ゲートバルブとは何ですか?石油抽出の専門家のための完全ガイド

A ゲートバルブ これは、パイプラインの穴に対して垂直な平らなゲートまたはくさび形のゲートを上下させることによって流れを制御する直線運動の隔離装置です。また、石油抽出においては、妨げられることのない完全な流れが必要であり、頻繁な操作が必要ない大口径高圧メインライン隔離用の主要なバルブ タイプであり続けています。によると、 世界バルブ市場レポート 2023 (MarketsandMarkets) 、ゲートバルブが約 単位量ベースで、石油およびガスの上流部門に販売された全バルブの 28% 、ボールバルブに次ぐ第2位であり、この部門の価値は年間21億ドルを超えています。ゲート バルブとは何か、ゲート バルブがどのように機能するか、油田システム内のどこに属するかを正確に理解することは、すべての掘削エンジニア、生産監督者、調達専門家にとっての基本知識です。

ゲートバルブとは何ですか?またその仕組みは何ですか?

A ゲートバルブ ゲート (平らなディスクまたはテーパー状のウェッジ) を流れの方向に垂直に移動することによって動作し、ボンネットのキャビティ内に完全に引っ込む (完全に開く) か、ボアを完全にブロックする (完全に閉じる) かのいずれかになります。 90 度回転するボール バルブとは異なり、ゲート バルブは開位置と閉位置の間を移動するためにハンドホイールまたはアクチュエータ ステムを複数回完全に回転させる必要があるため、ゲート バルブはゲート バルブとして分類されます。 マルチターンバルブ 。完全に開いた位置では、ゲートは流路の上のボンネット内に完全に後退し、実質的に圧力損失がゼロの、遮るもののないフルボアの通路が残ります。これは、わずかな制限でも測定可能な生産損失を引き起こす高流量の原油幹線では非常に重要な利点です。

油田の中核コンポーネント ゲートバルブ は:

• バルブ本体: 圧力保持シェルは通常、炭素鋼 (ASTM A105)、合金鋼 (ASTM A182 F22)、またはステンレス鋼から鍛造されます。本体にはフローポートとシートが収容されており、パイプラインの最大定格圧力 (極端な HPHT 坑口サービスでは最大 20,000 psi) に耐えます。
• ゲート (ディスク): スライド式クロージャー要素。ソリッド ウェッジ ゲート、フレキシブル ウェッジ ゲート、スプリット ウェッジ ゲート、および平行スラブ ゲートは、石油サービスで使用される 4 つの主なバリエーションであり、それぞれが異なるシール特性と熱結合に対する耐性を備えています。
• 席: 本体内の 2 つの座面で、閉じたときにゲートが密閉されます。油田でのサービスでは、シートは一体型 (本体から機械加工)、挿入型 (交換可能なリング)、または砂を含んだ原油からの浸食に耐えるためにステライトまたはタングステンカーバイドで表面硬化されています。
• ステム: ハンドホイールまたはアクチュエータからの回転トルクをゲートの直線運動に伝達します。上昇ステム設計により、バルブの位置が視覚的に示されます (開くとステムが上昇します)。非上昇ステム設計により、ステムが完全に密閉されます。オフショアプラットフォームで高さのクリアランスが制限されている場合に推奨されます。
• ボンネット: 体腔を密閉し、ステムをガイドする上部のクロージャ。ほとんどの油田サービスではボルト固定ボンネットが標準です。圧力シールボンネットは、ボンネット漏れのリスクが最も高い 900# (ASME クラス 900) 以上で使用されます。
• パッキンとグランド: 外部漏れを防ぐステムシーリングシステム。 H2S サワーガスサービスでは、梱包材とグランドの設計が次の基準に準拠する必要があります。 NACE MR0175 / ISO 15156 硫化物応力亀裂や有毒なH2Sの放出を防ぎます。

