Zimowanie floty Frac: ochrona końcówek cieczy w warunkach zamarzania

Dlaczego ujemne temperatury są szczególnie niebezpieczne dla końcówek cieczy

Płynna końcówka, która działa bezbłędnie przez lato w Teksasie, może zakończyć się katastrofalną porażką podczas pierwszego mocnego mrozu w sezonie – nie dlatego, że zmienił się sprzęt, ale dlatego, że zmieniła się fizyka. Wewnątrz końcówki cieczy pompy szczelinowej w zimne dni działają jednocześnie przeciwko Tobie trzy warunki: wgłębienia pod wysokim ciśnieniem, w których niegdyś znajdowała się ciecz, obecnie zatrzymują resztki wody, precyzyjnie obrobione prześwity, które prawie nie pozostawiają miejsca na zmianę wymiarów oraz uszczelki elastomerowe, których praca zależy od zachowania elastyczności. Gdy temperatura spadnie poniżej 32°F, woda pozostająca w pompie zaczyna się rozszerzać w wyniku zamarzania, wywierając ciśnienie promieniowe do 2000 psi na ścianki cylindrów, otwory zaworów i powierzchnie pokryw końcowych. Ta siła nie rozróżnia włoskowatego defektu od zdrowej powierzchni.

Profil uszkodzeń jest również zwodniczy. W przeciwieństwie do uszczelek wydmuchanych podczas pracy, pękanie spowodowane zamarzaniem często zaczyna się od wewnątrz i pozostaje niewidoczne do czasu ponownego pojawienia się ciśnienia w pompie. Do tego czasu masz do czynienia z pękniętym blokiem, pękniętym otworem tłoka lub uszkodzoną pokrywą wylotową – awarie, które powodują wyłączenie jednostki w połowie pracy i rzadko objawiają się znakami ostrzegawczymi. Dlatego ochrona przed zamarzaniem wysokociśnieniowe zespoły końcowe zaprojektowane z myślą o wymagających warunkach na polach naftowych nie jest miło mieć; na tym polega różnica między produktywną kampanią zimową a kosztownym sezonem odbudowy.

American Petroleum Institute podkreśla, jak krytyczna jest integralność sprzętu w ekstremalnych warunkach terenowych — API Std 16FI, nowy standard bezpieczeństwa frac iron , został specjalnie opracowany, aby sprostać rygorom operacji wysokociśnieniowych, w których sprzęt działa w warunkach przekraczających ograniczenia projektowe. Zimna pogoda jest jednym z tych ograniczeń, a większość operatorów wciąż go nie docenia.

Najbardziej wrażliwe elementy układu hydraulicznego zimą

Nie każda część zespołu hydraulicznego jest w równym stopniu narażona na ryzyko zamarznięcia. Zrozumienie, które komponenty ulegają awarii jako pierwsze i dlaczego, pozwala ustalić priorytety działań kontrolnych tam, gdzie jest to naprawdę istotne.

Plomby do pakowania

Uszczelnienia opakowań są prawdopodobnie pierwszą ofiarą zimnej pogody. Materiały elastomerowe twardnieją znacznie poniżej 20°F, tracąc zgodność niezbędną do utrzymania dynamicznego uszczelnienia wokół tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym. Uszczelnienie, które uszczelnia w temperaturze 70°F, może przeciekać podczas uruchamiania w temperaturach poniżej zera, nawet przed wystąpieniem widocznych uszkodzeń. Cykle termiczne pogłębiają problem: powtarzające się cykle zamrażania i rozmrażania powodują mikropęknięcia w korpusie uszczelnienia, przyspieszając zużycie znacznie wykraczające poza przewidywane godziny pracy. Uszczelnienia uszczelnień zaprojektowane tak, aby zachować elastyczność w warunkach cykli termicznych są warte swojej ceny w okresie zimowym w północnym basenie.

Tłoki

Powierzchnie tłoków opierają się na wąskich tolerancjach wymiarowych i twardych powłokach ochronnych. W mroźnych warunkach pojawiają się dwa tryby awarii. Po pierwsze, wszelki płyn pozostały w dławnicy może zamarznąć wokół tłoka, tworząc lodowy uchwyt, który blokuje tłok w miejscu, zmuszając stronę napędową do pokonania oporu podczas uruchamiania i koncentrując naprężenia na styku powłoki. Po drugie, szybkie różnice temperatur pomiędzy korpusem tłoka (stalowym lub pokrytym ceramiką) a otaczającym go zamrożonym płynem powodują szok termiczny, który inicjuje mikropęknięcia powierzchniowe. Tłoki hartowane, odporne na zmęczenie powierzchni w środowiskach ściernych i zimnych zapewniają znaczącą przewagę, gdy temperatury osiągają najniższy poziom.

Zawory i gniazda

Funkcjonowanie zaworów ssących i tłocznych zależy od precyzyjnej geometrii gniazda. Zanieczyszczenie lodem – nawet śladowe ilości – może spowodować, że zawór będzie otwarty lub zablokowany. W obu przypadkach skutkuje to nieregularnością ciśnienia: albo płyn omija zawór i spada natężenie przepływu, albo zatkany zawór powoduje skoki ciśnienia, które nierównomiernie obciążają blok. Płyny szczelinujące zawierające piasek pogarszają sytuację; lód i propant razem mogą skuteczniej wypełnić otwór zaworu niż oba z osobna.

