Tipuri de actuatoare pentru supape de control: Cum să-l alegeți pe cel potrivit pentru service pentru petrol și gaze

La un loc de fracturare, ultimul lucru pe care echipajul își dorește este o supapă care nu se va mișca atunci când presiunea de tratare este de 15.000 psi. Actuatorul este interfața dintre operator și elementul de etanșare al supapei și determină dacă supapa se deschide în trei secunde sau necesită un minut întreg de rotire a roții de mână. Alegerea unui tip de actuator pentru o supapă de control în serviciul de petrol și gaze se reduce la patru factori: cererea de cuplu, viteza de răspuns, comportamentul de siguranță și sursa de energie disponibilă la capul sondei.

De ce alegerea actuatorului începe cu supapa

Un actuator al supapei de control convertește energia de la o sursă de energie în mișcarea mecanică necesară pentru a deplasa elementul de închidere al supapei. În serviciul de cap de sondă și fracturare, acel element este de obicei o poartă sau un dop în interiorul unui corp clasificat API 6A. Supapa în sine definește cerințele actuatorului: dacă tija se mișcă liniar sau se rotește, cât de mult cuplu este necesar pentru a rupe etanșarea scaunului și cum se comportă supapa la presiunea diferențială nominală maximă.

Luați o supapă tip API 6A. Tija care se ridică trebuie să împingă poarta în scaun pentru a realiza oprirea. Deoarece presiunea diferențială pe poartă poate fi foarte mare, cuplul de rupere este adesea mult mai mare decât cuplul de rulare. Un actuator dimensionat numai pentru cuplul de funcționare poate bloca în timpul cursei de deschidere sau nu poate să se așeze complet atunci când conducta este presurizată. De aceea, primul pas în selectarea actuatorului este cunoașterea profilului de cuplu al supapei, nu compararea modelelor de actuatoare unul lângă altul. Geometria scaunului Supape standard API 6A joacă un rol important în stabilirea acestui profil.

Interfața scaunului afectează și cuplul. La supapele cu poartă etanșată, contactul metal-metal generează suficientă forță pentru a menține presiunea, iar această forță creează frecare pe care trebuie să o depășească actuatorul. Aceeași atenție la toleranțele de prelucrare se aplică tijei și cutiei de presa. The procesul de fabricatie determină cât de precis este rotită și lustruită tija, iar o suprafață aspră a tijei crește cuplul pe care trebuie să îl furnizeze actuatorul. Un actuator care pare dimensionat corect pe hârtie poate fi subdimensionat pe o supapă care nu a fost prelucrată la același standard.

Tipurile de actuatoare principale pentru supapele de control

Cinci tipuri de actuatoare domină serviciul supapelor de ulei și gaz: manual, pneumatic, hidraulic, electric și electro-hidraulic. Fiecare are o nișă clară.

Actuatoare manuale

Un actuator manual folosește o roată de mână sau o pârghie manuală pentru a roti tija. Este cea mai simplă și mai puțin costisitoare opțiune și încă apare pe multe supape de cap de sondă. Acţionarea manuală are sens atunci când supapa este acționată rar, când nu este disponibilă nicio sursă de energie și când cuplul de operare este suficient de mic pentru a fi manipulat de o persoană. Limitarea este cuplul. Pe o supapă cu deschidere mare, roata de mână poate avea nevoie de câteva sute de newtoni-metri de efort de intrare, ceea ce devine dificil pentru un singur operator. O cutie de viteze înmulțește forța de intrare, dar crește și numărul de spire necesare pentru a trage supapa.

Actuatoare pneumatice

Un actuator pneumatic folosește aer comprimat pentru a deplasa o diafragmă sau un piston, producând o ieșire liniară sau rotativă. Unitățile pneumatice sunt obișnuite în instalațiile de proces, deoarece aerul din fabrică este de obicei disponibil, răspunsul este rapid și un design cu retur cu arc se poate deschide sau nu se poate închide. În câmpul petrolier, totuși, aerul comprimat este adesea rar, iar forța de ieșire este limitată de presiunea de alimentare. Aerul tipic din instalație este de 6 până la 8 bari, așa că un cilindru pneumatic trebuie să fie destul de mare pentru a deplasa o supapă de înaltă presiune.

