Selección de válvulas criogénicas para gas natural licuado

El gas natural licuado (GNL) juega un papel cada vez más crítico en la producción nacional de energía. Válvulas criogénicas Utilizados en sistemas de GNL son componentes esenciales de estos sistemas. Este artículo describe el proceso de diseño y selección de válvulas criogénicas de GNL, centrándose en la selección de materiales y requisitos específicos de procesamiento. Define los criterios para seleccionar tipos de válvulas criogénicas de GNL, analiza sus características de diseño e integridad estructural, y detalla los requisitos clave de inspección y prueba.

El gas natural, considerado como una fuente de energía limpia y eficiente, juega un papel vital en la optimización del consumo de energía, la mejora de la calidad del aire y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. El crecimiento de las industrias de gas natural y GNL de China ha contribuido significativamente al progreso económico y social de la nación. En 2010, China importó 9,34 millones de toneladas de GNL, lo que supone un aumento del 75% respecto al año anterior. La construcción de terminales receptoras de GNL, plantas de licuefacción, estaciones satélite y otros proyectos de infraestructura avanza de forma constante. La expansión de la industria del GNL es un factor clave en la creciente demanda de gas natural. Las válvulas criogénicas son componentes críticos en los sistemas de GNL, y su diseño, selección y fabricación deben cumplir normas estrictas. Estas válvulas deben cumplir con requisitos de seguridad y confiabilidad más estrictos que los utilizados en los sistemas de oxígeno líquido y nitrógeno. Las válvulas criogénicas para aplicaciones de GNL deben cumplir con estrictos requisitos de estándares de referencia, selección de materiales, diseño estructural y procedimientos de prueba. Este artículo se enfoca en la selección y diseño de válvulas criogénicas para aplicaciones de GNL, proporcionando un análisis detallado de su desempeño en condiciones operativas.

Los estándares de diseño, fabricación e inspección para válvulas criogénicas en sistemas de GNL se describen en la Tabla 1 - Estándares principales para válvulas criogénicas en aplicaciones de GNL. El estándar de diseño más adoptado es el estándar británico BS6364, reconocido internacionalmente. Los requisitos de prueba de baja temperatura de esta norma son citados por varios estándares industriales y corporativos. Shell (SHELL) ha establecido sus propios estándares de diseño e inspección para válvulas criogénicas. El estándar chino GB / T24925, que reemplaza a JB / T7749, también aborda las válvulas criogénicas y establece requisitos para el tratamiento criogénico previo al acabado de las válvulas.

Las válvulas criogénicas de GNL son esenciales para controlar y regular el flujo dentro de los sistemas de GNL. La selección de válvulas debe tener en cuenta los principios generales de diseño, así como factores como la seguridad, el sellado confiable y el rendimiento en condiciones criogénicas, especialmente al manipular medios inflamables o explosivos.

Desde la perspectiva de la ciencia de los materiales, los materiales con celosías cúbicas centradas en la cara (FCC), como el acero inoxidable austenítico, las aleaciones de cobre y las aleaciones de aluminio, no exhiben fragilidad a baja temperatura. Aunque el aluminio no se vuelve quebradizo a bajas temperaturas, su baja dureza lo hace inadecuado para el sellado debido a su escasa resistencia al desgaste y a la abrasión. Las aleaciones de cobre y cobre, con su menor resistencia, también están limitadas en válvulas criogénicas. Los aceros aleados de carbono (C) y cromo (Cr) pierden resistencia al impacto por debajo de -20 ° C, restringiendo su uso a temperaturas de -30 ° C y -50 ° C, respectivamente. El acero al níquel con con un contenido de nitrógeno del 3,3% se puede utilizar a temperaturas tan bajas como -100 ° C, mientras que el acero al níquel con con un contenido de nitrógeno del 9% es adecuado para su uso a temperaturas de hasta -192 ° C. El acero inoxidable austenítico, las aleaciones de níquel, la aleación de Monel, Hastelloy, el titanio, las aleaciones de aluminio y el bronce son adecuados para su uso a temperaturas extremadamente bajas, tan bajas como -273 ° C. Teniendo en cuenta tanto la confiabilidad del material como la rentabilidad, el acero inoxidable austenítico es una opción ideal para aplicaciones criogénicas debido a su alta tenacidad y excelente estabilidad estructural, y su superior resistencia al desgaste a bajas temperaturas. Para válvulas que requieren soldadura, se prefiere el acero inoxidable austenítico con bajo contenido de carbono con excelente soldabilidad.

Tabla 1 Estándares principales para válvulas criogénicas para GNL

Los fluoroplásticos y cauchos comúnmente utilizados en el sellado se vuelven quebradizos, sufren flujo en frío o exhiben expansión dimensional cuando se exponen al GNL a bajas temperaturas. Por lo tanto, estos materiales no son adecuados para su uso en juntas o empaques en válvulas de GNL. El amianto no se usa debido a sus propiedades cancerígenas y su propensión a causar fugas. Para los diseños de válvulas de GNL, el asiento de la válvula suele incorporar una estructura de sellado suave hecha de PCTFE modificado polytrifluorochloroethylene , que compensa la deformación del metal en condiciones criogénicas. El grafito se utiliza para extremos de brida y cajas de embalaje debido a sus propiedades de sellado superiores a bajas temperaturas.

