Dank einer innovativen Konstruktion von FMC Energy Systems in Texas ist die Handhabung von manuell zu betätigenden Schieberventilen sicherer und einfacher geworden
Vor der Hauptverwaltung von FMC Energy Systems in Houston, Texas, steht ein „Christbaum“. Das hellrote, eckige Gebilde hat allerdings wenig mit einem traditionellen Christbaum zu tun, sondern besteht aus den Produkten von FMC Energy Systems, einem weltweit führenden Anbieter von Lösungen für Exploration, Förderung, Messung und Transport von Erdöl. Wie das Unternehmen hat auch der „Christbaum“ seinen Ursprung in Texas.

„Ein Christbaum ist nichts anderes als eine Ansammlung von Ventilen und Armaturen, die dazu dienen, den Strom verschiedener Flüssigkeiten – von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen bis zu Dampf und Wasser – zu regeln“, erklärt David Cain, der bei FMC Energy Systems als technischer Leiter im Bereich „Integrated Value Engineering“ tätig ist.

Durch diese Ventile und Rohrsysteme wird das Erdöl aus dem Boden gefördert und zu den Raffinerien geschickt, um die Welt mit Kraftstoff zu versorgen. Die Eruptionskreuze oder so genannten Christbäume werden in Zukunft noch langlebiger, sicherer und einfacher in der Handhabung sein, dank der neuen Ventile, die von FMC Energy Systems in Zusammenarbeit mit SKF Motion Technologies entwickelt wurden. Das Kernstück dieser Innovation ist der Einbau eines Rollengewindetriebs von SKF in die von FMC Energy Systems gefertigten Schieberventile für Bohrlochköpfe.

„Ein Rollengewindetrieb verringert ganz einfach die Reibung und ermöglicht es, das Ventil mit geringerem Drehmoment – und immer mit derselben Anzahl von Umdrehungen – zu schließen“, stellt Cain fest.

FMC Energy Systems baut Ventile für Bohrlochköpfe zur Gewinnung von Erdöl und Erdgas an Land und auf See. In beiden Fällen handelt es sich um abgelegene Einsatzorte, die sehr harten Bedingungen ausgesetzt sind. Von den oberirdischen Installationen wird erwartet, dass sie jahrzehntelang reibungslos funktionieren. Deshalb hält sich FMC Energy Systems bei der Konstruktion und Fertigung seiner Produkte eng an die Standards des American Petroleum Institute (API). Die API-Spezifikation für Bohrlochköpfe und Eruptionskreuze (API 6A) umfasst eine Temperaturspanne von minus 60° bis plus 177° Celsius und gibt die zulässigen Metalle an, die für Ventilkomponenten bei unterschiedlichen Bohrlochverhältnissen – von nicht-korrosiven bis hochkorrosive Flüssigkeiten – verwendet werden dürfen. Außerdem deckt die API 6A Nennbetriebsdrücke von knapp unter 14 Megapascal bis zu 140 Megapascal ab.

Differenzdruck
Das Problem ist jedoch der Differenzdruck. Es gibt maschinell und durch Roboter betätigte Ventile, aber Eruptionskreuze haben für jedes automatisch betätigte Ventil mindestens ein oder sogar zwei manuell zu betätigende Ventile als Backup für die automatischen. Sie sorgen dafür, dass das Bohrloch auch bei Stromausfall jederzeit geöffnet oder geschlossen werden kann. Ein manuelles Ventil wird – wie der Name schon sagt – von Hand betätigt. Das heißt, jemand muss in der Lage sein, die Kurbel zu drehen. Bei Bohrlochköpfen mit hohem Druck kann das ein schwieriges Unterfangen sein.

Beim Öffnen oder Schließen eines Schieberventils kommt es zu einem Punkt, an dem der Differenzdruck den Schieber gegen den Ventilsitz drückt. Die benötigte Kraft, um diesen Punkt zu überwinden, kann die Handhabung des Ventils erschweren. Bisher bestand die Lösung darin, mit mechanischen Mitteln das erforderliche Drehmoment um einen Faktor von acht oder mehr herabzusetzen. Im Gegenzug, so hätte es schon Archimedes vorausgesagt, erhöht sich die Zahl der Kurbelumdrehungen um ein Achtfaches oder mehr. In einem Notfall, wenn es darum geht, Ventile schnell zu schließen, ist das unter Umständen ein Problem.

