BR102012017832A2

BR102012017832A2 - vedaÇço energizada por pressço bidirecional, conexço tubular, aparelho e mÉtodo para vedaÇço entre dois membros

Info

Publication number: BR102012017832A2
Application number: BRBR102012017832-0A
Authority: BR
Inventors: Helvecio C K Silveira; Ivan Candiani; Leonardo Cardoso; Dias Rodrigo Ferreira
Original assignee: Vetco Gray Inc
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2013-07-30
Also published as: SG10201500062TA; MY163219A; SG187354A1; BR102012017832B1; CN103032047A; NO346413B1; AU2012205229A1; NO20120823A1; US9243711B2; GB2493094B; US20130020799A1; GB201212785D0; CN103032047B; AU2012205229B2; GB2493094A

Abstract

VEDAÇçO ENERGIZADA POR PRESSçO BIDIRECIONAL, CONEXçO TUBULAR, APARELHO E MÉTODO PARA VEDAÇçO ENTRE DOIS MEMBROS. Uma conexão tubular tem primeiro e segundo membros tubulares (11, 17) que têm furos alinhados (19) com um eixo geométrico comum (21) e que têm primeira e segunda superfícies de vedação (29, 33), respectivamente. Uma vedação de metal (37) tem uma primeira parte de extremidade (41) que engata de modo vedante a primeira superfície de vedação (29) e uma segunda parte de extremidade (45) que engata de modo vedante a segunda superfície de vedação (33). A vedação de metal (37) tem uma parede lateral (47) com pelo menos duas dobras (49, 51). Uma das dobras (49) define um vão axial interno. A outra dobra (51) define vão exial externo. Im membro de espaçador externo (61) é posicionado no vão externo para limitar o fechamento do vão externo em resposta a uma pressão maior na parte interna da vedação (37) que na parte externa. Um membro de espaçador interno (55) é posicionado no vão interno para limitar o fechamento do vão interno em resposta a uma pressão maior na parte externa da vedação (37) que na parte interna.

Description

“VEDAÇÃO ENERGIZADA POR PRESSÃO BIDIRECIONAL, CONEXÃO TUBULAR, APARELHO E MÉTODO PARA VEDAÇÃO ENTRE DOIS

MEMBROS”

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados:

Este pedido reivindica a prioridade do pedido de patente

provisório 61/509.408, depositado em 19 de julho de 2001.

Campo da Revelação

Esta invenção refere-se, em geral, a equipamento de poço de óleo e gás e, em particular, a uma vedação de metal-metal para vedação entre membros tubulares e, em particular, entre membros rotativos de uma articulação.

Antecedentes

No equipamento de óleo e gás, alguns podem empregar vedações que são energizadas por pressão; isto é, a pressão de fluido em um 15 lado da vedação faz com que as superfícies de vedação entrem em contato maior umas com as outras. Por exemplo, a pressão de fluido aplicada ao lado côncavo ou rebaixado de uma vedação de lábio ou em formato de copo anular aumenta a força de vedação. Uma vedação de lábio não veda contra a pressão de fluido aplicada ao lado convexo, portanto, é uma vedação energizada por 20 pressão de uma via.

Muitas vedações bidirecionais não são energizadas por pressão. As mesmas vedam devido à deformação contra as superfícies de vedação aplicada por forças de assentamento durante a instalação. As mesmas vedam em ambas as direções independentemente da pressão de fluido. Por exemplo, 25 vedações de suspensor de revestimento em cabeças de poço tipicamente não são energizadas por pressão. Com frequência, as mesmas são feitas de metal e permanentemente deformadas.

Uma vantagem de uma vedação energizada por pressão é que a mesma não exige que uma força de assentamento alta seja aplicada antes de ser exposta à pressão de fluido. Por exemplo, um conector articulado submarino tem membros tubulares com furos alinhados. Cada membro tubular tem um flange externo com um padrão de parafuso para aparafusamento a 5 peças de equipamento submarino. Para instalação, o conector articulado é posicionado entre o equipamento submarino e aparafusado a uma peça. Então, o flange desparafusado é girado até que esteja alinhado com a outra pela para permitir que a outra peça seja aparafusada. Uma vez que aparafusado a ambas as peças, não são necessários mais movimentos articulados. Uma 10 vedação de metal-metal entre as duas partes da articulação iria impedir as partes de girarem se for de um tipo deformado permanentemente. As vedações elastoméricas entre as duas partes da articulação funcionam, entretanto, as mesmas não têm a longevidade das vedações de metal-metal.

