Preparazione per l'inverno della vostra flotta Frac: protezione delle estremità fluide in condizioni di congelamento

Perché le temperature gelide sono particolarmente pericolose per le estremità dei fluidi

Un finale fluido che si svolge in modo impeccabile durante un'estate in Texas può fallire catastroficamente al primo forte gelo della stagione, non perché l'attrezzatura è cambiata, ma perché è cambiata la fisica. All'interno dell'estremità del fluido di una pompa per fratturazione, ci sono tre condizioni che lavorano simultaneamente contro di te quando fa freddo: cavità ad alta pressione che una volta contenevano il fluido ora intrappolano l'acqua residua, giochi lavorati con precisione che non lasciano quasi spazio a cambiamenti dimensionali e guarnizioni elastomeriche il cui lavoro dipende dal rimanere flessibili. Quando le temperature scendono sotto i 0°C, l'acqua rimasta nella pompa inizia ad espandersi mentre si congela, esercitando fino a 2.000 psi di pressione radiale contro le pareti del cilindro, i fori delle valvole e le facce del cappuccio terminale. Quella forza non discrimina tra un difetto dell'attaccatura dei capelli e una superficie sana.

Anche il profilo dei danni è ingannevole. A differenza di una guarnizione saltata durante un lavoro, le crepe dovute al congelamento spesso iniziano internamente e rimangono invisibili finché la pompa non viene nuovamente pressurizzata. A quel punto, ti ritroverai di fronte a un blocco incrinato, al foro dello stantuffo rigato o a un coperchio di scarico guasto: guasti che interrompono un'unità a metà lavoro e raramente si annunciano con segnali di allarme. Ecco perché la protezione antigelo per gruppi terminali per fluidi ad alta pressione progettati per condizioni petrolifere impegnative non è una cosa piacevole da avere; è la differenza tra una campagna invernale produttiva e una stagione di ricostruzione costosa.

L’American Petroleum Institute sottolinea quanto sia critica l’integrità delle apparecchiature in condizioni di campo estreme: API Std 16FI, il nuovo standard di sicurezza per la fratturazione della ghisa , è stato sviluppato specificatamente per affrontare i rigori delle operazioni ad alta pressione in cui le apparecchiature operano in condizioni che spingono i limiti di progettazione. Il clima freddo è uno di questi limiti ed è uno che la maggior parte degli operatori ancora sottovaluta.

I componenti più vulnerabili in una fine fluida durante l'inverno

Non tutte le parti di un'estremità fluida sono ugualmente esposte al rischio di congelamento. Comprendere quali componenti si guastano per primi, e perché, ti consente di dare priorità alle attività di ispezione laddove sono realmente importanti.

Sigilli di imballaggio

Le foche da imballaggio sono probabilmente la prima vittima del freddo. I materiali elastomerici si induriscono significativamente al di sotto di 20°F, perdendo la conformabilità necessaria per mantenere una tenuta dinamica attorno a uno stantuffo alternativo. Una guarnizione che sigilla a 70°F può perdere all'avvio in condizioni sotto zero anche prima che si verifichino danni visibili. Il ciclo termico aggrava il problema: cicli ripetuti di gelo-disgelo causano microfessurazioni nel corpo della tenuta, accelerando l'usura ben oltre quanto previsto dal conteggio delle ore di funzionamento. Guarnizioni della baderna progettate per mantenere l'elasticità sotto cicli termici valgono il costo di equipaggiamento per un inverno nel bacino settentrionale.

Stantuffi

Le superfici dello stantuffo si basano su tolleranze dimensionali strette e rivestimenti protettivi duri. In condizioni di congelamento emergono due modalità di guasto. Innanzitutto, qualsiasi fluido residuo nel premistoppa può congelarsi attorno allo stantuffo, creando una presa di ghiaccio che blocca lo stantuffo in posizione, costringendo l'estremità di potenza a superare tale resistenza all'avvio e concentrando lo stress sull'interfaccia del rivestimento. In secondo luogo, i rapidi differenziali di temperatura tra il corpo dello stantuffo (in acciaio o rivestito in ceramica) e il fluido congelato circostante creano uno shock termico che dà origine a microfessure superficiali. Stantuffi temprati costruiti per resistere alla fatica superficiale in ambienti freddi e abrasivi fornire un vantaggio significativo quando le temperature raggiungono il minimo.