Actuatoare hidraulice

Actuatoarele hidraulice generează o densitate de forță mult mai mare decât unitățile pneumatice. Prin antrenarea unui piston cu fluid hidraulic la 100 bari sau mai mult, un cilindru compact poate furniza cuplul necesar pentru supapele mari, supapele frac și supapele de șoc. De aceea, acţionarea hidraulică este standard pe capurile de sondă submarine şi echipamentele de fracturare, unde spaţiul este limitat şi supapa trebuie să se mişte împotriva unei diferenţe de presiune completă. Schimbul este complexitatea sistemului: aveți nevoie de o unitate de putere hidraulică, supape de control direcțional și lichid curat, cu o filtrare bună.

Actuatoare electrice

Un actuator electric constă dintr-un motor, o cutie de viteze și o interfață de control. Are nevoie doar de alimentare cu energie electrică și poate oferi feedback de poziție, limitarea cuplului și control local sau de la distanță. Actuatoarele electrice sunt potrivite pentru service automatizat, nesupravegheat. Slăbiciunea lor este viteza și cuplul la extreme. Un motor convențional nu poate egala cuplul instantaneu al unui cilindru hidraulic, iar o oprire de urgență care trebuie să închidă o supapă în câteva secunde poate depăși capacitatea actuatorului.

Actuatori electro-hidraulici

Un actuator electro-hidraulic combină un motor electric cu o pompă hidraulică mică și un cilindru. Oferă densitatea cuplului a puterii hidraulice în timp ce necesită doar o sursă electrică. Acest lucru îl face o soluție bună pentru locațiile îndepărtate ale capului de sondă, unde o unitate centrală hidraulică nu este practică. Complexitatea adăugată este dezavantajul: mai multe componente, mai multe puncte potențiale de defecțiune și un cost de achiziție mai mare.

Compararea tipurilor de actuatoare

Tabelul de mai jos restrânge câmpul. Confirmați detaliile cu producătorul supapei înainte de a finaliza o specificație.

Observați că niciun rând nu reprezintă un răspuns definitiv. Alegerea corectă depinde de cuplul specific al supapei, de viteza de deplasare necesară, de poziția de eroare de care aveți nevoie și de sursa de alimentare disponibilă.

Considerații privind actuatorul pentru capul puțului și supapele de fracturare

Selecția actuatorului de acționare de siguranță și protecție a tijei pentru supapele capului de sondă și de fracturare. Pe un pom de Crăciun, supapa principală și supapele aripioare sunt adesea manuale, deoarece nu sunt ciclate frecvent. Dar la o lucrare de fracturare, capul de fractură și colectoarele de înaltă presiune conectează capul sondei la pompe care furnizează 10.000 până la 20.000 psi. Operatorul trebuie să poziționeze supapele de blocare rapid și pozitiv. Acţionarea hidraulică sau electro-hidraulică este soluţia standard, deoarece echipajul poate ciclă o supapă la presiune maximă fără a sta direct în spatele ei.

Pentru supapele cu poartă API 6A care trebuie să ofere închidere pozitivă, actuatorul trebuie să fie adaptat la cursa porții. Supapa cu poartă FC este un design API 6A utilizat în serviciul capului de puț și al colectorului și poate fi asociat cu acționare manuală, hidraulică sau electrică. Când este asociat cu un actuator, alinierea tijei trebuie verificată cu atenție. Un actuator nealiniat poate impune o sarcină laterală pe tijă, care deformează suprafețele de etanșare și produce scurgeri.

