Выбор уплотнительных компонентов для сред, содержащих природный газ и сероводород: руководство для суровых условий

В нефтяной, газовой и химической промышленности работа с природным газом, богатым сероводородом (H₂S), часто называемым «кислым газом», представляет собой серьёзную проблему для надёжности и безопасности оборудования. Сероводород не только высокотоксичен, огнеопасен и взрывоопасен, но и обладает сильным коррозионным действием. Он может вызывать растрескивание металлов под напряжением (SSC) и водородное растрескивание (HIC), а также разбухание, затвердевание и деградацию неметаллических уплотнительных материалов. Поэтому выбор подходящих уплотнительных компонентов для таких сред имеет решающее значение, напрямую влияя на безопасность производства, защиту окружающей среды и долговечность оборудования.

​I. Анализ условий эксплуатации и основные проблемы​

Перед выбором уплотнений необходимо полностью понимать свойства среды:

1. ​Коррозионная активность сероводорода (H₂S): H₂S растворяется в воде, образуя слабую кислоту, которая вызывает сильную коррозию многих эластомеров и металлов. Он может разрушить молекулярные цепи уплотнительных материалов, что приводит к потере их эластичности, хрупкости или чрезмерному разбуханию, что приводит к выходу из строя.
2. ​Свойства природного газа (в основном метана): Природный газ сам по себе является неполярной средой и может вызывать разбухание некоторых резин. Системы частовысокого давления, требуя от уплотнений отличной стойкости к выдавливанию и низкой остаточной деформации при сжатии.
3. ​Комбинированные условия эксплуатации: Температура, давление, концентрация среды и наличие воды (которая значительно усиливает сероводородную коррозию) являются критическими факторами. Обычные рабочие температуры варьируются от температуры окружающей среды до более чем 100 °C.

​II. Рекомендуемый выбор материала уплотнения​

С учетом вышеперечисленных проблем следующие уплотнительные материалы доказали свою надежность в средах природного газа, содержащих сероводород:

​1. Перфторэластомер (ФФКМ)​​

• ​Производительность: В настоящее время это ​высший сорт​ вариант, известный как «король эластомеров». Он обладает превосходной химической инертностью, устойчив практически ко всем химическим веществам, включая концентрированную серную кислоту, сильные основания и агрессивный сероводород. Он обладает исключительной термостойкостью (длительное использование при температуре до 280–300 °C и выше).
• ​Приложение: Экстремальные условия с высокой температурой, высоким давлением и высокой концентрацией сероводорода, такие как устьевое оборудование, клапаны высокого давления и уплотнения компрессоров. Несмотря на высокую стоимость, это основной выбор для обеспечения абсолютной безопасности.
• ​Общие оценки: Chemraz®, Perlast® и т. д.

​2. Гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR)​

• ​Производительность: По сравнению со стандартным бутадиен-нитрильным каучуком (NBR), HNBR обеспечивает улучшенную термостойкость, химическую стойкость и устойчивость к старению благодаря процессу гидрирования. Он обеспечивает хорошую стойкость к нефтяным и газовым средам, а также к умеренному содержанию сероводорода, а также высокую механическую прочность и хорошую износостойкость.
• ​Приложение: Средняя температура (обычно от -25°C до 150°C), среднее давление и умеренная коррозионная стойкость. Это экономичный вариант, часто используемый для клапанных уплотнений, уплотнительных колец и фланцевых прокладок.
• ​Примечание: Не подходит для экстремальных условий с очень высокой концентрацией H₂S и высокой температурой одновременно.

​3. Фторэластомер (FKM/Viton®)​

• ​Производительность: FKM уже давно является одним из наиболее широко используемых высокоэффективных эластомеров в средах с высоким содержанием сероводорода. Он обладает превосходной стойкостью к высоким температурам (примерно 200–230 °C), маслам и многим химикатам (включая H₂S).
• ​Приложение: Подходит для большинства газовых сред, содержащих сероводород, и является идеальным выбором, сочетающим в себе производительность и стоимость. Широко используется для уплотнительных колец, V-образных колец, фланцевых прокладок и уплотнений штоков клапанов.
• ​Важное примечание: Будьте в курсе FKMплохие низкотемпературные характеристикии возможное долгосрочное ухудшение характеристик в паре или горячей воде. Убедитесь, что данный состав подходит для эксплуатации в сероводородной среде.

