LDAR y Válvulas Industriales

LDAR y Válvulas Industriales

Válvulas industriales y emisiones fugitivas. Un tema, el de la interacción entre este componente y su entorno externo, que nos ha acompañado con sorprendente regularidad durante los últimos 30 años, siempre creando mucho interés y discusiones, tanto que aún hoy no hay una Conferencia Científica en la que este tema no puede encontrar espacio con un seguimiento significativo. Luego de un período inicial caracterizado por lineamientos a veces no del todo claros, en los cuales los fabricantes de válvulas y empaquetaduras entraron en contacto con el tema, se consolidó el marco regulatorio de Bajas Emisiones. Hoy los requisitos de los productos y las pruebas a realizar están bien definidos y junto con el LDAR – Leak Detection and Repair – protocolo que monitorea el correcto funcionamiento emisivo de las Válvulas en las plantas – constituyen un Control de Tecnología Razonablemente Alcanzable ( RACT) para reducir y contener las emisiones de VOCs y HAPs de las Válvulas. Después de tanto tiempo y con el inicio de esta nueva temporada, en la que la reducción del impacto ambiental y la búsqueda de una mayor sostenibilidad cobran cada vez más importancia, quizás merezca la pena hacer un balance de la situación, para investigar cuáles podrían ser los motores de mejora. para cada uno de los actores involucrados (Productores de O&G y Químicos, EPCCs, Fabricantes de Válvulas y Selladores).

El marco regulatorio para las pruebas de Bajas Emisiones para válvulas y empaques.

Numerosas publicaciones han ilustrado y comparado recientemente los principales estándares de ensayo de bajas emisiones (en adelante, LE) relativos a válvulas y empaquetaduras. En términos generales, sin embargo, un breve resumen será útil para el lector.

La prueba ISO 15848, tanto de creación de prototipos como de producción, es en su alcance una prueba para válvulas, incluso si en realidad aprueba la configuración de la válvula y el empaque como un conjunto. De ninguna manera califica los requisitos del embalaje que en cambio están definidos por las normas ASTM F2168 y F2191 y por EN 14772 sección 6.7, a veces modificada en alguna parte en las especificaciones técnicas de los Usuarios Finales. La prueba API std 622, por otro lado, tiene como objetivo la aprobación del empaque y utiliza un accesorio para las pruebas. También define los requisitos físico-químicos del empaque detallando la Prueba de Materiales de Empaque y referenciando el MSS SP-120 para otros requisitos. La concesión del atributo LE a las válvulas que utilizan empaquetaduras aprobadas API std 622 requiere la ejecución de las pruebas API std 624 (válvulas de vástago ascendente, giratorio, ascendente y giratorio) y API std 641 (válvulas de cuarto de vuelta). Por último, el ensayo TA LUFT VDI 2440, de difusión sustancialmente regional, que tiene por objeto homologar tanto las empaquetaduras, con un ensayo específico realizado sobre un fixture, como las propias válvulas. Finalmente, vale la pena recordar que los tres estándares también difieren en las combinaciones de temperatura y presión, así como en otros detalles técnicos que no está dentro del alcance de este artículo profundizar.

Es importante agregar que la asociación IOGP – Productores Internacionales de Petróleo y Gas – publicó dos especificaciones para válvulas industriales en 2019, la S-562 (Requisitos Suplementarios para Válvulas de Bola API Specification 6D) y la S-511 (Requisitos Suplementarios para API 600 Válvulas de Compuerta de Acero y Válvulas de Compuerta API 603 CRA), en las cuales se adoptan como estándar ISO 15848, ASTM F2168 y 2191 junto con EN 14772 con algunas enmiendas para definir los requisitos LE de las Válvulas y los del empaque de grafito. Parece inevitable, dado que muchos de los asociados de IOGP son estadounidenses y debido a la importancia de los estándares del American Petroleum Institute, que las especificaciones antes mencionadas se armonicen con el tiempo con API std 622, 624 y 641 y MSS SP-120. De hecho, la tendencia ahora establecida, desde el punto de vista de los embalajes LE, es adquirir las tres aprobaciones para satisfacer la demanda de productos LE que cumplan con todos los estándares.

