Van cổng là gì? Hướng dẫn đầy đủ dành cho chuyên gia khai thác dầu

A van cổng là một thiết bị cách ly chuyển động tuyến tính điều khiển dòng chảy bằng cách nâng hoặc hạ một cổng phẳng hoặc hình nêm vuông góc với lỗ đường ống - và trong khai thác dầu, nó vẫn là loại van chiếm ưu thế để cách ly đường chính áp suất cao, đường kính lớn, nơi yêu cầu dòng chảy đầy đủ, không bị cản trở và không cần hoạt động thường xuyên. cáco Báo cáo thị trường van toàn cầu năm 2023 (MarketsandMarkets) , van cổng chiếm khoảng 28% tổng số van được bán cho lĩnh vực thượng nguồn dầu khí tính theo đơn vị khối lượng , chỉ đứng sau van bi, với phân khúc này trị giá hơn 2,1 tỷ USD hàng năm. Hiểu chính xác van cổng là gì, nó hoạt động như thế nào và vị trí của nó trong hệ thống mỏ dầu là kiến ​​thức cơ bản cho mọi kỹ sư khoan, giám sát sản xuất và chuyên gia thu mua.

Van cổng là gì và nó hoạt động như thế nào?

A van cổng hoạt động bằng cách di chuyển một cổng - một đĩa phẳng hoặc một cái nêm côn - vuông góc với hướng dòng chảy, hoặc rút hoàn toàn vào khoang nắp ca-pô (mở hoàn toàn) hoặc chặn hoàn toàn lỗ khoan (đóng hoàn toàn). Không giống như van bi quay 90 độ, van cổng yêu cầu tay quay hoặc thân bộ truyền động quay hoàn toàn nhiều lần để di chuyển giữa các vị trí mở và đóng, đó là lý do tại sao nó được phân loại là van bi. van nhiều chiều . Ở vị trí mở hoàn toàn, cổng rút hoàn toàn vào nắp ca-pô phía trên đường dẫn dòng chảy, để lại một lối đi thông suốt, không bị cản trở với mức giảm áp suất gần như bằng không - một lợi thế quan trọng trong các đường ống dẫn dầu thô lưu lượng cao mà ngay cả một hạn chế nhỏ cũng có thể gây ra tổn thất sản xuất có thể đo lường được.

Các thành phần cốt lõi của một mỏ dầu van cổng là:

• Thân van: Lớp vỏ chịu áp lực, thường được rèn từ thép carbon (ASTM A105), thép hợp kim (ASTM A182 F22) hoặc thép không gỉ. Phần thân chứa các cổng dòng chảy và chỗ ngồi, đồng thời mang định mức áp suất đường ống đầy đủ - lên tới 20.000 psi trong dịch vụ đầu giếng HPHT khắc nghiệt.
• Cổng (Đĩa): Phần tử đóng trượt. Cổng nêm rắn, cổng nêm linh hoạt, cổng nêm chia đôi và cổng tấm song song là bốn biến thể chính được sử dụng trong dịch vụ dầu khí, mỗi biến thể có đặc tính bịt kín và khả năng chống liên kết nhiệt khác nhau.
• Chỗ ngồi: Hai bề mặt ngồi bên trong thân máy mà cổng bịt kín khi đóng lại. Trong dịch vụ mỏ dầu, các ghế được gắn liền (được gia công từ thân máy), được chèn vào (các vòng có thể thay thế được) hoặc được gia công cứng bằng Stellite hoặc cacbua vonfram để chống xói mòn từ dầu thô chứa đầy cát.
• Thân cây: Truyền mômen quay từ tay quay hoặc bộ truyền động sang chuyển động tuyến tính của cổng. Thiết kế thân tăng chỉ ra vị trí van một cách trực quan (thân nâng lên khi mở); thiết kế không có thân tăng giữ cho thân được bao kín hoàn toàn - được ưu tiên khi khoảng trống chiều cao bị hạn chế trên các nền tảng ngoài khơi.
• Nắp ca-pô: Phần đóng phía trên giúp bịt kín khoang cơ thể và dẫn hướng cho thân cây. Mũ có chốt là tiêu chuẩn cho hầu hết các dịch vụ ở mỏ dầu; nắp ca-pô bịt kín áp suất được sử dụng trên 900# (ASME Class 900) trong đó nguy cơ rò rỉ nắp ca-pô là cao nhất.
• Đóng gói và tuyến: Hệ thống niêm phong thân cây ngăn ngừa rò rỉ bên ngoài. Trong dịch vụ xử lý khí chua H2S, vật liệu đóng gói và thiết kế nắp phải tuân theo NACE MR0175 / ISO 15156 để ngăn chặn hiện tượng nứt do ứng suất sunfua và giải phóng H2S độc hại.

