Typy siłowników do zaworów regulacyjnych: jak wybrać odpowiedni do zastosowań związanych z ropą i gazem

W miejscu szczelinowania ostatnią rzeczą, jakiej pragnie załoga, jest zawór, który nie będzie się poruszał, gdy ciśnienie lecznicze osiągnie 15 000 psi. Siłownik stanowi interfejs pomiędzy operatorem a elementem uszczelniającym zaworu i określa, czy zawór otworzy się w ciągu trzech sekund, czy też wymaga pełnej minuty obrotu pokrętłem. Wybór typu siłownika dla zaworu sterującego w instalacjach naftowych i gazowych sprowadza się do czterech czynników: zapotrzebowania na moment obrotowy, szybkości reakcji, zachowania bezpiecznego w przypadku awarii oraz źródła zasilania dostępnego na głowicy odwiertu.

Dlaczego wybór siłownika rozpoczyna się od zaworu

Siłownik zaworu sterującego przekształca energię ze źródła zasilania w ruch mechaniczny niezbędny do poruszenia elementu zamykającego zaworu. W przypadku głowic odwiertowych i szczelinowania elementem tym jest zwykle przegroda lub wtyczka wewnątrz korpusu o klasie API 6A. Zawór sam określa wymagania siłownika: czy trzpień porusza się liniowo czy obraca, jaki moment obrotowy jest wymagany do zerwania uszczelnienia gniazda oraz jak zawór zachowuje się przy maksymalnej znamionowej różnicy ciśnień.

Weź typowy zasuwę API 6A. Aby uzyskać odcięcie, wznoszący się trzpień musi wepchnąć zasuwę w gniazdo. Ponieważ różnica ciśnień na bramie może być bardzo duża, moment zrywający jest często znacznie większy niż moment roboczy. Siłownik dobrany wyłącznie pod kątem roboczego momentu obrotowego może utknąć podczas skoku otwierania lub nie zostać całkowicie osadzony, gdy w linii znajduje się pod ciśnieniem. Dlatego pierwszym krokiem przy wyborze siłownika jest poznanie profilu momentu obrotowego zaworu, a nie porównywanie modeli siłowników obok siebie. Geometria siedziska Standardowe zasuwy API 6A odgrywa dużą rolę w ustalaniu tego profilu.

Interfejs siedzenia wpływa również na moment obrotowy. W przypadku zasuw z twardą uszczelką styk metal-metal wytwarza siłę wystarczającą do utrzymania ciśnienia, a siła ta powoduje tarcie, które musi pokonać siłownik. Ta sama dbałość o tolerancje obróbki dotyczy trzpienia i dławnicy. The proces produkcyjny określa dokładność obrotu i polerowania trzpienia, a szorstka powierzchnia trzpienia zwiększa moment obrotowy, jaki musi zapewnić siłownik. Siłownik, który na papierze wygląda na prawidłowo zwymiarowany, może być za mały w przypadku zaworu, który nie został obrobiony maszynowo według tego samego standardu.

Główne typy siłowników dla zaworów regulacyjnych

W obsłudze zaworów olejowych i gazowych dominują pięć typów siłowników: ręczne, pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i elektrohydrauliczne. Każdy ma wyraźną niszę.

Siłowniki ręczne

Siłownik ręczny wykorzystuje pokrętło lub dźwignię ręczną do obracania trzpienia. Jest to najprostsza i najtańsza opcja, która nadal występuje na wielu zaworach głowic odwiertów. Ręczne uruchamianie ma sens, gdy zawór jest używany rzadko, gdy nie jest dostępne żadne źródło zasilania i gdy moment obrotowy jest wystarczająco niski, aby osoba mogła go obsłużyć. Ograniczeniem jest moment obrotowy. W przypadku zasuwy o dużej średnicy pokrętło może wymagać kilkuset niutonometrów siły wejściowej, co staje się trudne dla pojedynczego operatora. Skrzynia biegów zwielokrotnia siłę wejściową, ale zwiększa także liczbę obrotów wymaganych do skoku zaworu.

Siłowniki pneumatyczne

Siłownik pneumatyczny wykorzystuje sprężone powietrze do poruszania membrany lub tłoka, wytwarzając liniowy lub obrotowy sygnał wyjściowy. Jednostki pneumatyczne są powszechne w zakładach przetwórczych, ponieważ powietrze w zakładzie jest zwykle dostępne, reakcja jest szybka, a konstrukcja ze sprężyną powrotną może spowodować awarię otwarcia lub zamknięcia. Jednakże na polu naftowym często brakuje sprężonego powietrza, a siła wyjściowa jest ograniczona ciśnieniem zasilania. Typowe ciśnienie powietrza w instalacji wynosi od 6 do 8 barów, więc cylinder pneumatyczny musi być dość duży, aby poruszyć wysokociśnieniową zasuwę.