​4. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) и его композиты​

• ​ПроизводительностьПТФЭ, известный как «король пластиков», обладает практически идеальной химической инертностью, полностью устойчив к сероводороду, кислотам, щелочам и растворителям любой концентрации. Его температурный диапазон чрезвычайно широк (от -180°C до 260°C), а коэффициент трения очень низкий.
• ​Приложение: Обычно используется для изготовления уплотнительных колец, седел клапанов, антиэкструзионных колец и манжетных уплотнений. Чистый ПТФЭ склонен к хладотекучести и обладает низкой упругостью, поэтому его часто смешивают со стекловолокном, графитом, углеродным волокном и т. д. для повышения механической прочности, сопротивления ползучести и износостойкости.
• ​Формы: Часто используется для формованных уплотнений или обработанных набивочных колец.

​5. Металлические пломбы​

• ​Производительность: Для сверхвысокого давления, сверхвысоких температур или экстремальных условий, где эластомеры не подходят, металлические уплотнения являются оптимальным решением. Распространенные материалы включают:нержавеющая сталь 316L, ​Сплав 625 (Инконель 625), ​Сплав С276 (Хастеллой С276)и другие коррозионно-стойкие сплавы.
• ​Формы: Обычно это металлические уплотнительные кольца (сплошные или полые), металлические С-образные кольца, пружинные уплотнения. Они обеспечивают герметичность за счёт упругой деформации металла и способны выдерживать очень высокие давления и температуры.
• ​Приложение: фонтанная арматура устья скважин, клапаны высокого давления, реакторы и трубопроводные соединения.

​III. Материалы, которых следует избегать​

• ​Стандартный нитрильный каучук (NBR): Недостаточная устойчивость к H₂S и высоким температурам; быстро разрушается.
• ​Этиленпропиленовый диеновый мономер (ЭПДМ): Несмотря на устойчивость к пару, он имеет очень низкую устойчивость к маслам и углеводородам, сильно разбухая в масле.
• ​Неопрен (CR): В целом низкая кислотостойкость; эксплуатационные характеристики значительно хуже, чем у FKM/HNBR.
• ​Некоторые полиуретаны (ПУ): Подвержен гидролизу и неустойчив к коррозии H₂S.

​IV. Выбор и рассмотрение​

1. ​Подтвердите рабочие параметры: Температура, давление, концентрация H₂S и CO₂, а также наличие воды являются основой выбора.
2. ​См. стандарты: Следуйте отраслевым стандартам, таким как NACE MR0175/ISO 15156 (Нефтяная и газовая промышленность — Материалы для использования в средах, содержащих H₂S, при добыче нефти и газа), которые содержат подробные рекомендации по выбору металлических и неметаллических материалов.
3. ​Испытание совместимости материалов: В случае сомнений всегда запрашивайте у поставщика уплотнений таблицы химической совместимости или проводите испытания на погружение, имитирующие рабочие условия, чтобы проверить эксплуатационные характеристики.
4. ​Конструкция уплотнения: Для оптимальной работы превосходных материалов требуется продуманная конструкция (соответствующая степень сжатия, использование антиэкструзионных колец).
5. ​Квалификации поставщиков: Выбирайте квалифицированных, опытных поставщиков уплотнений, чтобы гарантировать подлинность материалов и надежность производственных процессов.

​Заключение​

При работе с природным газом и сероводородсодержащими средами,безопасность является главным приоритетомВыбор уплотнительных компонентов должен основываться не на стоимости, а нанадежность и пригодность материала.

• ​Первичная рекомендация: Для большинства условий, ​Фторэластомер (FKM)​ — экономичный и надежный выбор.
• ​Экстремальные условия: Для высоких температур, высокого давления и высокой коррозии,Перфторэластомер (FFKM)илиуплотнения из специального сплава металлаявляются необходимыми инвестициями.
• ​Специальные приложения: ​Композиты ПТФЭиГидрогенизированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR)​ превосходно работают в своих соответствующих диапазонах.

Выбор правильного уплотнительного компонента — это создание безопасного, надежного и долговечного барьера. Это критически важное техническое решение для обеспечения безопасности персонала, предотвращения загрязнения окружающей среды и обеспечения непрерывности производства.