Los aspectos clave de los ensayos Low Emission: oxidación, temperatura y número de ciclos mecánicos.

Lo que podemos decir después de tantos años es que el grafito “puro” no puede pasar un test de Bajas Emisiones sin haber pasado por tratamientos específicos. Hay al menos tres cosas que hemos aprendido sobre el grafito al enfrentarnos a una prueba LE: en relación con las empaquetaduras trenzadas (wiper rings) según la clasificación ASTM F2191, los hilos Tipo I y II (Hilos de Carbono Continuos y Discontinuos) son inutilizables mientras que los Tipo III (Flexible Graphite) es funcional para el propósito, como lo indica correctamente la especificación IOGP S-511 y S-562 que prescribe este Tipo; la permeabilidad típica del grafito expandido es demasiado alta, interfiriendo en pruebas con Helio que duran más allá de cierto tiempo; el coeficiente de fricción del grafito expandido es demasiado alto, lo que afecta los criterios de aceptación de resistencia de las pruebas LE.

Para llenar estos huecos es inevitable recurrir a la impregnación de grafito, con el fin de corregir la permeabilidad y el coeficiente de fricción. Pero, ¿cuál es el precio a pagar por adoptar esta estrategia? Típicamente, la impregnación con grafito altera el escenario químico de la empaquetadura con un aumento del riesgo de corrosión para el vástago y cuestionando todas las pruebas destinadas a cuantificar los materiales perjudiciales. Pero el verdadero problema es que más allá de una temperatura límite, dependiendo de los impregnantes utilizados, inevitablemente se produce una pérdida de peso de las empaquetaduras por aplastamiento de las mismas, con reflejo inmediato en el empuje elástico hacia el vástago y la cámara de embutición, comprobable por la reducción del par de torsión de las tuercas de la caja de prensaestopas. El diagrama TGA que se muestra a continuación ilustra perfectamente la situación descrita anteriormente (en la cámara de parada de la válvula el fenómeno ocurre más lentamente pero el mecanismo es el mismo). Al final de la primera hora a 150°, para eliminar el agua residual, la pérdida de peso es del orden del 1%. Tan pronto como la temperatura alcanza el umbral de prueba (670°C) después de algunos minutos, los agentes de impregnación colapsan y posteriormente el grafito, protegido por los retardadores de oxidación, se oxida solo un 5 % en las siguientes 5 horas. Con base en los requisitos de EN 14772 sección 6.7, podríamos decir que este TGA no cumple en la primera fase, porque la oxidación es superior al 4% por hora, mientras que ciertamente lo es en la segunda fase y en su totalidad aún podríamos definir el rendimiento general fue excelente porque la pérdida de peso WL estuvo entre 10 y 12 % en las 5 horas de prueba.

