитанов.

Им не страшны жара и стужа

Большая часть добычи нефти и газа в России сосредоточена в северных регионах страны, а значит, производители запорной арматуры должны учитывать, что их оборудование будет работать в суровых климатических условиях. И этот вызов ими с честью принят.

«Что касается Крайнего Севера, основная проблема здесь — это применение всех материалов с относительно высокой ударной вязкостью при низких температурах. Такие материалы не должны существенно менять свои характеристики при понижении температуры, т. е. у них не должна появляться хрупкость, которая свойственна многим материалам.

Это относится ко всем сталям. В этом отношении существует большое количество разработанных, давно применяемых материалов, которые обеспечивают рабочие варианты применения до достаточно низких температур, это и -60, и -70 °C», — комментирует Михаил Зилонов.

Кроме этого, в условиях Крайнего Севера может происходить обмерзание корпуса, приборов управления. Поэтому очень важны материалы, из которых изготовлены пружины, резины, уплотнения и т. д. Существенными представляются также вопросы, связанные с ультрафиолетовым излучением, покраской и влажностью.

Всё это отражено в нормативных требованиях крупнейших российских компаний, отмечает гендиректор «ЛГ Автоматика». Впрочем, если говорить о нефтехимии и нефтепереработке, то здесь температуры ещё экстремальнее. Так, существуют измерители температуры до +2000 °С!

«Шаровых кранов и игольчатых вентилей для таких температур нет и быть не может. Спрашивается, как их открывать? Тут нужна какая-то автоматика, понимание, нужно ли управлять процессом там, где так горячо.

Но наши вентили серии G с графитовыми сёдлами выдерживают до +800 °С. А для криогеники у нас есть решения до –196 °С. Это температура жидкого азота. Сейчас очень популярна тема СПГ и его транспортировки, который тоже хранится при низких температурах. И нашему оборудованию эта задача по плечу», — заверил Алексей Капитанов.

Ещё одно требование, которое предъявляют к трубопроводной запорной арматуре, — взрывобезопасность. В России эти критерии регулируют законодательно.

«Взрывозащищённость трубопроводной арматуры обеспечивается согласно требованиям ГОСТ 31441.5–2011 и ГОСТ 314441.1–2011, а также применением в конструкции сертифицированных комплектующих.

Материалы, используемые для изготовления наружных частей арматуры, не содержат по массе более 7,5% магния и титана, и на их поверхность наносится защитное лакокрасочное покрытие толщиной не более 2 мм», — перечисляет Олег Кочетков.

В этом отношении российское законодательство достаточно жёсткое по сравнению с рядом стран и Европы, и Азии. Эта проблема успешно решается и на технологическом уровне.

«Взрывобезопасность достигается двумя базовыми путями: искробезопасным исполнением или применением взрыво-защищенного корпуса. В первом случае мы не допускаем искры при замыкании, размыкании и нагреве элементов цепи.

Во втором взрывозащищенный корпус исключает возможность выхода продуктов взрыва в окружающую среду. Тот и другой вариант используются в равной степени и достаточно распространены в нефтегазовой отрасли», — рассказывает Михаил Зилонов.

Будущее за полимерами?

Как мы видим, производство трубопроводной запорной арматуры — высокотехнологичная отрасль. Стоит ли нам ждать в ближайшем будущем новых прорывов? И какие направления прогресса наиболее перспективны?

«Сам принцип работы запорной арматуры стар как мир, и здесь остаётся только «дотачивать» то, что есть, и надеяться, что мы не потеряем имеющиеся наработки. Потому что бывает, что начинают придумывать что-то новое и из-за этого забывают что-то хорошее старое.

Вот когда появится 3D-печать из нержавейки, когда в кристаллическую решётку в нужных местах сразу вставляются нужные атомы — это будет прорыв. Сейчас уже умеют печатать из титана, но пока это дорого и штучно. Но, если эта технология станет дешевле стандартного производства, будет классно», — считает Алексей Капитанов.

Так что не стоит ожидать революции в  отрасли, прогресс будет идти маленькими шагами. Например, в части используемых материалов или автоматизации. Впрочем, и здесь есть где развернуться.

Сегодня благодаря научно-техническому прогрессу быстрее, чем когда-либо, идёт процесс создания новых материалов, отмечает Михаил Зилонов. В производстве запорной арматуры это полимеры, каучуки, различные виды покрытий. Но их внедрение — достаточно медленный процесс.

