BR0111409B1 - Válvula de regulação para manter uma pressão de fluido dentro de um volume definido - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VÁLVULA DE

REGULAÇÃO PARA MANTER UMA PRESSÃO DE FLUIDO DENTRO DE UM VOLUME DEFINIDO". A invenção refere-se a um método para manter uma pressão de fluido dentro de um volume definido e simultaneamente registrar a descarga de fluido do volume como um resultado de vazamento ou consumo. A invenção refere-se adicionalmente a uma válvula de regula- gem para manter uma pressão de fluido dentro de um volume definido e pa- ra o registro simultâneo da descarga de fluido a partir do volume um resulta- do de vazamento ou consumo, válvula esta que compreende um alojamento de válvula que tem uma primeira câmara que constitui o dito volume e que se comunica com uma saída de válvula e um pistão disposto na câmara e sendo influenciado em uma primeira direção por uma mola de tensionamen- to e uma pressão de referência, e cooperando através de uma haste operan- te com um corpo de válvula para abrir e fechar a passagem entre uma en- trada de válvula e a extremidade a montante da câmara, sendo que o corpo de válvula é tensionado por mola na direção da posição fechada na direção oposta àquela do pistão, tal que a válvula é fechada quando o pistão está em equilíbrio na câmara a uma primeira pressão na câmara, mas abre quando a pressão na câmara cai abaixo da primeira pressão.

Tal método é de interesse em conjunto com a operação de má- quinas rotativas para uso em instalações submarinas para produção de óleo e gás, para manter o controle de condições de pressão e um possível vaza- mento em vedações mecânicas em tais máquinas. Máquinas típicas serão bombas multifásicas, compressores de gás molhado, bombas de injeção de água, separadores rotativos, etc. tais vedações mecânicas são usadas, por exemplo, para fazer a vedação entre um líquido do processo e um líquido de barreira no caso de eixos rotativos e a função de vedação, com freqüência, depende de ter uma sobre-pressão hidráulica a partir de uma barreira líquida que fica, por exemplo, 10 a 20 bar acima de uma pressão circundante, que normalmente será a pressão do líquido do processo. As vedações mecâni- cas, normalmente, têm um certo vazamento de líquido de barreira para o líquido de processo. Logo, é necessário proporcionar o suprimento contínuo de líquido de barreira. Depois de algum tempo de operação, o consumo do líquido de barreira em instalações submarinas pode aumentar por causa do desgaste das vedações mecânicas, e pode ser necessário realizar uma in- terrupção da máquina rotativa. Neste contexto, é importante ter um controle contínuo do consumo de líquido de barreira, tal que a substituição possa ser planejada e realizada na hora.

Nas máquinas rotativas que são instaladas no leito do mar atu- almente, e que utilizam um líquido de barreira para lubrificação e resfriamen- to, a regulação da pressão usualmente acontece a partir de uma plataforma ou navio de produção. A pressão é controlada por uma unidade de energia hidráulica (HPU) a bordo da plataforma ou navio de produção. A pressão é ajustada em uma pressão fixa ou é mudada com base em sinais de pressão a partir da máquina e o processo no leito do mar. Tal sistema tem uma res- posta lenta e só será usado no caso de distâncias relativamente curtas entre a unidade HPU e a instalação submarina. Tal sistema também terá limita- ções a profundidades oceânicas maiores por causa da pressão hidrostática e deste modo, uma pressão mínima abaixo da qual o sistema não pode re- gular.

Também existem outros sistemas de regulação submarinos em que uma função de regulação de pressão é efetuada no leito do mar. Estas soluções conhecidas são relativamente complicadas e demandam espaço, sendo que as soluções consistem em um sistema que tem um número maior de válvulas, foles compensadores contra pressão do processo, etc. O objetivo da invenção é proporcionar um método e um disposi- tivo que impliquem um monitoramento de pressão e regulação de pressão muito simples em conjunto com vedações mecânicas do tipo relevante, em que solucione os problemas discutidos acima em que a regulação acontece localmente na máquina rotativa. O objetivo mencionado acima é atingido com um método do tipo referido na introdução que, de acordo com a invenção, é caracterizado pelo fato de que o fluido é fornecido a partir de uma válvula de regulação de pressão dotada de um meio de abertura para o fornecimento de fluido para o volume quando a pressão tiver caído abaixo de um primeiro valor e para in- terromper o fornecimento de fluido quando a pressão no volume tiver alcan- çando um segundo valor predeterminado que seja substancialmente maior do que o primeiro valor, um pulso de pressão entregue a partir da válvula de regulação sendo registrado, deste modo, e que a freqüência de pulsos de pressão entregues seja monitorada e utilizada como uma medida de ocor- rência de vazamento e/ou consumo do fluido. O objetivo declarado também é alcançado com uma válvula de regulação que é do tipo estabelecido na introdução, e que é caracterizada pelo fato de que a válvula é dotada de um meio que faz com que aquele mo- vimento do corpo da válvula até a posição fechada da passagem só ocorra a uma segunda pressão na primeira câmara, que é substancialmente maior do que a primeira pressão, tal que um aumento de pressão distinto ocorre na saída da válvula depois de cada abertura da válvula. Este aumento de pres- são pode ser registrado como um pulso de pressão distinto mesmo que a segunda pressão mais alta não seja alcançada imediatamente.

