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一體式球閥技術顛覆傳統球閥設計

一體式球閥技術顛覆傳統球閥設計

憑借獨特的設計,斯倫貝謝新式一體式閥座球閥可實現氣體與液體的密封,同時減小空間與重量,還提高了可靠性。

來自丨E&P
編譯丨Tom

據美國專利數據庫顯示,石油與天然氣行業使用的球閥最早可追溯到100多年前。球閥技術的發展已經獲得了眾多的進展,其中就包括1938年推出的ORBIT上升式球閥,1952年WKM使用的Teflon閥座以及1960年的CAMERON T30系列全焊接球閥。每項新技術都試圖通過提高性能,加快作業或減輕重量與成本,來改進已有2000多年歷史的閥門原理。

由于行業標準滯后于市場需求,終端用戶與作業者則不斷推進現有技術的界限。特別是對于海上石油與天然氣生產行業,必須平衡閥的性能、體積、重量、可操作性與可維護性,因此正在將現有技術推向極限。而每個新的海上開發項目都必須應對日益復雜的挑戰,如更高的壓力,更高的含硫量,更高的二氧化碳含量,更高的砂或水含量。

下一個合乎邏輯的進步

傳統的球閥解決方案為了考慮空間與重量,或者僅考慮防滲漏性,而犧牲了球閥的使用壽命。在業內,斯倫貝謝旗下Cameron公司設計了一個球閥以及配套的一體式閥座技術。

GROVE IST閥座一體式(IST)球閥是直角回轉球閥技術的下一個發展,就像固定式球閥是浮動式球閥的發展一樣。使用IST時,閥門的主要密封面與球狀球芯分離(圖1)。一體式閥座作用于閥體內的止回閥座。在密封位置,閥座與止回閥座靠彈簧與壓力提供能量,以保持均勻的接觸應力,從而不受球的彈性變形(也稱為球形彎曲)影響。這克服了金屬閥座固定式球閥最復雜的設計難題。

這個構思可以顯著改善球閥的可重復的關閉密封性,減少磨損,防止閥座與球閥磨損,減小閥門部件的尺寸以及減小作業扭矩。

一體式球閥技術顛覆傳統球閥設計

圖1.運用有限元分析與計算流體動力學進行設計,球閥在緊湊的設計中提供了更好的密封性。

緊湊型設計的優勢

主密封面與球芯的分離消除了對軟閥座的需求,以克服球閥所受的彎曲。這種分離還允許使用不受傳統研磨技術限制的新方法來生產部件。閥座的形狀進一步改善了接觸應力的均勻性,延長了使用壽命,并確保始終能實現設計的閥座活塞力。只有采用新的閥門技術才能實現這種改進,而不能復制之前傳統的技術。

這種新型球閥還具有在閥內的專利形狀,它可通過改變閥門的流量,將任何固體顆粒導流至流體中心,并遠離球閥的密封面。這種形狀可在閥座接口處產生文丘里效應,通過從密封面帶走顆粒來清潔閥孔。

作業優勢

通常避免使用金屬對金屬的球座球閥的閉合密封,或者僅在成本較大時使用。由于集成了上述一系列技術,IST閥可實現對液體與氣體的密封,這對于關鍵性作業是很重要的。在排污作業時,閥門泄漏相當于損失收入;在隔離設備時,閥門泄漏可能會中斷及時進行的關鍵性作業的運轉或造成危險情況。

同樣,減小元件尺寸也會產生多米諾效應,與頂入式與側入式球閥相比,它可顯著減輕重量。這種影響還可能延續至球閥的扭矩以及隨后球閥的自動化。一般來說,所需的制動器尺寸通常為一半或更小。驅動設計通常是管道工程師設計時最困難的部分,因為大而笨重的驅動可能會導致結構干擾以及意料之外的管道應力。

IST可為作業者提供的最大好處就是高壓應用,因為高壓應用時球閥重量、制動器尺寸或關閉密封可能是最關鍵的。

應用實例包括位于立管、管線、歧管、回轉頭以及其他安全功能(如高完整性壓力保護系統)的閥門。部件使用壽命的延長與頂端插入式結構降低了球閥的操作成本,并簡化了在這些復雜環境中所需的設備。與傳統閥門相比,這種球閥使用壽命更長,所需的維護作業也很簡單。

GROVE IST球閥可維持在管線上,并減少了從管線上卸下所需的起重能力。不再需要像傳統的金屬座閥那樣更換球芯,因此通過備件管理節約了成本。這種新式閥門不需要特殊的工具來將球體從閥體上拆卸,從而消除了傳統頂端插入式球閥的主要限制。

為了這些關鍵的應用構建了一項強大的技術,這項技術的開發與測試,都采用了與傳統頂端插入式球閥無關的全面認證制度。在制造出第一個球閥之前,最新的計算流體動力學與有限元分析工具已被用于驗證每一個設計。這些模擬擴展了典型球閥設計方法的邊界,隨后通過物理測試結果進行了驗證。在建立與測試每一個尺寸后,整個安全范圍都要經過比正常行業標準更嚴苛的資格認證。這包括美國石油學會(API)6A PR2測試,包括高低溫,API 607 / 6FA耐火測試以及API 6AV1砂漿認證。該閥門安全范圍也在最嚴格的作業條件下進行了驗證,包括高循環排量時開關測試以及高壓氣體排放測試,這些都不會影響球閥的性能。

LEDEEN CP氣動與HS螺旋液壓驅動系列驅動器補充了球閥的新技術(圖2)。CP與HS驅動器都是經過特別的優化,可直接安裝在GROVE IST上,并與所需的扭矩曲線相匹配。這樣可以使驅動器尺寸最小化,驅動器制造商已經對模塊化部件的設定間隔進行了標準化,并確保一體式閥座球閥與LEDEEN緊湊型驅動器的整套設備是體積最小的解決方案。

一體式球閥技術顛覆傳統球閥設計

圖2.GROVE IST與CP小型驅動器結合(左圖)和GROVE IST球閥與HS小型驅動器結合(右圖)

海上采油商與作業者不再需要為了空間、重量或成本而犧牲性能與安全性。憑借重新設計的密封技術的獨特組合,單獨閥門設計就可實現氣體或液體的密封關閉,同時減小空間或重量,還提高了可靠性。

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