A شیر دروازه یک دستگاه جداسازی حرکت خطی است که جریان را با بالا بردن یا پایین آوردن یک دروازه مسطح یا گوه ای شکل عمود بر سوراخ خط لوله کنترل می کند - و در استخراج نفت، نوع شیر غالب برای جداسازی خط اصلی با قطر زیاد و فشار بالا است که در آن جریان کامل و بدون مانع مورد نیاز است و عملیات مکرر لازم نیست. با توجه به گزارش بازار جهانی Valve 2023 (MarketsandMarkets) ، دریچه های دروازه تقریباً به حساب می آیند 28 درصد از کل شیرهای فروخته شده در بخش بالادستی نفت و گاز بر حسب واحد حجم تنها پس از شیرهای توپی با ارزش سالانه بیش از 2.1 میلیارد دلار در رتبه دوم قرار دارد. درک دقیق اینکه شیر دروازه چیست، چگونه کار می کند و به کجا در یک سیستم میدان نفتی تعلق دارد، دانش اساسی برای هر مهندس حفاری، ناظر تولید و متخصص تدارکات است.
شیر دروازه چیست و چگونه کار می کند؟
A شیر دروازه با حرکت یک دروازه - یک دیسک صاف یا یک گوه مخروطی - عمود بر جهت جریان، یا به طور کامل به داخل حفره درپوش (کاملا باز) و یا مسدود کردن کامل سوراخ (کاملا بسته) عمل می کند. برخلاف شیر توپی که 90 درجه میچرخد، شیر دروازهای برای حرکت بین موقعیتهای باز و بسته به چرخش کامل چرخ دستی یا محرک نیاز دارد، به همین دلیل است که به عنوان یک دستهبندی طبقهبندی میشود. شیر چند چرخشی . در موقعیت کاملاً باز، گیت به طور کامل به داخل کاپوت بالای مسیر جریان جمع میشود و یک گذرگاه بدون مانع و با سوراخ کامل با افت فشار تقریباً صفر باقی میگذارد - یک مزیت مهم در خطوط تنه نفت خام با جریان بالا که در آن حتی یک محدودیت کوچک باعث از دست دادن قابل اندازهگیری تولید میشود.
اجزای اصلی یک میدان نفتی شیر دروازه عبارتند از:
- بدنه سوپاپ: پوسته نگهدارنده فشار که معمولاً از فولاد کربنی (ASTM A105)، فولاد آلیاژی (ASTM A182 F22) یا فولاد ضد زنگ ساخته می شود. بدنه پورتهای جریان و صندلیها را در خود جای داده است و درجه فشار کامل خط لوله را حمل میکند - تا 20000 psi در سرویس سرچاهی شدید HPHT.
- دروازه (دیسک): عنصر بسته شدن کشویی. دروازههای گوهای جامد، دروازههای گوهای انعطافپذیر، دروازههای گوهای تقسیمشده و دروازههای دال موازی چهار نوع اصلی مورد استفاده در خدمات نفتی هستند که هر کدام ویژگیهای آببندی متفاوت و مقاومت در برابر اتصال حرارتی را ارائه میدهند.
- صندلی ها: دو سطح نشیمن در داخل بدنه که در هنگام بسته شدن روی آن ها مهر و موم می شود. در خدمات میدان نفتی، صندلیها یکپارچه (ماشینکاری شده از بدنه)، درج شده (حلقههای قابل تعویض)، یا با سختافزار با استلیت یا کاربید تنگستن برای مقاومت در برابر فرسایش ناشی از نفت خام مملو از شن هستند.
- ساقه: گشتاور چرخشی را از چرخ دستی یا محرک به حرکت خطی دروازه منتقل می کند. طرح های ساقه بلند به صورت بصری موقعیت دریچه را نشان می دهند (هنگام باز شدن ساقه بلند می شود). طرحهای بدون بالا آمدن ساقه، ساقه را کاملا محصور نگه میدارند - ترجیحاً در مواردی که فاصله ارتفاعی در سکوهای دریایی محدود است.
- کاپوت: درب بالایی که حفره بدن را میبندد و ساقه را هدایت میکند. کلاه های پیچ دار برای اکثر خدمات میدان نفتی استاندارد هستند. کاپوت های آب بندی فشار بالاتر از 900# (کلاس 900 ASME) استفاده می شود که در آن خطر نشت کاپوت بالاترین است.
- بسته بندی و گلند: سیستم آب بندی ساقه که از نشتی خارجی جلوگیری می کند. در سرویس گاز ترش H2S، مواد بسته بندی و طرح های غدد باید مطابقت داشته باشند NACE MR0175 / ISO 15156 برای جلوگیری از ترک خوردگی استرس سولفید و انتشار سمی H2S.
انواع شیرهای دروازه ای مورد استفاده در استخراج روغن
پنج اصل وجود دارد شیر دروازه طرحهایی که در عملیات نفت بالادست مستقر شدهاند، که هر کدام برای رسیدگی به ترکیب خاصی از فشار، دما، نوع سیال و فرکانس چرخش طراحی شدهاند.