Các loại van cổng được sử dụng trong khai thác dầu

Có năm hiệu trưởng van cổng các thiết kế được triển khai trên các hoạt động khai thác dầu thượng nguồn, mỗi thiết kế được thiết kế để giải quyết sự kết hợp cụ thể giữa áp suất, nhiệt độ, loại chất lỏng và tần suất đạp xe.

1. Van cổng nêm rắn

Nêm rắn là loại đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi nhất van cổng thiết kế trong dịch vụ mỏ dầu. Cửa cổng dạng côn liền khối tựa vào hai mặt tựa góc cạnh trong thân, mang lại khả năng bịt kín đáng tin cậy trong phạm vi áp suất và nhiệt độ rộng. Thiết kế nêm rắn là tiêu chuẩn cho dịch vụ dầu thô không ăn mòn lên đến ASME Class 2500 (khoảng 6.250 psi ở 100°F). Hạn chế của chúng là dễ bị liên kết nhiệt - khi làm việc ở nhiệt độ cao, sự giãn nở nhiệt chênh lệch giữa cổng và thân có thể khóa cổng vào ghế, khiến van không thể mở được. Đây là lý do tại sao van nêm đặc hiếm khi được chỉ định cho dịch vụ phun hơi nước hoặc nhiệt độ cao (trên 500°F).

2. Van cổng nêm linh hoạt

Nêm linh hoạt có một rãnh chu vi được cắt vào cổng cho phép hai mặt ghế uốn cong độc lập, bù đắp cho sự sai lệch nhỏ của ghế và giảm liên kết nhiệt. Nêm linh hoạt van cổngs là thiết kế được ưu tiên cho dây chuyền phun EOR (tăng cường thu hồi dầu) bằng hơi nước và nhiệt nơi nhiệt độ có thể vượt quá 650°F (343°C). Theo ASME B16.34 (2021) , thiết kế nêm linh hoạt đạt được khả năng bịt kín chặt chẽ hơn khi làm việc ở nhiệt độ cao so với nêm đặc trong khi vẫn duy trì mức áp suất tương đương.

3. Van cổng song song (Van cổng mở rộng)

Tấm song song van cổngs sử dụng hai đoạn cổng song song - một tấm và một miếng đệm - trải ra một cách cơ học ở vị trí đóng để gắn đồng thời cả hai ghế, mang lại tác động bịt kín hai khối. Thiết kế này là sự lựa chọn chủ yếu cho dịch vụ đầu giếng và cây thông Khôngel theo API 6A, vì nó loại bỏ hoàn toàn vấn đề liên kết nhiệt (cổng không tì vào ghế), cho phép các ống dẫn ống đi qua lỗ khoan có mặt phẳng và đạt được khả năng bịt kín kim loại với kim loại không bị rò rỉ ở áp suất lên tới 20.000 psi. Van cổng mở rộng là thông số kỹ thuật cao nhất van cổng trong ngành dầu khí.

4. Van cổng dao

Van cổng dao sử dụng một cổng mỏng, có cạnh sắc để cắt qua chất lỏng nhớt hoặc dạng bùn để đóng lại. Trong các ứng dụng mỏ dầu, dao van cổngs được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước sản xuất, xử lý bùn khoan và các đường dẫn bùn cắt nơi các cổng nêm thông thường sẽ bị bịt kín do sự tích tụ chất rắn trong khoang cơ thể. Chúng không phù hợp với dịch vụ áp suất cao - áp suất định mức tối đa thường là 150 psi đến 300 psi - nhưng có hiệu quả cao trong việc xử lý chất lỏng có hàm lượng chất rắn cao, áp suất thấp.