Uma vedação de metal energizada por pressão de uma via entre 15 as duas peças da articulação poderia ser empregada, mas tem desvantagens. A pressão de fluido de fluido interna na articulação para energizar a vedação iria ocorrer após ambas as partes da articulação serem feitas com as duas peças equipamento submarino. A deformação energizada por pressão da vedação de metal seria normalmente elástica e abaixo da força de rendimento 20 do metal da vedação de lábio. Quando a pressão de fluido interna é removida ou reduzida, as forças de contado entre as superfícies de vedação diminuem. Uma redução nas forças de contado pode resultar no vazamento de água do mar da parte externa para a parte interna, o que é prejudicial. Há outras aplicações para uma vedação de metal energizada por pressão de duas vias.

Sumário

Uma conexão tem primeiro e segundo membros tubulares que têm furos alinhados com um eixo geométrico comum que têm primeira e segunda superfícies de vedação, respectivamente. Uma vedação de metal tem uma primeira parte de extremidade que engata de modo vedante a primeira superfície de vedação e uma segunda parte de extremidade que engata de modo vedante a segunda superfície de vedação. A vedação de metal tem uma parede lateral que se estende entre as primeira e segunda partes de 5 extremidade, a parede lateral tendo lados interno e externo. A parede lateral tem pelo menos uma dobra entre as primeira e segunda partes de extremidade, que define os flancos espaçados axialmente e um vão axial entre os mesmos. Um membro de espaçador é posicionado no vão para limitar o movimento dos flancos um em direção ao outro em resposta a um diferencial de pressão entre 10 os lados interno e externo.

O membro de espaçador pode ser um anel. O mesmo tem uma dimensão axial menor que o vão quando não há nenhuma pressão diferencial entre os lados interno e externo. O membro de espaçador tem superfícies de contato que fazem contato com os flancos quando os flancos se movem um em 15 direção ao outro. Uma parte de corpo se estende a partir das superfícies de contato em uma direção oposta ao vão. Uma saia cilíndrica pode ser localizada em uma extremidade da parte de corpo aposta às superfícies de contato.

A primeira superfície de vedação pode ser uma superfície transversal ao eixo geométrico, tal como plana e perpendicular ao eixo 20 geométrico. A segunda superfície de vedação pode também ser uma superfície transversal que é transversal ao eixo geométrico. Alternativamente, a segunda superfície de vedação pode ser uma superfície cilíndrica concêntrica com o eixo geométrico. Um diferencial de pressão que causa o movimento dos flancos em direção oposta um ao outro aumenta uma pressão de contato entre 25 a primeira parte de extremidade e a primeira superfície de vedação. A pressão de contato também aumenta entre a segunda parte de extremidade e a segunda superfície de vedação se a segunda superfície de vedação for transversal ao eixo geométrico. Em uma realização, a vedação tem duas dobras, definindo um vão voltado para dentro exposto ao fluido no lado interno da parede lateral e um vão voltado para fora exposto ao fluido no lado externo da parede lateral. Um membro de espaçador interno é localizado no vão voltado para dentro e um membro de espaçador externo é localizado no vão voltado para fora.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é uma vista secional que ilustra uma vedação em concordância com esta revelação e mostrada instalada entre dois membros tubulares.

A Figura 2 é um quarto de vista secional de uma primeira

realização alternativa da vedação da Figura 1.

A Figura 3 é uma vista secional de uma segunda realização alternativa da vedação da Figura 1.

A Figura 4 é uma vista secional de uma terceira realização da vedação da Figura 1.

Figura 5 é uma vista secional de uma quarta realização da vedação da Figura 1.

A Figura 6 é uma vista secional de uma articulação que emprega a vedação da Figura 1.

A Figura 7 é um quarto de vista secional de uma quinta realização

da vedação da Figura 1.

