제어 밸브용 액추에이터 유형: 석유 및 가스 서비스에 적합한 액추에이터를 선택하는 방법

파쇄 현장에서 승무원이 가장 원하지 않는 것은 처리 압력이 15,000psi일 때 움직이지 않는 밸브입니다. 액추에이터는 작동자와 밸브의 밀봉 요소 사이의 인터페이스이며, 밸브가 3초 안에 열리는지 아니면 1분 동안 핸드휠을 돌려야 하는지 결정합니다. 석유 및 가스 서비스의 제어 밸브에 대한 액추에이터 유형 선택은 토크 요구, 응답 속도, 안전 장치 동작 및 유정에서 사용 가능한 전원의 4가지 요소에 따라 결정됩니다.

액추에이터 선택이 밸브에서 시작되는 이유

제어 밸브 액추에이터는 전원의 에너지를 밸브의 폐쇄 요소를 이동하는 데 필요한 기계적 동작으로 변환합니다. 유정 및 파쇄 서비스에서 해당 요소는 일반적으로 API 6A 등급 본체 내부의 게이트 또는 플러그입니다. 밸브 자체는 스템이 선형으로 움직이는지 아니면 회전하는지, 시트 씰을 깨는데 필요한 토크의 양, 최대 정격 차압에서 밸브가 작동하는 방식 등 액추에이터 요구 사항을 정의합니다.

일반적인 API 6A 게이트 밸브를 사용하십시오. 차단을 위해서는 상승 스템이 게이트를 시트 안으로 밀어 넣어야 합니다. 게이트 전체의 차압이 매우 높을 수 있기 때문에 이탈 토크는 실행 토크보다 훨씬 더 큰 경우가 많습니다. 작동 토크 전용 크기의 액추에이터는 개방 스트로크 중에 정지하거나 라인에 압력이 가해질 때 완전히 장착되지 않을 수 있습니다. 그렇기 때문에 액추에이터 선택의 첫 번째 단계는 액추에이터 모델을 나란히 비교하는 것이 아니라 밸브의 토크 프로필을 아는 것입니다. 좌석 기하학 API 6A 표준 게이트 밸브 프로필을 설정하는 데 큰 역할을 합니다.

시트 인터페이스도 토크에 영향을 미칩니다. 단단히 밀봉된 게이트 밸브에서 금속 간 접촉은 압력을 유지하기에 충분한 힘을 생성하며, 이 힘은 액추에이터가 극복해야 하는 마찰을 생성합니다. 가공 공차에 대한 동일한 관심이 스템과 스터핑 박스에도 적용됩니다. 는 제조 공정 스템이 얼마나 정확하게 회전되고 연마되는지를 결정하며, 스템 표면이 거칠면 액추에이터가 제공해야 하는 토크가 증가합니다. 종이에 올바른 크기로 보이는 액추에이터가 동일한 표준으로 가공되지 않은 밸브에서는 크기가 작을 수 있습니다.

제어 밸브의 메인 액츄에이터 유형

오일 및 가스 밸브 서비스에는 수동, 공압, 유압, 전기, 전기 유압 등 5가지 액추에이터 유형이 주로 사용됩니다. 각각은 명확한 틈새 시장을 가지고 있습니다.

수동 액추에이터

수동 액추에이터는 핸드휠이나 핸드 레버를 사용하여 스템을 회전시킵니다. 이는 가장 간단하고 저렴한 옵션이며 여전히 많은 웰헤드 밸브에 나타납니다. 수동 작동은 밸브가 자주 작동하지 않을 때, 전원을 사용할 수 없을 때, 작동 토크가 사람이 다룰 수 있을 만큼 낮을 때 의미가 있습니다. 한계는 토크입니다. 대구경 게이트 밸브의 경우 핸드휠에는 수백 뉴턴 미터의 입력 노력이 필요할 수 있으며 이는 단일 작업자에게는 어려워집니다. 기어박스는 입력 힘을 배가시키지만 밸브를 스트로크하는 데 필요한 회전 수도 증가합니다.

공압식 액츄에이터

공압식 액추에이터는 압축 공기를 사용하여 다이어프램이나 피스톤을 움직여 선형 또는 회전 출력을 생성합니다. 공압 장치는 일반적으로 공장 공기를 사용할 수 있고, 반응이 빠르며, 스프링 리턴 설계가 실패 시 열림 또는 실패 시 닫힐 수 있기 때문에 공정 플랜트에서 일반적입니다. 그러나 유전에서는 압축 공기가 부족한 경우가 많으며 출력 힘은 공급 압력에 의해 제한됩니다. 일반적인 공장 공기는 6~8bar이므로 고압 게이트 밸브를 움직이려면 공압 실린더가 상당히 커야 합니다.