Valvole e sedi

Le valvole di aspirazione e di scarico dipendono dalla precisa geometria della sede per funzionare. La contaminazione da ghiaccio, anche in tracce, può mantenere una valvola aperta o bloccata. In entrambi i casi il risultato è un'irregolarità della pressione: o il fluido bypassa la valvola e diminuisce la portata, oppure la valvola bloccata provoca picchi di pressione che caricano il blocco in modo non uniforme. I fluidi di fratturazione carichi di sabbia peggiorano la situazione; il ghiaccio e il materiale di supporto insieme possono riempire il foro di una valvola in modo più efficace rispetto a ciascuno dei due presi singolarmente.

Coperchi di scarico e aspirazione

Le coperture terminali sono soggette alla massima concentrazione di sollecitazioni di trazione nel corpo terminale del fluido, in particolare attorno ai fori dei bulloni e alle facce delle flange. In condizioni di gelo, l'espansione del ghiaccio all'interno della cavità del coperchio esercita una pressione verso l'esterno esattamente dove lo stress del materiale è già massimo. Coperchi di scarico e aspirazione costruiti per resistere alle sollecitazioni del tappo terminale dipendono dalla tenacità del materiale alle basse temperature, una specifica che diventa critica nei rari periodi di congelamento profondo del Permiano e nella routine nel Bakken.

Ispezione pre-invernale e gestione dei fluidi

Il lavoro di preparazione all'inverno più conveniente avviene prima del primo gelo, non dopo. Un'ispezione pre-stagionale strutturata su ogni fluido della vostra flotta richiede circa due o tre ore per unità e può evitare settimane di fermo macchina.

• Scaricare completamente tutto il liquido residuo. Utilizzare il punto di scarico più basso sull'estremità del fluido e verificare che la cavità sia libera prima di riporlo o metterlo in standby. Non dare per scontato che il drenaggio per gravità sia completo: in caso di dubbio, utilizzare aria compressa per spurgare i passaggi di aspirazione.
• Ispezionare le guarnizioni delle guarnizioni per eventuali segni di usura preesistenti. Qualsiasi guarnizione che mostri estrusione, labbri tagliati o compressione deve essere sostituita prima della stagione fredda, non dopo. Una tenuta che passa marginalmente a 60°F fallirà a 15°F.
• Controllare i gruppi valvola per verificare la presenza di detriti e l'integrità della sede. Il guasto della valvola a basse temperature ha quasi sempre una causa preesistente: una sede intaccata, una molla usurata, un impacco di sabbia dietro il corpo della valvola. Affrontalo ora.
• Ispezionare la coppia dei bulloni del coperchio di scarico e aspirazione. I bulloni che si sono allentati durante l'ultima campagna creano piccole trappole di liquidi. Riserrare secondo le specifiche e verificare le condizioni della filettatura.
• Passare al lubrificante per guarnizioni a bassa temperatura. I grassi da imballaggio standard si addensano notevolmente al di sotto dei 32°F. Utilizzare un lubrificante adatto alla temperatura ambiente minima prevista.
• Prova di pressione a bassa temperatura, se possibile. Un test idrostatico a freddo rivela microfessurazioni che scompaiono quando il metallo ritorna a temperatura ambiente. Anche un breve test a 1.500–2.000 psi fornisce dati diagnostici significativi.

La gestione dei fluidi va oltre la pompa stessa. Assicurarsi che le linee di aspirazione siano completamente drenate o mantenute in circolazione continua e verificare che qualsiasi distanziale a base di acqua o fluido di spostamento sia stato sostituito con un'alternativa a base di glicole se l'unità rileva temperature inferiori allo zero durante lo standby.

Mantenere calda l'estremità del fluido: strategie di riscaldamento e isolamento

Per le apparecchiature che funzionano attivamente, l'obiettivo è semplice: mantenere la temperatura del fluido al di sopra di 40°F prima dell'avvio e mantenerla al di sopra dello zero durante qualsiasi periodo di inattività superiore a 30 minuti. Esistono due approcci – riscaldamento attivo e isolamento passivo – e i programmi invernali più efficaci li utilizzano entrambi.

Riscaldamento attivo

Riscaldatori ad immersione e a circolazione posizionati nel collettore di aspirazione o direttamente nella mandata del fluido evitano che il fluido in entrata arrivi freddo alla pompa. Ciò è particolarmente importante per i fluidi fratturati a base acquosa, che iniziano a congelare a 32°F e possono congelare parzialmente nelle linee di aspirazione ben prima che la temperatura ambiente raggiunga tale soglia. Per le unità di alto valore o a funzionamento continuo, il nastro termico elettrico avvolto attorno al corpo dell'estremità del fluido e ricoperto di isolamento fornisce protezione termica diretta a costi operativi minimi. I riscaldatori a blocco sul lato motore mantengono il flusso della lubrificazione dell'estremità di potenza, ma non dare per scontato che questo calore raggiunga l'estremità del fluido: sono sufficientemente isolati termicamente affinché l'estremità del fluido possa essere ancora pericolosamente fredda quando il motore è caldo.