Descrição Detalhada da Revelação Referindo-se à Figura 1, um primeiro membro tubular 11 tem uma aba 13 que está em reforço substancial coma a aba 15 de um segundo 25 membro tubular 17. As abas 13, 15 são superfícies planas paralelas nessa realização, mas as mesmas poderiam ser de outros formatos. Cada membro tubular 11, 15 tem um furo 19 e os furos 19 são coaxiais sobre o eixo geométrico 21. No desenho, o eixo geométrico 21 é orientado verticalmente, mas poderia estar em outras orientações, como horizontal. Uma luva guia 23 tem extremidades opostas que engatam partes de furo ampliadas 25 nos furos

19 para fornecer uma passagem de diâmetro uniforme através dos furos 19. A luva guia 23 pode ou não vedar as partes de furo ampliadas 25. A luva guia 23 é um elemento opcional para ser usado quando uma passagem uniforme e/ou uma luva de vedação interna auxiliar é exigida para a operação.

O primeiro membro tubular 11 tem um recesso anular 27 para fora da e cercando a luva 23. O recesso anular 27 compreende um contrafuro na interseção do furo 19 e aba 13 do primeiro membro tubular 11.0 recesso 10 anular 27 define uma superfície de vedação voltada para baixo 29 que é concêntrica com o eixo geométrico 21. Nesse exemplo, a superfície de vedação 29 é uma superfície plana localizada perpendicular ao eixo geométrico 21; mas poderia ser de outros formatos ao invés de uma superfície plana. Até mesmo uma vedação radial ou cilíndrica pode ser usada. Similarmente, o 15 segundo membro tubular 17 tem um recesso anular 31 que circunda a luva 23. O recesso 31 compreende um contrafuro no furo 19 do segundo membro tubular 17. O recesso 31 define uma superfície de vedação 33 que se direciona à superfície de vedação 29 e é também um plano perpendicular ao eixo geométrico 21 nesse exemplo. A superfície de vedação 33 pode variar da 20 mesma maneira da superfície de vedação 29. O segundo membro tubular 17 também tem uma cavidade anular 35 que se estende a partir de sua aba 15. A cavidade 35 é um contrafuro na junção do furo 19 e da aba 15 do segundo membro tubular 15 e tem um diâmetro maior que o recesso 31.

Uma vedação 37 é localizada dentro dos recessos 27, 31 e da cavidade 35. A vedação 37 tem uma primeira extremidade 39 que é recebida dentro do primeiro recesso de membro 27. A primeira extremidade 39 tem uma parte externa cilíndrica que é estreitamente recebida ou encaixa dentro da parede externa cilíndrica do recesso 27; entretanto, a parte externa cilíndrica não veda a parede cilíndrica. O recesso anular 27 pode, se exigido, oferecer apoio radial à primeira extremidade 39 da vedação 37. Se o recesso 27 não tiver nenhuma responsabilidade estrutural para apoiar a vedação 27, outras geometrias podem ser usadas. Uma superfície de vedação axial 41 é localizada na primeira extremidade 39 e tem um formato correspondente à superfície de vedação 29, que nesse exemplo é plana. A superfície de vedação 41 pode ser metal para formar uma vedação de metal-metal com a superfície de vedação 29. A vedação 37 tem uma segunda extremidade 43 que tem o mesmo formato que a primeira extremidade 39 nesse exemplo, mas pode usar geometrias alternativas. A segunda extremidade 43 tem uma parte externa cilíndrica que é estreitamente recebida ou encaixa dentro da parede externa cilíndrica do recesso 31. Esse recesso anular 31, similar ao recesso 27, pode funcionar para apoiar a vedação 37 e também sua geometria pode ser diferente da geometria apresentada. A segunda extremidade 43 tem uma superfície de vedação 45 que se direciona opostamente à superfície de vedação 41 e pode ser metal para formar uma vedação de metal-metal com a superfície de vedação 33. As vedações formadas pelas superfícies de vedação 41, 45 poderiam ser estáticas; alternativamente, uma ou ambas poderiam ser dinâmicas, no evento, os membros tubulares 11 e 17 são rotativos relativos um ao outro.

