BR0202432B1 - Dispositivo de vedação metálico - Google Patents

Description

"DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO METÁLICO" Campo Técnico A presente invenção refere-se genericamente a um dispositivo de vedação de metal com metal e, mais especificamente, a uma gaxeta aperfeiçoada para a vedação entre um alojamento de cabeça de poço e um conector de cabeça de poço.

Descrição da Técnica Anterior Em conjuntos ou montagens de cabeça de poço de petróleo e gás, membros tubulares são conectados ponta a ponta e selados por uma gaxeta ou anel de vedação. Um tipo de anel de vedação mais especificamente usado em conjuntos de cabeça de poço submarino é de metal e possui pernas superior e inferior. Uma nervura se estende radialmente para o exterior a partir de uma junção das pernas. Cada perna tem uma superfície de vedação cônica que se engata com uma sede cônica sobre um dos membros de cabeça de poço. A superfície de vedação cônica é um cone contínuo que se estende da extremidade da perna para a nervura. 0 ângulo de conicidade ou ângulo de chanfro da superfície de vedação é tipicamente ligeiramente diferente daquele do ângulo de conicidade da sede, criando um acoplamento de vedação de metal com metal por interferência. Um revestimento, tal como uma liga de prata, pode ser aplicado à superfície de vedação para aumentar a vedação.

Este tipo de vedação funciona bem. Todavia, aperfeiçoamentos são desejados na capacidade da vedação selar contra gás sob alta pressão por longos períodos de tempo.

Sumário da Invenção 0 dispositivo de gaxeta de vedação da presente invenção tem duas pernas se estendendo opostamente e uma nervura se estendendo radialmente a partir da junção das pernas. Um par de bandas de vedação é localizado sobre pelo menos uma das pernas. As bandas de vedação são localizadas sobre pelo menos uma das pernas. As bandas de vedação são separadas por um recesso ou reentrância anular. Uma das bandas de vedação se estende da extremidade da perna para o recesso. A outra se estende da nervura para o recesso.

De preferência, as bandas são localizadas na mesma superfície cônica de revolução. 0 ângulo de conicidade é ligeiramente menor em relação ao eixo geométrico do anel de vedação, do que a sede. Isto ocasiona maior pressão de contato na banda de vedação localizada adjacente à extremidade do que naquela contíguo com a nervura. Um revestimento de sulfeto de molibdênio é aplicado às bandas de vedação na concretização preferencial. 0 recesso tem bordas superior e inferior coniformes e na sua modalidade de realização preferencial, tem uma base côncava.

De preferência, ambas as pernas são idênticas. Todavia, uma versão da gaxeta de vedação tem uma perna de vedação contingente no caso da sede cônica sobre o membro tubular inferior ser danificada. A perna de vedação contingente tem somente uma única banda de vedação, e está localizada adjacente à extremidade e separada por uma seção de suporte. A banda de vedação contingente se apresenta a uma inclinação muito mais pronunciada, em relação ao eixo geométrico do anel de vedação, do que as duas bandas de vedação sobre a perna oposta.

Descrição Sucinta dos Desenhos A figura 1 é uma vista lateral seccional de uma gaxeta de vedação construída de acordo com a presente invenção e mostrada instalada entre um alojamento de cabeça de poço e um conector de cabeça de poço. A figura 2 é uma vista secional ampliada da gaxeta de vedação da figura 1. A figura 3 é uma vista seccional adicionalmente ampliada de uma parte da gaxeta de vedação da figura 1 A figura 4 é uma vista seccional de uma concretização de emergência da gaxeta de vedação da figura 1.

Descrição Detalhada da Concretização Preferencial da Presente Invenção Reportando-se à fig. 1, o alojamento de cabeça de poço 11 tem um diâmetro interno 13 terminando sobre sua extremidade superior em um aro com um rebordo voltado para cima 17. Uma sede primária cônica ou superfície de vedação 19 se estende do rebordo 17 para baixo e para dentro. A superfície de vedação primária 19 tem uma borda marginal inferior que se reúne com uma sede secundária ou superfície de vedação 21. A superfície de vedação secundária 21 de preferência é também cônica, porém a um ângulo menor em relação ao eixo geométrico do diâmetro interno 13 do que a superfície de vedação primária 19. A borda marginal inferior da superfície de vedação secundária 21 se reúne com uma superfície de transição 23. A extensão axial da superfície de vedação secundária 21 e menor que a extensão axial da superfície de vedação primária 19 na concretização preferencial. A superfície de transição 23 é uma superfície cônica com uma borda inferior que se reúne com o diâmetro interno 13.