5. Van cổng xuyên ống dẫn

Xuyên ống dẫn van cổngs có lỗ khoan hoàn toàn ở chính cổng, để khi van mở, đường dẫn dòng chảy đi qua cổng chứ không phải phía trên nó. Điều này giúp loại bỏ các túi trong khoang cơ thể nơi chất rắn, sáp hoặc hydrat có thể tích tụ trong các thiết kế cổng thông thường. Thiết kế xuyên ống dẫn được quy định rộng rãi cho đường ống xuất khẩu dầu thô và các ứng dụng tiếp nhận lợn trong đó độ sạch bên trong và khả năng sinh sản là bắt buộc. Chúng cũng được sử dụng trong các trạm cách ly đường ống chôn trên bờ, nơi việc thoát nước khoang van là không thực tế.

Van cổng, Van bi và Van cầu: Cái nào phù hợp để khai thác dầu?

Chọn sai loại van cho ứng dụng mỏ dầu là một trong những lỗi mua sắm phổ biến và tốn kém nhất - van cổng được chỉ định ở nơi cần có van bi có thể có nghĩa là phản ứng ESD không thành công, trong khi van bi được chỉ định ở nơi có van cổng sẽ làm tăng thêm chi phí không cần thiết. Bảng bên dưới cung cấp so sánh kỹ thuật trực tiếp dựa trên các yêu cầu dịch vụ API 6D, API 6A và ASME B16.34:

Bảng 1: So sánh kỹ thuật van cổng, van bi, van cầu dùng cho dịch vụ khai thác dầu. Dữ liệu dựa trên thông số kỹ thuật API 6A, API 6D và ASME B16.34.

Vị trí van cổng được sử dụng trong chuỗi giá trị khai thác dầu

Van cổng xuất hiện tại các vị trí cụ thể, được xác định rõ ràng trong mọi hệ thống sản xuất dầu thượng nguồn - được chọn không phải vì chúng vượt trội về mặt tổng thể mà vì sự kết hợp giữa dòng chảy đầy lỗ khoan, khả năng áp suất cao và hoạt động tần số thấp phù hợp với yêu cầu cách ly đường chính và dịch vụ van chính đầu giếng tốt hơn bất kỳ loại van nào khác.

Van chính đầu giếng (Bề mặt và dưới biển)

Van chính đầu giếng - van cách ly chính giữa bể chứa và hệ thống sản xuất bề mặt - có trong hầu hết các cụm đầu giếng được xếp hạng API 6A. mở rộng van cổng song song (còn gọi là van cổng dạng tấm). Thiết kế này mang đến khả năng bịt kín kim loại với kim loại không rò rỉ ở áp suất lên tới 20.000 psi, xử lý cát và cặn mà không làm tắc khoang van (cấu hình xuyên ống dẫn) và duy trì độ kín kín ngay cả sau thời gian dài không hoạt động - một yêu cầu quan trọng đối với các van chính được vận hành không thường xuyên. Theo Đặc tả API 6A (Phiên bản thứ 21, 2018) , tất cả các van cổng đầu giếng phải vượt qua bài kiểm tra vỏ thủy tĩnh ở mức 1,5 lần áp suất làm việc định mức và bài kiểm tra chỗ ngồi ở áp suất làm việc định mức với độ rò rỉ bằng 0.

Đường ống dầu thô và đường ống xuất khẩu cách ly

Trên các đường ống dẫn dầu thô có đường kính lớn (đường kính danh nghĩa từ 12 inch đến 48 inch), van cổngs là sự lựa chọn kinh tế cho các trạm van chặn đường chính, cách ly bẫy lợn và các vị trí chặn khẩn cấp. Ở những kích thước lớn này, van bi có lỗ khoan gắn trên trục có thể đắt gấp 3–5 lần so với van cổng API 6D tương đương. Vì van chặn đường chính hoạt động không thường xuyên - thường ít hơn 12 lần mỗi năm - lợi thế về tốc độ của van bi là không liên quan, khiến van cổng trở thành lựa chọn tối ưu về chi phí. Theo báo cáo, van cổng thông ống dẫn 6D Class 600 API 24 inch tại một trạm cách ly thông thường có chi phí vốn thấp hơn khoảng 40% so với van bi toàn thân tương đương. dữ liệu điểm chuẩn mua sắm trong ngành do Tạp chí Đường ống và Khí đốt công bố (2022) .