A vedação 37 tem um fole 47 que une a primeira extremidade 39 à segunda extremidade 43. O fole 47 compreende uma parede anular que tem ondulações ou corrugações. Mais especificamente, nessa realização, o fole 47 tem uma dobra externa 49 que se estende radialmente para fora da primeira 25 extremidade 39 para a cavidade 35. A dobra externa 49 inclui um flanco 49a que se estende para fora da primeira extremidade 39, então virando em um canto de 90 graus de formato em U para definir um flanco 49b. Nesse exemplo, os flancos 49a e 49b são substancialmente planos, paralelos um ao outro e em planos perpendiculares ao eixo geométrico 21. O canal ou espaço anular entre os flancos 49a, 49b é exposto ao fluido no interior da vedação 37. A dobra 49 é referida como "externa" na presente invenção para conveniência por causa de que a parte externa do canto de 90 graus da dobra 49 está na parte externa da 5 vedação 37. A dobra externa 49 tem um diâmetro externo medido em seu canto que é maior que os diâmetros externos das áreas de vedação nas primeira e segunda extremidades 39, 43.

Uma dobra interna 51 une a dobra externa 49 à segunda extremidade 43. A dobra interna 51 tem um flanco 51a que une e que se 10 estende radialmente para dentro da segunda extremidade 43. O flanco 51a vira um canto de 90 graus e une um flanco 51b que compreende uma parte interna do flanco 49b. Os Flancos 51a, 51b são ilustrados como sendo planos, paralelos um ao outro e perpendiculares ao eixo geométrico 21. O canal ou espaço anular entre flancos 51a, 51b está em comunicação com o fluido na 15 parte externa da vedação 37. A parte externa do canto da dobra interna 51 está no lado interno da vedação 37. A dobra interna 51 tem um diâmetro interno que é menor que o diâmetro interno das áreas de vedação das primeira e segunda extremidades 39, 43. Nessa realização, metade da distância do diâmetro interno da dobra interna 51 para o diâmetro externo da dobra externa 49 é 20 aproximadamente meio caminho entre os diâmetros interno e externo das primeira e segunda extremidades 39, 43. Para equilibrar a distribuição de pressão de contato nas superfícies de vedação 29, 33, os recessos anulares 53 podem ser localizados na parte externa da primeira extremidade 39 onde o flanco 49a começa e na segunda extremidade 43 onde o flanco 51a começa.

As dobras 49, 51 nos exemplos têm formatos em U com lados

planares planos para os flancos 49a, 49b e 51a, 51b. Entretanto, os flancos cônicos com um formato em U ou V aberto podem ser usados. Até mesmo lados curvados ou flancos podem ser empregados com a mesma filosofia. Um espaçador 55 é localizado entre e em contato com os flancos opostos 49a, 49b. Um lado do espaçador 55 faz contato com o flanco 49a e o outro faz contato com o flanco 49b no ponto onde o flanco 49b se funde com o flanco 51b. Para sua instalação, o espaçador 57 pode ser um anel de pressão 5 ou um anel dividido em pedaços que após a instalação na dobra 49 podem ser integrados por um anel adicional. O espaçador 55 pode ter uma saia cilíndrica 57 em seu diâmetro interno ou uma protrusão externa para limitar a superfície interna da dobra 49 ou outra geometria para garantir a posição do espaçador. O espaçador 55 pode ter recesso anulares 59 nas superfícies que fazem 10 contato com os flancos 49a e 49b. Um dos recessos 59 é localizado na junção da parte de anel do espaçador 55 e saia 57. O outro recesso 59 está em um lado oposto da parte de anel. Os recessos 55, 57 diminuem a largura radial da superfície do espaçador 55 que faz contato com os flancos 49a, 49b. A largura radial da superfície de contato do espaçador 55 é menor que a dimensão radial 15 de ambos os flancos 49a, 49b. No exemplo, a superfície de contato entre o espaçador 55 e os flancos 49a, 49b é localizada aproximadamente a meio caminho entre o diâmetro externo da dobra externa 49 e da dobra interna 37; entretanto a seleção dessa localização deve considerar a distribuição das pressões de contato nas superfícies de vedação 29, 33. O espaçador 55 está 20 em comunicação com o fluido na parte interna da vedação 37 e não veda os flancos 49a, 49b. O fluido no lado interno da vedação 37 é livre para entrar no espaço anular entre flancos 49a, 49b.

