В секторе природного газа фланцы служат критически важными компонентами для соединения и уплотнения, играя жизненно важную роль на протяжении всей отраслевой цепочки — от добычи и сбора природного газа до транспортировки, переработки, хранения и конечного использования. Они должны специально учитывать основные особенности отрасли: «высокое давление, воспламеняемость, взрывоопасность, обширные магистральные трубопроводы большой протяженности и, в некоторых случаях, коррозионные среды». В результате их области применения и технические требования строго ориентированы на «герметичность, стойкость к высокому давлению и способность адаптироваться к сложным условиям эксплуатации», что может быть подробнее описано через следующие ключевые этапы:

1. Стадия добычи природного газа, добычи и транспортировки из шахты: выдерживание высокого давления на устьях скважин и работа в сложных условиях шахты

Процесс добычи природного газа в верховьях — в частности, у скважинных головок и на системах сбора в шахтных полях — является первой ключевой областью применения фланцевой технологии, основным требованием к которой является Сопротивляясь воздействию потока газа под высоким давлением на устье скважины, а также выдерживая коррозию в условиях горнодобывающей среды и влияние внешних условий. , чтобы предотвратить утечки природного газа, представляющие угрозу безопасности.

• Соединение устьевой сборки (газодобывающей арматуры) Газосборочное устройство, являющееся основным управляющим блоком на устье скважины, использует высоконапорные фланцы для соединения корпуса клапана, четырехходовых соединений, головки обсадной колонны и головки насосно-компрессорных труб. Распространёнными типами фланцев являются приварные встык или монолитные фланцы. Эти фланцы должны выдерживать высокие давления от 10 до 70 МПа на устье скважины — хотя уровни давления могут значительно варьироваться в разных газовых месторождениях, причём в некоторых высоконапорных месторождениях оно превышает 50 МПа. Кроме того, они должны противостоять агрессивным средам, таким как сероводород (H₂S) и углекислый газ (CO₂), которые могут присутствовать в природном газе. В «кислых газовых месторождениях» материалы фланцев должны изготавливаться из серостойких углеродистых сталей, таких как 35CrMo или 20CrMo, либо из коррозионностойких сплавов, например, Incoloy 825, что гарантирует соответствие стандарту NACE MR0175 и предотвращение сульфидной стресс-коррозии. Для обычных газовых месторождений фланцы обычно могут изготавливаться из высококачественных марок углеродистой стали, таких как 20#, или из низколегированных конструкционных сталей, обеспечивая баланс между требованиями к прочности и экономическими соображениями.
• Соединение трубопроводов и оборудования для сбора минных полей Сборные трубопроводы (в основном диаметром от DN50 до DN300), соединяющие устье скважины с газосборной станцией на территории шахты, должны быть подключены секциями с использованием фланцев. Эти фланцы также служат интерфейсами для монтажа важного оборудования, такого как фильтры (удаляющие пыль и конденсат из природного газа), расходомеры (используемые для измерения скоростей добычи) и датчики давления. Учитывая, что большинство горнодобывающих объектов расположено в удалённых открытых условиях, конструкции фланцев должны выдерживать экстремальные перепады температур — от -30°C до 40°C, — а также суровые условия, такие как частое воздействие ветра с песком, дождь и снежная эрозия. Поэтому уплотнительные конструкции должны обеспечивать баланс между «устойчивостью к экстремальному холоду и жаре» и «пыле- и водонепроницаемостью». В более холодных регионах обычно применяются гибкие графитовые прокладки (способные выдерживать температуры от -200°C до 650°C), тогда как нитрильно-каучуковые прокладки подходят для районов с умеренными температурами. Кроме того, поверхности уплотнения фланцев часто имеют рельефную или конфигурацию «мужчина-женщина», чтобы минимизировать попадание ветрового мусора в зазоры уплотнения и обеспечить долговременную надежность в сложных эксплуатационных условиях.