Siłowniki hydrauliczne

Siłowniki hydrauliczne generują znacznie większą gęstość siły niż siłowniki pneumatyczne. Napędzając tłok płynem hydraulicznym pod ciśnieniem 100 barów lub większym, kompaktowy cylinder może zapewnić moment obrotowy wymagany w przypadku dużych zasuw, zaworów frac i dławików. Dlatego uruchamianie hydrauliczne jest standardem w podmorskich głowicach odwiertów i urządzeniach szczelinujących, gdzie przestrzeń jest ograniczona, a zawór musi poruszać się przy pełnej różnicy ciśnień. Kompromisem jest złożoność systemu: potrzebny jest zasilacz hydrauliczny, kierunkowe zawory sterujące i czysty płyn z dobrą filtracją.

Siłowniki elektryczne

Siłownik elektryczny składa się z silnika, przekładni i interfejsu sterującego. Wymaga jedynie zasilania elektrycznego i może zapewniać sprzężenie zwrotne położenia, ograniczanie momentu obrotowego oraz sterowanie lokalne lub zdalne. Siłowniki elektryczne doskonale nadają się do zautomatyzowanej obsługi bezobsługowej. Ich słabością jest prędkość i moment obrotowy w skrajnych przypadkach. Konwencjonalny silnik nie jest w stanie dorównać chwilowemu momentowi obrotowemu cylindra hydraulicznego, a wyłączenie awaryjne, które musi zamknąć zawór w ciągu kilku sekund, może przekroczyć możliwości siłownika.

Siłowniki elektrohydrauliczne

Siłownik elektrohydrauliczny łączy silnik elektryczny z małą pompą hydrauliczną i cylindrem. Zapewnia gęstość momentu obrotowego mocy hydraulicznej, wymagając jedynie źródła energii elektrycznej. Dzięki temu jest to dobre rozwiązanie w przypadku odległych lokalizacji głowic odwiertów, gdzie centralny zespół napędowy jest niepraktyczny. Większa złożoność jest wadą: więcej komponentów, więcej potencjalnych punktów awarii i wyższy koszt zakupu.

Porównanie typów siłowników

Poniższa tabela zawęża pole. Przed sfinalizowaniem specyfikacji należy potwierdzić szczegóły u producenta zaworu.

Zauważ, że żaden pojedynczy wiersz nie reprezentuje ostatecznej odpowiedzi. Właściwy wybór zależy od konkretnego momentu obrotowego zaworu, wymaganej prędkości skoku, wymaganej pozycji awaryjnej i dostępnego źródła zasilania.

Uwagi dotyczące siłowników w głowicach odwiertów i zaworach szczelinujących

Dobór siłownika napędu zabezpieczającego i zabezpieczającego trzpień do głowicy odwiertu i zaworów szczelinujących. Na choince zawór główny i zawory skrzydełkowe są często obsługiwane ręcznie, ponieważ nie są często przełączane. Jednak w przypadku szczelinowania głowica szczelinująca i kolektory wysokociśnieniowe łączą głowicę odwiertu z pompami dostarczającymi ciśnienie od 10 000 do 20 000 psi. Operator musi szybko i sprawnie ustawić zawory blokujące. Uruchamianie hydrauliczne lub elektrohydrauliczne jest rozwiązaniem standardowym, ponieważ załoga może sterować zaworem pod pełnym ciśnieniem, nie stojąc bezpośrednio za nim.

W przypadku zasuw API 6A, które muszą zapewniać wymuszone odcięcie, siłownik musi być dopasowany do skoku zasuwy. Zasuwa FC to konstrukcja zgodna z API 6A stosowana w głowicy odwiertu i kolektorze, i może być połączona z uruchamianiem ręcznym, hydraulicznym lub elektrycznym. W przypadku sparowania z siłownikiem należy dokładnie sprawdzić ustawienie trzpienia. Nieprawidłowo ustawiony siłownik może powodować boczne obciążenie trzpienia, co zniekształca powierzchnie uszczelnień i powoduje wyciek.

