LDAR en industriële kleppen

LDAR en industriële kleppen

Industriële kleppen en vluchtige emissies. Een onderwerp, dat van de interactie tussen dit onderdeel en zijn externe omgeving, dat ons de afgelopen 30 jaar met verrassende regelmaat heeft vergezeld, altijd voor veel belangstelling en discussies gezorgd, zo erg zelfs dat er zelfs vandaag geen wetenschappelijke conferentie is waarin dit onderwerp kan geen ruimte vinden met aanzienlijke follow-up. Na een beginperiode gekenmerkt door soms niet geheel duidelijke richtlijnen, waarin de fabrikanten van afsluiters en pakkingen met de materie in aanraking kwamen, werd het regelgevingskader Lage Emissie geconsolideerd. Tegenwoordig zijn de vereisten van de producten en de uit te voeren tests goed gedefinieerd en samen met het LDAR – Leak Detection and Repair – protocol dat de correcte emissieve werking van de kleppen in de fabrieken bewaakt – vormen ze een redelijk haalbare controle van technologie ( RACT) om de uitstoot van VOC’s en HAP’s van de kleppen te verminderen en in te perken. Na zo lang en aan het begin van dit nieuwe seizoen, waarin het terugdringen van de milieu-impact en het zoeken naar betere duurzaamheid steeds belangrijker worden, loont het wellicht de moeite om de balans op te maken, te onderzoeken wat de drijfveren voor verbetering kunnen zijn voor elk van de betrokken spelers (O&G en Chemicals Producers, EPCC’s, Valve and Sealing Manufacturers).

Het regelgevingskader voor lage-emissietests voor kleppen en pakkingen.

In tal van publicaties zijn recentelijk de belangrijkste Low Emission (hierna LE) testnormen met betrekking tot kleppen en pakkingen geïllustreerd en vergeleken. In het algemeen zal een korte samenvatting echter nuttig zijn voor de lezer.

De ISO 15848-test, zowel prototyping als productie, is in zijn reikwijdte een test voor kleppen, zelfs als deze de configuratie van klep en pakking als een geheel goedkeurt. Het kwalificeert op geen enkele manier de vereisten van de verpakking die in plaats daarvan zijn gedefinieerd door ASTM F2168 en F2191 en door EN 14772 sectie 6.7, soms gedeeltelijk gewijzigd in de technische specificaties van de eindgebruikers. De API std 622-test is daarentegen gericht op de goedkeuring van de verpakking en gebruikt een armatuur voor de tests. Het definieert ook de fysisch-chemische vereisten van de verpakking door de Packing Materials Test in detail te beschrijven en te verwijzen naar de MSS SP-120 voor andere vereisten. De toekenning van het LE-attribuut aan de kleppen die gebruik maken van API std 622 goedgekeurde pakkingen vereist de uitvoering van de API std 624 (stijgende, roterende, stijgende en roterende spindelkleppen) en API std 641 (kwartafsluitkleppen) tests. Ten slotte de TA LUFT VDI 2440-test, met hoofdzakelijk regionale verspreiding, die gericht is op het goedkeuren van zowel de pakkingen, met een specifieke test uitgevoerd op een armatuur, als de kleppen zelf. Ten slotte is het de moeite waard eraan te denken dat de drie normen ook verschillen in de combinaties van temperatuur en druk, evenals in andere technische details die niet binnen het bestek van dit artikel vallen.

Het is belangrijk om toe te voegen dat de IOGP-vereniging – International Oil & Gas Producers – in 2019 twee specificaties voor industriële kleppen heeft gepubliceerd, de S-562 (aanvullende vereisten voor API-specificatie 6D-kogelkleppen) en de S-511 (aanvullende vereisten voor API 600 Steel Gate Valves en API 603 CRA Gate Valves), waarin ISO 15848, ASTM F2168 en 2191 samen met EN 14772 met enkele wijzigingen als standaard zijn aangenomen om de LE-vereisten van de kleppen en die van grafietpakkingen te definiëren. Aangezien veel van de IOGP-medewerkers Amerikaans zijn en vanwege het belang van de normen van het American Petroleum Institute, lijkt het onvermijdelijk dat de bovengenoemde specificaties in de loop van de tijd worden geharmoniseerd met de API standaard 622, 624 en 641 en de MSS SP-120. In feite is de nu gevestigde trend, vanuit het oogpunt van LE-verpakkingen, om alle drie de goedkeuringen te verkrijgen om te voldoen aan de vraag naar LE-producten die voldoen aan alle normen.