Um conector de cabeça de poço 25 se conecta com o alojamento da cabeça de poço 11. 0 conector de cabeça de poço 25 tem uma parte inferior que desliza sobre o exterior do alojamento de cabeça de poço 11. 0 conector de cabeça de poço 25 tem um membro de trancamento tais como pinos de retenção (não mostrados) que são engatados com reentrâncias (não mostradas) formadas sobre o exterior do alojamento de cabeça de poço 11. 0 conector de cabeça de poço 25 tem um diâmetro interno 33 que é coaxial com o diâmetro interno 13. Um rebordo voltado para baixo 35 do conector de cabeça de poço 25 contata e está apertado de encontro ao rebordo 17 do alojamento de cabeça de poço 11. Um recesso 37 é localizada radialmente para dentro do rebordo voltado para baixo 35. 0 recesso 37 apresenta uma parede externa 38 que é cilíndrica e coaxial com o diâmetro interno do conector de cabeça de poço 33. Uma sede cônica ou superfície de vedação 39 se estende para cima e para dentro do recesso 37. A superfície cônica 39 tem uma borda marginal superior que se une com um rebordo de transição 41. 0 rebordo de transição 41 é perpendicular ao eixo geométrico do diâmetro interno 33.

Uma gaxeta ou anel de vedação 43 localiza-se entre o conector de cabeça de poço 25 e o alojamento da cabeça de poço 11. 0 anel de vedação 43 é genericamente em forma de 'Tr, e na presente concretização tem uma extremidade superior ou perna 44 e uma extremidade inferior ou perna 46 que são simétricas. Cada parte tem uma primeira banda de vedação 45 próxima de uma extremidade e uma segunda banda de vedação 47 espaçada da banda de vedação 45 por um recesso 49. Uma nervura 53 se estende radialmente para fora sobre o exterior do anel de vedação 43. A nervura 53 localiza-se no recesso 37, com o lado externo da nervura 53 localizado para dentro da superfície de parede externa 38 do recesso.

Cada primeira banda de vedação 45 se estende de uma extremidade de sua perna de vedação 44 ou 46 no sentido da nervura 53. Cada segunda banda de vedação 47 se estende da nervura 53 no sentido da extremidade de sua perna de vedação 44 ou 46. Na concretização preferencial, o recessp 49 está localizada a meio caminho entre a extremidade de cada perna 44 ou 46 e a nervura 53. Cada banda de vedação 45, 47 tem substancialmente a mesma largura nesta modalidade de realização. 0 recesso 49 tem uma largura que é selecionada para aumentar as pressões de contato das bandas de vedação 45, 47 contra suas sedes. Todavia, as larguras das bandas de vedação 45, 47 deve ser suficientemente grande de modo a evitar qualquer vazamento devido a pequenos arranhões nas bandas de vedação 45, 47 ou sedes que ocorrem durante a instalação. De preferência a largura de cada banda 45, 47 é de várias vezes a largura do recesso 49. Como mostrado na fig. 3, de preferência as bordas superior e inferior do recesso 49 são coniformes. Também, o recesso 49 de preferência é uma superfície curvada contínua, tendo uma base côncava 49a formada em um raio. 0 recesso 49 é bastante raso, dotado de uma profundidade que é menor que sua largura. 0 anel de vedação 43 é de metal e é construído de forma que suas bandas de vedação 45, 47 atuem com interferência sobre as superfícies cônicas 39 e 19. A interferência causa resiliência elástica ou de escoamento e permanente quando o conector de cabeça de poço 25 conecta-se com o alojamento de cabeça de poço 11. A resiliência elástica do anel de vedação 43 proporciona a ação de vedação necessária entre as bandas de vedação 45, 47 e as sedes cônicas 39 e 19.

Nas modalidades das figuras 1 e 2, cada banda de vedação 45, 47 está no mesmo ângulo de conicidade em relação ao eixo geométrico do anel de vedação 43 e na mesma superfície cônica de revolução. Este ângulo de conicidade, no entanto, é preferencialmente ligeiramente diferente do ângulo da sede 39 ou 19 de forma a criar mais tensão de contato sobre a primeira banda cônica 45 do que a segunda banda cônica 47. Em referência as figuras 1 e 2, o ângulo 51 é menor em relação ao eixo geométrico do anel de vedação 43 do que os ângulos das sedes 39 e 19 dos membros de cabeça de poço 25 e 11. Ângulos adequados 51 estão na faixa de 22 a 45 graus.

