Tipi di attuatori per valvole di controllo: come scegliere quello giusto per il servizio Oil & Gas

In un sito di frattura, l'ultima cosa che l'equipaggio vuole è una valvola che non si muova quando la pressione di trattamento è di 15.000 psi. L'attuatore è l'interfaccia tra l'operatore e l'elemento di tenuta della valvola e determina se la valvola si apre in tre secondi o richiede un minuto intero di rotazione del volantino. La scelta del tipo di attuatore per una valvola di controllo nel servizio di petrolio e gas dipende da quattro fattori: richiesta di coppia, velocità di risposta, comportamento di sicurezza e fonte di alimentazione disponibile alla testa del pozzo.

Perché la scelta dell'attuatore inizia dalla valvola

Un attuatore della valvola di controllo converte l'energia proveniente da una fonte di alimentazione nel movimento meccanico necessario per spostare l'elemento di chiusura della valvola. Nei servizi di testa pozzo e di fratturazione, tale elemento è solitamente un cancello o un tappo all'interno di un corpo classificato API 6A. La valvola stessa definisce i requisiti dell'attuatore: se lo stelo si muove linearmente o ruota, quanta coppia è necessaria per rompere la tenuta della sede e come si comporta la valvola alla massima pressione differenziale nominale.

Prendiamo una tipica valvola a saracinesca API 6A. Lo stelo ascendente deve spingere il cancello nella sede per ottenere la chiusura. Poiché la pressione differenziale attraverso la barriera può essere molto elevata, la coppia di spunto è spesso molto maggiore della coppia di funzionamento. Un attuatore dimensionato solo per la coppia di esercizio può entrare in stallo durante la corsa di apertura o non riuscire a posizionarsi completamente quando la linea è pressurizzata. Ecco perché il primo passo nella scelta dell'attuatore è conoscere il profilo di coppia della valvola, non confrontare i modelli di attuatore fianco a fianco. La geometria del sedile di Valvole a saracinesca standard API 6A gioca un ruolo importante nell'impostazione di quel profilo.

Anche l'interfaccia del sedile influisce sulla coppia. Sulle valvole a saracinesca a tenuta stagna, il contatto metallo-metallo genera una forza sufficiente per mantenere la pressione e tale forza crea attrito che l'attuatore deve superare. La stessa attenzione alle tolleranze di lavorazione vale per stelo e premistoppa. Il processo di produzione determina la precisione con cui lo stelo viene ruotato e lucidato e una superficie ruvida dello stelo aumenta la coppia che l'attuatore deve fornire. Un attuatore che sembra dimensionato correttamente sulla carta può essere sottodimensionato su una valvola che non è stata lavorata secondo lo stesso standard.

I principali tipi di attuatori per valvole di controllo

Cinque tipi di attuatori dominano il servizio delle valvole per petrolio e gas: manuale, pneumatico, idraulico, elettrico ed elettroidraulico. Ognuno ha una nicchia chiara.

Attuatori manuali

Un attuatore manuale utilizza un volantino o una leva manuale per ruotare lo stelo. È l'opzione più semplice ed economica ed è ancora presente su molte valvole di testa pozzo. L'attuazione manuale ha senso quando la valvola viene azionata raramente, quando non è disponibile alcuna fonte di alimentazione e quando la coppia operativa è sufficientemente bassa da poter essere gestita da una persona. La limitazione è la coppia. Su una valvola a saracinesca di grande diametro, il volantino può richiedere diverse centinaia di newton-metri di sforzo in ingresso, il che diventa difficile per un singolo operatore. Un cambio moltiplica la forza in ingresso, ma aumenta anche il numero di giri necessari per azionare la valvola.

Attuatori pneumatici

Un attuatore pneumatico utilizza aria compressa per muovere un diaframma o un pistone, producendo un'uscita lineare o rotativa. Le unità pneumatiche sono comuni negli impianti di processo perché l'aria dell'impianto è generalmente disponibile, la risposta è rapida e un design con ritorno a molla può fallire in apertura o chiusura. Nel settore petrolifero, tuttavia, l'aria compressa è spesso scarsa e la forza in uscita è limitata dalla pressione di alimentazione. La pressione tipica dell'aria dell'impianto è compresa tra 6 e 8 bar, quindi un cilindro pneumatico deve essere abbastanza grande per spostare una valvola a saracinesca ad alta pressione.

