坑口およびパイプライン システムの高圧油田バルブ: 設計およびアプリケーション ガイド

A 高圧油田バルブ 一般的に次の範囲の圧力でオイル、ガス、およびプロセス流体の流れを安全に制御、隔離、または方向付けるように設計されたバルブです。 2,000 psi ～ 20,000 psi 、坑口アセンブリ、クリスマスツリー、フラクツリー、チョークマニホールド、高圧パイプラインセグメントにわたって使用されます。これらのバルブは、より厚い本体壁厚、（鋳造ではなく）鍛造構造、より厳密な材料トレーサビリティ、および静的負荷条件と周期的負荷条件の両方で圧力を安全に保持できることを確認するための必須の静水圧およびガス試験によって、標準的な工業用バルブとは区別されます。

高圧サービスで使用される一般的なバルブの種類

すべての高圧用途に適合する単一のバルブ設計はありません。バルブタイプの選択は、フルボアアクセス、双方向シール、絞り機能、または迅速な 4 分の 1 回転動作のどれを優先するかによって決まります。

ゲートバルブ 貫通導管の設計により、ワイヤラインツールが障害物なく完全に開いたボアを通過できるため、坑口マスターバルブとウィングバルブの位置では依然として主要な選択肢となっており、これは通常、同じ設置面積内でボールバルブとプラグバルブが一致することができない機能要件です。

高圧油田バルブの管理規格

バルブがシステム内のどこに設置されているかに応じて、異なる基準が適用されます。つまり、坑口自体、クリスマスツリー上、または収集パイプラインや送水パイプラインの下流にあります。

用途別の主な規格

• API 6A: マスターバルブ、ウィングバルブ、アダプターなどの坑口およびクリスマスツリーの機器を管理します
• API 6D: 収集および伝送システムで使用されるパイプラインのバルブを制御します
• API 16C: 掘削および坑井制御作業中に使用される窒息および破壊装置に適用されます
• ASME B16.34: 多くのバルブ設計で参照される基本圧力温度定格を提供します
• NACE MR0175/ISO 15156: 生成された流体に H2S が存在する場合の必須の材料要件

API 6A に基づいて認定されたバルブには、1 ～ 4 の製品仕様レベル (PSL) があり、 PSL3およびPSL4 通常、高圧高温 (HPHT) 井戸および重要なサワーサービス井戸用に指定されています。これは、拡張された設計検証テスト、完全な材料認証、および PSL 1 または PSL 2 よりも厳格な非破壊検査が必要であるためです。

圧力クラスとそれが現場で何を意味するか

圧力クラスの選択は、高圧バルブを指定する際の最も重要な決定事項です。過小評価は直接的な安全上の危険をもたらしますが、過大評価は設置に不必要な重量とコストを追加します。

すべてのバルブには、次の範囲の温度クラスも指定する必要があります。 U (-75°F ～ 82°F) 北極条件に合わせて T (-18°F ～ 350°F) 高温生産用。温度クラスは、バルブの位置で実際に流れる流体の温度に一致させる必要があります。この温度は、生産井の表面周囲温度よりも大幅に高くなる可能性があります。

サワーサービスおよび HPHT 条件用の材料

バルブが H2S、CO2、または高温にさらされると、これらの条件下では標準的な炭素鋼が硫化物応力亀裂を起こしたり、機械的強度を失ったりする可能性があるため、材料の選択が重要になります。

• 材料クラス AA/BB: 非酸性サービス用の標準炭素鋼または低合金鋼
• 材料クラス DD/EE/FF: サワーサービス用の NACE 準拠の炭素鋼または耐食合金トリム
• インコネルまたは二相ステンレストリム: 高CO2または腐食性の高いHPHT井戸で使用して耐用年数を延長
• PEEK または金属シート: 温度が標準ゴムコンパウンドの使用限界を超える場合は、エラストマーシートよりも選択されます。

たとえば、次の場所で生産されている井戸です。 15,000 psi、流動温度 300°F、検出可能な H2S 通常は、 材質クラス EE、PSL 3 または 4 ゲートバルブ 一方、3,000 psi の低圧スイートガス坑口には、標準の材料クラス BB、PSL 2 バルブで十分に対応できます。