Similarmente, um espaçador 61 é localizado entre os flancos 51a, 51b. O espaçador 61 pode ser um anel de pressão ou um anel dividido com 25 anel de integração adicional. Um lado do espaçador 61 faz contato com o flanco 51a e o outro faz contato com o flanco 51b no ponto onde o flanco 51b se funde com o flanco 49b. O espaçador 61 pode ter uma saia cilíndrica 63 em seu diâmetro interno ou uma protrusão interna para limitar a superfície externa da dobra 51 ou outra geometria para garantir a posição do espaçador. O espaçador 61 tem um diâmetro interno que é localizado aproximadamente equidistante entre os diâmetros interno e externo da segunda extremidade 43; entretanto a seleção dessa localização deve considerar a distribuição das 5 pressões de contato nas superfícies de vedação. O espaçador 61 pode ter recessos anulares similares aos recessos anulares 59. A largura radial da parte do espaçador 61 que faz contato com flancos 51a, 51b é menor que a dimensão radial do fole 47 de seu diâmetro interno para seu diâmetro externo. A parte de contato do espaçador 61 é localizada substancialmente na entrada 10 para o espaço entre os flancos 51a, 51b. O espaçador 61 está em comunicação com o fluido na parte externa da vedação 37 e não veda os flancos 51a, 51b.

Os espaçadores 55, 61 têm espessuras axiais definidas para garantir um vão preciso entre o espaçador e as paredes ou flancos das dobras 15 49, 51 após a instalação e antes da pressão de fluido interna ou externa ser aplicada. As espessuras axiais podem ser alcançadas especificando-se dimensões específicas a serem obtidas na fabricação dos espaçadores 55, 61. Alternativamente, os espaçadores 55, 61 poderiam ser feitos de materiais maleáveis o suficiente para deformarem plasticamente na espessura durante a 20 instalação, mas antes das pressões de fluido internas ou externas serem aplicadas. Por exemplo, o material dos espaçadores 55, 61 poderia ser um metal que tem menos dureza que a dureza da vedação 37.

Antes de instalar a vedação 37 entre os membros tubulares 11,

17, a distância axial da superfície de vedação 41 para a superfície de vedação 45 será maior que a distância axial final entre as superfícies de vedação 29, 33 quando construídas. Dessa forma, quando a vedação 37 é instalada e os membros tubulares 11, 17 são presos juntos, uma carga compressiva será aplicada à vedação 37 ao longo do eixo geométrico 21. A carga compressiva é menor que a força de rendimento da vedação 37, dessa forma a deflexão da vedação 37 uma vez instalada é elástica, não permanente. A quantidade dessa carga compressiva deve ser suficiente para formar uma pressão de contato de metal-metal inicial entre as superfícies 29, 41 e entre as superfícies 33, 45.

Entretanto, a carga compressiva preferencialmente não é alta o suficientemente para lidar com a vedação contra as últimas pressões esperadas. Dependendo da aplicação, a vedação 37 poderia ser subsequentemente exposta à pressão de fluido interna do fluido nos furos 19 ou à pressão de fluido externa na parte externa dos membros tubulares 11, 17. 10 Em algumas aplicações, tal como para equipamento submarino, a pressão de fluido poderia estar em ambas as partes interna e externa da vedação 37. A pressão de fluido pode ser maior na parte interna ou pode ser maior na parte externa. Se a pressão de fluido estiver na parte externa ou interna, se em uma pressão baixa o suficiente, a carga de suporte de contato estabelecida pela 15 deflexão axial da vedação 37 deve impedir o vazamento.