Algunas cosas son inmediatamente evidentes. La primera es que la ejecución de una prueba TGA en un empaque con objetivo LE quizás esté en conflicto con el objetivo principal (contener las emisiones) como parece ser destacado por la especificación IOGP S-511 que establece en la sección F.3. 13.12 Prueba de Oxidación – F.3. 13.12.1 Propósito: “Esta prueba no se aplica a los materiales de empaque que contienen lubricantes poliméricos (p. ej., PTFE) o bloqueadores”. La segunda cosa que llama la atención de inmediato es que para el éxito de la prueba LE es esencial que la temperatura real de la cámara de remolque no exceda un cierto valor límite. Pero entremos en detalles. Para su propósito, API std 622 define la aplicabilidad del estándar al empaque de grafito para uso de -29°C a +538°C, prescribiendo, entre la Prueba de materiales de empaque, la prueba de pérdida de peso WL, la prueba de corrosión a baja y alta temperatura. , verificación del contenido de PTFE y Lubricantes Húmedos, y finalmente la medición del contenido de Lixiviables (Cloruro y Fluoruro). Le recordamos que la prueba Low Emission se realiza a 260°C medidos en la cámara de remolque. Por lo tanto, en este contexto técnico, el diseño del empaque debe utilizar la impregnación dentro de límites de peso extremadamente precisos, ya que se debe garantizar el servicio a 538 °C. El test WL Weight Loss pretende controlar esta circunstancia. Preguntémonos qué podemos pedir a los materiales desde el punto de vista de su resistencia a la temperatura. ¿Hasta qué temperatura y durante cuánto tiempo pueden realizar su función los impregnantes? Pedir que los empaques cumplan con el requisito de LE y al mismo tiempo que sean aptos para el servicio a 538°C, generalmente vapor, parece ser irreconciliable en algunos aspectos. Hasta ahora, el argumento ha sido esencialmente sobre la temperatura y no se ha dicho nada sobre los criterios de aceptación de la resistencia. En términos resumidos, señalamos que la prueba API std 622 requiere de 1510 ciclos (310 para API std 624 y 610 para API std 641), la prueba ISO 15848 para Válvulas de Aislamiento requiere 205 ciclos para la clase C01 y 1500 para la Clase C02, el TA LUFT VDI 2440 se consolida tradicionalmente en 200 ciclos, en ausencia de indicaciones específicas sustanciales de la norma. Pero, ¿por qué el número de ciclos mecánicos es tan alto en un tiempo tan limitado? Esta prueba de fatiga que solicita la empaquetadura (y la válvula) de una manera poco natural, nos da indicaciones de la calidad de la empaquetadura (o de la válvula junto con la empaquetadura) o más bien obliga al fabricante de la empaquetadura a adoptar todas las estrategias posibles para reducir el coeficiente de fricción del grafito, que en ausencia de intervenciones se encuentra estable entre 0,15 y 0,25. El problema surge sobre todo con la norma ISO 15848 en la que el ensayo se realiza a la presión nominal de la válvula mientras que en las demás (API std 622, 624, 641 y TA Luft VDI 2440) se realiza a un máximo de 40 bar. Esto determina, con la misma configuración del sistema de sellado, la aplicación de un mayor par de apriete de la empaquetadura con efectos directos sobre el coeficiente de fricción del grafito que no es constante sino que aumenta según la carga aplicada. En conclusión, desde un punto de vista conceptual, ¿se puede considerar correcto diseñar una empaquetadura que pase la prueba Low Emission o sería mejor diseñar una empaquetadura capaz de maximizar su rendimiento cuando la válvula está en funcionamiento en el sistema? ¿El primer objetivo incluye al segundo o no son coincidentes entre sí? Pero, ¿alguien sabe cómo funcionan las válvulas? La información sobre el comportamiento de emisión de las Válvulas en operación está disponible para el gerente LDAR de la Planta, donde se implementa el programa de vigilancia LDAR, pero objetivamente existen muy pocos datos agregados. Un documento único en su tipo es la publicación API de 1997 «Análisis de datos de detección de refinería». El documento ilustra los datos recolectados en siete refinerías de California entre el cuarto trimestre de 1991 y el segundo trimestre de 1996 realizados según la técnica del método 21 de la EPA (la misma adoptada en la prueba API std 622) en todas las Fugas de Equipo de las refinerías