Flüchtige Emissionen - Normen und Prüfungen

Im Kampf gegen die Klimaveränderung bleibt die Reduzierung von flüchtigen Emissionen weiterhin ein führendes Anliegen. Die Umweltschutzagentur (EPA, Environmental Protection Agency) schätzt, dass das Produktionssegment der Öl- und Erdgasindustrie für bis zu 50 Prozent der Methanemissionen verantwortlich ist. Erst in letzter Zeit wurden die ersten Pläne zur Regulierung der von dieser Branche stammenden Emissionen eingeführt. Weil Ventilleckage für mehr als 65 % der flüchtigen Emissionen des Indus
 
Welchen Weg schlägt die Ventilbranche ein? Zur Reduzierung der flüchtigen Emissionen wurden die Anforderungen der Behörden und die Fähigkeiten der Hersteller bei der Entwicklung der folgenden Normen für flüchtige Emissionen in Betracht gezogen. Einige von ihnen werden wir hier vorstellen:
1. ISO 15848 Measurement, Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions (Mess-, Prüf- und Qualifizierungsverfahren für flüchtige Emissionen)
a. Teil I – Classification System and Qualification Procedures for Type Testing of Valves (Klassifizierungssystem und Qualifizierungsverfahren für die Typprüfung von Ventilen)
b. Teil II – Production Acceptance Test of Valves (Produktionsabnahmetest von Ventilen)
2. API 622 Type Testing of Process Valve Packing for Fugitive Emissions (Typprüfung der Prozessventilpackung für flüchtige Emissionen)
3. API 624 Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions (Typprüfung von steigenden Schaftventilen mit Graphitpackung für flüchtige Emissionen)
4. API 641 Type Testing of Quarter Turn Valves (Typprüfung von Vierteldrehventilen)
5. AWHEM (Association of Wellhead Equipment Manufacturers) (Verband der Brunnenkopfausrüstungshersteller)
6. FCI 70-2 – ISA Control Valve Emissions Guideline (Regelventil-Emissionsrichtlinie)
7. Vom Endbenutzer festgelegte Reduzierungsanforderungen für flüchtige Emissionen
8. CSA Z620.1 Reduction of Fugitive and Vented Emissions for Upstream Petroleum and Natural Gas Industry Systems (Reduzierung der flüchtigen und Abgasemissionen für vorgeschaltete Erdöl- und Erdgasindustriesysteme)

API 624
Ventilemissionen stellen ein ernsthaftes Bedenken in den Vereinigten Staaten und Europa dar. Zur Behandlung dieses Problems stellte das American Petroleum Institute (API) ein Dokument unter dem Titel “API 624Type Testing of Rising Stem Valves Equipped with Graphite Packing for Fugitive Emissions” vor.
API 624 wurde zur Belieferung von Mehrfachdrehventilen, beispielsweise Schieberventile, Hubventile und Regelventile entwickelt, die in Betriebsanlagen eingesetzt werden. Die „API 624 Task Force“ arbeitete über zwei Jahre am Einbeziehen der Ansichten ihrer Mitglieder. Der kombinierte Beitrag von den Anforderungen der Regler und Hersteller trug zur Begründung einer ziemlich guten Norm bei, siehe nachstehende Zusammenfassung:
1. Gilt für steigende und steigende/drehende Schaftventile mit einem Durchmesser von maximal 24”
2. Ventile über Klasse 1500 sind nicht abgedeckt
3. Das Prüfmedium ist Methan
4. Insgesamt 310 Prüfzyklen sind erforderlich, wobei drei thermische Zyklen sein müssen 
5. Der Temperaturanwendungsbereich erstreckt sich von -29 °C bis 538 °C, wobei die letzten 10 Zyklen benutzerdefiniert sind (kann -45 °C sein)
6. Während der Prüfung dürfen die Stopfbuchsschrauben nicht neu festgezogen werden 
7. Die Prüfausrichtung des Ventilschafts ist vertikal
8. Mehrere Ventile müssen getestet werden. Ähnliche Branchenprinzipien werden auch auf die Prüfventile angewendet und umfassen die Qualifizierung von einer Größe, die jeweils zwei Nenngrößen kleiner, eine Größe größer bzw. eine Druckklasse darunter ist.
9. Die erlaubte Leckage darf max. 100 ppm betragen
10. Schieberventile und Hubventile müssen getrennt geprüft werden. Beispielsweise erfordern Schieberventile gemäß API 602 vier Prüfungen; API 600 acht Prüfungen (bis zu einem Durchmesser von 20”); API 603 – acht Prüfungen; während Hubventile gemäß API 602 – vier Prüfungen.
11. Prüfventile müssen Produktionsventile sein und dürfen keine speziell angefertigten Prüfventile sein