A vedação 37 torna-se energizada por pressão pela exposição a pressões mais altas que as pressões baixas mencionadas. As pressões mais altas aprimoram as capacidades de vedação da vedação 37. Por exemplo, quando a pressão de fluido interna suficiente em excesso de qualquer pressão 20 de fluido externa é aplicada às superfícies internas da vedação 37, a dobra externa 49 tenderá a deformar, com os flancos 49a e 49b movendo-se em direção oposta um ao outro, através disso tendendo a aumenta o comprimento axial da vedação 37. Como os membros tubulares 11, 15 não se movem separados um do outro, esse efeito resultará em um aumento da carga axial 25 das superfícies de vedação 41, 45, melhorando a pressão de contato nas superfícies de vedação 41, 45. A pressão de fluido interna também age na dobra interna 51, mas o efeito seria o oposto. A pressão de fluido interna tende a aproximar os flancos 51a, 51b, tendendo a reduzir o comprimento axial da vedação 37 e reduzir a pressão de contato nas superfícies de vedação 41, 45. Sem os espaçadores 55, 61, o efeito final total da pressão de fluido interna levaria a um aumento insignificante ou mesmo uma diminuição da pressão de contato nas superfícies de vedação 41, 45. Consequentemente, sem os 5 espaçadores 55, 61, o fole 47 não iria trazer um aumento satisfatório na pressão de contato em resposta a um aumento na pressão de fluido interna ou externa.

Entretanto, com a inclusão dos espaçadores 55, 61, o efeito negativo da pressão interna na dobra interna 51 é limitado. Alguma quantidade de deformação ocorrerá na dobra interna 51 devido à pressão interna que faz com que os flancos 51a e 51b se movam um em direção ao outro. Entretanto, o movimento irá cessar uma vez que os vãos entre o espaçador 61 e os flancos 51a, 51b são fechados. Conforme discutido acima, o espaçador 55 não impede os flancos 49a, 49b de se moverem em direção oposta um ao outro devido à pressão interna, através disso aumentando os vãos entre o espaçador 55 e os flancos 49a, 49b. Esse movimento aprimora a carga de suporte de contato nas superfícies de vedação 41, 45. O aprimoramento devido aos vão aumentando na dobra externa 49 é maior que o efeito negativo leve devido aos vãos fechando na dobra interna 51 entre o espaçador 61 e os flancos 51a, 51b. O efeito final da pressão interna seria, dessa forma, aumentar as forças de contato nas superfícies de vedação 41, 45. Com uma definição cuidadosa da geometria do fole 47 e dos espaçadores 55, 61, um efeito positivo razoável pode ser alcançado nas cargas de suporte de contato. A energização por pressão ocorre se há um fluxo interno no furo 19 do primeiro membro tubular 11 em direção ao segundo membro tubular 17 ou vice-versa. Dessa forma, a vedação 37 é bidirecional.

A mesma explicação é completamente aplicável à ação da pressão externa na vedação 37. A pressão externa tenderia a mover beneficamente os flancos 51a, 51b em direção oposta um ao outro. A mesma pressão externa tenderia a mover os flancos 49a, 49b um em direção ao outro, mas esse movimento cessa uma vez que o espaçador 55 faz contato com os flancos 49a, 49b. Como um resultado, a vedação 37 pode ter uma pressão de 5 suporte de contato em suas superfícies de vedação 41, 45 aumentada pela ação da pressão externa ou interna ou pela pressão diferencial resultante entre as mesmas.