De belangrijkste aspecten van lage-emissietests: oxidatie, temperatuur en aantal mechanische cycli.

Wat we na zoveel jaren kunnen zeggen, is dat “puur” grafiet niet door een lage-emissietest kan komen zonder specifieke behandelingen te hebben ondergaan. Er zijn ten minste drie dingen die we hebben geleerd over grafiet tijdens een LE-test: met betrekking tot gevlochten pakkingen (veegringen) volgens de ASTM F2191-classificatie zijn Type I- en II-garens (Continuous en Discontinuous Carbon Yarns) onbruikbaar terwijl het Type III (Flexible Graphite) is functioneel voor het doel, zoals correct aangegeven door de IOGP-specificaties S-511 en S-562 die dit type voorschrijven; de typische doorlaatbaarheid van geëxpandeerd grafiet is te hoog, wat interfereert met tests met helium die langer dan een bepaalde tijd duren; de wrijvingscoëfficiënt van het geëxpandeerde grafiet is te hoog, waardoor de duurzaamheidsacceptatiecriteria van de LE-tests worden beïnvloed.

Om deze hiaten op te vullen is het onvermijdelijk om toevlucht te nemen tot impregnatie van grafiet, om de permeabiliteit en wrijvingscoëfficiënt te corrigerenniet. Maar wat is de prijs die moet worden betaald door deze strategie toe te passen? Doorgaans verandert de grafietimpregnering het chemische scenario van de pakking met een verhoogd risico op corrosie voor de steel en maakt alle tests gericht op het kwantificeren van de schadelijke materialen twijfelachtig. Maar het echte probleem is dat boven een limiettemperatuur, afhankelijk van de gebruikte impregneermiddelen, er onvermijdelijk een gewichtsverlies van de verpakking is door het inzakken, met een onmiddellijke weerspiegeling van de elastische stuwkracht naar de steel en de vulkamer, verifieerbaar door de koppelreductie van de pakkingbusmoeren. Het onderstaande TGA-diagram illustreert perfect de hierboven beschreven situatie (in de klepstopkamer treedt het fenomeen langzamer op, maar het mechanisme is hetzelfde). Aan het einde van het eerste uur op 150°, om restwater te verwijderen, is het gewichtsverlies ongeveer 1%. Zodra de temperatuur na enkele minuten de testdrempel (670°C) bereikt, storten de impregneermiddelen in en vervolgens oxideert het grafiet, beschermd door oxidatievertragers, in de volgende 5 uur met slechts 5 %. Op basis van de eisen van EN 14772 paragraaf 6.7 zouden we kunnen zeggen dat deze TGA in de eerste fase niet compliant is, omdat de oxidatie hoger is dan 4% per uur, terwijl het zeker in de tweede fase is en we in zijn geheel nog zouden kunnen definiëren de algehele prestatie was uitstekend omdat het WL-gewichtsverlies tussen de 10 en 12% lag in de 5 uur testen.

