Трубопроводная арматура с верхним доступом в шельфовой добыче нефти и газа

...большой, тяжелой, дорогой и сложной, с самым длительным сроком поставки. Цель данной статьи – рассказать о данной трубопроводной арматуре с верхним доступом, используемой в шельфовой добыче нефти и газа, а также о ее основных функциях и конструкционных решениях.

Рисунок 1 показывает экспортный магистральный трубопровод, транспортирующий среду с платформы на берег. Трубопровод включает две части: надводную и подводную, которые проектируются по двум разным стандартам - ASME и DNV соответственно. Арматура экспортной линии, установленная на платформе и подающая среду в подводную часть, спроектирована по стандарту ASME и установлена в трубопроводе над водой.

Такая трубопроводная арматура обладает следующими отличительными чертами:

• Верхний доступ
• Типы: Шаровый кран или прямоточная шиберная задвижка
• С наличием привода
• Приварное соединение
• Большие размеры (к примеру, 38 дюймов) и высокий класс давления
• Тяжелые ввиду размера и класса давления
• С возможностью внутритрубной очистки

Как правило, данная арматура спроектирована по стандарту API 6D. Она подвержена таким же нагрузкам, как и магистральная линия, что должно быть учтено при расчете толщины и прочности арматуры.

Верхний доступ для удобства

Арматура с верхним доступом дает возможность беспрепятственно получить доступ к внутренним частям арматуры через крышку. Они являются односоставными, что дает им лучшее механическое сопротивление к нагрузкам от трубопровода по сравнению с разборной арматурой или арматурой с боковым доступом.

Арматура с верхним доступом приваривается к трубопроводу, обеспечивая наименьшую вероятность протечки. Приварное соединение арматуры также экономит четыре фланца, которые были бы необходимы при фланцевом соединении.

Рисунок 2 показывает кран шаровый с верхним доступом и с боковым доступом.

Главное преимущество арматуры с верхним доступом в том, что ее можно обслуживать, не демонтируя с линии. Также, такая арматура дает больше возможностей для увеличения штока в случае требования высокого крутящего момента.

Сварные соединения

Сварка арматуры к трубопроводу проходит с помощью патрубка (короткий отрезок трубы который устанавливается между двумя фитингами или фитингом и фланцем или двумя фланцами для обеспечения необходимой дистанции) либо с помощью патрубка и переходного патрубка. Переходный патрубок может потребоваться в случае если толщина сварного соединения арматуры отличается от толщины патрубка или если отличаются их материалы. Сварка может быть проблематичной, если арматура и трубопровод сделаны из разных материалов.

Рисунок 3 показывает сварку 30-дюймового шарового крана.

Арматура с верхним доступом может быть краном шаровым или прямоточными шиберными задвижками. Выбор между этими типами арматуры зависит от таких параметров, как: цена, срок поставки, размеры арматуры, вес, предпочтения заказчика и другие.

Все арматура экспортной линии работает с приводом. Привод может быть пневматическим, гидравлическим или электрическим. Выбор привода зависит от таких факторов, как размер арматуры и класс давления, необходимый крутящий момент для работы арматуры, время срабатывания арматуры, а также действие при отказе оборудования.

Минимизация веса арматуры с верхним доступом

Существует несколько способов для уменьшения веса арматуры с верхним доступом.  Первый заключается в расчете толщины арматуры согласно ASME части VIII раздел 02 вместо ASME B16.34. Уменьшение толщины сокращает строительную длину и высоту арматуры и, как следствие, вес арматуры в целом. Таблица ниже показывает уменьшение толщины, строительной длины, высоты и веса 30-ти дюймового крана шарового классом ANSI 1500, спроектированного по двум сравниваемым стандартам - ASME часть VIII и ASME B16.34.

Второй способ уменьшить вес – это использование цилиндрических гаек вместо шестигранных. Цилиндрические гайки занимают меньше места в соединении корпус/крышка, что ведет к уменьшению веса. Рисунок 4 показывает 38 дюймовый кран класса 1500 с электрическим приводом и цилиндрическими гайками.

Также необходимо проектировать арматуру, учитывая расчетное давление, давление гидравлических испытаний и нагрузки трубопровода. Не менее важным является корректный расчет частей, подверженных воздействию давления: корпус, крышка, шар, седло, патрубок и шпильки. Для подтверждения прочности данных частей используют анализ методом конечных элементов – Рисунок 5.

Нагрузки могут быть осевые, изгибающие и скручивающие, а также сложные волновые нагрузки. Конструкция и вес арматуры одинакового размера и класса давления, установленных на одной линии, могут быть разными. Причина в том, что арматура, установленная в разных местах, испытывает разные нагрузки.

Для подтверждения результатов анализа методом конечных элементов проводятся испытания на изгиб. Такие испытания на расчетные и случайные нагрузки проводятся на собранном корпусе с крышкой. Они могут проводиться повторно на «нагрузку обслуживания» при открытой крышке, когда кран находится на ремонте и менее устойчив к нагрузкам. На концах патрубков могут находиться трубные катушки, чтобы увеличить длину крана и достичь требуемого изгибающего момента. Установленные датчики деформации на нескольких критически важных местах крана могут показать избыточный уровень деформации корпуса под нагрузками. Деформация корпуса наружу может вывести к протечке седла, а деформация внутрь могут привести к выходу из строя седла или шара и корпуса.