В статье представлены итоги почти тридцатилетней работы по разработке, испытаниям и применению различных типов уплотнительных паст для поддержания эксплуатационной герметичности шаровой запорной арматуры на весь период ее использования на магистральных газопроводах (МГ).
Исследования опытных образцов паст на стендах, длительные испытания опытных партий на КС и ЛЧ показали, что эту задачу выполняют высоковязкие неотверждающиеся уплотнительные пасты с определенными значениями параметров пенетрации, коллоидной стабильности и обладающие хорошими смазочными свойствами.
На основе данных исследований, полученных авторских свидетельств и патентов, изучения зарубежного и отечественного опыта эксплуатации шаровой запорной арматуры на МГ была разработана высоковязкая неотверждающаяся уплотнительная паста 131-435 КГУ, организовано серийное производство девяти ее типов для различных условий эксплуатации арматуры на МГ.
Также разработаны два типа специальных набивочных устройств для подачи высоковязкой уплотнительной пасты в зону уплотнения затвора шарового запорного крана: ручной, автоматический и пневмомультипликатор.
Ключевые слова: магистральный газопровод (МГ), трубопроводная арматура (ТПА), герметичность ТПА, высоковязкая уплотнительная паста, «мягкое» уплотнение шарового крана, техническое обслуживание ТПА.
В начале 80-х годов МИНГАЗПРОМ поручил специалистам ПО «Союзоргэнергогаз» (ныне специалисты ООО «Орггазнефть») деятельность по разработке новых эффективных отечественных уплотнительных материалов для запорных кранов импортного и отечественного производства с организацией их промышленного производства и внедрения на газотранспортных предприятиях. Работа выполнялась совместно с Государственным научно-исследовательским институтом химии и технологии элементоорганических соединений Минхимпрома. Также предусматривалась разработка высокоэффективных устройств для набивки уплотнительных материалов в запорную арматуру. Тогда эти работы назывались подбором аналогов, а в настоящее время – импортозамещением.
Обобщение опыта эксплуатации запорной арматуры на МГ позволило выработать определенный набор разрешений, ограничений, запретов и обязательных технологических процедур, включая методы проведения диагностики, обеспечивающих безопасную и длительную эксплуатацию трубопроводной арматуры. Такой подход дал возможность специалистам ПАО «Газпром» разработать нормативные материалы, гармонизирующие эксплуатацию существующего парка арматуры – Правила эксплуатации МГ, введенные в действие в 2010 г. [1].
Также это помогло определить технические требования к новому поколению ТПА для объектов ЕГС – ГОСТ Р 56001-14 «Арматура трубопроводная для объектов газовой промышленности» [2]. Данный ГОСТ требует повысить герметичность затворов новых шаровых кранов для КС, ГРС и ЛЧ МГ и их ответвлений, выполняемых с «мягкими» уплотнениями по классу герметичности «А» (отсутствие видимых протечек в течение времени испытаний), как самого высокого класса герметичности затворов арматуры для вновь поставляемой запорной арматуры на МГ по ГОСТ Р 54808-2011 [3]. В настоящее время на МГ эксплуатируется запорная арматура с классами герметичности «В» и «Д».
27-30 ноября 2018 г. в городе Уфе на совещании по вопросу повышения надежности технического состояния ТПА, эксплуатируемой на объектах транспортировки, хранения и переработки углеводородов ПАО «Газпром», было отмечено, что на объектах ПАО «Газпром» эксплуатируется более 508 000 ТПА диаметром от 50 до 1 400 мм. Ежегодно производится вырезка до 6 000 ТПА.
Номенклатура парка ТПА весьма разнообразна по функциональному назначению, конструктивным особенностям, техническим характеристикам и срокам эксплуатации. На линейной части МГ доля отечественных производителей составляет около 84 %, а зарубежных – 16 %. Доля отечественной ТПА в обвязке оборудования на КС – 62 %, зарубежной – 38 %. В обвязке оборудования ГРС установлено до 90 % отечественной ТПА, что вполне логично, если учесть относительно небольшие размеры эксплуатируемой арматуры. Так, доля ТПА с DN менее 300 составляет почти 92 %. Парк арматуры, эксплуатируемой в ПАО «Газпром», формировался более 50 лет.
Рассмотрим в основном шаровую запорную равнопроходную арматуру, которая, как правило, используется на МГ. Так, если взять всю установленную ТПА с DN 300, то доля шаровых кранов с DN ≥300 составляет почти 90 %.
Шаровой кран является восстанавливаемым объектом, подвергающимся техническому обслуживанию, ремонту и диагностическому обследованию. Иными словами, поддержание ТПА в работоспособном состоянии требует определенных трудозатрат как эксплуатационного персонала, так и подрядных специализированных организаций.
