Bert Elfers. Арматура для сухого хлора

наука и конструирование
От редакции
Об авторе.
Оригинальная статья впервые была опубликована
в журнале VALVE MAGAZINE, winter 2013, p. 26
(http://www.valvemagazine-digital.com)
Перевод Т. Скляровой.
Bert Elfers – менеджер по международному бизнесу, специалист
в области поворотных дисковых затворов, Crane ChemPharma
Flow Solutions, Xomox (www.xomox.com).
Связаться с ним можно по адресу: befers@xomox.com.
Арматура для сухого хлора:
проблемы и решения
Bert Elfers
Попадание влаги при эксплуатации
сухого хлора может привести
к образованию дендритов, которые,
в сою очередь, станут причиной
нарушения герметичности.
Новые конструкции арматуры
с высокими эксплуатационными
характеристиками могут
значительно уменьшить риски.
Совместно с конечными
потребителями производителями
арматуры проведены исследования
и разработки и найдено решение
проблемы.
С
сухим газообразным хлором приходится сталкиваться при его производстве, хранении и транспортировке, а также при процессах последующей
переработки хлора, например, в производстве винилхлоридного мономера (применяется в изготовлении поливинилхлорида) или фосгена (находящего применение в фармацевтике и органической химии). Сухим считается хлор,
содержание воды в котором составляет менее 150 частей
на миллион (PPM)1. Появление влаги в хлоре в любом
из упомянутых вариантов его применения может привести
к образованию дендритов – кристалловидных тел, способных создать массу проблем.
Например, исследования показывают, что образование
дендритов на уплотнительных поверхностях седел и набивок арматуры, работающей в крайне тяжелых условиях
эксплуатации, приводит к существенному увеличению риска утечек по причине того, что в месте контакта дендритов и уплотнительной поверхности возникает эрозия. Более того, дендриты могут образовываться на поверхностях
контакта или скольжения, вызывая заедания или блокировку или разрушая мягкое уплотнение в затворе, что приводит к критическим разрушениям седел. По-существу,
1
Данное значение достаточно условно, поскольку хлор при 150 PPM
или даже более низких значениях концентрации паров может стать
«влажным» при охлаждении.
48
любое количество влаги может привести к образованию
дендритов и возникновению ускоренной коррозии подвижных деталей арматуры.
Тесное взаимодействие производителей арматуры
и конечных потребителей позволило четко разобраться
в причинах, вызывающих отказы в работе арматуры, и выработать решения, позволяющие повысить срок службы
такой арматуры. Одним из направлений сотрудничества
стало исследование конструкционных материалов, способных противостоять влаге и обеспечить улучшенные
рабочие характеристики арматуры в критических условиях эксплуатации, путем изучения подверженности воздействию дендритов каждой детали. Подходящие материалы
были подобраны, что позволило разработать конструкции
арматуры с применением современных сплавов и нержавеющих сталей в том оптимальном сочетании, которое
позволяет минимизировать себестоимость арматуры, сохраняя все ее характеристики, необходимые для работы
в таких условиях.
В настоящей статье рассматривается взаимосвязь образования дендритов и срока службы арматуры, дается
обзор тех проблем, которые удалось решить, применяя
новые конструкции и рекомендованные материалы. Так уж
вышло, что эти новые конструкции, будучи примененными
в рамках лучших практик решения рассматриваемых проб-
наука и конструирование
2 | 83 | 2013
малого количества дендритных кристаллов достаточно
для быстрого износа этих важнейших деталей. Если такие
кристаллы образуются на твердых поверхностях, контактирующих с мягким уплотнением, они разрушают уплотнение (работая по принципу наждачной бумаги).
Проблематика
К тому же, несмотря на то, что монель имеет прекрасные
характеристики для работы в условиях сухого хлора (когда
Чтобы разобраться в том, что же это за новые решетемпература остается достаточно высокой для сохранения
ния и из чего они вытекают, важно рассмотреть работу
требуемого «сухого» состояния), даже
арматуры в критических условиях эксмалейшее попадание влаги может приплуатации и тот объем технического
вести к стремительной коррозии подобслуживания, с которым приходится
Свойства сухого хлора
вижных деталей. Эти две причины стали
сталкиваться конечным потребителям
Хлор Cl2 (Дихлорид)
основанием для того, чтобы инженеры
арматуры для сухого хлора. ОсмыслеМолекулярный вес: 70.9
остановили свой выбор на хастеллое С2
ние факторов, приводящих к отказам
Температура кипения: –34 °C
арматуры, позволило производителям
как наиболее предпочтительном матеОщущение запаха: 3 PPM
арматуры внести соответствующие усориале, из которого следует изготавлиКашель и рвота: 30 PPM
вершенствования в конструкцию, а ковать диски и штоки.
Повреждение легких: 60 PPM
нечным потребителям – получить армаДля корпусов арматуры оптимальСмерть после нескольких
туру с увеличенным сроком службы.