Em referência à figura 3, o corpo de metal do anel de vedação 45 é preferencialmente de metal de grande resistência, tal como aço inoxidável tendo uma resistência elástica ou limite de escoamento de pelo menos 2,41xl08 a 2,76xl08 KPa (35 a 40 mil pounds/in2). Um revestimento 55 é formado sobre as bandas de vedação 45, 47 a fim de aumentar a vedação. Embora que mostrado no recesso 49, o revestimento no recesso 49 não tem o propósito de vedação. O revestimento 55 é preferivelmente sulfeto de molibdênio. No método preferido as bandas de vedação 45, 47 são acabadas a um alto grau de lisura, tal como 8 RMS, então perfeitamente limpo. O sulfeto de molibdênio é revestido sobre a superfície lisa sem jatear com areia o material de base. Isso fornece um acabamento de superfície mais liso. A figura 4 mostra uma gaxeta contingente 81 no caso que uma superfície da vedação primária 19 do alojamento da cabeça de poço 11 fique danificado. O anel de vedação 81 tem uma superfície de vedação superior que é a mesma que em outras modalidades. Ele tem uma primeira banda da vedação 84 e uma segunda banda de vedação 86 separada por um recesso 83. A perna inferior, no entanto, difere e pode ser construída como mostrado na ÜS 5.103.915. A perna inferior tem uma seção de suporte 85 que se estende para baixo, cobrindo a superfície de vedação primária 19. A seção de suporte 85 é cônica, à mesma inclinação que a superfície de vedação primária 19, no entanto pode ser de uma dimensão menor de modo que a mesma não toque. Isso resulta em um intervalo entre a seção de suporte 85 e a superfície de vedação primária danificada 19. Sob carregamento, uma parte da seção de suporte 85 vai desviar e tocar a superfície de vedação primária 19, mas não suficiente para fazer a vedação.

Uma superfície de vedação inferior 89 se estende para baixo a partir da seção de suporte 85. Superfície de vedação inferior 89 se inclina em relação ao eixo geométrico do diâmetro interno 13 na mesma inclinação que a superfície de vedação secundária 21. Ela é dimensionada em um diâmetro maior de modo a criar uma interferência adequada com a superfície de vedação secundária 21. 0 anel de vedação 81 tem um diâmetro interno com uma parte superior 91a que é cônica e conduz a uma parte central 91b que é cilíndrica. A parte central 91b conduz a uma parte inferior 91c que é cônica. A parte central 91b é de maior diâmetro que as partes superior e inferior 91a, 91c. Isto proporciona um diâmetro interno reentrante ou côncavo para auxiliar na flexibilidade do anel de vedação 81. A invenção apresenta significativas vantagens. Testes comprovaram que uma vedação construída como acima foi suscetível de suportar testes de pressão mais rigorosos que as vedação da técnica anterior, dotadas de somente uma única banda de vedação e nenhum recesso. Isto é particularmente importante para instalações de poços submarinos em águas profundas.

Embora a invenção tenha sido mostrada em somente duas de suas formas, deve ser evidente aqueles versados na técnica que não está assim limitada porém suscetível a várias alterações sem se afastar do âmbito da invenção. Por exemplo, ainda que a exposição acima trate de deformação permanente ou plástica do anel de vedação, é também aplicável a anéis de vedação metálicos projetados para deformação elástica.

Claims (6)

1. Dispositivo de vedação metálico, compreendendo: um anel (43) tendo primeira e segunda pernas (44, 46) se estendendo em direções opostas e uma nervura (53) se estendendo radialmente para o exterior a partir de uma junção das pernas (44, 46); uma superfície de vedação (19) em uma parte exterior de cada uma das pernas (44, 46); uma primeira banda cônica (45) se estendendo substancialmente a partir de uma extremidade da primeira perna; uma segunda banda cônica (47) se estendendo substancialmente a partir da extremidade da nervura (53); cada uma das bandas (45, 47) sendo inclinada em um mesmo ângulo cônico, o ângulo cônico sendo selecionado para diferir de um ângulo de sede, de modo a causar maior pressão de contato na primeira banda (45) do que na segunda banda (47); caracterizado pelo fato de a superfície de vedação (19) nas primeira e segunda pernas (44, 46) compreender um par de bandas cônicas (45, 47) separadas por um recesso (49).

2. Dispositivo de vedação metálico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o recesso (49) tem bordas coniformes superior e inferior.

3. Dispositivo de vedação metálico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada uma das bandas (45, 47) tem uma largura que é maior que uma largura do recesso (49).

4. Dispositivo de vedação metálico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a superfície de vedação (19) na segunda perna (46) compreende uma banda de vedação contingente (81) se estendendo a partir de uma extremidade da segunda perna (46) na direção da nervura (53) e separada da nervura (53) por uma superfície de apoio (85), que está em um ângulo substancialmente diferente em relação à banda de vedação contingente (81).

5. Dispositivo de vedação metálico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um revestimento (55) em cada uma das bandas (45, 47) de sulfeto de molibdênio.

6. Dispositivo de vedação metálico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada adicionalmente pelo fato de que compreende: uma terceira banda cônica (84) na perna inferior (46) se estendendo sem interrupção a partir da nervura (53) por uma distância selecionada na direção de uma extremidade da perna inferior (46); uma quarta banda cônica (86) na perna inferior (46) se estendendo sem interrupção a partir da extremidade da perna inferior (46) na direção da terceira banda cônica (84); e um recesso anular (83) localizado entre as terceira e quarta bandas cônicas (84, 86).