Основным технологическим параметром шаровой запорной арматуры является герметичность затвора, понимаемая в рамках ГОСТ Р 2720-2007 [4] как свойство затвора препятствовать газовому и жидкостному обмену между средами, разделенными затвором. Длительное (десятки лет) обеспечение эксплуатационной герметичности шаровой запорной арматуры являлось важнейшим элементом стратегии поддержания надежности арматуры. Это обеспечивалось как требованиями к конструктивным решениям по обеспечению герметичности, так и рекомендациями по назначению классов герметичности затворов, предусмотренными последовательно пересматриваемыми в течение десятилетий ГОСТами от 1975, 1993, 2005 и 2011 гг. [3, 5, 6, 7] и нормами герметичности затворов арматуры. Рассмотрение нормативных документов по изменению норм герметичности запорной арматуры за 40 лет показывает, что в последовательно принимаемых ГОСТах происходит некоторое ужесточение норм герметичности, но принципиально они (утечки) допускаются. Герметичность затвора в этих ГОСТах рассматривается как численное значение допустимых протечек в затворе по воде или воздуху (испытательные среды) от класса герметичности. Это означает, что каналы в шаровой запорной арматуре для подачи смазки в зону уплотнения «шар-седло» были и являются необходимым элементом в конструктивных решениях. Из этого опыта также следует, что обеспечение эксплуатационной герметичности затвора в используемой на МГ запорной шаровой арматуре возможно только при применении смазочных и уплотнительных материалов, регулярно подаваемых в запорную арматуру в строгом соответствии с заводскими нормами и эксплуатационными нормативами ПАО «Газпром» (СТО Газпром 2-2.3-385-2009 [8]).
Герметичность затвора запорной шаровой арматуры с «мягким» уплотнением (специальные резины, полиуретан, фторопласт, т. е. уплотнение затвора «мягкое» в терминах ГОСТ Р 56001-2014 [2]) в начальный период эксплуатации обеспечивается поджатием седла к шару (рис. 1) с помощью упругих элементов (пружин), т. е. подпружиниванием контакта седла и шара, и это обычная практика. Следует отметить, что при установленном общем сроке службы эксплуатируемой арматуры в 30 лет уплотнения из «мягких» материалов эффективно служат не более пяти лет.
Необходимо заметить, что существует ряд факторов, которые негативно влияют на работоспособность (в первую очередь герметичность) шаровой запорной арматуры в процессе ее эксплуатации. В немалой степени герметичность кранов нарушается в течение первых пяти лет из-за не очень благоприятной транспортируемой рабочей среды, содержащей жидкие углеводороды (конденсат), турбинные масла, метанол, воду и механические примеси с концентрацией до 0,01 г/м3 [2].
По мере износа «мягкого» уплотнения или его деформации под воздействием эксплуатационных факторов обеспечение герметичности затвора шарового крана возможно только при применении крановых смазок или уплотнительных паст, которые по специальным каналам в корпусных деталях арматуры подаются в зону уплотнения (рис. 1).
Такое решение по обеспечению длительной герметичности шарового крана принято практически у всех фирм-разработчиков шаровой арматуры.
В процессе открытия-закрытия шарового крана при отсутствии смазки возникают повреждения на его затворе в виде царапин и износа «мягких» уплотнений. Возникающая при этом потеря герметичности крана однозначно связана с отсутствием технического обслуживания, важной частью которого является подача смазки в сопрягаемые детали уплотнения крана. Применением смазок обеспечивается кратковременная герметичность затвора, при этом подачу смазки требовалось выполнять после каждой перестановки крана. Эта технологическая операция требовала большого расхода смазки и была трудоемкой.
Вопросы эксплуатации запорной арматуры на объектах МГ по обеспечению требуемых уровней герметичности, надежности и безопасности ее функционирования рассмотрены в работах авторов [9, 10].
Системный подход к обеспечению длительной эксплуатационной герметичности (на чем справедливо настаивает ПАО «Газпром» в своих нормативных материалах) привел нас к необходимости выбора такого технологического решения для всей эксплуатируемой на МГ шаровой запорной арматуры, которое позволило в зоне «мягкого» контакта «шар-седло» создать постоянное дополнительное уплотнение, эффект от которого при эксплуатации значительно усиливает уплотнительные возможности конструктивного решения, и он (эффект) продолжается неограниченно долго. Таким решением оказалось постоянное нахождение в зоне контакта «шар-седло» высоковязкой уплотнительной пасты.