現場での導入前の要件のテスト

すべての高圧油田バルブは、認証前に定義された一連の製造テストに合格する必要があり、より高い PSL レベルでは、設計の製造が承認される前にプロトタイプでの追加の設計検証テストが必要です。

標準的な製造テスト手順

1. 車体水圧試験 定格使用圧力の1.5倍
2. 定格使用圧力での両流れ方向のシートテスト
3. バックシートまたはステムシールテストにより、ステムパッキンを越えて漏れがないことを確認します
4. フルストローク動作試験でスムーズな作動を確認
5. ガスまたは PSL 3/4 サービス向けのバルブのガス試験

PSL 3 および PSL 4 バルブは追加の検査を受けます 拡張サイクルテスト 設計が製造用に承認される前に、何年もの現場での運用をシミュレートするために、プロトタイプで数千回の開閉サイクルが行われることもあります。これは、バルブがダウンホールに設置された後にシートやシールが早期に破損するリスクを大幅に軽減するステップです。

坑口およびパイプライン システムのアプリケーション ポイント

高圧バルブは、坑口からパイプライン ネットワークに至る上流流路にわたるすべての重要な隔離および制御ポイントに設置されています。

• 坑口マスターバルブとウィングバルブ: クリスマスツリー上の主要な井戸アクセスの隔離
• フラクツリー: 坑井刺激中の高圧破砕流体の分離（多くの場合 10,000 psi を超える）
• チョークマニホールド: 集合システムに入る前に、高い坑口圧力を管理可能なレベルまで下げる
• パイプラインブロックバルブ: メンテナンスや緊急停止のため、長い送電線を区分化
• 海底の木: 海底井戸の生産を制御する遠隔操作の高圧バルブ

特にパイプラインブロックバルブは、多くの場合、次の間隔で配置されます。 20～30マイルごと これにより、オペレーターは破裂または損傷した部分を迅速に隔離し、緊急停止中に放出される製品の量を制限できます。

特定の用途に適したバルブの選択

正しいバルブの選択は、単に入手可能な最高定格のバルブを選択するだけではなく、井戸またはパイプラインの状態とバルブの定格圧力、温度、材質クラス、および PSL の一致に依存します。

選択チェックリスト

• 予想される最大使用圧力を確認し、十分な安全マージンを持った圧力クラスを選択してください
• サワー サービス分類を確認し、H2S が存在する場合は NACE 準拠の材料クラスを指定します。
• 温度クラスを表面周囲条件だけでなく実際に流れる流体の温度に一致させます
• 坑井の臨界度、規制要件、またはオペレーターの仕様に基づいて必要な PSL を決定します。
• 機能に基づいてバルブのタイプを選択します: フルボア坑口分離用のゲート、1/4 回転パイプライン分離用のボールまたはプラグ、減圧用のチョーク
• 端部の接続タイプと作動方法が相手機器および制御システムと一致していることを確認してください。

長期的な信頼性を実現するためのメンテナンス方法

高圧バルブは、シート、シール、ステムパッキンの摩耗を促進する条件下で動作するため、計画外の停止や安全上の事故を回避するには、体系化されたメンテナンス プログラムが不可欠です。

• ゲートやボールの焼き付きを防ぐために、手動操作バルブの定期的なストロークを実行します。
• ボンネットでの漏れを防ぐために、ステムパッキンを定期的に検査して交換してください
• 定期的にシート漏れテストを実施して、バルブが定格漏れクラスを満たしていることを確認します。
• 酸っぱいまたは固形物を含んだサービスでのバルブの腐食または浸食をチェックします。
• アクチュエータの機能、空気供給、遠隔操作バルブの制御信号の整合性を検証します。

ほとんどのオペレータは、重要な坑口バルブの完全な再認定を毎年スケジュールしています。 3～5年 多段階刺激操作中に高圧サイクルが繰り返されるフラクツリー バルブでは、検査間隔がより頻繁になり、単純なオン/オフ分離サービスに使用されるバルブよりもシートとシールの磨耗がはるかに速く蓄積します。