Supapă de gunoi FC pentru serviciul capului de puț și colector API 6A Supapa cu poartă FC îndeplinește standardele API 6A cu corp din oțel aliat forjat și suprafețe de etanșare cu fața dură. Performanța sa fiabilă îl face potrivit pentru controlul fluidului de foraj în colectoare de ucidere, sufocare și noroi. Vizualizare produs →

O supapă cu deschidere extensibilă utilizează un mecanism care mișcă poarta înainte de a se extinde în scaun, creând o etanșare metal-metal. Etapa de expansiune se adaugă la cuplul de rupere, astfel încât actuatorul trebuie să fie dimensionat pentru poziția complet extinsă. Dacă supapa este automată, o cutie de întrerupător de limită ar trebui să arate poziția reală a porții, nu doar rotația arborelui de ieșire al actuatorului.

Supapă extensibilă WKM cu etanșare metal pe metal Această supapă cu deschidere extensibilă oferă un cuplu de operare scăzut și un design de etanșare metalică, disponibilă cu capete cu flanșă sau filetate. Se potrivește mediilor de înaltă presiune și asigură o funcționare fără scurgeri. Vizualizare produs →

Acolo unde aerul comprimat nu este disponibil la un cap de sondă la distanță, acționarea automată necesită fie energie electrică, fie o pompă hidraulică. La un loc de fractură, patinul pompei include deja putere hidraulică, astfel încât acţionarea hidraulică este mai simplu de integrat decât pneumatic. Actuatoarele electrice rămân o potrivire bună pentru liniile de producție în care operatorul dorește control local sau de supraveghere.

Pași practici pentru specificarea unui actuator

Acest proces în șase etape se aplică indiferent dacă specificați o supapă pentru un nou cap de sondă sau înlocuiți un actuator pe o supapă existentă.

1. Definiți cuplul supapei la presiunea diferențială în cel mai rău caz. Cuplul de rupere este mai mare decât cuplul de rulare și determină dimensiunea actuatorului.
2. Selectați timpul necesar de mișcare. Dacă supapa trebuie să se închidă în cinci secunde, se elimină unele actuatoare electrice.
3. Decideți poziția de eșec. Aceasta determină dacă actuatorul folosește o retur cu arc, un acumulator sau o baterie de rezervă.
4. Verificați sursa de alimentare. Este disponibil aer comprimat sau există doar electricitate? Site-ul are o unitate hidraulica?
5. Verificați conexiunea tijei. Cuplajul de ieșire al actuatorului trebuie să se potrivească cu tija supapei fără sarcină laterală, iar jugul trebuie să se alinieze cu cutia de presa.
6. Confirmați protecția mediului. Pentru serviciul capului de sondă, actuatorul trebuie să fie evaluat pentru temperatura mediului ambiant, umiditate și gaz corosiv.

Pentru serviciul de producție cu cuplu mai mic, alegerea designului supapei de blocare poate influența pachetul de acţionare. Supapele cu poartă API 6A sunt disponibile în mai multe configurații structurale, iar designul selectat afectează cuplul pe care trebuie să-l depășească actuatorul. Supapa cu șarță FLS este un design API 6A utilizat în serviciul capului de sondă și al colectorului.

Supapă de blocare FLS cu etanșare pentru scaunul din spate și corp forjat Supapa cu gură FLS are o etanșare metal pe metal și o structură a banchetei din spate, facilitând înlocuirea ambalajului sub presiune. Corpul său din oțel aliat forjat rezistă la coroziune și uzură pentru un serviciu de lungă durată. Vizualizare produs →

Considerații finale

Tipul de actuator potrivit pentru o supapă de control este un compromis între puterea disponibilă, cererea de cuplu, viteza de răspuns și comportamentul de siguranță. Acţionarea manuală este practică pentru service rare cu cuplu redus; actuatoarele pneumatice și electrice se potrivesc conductelor de producție automate; și sistemele hidraulice sau electro-hidraulice sunt alegerea potrivită pentru supapele de înaltă presiune, cu gaură mare și supapele de fracturare. Începeți cu profilul de cuplu al supapei, definiți modul de defecțiune, apoi potriviți actuatorul cu serviciul.

Această abordare evită cele două greșeli cele mai frecvente: supradimensionarea actuatorului pentru o supapă care nu are nevoie niciodată de atât de mult cuplu și subdimensionarea lui pentru o supapă care o face.