Als Ergebnis der Veröffentlichung von API 624 haben die Prüffirmen für die Steigungen in Menge und Größenbereich der Prüfventile aufgerüstet. Es werden auch laufend neue Prüfhäuser in Betrieb genommen. Die Einführung von API 624 muss sorgfältig überwacht werden und Beschwerden von Ventilherstellern müssen überprüft werden, indem Einsicht in die Prüfergebnisse verlangt wird. Führende namhafte Prüfwerkstätten müssen in folgenden Bereichen Beratung bereitstellen:
1. Empfohlene Zyklen. Die Anzahl der Zyklen an bestimmten Ventilen könnte zur Überbeanspruchung der Packung führen, weil gewisse kleinere Ventilgrößen ohne Schmieranschlüsse geliefert werden, wodurch der Schaft laufend geschmiert gehalten werden könnte.
2. Ausfälle von Ventilschaftgewinden, Gabeln und Stopfbuchsen während der Prüfung
3. Fettfänge in der Packung führen zu Leckagen
4. Wahrscheinlichkeit von flüchtigen Emissionen. Bei höheren Temperaturen erzeugen einige Schmierfette flüchtige organische Stoffe, die dann verbrannt werden.
5. Ausrichtung. Beim Prüfen in vertikaler Ausrichtung wurde mehr Wärme im Gabelbereich erzeugt.
Gewisse Aufgaben erfordern das Fachwissen eines guten Prüfunternehmens mit Erfahrung in der Prüfung von flüchtigen Emissionen und die Fähigkeit zur Bereitstellung von Richtlinien in Bezug auf Packung, Ventil, Schmierfett, Prüfanforderungen usw.
Währenddessen diskutiert die Branche die Aufgaben im Zusammenhang mit der Durchführung der API 624 Prüfung. Mit neuen und zukünftigen API 624 Prüflabors für flüchtige Emissionen zur Erfüllungen der aktuellen Normen ist die API-Kommission voraus und begann die Erstellung der API 641 Norm für flüchtige Emissionen, zur Belieferung von Vierteldrehventilen, d.h. Kugelventilen, Stopfenventilen und Schmetterlingsventilen.

AWHEM
AWHEM hat den Schwerpunkt auf der Typprüfung von Ventilschaftdichtungssystemen für flüchtige Emissionen in Rohrleitungen und Brunnenkopfausrüstung in der Erdöl- und Erdgasindustrie. Eine aktuelle Anweisung zu dieser Vorschrift (Entwurfsversion) erklärt:
Diese Norm legt die Anforderungen für die vergleichende Prüfung des Ventilschaftdichtungssystems für Rohrleitungs- und Brunnenkopfanwendungen fest, wo flüchtige Emissionen eine Überlegung darstellen. Faktoren mit Auswirkung auf die flüchtige Emissionsleistung, die in dieser Norm in Betracht gezogen werden, umfassen Temperatur, Druck, Temperaturwechselprüfung und mechanische Belastbarkeit.
Diese Norm legt die Mindest- und Maximaltemperaturbereiche fest, in denen das Dichtungssystem betrieben und geprüft werden soll. Diese Norm begründet die Anforderungen und Parameter für die folgenden Prüfungen:
a) Flüchtige Emissionen
b) Materialzusammensetzung und Eigenschaften, wenn eine flexible Graphit- oder Graphoilpackung Teil des Dichtungssystems ist
Die Prüfmethoden werden auf das Dichtungssystem für die Verwendung in Ventilen mit den folgenden Schaftbewegungen angewendet:
a) Steigender Schaft
b) Drehend
c) Steigender-drehender Schaft
In dieser Vorschrift ist interessant, dass die Kommission Prüfflüssigkeiten wie Argon mit 97%-iger Reinheit und Nitrogen mit 97%-iger Reinheit sowie einer Spur Argon vorgestellt hat. Da Argon eine ähnliche Atomzusammensetzung wie Methan und Helium aufweist, scheinen Sie die Arbeit mit ihnen als sicher zu betrachten.
Nach Formulierung und Veröffentlichung werden wir sehen, wie die Industrie auf diese Prüfanforderungen und die Vorschrift reagiert. Die vorgeschlagenen Festigkeitsklassen sind in Tabelle 1 dargestellt.