Hoạt động khoan và hoàn thiện giếng

Van cổng là một phần không thể thiếu của hệ thống ngăn chặn xả khí (BOP) và hệ thống cách ly giếng trong quá trình khoan. các van cổng ống khoan trên ngăn xếp BOP phải xử lý chất lỏng tiêu diệt tốt, bùn xi măng và các cú đá khí áp suất cao - tất cả trong một van duy nhất. Van cổng được xếp hạng API 16A trên đường dây sặc và khử BOP phải chịu được áp suất lên tới 20.000 psi và hoạt động đáng tin cậy trong các điều kiện dòng chảy khắt khe nhất gặp phải ở bất kỳ đâu trong mỏ dầu. Tương tự như vậy, trong quá trình hoàn thiện giếng, van cổngs trên chuỗi hoàn chỉnh cách ly đa dạng điều khiển vòng tuần hoàn chất lỏng và cân bằng cây Giáng sinh.

Phun nước và tăng cường thu hồi dầu (EOR)

Hệ thống phun nước duy trì áp suất hồ chứa hoặc thực hiện EOR lũ nước sử dụng số lượng lớn van cổngs trên các đầu phun và đa tạp phân phối. Áp suất phun thường dao động từ 1.000 đến 5.000 psi và tốc độ dòng chảy có thể vượt quá 100.000 thùng mỗi ngày (bpd) trên mỗi trạm phun, đòi hỏi các van có lỗ khoan lớn nơi tính kinh tế của van cổng rất hấp dẫn. Đối với EOR nhiệt phun bằng hơi nước (được sử dụng trong sản xuất dầu nặng ở các mỏ như cát dầu Canada), nêm linh hoạt van cổngs trong thép không gỉ hoặc thép hợp kim ASME Class 900 hoặc Class 1500 được chỉ định để xử lý hơi nước ở nhiệt độ lên tới 650°F (343°C) và áp suất lên tới 2.500 psi.

Xử lý và xử lý nước sản xuất

Nước sản xuất - nước mặn được sản xuất cùng với dầu thô - phải được tách ra, xử lý và bơm lại hoặc thải bỏ. Ở mỗi giai đoạn xử lý nước sản xuất, van cổngs (thường là thiết kế cổng dao cho hàm lượng chất rắn cao) cách ly các bộ lọc, bộ lọc và bơm phun. Tính ăn mòn của nước được sản xuất (clorua cao, thường chứa CO2 và H2S) đòi hỏi thân van cổng bằng thép không gỉ song công (UNS S31803) hoặc siêu song công (UNS S32750) để ngăn ngừa rỗ và ăn mòn kẽ hở có thể gây ra hư hỏng sớm cho thép cacbon.

Các tiêu chuẩn chính về van cổng điều chỉnh trong khai thác dầu

Mỗi van cổng được sử dụng trong sản xuất dầu thượng nguồn phải tuân thủ ít nhất một tiêu chuẩn bắt buộc của ngành — và các van không tuân thủ sẽ bị loại bỏ khi kiểm tra trước khi lắp đặt, tạo ra sự chậm trễ tốn kém và thời gian thực hiện mua lại từ 8–20 tuần đối với các mặt hàng có lỗ khoan lớn, áp suất cao.

Bảng 2: Các tiêu chuẩn công nghiệp cơ bản áp dụng cho van cổng trong khai thác dầu, cùng với cơ quan ban hành, phạm vi và các yêu cầu tuân thủ chính. Nguồn: API, ASME, NACE International, ISO.