participantes. en el proyecto. La siguiente tabla muestra que en términos acumulados, es decir, sobre el total de tamizajes realizados, es de 1.450.000 para el Servicio de Válvulas de Gas y de 1.340.000 para el Servicio de Válvulas de Líquido Ligero, en comparación con la Definición de Fuga de 500 ppmv, la Frecuencia de Fuga de las Válvulas fue alrededor del 1,00 %, mientras que en comparación con la definición de fuga de 10 000 ppmv, la frecuencia de la fuga fue de alrededor del 0,25 %. Las siguientes columnas indican la repetitividad de la fuga en los mismos componentes o miden cuántas Válvulas identificadas como Fugas en la campaña anterior también lo fueron en la campaña siguiente. El informe completo, disponible en la biblioteca API, detalla el desempeño de los componentes de cada Unidad de Refinería, destacando lo que se puede esperar, a saber, que la Frecuencia de Fuga esté correlacionada con la temperatura, presión y volatilidad del fluido y, por lo tanto, diferenciada entre diferentes Negocios. Unidades. Estos datos distan mucho de los que había estimado la EPA en las publicaciones de la década de 1980 y que atribuía a las Válvulas en servicio de gas una Frecuencia de Fuga de 11,40% y para las de servicio Líquido Ligero igual a 6,90% frente a Definición de Fuga 10.000 ppmv. ¿Qué nos dicen estos datos y cómo podríamos interpretarlos? No se sabe hasta qué punto estas Frecuencias de Fuga están influenciadas por la práctica bastante extendida, aunque ayer no se recomienda como hoy, colocar las muchas Válvulas manuales cuando están completamente abiertas con el vástago en contrasellado. Por lo tanto, no consideramos esta interferencia en el análisis que se está realizando. En primer lugar, podríamos pensar que se refieren a un período histórico en el que los Equipos y los empaques no estaban diseñados según una lógica de Bajas Emisiones y que, por lo tanto, sería razonable esperar que hoy se haya logrado una mejora neta, esto siguiendo la introducción de equipos y empaques de ingeniería de bajas emisiones. Por otro lado, los resultados de la publicación de la API todavía se confirman sustancialmente hoy por los números recopilados en el campo por las numerosas empresas que llevan a cabo el monitoreo LDAR, que rara vez detectan Frecuencias de fuga agregadas superiores al 1,00% con Definición de fuga 500 ppmv (la término agregado pretende significar que pueden existir Unidades de Producción donde la Frecuencia de Fuga es mayor pero considerando el conjunto de todas las Unidades de Producción la Frecuencia de Fuga converge a valores promedio menores). En base a la experiencia LDAR, sabemos que el Cluster de Leakers está formado por Válvulas que se caracterizan por uno o más de los siguientes atributos: son válvulas con accionamiento frecuente (por otro lado, aquellas que permanecen en estado de reposo por mucho tiempo tienden a tener una frecuencia de fuga mucho mejor); son Válvulas que se caracterizan por su uso a temperaturas superiores a 260°C medidas en la cámara de remolque; son Válvulas caracterizadas por un uso de presión superior a la clase 600 psi; son válvulas de vástago ascendente, giratorio ascendente y giratorio (por otro lado, las válvulas de cuarto de vuelta tienen una frecuencia de fuga insignificante). En conclusión, se identifica el área de posible mejora en la resolución de las especificidades de este Cluster en el que las Válvulas y sellos están llamados a desempeñarse de manera más severa que este Cluster.

Concluyendo

La estrategia Low Emission vinculada a Industrial Valves se basa en unos pilares que no se cuestionan. Son la calificación de productos específicamente diseñados para el propósito (Válvulas y Empaquetaduras) y sobre el control de Equipos en operación con la rutina de vigilancia LDAR. Es deseable que gracias al creciente potencial de la gestión de la información sea posible destacar con anticipación, desde la fase de diseño y compra del Equipo, aquellas Válvulas que pertenecen al Cluster con mayor probabilidad de alta Frecuencia de Fugas para perseguir practicables soluciones Finalmente, desde un punto de vista regulatorio sería recomendable que las normas de ensayo aclararan algunos puntos de conflicto, esto en el interés común de mejorar la calidad de los productos y su seguridad de uso.