Na presente invenção, o dito monitoramento é realizado sim- plesmente por meio do registro dos pulsos de pressão gerados a cada vez que a válvula de regulação abre para o fornecimento de fluido, isto é, líquido de barreira, para o volume relevante. Os pulsos de pressão são registrados de maneira adequada com um sensor de pressão padrão montado no circui- to de óleo de barreira na máquina rotativa. No caso da instalação de diver- sas máquinas rotativas na mesma estrutura submarina, estas podem usar um cordão comum para o fornecimento de óleo de barreira a partir da plata- forma ou navio de produção em questão. Este é conectado à entrada da vál- vula e tem uma pressão de fornecimento constante que é maior do que o nível da pressão de saída da válvula na saída da válvula. Com base na fre- qüência dos pulsos de pressão, será possível monitorar a condição de veda- ção e compensar o consumo de líquido de barreira atual. O dispositivo de válvula, de acordo com a invenção, só consiste em um alojamento de válvula e constitui uma solução muito mais simples e mais compacta do que a que é usada na técnica anterior. A invenção será descrita adicionalmente abaixo em conjunto com modalidades exemplares com referência aos desenhos, em que A Figura 1 mostra um corte longitudinal de uma válvula de regu- lação de pressão de um desenho conhecido; A Figura 2 mostra um corte longitudinal de uma primeira modali- dade de uma válvula de regulação de pressão de acordo com a invenção; A Figura 3 mostra um segmento A da válvula na Figura 2 em uma escala ampliada, mas em uma outra fase de operação; e A Figura 4 mostra um corte longitudinal de uma outra modalida- de da válvula de regulação de pressão de acordo com a invenção.

Nas diferentes figuras, partes e elementos correspondentes são designados pelas mesmas referências numéricas.

Na presente invenção, uma válvula de regulação de pressão padrão que é disposta de modo a manter uma dada pressão P1 a jusante, foi tomada como ponto de partida. Tal válvula 1 de um tipo conhecido é mos- trada na Figura 1. A válvula compreende um alojamento de válvula 2 tendo uma primeira câmara cilíndrica 3 se comunicando com uma saída de válvula 4 e um pistão 5 que é disposto de modo deslocável na câmara 3. O pistão coopera através de uma haste de operação 6 com um corpo de válvula 7 para abrir e fechar uma passagem 8 entre uma entrada de válvula 9 e a ex- tremidade a montante da câmara 3. O corpo de válvula 7 é preso à haste de operação 6 e é disposto de modo deslizante em uma cavidade 10 no aloja- mento da válvula 2. Na posição fechada da válvula, o corpo de válvula 7 se apoia contra um assento 11, sendo que o corpo de válvula é influenciado na direção de sua posição fechada por uma mola de retorno 12.

Conforme mostrado, o pistão 5 é influenciado por uma mola pré- carregada 13 colocada em um retentor de mola que forma o pistão 14, sen- do que o retentor de mola pode se deslocar em paralelo ao pistão 5 em uma cavidade 15 que se comunica com um canal 16 que, em operação, será a- coplado a uma pressão circundante que constitui uma pressão de referência.