«У производителей запорной арматуры появилось много новых изделий, но  не  все нашли применение в нефтегазовой отрасли, т. к. очень высоки ответственность и требования к надёжности. Например, на рынке появились шаровые краны из полимерных материалов, которые очень стойки к  агрессивным средам.

Данный вид арматуры хорошо зарекомендовал себя в химической промышленности, но имеет ряд сдерживающих факторов развития в нефтегазовой отрасли. Это ограничения в номинальном давлении до 2,5 МПа, диаметре — до 150 мм, в рабочей температуре — до 150 °С.

Кроме этого, трубопроводы, применяемые в нефтегазовой отрасли, стальные, и при стыковке с полимерной арматурой возникнут трудности», — констатирует Сергей Неклюдов.

То есть пока полимеры не подходят для изготовления корпусных деталей арматуры, и сфера их применения — это уплотнительные материалы: сёдла в шаровых кранах, сальники в игольчатых вентилях и т. д. В то же время, по мнению Алексея Капитанова, это не отменяет того, что за ними будущее.

«Развитие полимеров позволит нам применять краны в более экстремальных условиях. Если десятки лет назад использовался обычный второпласт, то сейчас в его структуру умеют встраивать графит таким образом, чтобы изменить его свойства в лучшую сторону.

В частности, полимеры теперь лучше выдерживают минусовые температуры. Появились фтористые каучуки нового поколения. Изначально это американское производство, но в последние годы появились и российские аналоги.

Мы в ближайшие годы будем проводить испытания наших изделий с заменёнными резиновыми уплотнениями, полимерами российского производства и будем смотреть, как они ведут себя в диапазоне от -60 до +270 °С. Так что да, будущее за ними», — считает менеджер «Флюид-Лайн».

Привод автоматизации

Ещё одно направление прогресса — автоматизация. По словам Михаила Зилонова, нефтегазовая отрасль — один из лидеров по внедрению АСУ ТП, а значит, вопросы управления клапанами входят в число наиболее важных. Соответствующие технические решения уже разработаны. При этом есть возможность как заказать арматуру с автоматикой с завода, так и модернизировать уже имеющееся оборудование. Правда, последняя опция доступна не во всех случаях.

«Если шаровый кран оснащён возможностью крепления, будь то площадка под привод либо отдельная гайка под крепление, тогда можно, сняв рукоятку, установить электро- или пневмопривод. То есть его можно автоматизировать, а приводом управлять с помощью какого-то ПО.

С автоматизацией игольчатых вентилей дела обстоят сложнее. Нужен привод, способный сделать много оборотов в конечный момент открытия-закрытия. У нас таких нет, сколько мы ни искали. Сейчас, если нам нужно дозировать в каком-то вентиле с помощью привода, то там, как правило, делают поступательное движение штока, а для этого нужно сложное, большое и  дорогое устройство с сервоприводом.

Ну и  есть ряд производств, где устройства делают сразу с приводами. Конечно, это решение правильнее, эффективнее, экономичнее», — рассказывает Алексей Капитанов.

Приводы могут запускаться посредством электричества или пневматики. Выбор модели зависит от особенностей производства.

«Если у вас стоит газоаналитический шкаф посреди поля, понятно, что электричеством его не запитать. Но можно использовать силу давления газа в магистрали и с его помощью управлять пневмоприводом. На каком-нибудь маленьком производстве, наоборот, может не быть пневмолинии. И запитаться от  электричества дешевле, чем покупать отдельные ресивер и насос», — объясняет Алексей Капитанов.

Дорогу отечественным производителям

Один из главных трендов последних месяцев — импортозамещение. После того как крупные компании из недружественных стран прекратили свою работу в России, во многих отраслях очевидной стала критическая зависимость от поставок из-за рубежа. Как с этим обстоят дела применительно к трубопроводной запорной арматуре?

«По общему ощущению, доля импорта в России составляет точно более 50%, — это практически 60–70% по всем установкам, которые строились на территории России последнее время», — считает Михаил Зилонов.

Впрочем, такое положение дел он связывает не с тем, что российская промышленность не в состоянии конкурировать с импортными аналогами, а с жёстким лоббированием лицензиаров и зарубежных проектировщиков. Да и российские нефтегазовые компании предпочитали работать с крупными подрядчиками.