Isolamento passivo

Le coperte isolanti progettate per i corpi delle pompe possono trattenere il calore residuo per diverse ore durante i periodi di inattività, acquistando il tempo necessario tra un lavoro e l'altro senza energia di riscaldamento continua. I rifugi temporanei all’aria calda – recinzioni in stile tenda sopra il frac – sono una pratica standard nei bacini del Canada settentrionale e sempre più comuni negli Stati Uniti settentrionali. L’investimento nelle infrastrutture di rifugio si ripaga rapidamente se si verifica un forte gelo durante un intervallo tra le fasi.

Una regola che si applica indipendentemente dal metodo: non avviare mai un fluido a freddo sotto la piena pressione di lavoro. Lasciare che l'estremità del fluido raggiunga almeno 40°F prima di avviare il pompaggio. Lo shock termico provocato dalla guida di un fluido freddo e rigido ad alta velocità attraverso un'estremità del fluido congelato o quasi congelato è uno dei modi più affidabili per rompere un blocco che altrimenti avrebbe anni di vita utile rimanenti.

Preparazione per l'inverno delle apparecchiature inattive: protocolli di drenaggio e stoccaggio

Le apparecchiature che rimarranno inattive per più di 24 ore in condizioni di gelo necessitano di una procedura specifica, non solo di uno scarico rapido. La differenza tra una pompa che ritorna sana in primavera e una che necessita di una ricostruzione completa della parte del fluido spesso dipende dalla precisione con cui è stato eseguito questo passaggio.

1. Scaricare completamente tutte le estremità del fluido , compresi i coperchi di aspirazione, i coperchi di scarico e qualsiasi cavità nel punto più basso del gruppo collettore. Se necessario, inclinare l'unità per garantire il completamento del drenaggio per gravità.
2. Spurgare con aria compressa a bassa pressione (30–60 psi) attraverso il collegamento di aspirazione per eliminare il fluido residuo dai passaggi non raggiungibili dalla gravità.
3. Applicare un inibitore della corrosione o un olio preservante attraverso l'area di imballaggio per rivestire le superfici interne. Ciò impedisce inoltre che le guarnizioni a secco subiscano un set di compressione durante lo stoccaggio prolungato.
4. Tappare tutte le porte aperte —connessioni di aspirazione, connessioni di scarico ed eventuali porte della strumentazione—per impedire l'ingresso di umidità. La condensa all'interno della cavità dell'estremità del fluido durante un lungo periodo di rimessaggio invernale è sufficiente a causare corrosione sulle sedi delle valvole e sui fori degli stantuffi.
5. Etichettare e documentare lo stato di conservazione dell'unità quindi gli equipaggi di ritorno non avviano inavvertitamente una pompa preservata senza le fasi di rimessa in servizio.

Quando si riattiva dopo la conservazione a freddo, preriempire sempre l'estremità del fluido con fluido prima dell'avvio, verificare che tutti i tappi e i raccordi di conservazione siano rimossi e far funzionare la pompa a bassa velocità e bassa pressione per un periodo di rodaggio prima di passare alla pressione di lavoro. Il guida alla manutenzione dell'estremità di potenza per le pompe frac copre le fasi di rimessa in servizio complementari per il lato trasmissione meccanica che dovrebbero essere eseguite in parallelo.

Creazione di un inventario invernale dei pezzi di ricambio

Il clima freddo accelera l’usura proprio dei componenti che sono più difficili da reperire rapidamente. La giusta strategia per i pezzi di ricambio in vista dell'inverno non consiste nello stoccaggio di tutto, ma nello stoccaggio delle parti che si guastano più frequentemente in condizioni di freddo e la cui assenza crea tempi di fermo più lunghi.

La disponibilità dei ricambi in località remote del nord durante i picchi di perforazione invernale è raramente prevedibile. Lo stoccaggio locale, sia presso il vostro cantiere che presso un punto di distribuzione regionale, elimina il rischio di tempi di consegna che può trasformare una riparazione di due ore in un fermo di due giorni. Parti complete dell'estremità del fluido e componenti di ricambio stoccati nei magazzini degli Stati Uniti offrono agli operatori la possibilità di rifornirsi rapidamente senza attendere i tempi di spedizione all'estero. Pianificare l'inventario prima della stagione, e non durante la stagione, è l'unica decisione di preparazione all'inverno con il massimo effetto che un gestore di flotta possa prendere.