1. سوپاپ گیت گوه جامد
گوه جامد ساده ترین و پرکاربردترین است شیر دروازه طراحی در خدمات میدان نفتی یک دروازه مخروطی تک تکه در برابر دو صندلی زاویه دار در بدنه قرار می گیرد و آب بندی قابل اعتمادی را در محدوده وسیع فشار و دما ارائه می دهد. طرح های گوه جامد برای خدمات نفت خام غیر خورنده تا کلاس ASME 2500 (تقریباً 6250 psi در 100 درجه فارنهایت) استاندارد هستند. محدودیت آنها حساسیت به اتصال حرارتی است - در سرویس گرم، انبساط حرارتی دیفرانسیل بین دروازه و بدنه می تواند دروازه را در برابر صندلی ها قفل کند و باز شدن دریچه را غیرممکن می کند. به همین دلیل است که شیرهای گوه ای جامد به ندرت برای سرویس چاه تزریق بخار یا دمای بالا (بالاتر از 500 درجه فارنهایت) مشخص می شوند.
2. شیر گیت گوه ای انعطاف پذیر
گوه انعطاف پذیر دارای یک شیار محیطی بر روی دروازه است که به دو وجه نشیمن اجازه می دهد تا به طور مستقل خم شوند و ناهماهنگی جزئی صندلی را جبران کرده و اتصال حرارتی را کاهش می دهد. گوه انعطاف پذیر شیر دروازهs طراحی ارجح برای خطوط تزریق سیل بخار و EOR حرارتی (بازیابی نفت پیشرفته) است که در آن دما می تواند از 650 درجه فارنهایت (343 درجه سانتیگراد) فراتر رود. با توجه به ASME B16.34 (2021) طرحهای گوههای انعطافپذیر به آببندی محکمتر در سرویسهای با دمای بالا نسبت به گوههای جامد دست مییابند در حالی که درجهبندی فشار معادل را حفظ میکنند.
3. شیر دروازه ای دال موازی (دریچه گیت گسترش دهنده)
دال موازی شیر دروازهs از دو بخش دروازه موازی - یک دال و یک فاصلهگر - استفاده کنید که به صورت مکانیکی در موقعیت بسته از هم جدا میشوند تا هر دو صندلی را به طور همزمان درگیر کنند و عمل آببندی دوبلوک را فراهم کنند. این طرح انتخاب غالب برای سرو چاه و درخت کریسمس به ازای API 6A، زیرا مشکل اتصال حرارتی را به طور کامل حذف می کند (درب به صندلی ها نمی چسبد)، به خوک های خط لوله اجازه می دهد از سوراخ سطح صاف عبور کنند، و آب بندی فلز به فلز با نشتی صفر را در فشار تا 20000 psi بدست می آورد. شیر دروازه انبساط بالاترین مشخصات است شیر دروازه در صنعت نفت
4. دریچه دروازه چاقو
دریچه های دروازه چاقویی از یک دروازه نازک با لبه های تیز استفاده می کنند که برای رسیدن به بسته شدن، سیال چسبناک یا دوغابی را برش می دهد. در کاربردهای میدان نفتی، چاقو شیر دروازهs در سیستم های تصفیه آب تولیدی، جابجایی گل حفاری، و خطوط دوغاب برش، که در آن دریچه های گوه معمولی با تجمع مواد جامد در حفره بدن مسدود می شوند، استفاده می شود. آنها برای خدمات فشار بالا مناسب نیستند - حداکثر فشار نامی معمولاً 150 psi تا 300 psi است - اما در حمل و نقل مایعات با فشار کم و جامدات بالا بسیار مؤثر هستند.
5. شیر دروازه ای از طریق مجرا
از طریق مجرا شیر دروازهs دارای یک دهانه تمام سوراخ در خود دروازه، به طوری که وقتی شیر باز است، مسیر جریان از دروازه عبور می کند نه از بالای آن. این جیب در حفره بدن را که در آن مواد جامد، موم یا هیدراتها میتوانند در طرحهای دروازههای معمولی انباشته شوند، از بین میبرد. طرح های از طریق مجرا به طور گسترده برای مشخص شده است خطوط لوله صادرات نفت خام و برنامه های دریافت خوک که در آن تمیزی داخلی و piggability اجباری است. آنها همچنین در ایستگاه های جداسازی خط لوله خشکی مدفون که در آن تخلیه حفره دریچه غیر عملی است استفاده می شود.