Sommige dingen vallen direct op. De eerste is dat de uitvoering van een TGA-test op een verpakking met LE-target misschien in strijd is met het hoofddoel (emissies beperken), zoals blijkt te worden benadrukt door de IOGP-specificatie S-511 die vermeld staat in sectie F.3. 13.12 Oxidatietest – F.3. 13.12.1 Doel: “Deze test is niet van toepassing op verpakkingsmaterialen die polymere smeermiddelen (bijv. PTFE) of blockers bevatten”. Het tweede dat meteen in het oog springt, is dat het voor het slagen van de LE-test essentieel is dat de werkelijke temperatuur van de sleepkamer een bepaalde grenswaarde niet overschrijdt. Maar laten we in detail treden. Voor dit doel definieert API standaard 622 de toepasbaarheid van de standaard op grafietverpakkingen voor gebruik van -29°C tot +538°C, waarbij onder de verpakkingsmaterialentest de WL-gewichtsverliestest, de corrosietest bij lage en hoge temperatuur wordt voorgeschreven , verificatie van het gehalte aan PTFE en natte smeermiddelen, en ten slotte de meting van het gehalte aan uitloogbare stoffen (chloride en fluoride). We herinneren u eraan dat de Low Emission-test wordt uitgevoerd bij 260°C, gemeten in de sleepkamer. Daarom moet in deze technische context het ontwerp van de verpakking impregneren binnen uiterst nauwkeurige gewichtslimieten, aangezien een gebruik bij 538 °C moet worden gegarandeerd. De WL Weight Loss-test is bedoeld om deze omstandigheid te controleren. Laten we ons afvragen wat we van materialen kunnen vragen vanuit het oogpunt van hun weerstand tegen temperatuur. Tot welke temperatuur en hoe lang kunnen impregneermiddelen hun werk doen? De pakkingen vragen om te voldoen aan de LE-vereiste en tegelijkertijd geschikt te zijn voor gebruik bij 538°C, meestal stoom, lijkt in sommige opzichten onverenigbaar. Tot nu toe ging het argument in wezen over temperatuur en is er niets gezegd over de acceptatiecriteria voor uithoudingsvermogen. Samenvattend wijzen we erop dat de API standaard 622-test 1510 cycli vereist (310 voor API standaard 624 en 610 voor API standaard 641), de ISO 15848-test voor de isolatiekleppen vereist 205 cycli voor de C01-klasse en 1500 voor de C02-klasse, de TA LUFT VDI 2440 wordt traditioneel geconsolideerd op 200 cycli, bij gebrek aan substantiële specifieke indicaties van de norm. Maar waarom is het aantal mechanische cycli zo hoog in zo’n beperkte tijd? Deze vermoeiingstest die de pakking (en de klep) op een nogal onnatuurlijke manier belast, geeft ons indicaties over de kwaliteit van de pakking (of van de klep samen met de pakking) of verplicht de pakkingfabrikant tot het toepassen van elke mogelijke strategie om de de wrijvingscoëfficiënt van grafiet, die bij afwezigheid van ingrepen stabiel tussen 0,15 en 0,25 ligt. Het probleem doet zich vooral voor bij de ISO 15848-norm waarin de test wordt uitgevoerd bij de nominale klepdruk, terwijl bij de andere (API std 622, 624, 641 en TA Luft VDI 2440) deze wordt uitgevoerd bij maximaal 40 bar. Dit bepaalt, met dezelfde configuratie van het afdichtingssysteem, de toepassing van een hoger aanhaalmoment van de pakking met directe effecten op de wrijvingscoëfficiënt van het grafiet, die niet constant is maar toeneemt met de uitgeoefende belasting. Concluderend, kan het vanuit conceptueel oogpunt als correct worden beschouwd om een pakking te ontwerpen die de lage-emissietest doorstaat of is het beter om een pakking te ontwerpen die in staat is om zijn prestaties te maximaliseren wanneer de klep in het systeem in werking is? Omvat het eerste doel het tweede of vallen ze niet samen? Maar weet iemand hoe de kleppen in werking behave uit emissie oogpunt? De informatie over het emissiegedrag van de in bedrijf zijnde kleppen is beschikbaar voor de Plant LDAR-manager, waar het bewakingsprogramma LDAR wordt geïmplementeerd, maar objectief gezien zijn er zeer weinig geaggregeerde gegevens. Een uniek document in zijn soort is de API-publicatie uit 1997 “Analysis of Refinery screening data”. Het document illustreert de gegevens die zijn verzameld bij zeven raffinaderijen in Californië tussen het vierde kwartaal van 1991 en het tweede kwartaal van 1996, uitgevoerd volgens de EPA-methode 21-techniek (dezelfde toegepast in de API std 622-test) bij alle apparatuurlekken van de deelnemende raffinaderijen. in