유압 액츄에이터

유압 액츄에이터는 공압 장치보다 훨씬 더 높은 힘 밀도를 생성합니다. 100bar 이상의 유압유로 피스톤을 구동함으로써 소형 실린더는 대형 게이트 밸브, 프랙 밸브 및 초크 밸브에 필요한 토크를 전달할 수 있습니다. 이것이 바로 공간이 제한되어 있고 밸브가 최대 압력 차에 맞서 움직여야 하는 해저 유정 및 파쇄 장비에 유압 작동이 표준인 이유입니다. 그 대신 시스템 복잡성이 필요합니다. 유압 동력 장치, 방향 제어 밸브, 여과 성능이 뛰어난 깨끗한 유체가 필요합니다.

전동 액추에이터

전동 액추에이터는 모터, 기어박스, 제어 인터페이스로 구성됩니다. 전기 공급만 필요하며 위치 피드백, 토크 제한, 로컬 또는 원격 제어를 제공할 수 있습니다. 전동 액추에이터는 자동화된 무인 서비스에 매우 적합합니다. 그들의 약점은 극단적인 속도와 토크입니다. 기존 모터는 유압 실린더의 순간 토크와 일치할 수 없으며 몇 초 내에 밸브를 닫아야 하는 비상 정지는 액추에이터의 성능을 초과할 수 있습니다.

전기 유압식 액추에이터

전기 유압식 액추에이터는 전기 모터와 소형 유압 펌프 및 실린더를 결합합니다. 이는 전원만 필요하면서 유압력의 토크 밀도를 제공합니다. 이는 중앙 유압 동력 장치가 실용적이지 않은 원격 유정 위치에 적합한 솔루션입니다. 복잡성이 추가되면 단점이 있습니다. 즉, 구성 요소가 많아지고 잠재적인 실패 지점이 늘어나고 구매 비용이 높아집니다.

액추에이터 유형 비교

아래 표는 해당 분야를 좁혀줍니다. 사양을 확정하기 전에 밸브 제조업체에 자세한 내용을 확인하십시오.

단 하나의 행도 확실한 답변을 나타내지 않습니다. 올바른 선택은 특정 밸브 토크, 필요한 스트로크 속도, 필요한 실패 위치 및 사용 가능한 전원에 따라 달라집니다.

웰헤드 및 파쇄 밸브에 대한 액추에이터 고려 사항

안전 및 스템 보호는 웰헤드 및 파쇄 밸브용 액추에이터 선택을 구동합니다. 크리스마스 트리에서는 마스터 밸브와 윙 밸브가 자주 순환되지 않기 때문에 수동으로 작동하는 경우가 많습니다. 그러나 파쇄 작업에서는 파쇄 헤드와 고압 매니폴드가 유정을 10,000~20,000psi를 전달하는 펌프에 연결합니다. 작업자는 블록 밸브를 신속하고 확실하게 배치해야 합니다. 승무원이 밸브 바로 뒤에 서지 않고도 전체 압력에서 밸브를 순환할 수 있기 때문에 유압식 또는 전기 유압식 작동이 표준 솔루션입니다.

확실한 차단 기능을 제공해야 하는 API 6A 게이트 밸브의 경우 액추에이터는 게이트의 스트로크와 일치해야 합니다. FC 게이트 밸브는 웰헤드 및 매니폴드 서비스에 사용되는 API 6A 설계 중 하나이며 수동, 유압 또는 전기 작동과 결합될 수 있습니다. 액추에이터와 페어링할 때 스템 정렬을 주의 깊게 확인해야 합니다. 잘못 정렬된 액추에이터는 스템에 측면 하중을 가하여 씰 표면을 왜곡하고 누출을 일으킬 수 있습니다.