II. Участок магистрального газопровода большой протяжённости: предназначен для транспортировки под высоким давлением на значительные расстояния и в разнообразных эксплуатационных условиях вдоль маршрута

Магистральные газопроводы для транспортировки природного газа — такие как национальные проекты, как Газопровод «Запад—Восток» и Газопровод «Сычуань—Восток», — являются основой межрегиональных перевозок, и фланцевые соединения должны соответствовать Дальнее высоконапорное транспортирование, сложные географические условия на маршруте (такие как вечная мерзлота, горные районы и водоёмы), а также необходимость регулярного технического обслуживания. , а также должен соответствовать «устойчивости» трубопроводной системы.

• Сегментация магистральных трубопроводов и соединения оборудования Длинные магистральные трубопроводы в основном используют сварные соединения для своих основных линий. Однако на участках, где трубопроводы пересекают или проходят под препятствиями — например, реками или железными дорогами, — а также в местах присоединения оборудования внутри станций и объектов (например, компрессорных или распределительных станций), по-прежнему широко применяются фланцы. Например, на компрессорных станциях соединения между входами/выходами компрессоров и трубопроводными системами, а также на распределительных станциях, где блоки регулирующих клапанов взаимодействуют с трубопроводами, требуют высоконапорных стыковых сварных фланцев (обычно рассчитанных на давление от PN10 до PN40, что соответствует проектным давлениям трубопроводов 6–10 МПа). Эти фланцы изготавливаются из материалов, аналогичных материалам самих трубопроводов,— чаще всего это кованые стальные фланцы, совместимые с трубной сталью марок X80 или X70, такими как ASTM A694 F80,— чтобы обеспечить однородность прочности и вязкости фланца и трубопровода, предотвращая таким образом концентрацию напряжений, вызванную несоответствием материалов.
• Помощь в аварийном ремонте и техническом обслуживании трубопроводов В случае утечки или повреждения на магистральных трубопроводах ремонт можно оперативно выполнить с помощью сборки «фланец + короткая труба», используемой в качестве аварийного ремонтируемого участка. Как правило, для ремонта применяются фланцы свободного типа или надеваемые фланцы, что позволяет избежать необходимости точной центровки относительно оси трубопровода при монтаже. Эти фланцы способны компенсировать небольшие перекосы труб, значительно сокращая время, необходимое для аварийного ремонта: если традиционная сварочная резка занимает несколько часов, то ремонт с использованием фланцевых соединений можно завершить всего за 1–2 часа. Такой подход минимизирует перерывы в транспортировке природного газа и снижает связанные с этим потери. Кроме того, вспомогательные компоненты на магистральных трубопроводах, такие как контрольные стойки катодной защиты и дренажные клапаны, также подключаются к трубопроводу с помощью малогабаритных фланцев (DN25–DN50), что облегчает проведение регулярных инспекций и технического обслуживания.

III. Стадия переработки и очистки природного газа: решение проблем коррозии среды и обеспечение требований к герметизации процесса

После добычи природного газа он должен пройти обработку — такую как осушение, удаление кислот и разделение углеводородов, — чтобы соответствовать стандартам транспортировки по трубопроводам или бытового использования. На этом этапе требуются фланцы. Коррозионные среды и условия процесса с высокими/низкими температурами в процессе обработки с допусками , при обеспечении того, чтобы система обработки достигла «нулевой утечки» (предотвращая выливание кислых сред и коррозию оборудования, а также утечки природного газа, которые приводят к его потере).