CSA Z620.1

Der in 1919 gegründete Canadian Standards Association (CSA) ist eine der größten Normentwicklungsorganisationen in Kanada und hat CSA Z620.1 veröffentlicht: Reduction of Fugitive and Vented Emissions for Upstream Petroleum and Natural Gas Industry Systems (Reduzierung der flüchtigen und Abgasemissionen für vorgeschaltete Erdöl- und Erdgasindustriesysteme). Diese Vorschrift erwirkt Schadstoffreduktion durch Kontrolle an der Quelle. Ein solcher Ansatz ermöglicht den Benutzern die Anwendung dieser Norm in der gesamten Erdöl- und Erdgasindustrie. Es wird immer empfohlen, diese Vorschrift in Verbindung mit anderen Rechtsvorschriften, Regelungen, bewährten Verfahren, Normen und geltenden Vorschriften zu verwenden.
Diese Vorschrift wurde gemeinsam entwickelt von:
BC Oil and Gas Commission
Canadian Association of Petroleum Producers
National Energy Board
Alberta Energy Regulator
Technische Kommissionsmitglieder und ihre Organisationen
Erwähnenswert ist, dass diese Norm von einer technischen Kommission zu wiederaufflammenden, Abgas- und flüchtigen Emissionen und unter der Rechtssprechung des strategischen Lenkungsausschusses zu Systemen der Erdöl- und Erdgasindustrie erstellt und von der technischen Kommission formell genehmigt wurde.
Diese Vorschrift behandelt die flüchtigen und Abgasemissionen aus Punktquellen im Sektor der vorgeschalteten Öl- und Gasindustrie von Brunnen, Rohrleitungen und Anlagen in Verbindung mit:
a) Rohölproduktion und Schieferöl
b) Ölsänden
c) Erdgasproduktion, beispielsweise traditionell, Kohlenflözmethan, Schiefergas usw.
d) Erdgasverarbeitung

Schaftdichtungs- und Packungslösungen

Einige leitende Hersteller von Ventilen für Rohrleitungs- und Brunnenkopfanwendungen haben die Verantwortung für die Reduzierung der flüchtigen Emissionen übernommen und überragende Schaftdesigns sowie Packungslösungen für schnell schaltende Hochzyklenventile entwickelt, die strenge Anforderungen zu flüchtigen Emissionen erfüllen. Eines der jüngsten Beispiele ist ein führender Hersteller im Geschäft mit extremen Einsatzbedingungen, der seine Ventile zur Bestätigung und Prüfung an eine unabhängige Agentur gesendet hat. Die Prüfung erfüllte nicht bloß, sondern überstieg sogar die Härtetestnormen nach der Durchführung von 500.000 Zyklen, während eine maximale Leckagenrate gemäß ISO 15848-1 2006 Klasse BH für die ganze Prüfung beibehalten wurde.
Typische Schaftdichtungstechnologie erfordert eine Packungseinstellung. Auch für Hochzyklenventile erfolgen diese Einstellungen normalerweise sehr häufig und führen daher zu Unterbrechungen im Anlagenbetrieb, Sicherheitsbedenken und Nicht-Erfüllung der immer strenger werdenden Emissionsvorschriften. Mit einer umweltfreundlichen (Low-E) Packungslösung sollten die Laborprüfungsergebnisse zeigen, dass die Dichtung mehr als 500.000 Zyklen ohne Bedarf für Schaftpackungswartung und -einstellung schafft. Diese Lösungsart eignet sich perfekt für Endbenutzer mit Bedarf für ein schnell drehendes Ventil, das pro Jahr viele Zyklen durchführt (d.h. 100 Zyklen pro Tag oder 36.500 Zyklen pro Jahr oder mehr) und auch die Anforderungen für flüchtige Emissionen erfüllen muss.

