制御バルブのアクチュエータ タイプ: 石油およびガス サービスに適切なアクチュエータを選択する方法

破砕現場では、作業圧力が 15,000 psi のときに動かないバルブは作業員が最も望んでいません。アクチュエータはオペレータとバルブのシール要素の間のインターフェースであり、バルブが 3 秒以内に開くか、ハンドルを 1 分間回す必要があるかを決定します。石油およびガスサービスにおける制御バルブのアクチュエータ タイプの選択は、トルク要求、応答速度、フェールセーフ動作、坑口で利用可能な電源という 4 つの要素によって決まります。

アクチュエータの選択はバルブから始まる理由

制御バルブアクチュエータは、電源からのエネルギーをバルブの閉鎖要素を動かすために必要な機械的な動きに変換します。坑口および破砕サービスでは、その要素は通常、API 6A 定格の本体内のゲートまたはプラグです。バルブ自体は、ステムが直線的に動くか回転するか、シートシールを破るのにどのくらいのトルクが必要か、最大定格差圧でバルブがどのように動作するかなど、アクチュエータの要件を定義します。

一般的な API 6A ゲート バルブを例に挙げます。遮断するには、上昇するステムがゲートをシートに押し込む必要があります。ゲート両端の差圧が非常に高くなる可能性があるため、多くの場合、離脱トルクはランニング トルクよりもはるかに大きくなります。作動トルクのみを考慮したサイズのアクチュエータは、開ストローク中に失速したり、ラインが加圧されたときに完全に固定されない可能性があります。そのため、アクチュエータ選択の最初のステップは、アクチュエータ モデルを並べて比較することではなく、バルブのトルク プロファイルを知ることです。シートの形状は、 API 6A規格ゲートバルブ プロファイルを設定する上で大きな役割を果たします。

シートのインターフェースもトルクに影響します。ハードシールされたゲート バルブでは、金属間の接触によって圧力を保持するのに十分な力が発生し、その力によってアクチュエータが克服しなければならない摩擦が生じます。加工公差に対する同様の注意は、ステムとスタッフィング ボックスにも当てはまります。の 製造工程 ステムの回転と研磨の精度が決まり、ステムの表面が粗いと、アクチュエータが供給しなければならないトルクが増加します。紙の上では正しいサイズに見えるアクチュエータでも、同じ規格に合わせて加工されていないバルブではサイズが小さくなる場合があります。

コントロールバルブの主なアクチュエータの種類

石油およびガスバルブのサービスでは、手動、空気圧、油圧、電気、電気油圧という 5 つのアクチュエータ タイプが主流です。それぞれに明確なニッチがあります。

手動アクチュエータ

手動アクチュエータは、ハンドホイールまたはハンドレバーを使用してステムを回転します。これは最も単純で安価なオプションであり、今でも多くの坑口バルブに使用されています。手動作動は、バルブの操作頻度が低い場合、電源が利用できない場合、および操作トルクが人で扱えるほど低い場合に合理的です。限界はトルクです。大口径のゲート バルブでは、ハンドホイールに数百ニュートン メートルの入力力が必要となる場合があり、これは 1 人のオペレーターでは困難になります。ギアボックスは入力力を増大させますが、バルブをストロークさせるのに必要な回転数も増加します。

空気圧アクチュエータ

空気圧アクチュエータは、圧縮空気を使用してダイヤフラムまたはピストンを動かし、線形または回転出力を生成します。プロセスプラントでは空気圧ユニットが一般的です。その理由は、プラントの空気が通常利用可能であり、応答が速く、スプリングリターン設計でフェールオープンまたはフェールクローズが可能であるためです。しかし、油田では圧縮空気が不足していることが多く、出力は供給圧力によって制限されます。一般的なプラントの空気は 6 ～ 8 bar であるため、高圧ゲート バルブを動かすには空気圧シリンダーが非常に大きくなければなりません。

油圧アクチュエータ

油圧アクチュエータは、空圧ユニットよりもはるかに高い力密度を生成します。 100 bar 以上の作動油でピストンを駆動することにより、コンパクトなシリンダが大型のゲート バルブ、フラック バルブ、チョーク バルブに必要なトルクを供給できます。そのため、スペースが限られており、バルブが完全な差圧に抗して動かなければならない海底坑井やフラク設備では油圧作動が標準となっています。トレードオフはシステムの複雑さです。油圧パワーユニット、方向制御バルブ、ろ過能力の高いきれいな流体が必要です。

電動アクチュエーター

電動アクチュエーターは、モーター、ギアボックス、制御インターフェースで構成されます。必要なのは電源のみで、位置フィードバック、トルク制限、ローカルまたはリモート制御を提供できます。電動アクチュエータは、自動化された無人サービスに最適です。彼らの弱点は、極端なスピードとトルクです。従来のモーターは油圧シリンダーの瞬間トルクに匹敵することができず、数秒以内にバルブを閉じなければならない緊急停止がアクチュエーターの能力を超える可能性があります。

電気油圧アクチュエータ

電気油圧アクチュエータは、電気モーターと小型油圧ポンプおよびシリンダーを組み合わせたものです。電源のみを必要としながら、油圧の力によるトルク密度を実現します。これにより、中央の水力発電ユニットが実用的ではない遠隔地にある坑口の場所に適したソリューションとなります。複雑さが増すと、コンポーネントが増え、潜在的な障害点が増え、購入コストが高くなるという欠点があります。