Lựa chọn vật liệu cho Van cổng trong môi trường mỏ dầu

Lựa chọn vật liệu chính xác cho một van cổng trong khai thác dầu ngăn ngừa ba trong số các kiểu hư hỏng phổ biến nhất - nứt do ứng suất sunfua (SSC) trong dịch vụ H2S, rỗ clorua trong dịch vụ nước sản xuất và hỏng rão khi phun EOR ở nhiệt độ cao. Chọn sai hợp kim có thể dẫn đến hỏng van nghiêm trọng trong vòng vài tuần sau khi lắp đặt.

• Thép cacbon (ASTM A216 WCB/A105N): Tiêu chuẩn cho dịch vụ dầu thô ngọt (H2S dưới 0,05 psia áp suất riêng phần) ở nhiệt độ từ -20°F đến 800°F. Cần phải xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) và kiểm soát độ cứng dưới 22 HRC cho mỗi NACE MR0175 ngay cả trong dịch vụ ngọt ngào trên danh nghĩa để đề phòng tiếp xúc với H2S thoáng qua.
• Thép cacbon nhiệt độ thấp (ASTM A352 LCB/LCC): Bắt buộc đối với các ứng dụng ngoài khơi ở vùng nước sâu và trên bờ ở Bắc Cực, nơi nhiệt độ thiết kế giảm xuống -50°F (-46°C). Thử nghiệm tác động Charpy ở nhiệt độ thiết kế tối thiểu là bắt buộc theo ASME B16.34 và API 6D.
• Thép hợp kim (ASTM A182 F11/F22/F91): Cần thiết cho dịch vụ ở nhiệt độ cao trên 750°F (399°C) trong giếng EOR ngập hơi và đầu phun hơi áp suất cao. F91 (9Cr-1Mo-V) cung cấp khả năng chống rão vượt trội khi làm việc ở nhiệt độ lên tới 1.100°F (593°C) và là vật liệu được lựa chọn để phun hơi nước siêu tới hạn.
• Thép không gỉ 316/316L: Thích hợp cho dịch vụ phun nước biển và nước sản xuất ở nhiệt độ dưới 140°F (60°C). Trên nhiệt độ này, vết nứt do ăn mòn ứng suất do clorua gây ra (Cl-SCC) trở thành rủi ro và cần phải có các loại song công.
• Thép không gỉ song công (UNS S31803/2205): Vật liệu tiêu chuẩn cho nước sản xuất, phun nước biển và dịch vụ có tính axit nhẹ (áp suất riêng phần H2S dưới 1 psia). Cung cấp khoảng gấp đôi cường độ năng suất của 316 SS và Số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) trên 32, cho phép khả năng chống rỗ clorua ở nhiệt độ lên tới 150 ° F (65 ° C).
• Thép không gỉ siêu kép (UNS S32750/2507): Được chỉ định cho dịch vụ cung cấp nước có hàm lượng clorua cao và khí chua mạnh. PREN trên 40 đảm bảo khả năng chống rỗ trong nước biển ở nhiệt độ lên tới 185°F (85°C). mỗi NACE MR0175 Phần 3 , siêu song công có thể được chấp nhận trong dịch vụ chua khi được ủ trong dung dịch và làm cứng bằng dung dịch để đạt được cấu trúc vi mô và độ cứng chính xác (tối đa 310 HV10).
• Inconel 625/718 (UNS N06625/N07718): Dành riêng cho dịch vụ khắc nghiệt nhất — áp suất riêng phần H2S cao (trên 100 psia), áp suất riêng phần CO2 cao (trên 30 psia) và nhiệt độ cao. Được sử dụng chủ yếu cho thân van cổng, mặt tựa và phần trang trí bên trong trong giếng HPHT, nơi thép cacbon và hợp kim thép không gỉ đều dễ bị ăn mòn. Các bộ phận bên trong van cổng Inconel 625 có thể kéo dài khoảng thời gian bảo trì từ 2 năm đến hơn 10 năm trong điều kiện khắc nghiệt, giúp tiết kiệm chi phí vòng đời đáng kể mặc dù chi phí vật liệu ban đầu cao hơn.