石油抽出に使用されるゲートバルブの種類

プリンシパルは5人います ゲートバルブ 上流の石油操業全体に展開される設計であり、それぞれが圧力、温度、流体の種類、サイクル頻度の特定の組み合わせに対応するように設計されています。

1.ソリッドウェッジゲートバルブ

ソリッドウェッジは最もシンプルで最も広く使用されています ゲートバルブ 油田サービスの設計。一体型のテーパー ゲートが本体の 2 つの角度の付いたシートに密着し、幅広い圧力および温度範囲にわたって信頼性の高いシールを提供します。ソリッドウェッジ設計は、ASME クラス 2500 (100°F で約 6,250 psi) までの非腐食性原油サービスの標準です。制限は、熱結合の影響を受けやすいことです。高温使用では、ゲートと本体の間の熱膨張差によってゲートがシートにロックされ、バルブが開けられなくなります。このため、固体ウェッジ バルブが蒸気注入または高温 (500°F 以上) 坑井での使用に指定されることはほとんどありません。

2. フレキシブルウェッジゲートバルブ

フレキシブルウェッジには、ゲートに円周方向の溝が刻まれており、これにより 2 つの座面が独立して曲がることができ、わずかな座面のずれが補正され、熱結合が軽減されます。フレキシブルウェッジ ゲートバルブs は、温度が 650°F (343°C) を超える可能性がある、蒸気フラッドおよび熱 EOR (強化油回収) 注入ラインに推奨される設計です。によると ASME B16.34 (2021) 、柔軟なウェッジ設計は、同等の圧力定格を維持しながら、固体ウェッジよりも高温使用においてより緊密なシールを実現します。

3. 平行スラブゲートバルブ（拡張ゲートバルブ）

平行スラブ ゲートバルブs 2 つの平行なゲート セグメント (スラブとスペーサー) を使用します。これらは閉位置で機械的に広がり、両方のシートに同時に係合し、二重ブロックのシール動作を実現します。このデザインは次の場合に最も有力な選択肢です 坑口とクリスマスツリーのサービス API 6A によると、熱結合の問題が完全に排除され (ゲートがシートに押し込まれない)、パイプラインのピッグが平面ボアを通過できるようになり、最大 20,000 psi の圧力でも漏れのない金属間のシールが達成されるためです。拡張ゲートバルブは最高仕様 ゲートバルブ 石油業界で。

4. ナイフゲートバルブ

ナイフ ゲート バルブは、粘性またはスラリー タイプの流体を切断して閉じる、薄く鋭いエッジのゲートを使用します。油田用途では、ナイフ ゲートバルブs 生成水処理システム、掘削泥水の処理、従来のウェッジゲートでは体腔内に固形物が蓄積して詰まってしまうような切断スラリーラインで使用されます。これらは高圧サービスには適していません - 最大定格圧力は通常 150 psi ～ 300 psi - ですが、低圧、高固形分の流体の取り扱いには非常に効果的です。

5. 貫通導管ゲートバルブ

貫通導管 ゲートバルブs ゲート自体にフルボア開口部があり、バルブが開いているとき、流路はゲートの上ではなくゲートを通過します。これにより、従来のゲート設計では固体、ワックス、または水和物が蓄積する可能性がある体腔内のポケットが排除されます。貫通導管の設計は、以下の用途に広く指定されています。 原油輸出パイプラインと豚の受け入れアプリケーション 内部の清潔さとピギング可能性が必須の場合。また、バルブキャビティの排水が現実的でない陸上の埋設パイプライン隔離ステーションでも使用されます。

ゲートバルブ vs. ボールバルブ vs. グローブバルブ: 石油抽出にはどれが適していますか?