Die leichtere, aber zeitaufwändigere Handhabung hat außerdem zur Folge, dass das Ventil in der Drosselungsphase einer stärkeren Beanspruchung ausgesetzt ist. Der Flüssigkeitsstrom an einem Bohrloch ist voller Sand, korrosiven Stoffen und Gasen. Wenn sich der Strom an einem teilweise geschlossenen Schieberventil vorbei presst, entsteht ein erhöhter Druck auf das Ventil.

„Jedes Mal, wenn sich das Ventil öffnet oder schließt, kommt es zu einer Art von Drosselung, und das beansprucht Ventilsitze und –schieber“, kommentiert Don Hallden, der bei FMC Energy Systems als Projektingenieur beschäftigt ist.

FMC Energy Systems brauchte also ein manuelles Schieberventil, das rasch geöffnet und geschlossen werden konnte. Das würde nicht nur das Verschleißproblem auf ein Minimum reduzieren, sondern auch die Zeit für das Schließen des Ventils in einem Notfall. Das Ventil sollte außerdem ein relativ niedriges Drehmoment und eine hohe Zuverlässigkeit haben.

Cain, Hallden und andere Techniker von FMC Energy Systems zogen zur Lösung des Problems verschiedene Optionen in Betracht. Das Unternehmen verfügt über eine umfassende Sachkompetenz im Maschinenbau und eine langjährige Erfahrung im Bereich der Ventiltechnik. Man entschied sich dafür, die Rollengewindetriebe von SKF näher zu untersuchen. Sie hatten den Vorteil einer direkten Antriebswirkung ohne Bedarf an mechanischer Untersetzung. Ein weiteres Plus war die Zuverlässigkeit, die sich mit diesem Produkt erreichen ließ.

Andererseits waren Rollengewindetriebe noch nie zuvor in Schieberventilen für Erdöl-Bohrlochköpfe verwendet worden. Hinzu kam, dass sich in einer typischen Applikation für Rollengewindetriebe eine Mutter mit ziemlich hoher Geschwindigkeit und ziemlich großem Arbeitsspiel entlang einer Spindel auf- und abbewegt. FMC Energy Systems war an einer nahezu statischen Anwendung mit relativ hohen Anforderungen an die Tragfähigkeit interessiert. Derartige Bedürfnisse waren ungewöhnlich.

Gemeinsame Bemühungen
Die Ingenieurteams von FMC Energy Systems und SKF setzten sich zusammen und beleuchteten das Problem aus allen Blickwinkeln. Der Lösungsprozess ein-schließlich Testphase des neu entwickelten Ventils dauerte ungefähr ein Jahr.

SKF hatte die Aufgabe, die Spindelwahl zu optimieren, um die Zahl der Umdrehungen für das Öffnen und Schließen des Ventils zu minimieren. Darüber hinaus musste SKF die Spindelenden an die spezielle Applikation des Kunden anpassen, um den Anschluss an die Ventilstange zu erleichtern, die den korrosiven Einsatzbedingungen besonders ausgesetzt ist.

Hinzu kam noch ein weiteres technisches Problem, mit dem sich SKF auseinander setzen musste. „Wir waren gezwungen, bei der Optimierung des Rollengewindetriebs die Tragfähigkeit innerhalb der vom Ventildeckel gesetzten Grenzen zu maximieren“, erinnert sich Wayne Greer, Geschäftsleiter für Linearsysteme bei SKF Motion Technologies.

Gleichzeitig musste FMC Energy Systems eine Konstruktion entwickeln, die den Rollengewindetrieb vor korrosiven Flüssigkeiten jeder Art schützen würde. Darüber hinaus galt es, verschiedene Punkte zu klären, die bisher als Hindernis für den Einsatz von Rollengewindetrieben in derartigen Applikationen galten. FMC Energy Systems gelang es, diese Probleme zu lösen. Die daraus resultierende Innovation ist inzwischen patentiert.

Nach umfangreichen Tests lancierte das Unternehmen Anfang 2002 die neue Serie. Die als VLT(Very Low Torque)-Schieberventile bezeichneten Produkte waren bei Temperaturen von minus 30° bis über 200° Celsius erprobt worden und hatten sich bewährt. Die VLT-Schieberventile von FMC Energy Systems sind für Arbeitsdrücke von über 100 Megapascal zertifiziert.