Conforme discutido acima, as superfícies de vedação 29, 41 e 33, 45 podem variar no formato diferente das superfícies planas mostras. 10 Adicionalmente às planas, a superfícies de vedação podem ter uma geometria trapezoidal como gaxetas do tipo API BX. As superfícies de vedação podem compreender superfícies de vedação radiais, superfícies de vedação radiais duplas como vedações em formato de U, superfícies de vedação cônicas, superfícies de vedação esféricas, superfícies de vedação toroidais ou outros 15 formatos. Não é exigido que as superfícies de vedação 29, 41 tenham o mesmo formato que as superfícies de vedação 33, 45. Uma das superfícies de vedação 29, 41, como exemplo, pode ser estática e as outras superfícies de vedação 33, 45 dinâmicas; em que uma superfície 33, 45 é rotativa em relação à outra superfície 33, 45. Se as superfícies de vedação estática exigirem uma 20 carga de assentamento maior que o fole 47 oferece, meios adicionais podem ser empregados para aumentar a carga de assentamento para a vedação estática independentemente. Uma solução seria aparafusar ou roscar a extremidade 39 ou 43 da parte de vedação estática contra sua peça de assentamento de vedação. O lado de vedação dinâmica 39 ou 43 pode ter 25 superfícies de vedação planas conforme descritas ou geometrias mais elaboradas. As superfícies de vedação em uma ou ambas as extremidades 39 ou 43 podem ainda usar elementos de vedação elastoméricos ou plastoméricos. Na Figura 1, a vedação 37 tem duas dobras 49, 51, uma interna e uma externa. Entretanto, o conceito é aplicável a qualquer quantidade possível de dobras. Um espaçador é útil para até mesmo uma vedação de uma dobra. Por exemplo, a Figura 2 mostra uma vedação 67 que tem uma configuração similar à vedação 37 (Figura 1), exceto que o fole 69 tem somente uma única dobra. Nessa ocorrência, a única dobra é externa com a parte externa de seu canto sendo em um lado externo da vedação 69. Também, o diâmetro externo do fole 69 é maior que os diâmetros externos das extremidades da vedação 67. Um espaçador 71 é localizado entre os flancos do fole 69. O espaçador 71 pode ter uma saia 73 em seu diâmetro interno que se estende em contato com os diâmetros internos de ambas as extremidades da vedação 67. O diâmetro externo do espaçador 71 é aproximadamente equidistante entre os diâmetros externo e interno das extremidades da vedação 67. Como na Figura 1, o espaçador 71 não veda o fole 69, permitindo que o fluido flua para a parte interna do fole 69 entre seus flancos.

Se a pressão de fluido interna em excesso de qualquer pressão de fluido externa for aplicada à vedação 67, a pressão de fluido tenderá a mover os flancos do fole 69 em direção oposta um ao outro. Essa tendência a alongar a vedação 67 aumenta a pressão de contato das extremidades da 20 vedação 67 contra as superfícies de vedação. Se a pressão de fluido externa for aplicada que é maior que a pressão interna, o efeito seria mover os flancos do fole 69 um em direção ao outro, diminuindo o estresse de suporte de contato. Entretanto, os vãos entre o espaçador 71 e os flancos do fole 69 limitariam o movimento de contração. Na realização da Figura 2, a pressão 25 externa não aprimora a carga de suporte de contato, mas também não diminui significantemente a mesma. Na Figura 1, como tem duas pregas de fole, a pressão externa aprimora a carga de suporte de contato assim como a pressão interna. A quantidade de dobras e sua geometria podem ser variáveis e seu projeto deve direcionar a estanqueidade exigida e deve respeitar o projeto prescrito e condições operacionais (pressões, temperaturas, ambientes, deslocamentos exigidos, etc.). A Figura 3 ilustra outra realização, em que a vedação 75 tem duas dobras externas 77, 79 e uma dobra interna 81 localizada entre as mesmas. Os espaçadores 83 são posicionados entre os flancos das dobras externas 77, 79 no lado interno da vedação 75. Os espaçadores 83 são similares na configuração ao espaçador 55 da Figura 1, que é em formato de L na seção transversal. Um espaçador 85 é localizado na parte externa da vedação 75 entre os flancos da dobra interna 81. O espaçador 85 tem uma saia 87 que se estende em direções opostas, similar à configuração do espaçador 73 da Figura 2, que é em formato de T em seção transversal. O espaçador 85 tem uma largura mais longa entre seu diâmetro interno e a saia 87 a fim de colocar seu diâmetro interno a meio caminho entre os diâmetros interno e externo das extremidades da vedação 75.

A Figura 4 ilustra uma vedação 89 que tem duas dobras externas 91, 93 e duas dobras internas 95, 97. Um espaçador 92 similar ao espaçador em formato de L 55 na Figura 1 é localizado entre os flancos da dobra externa 91 no lado interno da vedação 89. Um espaçador em formato de T 94 é 20 localizado entre os flancos of dobra interna 95 na parte externa da vedação 89. Outro espaçador em formato de T 96 é localizado entre os flancos a dobra externa 93 na parte interna da vedação 89. Outro espaçador em formato de L 98 é localizado entre os flancos da dobra interna 97 na parte externa da vedação 89. Os diâmetros internos dos espaçadores 94, 98 e os diâmetros 25 externos dos espaçadores 92, 96 são localizados a meio caminho entre os diâmetros interno e externo das extremidades da vedação 89.