油田用途に誤ったバルブ タイプを選択することは、最も一般的でコストのかかる調達ミスの 1 つです。ボール バルブが必要な場所にゲート バルブを指定すると、ESD 対応に失敗する可能性があり、ゲート バルブが属する場所にボール バルブを指定すると、不必要なコストが追加されます。以下の表は、API 6D、API 6A、および ASME B16.34 のサービス要件に基づく直接的な技術比較を示しています。

表 1: 石油抽出サービス用のゲート バルブ、ボール バルブ、およびグローブ バルブの技術比較。データは API 6A、API 6D、および ASME B16.34 仕様に基づいています。

石油抽出バリューチェーン全体でゲートバルブが使用される場所

ゲートバルブ これらは、すべての上流石油生産システムの特定の、明確に定義された場所に表示されます。これは、普遍的に優れているためではなく、フルボア流量、高圧能力、および低周波数動作の組み合わせが、他のどのタイプのバルブよりもメインラインの隔離と坑口マスターバルブサービスの要件に適合するために選択されています。

坑口マスターバルブ (地上および海中)

坑口マスターバルブ (油層と地表生産システムの間の一次隔離バルブ) は、ほとんどの API 6A 定格坑口アセンブリに組み込まれており、 拡張パラレルゲートバルブ （スラブゲートバルブとも呼ばれます）。この設計は、最大 20,000 psi の圧力でも漏れのない金属間シールを提供し、バルブ キャビティを詰まらせることなく砂やスケールを処理し (導管構成)、長時間使用されなかった後でもシールの完全性を維持します。これは、使用頻度の低いマスター バルブにとって重要な要件です。によると API 仕様 6A (2018 年第 21 版) 、すべての坑口ゲートバルブは、定格使用圧力の 1.5 倍での静水圧シェルテストと、目に見える漏れがゼロの定格使用圧力でのシートテストに合格する必要があります。

原油幹線と輸出パイプラインの隔離

大口径原油パイプライン（公称口径12インチ～48インチ）では、 ゲートバルブs 幹線ブロックのバルブ ステーション、豚トラップの隔離、緊急ブロックの場所に経済的な選択肢です。このような大きなサイズでは、トラニオン取り付けのフルボア ボール バルブのコストは、同等の API 6D ゲート バルブよりも 3 ～ 5 倍高くなります。メインライン ブロック バルブの作動頻度は低く、通常は年間 12 回未満であるため、ボール バルブの速度の利点は無関係であり、ゲート バルブがコスト的に最適な選択となります。によると、一般的な隔離ステーションの 24 インチ、クラス 600 API 6D スルーコンジット ゲート バルブは、同等のフルボア ボール バルブよりも資本コストが約 40% 低くなります。 Pipeline and Gas Journal が発行した業界調達ベンチマーク データ (2022 年) .

掘削および坑井完成作業

ゲートバルブは、掘削中の噴出防止装置 (BOP) スタックおよび坑井隔離システムに不可欠です。の スプールゲートバルブの穴あけ BOP スタックでは、ウェルキル液、セメント スラリー、高圧ガスキックをすべて 1 つのバルブで処理する必要があります。 BOP チョークおよびキル ラインの API 16A 定格ゲート バルブは、最大 20,000 psi の圧力に耐え、油田のあらゆる場所で遭遇する最も要求の厳しい流量条件でも確実に動作する必要があります。同様に、井戸の完成中に、 ゲートバルブs 完了ストリングの隔離マニホールドは、環状流体循環とクリスマスツリーの均等化を制御します。

水注入と石油増進回収 (EOR)

貯水池の圧力を維持したり、水洪水 EOR を実施したりする注水システムでは、多数の ゲートバルブs インジェクションヘッダーとディストリビューションマニホールドに。通常、射出圧力の範囲は 1,000 ～ 5,000 psi で、流量は射出ステーションごとに 100,000 バレル/日 (bpd) を超える場合があり、ゲート バルブの経済性が重要な場合には大口径バルブが必要になります。蒸気噴射サーマル EOR (カナダのオイルサンドなどの油田での重油生産に使用)、フレキシブルウェッジ用 ゲートバルブs ASME クラス 900 またはクラス 1500 のステンレス鋼または合金鋼は、最高 650°F (343°C) の温度および最高 2,500 psi の圧力で蒸気を扱うことが指定されています。