ный вариант – нержавеющая сталь
вдохов: 1 000 PPM
Что касается технологий, связанных
Степень расширения: ~ 460
CF8M3. Были изучены варианты и подо(из жидкости в газ)
с применением сухого хлора, то конечбраны подходящие материалы для всех
ные потребители однозначно заявляют,
других деталей (штифтов, сальниковых
набивок, болтов, и пр.). Изготовление
что во всем мире эти технологии далеки
основных деталей арматуры из хастеллоя позволило сдеот совершенства, и поэтому на практике постоянно возлать арматуру более устойчивой к влаге. В то же время,
никают непредсказуемые трудноразрешимые проблемы.
корпуса из нержавеющей стали CF8M отличаются чистой
Поэтому потребители могли бы существенно сэкономить,
внешней поверхностью, что позволяет визуально контроесли бы получили арматуру, способную работать в этих
лировать их целостность4.
суровых и изменчивых условиях. Единодушно мнение
о том, что оптимальная конструкция должна учитывать
растущие требования к применяемым конструкционным
Воплощение в Конструкции
материалам, упрощать процессы очистки арматуры и наВ Инструкции № 6, изданной Институтом хлора (страбивки сальника, а также учитывать то, что даже в тяжелых
ница 5 издания 2005 г.), даются рекомендации по изгоусловиях эксплуатации уплотнение должно удерживать
выбросы в атмосферу. Также желательны двустороннее
товлению трубопроводов, транспортирующих сухой хлор,
уплотнение и возможность непрерывного мониторинга.
из углеродистых сталей. Корпуса и внутренние детали арПри работе над решением наболевших, как типичных,
матуры рекомендуется изготавливать из монеля, но на стратак и специфических проблем стало очевидным, что деннице 20 сказано, что предпочтение должно отдаваться мадриты часто образуются на поверхностях дисков из мотериалам, пригодным как для сухого, так и для «влажного»
неля, повреждая и выводя из строя мягкое уплотнение
хлора, прежде всего в том случае, когда есть потенциальв затворе. Если же кристаллы образуются на поверхностях
ная возможность попадания влаги. Согласно требованиям
трения, то они вызывают спекание и заедание сопрягаеИнститута хлора, для изготовления внутренних деталей
мых деталей. Примером может служить набор простых деарматуры для «влажного» хлора должен применяться хаталей, направляющих движение запирающего элемента.
стеллой С (помните, что сухой хлор немедленно превраШток вращается внутри подшипников и набивки, и даже
щается во «влажный» при попадании влаги или при значительном снижении температуры).
Исследование показало, что при транспортировке сухого хлора в систему может попасть влага при установке
или выполнении каких-либо врезок или соединений. Вода
вступает в реакцию с хлором, в результате которой на мелем, способствовали снижению полной стоимости жизненного цикла эксплуатации арматуры для сухого хлора,
применяемой в критических условиях.
2
Рис. 1. Дендритная структура
Сплав на основе никеля, содержащий примерно 4-5% вольфрама,
5-7% железа, 16-17% хрома, 16-18% молибдена, а также ванадий, марганец и ряд других легирующих добавок (прим. ред.).
3
Аналог – 07Х18Н10Г2С2М2Л (прим. ред.).
4
Перечень рекомендованных материалов для изготовления деталей
арматуры см. Руководство по выбору материалов для изготовления арматуры от 15 мая 2005 г., выпущенное американским Институтом Хлора
(The Chlorine Institute, http://www.cl2.com).
49
наука и конструирование
2 | 83 | 2013
Диск
Корпус
арматуры
Направление
потока
Диск
Стопорное
кольцо
Корпус
арматуры
Стопорное
кольцо
таллических поверхностях образуются тверем портов текущего контроля, с пружинами
дые, микроскопические кристаллы хлоридов
из инконеля (обычными или тарельчатыми).
металлов5. Это происходит даже на поверхИдеальна сальниковая коробка из хастелностях деталей из монеля, считающегося
лоя С, чтобы предотвратить заедания штонаиболее пригодным и инертным по отнока, влекущие нарушения в работе арматуры.
шению к сухому хлору материалом.
Сальниковая коробка находится за пределами
С точки зрения стойкости к коррозии прикорпуса арматуры, и вроде бы с ней не должменение хастеллоя С дает большой эффект
но быть проблем. Однако, опыт показывает,
для поверхностей динамического контакта
что она вполне может подвергаться воздеймежду металлическими и неметаллическиствию влаги, и даже минимальное количеми деталями. Данный материал отличается
ство хлора, проникшего из системы, зачастую
высокой твердостью и стойкостью, что негавызывает заклинивание. И как только это
Рис. 2. Дендриты
тивно сказывается на его цене и стоимости
произойдет, герметичность будет безвозмогут
образовываться
механической обработки. И, тем не менее,
вратно потеряна, ждите утечек.
на поверхностях
он незаменим для увеличения срока службы
В силу такой опасности шпильки и гайки
скольжения – например,
арматуры и снижения стоимости жизненного
сальниковой коробки рекомендуется изгов этом дисковом затворе
7
высокого давления.