شیر دروازه در مقابل شیر توپی در مقابل شیر گلوب: کدام یک برای استخراج روغن مناسب است؟
انتخاب نوع شیر اشتباه برای کاربرد میدان نفتی یکی از رایجترین و پرهزینهترین خطاهای خرید است - یک شیر دروازه مشخص شده در جایی که شیر توپی مورد نیاز است میتواند به معنی پاسخ ناموفق ESD باشد، در حالی که یک شیر توپی مشخص شده که یک شیر دروازهای به کجا تعلق دارد، هزینههای غیرضروری را اضافه میکند. جدول زیر یک مقایسه فنی مستقیم بر اساس الزامات سرویس API 6D، API 6A و ASME B16.34 ارائه می دهد:
| معیارها | شیر دروازه | شیر توپی | دریچه گلوب |
|---|---|---|---|
| حرکت عملیاتی | چند دور خطی (آهسته) | چرخشی ربع دور (سریع) | چند دور خطی (آهسته) |
| مقاومت جریان (کاملا باز) | بسیار کم (پر سوراخ) | بسیار کم (طراحی تمام سوراخ) | بالا (مسیر جریان S شکل) |
| خاموشی اضطراری (ESD) | مناسب نیست (خیلی کند) | عالی (زیر 1 ثانیه) | مناسب نیست |
| دریچه گاز / کنترل جریان | توصیه نمی شود (خطر فرسایش) | توصیه نمی شود (با مته استاندارد) | عالی |
| حداکثر فشار (رده بندی API) | حداکثر 20000 psi (API 6A) | حداکثر 15000 psi (API 6A) | حداکثر 6000 psi (ASME 2500#) |
| Piggable (گذرگاه خوک) | بله (طراحی از طریق کانال) | بله (طراحی تمام سوراخ) | خیر |
| تناسب فرکانس چرخه | کم (انزوا نادر) | بالا (10000 چرخه) | متوسط |
| هزینه خرید نسبی (همان اندازه/کلاس) | کم – متوسط | متوسط–high | متوسط |
| خطر اتصال حرارتی | بله (نوع گوه جامد) | خیر | خیر |
| بهترین حالت استفاده در استخراج روغن | جداسازی خط اصلی با سوراخ بزرگ، شیرهای اصلی سر چاه (دریچه گسترش) | ESD، دریچه های بال سر چاه، ایزوله زیر دریا | کنترل جریان تزریق مواد شیمیایی، سیستم های ابزار |
جدول 1: مقایسه فنی شیر دروازه، شیر توپی و شیر گلوب برای خدمات استخراج روغن. داده ها بر اساس مشخصات API 6A، API 6D و ASME B16.34 است.
جایی که دریچه های دروازه در سراسر زنجیره ارزش استخراج روغن استفاده می شود
دریچه های دروازه در مکانهای مشخص و کاملاً تعریف شده در هر سیستم تولید نفت بالادستی ظاهر میشوند - نه به این دلیل که برتری جهانی دارند، بلکه به این دلیل که ترکیب آنها از جریان تمام سوراخ، قابلیت فشار بالا و عملکرد فرکانس پایین با الزامات جداسازی خط اصلی و سرویس شیر اصلی سر چاه بهتر از هر نوع شیر دیگری مطابقت دارد.
دریچه اصلی چاه (سطحی و زیر دریا)
شیر اصلی سر چاه - شیر جداسازی اولیه بین مخزن و سیستم تولید سطح - در اکثر مجموعه های سرچاهی دارای رتبه API 6A است. دریچه دروازه موازی در حال گسترش (همچنین به آن شیر دروازه ای اسلب نیز می گویند). این طراحی آب بندی فلز به فلز بدون نشتی را در فشار تا 20000 psi فراهم می کند، شن و ماسه و رسوب را بدون بستن حفره سوپاپ (پیکربندی از طریق مجرا) کنترل می کند و یکپارچگی آب بندی را حتی پس از دوره های طولانی عدم فعالیت حفظ می کند - یک نیاز حیاتی برای Master Val هایی که به ندرت کار می کنند. با توجه به مشخصات API 6A (نسخه بیست و یکم، 2018) تمام شیرهای دروازه سر چاه باید یک تست پوسته هیدرواستاتیک با 1.5 برابر فشار کاری نامی و یک تست صندلی در فشار کاری نامی با نشتی قابل مشاهده صفر را پشت سر بگذارند.
جداسازی خط تنه نفت خام و خط لوله صادرات
در خطوط لوله نفت خام با قطر زیاد (12 اینچ تا 48 اینچ سوراخ اسمی)، شیر دروازهs انتخاب اقتصادی برای ایستگاه های شیر بلوک اصلی، جداسازی تله خوک و مکان های بلوک اضطراری هستند. در این اندازه های بزرگ، یک شیر توپی تمام سوراخ نصب شده بر روی بند می تواند 3 تا 5 برابر بیشتر از یک شیر دروازه ای API 6D معادل قیمت داشته باشد. از آنجایی که شیرهای بلوک خط اصلی به ندرت کار می کنند - معمولاً کمتر از 12 بار در سال - مزیت سرعت شیرهای توپی نامربوط است و شیرهای دروازه ای را انتخابی بهینه می کند. طبق گفتهها، یک شیر دروازهای 24 اینچی کلاس 600 API 6D در یک ایستگاه جداسازی معمولی تقریباً 40 درصد هزینه سرمایه کمتری نسبت به یک شیر توپی تمام سوراخ معادل آن دارد. داده های معیار تدارکات صنعت منتشر شده توسط مجله خط لوله و گاز (2022) .