発生水の処理・処分

生成水、つまり原油と同時に生成される塩水は、分離、処理し、再注入するか廃棄する必要があります。随伴水の取り扱いの各段階で、 ゲートバルブs (多くの場合、高固形分含有量用のナイフ ゲート設計) フィルター、デサンダー、注入ポンプを隔離します。生成水（高塩化物、多くの場合 CO2 と H2S を含む）は腐食性があるため、炭素鋼の早期破損の原因となる孔食や隙間腐食を防ぐために、二相ステンレス鋼 (UNS S31803) またはスーパー二相ステンレス鋼 (UNS S32750) のゲート バルブ本体が必要です。

石油抽出におけるゲートバルブを管理する主要な規格

毎 ゲートバルブ 上流の石油生産で使用されるバルブは、少なくとも 1 つの必須の業界基準に準拠する必要があり、準拠していないバルブは設置前検査で拒否されるため、コストのかかる遅延が発生し、大口径高圧品目の場合は 8 ～ 20 週間の再調達リードタイムが発生します。

表 2: 石油抽出のゲート バルブに適用される主要な業界標準と、発行主体、範囲、主要なコンプライアンス要件。出典: API、ASME、NACE International、ISO。

油田環境におけるゲートバルブの材料選択

正しい材料選択 ゲートバルブ 石油抽出における最も一般的な 3 つの故障モード、つまり H2S サービスでの硫化物応力亀裂 (SSC)、生産水サービスでの塩化物孔食、および高温 EOR 注入でのクリープ故障を防止します。間違った合金を選択すると、設置後数週間以内に重大なバルブの故障が発生する可能性があります。

• 炭素鋼 (ASTM A216 WCB / A105N): -20°F ～ 800°F の温度でのスイート原油サービス (分圧 0.05 psia 未満の H2S) の標準。 NACE MR0175 に従って、一時的な H2S 曝露に対する予防措置として、名目上甘いサービスであっても、溶接後熱処理 (PWHT) と 22 HRC 未満の硬度制御が必要です。
• 低温炭素鋼 (ASTM A352 LCB / LCC): 設計温度が -50°F (-46°C) まで低下する北極の陸上および深海沖合の用途では必須です。 ASME B16.34 および API 6D に従って、最低設計温度でのシャルピー衝撃試験が必要です。
• 合金鋼 (ASTM A182 F11 / F22 / F91): 蒸気満水 EOR 井戸および高圧蒸気注入ヘッダー内で 750°F (399°C) を超える高温での使用に必要です。 F91 (9Cr-1Mo-V) は、1,100°F (593°C) までの使用で優れた耐クリープ性を提供し、超臨界蒸気噴射に最適な材料です。
• 316 / 316L ステンレス鋼: 140°F (60°C) 以下の温度での生産水および海水注入サービスに適しています。この温度を超えると、塩化物誘起応力腐食割れ (Cl-SCC) のリスクが高まるため、二相グレードが必要となります。
• 二相ステンレス鋼 (UNS S31803 / 2205): 生産水、海水注入、マイルドサワーサービス（分圧1 psia以下のH2S）用の標準材料です。 316 SS の約 2 倍の降伏強度と 32 を超える耐孔食性価数 (PREN) を提供し、最大 150°F (65°C) の温度での塩化物孔食に対する耐性を実現します。
• スーパー二相ステンレス鋼 (UNS S32750 / 2507): 攻撃的な酸性ガスおよび高塩素生成水のサービス向けに指定されています。 PREN が 40 を超えると、最大 185°F (85°C) の温度での海水中での孔食に対する耐性が保証されます。あたり NACE MR0175 パート 3 、スーパー二相は、適切な微細構造と硬度 (最大 310 HV10) を達成するために溶体化焼きなましと焼入れ硬化を行った場合、酸性サービスで許容されます。
• インコネル 625 / 718 (UNS N06625 / N07718): 最も積極的なサービス、つまり高い H2S 分圧 (100 psia 以上)、高い CO2 分圧 (30 psia 以上)、および高温用に予約されています。主に、炭素鋼とステンレス鋼合金が腐食しやすい HPHT 井戸のゲート バルブ ステム、シート、内部トリムに使用されます。インコネル 625 ゲート バルブ内部は、厳しい酸性サービスでのメンテナンス間隔を 2 年から 10 年以上に延長でき、初期材料コストが高いにもかかわらず、ライフサイクル コストを大幅に節約できます。