«Считаю, что расширение санкций окажет оздоравливающее воздействие на отечественную промышленность в области приводной запорной и регулирующей арматуры. Это позволит российским компаниям активней себя проявить, увеличить номенклатуру, укрепить производственные мощности», — оптимистично настроен Михаил Зилонов.

Свои плюсы в сложившейся ситуации для отечественных производителей видит и Алексей Капитанов. В то же время ситуация в отрасли в целом не может не тревожить.

«Сейчас в связи с этой ситуацией с российского рынка ушёл, например, наш американский конкурент Swagelok, и для нас это путь к развитию. Думаю, что доля российских производителей в целом увеличится.

Единственное, как отреагирует на ситуацию отрасль в целом? Будем надеяться, что это безобразие как можно скорее закончится. Сейчас, в действующих условиях в нефтегазовой отрасли невозможно строить долгосрочные планы», — говорит представитель «Флюид лайн».

Стоит отметить, что по некоторым позициям импортозамещение уже практически достигнуто. К сожалению, пока это относится в большей степени к низкотехнологичной продукции.

«Если брать большие диаметры в «нефтянке», то здесь больше половины — это российское производство. Все хотят подешевле — чугунину. И наши сумели так удешевить, что даже китайцы со своей арматурой никак не подберутся к отечественным аналогам. И, наверное, это хорошо.

Но нам есть куда расти, догоняя западный мир. Например, технология с двумя обрезными кольцами, ей наверно уже лет 50. Основоположники  — американцы, компания Swagelok. Лет 10–15 назад этому научились в Корее, сейчас пробуют и в других странах, в том числе и в России.

При обработке этих колец есть хитрость. Кажется, что они из нержавейки, а на самом деле — особым образом отожжённые, и вот эта технология пока в России недоступна», — отмечает Алексей Капитанов.

В то же время подобное отставание — отнюдь не повод посыпать голову пеплом. Запорная арматура, произведённая в России, выполняет свои задачи и делает это хорошо. Производство отлажено и экономически эффективно. А ассортимент продукции позволяет подобрать арматуру для любых задач.

Мнения экспертов

Олег Кочетков, главный инженер ЗАО «ПО «МЗТА»

«Доля импорта в сегменте рынка трубопроводной арматуры, в котором работает наша компания, составляет около 15%. Введённые санкции оказали как положительное, так и отрицательное влияние.

Например, укрепление курса рубля открывает дорогу для импорта более дешёвой и некачественной трубопроводной арматуры на российский рынок».

Алексей Капитанов, менеджер по продажам ООО «Флюид-Лайн»

«У запорной арматуры в нефтегазовом комплексе есть своя специфика. Приходится иметь дело с агрессивными газами, газами и жидкостями под давлением. На своём оборудовании мы используем нержавеющую сталь марки 316 с большим содержанием никеля, молибдена, специальные кольца, рассчитанные на высокие давления до 700 атмосфер и даже выше. Поэтому наша продукция дороже той, что выпускается для предприятий ЖКХ или личного потребления».

Сергей Неклюдов, заместитель генерального директора по инновационным проектам ЗАО «НПО Регулятор», канд. техн. наук

«На выбор запорной арматуры влияет сочетание большого числа факторов. Среди них рабочее давление, номинальный диаметр, гидравлическое сопротивление арматуры, температура окружающей среды, температура рабочей среды, степень необходимой герметичности (класс герметичности, герметичность в одном или в двух направлениях потока), химическая агрессивность и взрывоопасность рабочей среды, механические примеси в рабочей среде (количество, размер и твёрдость), ограничение по строительной длине и по массе, условия размещения (надземное, подземное, морское, подводное, в здании), тип присоединения, тип привода, гарантии производителя в наработке на ресурс, требования по сейсмостойкости, требования к ремонтопригодности».

Михаил Зилонов, генеральный директор ООО ПНФ «ЛГ автоматика», канд. техн. наук

«К запорной арматуре предъявляются высокие требования. От надёжной работы арматуры в решающей степени зависят безопасная работа технологических систем в широком диапазоне рабочих сред, давлений, температур, условий окружающей среды (влажности, низких и высоких температур и т. д.). Актуальность данных требований возрастает и будет расти в дальнейшем».

---

Текст: Андрей Халбашкеев