عملیات حفاری و تکمیل چاه
دریچههای دروازه در حین حفاری از سیستمهای جداسازی پشته و سوراخ چاه جلوگیری میکنند. را دریچه های دروازه قرقره حفاری در پشته BOP باید سیال خوب کشنده، دوغاب سیمان و ضربات گاز فشار بالا را کنترل کند - همه در یک شیر. دریچههای دروازهای دارای رتبه API 16A در خطوط خفهکننده و کشنده BOP باید فشار تا 20000 psi را تحمل کنند و در سختترین شرایط جریان که در هر نقطهای از میدان نفتی با آن مواجه میشویم، به طور قابل اعتماد کار کنند. به همین ترتیب، در طول تکمیل چاه، شیر دروازهs در منیفولد جداسازی رشته تکمیل، گردش مایع حلقوی و یکسان سازی درخت کریسمس را کنترل می کند.
تزریق آب و بازیابی روغن پیشرفته (EOR)
سیستمهای تزریق آب که فشار مخزن را حفظ میکنند یا EOR سیلابی را پیادهسازی میکنند از تعداد زیادی استفاده میکنند شیر دروازهs در هدرهای تزریق و منیفولدهای توزیع. فشار تزریق معمولاً از 1000 تا 5000 psi متغیر است و نرخ جریان میتواند از 100000 بشکه در روز در هر ایستگاه تزریق تجاوز کند که به دریچههای با سوراخ بزرگ نیاز دارد که در آن اقتصاد شیر دروازهای قانعکننده است. برای EOR حرارتی تزریق بخار (مورد استفاده در تولید نفت سنگین در میدانهایی مانند ماسههای نفتی کانادا)، گوه انعطافپذیر شیر دروازهs در ASME کلاس 900 یا کلاس 1500 فولاد زنگ نزن یا فولاد آلیاژی برای کنترل بخار در دمای تا 650 درجه فارنهایت (343 درجه سانتیگراد) و فشار تا 2500 psi مشخص شده است.
تصفیه و دفع آب تولید شده
آب تولید شده - آب شوری که با نفت خام تولید می شود - باید جدا شود، تصفیه شود، و مجددا تزریق یا دفع شود. در هر مرحله از انتقال آب تولیدی، شیر دروازهs (اغلب طرحهای دروازههای چاقویی برای محتوای جامد بالا) فیلترها، سنگزداها و پمپهای تزریق را جدا کنید. خورندگی آب تولید شده (کلرید بالا، اغلب حاوی CO2 و H2S) به بدنه شیر دروازه ای از فولاد ضد زنگ دوبلکس (UNS S31803) یا فوق دوبلکس (UNS S32750) نیاز دارد تا از خوردگی حفره ای و شکافی که باعث شکست زودرس فولاد کربنی می شود، جلوگیری کند.
استانداردهای کلیدی حاکم بر شیرهای دروازه در استخراج نفت
هر شیر دروازه مورد استفاده در تولید روغن بالادستی باید حداقل با یک استاندارد اجباری صنعت مطابقت داشته باشد - و شیرهای غیر منطبق در بازرسی قبل از نصب رد می شوند و تاخیرهای پرهزینه و زمان خرید مجدد 8 تا 20 هفته برای اقلام با سوراخ بزرگ و فشار بالا ایجاد می کنند.
| استاندارد | ارگان صادر کننده | محدوده برای شیرهای دروازه | الزامات کلیدی |
|---|---|---|---|
| API 6A (21st Ed., 2018) | موسسه نفت آمریکا | دریچه های دروازه چاه و درخت کریسمس تا 20000 psi | تست شل در 1.5 برابر WP؛ تست صندلی بدون نشتی؛ تست آتش برای PR2 |
| API 6D (ویرایش بیست و چهارم، 2014) | موسسه نفت آمریکا | دریچه های دروازه خط لوله، طرح های مجرای عبوری | الزامات ابعادی، تست چرخه، مواد، ضد الکتریسیته ساکن |
| API 16A (ویرایش چهارم، 2017) | موسسه نفت آمریکا | شیرهای گیت خط BOP را خفه می کند و می کشد | دارای امتیاز 20000 psi تست عملکرد با دوغاب ساینده |
| ASME B16.34 (2021) | ASME International | دریچه های دروازه in ASME pressure classes 150 to 4500 | ضخامت دیوار، طراحی بدنه، فشار تست بر اساس مواد و کلاس |
| NACE MR0175 / ISO 15156 (2015) | NACE International / ISO | تمام شیرهای دروازه در سرویس ترش (H2S). | محدودیت سختی مواد (حداکثر 22 HRC برای فولاد C)؛ مقاومت SSC |
| API 6FA / API 607 (2016) | موسسه نفت آمریکا | تست آتش سوزی دریچه های دروازه با نشیمنگاه های نرم یا ارتجاعی | باید آب بندی صندلی را پس از 30 دقیقه سوختن در دمای 1800 درجه فارنهایت (982 درجه سانتیگراد) حفظ کرد. |
| ISO 14313 (2007) | ISO | شیرهای گیت خط لوله (معادل بین المللی API 6D) | به عنوان معادل API 6D در اکثر پروژه های بین المللی پذیرفته شده است |
جدول 2: استانداردهای صنعت اولیه قابل اعمال برای شیرهای دروازه در استخراج نفت، با بدنه، محدوده و الزامات انطباق کلیدی. منابع: API، ASME، NACE International، ISO.