Предложен способ создания дополнительной зоны герметичности (рис. 1) в кране путем подачи в зону «мягкого» уплотнения высоковязкой уплотнительной пасты, которая находится в этой зоне весь период эксплуатации крана. Первоначальное количество высоковязкой пасты, создающей дополнительную зону уплотнения, в зависимости от диаметра крана составляет 1-6 кг. При перестановках крана в зону уплотнения добавляется до 5 % высоковязкой пасты от первоначального количества введенной пасты. Таким образом, обеспечивается длительная эксплуатационная герметичность крана (без его вырезки из МГ). Примеры набивки крана высоковязкой уплотнительной пастой в полевых условиях приведены на рисунках 2 и 3.
Также приведен акт испытания уплотнительной пасты 131-435 КГУ тип 2 на кране 345 км газопровода «Голубой поток» (между Россией и Турцией) с 4-х кратным циклом «открытия-закрытия» (рис. 4).
Необходимо отметить, что может использоваться только высоковязкая паста со следующими физикохимическими и технологическими свойствами:
• пенетрация в пределах 150-250 единиц (ммˉ¹) при +20 °С;
• высокая коллоидная стабильность: не более 10 единиц (%) при +20 °С;
• обладает хорошими смазочными свойствами;
• гарантийный срок хранения до начала использования по назначению – 5 лет.
Для обеспечения герметичности ТПА используются различные уплотнительные смазки отечественного и импортного производства. Однако невысокая технологическая эффективность этих материалов (большой расход смазок, высокая трудоемкость набивки кранов, необходимость частых повторных набивок) или высокая стоимость (импортного производства) обусловили необходимость разработки отечественных высоковязких уплотнительных паст, например, 131-435 КГУ, которая представляет собой состав на основе кремнийорганических и минеральных жидкостей, загустителей и присадок и по параметру «цена-качество» вне конкуренции.
1. Использование высоковязкой конденсатостойкой пасты 131-435 КГУ (типы 0-8), выпускаемой ООО «Орггазнефть» по ТУ 2257-001-60565518-2009, обеспечивает длительную эксплуатационную герметичность затвора крана. Паста подается под давлением через конструктивные каналы в зону контакта «мягкого» уплотнения и шара, увеличивая эффективную площадь контакта «мягкого» уплотнения с шаром и создавая дополнительный уплотняющий эффект в зоне контакта «шар-седло», который не исчезает при перестановках крана неограниченное число раз.
1.1. Одновременно паста смазывает трущиеся детали шарового крана при его перестановках.
2. При технологических перестановках крана для обеспечения длительной герметичности в зону контакта добавляется не более 5 % по весу от первоначального количества введенной уплотнительной пасты.
3. Использование уплотнительной высоковязкой пасты ООО «Орггазнефть» обеспечивает «перевод» любой эксплуатируемой шаровой запорной арматуры с уплотнением затвора типа «мягкого» (даже с нарушением герметичности) в класс герметичности «А» по ГОСТ Р 54808-2011. Таким образом, при надлежащей организации эксплуатации запорной шаровой арматуры может отпасть необходимость вырезки из МГ на весь период ее эксплуатации.
4. Уплотнительная высоковязкая паста 131-435 КГУ (типы 0-8) ООО «Орггазнефть» отвечает необходимым и достаточным требованиям по обеспечению надежной эксплуатации ТПА на протяжении всего жизненного цикла.
1. СТО Газпром 2-3,5-454-2010. Правила эксплуатации магистральных газопроводов.
2. ГОСТ Р 56001-14. Арматура трубопроводная для объектов газовой промышленности. Общие технические требования.
3. ГОСТ Р 54808-2011. Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов. Введен в действие с 01 июля 2012 г.
4. ГОСТ Р 52720-2007. Арматура трубопроводная. Термины и определения.
5. ГОСТ 9544-75 Арматура трубопроводная. Нормы герметичности затворов.
6. ГОСТ 9544-93. Арматура трубопроводная запорная. Нормы герметичности затворов. Межгосударственный стандарт.
7. ГОСТ 9544-2005. Арматура трубопроводная запорная. Классы и нормы герметичности затворов.
8. СТО Газпром 2-2.3-385-2009. Порядок проведения технического обслуживания и ремонта трубопроводной арматуры.
9. Трофимов, Е.В. Применение уплотнительных паст – необходимый элемент обеспечения длительной технологической герметичности ТПА на МГ / Е.В. Трофимов, Г.В. Афанасов, А.А. Санников // Газовая промышленность. – 2014. – № 9.
10. Колотовский, А. Н. Обеспечение требуемого уровня надежности и безопасности запорной арматуры на ЛЧ МГ / А. Н. Колотовский, А.В. Захаров, А.А. Сухолитко // Газовая промышленность. – 2012. – № 1. Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (51) 2019