Quando a válvula é orientada, conforme mostrado na Figura 1, o pistão 5 é influenciado em uma direção para ascendente pela pressão cir- cundante via canal 16 e a força de tensionamento a partir da mola 13. Na direção descendente, o pistão 5 é influenciado pelas forças de pressão ori- undas do fluido na câmara 3 e pela força de tensionamento da mola de re- torno 12, sendo que estas forças são transferidas para o pistão 5 através da haste de operação 6. A pressão na câmara 3 se ajustará automaticamente até um nível condicionante em que as forças ascendentes e descendentes estejam em equilíbrio. Quando a pressão na câmara 3 cair, tal que este equi- líbrio seja perturbado, o pistão 5 será pressionado para cima e procurará restaurar o equilíbrio em que o corpo de válvula 7 é pressionado em afasta- mento de seu assento 11 e abre para o fornecimento de fluido para a câma- ra 3. O diâmetro do assento 11 do corpo de válvula 7 é pequeno com rela- ção ao diâmetro do pistão 5. Contanto que não exista uma diferença muito grande entre a pressão a jusante desejada mencionada acima P1, isto é, a pressão na saída da válvula 4 e a pressão do fluido a montante do corpo da válvula 5, a pressão na câmara 3 e deste modo, a pressão na saída da vál- vula, serão capazes de ser mantidas estáveis no valor P1, da maneira que é a finalidade desta válvula conhecida.

Uma modalidade modificada da válvula na Figura 1 é mostrada na Figura 2 e constitui uma primeira modalidade da válvula de regulação de acordo com a invenção.

Conforme mencionado na introdução, a válvula de regulação, de acordo com a invenção, é dotada de um meio que faz com que o fechamen- to da válvula só aconteça a uma segunda pressão (P2) na primeira câmara que é substancialmente mais alta do que a primeira pressão (P1). Na válvula modificada 20 mostrada na Figura 2, isso é conseguido pelo fato de que a válvula, que no ponto de partida é disposta para abrir para o fornecimento de fluido quando a pressão a jusante cai abaixo do valor P1, é dotada de um meio que utiliza pressão de fluido a montante para exercer uma força maior direcionada para cima sobre o pistão 5. Isso acarreta que a pressão a jusan- te tem que ser aumentada até um nível mais alto antes de haver novamente um equilíbrio entre as forças direcionadas para cima e para baixo que agem sobre o pistão 5. Conseqüentemente, a válvula 20 só fechará quando a pressão a jusante tiver alcançado um valor P2 mais alto.

Conforme melhor mostrado na Figura 3, que mostra um segmen- to A da válvula na Figura 2 em uma escala ampliada, o dito meio compreen- de primeiramente um corpo 21 que é disposto dentro da primeira câmara 3 e é preso ao alojamento de válvula 2 na extremidade a montante da câmara 3. O corpo 21 contém uma segunda câmara 22, normalmente fechada, que se comunica com a entrada de válvula 9 via corpo de válvula 7 (veja a Figura 2). Adicionalmente, é proporcionado um meio para a provisão de uma cone- xão de fluido entre a segunda câmara 22 e a primeira câmara 3 por meio da ativação do meio em dependência da pressão na segunda câmara e sob a influência da força a partir de uma mola pré-carregada 23, e um elemento 24 para transferir força da mola 23 para o pistão 5 por meio da ativação do meio de conexão, tal que a válvula só fecha quando a pressão na segunda câma- ra 22 tiver aumentado até um valor P2 causando a dita ativação. Com esta ativação, a força de tensionamento da mola 23 é transferida para o pistão 5, conforme descrito adicionalmente abaixo. O meio de conexão-produção compreende uma camisa 25 que é montada de modo deslizante sobre uma parte de guia do corpo 21 e um dis- co de vedação anular 26 cooperando com uma superfície de vedação perifé- rica 27 sobre a camisa 25 e sendo influenciada na direção da posição fecha- da pela mola 23. O elemento de transferência de força da mola 24 compre- ende um corpo tipo tampa que é rosqueado ao pistão 5 em uma extremidade inferior e tem uma parte de fundo superior 28 que forma uma superfície de apoio para a camisa 25 e a mola 23 por meio da dita ativação do meio de conexão. Conforme mostrado, as paredes laterais da tampa 24 são dotadas de aberturas 29 que formam parte da dita conexão fluida formada pela ativa- ção do meio de conexão 25, 26, 27. A haste de operação 6 é passada através de uma guia estreita 30 no centro do corpo 21 abaixo da segunda câmara 22. O vazamento nesta guia é muito modesto e não tem importância para a função de regulação conseguida que deve ser adicionalmente descrita abaixo. O dito aumento da força direcionada para cima sobre o pistão 5 é produzido pelo fato de que o fluido, de modo a entrar na câmara 3 quando a válvula é aberta, tem que fluir através da segunda câmara 22, sendo que a força direcionada para cima oriunda da mola 23 é então transferida para o pistão 5. A câmara 22 no ponto de partida é fechada pelo fato de que a força oriunda da mola 23 pressiona o disco de vedação 26 contra a superfície de vedação 27 na camisa 25.