انتخاب مواد برای شیرهای دروازه در محیط های میدان نفتی
انتخاب صحیح مواد برای a شیر دروازه در استخراج نفت از سه حالت رایج شکست جلوگیری می کند - ترک استرس سولفید (SSC) در سرویس H2S، حفره کلرید در سرویس آب تولیدی، و شکست خزشی در تزریق EOR در دمای بالا. انتخاب آلیاژ اشتباه می تواند منجر به خرابی فاجعه بار دریچه ظرف چند هفته پس از نصب شود.
- فولاد کربنی (ASTM A216 WCB / A105N): استاندارد برای سرویس خام شیرین (H2S زیر فشار جزئی 0.05 psia) در دماهای 20- درجه فارنهایت تا 800 درجه فارنهایت. عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) و کنترل سختی زیر 22 HRC به ازای NACE MR0175 حتی در سرویس اسمی شیرین به عنوان یک اقدام احتیاطی در برابر قرار گرفتن در معرض H2S گذرا مورد نیاز است.
- فولاد کربنی با دمای پایین (ASTM A352 LCB / LCC): اجباری برای برنامه های کاربردی در خشکی و آب های عمیق در قطب شمال که دمای طراحی تا -50 درجه فارنهایت (-46 درجه سانتیگراد) کاهش می یابد. آزمایش ضربه چارپی در حداقل دمای طراحی برای ASME B16.34 و API 6D مورد نیاز است.
- فولاد آلیاژی (ASTM A182 F11 / F22 / F91): برای سرویس در دمای بالا بالاتر از 750 درجه فارنهایت (399 درجه سانتیگراد) در چاههای EOR سیل بخار و هدرهای تزریق بخار با فشار بالا مورد نیاز است. F91 (9Cr-1Mo-V) مقاومت خزشی عالی را برای سرویس تا 1100 درجه فارنهایت (593 درجه سانتیگراد) ارائه می دهد و ماده انتخابی برای تزریق بخار فوق بحرانی است.
- فولاد ضد زنگ 316 / 316L: مناسب برای خدمات تزریق آب و آب دریا در دمای کمتر از 140 درجه فارنهایت (60 درجه سانتیگراد). بالاتر از این دما، ترک خوردگی تنشی ناشی از کلرید (Cl-SCC) به یک خطر تبدیل می شود و درجه های دوبلکس مورد نیاز است.
- فولاد ضد زنگ دوبلکس (UNS S31803 / 2205): مواد استاندارد برای آب تولید شده، تزریق آب دریا، و خدمات ترش ملایم (H2S زیر فشار جزئی 1 psia). تقریباً 2 برابر قدرت تسلیم 316 SS و عدد معادل مقاومت حفرهای (PREN) بالای 32 را ارائه میکند که مقاومت در برابر حفرههای کلرید را در دماهای تا 150 درجه فارنهایت (65 درجه سانتیگراد) ممکن میسازد.
- فولاد ضد زنگ سوپر دوبلکس (UNS S32750 / 2507): مشخص شده برای سرویس آب تولیدی تهاجمی گاز ترش و کلرید بالا. PREN بالاتر از 40 مقاومت در برابر حفره شدن در آب دریا را تا دمای 185 درجه فارنهایت (85 درجه سانتیگراد) تضمین می کند. برای NACE MR0175 قسمت 3 سوپر دوبلکس در سرویس ترش زمانی قابل قبول است که با محلول آنیل و کوئنچ سخت شود تا به ریزساختار و سختی صحیح برسد (حداکثر 310 HV10).
- Inconel 625 / 718 (UNS N06625 / N07718): برای تهاجمی ترین خدمات - فشار جزئی H2S بالا (بالای 100 psia)، فشار جزئی CO2 بالا (بالای 30 psia) و دماهای بالا رزرو شده است. عمدتاً برای ساقههای شیر دروازه، نشیمنگاهها و تزئینات داخلی در چاههای HPHT که فولاد کربنی و آلیاژهای فولاد ضد زنگ هر دو مستعد خوردگی هستند، استفاده میشود. دریچه های دروازه ای Inconel 625 می توانند فواصل نگهداری را از 2 سال به بیش از 10 سال در سرویس های ترش شدید افزایش دهند، که نشان دهنده صرفه جویی قابل توجهی در هزینه چرخه عمر با وجود هزینه مواد اولیه بالاتر است.
حالت های رایج شکست دریچه های دروازه در تولید نفت
درک کردن شیر دروازه مکانیسمهای خرابی به تیمهای تعمیر و نگهداری اجازه میدهد برنامههای بازرسی هدفمند را پیادهسازی کنند و عمر شیر را افزایش دهند - و دفعات خاموشیهای برنامهریزی نشده را کاهش دهند که هزینه تخمینی برای اپراتورهای بالادستی دارد. 38 میلیارد دلار در جهان در سال از دست رفته تولید (وود مکنزی، 2022) .