Zasuwa FC do serwisu głowicy odwiertu i kolektora API 6A Zasuwa FC spełnia normy API 6A z korpusem z kutej stali stopowej i utwardzanymi powierzchniami uszczelniającymi. Jego niezawodne działanie sprawia, że ​​nadaje się do kontroli płynu wiertniczego w kolektorach wylotowych, dławiących i płuczkowych. Zobacz produkt →

Rozprężający się zawór zasuwowy wykorzystuje mechanizm, który przesuwa zasuwę, zanim rozszerzy się ona w gnieździe, tworząc uszczelnienie metal-metal. Stopień rozprężania zwiększa moment rozrywający, dlatego też siłownik musi być dobrany do położenia pełnego rozprężenia. Jeżeli zawór jest zautomatyzowany, skrzynka wyłączników krańcowych powinna pokazywać rzeczywiste położenie zasuwy, a nie tylko obrót wału wyjściowego siłownika.

Zasuwa rozprężna WKM z uszczelnieniem metal-metal Ten rozprężny zawór odcinający oferuje niski moment obrotowy i konstrukcję z metalowym uszczelnieniem, dostępny w wersji z kołnierzem lub gwintem. Nadaje się do środowisk o wysokim ciśnieniu i zapewnia szczelną pracę. Zobacz produkt →

Jeżeli w odległej głowicy odwiertu nie jest dostępne sprężone powietrze, automatyczne uruchomienie wymaga zasilania elektrycznego lub pompy hydraulicznej. W miejscu szczelinowania płoza pompy zawiera już moc hydrauliczną, więc sterowanie hydrauliczne jest prostsze do zintegrowania niż pneumatyczne. Siłowniki elektryczne nadal dobrze sprawdzają się w przypadku linii produkcyjnych, w których operator chce mieć sterowanie lokalne lub nadzorcze.

Praktyczne kroki w celu określenia siłownika

Ten sześcioetapowy proces ma zastosowanie niezależnie od tego, czy określasz zawór dla nowej głowicy odwiertu, czy wymieniasz siłownik w istniejącym zaworze.

1. Określ moment obrotowy zaworu przy najgorszej różnicy ciśnień. Moment rozruchowy jest wyższy niż moment roboczy i określa wielkość siłownika.
2. Wybierz wymagany czas głaskania. Jeśli zawór musi się zamknąć w ciągu pięciu sekund, eliminuje to niektóre siłowniki elektryczne.
3. Zdecyduj o pozycji awarii. Określa, czy siłownik wykorzystuje sprężynę powrotną, akumulator czy akumulator podtrzymujący.
4. Sprawdź źródło zasilania. Czy jest dostępne sprężone powietrze, czy tylko prąd? Czy obiekt posiada agregat hydrauliczny?
5. Sprawdź połączenie trzpienia. Sprzęgło wyjściowe siłownika musi pasować do trzpienia zaworu bez obciążenia bocznego, a jarzmo musi być wyrównane z dławnicą.
6. Potwierdź ochronę środowiska. W przypadku pracy na głowicy odwiertu siłownik powinien być dostosowany do temperatury otoczenia, wilgotności i gazów korozyjnych.

W przypadku usług produkcyjnych z niższym momentem obrotowym wybór konstrukcji zasuwy może mieć wpływ na pakiet siłownika. Zasuwy API 6A są dostępne w kilku konfiguracjach konstrukcyjnych, a wybrana konstrukcja wpływa na moment obrotowy, jaki musi pokonać siłownik. Zasuwa FLS jest konstrukcją API 6A stosowaną w głowicy odwiertu i kolektorze.

Zasuwa FLS z uszczelką tylnego siedzenia i kutym korpusem Zasuwa FLS posiada uszczelnienie korpusu typu metal-metal i konstrukcję tylnego gniazda, co ułatwia wymianę uszczelnienia pod ciśnieniem. Korpus z kutej stali stopowej jest odporny na korozję i zużycie, zapewniając długotrwałą eksploatację. Zobacz produkt →

Uwagi końcowe

Właściwy typ siłownika dla zaworu regulacyjnego to kompromis pomiędzy dostępną mocą, zapotrzebowaniem na moment obrotowy, szybkością reakcji i zachowaniem niezawodności. Uruchamianie ręczne jest praktyczne w przypadku rzadkich zastosowań przy niskim momencie obrotowym; siłowniki pneumatyczne i elektryczne pasują do zautomatyzowanych rurociągów produkcyjnych; i układy hydrauliczne lub elektrohydrauliczne są właściwym wyborem w przypadku wysokociśnieniowych głowic odwiertów o dużej średnicy i zaworów szczelinujących. Zacznij od profilu momentu obrotowego zaworu, zdefiniuj tryb awarii, a następnie dopasuj siłownik do pracy.

Dzięki takiemu podejściu można uniknąć dwóch najczęstszych błędów: przewymiarowania siłownika w przypadku zaworu, który nigdy nie wymaga tak dużego momentu obrotowego oraz niedowymiarowania go w przypadku zaworu, który tak wymaga.