Osłony tłoczne i ssące

Pokrywy końcowe podlegają największej koncentracji naprężeń rozciągających w korpusie końcówki hydraulicznej, szczególnie wokół otworów na śruby i powierzchni czołowych kołnierzy. W warunkach zamarzania ekspansja lodu wewnątrz wnęki pokrywy powoduje wywieranie nacisku na zewnątrz dokładnie tam, gdzie naprężenie materiału jest już najwyższe. Pokrywy tłoczne i ssące zbudowane tak, aby wytrzymywały naprężenia zaślepek końcowych zależą od wytrzymałości materiału w niskich temperaturach – specyfikacja, która staje się krytyczna w przypadku rzadkich głębokich zamrożeń w okresie permu i rutyny w Bakken.

Przegląd przedzimowy i zarządzanie płynami

Najbardziej opłacalne prace związane z zimowaniem przeprowadza się przed pierwszymi przymrozkami, a nie po. Ustrukturyzowana inspekcja przedsezonowa każdego zespołu hydraulicznego w Twojej flocie zajmuje około dwóch do trzech godzin na jednostkę i może zapobiec tygodniowym przestojom.

• Całkowicie spuść cały pozostały płyn. Przed przechowywaniem lub pozostawieniem w trybie gotowości należy zastosować najniższy punkt spustowy po stronie cieczy i upewnić się, że komora jest czysta. Nie zakładaj, że drenaż grawitacyjny został zakończony – w razie wątpliwości użyj sprężonego powietrza do przeczyszczenia kanałów ssących.
• Sprawdź uszczelki uszczelnienia pod kątem wcześniejszego zużycia. Wszelkie uszczelki wykazujące wytłoczenie, przecięte wargi lub odkształcenia należy wymienić przed zimną pogodą, a nie po niej. Uszczelnienie marginalnie przechodzące w temperaturze 60°F nie powiedzie się w temperaturze 15°F.
• Sprawdź zespoły zaworów pod kątem zanieczyszczeń i integralności gniazda. Awaria zaworu w niskich temperaturach prawie zawsze ma istniejącą wcześniej przyczynę — wyszczerbione gniazdo, zużytą sprężynę, osad piasku za korpusem zaworu. Zajmij się tym teraz.
• Sprawdź moment dokręcenia śrub pokrywy tłoczenia i ssania. Śruby poluzowane podczas ostatniej kampanii tworzą małe pułapki na płyny. Dokręć ponownie zgodnie ze specyfikacją i sprawdź stan gwintu.
• Przejdź na niskotemperaturowy smar do uszczelnień. Standardowe smary do uszczelnień gęstnieją znacznie poniżej 32°F. Używaj smaru dostosowanego do przewidywanej minimalnej temperatury otoczenia.
• Jeśli to możliwe, próba ciśnieniowa w niskiej temperaturze. Test hydrostatyczny na zimno ujawnia mikropęknięcia, które znikają, gdy metal powraca do temperatury otoczenia. Nawet krótki test pod ciśnieniem 1500–2000 psi dostarcza znaczących danych diagnostycznych.

Zarządzanie płynami wykracza poza samą pompę. Upewnić się, że przewody ssawne są całkowicie opróżnione lub utrzymywane w ciągłym obiegu i sprawdzić, czy wszelkie wodne środki dystansujące lub płyn wyporowy zostały wymienione na alternatywne na bazie glikolu, jeśli w trybie gotowości urządzenie będzie osiągać temperatury poniżej zera.

Utrzymywanie ciepła końca płynu: strategie ogrzewania i izolacji

W przypadku aktywnie działającego sprzętu cel jest prosty: utrzymać temperaturę końcówki hydraulicznej powyżej 40°F przed uruchomieniem i utrzymywać ją powyżej temperatury zamarzania w dowolnym okresie bezczynności dłuższym niż 30 minut. Istnieją dwa podejścia — aktywne ogrzewanie i pasywna izolacja — a najskuteczniejsze programy zimowe wykorzystują oba.

Aktywne ogrzewanie

Grzejniki zanurzeniowe i obiegowe umieszczony w kolektorze ssawnym lub bezpośrednio w dopływie płynu, zapobiega przedostawaniu się zimnego płynu napływającego do pompy. Jest to szczególnie ważne w przypadku płynów szczelinujących na bazie wody, które zaczynają zamarzać w temperaturze 32°F i mogą częściowo zamarznąć w przewodach ssących na długo przed osiągnięciem przez temperaturę otoczenia tego progu. W przypadku jednostek o dużej wartości lub pracujących w trybie ciągłym, elektryczna taśma cieplna owinięta wokół korpusu zespołu hydraulicznego i pokryta izolacją zapewnia bezpośrednią ochronę termiczną przy minimalnych kosztach eksploatacji. Podgrzewacze bloków po stronie silnika zapewniają przepływ smarowania po stronie mocy, ale nie należy zakładać, że ciepło dociera do strony z płynem — są one na tyle odizolowane termicznie, że koniec z płynem może być nadal niebezpiecznie zimny, gdy silnik jest ciepły.

