Что такое шаровой кран? Полное руководство по добыче нефти

A шаровой кран представляет собой запорное устройство на четверть оборота, в котором используется полый перфорированный сферический шар для управления потоком жидкости через трубопровод, а при добыче нефти он является одним из наиболее важных компонентов управления потоком на любом устье скважины, эксплуатационном манифольде или подводной системе. Поскольку доходы мирового рынка нефтегазовой арматуры превышают 6,8 миллиарда долларов в 2023 году и шаровых кранов, на которые приходится наибольшая доля продукции. Понимание того, что такое шаровой кран, как он работает и какой тип подходит для добычи нефти, является важным знанием для каждого инженера-буровика, техника-технолога и специалиста по закупкам.

Что такое шаровой клапан и как он работает при добыче нефти?

A шаровой кран контролирует поток, поворачивая просверленный сферический шарик на 90 градусов внутри корпуса клапана — когда отверстие совпадает с трубопроводом, поток полностью открыт; при повороте на 90° твердая стенка шариков полностью течет. В условиях добычи нефти этот простой четвертьоборотный механизм обеспечивает чрезвычайно быструю возможность закрытия: полный цикл открытия-закрытия занимает менее одной секунды на приводных моделях, скорость, которая имеет решающее значение для предотвращения выбросов, аварийной остановки скважины (ЭСР) и изоляции от скачков давления на устьях скважин с высоким давлением, работающих при давлениях до 15 000 фунтов на квадратный дюйм (1034 бар) .

Основные операционные компоненты шаровой кран используемые в нефтяном сервисе, включают:

• Корпус клапана: Внешняя оболочка, выдерживающая давление, обычно выкована из углеродистой стали (ASTM A105), легированной стали (ASTM A182 F22) или дуплексной нержавеющей стали для работы с агрессивными сернистыми газами (H2S).
• Мяч: Просверленный сферический элемент. В нефтяной отрасли шарики часто хромируются, покрываются карбидом вольфрама или изготавливаются из инконеля, чтобы противостоять эрозии из-за потоков сырой нефти, содержащих песок.
• Сиденья: Уплотнительные кольца с обеих сторон шара. Мягкие седла (PTFE, PEEK, нейлон) подходят для эксплуатации в условиях чистоты; металлические седла (стеллит, карбид вольфрама) обязательны для работы в условиях высоких температур, эрозии или огнестойкости.
• Стебель: Передаёт крутящий момент от привода или маховика на шар. Противовыбросовая конструкция штока в соответствии с API 6D предотвращает выброс штока под давлением — критическая функция безопасности на любой скважине, находящейся под давлением.
• Уплотнения и упаковка корпуса: Предотвратите внешнюю утечку. При работе с H2S эластомеры должны соответствовать требованиям NACE MR0175/ИСО 15156 для серосодержащих газов.

Почему шаровые краны доминируют в добыче нефти по сравнению с другими типами клапанов

Шаровые краны являются предпочтительным выбором для добычи нефти по сравнению с задвижками, проходными клапанами и пробковыми клапанами, поскольку они сочетают в себе низкое сопротивление потоку, быстрое срабатывание и надежное двунаправленное уплотнение в компактном корпусе, который выдерживает экстремальные давления и температуры при добыче нефти. В таблице ниже эти типы клапанов сравниваются по факторам, наиболее важным на буровой площадке:

Таблица 1. Сравнение характеристик шаровых кранов с другими распространенными типами клапанов по ключевым критериям для приложений по добыче нефти.

Типы шаровых кранов, используемых при добыче нефти

Не все шаровой кранs взаимозаменяемы — в нефтяной промышленности используется как минимум шесть различных конфигураций, каждая из которых разработана для определенного класса давления, типа жидкости или места установки.

1. Полнопроходной (полнопроходной) шаровой кран

Полнопроходной шаровой кран имеет внутренний диаметр отверстия, равный диаметру трубы, что приводит к нулевому ограничению потока и прямому проходу, подходящему для операций очистки трубопровода скребками. В магистральных нефтепроводах и производственных коллекторах полнопроходные конструкции являются обязательными, поскольку контрольные манометры трубопровода (ЧУД) должны беспрепятственно проходить через клапан. Полнопроходные клапаны тяжелее и дороже, чем версии с уменьшенным проходным отверстием, но являются отраслевым стандартом для обслуживания магистральных нефтепроводов.