• Соединение установки дегидратации и деацидификации В установках дегидратации (например, использующих триэтиленгликоль), соединения между абсорбционной башней, башней регенерации и теплообменниками, а также в системах удаления кислот (например, процессе MDEA для удаления кислот, где абсорбционная башня подключена к флаш-барабану), должны быть выполнены с использованием коррозиестойких фланцев. Учитывая, что процессы связаны с триэтиленгликолем (температура которого во время высокотемпературной регенерации может превышать 200°C) и растворами MDEA (щелочной средой, склонной к коррозии углеродистой стали при длительном воздействии), материалы фланцев должны быть либо нержавеющей сталью марки 304 (для обычных условий коррозии), либо нержавеющей сталью марки 316L (для более агрессивных сред, таких как среды с высокой концентрацией ионов Cl⁻). Кроме того, уплотнительные поверхности часто выполняются в виде пазогребневых или мужских-женских типов, совмещённых с прокладками из ПТФЭ, которые обладают отличной устойчивостью к кислотам, щелочам и экстремальным температурам до 260°C. Это гарантирует, что агрессивные среды не смогут просачиваться через уплотнительную зону, а также предотвращает набухание прокладки или её разрушение под действием технологических жидкостей.
• Соединение установок дегидрирования и сжижения Когда природный газ требует удаления углеводородов (для производства СПГ и СУГ), фланцы, используемые в установке сжижения — где температуры могут опускаться до -162°C, — должны специально соответствовать требованиям «криогенной стойкости». Например, фланцы, соединяющие подающие линии резервуаров хранения СПГ или криогенные теплообменники, должны изготавливаться из материалов с исключительной ударной вязкостью при низких температурах, таких как низкотемпературная сталь 06Ni9DR, в сочетании с криогенными прокладками, например модифицированными прокладками из ПТФЭ, способными выдерживать температуры до -200°C. Кроме того, сварные швы фланцев должны проходить испытания на удар при низких температурах, чтобы предотвратить хрупкие разрушения в условиях заморозков. Между тем, в установках для удаления углеводородов соединения фракционных колонн и конденсаторов, которые работают с легкими углеводородами, такими как пропан и бутан (оба крайне горючие и взрывоопасные), требуют фланцевых уплотнений, сочетающих «металл-намоточные прокладки с уплотнением повышенной либо пазовой поверхностью». Упругие свойства металл-намоточной прокладки помогают компенсировать деформации фланцев, вызванные перепадами температур, обеспечивая герметичное уплотнение даже в экстремально холодных условиях.

4. Хранение природного газа и конечные области его применения: согласование давлений хранения с внутренними требованиями безопасности

В объектах хранения природного газа — таких как подземные хранилища газа и резервуары СПГ, — а также в точках конечного потребления, включая городские газораспределительные станции, промышленных клиентов и бытовых пользователей газа, применение фланцев должно обеспечивать баланс между функциональностью, безопасностью и эффективностью. Стабильность давления при хранении, защита конечной точки и удобство для граждан , чтобы предотвратить проблемы с безопасностью поставок газа, вызванные проблемами фланцев.

• Подключение складского объекта Кусты скважин для закачки и добычи на подземном газохранилище, а также наземные сборные и транспортные трубопроводы, соединяющиеся с резервуаром хранения, должны быть оснащены высоконапорными фланцами (номинальное давление PN25–PN40, соответствующими рабочему давлению 10–20 МПа на газохранилище). Материал должен быть выбран таким, чтобы обеспечивать устойчивость к сере — низколегированной сталью (например, 20CrMo), предотвращая коррозию под воздействием потенциально кислых сред, присутствующих в резервуаре хранения. Для резервуаров хранения СПГ (криогенных резервуаров атмосферного давления) верхние вводы, нижние выводы и соединения предохранительных клапанов должны быть оборудованы криогенными фланцами из материала 06Ni9DR. Фланцевые уплотнительные поверхности должны иметь либо плоскую, либо выпуклую форму и комплектоваться криогенными асбесто-резиновыми прокладками. Кроме того, все сварные швы между фланцами и стенками резервуара необходимо проверить методом масс-спектрометрии гелия на герметичность, чтобы гарантировать абсолютную целостность и предотвратить любые утечки СПГ (который обладает высокой летучестью и при контакте с воздухом легко образует взрывоопасные смеси).
• Подключение конечного пользователя В городских узловых станциях соединения между блоками регулирующих клапанов природного газа, измерительными устройствами и трубопроводами должны выполняться с использованием фланцев среднего и низкого давления (номинальное давление PN1,6–PN10, подходящих для рабочего давления в городских сетях от 0,4 до 4,0 МПа). Эти фланцы обычно изготавливаются из углеродистой стали марки Q235B или нержавеющей стали 304 — хотя в жилом строительстве предпочтение отдается коррозионной стойкости. Уплотнительные поверхности имеют рельефную форму, совмещённую с прокладками из нитриловой резины, которые обладают отличной экономичностью и обеспечивают стабильно надёжную герметизацию, что облегчает последующую разборку и обслуживание регуляторов давления и расходомеров. Для промышленных потребителей — таких как сталелитейные заводы и химические предприятия, — где газовые котлы и горелки подключены к трубопроводам в условиях высоких температур (при выходных патрубках котлов свыше 200°C), фланцы должны изготавливаться из термостойких углеродистых сталей, таких как 20Г, или из низколегированных термостойких сталей, например 15Х1МГФ. Им дополнительно соответствуют прокладки из гибкого графита, предотвращающие деградацию и разрушение прокладок даже при повышенных температурах. Хотя в жилых газовых сетях преимущественно используются резьбовые соединения, малогабаритные фланцы (DN25–DN50) из латуни или нержавеющей стали 304 по-прежнему необходимы для подключения клапанов в районных шкафах регулирования давления и перед газовыми счётчиками на уровне зданий, обеспечивая одновременно безопасность и коррозионную стойкость в бытовых условиях.