El GNL se almacena a una temperatura de -163 ° C. A medida que el acero se enfría, pasa rápidamente del estado austenítico y, por debajo del punto M, se produce una transformación martensítica. En este punto, la difusión de átomos de hierro y carbono está restringida y la transformación se limita a la reorganización de la celosía de hierro. Esta transformación de fase sin difusión provoca un cambio dimensional en los componentes de la válvula. Los estudios han demostrado que el volumen unitario del acero martensítico es un 1,7% mayor que el de la austenita. La expansión de volumen y las fuerzas de cizallamiento resultantes pueden romper la celosía, lo que lleva a un abultamiento parcial de la superficie de la pieza de trabajo, que puede afectar gravemente el sellado de la válvula y el rendimiento operativo. Para contrarrestar los cambios de volumen causados por la transformación martensítica, se requiere un tratamiento a baja temperatura antes del procesamiento final de la válvula.

Las pruebas de presión de la válvula, incluidas las pruebas de resistencia de la carcasa y de fugas internas, suelen utilizar agua como medio de prueba. En los sistemas de GNL, el agua o las impurezas de la cavidad de la válvula pueden condensarse en sólidos a bajas temperaturas. El movimiento de apertura y cierre de la válvula puede rayar la superficie de sellado o el vástago de la válvula, lo que puede provocar fugas internas o externas. Por lo tanto, limpiar los componentes internos de la válvula es crucial para garantizar un rendimiento óptimo de la válvula. Es más eficaz limpiar la válvula después de la prueba de presión de agua o, alternativamente, utilizar la prueba de presión de aire en lugar de la prueba de presión de agua.

Los tipos de válvulas más comúnmente utilizados en los sistemas de GNL son válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de globo y válvulas de retención. Las válvulas de compuerta son propensas a atascarse en condiciones criogénicas, y algunas normas de diseño europeas han suspendido su uso en sistemas de GNL. Se prefiere una estructura de válvula integrada para minimizar los puntos de fuga y mejorar la eficiencia de sellado. Los diseños de válvulas montadas en la parte superior deben incluir un puerto de inspección para facilitar el mantenimiento. Para minimizar aún más las fugas, las válvulas de bola suelen incorporar una estructura de sellado suave.

El empaque de la válvula generalmente está hecho de materiales no metálicos como grafito. Debido a las diferencias en la expansión térmica entre metales y no metales a bajas temperaturas, pueden ocurrir fugas. El diseño de vástago extendido crea una cavidad de transición entre el medio fluido y el empaque, lo que permite que el vástago de la válvula funcione dentro de un rango de temperatura controlada. Este diseño garantiza que el empaque permanezca dentro del rango de temperatura de funcionamiento normal de la caja de empaque, lo que garantiza un funcionamiento confiable de la válvula. Los valores de referencia para la extensión del vástago de la válvula se proporcionan en estándares como MSS SP 134 y BS 6364, con los estándares de diseño de SHELL que ofrecen especificaciones más detalladas.

El GNL ocupa 625 veces el volumen de gas natural en condiciones estándar de temperatura y presión (STP). En condiciones normales de funcionamiento, el GNL se almacena en la cavidad de la válvula de las válvulas de GNL, como las válvulas de bola y de compuerta. Durante las operaciones o el mantenimiento intermitentes de tuberías, el GNL en la cavidad media puede vaporizarse, creando sobrepresión dentro de la válvula, lo que puede poner en peligro la seguridad de la válvula. Para mitigar esto, las válvulas de GNL deben incluir una estructura de alivio de autopresión en la cavidad media para liberar automáticamente el exceso de presión cuando supera los umbrales de seguridad.

Controlar las fugas externas es crucial para el GNL, que es altamente inflamable y explosivo. Las fugas suelen ocurrir en la brida del cuerpo / glándula de la válvula y en el empaque del vástago superior. Los sellos labiales en estos puntos controlan eficazmente las fugas externas. Las fugas externas se rigen por la certificación TA-LUFT de Alemania, mientras que la norma SHELL e ISO 15848 describen las directrices para las inspecciones.

Las propiedades ignífugas y antiestáticas son factores críticos al seleccionar válvulas de GNL. Los requisitos de protección contra incendios se especifican en API 607 y API 6FA. Los requisitos de diseño antiestático deben verificarse a través de pruebas relevantes, y las muestras de válvulas se seleccionan para inspección durante el proceso de verificación.

Las pruebas y la inspección de las válvulas criogénicas incluyen pruebas de temperatura ambiente y de baja temperatura.

Prueba de baja temperatura: esta prueba se realiza de acuerdo con con BS 6364, utilizando nitrógeno líquido a -196 ° C como medio criogénico y helio como medio de presurización. Se utiliza principalmente para detectar fugas internas a bajas temperaturas.

Inspección de fugas externas: La detección de fugas externas se realiza típicamente utilizando espectrometría de masas de helio después de que se haya completado la prueba de baja temperatura y la válvula haya vuelto a temperatura ambiente. Este método evalúa el efecto de la temperatura en el sellado de la válvula. La inspección sigue la norma ISO 15848-2.

Prueba de alivio de presión de la cavidad media: para verificar la confiabilidad de la estructura de alivio de autopresión de la válvula, esta prueba se realiza como parte de la inspección de la válvula, como se describe en el Apéndice B de API 6D.

Las válvulas criogénicas utilizadas en la industria del GNL incluyen válvulas de bola, válvulas de mariposa, válvulas de globo, válvulas de retención y otras. Esta guía proporciona una visión general de la estructura, el rendimiento y los estándares de diseño técnico para válvulas criogénicas de GNL. También destaca los requisitos específicos para la selección de materiales, el tipo de válvula y el diseño estructural que distinguen a las válvulas de GNL de las válvulas estándar. Además, la guía describe los requisitos específicos de inspección para válvulas criogénicas. Sirve de referencia para los diseñadores en la selección de válvulas criogénicas de GNL.