De modo a entrar na segunda câmara ou câmara de saída 3, o fluido tem que pressionar o disco de vedação tensionado por mola 26 para cima a partir da superfície de vedação 27. Isso só acontece depois de o flui- do ter pressionado a camisa 25 para cima tal que obtenha contato com o lado de baixo da parte inferior 28 da tampa 24. Como a tampa impede que a camisa 25 se mova mais para cima, a pressão na câmara 22 aumentará ain- da mais até ser alta o suficiente para pressionar o disco de vedação tensio- nado por mola 26 para cima, tal que o fluido possa fluir mais e para dentro da câmara de saída 3. Esta situação é mostrada na Figura 3. Quando o dis- co de vedação perde contato com a superfície de vedação 27, a força de tensionamento oriunda da mola 23 será transferida para o pistão 5 via tampa 24. Nesta situação, a pressão na câmara 3 tem que aumentar até um nível P2 antes de a válvula fechar novamente. Assim, a diferença entre os níveis de pressão P1 e P2 é determinada diretamente pela força de tensionamento da mola 23.

Os níveis escolhidos para os valores de pressão P1 e P2, de preferência, são escolhidos de tal modo que estejam próximos dos limites externos da faixa de pressão desejada pelo fabricante como uma faixa de operação para as vedações mecânicas na máquina. Geralmente, será favo- rável para o tempo de vida da válvula de regulação que o número de ativa- ções por unidade de tempo seja tão pequena quanto possível. Para isso, é favorável deixar que as vedações mecânicas tenham uma conexão aberta com um volume elástico, relativamente grande. Este volume tampão é forne- cido com uma dada quantidade de fluido em cada abertura da válvula, tal que o consumo de fluido possa ser medido ao mesmo tempo em que a fre- qüência de ativações é reduzida. O tamanho do volume tampão tem que ser equilibrado contra quão rapidamente se deseja registrar as mudanças com relação ao nível de vazamento.

Uma outra modalidade da válvula de regulação, de acordo com a invenção, é mostrada na Figura 4. Nesta modalidade, o objetivo declarado na introdução é conseguido por meio de uma modificação simples da válvula de regulação de acordo com a Figura 1. Se as vedações mecânicas relevan- tes forem dependentes da pressão de fluido ser mantida a um nível estável, será necessário com esta solução ver se também a pressão de fornecimento do líquido de barreira é mantida em um nível estável. A modificação requerida da válvula de regulação conhecida, de acordo com a Figura 1, é que a área da superfície de vedação do corpo da válvula 7 seja aumentada sem aumentar a seção transversal de fluxo a mon- tante da câmara 3. Assim, a Figura 4 mostra uma válvula 35 que tem um corpo de válvula 36 com uma superfície de vedação que tem uma área rela- tivamente grande, ou em outras palavras, em que a seção transversal do assento 37 seja aumentada, enquanto a seção transversal de fluxo da pas- sagem a montante da câmara 3 fique relativamente pequena. A dita modifi- cação acarreta que a elevação do corpo da válvula 36 a partir do assento 37, tal que a válvula de regulação de pressão abra, irá requerer uma força maior sobre o corpo da válvula do que anteriormente. Conseqüentemente, com o mesmo tensionamento ou pré-carga da mola 13, a pressão na câmara 3 cai- rá até um nível mais baixo do que antes da válvula de regulação abrir.

Quando a válvula de regulação tiver sido colocada na posição aberta, a pressão será quase idêntica e estará abaixo do corpo da válvula 36. Conse- qüentemente, a força que procura pressionar o corpo da válvula 36 na dire- ção da posição fechada, é fortemente reduzida. Isso implica que a válvula de regulação seja fechada apenas depois de a pressão na câmara 3 ter aumen- tado até o nível procurado para ser mantido pela válvula de regulação antes da seção transversal do assento ser aumentado.

Caso se pressuponha que o aumento da seção transversal do assento seja a única modificação da válvula e que se deseja manter os mesmos valores das pressões P1 e P2, a pré-carga da mola 31, conseqüen- temente, tem que ser aumentada e a seção transversal do assento 37 tem que ser adaptada para a diferença entre a pressão de fornecimento da vál- vula de regulação e o nível desejado da pressão P1.