2. Шаровой кран с уменьшенным проходным отверстием (стандартное отверстие)

уменьшенного диаметра шаровой кранs иметь внутреннее отверстие на один размер трубы меньше номинального размера трубы — например, 4-дюймовый клапан с уменьшенным проходным отверстием имеет 3-дюймовое отверстие. Они легче, компактнее и дешевле, чем полнопроходные аналоги, и широко используются в изоляции приборов, впрыске химикатов и в инженерных линиях на производственных платформах, где не требуется очистка скребками.

3. Шаровой кран на цапфе.

на цапфе шаровой кранs используйте механические анкеры (цапфы) сверху и снизу шара, чтобы зафиксировать его на месте внутри корпуса, чтобы давление трубопровода действовало на седла, а не на шар. Этот дизайн является доминирующим выбором для услуги по добыче нефти под высоким давлением выше 600 фунтов на квадратный дюйм и для клапанов большего размера (номинальный размер трубы более 4 дюймов). Конструкции с цапфами обеспечивают меньший рабочий крутящий момент, увеличенный срок службы седла и возможность двойной блокировки и стравливания (DBB), что делает их незаменимыми на устьях скважин, штуцерных манифольдах и подводных елках.

4. Плавающий шаровой клапан

В плавающем шаровой кран Шар не фиксируется механически, а вместо этого свободно плавает между двумя седлами, удерживаясь на месте давлением в трубопроводе, прижимающимся к седлу, расположенному ниже по потоку, для создания уплотнения. Плавающие конструкции проще и дешевле, что делает их стандартными для применений меньшего диаметра и низкого давления (обычно ниже 4 дюймов и ниже 600 фунтов на квадратный дюйм), таких как линии инструментов, соединения для проб и вентиляционные/сливные клапаны на производственном оборудовании.

5. Шаровой кран с двойной блокировкой и выпуском воздуха (DBB).

ДББ шаровой кран обеспечивает две независимые посадочные поверхности, которые одновременно блокируют поток как со стороны входа, так и со стороны выхода, со сливным отверстием между ними для проверки изоляции и стравливания скопившегося давления. При добыче нефти возможности DBB предусмотрены процедурами многих операционных компаний для разрешения на изоляцию и работу на огневых работах — Везде, где эта работа должна выполняться в работающей системе, обеспечивая при этом нулевую утечку через запорный клапан. Один шаровой кран DBB заменяет три отдельных клапана (два запорных и один спускной), что позволяет сэкономить значительное пространство и вес на морских платформах.

6. Подводный шаровой кран

Подводный шаровой кранs специально разработаны для установки на устьях морских скважин, выкидных линиях и коллекторах на глубинах воды, которые сейчас обычно превышают 3000 метров (9843 фута). Они должны выдерживать внешнее гидростатическое давление до 4500 фунтов на квадратный дюйм в дополнение к внутреннему технологическому давлению и должны надежно работать в течение интервалов между проверками 5–25 лет без доступа к поверхности. Интерфейсы блокировки ROV (автомобиль с дистанционным управлением), уплотнения штока с разгруженным давлением и квалификационные испытания API 17D — все это стандартные требования.

Ключевые отраслевые стандарты, регулирующие шаровые краны при добыче нефти

Каждый шаровой кран используемые при добыче нефти, должны соответствовать одному или нескольким из следующих отраслевых стандартов: несоответствующие клапаны обычно отбраковываются при проверке, что приводит к дорогостоящим задержкам.

Таблица 2. Основные отраслевые стандарты, применимые к шаровым кранам при добыче нефти, с указанием органа, выдавшего сертификат, и основных требований соответствия.

Где используются шаровые краны в цепочке создания стоимости добычи нефти

Шаровые краны появляются практически в каждой контрольной точке в системе добычи нефти — от границы пласта на устье скважины до экспортного трубопровода. Понимание конкретной роли, которую играет каждый клапан, помогает инженерам выбрать правильный тип, класс давления и материал для каждого места.