Izolacja pasywna

Koce izolacyjne przeznaczone do korpusów pomp mogą zatrzymywać ciepło resztkowe przez kilka godzin w okresach przestoju, oszczędzając czas potrzebny między zadaniami bez ciągłej energii grzewczej. Tymczasowe schronienia na ciepłe powietrze — osłony w kształcie namiotu nad szczeliną szczelinową — to standardowa praktyka w basenach północnej Kanady i coraz bardziej powszechna w północnych Stanach Zjednoczonych. Inwestycja w infrastrukturę schronów szybko się zwraca, jeśli w przerwie między etapami nadejdzie silny mróz.

Jedna zasada, która ma zastosowanie niezależnie od metody: nigdy nie uruchamiaj zimnego zespołu hydraulicznego pod pełnym ciśnieniem roboczym. Przed rozpoczęciem pompowania należy poczekać, aż końcówka cieczy osiągnie temperaturę co najmniej 40°F. Szok termiczny powstający podczas przepychania zimnego, sztywnego płynu przez zamarznięty lub prawie zamarznięty koniec płynu z dużą prędkością jest jednym z najbardziej niezawodnych sposobów na pęknięcie bloku, któremu w przeciwnym razie pozostałyby lata żywotności.

Zimowanie bezczynnego sprzętu: protokoły opróżniania i przechowywania

Sprzęt, który będzie bezczynny przez ponad 24 godziny w mroźnych warunkach, wymaga specjalnej procedury — a nie tylko szybkiego opróżnienia. Różnica między pompą, która wiosną wraca w dobrym stanie, a pompą wymagającą pełnej przebudowy zespołu hydraulicznego, często sprowadza się do tego, jak dokładnie wykonano tę czynność.

1. Całkowicie opróżnij wszystkie końcówki cieczy , w tym pokrywy ssawne, pokrywy wylotowe i wszelkie wgłębienia w dolnym punkcie zespołu kolektora. Jeśli to konieczne, przechyl urządzenie, aby zapewnić zakończenie drenażu grawitacyjnego.
2. Przedmuchać sprężonym powietrzem pod niskim ciśnieniem (30–60 psi) przez złącze ssące w celu usunięcia resztek płynu z kanałów, do których nie dociera grawitacja.
3. Nałożyć inhibitor korozji lub olej konserwujący przez obszar pakowania, aby pokryć powierzchnie wewnętrzne. Zapobiega to również odkształceniu się suchych uszczelek podczas długotrwałego przechowywania.
4. Zakryj wszystkie otwarte porty —przyłącza ssące, przyłącza tłoczne i wszelkie porty oprzyrządowania — aby zapobiec przedostawaniu się wilgoci. Kondensacja we wnęce zespołu hydraulicznego podczas przechowywania przez całą zimę wystarczy, aby spowodować korozję wżerową na gniazdach zaworów i otworach tłoka.
5. Oznacz i udokumentuj stan zachowania urządzenia aby powracające załogi nie uruchamiały przypadkowo zakonserwowanej pompy bez konieczności ponownego uruchomienia.

Podczas ponownego uruchamiania po przechowywaniu w chłodni, zawsze przed uruchomieniem należy wstępnie napełnić płynem końcówkę hydrauliczną, sprawdzić, czy wszystkie korki i złączki konserwacyjne zostały usunięte, a następnie uruchomić pompę na niskiej prędkości i niskim ciśnieniu na okres docierania przed przejściem do ciśnienia roboczego. The instrukcja konserwacji końcówki mocy dla pomp frac obejmuje uzupełniające etapy ponownego uruchomienia po stronie napędu mechanicznego, które należy wykonać równolegle.

Tworzenie zapasów zimowych części zamiennych

Zimna pogoda przyspiesza zużycie dokładnie tych komponentów, które najtrudniej jest szybko pozyskać. Właściwa strategia dotycząca części zamiennych na zimę nie polega na magazynowaniu wszystkiego — polega na zaopatrzeniu w części, które najczęściej ulegają awariom w niskich temperaturach i których brak powoduje najdłuższe przestoje.

Dostępność części w odległych lokalizacjach na północy podczas szczytowych wierceń zimowych jest rzadko przewidywalna. Lokalne magazynowanie — czy to w stoczni, czy w regionalnym punkcie dystrybucji — eliminuje ryzyko związane z czasem realizacji, które może zamienić dwugodzinną naprawę w dwudniowy przestój. Kompletne części końcówki hydraulicznej i komponenty zamienne magazynowane w magazynach w USA dają operatorom możliwość szybkiego uzupełnienia zapasów bez czekania na terminy dostaw za granicę. Planowanie zapasów przed sezonem, a nie w jego trakcie, to najważniejsza decyzja dotycząca zimowania, jaką może podjąć menedżer floty.