アクチュエータの種類の比較

以下の表でフィールドを絞り込みます。仕様を確定する前にバルブメーカーにご確認ください。

単一の行が最終的な答えを表すものではないことに注意してください。正しい選択は、特定のバルブ トルク、必要なストローク速度、必要な故障位置、および利用可能な電源によって異なります。

坑口および破砕バルブに関するアクチュエータの考慮事項

安全性とステム保護により、坑口および破砕バルブ用のアクチュエータの選択が促進されます。クリスマス ツリーでは、マスター バルブとウィング バルブは頻繁に使用されないため、手動で使用されることがよくあります。しかし、フラクショナル作業では、フラクヘッドと高圧マニホールドが坑口を 10,000 ～ 20,000 psi の圧力を供給するポンプに接続します。オペレータはブロックバルブを迅速かつ確実に位置決めする必要があります。油圧または電気油圧による作動は、乗組員がバルブの真後ろに立つことなく全圧下でバルブを循環させることができるため、標準的なソリューションです。

確実な遮断を提供する必要がある API 6A ゲート バルブの場合、アクチュエーターはゲートのストロークに適合する必要があります。 FC ゲート バルブは、坑口およびマニホールドのサービスで使用される API 6A 設計の 1 つで、手動、油圧、または電気の作動と組み合わせることができます。アクチュエータと組み合わせる場合は、ステムのアライメントを注意深く確認する必要があります。アクチュエータの位置がずれていると、ステムに側面荷重がかかり、シール表面が歪み、漏れが発生する可能性があります。

API 6A ウェルヘッドおよびマニホールド サービス用 FC ゲート バルブ FC ゲート バルブは、鍛造合金鋼ボディと硬化処理されたシール表面を備え、API 6A 規格を満たしています。その信頼性の高い性能により、キル、チョーク、マッドマニホールドの掘削流体制御に適しています。 製品を見る→

エキスパンド ゲート バルブでは、ゲートがシート内に拡張する前にゲートを移動し、金属間のシールを形成する機構が使用されています。拡張ステップにより離脱トルクが増加するため、アクチュエータは完全に拡張した位置に合わせたサイズにする必要があります。バルブが自動化されている場合、リミット スイッチ ボックスは、アクチュエータの出力シャフトの回転だけでなく、ゲートの実際の位置を表示する必要があります。

WKM 金属間シール付き拡張ゲート バルブ この拡張ゲート バルブは、低い操作トルクと金属シール設計を備えており、フランジ付きまたはネジ付きの端が利用可能です。高圧環境に適しており、漏れのない動作を保証します。 製品を見る→

遠隔の坑井で圧縮空気が利用できない場合、自動作動には電力または油圧ポンプが必要です。 Frac サイトでは、ポンプ スキッドにすでに油圧動力が含まれているため、油圧作動の方が空気圧よりも簡単に統合できます。電動アクチュエータは、オペレータがローカルまたは監視制御を必要とする生産ラインに引き続き最適です。

アクチュエータを指定するための実際的な手順

この 6 段階のプロセスは、新しい坑口のバルブを指定する場合でも、既存のバルブのアクチュエーターを交換する場合でも適用されます。

1. 最悪の差圧におけるバルブトルクを定義します。 離脱トルクはランニングトルクよりも高く、アクチュエータのサイズを決定します。
2. 必要なストローク時間を選択します。 バルブを 5 秒以内に閉じる必要がある場合は、一部の電動アクチュエーターが不要になります。
3. 故障箇所を決めます。 これにより、アクチュエータがスプリング リターン、アキュムレータ、またはバッテリ バックアップのいずれを使用するかが決まります。
4. 電源を確認してください。 圧縮空気は利用できますか、それとも電気しかありませんか?現場に水力発電装置はありますか?
5. ステムの接続を確認します。 アクチュエータの出力カップリングは、横荷重なしでバルブ ステムに適合する必要があり、ヨークはスタッフィング ボックスと位置合わせする必要があります。
6. 環境保護を確認します。 坑口のサービスの場合、アクチュエータは周囲温度、湿気、腐食性ガスに対して定格が定められている必要があります。

低トルクの生産サービスでは、ゲート バルブの設計の選択がアクチュエータ パッケージに影響を与える可能性があります。 API 6A ゲート バルブはいくつかの構造構成で利用でき、選択された設計はアクチュエーターが克服しなければならないトルクに影響します。 FLS ゲート バルブは、坑口およびマニホールドのサービスに使用される API 6A 設計です。

後部シートシールと鍛造ボディを備えた FLS ゲートバルブ FLS ゲート バルブは、金属対金属のボディ シールとリア シート構造を備えており、圧力下でのパッキン交換が容易です。鍛造合金鋼ボディは腐食や摩耗に強く、長期間使用できます。 製品を見る→

最終的な考慮事項

制御バルブに適したアクチュエータのタイプは、利用可能な出力、トルク要求、応答速度、およびフェールセーフ動作の間の妥協点によって決まります。手動作動は、頻度の少ない低トルクのサービスには実用的です。空気圧および電動アクチュエータは自動化された生産パイプラインに適合します。油圧または電気油圧システムは、高圧、大口径の坑口および破砕バルブに最適です。バルブのトルク プロファイルから開始し、故障モードを定義してから、アクチュエータをサービスに合わせます。

このアプローチにより、2 つの最も一般的な間違いが回避されます。1 つは、それほど多くのトルクを必要としないバルブに対してアクチュエータのサイズを大きくし、必要なバルブに対してはサイズを小さくすることです。