het project. Onderstaande tabel laat zien dat in cumulatieve termen, d.w.z. op het totaal van uitgevoerde screeningen, dit 1.450.000 is voor de Ventielen Gas Service en 1.340.000 voor de Ventielen Lichte Vloeistof Service, vergeleken met de Lekdefinitie van 500 ppmv de Lekfrequentie van de Ventielen was ongeveer 1,00% terwijl vergeleken met de lekdefinitie van 10.000 ppmv de lekfrequentie ongeveer 0,25% was. De volgende kolommen geven de herhaling van de lekkage op dezelfde componenten aan of meten hoeveel kleppen die in de vorige campagne als Leakers werden geïdentificeerd, dat ook waren in de volgende campagne. Het volledige rapport, beschikbaar in de API-bibliotheek, beschrijft de prestaties van de componenten van elke raffinaderij-eenheid en benadrukt wat kan worden verwacht, namelijk dat de lekfrequentie gecorreleerd is met de temperatuur, druk en vluchtigheid van de vloeistof en daarom wordt gedifferentieerd tussen verschillende bedrijfsprocessen. Eenheden. Deze gegevens zijn zeer ver verwijderd van de gegevens die door EPA waren geschat in de publicaties van de jaren 80 en die aan de kleppen in gasdienst een lekfrequentie van 11,40% toekenden en voor die in lichte vloeistofdienst gelijk aan 6,90% in vergelijking met lekdefinitie 10.000 ppmv. Wat vertellen deze gegevens ons en hoe kunnen we ze interpreteren? Het is niet bekend in welke mate deze Lekfrequenties worden beïnvloed door de vrij wijdverspreide praktijk, ook al wordt het zowel gisteren als vandaag niet aanbevolen om de vele handmatige kleppen volledig open te plaatsen met de spindel in tegenafdichting. Deze inmenging nemen we dan ook niet mee in de analyse die wordt uitgevoerd. In de eerste plaats zouden we kunnen denken dat ze verwijzen naar een historische periode waarin de apparatuur en de verpakkingen niet zijn ontworpen volgens een Low Emission-logica en dat het daarom redelijk zou zijn om te verwachten dat er vandaag een netto verbetering is bereikt, dit na de introductie van apparatuur en ontworpen pakkingen met lage emissie. Aan de andere kant worden de resultaten van de API-publicatie vandaag de dag nog steeds substantieel bevestigd door de cijfers die in het veld zijn verzameld door de talrijke bedrijven die LDAR-monitoring uitvoeren, die zelden geaggregeerde lekfrequenties hoger dan 1,00% detecteren met Leak Definition 500 ppmv (de geaggregeerde term betekent dat er productie-eenheden kunnen zijn waar de lekfrequentie groter is, maar gezien de verzameling van alle productie-eenheden convergeert de lekfrequentie naar lagere gemiddelde waarden). Op basis van LDAR-ervaring weten we dat de cluster van lekkende kleppen bestaat uit kleppen die worden gekenmerkt door een of meer van de volgende kenmerken: het zijn kleppen met frequente bediening (aan de andere kant, die in een rusttoestand blijven voor een lange tijd hebben de neiging om een veel betere lekfrequentie te hebben); het zijn kleppen die worden gekenmerkt door gebruik bij temperaturen boven 260°C gemeten in de sleepkamer; zijn kleppen die worden gekenmerkt door een drukgebruik hoger dan de 600 psi-klasse; zijn stijgende, stijgende roterende, roterende spindelkleppen (aan de andere kant hebben kwartafsluitkleppen een verwaarloosbare lekfrequentie). Concluderend, het gebied van mogelijke verbetering wordt geïdentificeerd in de resolutie van de specifieke kenmerken van deze Cluster waarin de kleppen en afdichtingen worden geroepen om zwaarder te presteren dan deze Cluster.

Afsluitend

De lage-emissiestrategie gekoppeld aan industriële kleppen is gebaseerd op enkele hoekstenen die niet ter discussie staan. Ze zijn de kwalificatie van producten die speciaal voor dit doel zijn ontworpen (kleppen en pakkingen) en voor de besturing van apparatuur die in werking is met de LDAR-bewakingsroutine. Het is wenselijk dat dankzij het groeiende potentieel van informatiebeheer het mogelijk is om van tevoren, vanaf de ontwerp- en aankoopfase van de apparatuur, die kleppen te markeren die tot de cluster behoren met een grotere kans op een hoge lekfrequentie om praktische oplossingen. Ten slotte zou het vanuit reglementair oogpunt raadzaam zijn dat de testnormen bepaalde conflictpunten ophelderen, dit in het algemeen belang om de kwaliteit van de producten en hun veiligheid bij het gebruik te verbeteren.