API 6A 웰헤드 및 매니폴드 서비스용 FC 게이트 밸브 FC 게이트 밸브는 단조 합금강 본체와 단단한 밀봉 표면으로 API 6A 표준을 충족합니다. 안정적인 성능 덕분에 킬, 초크 및 머드 매니폴드의 드릴링 유체 제어에 적합합니다. 제품보기 →

확장 게이트 밸브는 게이트가 시트로 확장되기 전에 게이트를 이동하여 금속 간 밀봉을 생성하는 메커니즘을 사용합니다. 확장 단계는 이탈 토크를 추가하므로 액추에이터는 완전히 확장된 위치에 맞게 크기를 조정해야 합니다. 밸브가 자동화된 경우 리미트 스위치 박스는 액추에이터 출력 샤프트의 회전뿐만 아니라 게이트의 실제 위치도 표시해야 합니다.

금속 대 금속 씰이 포함된 WKM 확장 게이트 밸브 이 확장 게이트 밸브는 낮은 작동 토크와 금속 씰 설계를 제공하며 플랜지형 또는 나사형 끝단으로 제공됩니다. 고압 환경에 적합하며 누출 없는 작동을 보장합니다. 제품보기 →

원격 유정에서 압축 공기를 사용할 수 없는 경우 자동 작동에는 전력이나 유압 펌프가 필요합니다. FRAC 현장에서는 펌프 스키드에 이미 유압 동력이 포함되어 있으므로 유압 작동이 공압 작동보다 통합하기가 더 간단합니다. 전동 액추에이터는 작업자가 현장 또는 감독 제어를 원하는 생산 라인에 여전히 적합합니다.

액추에이터 지정을 위한 실제 단계

이 6단계 프로세스는 새 웰헤드용 밸브를 지정하든 기존 밸브의 액추에이터를 교체하든 적용됩니다.

1. 최악의 차압에서 밸브 토크를 정의합니다. 이탈 토크는 작동 토크보다 높으며 액추에이터 크기를 결정합니다.
2. 필요한 스트로크 시간을 선택하세요. 밸브가 5초 이내에 닫혀야 한다면 일부 전동 액추에이터가 필요하지 않습니다.
3. 실패 위치를 결정합니다. 이는 액추에이터가 스프링 리턴, 어큐뮬레이터 또는 배터리 백업을 사용하는지 여부를 결정합니다.
4. 전원을 확인하세요. 압축 공기를 사용할 수 있습니까, 아니면 전기만 있습니까? 현장에 유압 동력 장치가 있습니까?
5. 스템 연결을 확인하십시오. 액추에이터 출력 커플링은 측면 부하 없이 밸브 스템에 맞아야 하며 요크는 스터핑 박스와 정렬되어야 합니다.
6. 환경 보호를 확인하세요. 웰헤드 서비스를 위해 액추에이터는 주변 온도, 습기 및 부식성 가스에 대한 등급을 받아야 합니다.

토크가 낮은 생산 서비스의 경우 게이트 밸브 설계 선택이 액추에이터 패키지에 영향을 미칠 수 있습니다. API 6A 게이트 밸브는 여러 구조 구성으로 제공되며 선택한 설계는 액추에이터가 극복해야 하는 토크에 영향을 미칩니다. FLS 게이트 밸브는 웰헤드 및 매니폴드 서비스에 사용되는 API 6A 설계입니다.

뒷좌석 씰링 및 단조 본체가 포함된 FLS 게이트 밸브 FLS 게이트 밸브는 금속 대 금속 본체 씰과 뒷좌석 구조를 갖추고 있어 압력이 가해질 때 패킹 교체가 용이합니다. 단조 합금강 본체는 부식과 마모에 강해 오래 지속됩니다. 제품보기 →

최종 고려 사항

제어 밸브에 적합한 액추에이터 유형은 사용 가능한 전력, 토크 요구, 응답 속도 및 안전 장치 동작 간의 절충안입니다. 수동 작동은 저토크 서비스가 자주 발생하지 않는 경우에 실용적입니다. 공압 및 전기 액추에이터는 자동화된 생산 파이프라인에 적합합니다. 유압식 또는 전기 유압식 시스템은 고압, 대구경 웰헤드 및 파쇄 밸브에 적합한 선택입니다. 밸브의 토크 프로필로 시작하여 고장 모드를 정의한 다음 액추에이터를 서비스에 일치시킵니다.

이러한 접근 방식은 가장 흔히 발생하는 두 가지 실수, 즉 그다지 많은 토크가 필요하지 않은 밸브에 대해 액츄에이터의 크기를 과대하게 설정하고 토크가 필요한 밸브에 대해 크기를 작게 설정하는 것을 방지합니다.