- فرسایش صندلی از شن و ماسه و مواد جامد: نفت خام مملو از شن و ماسه در سرعتهای بالاتر از 10 فوت در ثانیه بهتدریج سطح صندلیهای دروازه را فرسایش میدهد، به ویژه در موقعیتهای نیمه باز. صندلیهای استلایت یا کاربید تنگستن با چهره سخت، مقاومت در برابر فرسایش را در مقایسه با صندلیهای نرم یا سختنشده 5 تا 8 برابر افزایش میدهند. همه شیر دروازهs در چاه های تولید شن و ماسه باید به طور کامل باز یا کاملاً بسته عمل کرد - هرگز نیمه ترک خورده نیست.
- نشت بسته بندی ساقه: نشت ساقه خارجی رایج ترین مشکل تعمیر و نگهداری در سطح است شیر دروازهs ، تقریباً 35 تا 40٪ از کل سفارشات تعمیر و نگهداری شیر در تأسیسات تولید را شامل می شود (منبع: راهنمای عمل خوب موسسه انرژی در مدیریت شیر، 2021 ). بسته بندی گرافیت آب بندی را برای مدت طولانی تری نسبت به PTFE در سرویس گرم حفظ می کند، اما برای جلوگیری از فشرده سازی بیش از حد و تشنج ساقه نیاز به تنظیم دقیق فالوور غدد دارد.
- صحافی حرارتی (طرح های گوه ای جامد): تزریق بخار و سرویس در دمای بالا می تواند باعث شود که گوه جامد در هنگام خنک شدن روی صندلی ها قفل شود و برای آزاد کردن دروازه نیاز به جک هیدرولیک یا اعمال گرما داشته باشد. این خرابی می تواند یک شیر اصلی سر چاه را غیرفعال کند و به طور بالقوه نیاز به خاموش شدن تولید برای اصلاح دارد. راه حل این است که در هر سرویسی بالاتر از 300 درجه فارنهایت (149 درجه سانتیگراد) طراحیهای گیتهای منعطف گوه یا منبسط شونده را مشخص کنید.
- آسیب کاویتاسیون و ارتعاش: دریچه های دروازه operated in the partially open position generate turbulent flow and pressure differentials that cause cavitation and internal vibration. Over time, this erodes body walls, damages seats, and can fracture the gate. The correct solution is to install a dedicated control valve or choke for flow modulation and keep gate valves fully open or fully closed.
- ترک خوردگی استرس سولفیدی (SSC) در سرویس ترش: ساقه های شیر دروازه و پیچ و مهره های ساخته شده از فولاد با استحکام بالا با سختی بالاتر از 22 HRC در حضور H2S محلول در برابر SSC حساس هستند - ترک خوردن می تواند ظرف چند ساعت پس از قرار گرفتن در معرض اول رخ دهد. این موضوع توسط NACE MR0175 مطابقت مواد در مرحله تدارکات مورد بررسی قرار گرفته است. جایگزینی پیچ و مهره های غیر منطبق با استحکام بالا برای کاهش هزینه، یک دلیل ریشه ای مستند از خرابی فاجعه بار شیر دروازه در سایت های چاه گاز ترش است.
- تشنج ناشی از عدم فعالیت: دریچه های دروازه that remain open for years without operation — common on mainline block valves — can develop corrosion, scale, or wax deposits that bond the gate to the seats, making the valve impossible to close when needed. Annual partial-stroke or full-stroke exercise testing per the برنامه تعمیر و نگهداری توصیه شده API 6A از تشنج جلوگیری می کند و عملکرد را قبل از وقوع یک اورژانس تایید می کند.
گزینه های محرک برای شیرهای دروازه اتوماتیک در تولید روغن
در حالی که بیشتر شیر دروازهs در خدمات میدان نفتی به صورت دستی کار میکنند، فعالسازی از راه دور و خودکار در چاههای بدون سرنشین، تأسیسات زیردریایی و نقاط ایزوله از نظر ایمنی ضروری است. جدول زیر گزینه های محرک برای شیرهای دروازه در خدمات بالادستی نفت را مقایسه می کند:
| نوع محرک | زمان فعال سازی | گزینه Fail-Safe | کاربرد شیر دروازه ای معمولی |
|---|---|---|---|
| هیدرولیک (سیلندر خطی) | 15-120 ثانیه | بله (بازگشت بهار یا آکومولاتور) | شیر اصلی سر چاه، شیر دروازه درختی زیر دریا |
| پنوماتیک (سیلندری خطی) | 30-180 ثانیه | بله (بازگشت بهار) | شیرهای دروازه چاه سطحی، شیرهای بلوک خط لوله |
| برقی (MOV، چند دور) | 60-300 ثانیه | آخرین موقعیت (با پشتیبانی از یو پی اس اختیاری) | جداسازی خط لوله از راه دور، شیرهای بلوک غیر بحرانی |
| الکترو هیدرولیک (HPU محلی) | 20-90 ثانیه | بله (بسته انباشته) | سر چاه های راه دور بدون سرنشین، ایستگاه های بلوک خط لوله با نیاز ESD |
جدول 3: مقایسه انواع محرک برای شیرهای دروازه اتوماتیک در استخراج روغن، از جمله سرعت تحریک، قابلیت ایمن خرابی و کاربرد توصیه شده.