Các dạng hư hỏng phổ biến của Van cổng trong sản xuất dầu

Hiểu biết van cổng cơ chế hỏng hóc cho phép các nhóm bảo trì thực hiện các chương trình kiểm tra có mục tiêu và kéo dài tuổi thọ của van - giảm tần suất ngừng hoạt động ngoài kế hoạch khiến người vận hành thượng nguồn tốn kém ước tính Sản lượng bị mất 38 tỷ USD trên toàn cầu mỗi năm (Wood Mackenzie, 2022) .

• Xói mòn chỗ ngồi từ cát và chất rắn: Dầu thô chứa đầy cát ở vận tốc trên 10 ft/giây dần dần ăn mòn các mặt tựa của cổng, đặc biệt ở các vị trí mở một phần. Ghế bằng cacbua vonfram hoặc Stellite có mặt cứng giúp tăng khả năng chống xói mòn lên 5–8 lần so với ghế mềm hoặc không cứng. Tất cả van cổngs trong các giếng sản xuất cát phải được vận hành ở trạng thái mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn - không bao giờ bị nứt mở một phần.
• Rò rỉ bao bì gốc: Rò rỉ thân bên ngoài là vấn đề bảo trì phổ biến nhất trên bề mặt van cổngs , chiếm khoảng 35–40% tổng số đơn đặt hàng bảo trì van tại các cơ sở sản xuất (Nguồn: Hướng dẫn Thực hành Tốt về Quản lý Van của Viện Năng lượng, 2021 ). Lớp đệm than chì duy trì độ kín lâu hơn PTFE khi làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng yêu cầu phải điều chỉnh bộ đệm đệm cẩn thận để tránh bị nén quá mức và kẹt thân.
• Liên kết nhiệt (Thiết kế nêm rắn): Phun hơi nước và bảo trì ở nhiệt độ cao có thể khiến nêm đặc khóa vào ghế khi làm mát, cần kích thủy lực hoặc sử dụng nhiệt để giải phóng cổng. Lỗi này có thể vô hiệu hóa van chính đầu giếng, có khả năng phải ngừng sản xuất để khắc phục. Giải pháp là chỉ định các thiết kế cổng dạng tấm nêm hoặc tấm mở rộng linh hoạt trong bất kỳ dịch vụ nào có nhiệt độ trên 300°F (149°C).
• Thiệt hại do Cavitation và Rung động: Van cổng 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.
• Cracking ứng suất sunfua (SSC) trong dịch vụ chua: Thân van cổng và bu lông được làm từ thép cường độ cao có độ cứng trên 22 HRC dễ bị SSC khi có H2S hòa tan - vết nứt có thể xảy ra trong vòng vài giờ sau lần tiếp xúc đầu tiên. Điều này được giải quyết bằng việc tuân thủ nguyên liệu NACE MR0175 ở giai đoạn mua sắm. Việc thay thế bu-lông cường độ cao không tuân thủ quy định để giảm chi phí là nguyên nhân sâu xa được ghi nhận gây ra sự cố nghiêm trọng về van cổng ở các khu vực có khí chua.
• Động kinh do không hoạt động: Van cổng 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 Chương trình bảo trì được đề xuất API 6A ngăn chặn tình trạng co giật và xác nhận khả năng hoạt động trước khi xảy ra trường hợp khẩn cấp.

Tùy chọn bộ truyền động cho van cổng tự động trong sản xuất dầu

Trong khi hầu hết van cổngs trong dịch vụ mỏ dầu được vận hành thủ công, cần phải vận hành từ xa và tự động tại các địa điểm giếng không người lái, lắp đặt dưới biển và các điểm cách ly quan trọng về an toàn. Bảng dưới đây so sánh các tùy chọn thiết bị truyền động cho van cổng trong dịch vụ xăng dầu thượng nguồn:

Bảng 3: So sánh các loại thiết bị truyền động cho van cổng tự động trong khai thác dầu, bao gồm tốc độ truyền động, khả năng an toàn và ứng dụng được khuyến nghị.

Câu hỏi thường gặp về van cổng trong khai thác dầu