цикла в целом – прежде всего, за счет снижетавливать из Сплава 20 , что сведет к минимуния эксплуатационных расходов (расходов
му коррозию крепежа, работающего под давлением. В то же время, это уменьшает растрескивание
на замену, техническое обслуживание, зачистку проливов/
под напряжением, которое появляется при применении
утечек, штрафов за выбросы в атмосферу/экологию, и пр.),
крепежа из нержавеющей стали.
что с лихвой компенсирует более высокие предоперациПроставочное кольцо сальника, устанавливаемое между
онные расходы.
наборами сальниковых колец, позволяет аккумулировать
Поскольку нержавеющая сталь склонна к хлористоутечки из проходного сечения в области, примыкающей
му коррозионному растрескиванию, для условий сухого
ко второму сальнику. В порт оперативного контроля, соедихлора, как правило, рекомендуются корпуса арматуры
6
ненный с данной областью, можно установить небольшой
из стали WCB . Но и корпуса из нержавеющей стали CF8M,
отличаясь исключительной долговечностью в коррозиклапан отбора проб, его необходимо периодически провеонноопасных условиях эксплуатации, по своей структуре
рять с целью своевременного выявления потери герметичустойчивы к растрескиванию под напряжением.
ности. Для обеспечения долговечной работы проставочное
Конечные пользователи проявляют интерес также
кольцо должно изготавливаться из хастеллоя С.
к арматуре, отличающейся стойкостью к быстро изменяЧто касается материала седел, то рекомендуется приющимся нагрузкам, с дублирующим сальником и наличименять тефлон – инертный материал уплотнения, обеспе-
Направление
потока
Рис. 3. Двусторонняя герметичность:
слева – арматура в закрытом положении, направление потока справа налево;
справа – арматура в закрытом положении, направление потока слева направо
5
Конечно, хлорид металла не может образоваться в результате реакции
хлора с водой. Однако, влага является катализатором многих реакций
окисления металлов хлором. Процессы, происходящие на поверхности
металлов в атмосфере хлора в присутствии влаги, подробно не изучены.
Видимо, при нормальной температуре и высоких давлениях в результате
реакции хлора с водой образуются гидраты хлора, которые и формируют
дендритную структуру, а уже далее происходит окисление металлов
с образованием хлоридов и оксидов (прим. ред.).
6
Литая сталь ASTM А216, аналог 25Л/30Л (прим. ред.).
50
Рис. 4. Конструкция без сквозного отверстия
в нижней части корпуса
чивающий газонепроницаемость. Для седел, работающих
в осевом направлении, можно применять упроченный
ПТФЭ, что обеспечит максимальную стойкость к износу
и в то же время будет химически совместимо с тефлоном.
Такое мягкое седло гнется, но не подвергается окружной
7
Безуглеродистый сплав на основе железа, содержащий 32-35% никеля,
19-21% хрома, а также медь, молибден, магний, ниобий (прим. ред.).
наука и конструирование
2 | 83 | 2013
деформации. Поскольку тефлон не обладает свойством
«памяти», очень важно избежать растяжения материала.
Коль скоро в системах часто имеют место ржавчина
или окалина, седла арматуры должны быть стойки к загрязнениям такого рода. Недостатком усовершенствованного на молекулярном уровне ПТФЭ является снижение
рабочих характеристик при низких температурах, тогда
как R-PTFE (армированный тефлон) отличается хорошими
эксплуатационными характеристиками как при термоцикличности, так и при низкой температуре.
Часто для систем важно, чтобы арматура была герметична в обе стороны, причем чтобы ее можно было использовать в качестве концевой, дабы удерживать давление
внутри трубопровода независимо от того, какой патрубок
обращен к рабочей среде (и, тем самым, нагружен давлением из системы).
Поскольку сведение к минимуму риска утечек во внешнюю среду является важным с точки зрения контроля выбросов в атмосферу, лучше применять конструкции с цельной нижней частью корпуса, дабы избежать утечек по штоку
в тех случае, когда в этой области имеется сквозное отверстие под шток. Такая конструкция признана наилучшей
для арматуры DN до 12 дюймов. В конструкциях арматуры
больших диаметров, где не принято сверлить отверстие
под шток в основании корпуса, предпочтение отдается болтовому соединению со статическим уплотнением из ПТФЭ,
а не резьбовому, поскольку при сборке резьбового соединения возможно затягивание набивки в резьбу.
Заключение
Уяснив для себя вышеизложенное, производители
арматуры либо начали разрабатывать новые решения,
либо уже добились успеха. Кульминацией их усилий стала арматура, изготовленная из материалов, устойчивых
к дендритам или не допускающих их образования. Таковы
высокоэффективные поворотные дисковые затворы, в конструкции которых применяются все вышеперечисленные
достижения, направленные на увеличение срока службы.
Эти затворы – настоящий прорыв в арматуре для сухого
хлора, ведь они созданы под конкретные требования: предотвратить отказы как в случае попадания влаги, так и изза износа и эрозии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. The Chlorine Institute, Inc. Инструкция 6 – Системы
трубопроводов для сухого хлора (15 издание).
2. Руководство по контролю продукции компании
Xomox – Уровень III. Требования к чистоте: арматура для хлора, пищевых продуктов, кислорода
и вакуумная арматура.
51