سوالات متداول در مورد شیرهای دروازه در استخراج نفت
Q1: حداکثر درجه فشار یک شیر دروازه برای سرویس سرچاه چقدر است؟
زیر API 6A (نسخه بیست و یکم، 2018) ، دال منبسط کننده سر چاه شیر دروازهs در کلاس های فشار 2000، 3000، 5000، 10000، 15000 و 20000 psi فشار کاری موجود است. کلاس 20,000 psi (20K) بالاترین استاندارد فعلی است که در چاه های فوق عمیق HPHT در خلیج مکزیک، دریای شمال و برزیل دور از ساحل استفاده می شود که فشار مخزن بیش از 15000 psi فشار دهانه چاه بسته است.
Q2: چرا نمی توان از شیرهای دروازه برای دریچه گاز در تولید روغن استفاده کرد؟
A شیر دروازه عملکرد در یک موقعیت نیمه باز باعث ایجاد جریان متلاطم و با سرعت بالا در یک شکاف حلقوی کاهش یافته در لبه دروازه می شود - شرایطی که فرسایش را در ناحیه بسیار کوچکی از سطح صندلی و سطح آب بندی دروازه متمرکز می کند. در خدمات نفت خام تولید شن و ماسه، این می تواند سطوح نشیمنگاه را در عرض چند ساعت از بین ببرد و منجر به نشتی دائمی شود، حتی زمانی که شیر کاملا بسته باشد. برای کنترل جریان، باید از یک شیر خفه کننده اختصاصی، شیر کنترل یا شیر توپی V-notch استفاده شود. شیرهای دروازه فقط برای عملکرد کاملا باز یا کاملا بسته طراحی شده اند.
Q3: تفاوت بین دریچه دروازه با ساقه بالارونده و شیر دروازه بدون ساقه چیست؟
در یک ساقه در حال افزایش شیر دروازه با باز شدن دریچه، ساقه به سمت بیرون از درپوش به سمت بالا حرکت می کند و نشانگر بصری واضحی از موقعیت سوپاپ ارائه می دهد - زمانی که ساقه کاملاً کشیده می شود باز می شود و وقتی کاملاً جمع می شود بسته می شود. این طراحی نیاز به فاصله عمودی کافی در بالای شیر دارد که آن را در لولهکشی پلت فرم دریایی با فاصله کم غیرعملی میسازد. در طراحی ساقه بدون افزایش (NRS)، ساقه ثابت می ماند و رزوه های داخلی روی مهره دروازه چرخش را به حرکت دروازه تبدیل می کند - ساقه بالای کاپوت امتداد نمی یابد. طرحهای NRS در جایی که ارتفاع محدود است ترجیح داده میشوند، اما برای تأیید موقعیت سوپاپ به نشانگر موقعیت جداگانه (مکانیکی یا الکترونیکی) نیاز دارند.
Q4: شیرهای دروازه ای در استخراج روغن هر چند وقت یکبار باید بازرسی و نگهداری شوند؟
را دستورالعمل موسسه انرژی برای مدیریت شیرها (2021) توصیه می شود که شیرهای دروازه ای حیاتی (شیرهای اصلی سر چاه، اجزای BOP) حداقل یک بار در سال آزمایش عملکرد شوند و هر 3 تا 5 سال یکبار به طور کامل بازرسی شوند، یا مطابق با برنامه بازرسی مبتنی بر ریسک (RBI) تاسیسات. دریچه های بلوک خط لوله خط لوله که به ندرت کار می کنند باید حداقل یک بار در سال برای جلوگیری از تشنج ناشی از عدم فعالیت اعمال شوند. بسته بندی ساقه باید هر سه ماه یکبار از نظر نشتی خارجی بررسی شود و در اولین نشانه اشک قابل مشاهده دوباره بسته بندی یا تعویض شود.
Q5: شیر دروازه ای منبسط کننده چیست و چرا در سرچاه های نفت استفاده می شود؟
منبسط کننده (دال) شیر دروازه از دو بخش دروازه موازی - یک دال اولیه و یک عنصر فاصلهدهنده ثانویه - استفاده میکند که به طور مکانیکی توسط یک مکانیسم فنر یا بادامک از هم جدا میشوند که دریچه به موقعیت بسته میرسد و هر دو بخش را به طور همزمان روی صندلیهای بالادست و پایین دست فشار میدهد. این امر آب بندی ذاتی دو بلوک را بدون تکیه بر فشار خط برای انرژی بخشیدن به صندلی فراهم می کند، اتصال حرارتی را از بین می برد (به دلیل اینکه درب گوه نمی شود)، و امکان اتصال از طریق مجرا را فراهم می کند. برای API 6A شیر دروازهای دال انبساط، طراحی استانداردی برای سرویس سرچاهی است، زیرا آببندی فلز به فلز با نشتی صفر را در فشار تا 20000 psi بدون تزریق روغنکاری به دست میآورد و میتواند پس از دست زدن به ماسه، رسوب، و موم تولید شده، دوباره بهطور قابلاعتماد قرار گیرد.