Attuatori idraulici

Gli attuatori idraulici generano una densità di forza molto più elevata rispetto alle unità pneumatiche. Azionando un pistone con fluido idraulico a 100 bar o più, un cilindro compatto può fornire la coppia necessaria per valvole a saracinesca di grandi dimensioni, valvole frac e valvole di strozzamento. Ecco perché l'attuazione idraulica è standard sulle teste dei pozzi sottomarini e sulle apparecchiature per fratturazione, dove lo spazio è limitato e la valvola deve muoversi contro un differenziale di pressione completo. Il compromesso è la complessità del sistema: sono necessari un gruppo idraulico, valvole di controllo direzionale e un fluido pulito con una buona filtrazione.

Attuatori elettrici

Un attuatore elettrico è costituito da un motore, un riduttore e un'interfaccia di controllo. Necessita solo di alimentazione elettrica e può fornire feedback di posizione, limitazione di coppia e controllo locale o remoto. Gli attuatori elettrici sono particolarmente adatti per il servizio automatizzato e non presidiato. Il loro punto debole è la velocità e la coppia agli estremi. Un motore convenzionale non può eguagliare la coppia istantanea di un cilindro idraulico e un arresto di emergenza che deve chiudere una valvola in pochi secondi può superare la capacità dell'attuatore.

Attuatori elettroidraulici

Un attuatore elettroidraulico combina un motore elettrico con una piccola pompa idraulica e un cilindro. Fornisce la densità di coppia della potenza idraulica richiedendo solo una fonte elettrica. Ciò lo rende una buona soluzione per le posizioni remote delle teste pozzo dove un'unità di potenza idraulica centrale non è pratica. La complessità aggiuntiva rappresenta lo svantaggio: più componenti, più potenziali punti di guasto e costi di acquisto più elevati.

Confronto tra i tipi di attuatori

La tabella seguente restringe il campo. Confermare i dettagli con il produttore della valvola prima di finalizzare una specifica.

Si noti che nessuna singola riga rappresenta una risposta definitiva. La scelta giusta dipende dalla coppia specifica della valvola, dalla velocità di corsa richiesta, dalla posizione di guasto necessaria e dalla fonte di alimentazione disponibile.

Considerazioni sugli attuatori per le valvole di testa pozzo e di fratturazione

Selezione dell'attuatore di azionamento di sicurezza e protezione dello stelo per valvole di testa pozzo e di fratturazione. Su un albero di Natale, la valvola principale e le valvole ad ala sono spesso manuali perché non vengono azionate frequentemente. Ma in un lavoro di fratturazione, la testa della fratturazione e i collettori ad alta pressione collegano la testa del pozzo a pompe che erogano da 10.000 a 20.000 psi. L'operatore deve posizionare le valvole di blocco in modo rapido e preciso. L'azionamento idraulico o elettroidraulico è la soluzione standard, perché l'equipaggio può azionare una valvola a piena pressione senza stare direttamente dietro di essa.

Per le valvole a saracinesca API 6A che devono fornire una chiusura positiva, l'attuatore deve essere adattato alla corsa del cancello. La valvola a saracinesca FC è un modello API 6A utilizzato nel servizio della testa pozzo e del collettore e può essere abbinata all'attuazione manuale, idraulica o elettrica. In caso di abbinamento ad un attuatore, l'allineamento dello stelo deve essere controllato attentamente. Un attuatore disallineato può imporre un carico laterale sullo stelo, che distorce le superfici di tenuta e produce perdite.