石油生産におけるゲートバルブの一般的な故障モード

理解する ゲートバルブ 故障メカニズムにより、メンテナンス チームは対象を絞った検査プログラムを実装し、バルブの寿命を延ばすことができ、上流のオペレーターに推定コストをもたらす計画外のシャットダウンの頻度を減らすことができます。 世界で年間 380 億ドルの生産損失 (Wood Mackenzie、2022) .

• 砂や固形物によるシートの浸食: 砂を含んだ原油は、10 フィート/秒を超える速度で、特に部分的に開いた位置でゲート シート面を徐々に侵食します。硬化ステライトまたはタングステンカーバイドシートは、柔らかいシートまたは硬化されていないシートと比較して、耐浸食性を 5 ～ 8 倍拡張します。すべて ゲートバルブs 砂を生産する井戸では、完全に開くか完全に閉じて操作する必要があり、決して部分的にひび割れて開いてはいけません。
• ステムパッキンの漏れ： 外部ステムの漏れは、水面で最も一般的なメンテナンスの問題です ゲートバルブs 、生産施設におけるすべてのバルブメンテナンス作業注文の約 35 ～ 40% を占めます (出典: Energy Institute のバルブ管理に関するグッド プラクティス ガイド、2021 年 ）。グラファイトパッキンは高温使用時に PTFE よりも長くシールを維持しますが、過剰な圧縮やステムの焼き付きを防ぐために慎重なグランドフォロアの調整が必要です。
• サーマルバインディング (ソリッドウェッジデザイン): 蒸気の噴射と高温での使用により、冷却時に固体ウェッジがシートに対してロックする可能性があり、ゲートを解放するには油圧ジャッキまたは熱の適用が必要になります。この障害により坑口マスターバルブが機能しなくなる可能性があり、修復のために生産停止が必要になる可能性があります。解決策は、300°F (149°C) を超えるあらゆる用途で柔軟なウェッジまたは拡張スラブ ゲート設計を指定することです。
• キャビテーションと振動による損傷: ゲートバルブ 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.
• サワーサービスにおける硫化物応力分解 (SSC): 硬度 22 HRC を超える高張力鋼で作られたゲート バルブ ステムとボルトは、溶解した H2S の存在下で SSC の影響を受けやすく、最初の暴露から数時間以内に亀裂が発生する可能性があります。これは、調達段階での NACE MR0175 材料コンプライアンスによって対処されます。コスト削減のために非準拠の高強度ボルトを使用することは、サワーガス坑井現場で致命的なゲートバルブの故障を引き起こす根本原因であることが文書化されています。
• 不活動による発作: ゲートバルブ 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 API 6A 推奨メンテナンス プログラム 焼き付きを防止し、緊急事態が発生する前に操作性を確認します。

石油生産における自動ゲートバルブ用のアクチュエータオプション

ほとんどの場合、 ゲートバルブs 油田サービスでは手動で操作されますが、無人の油井現場、海底施設、および安全性が重要な隔離ポイントでは遠隔および自動作動が必要です。以下の表は、上流の石油サービスにおけるゲート バルブのアクチュエータ オプションを比較しています。

表 3: 油抽出における自動ゲート バルブのアクチュエータ タイプの比較 (作動速度、フェールセーフ機能、推奨用途など)。

石油抽出におけるゲートバルブに関するよくある質問