Die Packungsmerkmale müssen so sein, dass die Packung keine Wartung bzw. Einstellung erfordert und das System mehr als 500.000 Zyklen durchführt, sie muss auch ausreichend haltbar sein, um extrem hohem Druck, schnellen Zyklengeschwindigkeiten (unter 0,5 Sekunden) und Hochtemperaturanwendungen standhalten. Dies ist zum Vorteil der Anlagenbetreiber, weil die Intervalle zwischen den Wartungsplänen länger sind; der Anlagenbetrieb gestaltet sich sicherer, weil das Anlagenpersonal keinen Ventilen ausgesetzt ist, die Packungseinstellung erfordern; und schließlich auf diese Weise die Lebensdauer der Ventildichtung länger ist. Durch diese Merkmale stellen solche Packungslösungen auch reduzierte Emissionen und die Erfüllung der EPA-Anforderungen für flüchtige Emissionen von 100 ppm oder weniger sicher.

Dreifachversatzventilpackung

Hersteller von Dreifachversatzventilen (TOV, triple offset valve) haben einige Lösungen zur Behandlung der flüchtigen Emissionen ermittelt. Sie haben eine Lösung eingeführt, die drei Ringe aus Pressform-Graphoil-Packung am äußersten Ende des Lager-Innendurchmessers und dann drei Ringe von derselben am Aussendurchmesser umfasst. Beide werden von maschinell bearbeiteten Kanten gehalten und von der Packunglast gespannt, wodurch die Graphoil-Ringe vor dem Abplatten bewahrt werden (ein Ring aus Pressform-Graphoil in einer Nut im Innendurchmesser des Lagers ohne Presslast plattet ab und wird nutzlos). Graphoil hat kein Gedächtnis. Es hält einiges vom schweren Schmutz vor dem Betreten der Lagerkavität zurück, lässt den Prozess hingegen durch. Einige TOV-Designs enthalten Doppelpackung mit Laternenring dazwischen, zusätzlich zu einem Spülanschluss mit Schmierfettnippel an der Kappe, um das Spülen der Lager zu ermöglichen. Andere Designs enthalten O-Ringe am Boden der Lagerkavität. Dieser Designstil ist eine gute Lösung in Bezug auf die Emissionsreduktion, in Öl- und Gasinstallationen ist hingegen einen brandfesten Entwurf verpflichtend und ein O-Ring in der Lagerkavität stellt keinen brandfesten Entwurf dar.
Zusammenfassend: Die Regelung und Reduzierung der flüchtigen Emissionen von Ventilen scheint großteils durch die Einführung von neuen und patentierten Technologien, die nur von einem ausgewählten Kreis von führenden Herstellern produziert werden, möglich zu sein. Zusätzlich trägt die Laborprüfung und Zertifizierung zu engeren Entwurfstoleranzen in Verbindung mit der Verwendung der Niedrigemissionspackungen bei.

Über den Autor

Gobind Khiani, M.Eng., P.Eng. war in technischen und Projektleitungsfunktionen für Betriebs- und Entwicklungs-, Beschaffungs- und Bau (EPC, Engineering, Procurement and Construction)-Unternehmen tätig. Er verfügt über ein Bachelor-Diplom in Rohrleistungsdesign und Entwicklung von der University of Pune, Indien und ein Master of Engineering Diplom von der University of Calgary, Alberta. Aktuell ist er Global Valve SME bei der Gesellschaft Fluor Canada Ltd., die zur Piping Engineering Group gehört. Er ist Vorsitzender der Calgary Branch Executive Committee bei APEGA und der Valve Users Group. Gobind hat Erfahrung in Rohranlagen/Rohrleitungen, Ventilen, der Auswahl und Bemessung von Stoß- und Regelventilen, Modularisierung bei Ventilen, Sicherheitsintegrität von Rohranlagensystemen, flüchtigen Emissionen und Materialauswahl. Er ist außerdem aktives Mitglied von API, ISO und CSA.

 

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