Claims (6)

1. Válvula de regulação para manter uma pressão de fluido den- tro de um volume definido, e para o registro simultâneo da descarga de flui- do a partir do volume como um resultado de vazamento ou consumo, válvula esta (20, 35) que compreende um alojamento de válvula (20) tendo uma primeira câmara (3) que constitui o dito volume e que se comunica com uma saída de válvula (4) e um pistão (5) disposto na câmara (3) e sendo influen- ciado em uma primeira direção por uma mola de tensionamento (13) e uma pressão de referência e cooperando através de uma haste de operação (6) com um corpo de válvula (7) para abrir e fechar uma passagem (8) entre uma entrada de válvula (9) e a extremidade a montante da câmara (3), sen- do que o corpo de válvula (7) é carregado por mola na direção da posição fechada na direção oposta àquela do pistão (5), tal que a válvula é fechada quando o pistão está em equilíbrio na câmara (3), a uma primeira pressão (P1) na câmara, mas abre quando a pressão na câmara (3) cai abaixo da primeira pressão (P1), caracterizada pelo fato de que a válvula (20, 35) é dotada de um meio que faz com que aquele movimento do corpo da válvula (7) até a posição fechada da passagem (8) só aconteça a uma segunda pressão (P2) na primeira câmara (3), que é substancialmente mais alta do que a primeira pressão (P1), tal que ocorre um pulso de pressão distinto na saída da válvula (4) depois de cada abertura da válvula.

2. Válvula de regulação, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que o dito meio é disposto para utilizar pressão de fluido a montante para exercer uma força direcionada para cima maior sobre o pistão (5) na dita primeira direção, tal que a pressão na primeira câmara (3), depois desta pressão ter caído abaixo da primeira pressão (P1), tem que ser aumentada até uma segunda pressão substancialmente mais alta (P2) antes de o pistão (5) entrar novamente em equilíbrio e a válvula (20) fechar.

3. Válvula de regulação, de acordo com a reivindicação 2, carac- terizada pelo fato de que o meio compreende um corpo (21) que é preso ao alojamento da válvula (2) na extremidade amontante da primeira câmara (3) e que contém uma segunda câmara normalmente fechada (22) que se comunica com a entrada da válvula (9) via dito corpo de válvula (7), um meio (25, 26, 27) para a provisão de uma conexão fluida entre a segunda câmara (22) e a primeira câmara (3) por meio da ativação do meio em dependência da pressão na segunda câmara (22) e sob a influência da força de uma mola pré-carregada (23) e um elemento (24) para a transferência de força da mola (23) para o dito pistão (5) por meio da ativação do meio de conexão (25, 26, 27) tal que a válvula (20) só fecha quando a pressão na segunda câmara (22) tiver aumentado até a dita segunda pressão (P2) que causa a dita ativa- ção determinada pela força de tensionamento da mola (23).

4. Válvula de regulação, de acordo com a reivindicação 3, carac- terizada pelo fato de que o meio de conexão-produção compreende uma camisa (25) montada de modo deslizante sobre uma parte de guia do dito corpo (21) e um elemento de vedação anular (26) que coopera com um flan- ge de vedação periférico (27) na camisa (25) e sendo influenciado na dire- ção da posição fechada da dita mola (23) e tal que o elemento de transfe- rência de força (24) compreende um corpo tipo tampa preso ao pistão (5) e tendo uma parte de fundo (28) formando uma superfície de apoio para a ca- misa (25) e a mola (23) pela dita ativação do meio de conexão (25, 26, 27).

5. Válvula de regulação, de acordo com a reivindicação 1, carac- terizada pelo fato de que a superfície de vedação do corpo da válvula (36) tem uma área relativamente grande enquanto a seção transversal de fluxo da dita passagem a jusante do corpo da válvula (36) é relativamente peque- na, e que a força de tensionamento para a mola de tensionamento (31) do pistão (5) é escolhida tal que a válvula (35) abre e fecha no primeiro e se- gundo valores de pressão desejados (P1 e P2).

6. Válvula de regulação, de acordo com qualquer uma das rei- vindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a saída da válvula (4) é conectada a um volume tampão elástico relativamente grande que é dotado de uma dada quantidade de fluido em cada abertura da válvula (20; 35), tal que o consumo de fluido pode ser medido ao mesmo tempo em que a fre- qüência de ativações da válvula é reduzida.