Valvola a saracinesca FC per servizio testa pozzo e collettore API 6A La valvola a saracinesca FC soddisfa gli standard API 6A con corpo in lega di acciaio forgiato e superfici di tenuta con rivestimento duro. Le sue prestazioni affidabili lo rendono adatto per il controllo dei fluidi di perforazione nei collettori di distruzione, strozzatura e fango. Visualizza il prodotto →

Una valvola a saracinesca espandibile utilizza un meccanismo che sposta la saracinesca prima che si espanda nella sede, creando una tenuta metallo-metallo. La fase di espansione si aggiunge alla coppia di spunto, quindi l'attuatore deve essere dimensionato per la posizione completamente espansa. Se la valvola è automatizzata, una scatola di finecorsa dovrebbe mostrare la posizione effettiva del cancello, non solo la rotazione dell'albero di uscita dell'attuatore.

Valvola a saracinesca ad espansione WKM con tenuta metallo-metallo Questa valvola a saracinesca espandibile offre una bassa coppia operativa e un design con tenuta metallica, disponibile con estremità flangiate o filettate. È adatto agli ambienti ad alta pressione e garantisce un funzionamento senza perdite. Visualizza il prodotto →

Laddove l'aria compressa non è disponibile in una testa pozzo remota, l'attuazione automatizzata necessita di energia elettrica o di una pompa idraulica. In un sito di fratturazione, il pattino della pompa include già l'energia idraulica, quindi l'attuazione idraulica è più semplice da integrare rispetto a quella pneumatica. Gli attuatori elettrici rimangono una buona soluzione per le linee di produzione in cui l'operatore desidera un controllo locale o di supervisione.

Passaggi pratici per specificare un attuatore

Questo processo in sei fasi si applica sia che si stia specificando una valvola per una nuova testa pozzo sia che si stia sostituendo un attuatore su una valvola esistente.

1. Definire la coppia della valvola alla pressione differenziale nel caso peggiore. La coppia di spunto è superiore alla coppia di funzionamento e determina la dimensione dell'attuatore.
2. Selezionare il tempo di carezza richiesto. Se la valvola deve chiudersi entro cinque secondi, ciò elimina alcuni attuatori elettrici.
3. Decidere la posizione del fallimento. Ciò determina se l'attuatore utilizza un ritorno a molla, un accumulatore o una batteria di riserva.
4. Controllare la fonte di alimentazione. È disponibile l'aria compressa o c'è solo l'elettricità? Il sito dispone di una centrale idraulica?
5. Verificare la connessione dello stelo. L'accoppiamento di uscita dell'attuatore deve adattarsi allo stelo della valvola senza carico laterale e il giogo deve essere allineato con il premistoppa.
6. Confermare la tutela dell'ambiente. Per il servizio alla testa del pozzo, l'attuatore deve essere dimensionato per la temperatura ambiente, l'umidità e il gas corrosivo.

Per il servizio di produzione a coppia inferiore, la scelta del design della valvola a saracinesca può influenzare il pacchetto dell'attuatore. Le valvole a saracinesca API 6A sono disponibili in diverse configurazioni strutturali e il design selezionato influisce sulla coppia che l'attuatore deve superare. La valvola a saracinesca FLS è un modello API 6A utilizzato nel servizio della testa pozzo e del collettore.

Valvola a saracinesca FLS con tenuta della sede posteriore e corpo forgiato La valvola a saracinesca FLS è dotata di una tenuta del corpo metallo-metallo e di una struttura della sede posteriore, che facilitano la sostituzione della baderna sotto pressione. Il suo corpo in lega di acciaio forgiato resiste alla corrosione e all'usura per un servizio di lunga durata. Visualizza il prodotto →

Considerazioni finali

Il giusto tipo di attuatore per una valvola di controllo è un compromesso tra potenza disponibile, richiesta di coppia, velocità di risposta e comportamento di sicurezza. L'azionamento manuale è pratico per servizi poco frequenti a bassa coppia; gli attuatori pneumatici ed elettrici si adattano alle condutture di produzione automatizzate; e i sistemi idraulici o elettroidraulici sono la scelta giusta per teste pozzo di grande diametro e valvole di fratturazione ad alta pressione. Iniziare con il profilo di coppia della valvola, definire la modalità di guasto, quindi abbinare l'attuatore al servizio.

Questo approccio evita i due errori più comuni: sovradimensionare l'attuatore per una valvola che non necessita mai di così tanta coppia e sottodimensionarlo per una valvola che ne ha bisogno.