Устье скважины и рождественская елка

Устье скважины и рождественская елка (вертикальная сборка клапанов, катушек и фитингов наверху скважины) являются местами с самым высоким давлением в любой системе добычи нефти. Шаровые краны Здесь должно соответствовать требованиям API 6A с номинальным давлением, обычно равным 5000, 10000 или 15000 фунтов на квадратный дюйм. Главный клапан и крыльевой клапан на рождественской елке почти всегда представляют собой шаровые краны, выбранные из-за их способности быстрого закрытия и работы с металлическим седлом с нулевой утечкой при температурах до 350 ° F (177 ° C).

Производственный манифольд и поточная линия

Эксплуатационные манифольды собирают поток из нескольких скважин перед направлением его на оборудование для разделения и переработки. на цапфе шаровой кранs В этом сегменте доминируют полнопроходные конфигурации, соответствующие стандарту API 6D, что позволяет изолировать и прокладывать отдельные скважины, не ограничивая приток многофазных потоков сырой нефти с содержанием песка. Версии с приводом (пневматические или гидравлические) позволяют осуществлять дистанционное управление из диспетчерской или системы защитного отключения.

Аварийное отключение (ESD) и системы безопасности

ESD шаровой кранs являются, пожалуй, наиболее критичными с точки зрения безопасности клапанами на любом производственном объекте. Они удерживаются открытыми во время нормальной работы и закрываются (привод с пружинным возвратом) при потере приборного воздуха или электрического сигнала. API 6D и IEC 61511 (функциональная безопасность) требуют, чтобы шаровые краны ESD достигали определенного уровня полноты безопасности (SIL) — обычно SIL 2 или SIL 3 — который определяет допустимую вероятность отказа по требованию (PFD). Шаровые краны ESD проверяются через регулярные промежутки времени (обычно каждые 1–3 года), чтобы убедиться, что они закроются в течение требуемого времени реагирования, обычно менее 10 секунд для большинства приложений на платформе.

Пусковые устройства и приемники для свиней

Полнопроходной шаровой кранs являются обязательным запорным клапаном на всех стволах запуска и приема скребков. Скребок — цилиндрический инструмент для очистки или проверки — должен беспрепятственно проходить через отверстие клапана, поэтому требуются полнопроходные конструкции, точно соответствующие внутреннему диаметру трубопровода. В трубопроводах для экспорта сырой нефти частота очистки скребками может достигать одного раза в неделю, чтобы предотвратить отложение парафина. Это означает, что эти шаровые краны часто цикличны и должны быть рассчитаны на длительный срок службы (обычно 1 000–10 000 полных циклов открытия-закрытия в соответствии с API 6D).

Подводный Production Systems

Подводный шаровой кранs на донных манифольдах и концевых заделках выкидных трубопроводов (FLET) должны работать надежно и без технического обслуживания в течение всего расчетного срока службы подводной системы — обычно 20–25 лет. Они приводятся в действие гидравлически через шлангокабели с поверхности и имеют возможность отключения ROV для выполнения аварийных операций или операций по техническому обслуживанию. Экономические последствия отказа подводного шарового клапана огромны: один капитальный ремонт подводной скважины с целью замены неисправного клапана может стоить более 30–80 миллионов долларов , что объясняет крайние квалификационные требования API 17D.

Выбор материалов для шаровых кранов в нефтесервисе

Выбор материала для шаровой кран в добыче нефти зависит от состава технологической жидкости, температуры, давления и нормативных требований — выбор неправильного материала приводит к ускоренной коррозии, растрескиванию или разрушению седла, что приводит к незапланированным простоям.