V. Основные технические требования к фланцам в секторе природного газа

Характеристики природного газа — «легковоспламеняющаяся, высоконапорная и частично коррозионноактивная среда» — диктуют необходимость того, чтобы фланцевые соединения соответствовали строгим стандартам, значительно превышающим требования для общего промышленного применения. Основные технические требования можно свести к трем ключевым моментам:

1. Точное соответствие материала и рабочего давления Необходимо соблюдать отраслевые стандарты для сектора природного газа, такие как API 6A (фланцы устьевых колонн), API 5L (фланцы труб из трубопроводной стали) и GB/T 9113 (стальные фланцы для труб). Рейтинги давления следует тщательно выбирать на основе реальных эксплуатационных условий — выбирая «ни чрезмерные, ни недостаточные»; для высоконапорных устьевых применений рекомендованы PN63–PN100, для магистральных трубопроводов — PN10–PN40, а для систем конечных пользователей идеально подходят PN1,6–PN10. Кроме того, выбор материала должен соответствовать характеру среды: при наличии в среде кислых компонентов следует отдавать предпочтение серостойкой стали, для криогенных применений подойдет низкотемпературная сталь, а при необходимости используется нержавеющая сталь, что обеспечивает надлежащее соответствие материалов и предотвращает риски безопасности, вызванные «несоответствием материалов».
2. Уплотнительные характеристики с направлением, исключающим утечки Когда утечки природного газа достигают концентраций от 5% до 15%, они могут образовывать взрывоопасный предел. Поэтому фланцевые уплотнения должны обеспечивать «нулевую утечку» — в высоконапорных применениях следует использовать металлические кольцевые прокладки, такие как восьмиугольные или эллиптические, подходящие для давлений выше PN40; для средних и низких давлений рекомендуется выбирать металлическо-навитые или гибкие графитовые прокладки; а в криогенных условиях необходимо полагаться на прокладки с криогенной степенью устойчивости. Кроме того, точность обработки поверхностей фланцевых уплотнений должна соответствовать стандартам Ra1,6 — Ra3,2, минимизируя дефекты поверхности, которые могли бы привести к утечкам.
3. Структурная адаптация к эксплуатационным требованиям Интегральные фланцы для высоконапорных устьев скважин (высокая прочность, отсутствие слабых мест, связанных со сваркой); стыковые сварные фланцы для станций и объектов магистральных трубопроводов (отличные сварочные характеристики, обеспечивающие герметичное соединение с трубопроводами); накладные фланцы для аварийных ремонтных ситуаций (предлагают гибкость монтажа); а также криогенные фланцы, предназначенные для применения в условиях хранения при низких температурах (обладают выдающейся ударной вязкостью и стойкостью к воздействию низких температур). Между тем, фланцевые болты должны изготавливаться из высокопрочных материалов — таких как класс 8.8 или класс 10.9 — и затягиваться в соответствии с указанными значениями крутящего момента, чтобы предотвратить ослабление болтов, что могло бы привести к нарушению герметичности.

В резюме можно сказать, что применение фланцев в отрасли природного газа по сути сводится к выбору оптимального решения «материал-структура-уплотнение», адаптированного к конкретным характеристикам давления, температуры и среды на каждом этапе всей цепочки создания стоимости. Их эффективность напрямую определяет безопасность, стабильность и экономичность транспортировки природного газа, делая их ключевым компонентом, обеспечивающим эффективную работу цепи отрасли природного газа.