Q6: "ایمن در برابر آتش" برای یک شیر دروازه در خدمات میدان نفتی به چه معناست؟
ایمنی آتش نشانی شیر دروازه موردی است که برای حفظ یکپارچگی آب بندی قابل قبول صندلی و بدنه پس از قرار گرفتن مداوم در معرض آتش آزمایش و گواهی شده است - معمولاً یک سوختگی 30 دقیقه ای در 1800 درجه فارنهایت (982 درجه سانتیگراد) و به دنبال آن آزمایش فشار هیدرواستاتیک، API 6FA یا API 607 . در عمل، این بدان معناست که شیرهای دروازه با صندلی های اولیه نرم (الاستومری یا PTFE) باید دارای صندلی های پشتیبان فلز به فلز ثانویه باشند که هنگام سوختن صندلی نرم درگیر شوند. تمام دریچههای دروازه در خطوط لوله حامل هیدروکربن در منطقه فرآیند یک تأسیسات تولیدی طبق اکثر مشخصات شرکت عامل مورد نیاز است که دارای گواهی ایمنی در برابر آتش باشند - حتی اگر نشیمنگاه اولیه توسط مواد صندلی نرم در شرایط عادی به دست آید.
Q7: شیر دروازه در سرویس میدان نفتی چقدر دوام می آورد؟
A به درستی مشخص و نگهداری می شود شیر دروازه در خدمات نفت خام تمیز باید عمر طراحی 20 تا 30 سال بدست آید. با این حال، عمر مفید واقعی در چاههای تولید شن و ماسه یا چاههای گاز ترش میتواند به طور قابل توجهی کوتاهتر باشد، بدون صندلیهای سخت و مواد منطبق با NACE. دریچه های اصلی سر چاه معمولاً هر 5 تا 10 سال در طول عملیات چاه کاری برنامه ریزی شده تعویض یا تعمیر می شوند. شیرهای دروازه اصلی خط لوله در سرویس مدفون، بدون مواد جامد در جریان جریان و آزمایش ورزش سالانه، به طور معمول به 25 تا 40 سال عمر مفید میرسند. با توجه به Pipeline and Gas Journal (2022) ، میانگین هزینه نصب شده برای تعویض میدانی شیر دروازه خط لوله بزرگ (24 اینچ، کلاس 600#) - از جمله حفاری، جداسازی و راه اندازی مجدد - بیش از 250000 دلار است که بر اهمیت مشخصات اولیه صحیح و نگهداری پیشگیرانه تاکید می کند.
چک لیست انتخاب شیر دروازه برای مهندسان استخراج نفت
- مورد نیاز را شناسایی کنید کلاس فشار API : API 6A برای سر چاه (حداکثر 20000 psi)، API 6D / ISO 14313 برای خطوط لوله، API 16A برای خطوط خفه کننده و کشنده BOP.
- مشخص کنید طراحی دال گسترش دهنده (دروازه موازی). برای تمام شیرهای اصلی سر چاه و هر سرویس بالاتر از 5000 psi یا بالاتر از 300 درجه فارنهایت - هرگز گوه جامد.
- نیاز دارند طراحی مجرای عبوری هر جا که پیگینگ خط لوله انجام می شود و هر جا که در حفره دریچه انباشته جامدات باید جلوگیری شود.
- محتوای H2S را بررسی کنید: اگر فشار جزئی H2S بیش از حد باشد 0.05 psia (0.0003 مگاپاسکال) تمام اجزای فلزی باربر باید با NACE MR0175 / ISO 15156 مطابقت داشته باشند.
- مشخص کنید صندلی های سخت رو (استلایت یا کاربید تنگستن) برای هر سرویسی که شامل ماسه تولید شده، مقیاس ساینده یا ذرات جامد در جریان جریان باشد.
- نیاز دارند API 6FA یا API 607 fire-test certification برای تمام شیرهای دروازه روی لوله های حامل هیدروکربن در منطقه فرآیند.
- مشخص کنید کاپوت مهر و موم فشار برای شیرهای دروازه ای در کلاس ASME 900 و بالاتر - کلاه های پیچ و مهره ای در سرویس فشار بالا منبع مستند نشت خارجی هستند.
- شامل یک الزامات تست ورزش سالانه در برنامه تعمیر و نگهداری برای تمام شیرهای دروازه ای که به ندرت کار می کنند برای جلوگیری از تشنج ناشی از عدم فعالیت.
- برای شیرهای دروازه در مکان های بدون سرنشین یا از راه دور، مشخص کنید تحریک هیدرولیک یا الکترو هیدرولیک با فنر بسته شدن خرابی یا بازگشت باتری برای فعال کردن قابلیت خاموش کردن از راه دور.