• Углеродистая сталь (ASTM A216 WCB/A105): Стандартный выбор для работы с неагрессивной сырой нефтью при температуре от -20°F до 800°F (от -29°C до 427°C). Экономичен и понятен, но непригоден для использования в средах, содержащих H2S (кислый), без марок с контролируемой твердостью.
• Низкотемпературная углеродистая сталь (LTCS, ASTM A352 LCB/LC3): Требуется для применения в Арктике и на глубоком море, где температура окружающей среды может опускаться ниже -20°F (-29°C). Испытание на удар по Шарпи при минимальной расчетной температуре является обязательным.
• Легированная сталь (ASTM A182 F11, F22): Используется в скважинах с высоким давлением и высокой температурой (HPHT), добывающих при температуре выше 400°F (204°C). F22 (2,25Cr-1Mo) обеспечивает превосходное сопротивление ползучести в паронагнетательных скважинах и геотермальных установках.
• Нержавеющая сталь (316 SS, 316L): Выбирается для пластовой воды, закачки морской воды и закачки химикатов, где питтинг, вызванный хлоридами, вызывает беспокойство при температурах ниже 140°F (60°C). Выше этой температуры требуются дуплексные или супердуплексные сорта.
• Дуплексная и супердуплексная нержавеющая сталь (UNS S31803/S32750): Предпочтительный материал для кислых сред с высоким содержанием хлоридов, типичных для глубоководной добычи. Супердуплекс имеет эквивалентное число стойкости к точечной коррозии (PREN) выше 40, что обеспечивает коррозионную стойкость в морской воде при температуре до 185°F (85°C).
• Инконель 625/825: Предназначен для скважин с наиболее агрессивным высокосернистым газом с высокими парциальными давлениями H2S и CO2. Также используется для покрытий шаров и штоков, где одной только коррозионной стойкости основного металла недостаточно.

Варианты приводов для шаровых кранов в нефтедобыче

Автоматизированный шаровой кранs при добыче нефти используйте один из четырех типов приводов, выбранных на основе доступных утилит, требований ко времени отклика и отказоустойчивости.

Таблица 3. Типы приводов для автоматических шаровых кранов при добыче нефти с источником питания, отказоустойчивым действием и типичным применением.

Распространенные виды отказов шаровых кранов в нефтепромысловом сервисе

Понимание шаровой кран Режимы отказов позволяют инженерам реализовать правильные интервалы проверок, стратегию запасных частей и программу профилактического обслуживания, избегая дорогостоящих незапланированных остановов, которые могут дорого стоить операторам морских работ. От $500 000 до более $1 миллиона в день в потерянном производстве.

• Эрозия сиденья: Наиболее распространенная авария в скважинах, добывающих песок. Частицы песка с высокой скоростью ударяются о поверхность седла в частично открытом положении, разрушая уплотнительную поверхность и вызывая утечку через закрытый шар. Седла с покрытием из карбида вольфрама увеличивают срок службы в 3–5 раз по сравнению с седлами из ПТФЭ при эрозионной эксплуатации.
• Утечка через уплотнение штока: Разрушение уплотнительного материала вокруг штока приводит к выходу технологической жидкости наружу. При работе с H2S любая внешняя утечка токсичного газа немедленно является нарушением безопасности и нормативных требований. Ежеквартальные проверки уплотнений штока являются стандартной практикой на скважинах, добывающих высокосернистый газ.
• Гидратное закупоривание: В глубоководных системах во время холодного останова в области седла клапана могут образовываться газогидраты, препятствующие вращению шара. Отверстия для впрыска метанола или МЭГ на глубоководных шаровых кранах являются стандартной практикой для устранения этого вида неисправности.
• Отложение воска: Сырая нефть с высоким содержанием парафинов откладывает парафин на границе раздела шар-седло во время закрытия, что приводит к заклиниванию клапана. Регулярная циклическая работа клапана (ежемесячное тестирование полного хода) предотвращает накопление парафина.
• Коррозия под изоляцией (CUI): Внешняя коррозия под теплоизоляцией является основной причиной утончения стенок корпуса верхних шаровых кранов. Периодические УЗ-исследования (ультразвуковая толщина) изолированных клапанов необходимы в морских условиях.
• Выход из строя пружины привода: В шаровых кранах ESD с аварийным закрытием возвратная пружина должна функционировать после многих лет статического сжатия. Пружинная усталость или коррозия (на морских платформах с высокой влажностью) могут помешать клапану закрыться по требованию, что приведет к отказу системы безопасности. Ежегодное тестирование частичного хода (PST) выявляет деградацию привода, не требуя полной остановки технологического процесса.

Часто задаваемые вопросы о шаровых кранах для добычи нефти