A Figura 5 ilustra uma vedação 99 que tem dobras externas 101, 103 e dobras internas 105, 107. Nessa realização, os diâmetros externos das dobras externas 101, 103 são os mesmos que os diâmetros externos das extremidades da vedação 99. Similarmente, os diâmetros internos das dobras internas 105, 107 são os mesmos que os diâmetros internos das extremidades da vedação 99. A vedação 99 é similar à vedação 89 da Figura 4, exceto que a 5 largura radial do fole na Figura 5 é a mesma que as larguras das extremidades. Na Figura 4, a largura radial do fole é maior que as larguras radiais das extremidades. Dois espaçadores 109 são localizados na parte externa da vedação 99 e dois espaçadores 111 são localizados na parte interna da vedação 99.

A Figura 6 ilustra uma aplicação da vedação 37 da Figura 1

instalada dentro de uma conexão articulada 113. A articulação 113 pode ter uma variedade de usos envolvendo produção e perfuração de óleo e gás na zona marítima. Por exemplo, pode estar no lado superior de uma coluna de riser para transferência de lama de perfuração. A articulação 113 pode ser 15 localizada submarina para conectar uma linha de fluxo ao equipamento submarino localizado no fundo do mar. O principal propósito da articulação 113 é evitar a torção ao conectar uma linha de fluxo à outra peça do equipamento ou sistemas de produção precoce. A articulação 113 tem um primeiro membro tubular 115 que é instalado em um segundo membro tubular 117 de modo que 20 a rotação possa acorrer entre os mesmos. A rotação ocorre normalmente durante a instalação e, uma vez instalada, a rotação entre o membro tubular 115 e o membro tubular 117 não ocorre. Embora o primeiro membro tubular 115 seja ilustrado acima do segundo membro tubular 117, a articulação pode ser orientada em uma variedade de direções, incluindo horizontalmente.

Cada membro tubular 115, 117, no exemplo, tem um flange 118

em sua extremidade cm orifícios para parafusos para fixar a articulação 113 entre uma peça do equipamento e uma linha de fluxo. Entretanto, a conexão dos membros tubulares pode ser realizada por outros meios, tal como soldagem ou roscamento das conexões. O primeiro membro tubular 115 tem um receptáculo 119 que desliza sobre uma parte do segundo membro tubular 117. Nessa realização, o receptáculo 119 inclui uma luva de suporte interna 121 presa por roscas 123. A luva de suporte 121 é rotativa em relação ao 5 segundo membro tubular 115. Um anel retentor 125, que pode estar em segmentos, tal como três pedaços, prende a luva de suporte 121 ao segundo membro tubular 117. Um anel de suporte 127 é instalado em um ombro 131 no segundo membro tubular 117. Um ombro 129 no receptáculo 119 engata um lado oposto do anel de suporte 127. O anel de suporte 127 pode ter vedações 10 auxiliares 133 em engate com as partes de diâmetro externo do segundo membro tubular 117 e partes de diâmetro interno do receptáculo 119.

Um furo 135 se estende através dos primeiro e segundo membros tubulares 115, 117. Uma luva 137 une o furo 135 no primeiro membro tubular 115 com o furo 135 no segundo membro tubular 117, fornecendo uma 15 passagem uniforme através dos furos 135. A luva 137 pode ter vedações auxiliares 139 entre suas partes de diâmetro externo e diâmetro interno dos primeiro e segundo membros tubulares 115, 117.

A vedação de metal-metal 37 da Figura 1 é instalada entre o receptáculo 119 e o segundo membro tubular 117. A primeira extremidade 20 superfície de vedação 41 está em engate por vedação com o receptáculo 119. A segunda extremidade superfície de vedação 45 está em engate por vedação com o segundo membro tubular 117. Um ou ambos os engates por vedação tornam-se dinâmicos quando um dos membros tubulares 115, 117 gira em relação ao outro. Uma porta 143 pode ser considerada para acessar a câmara 25 entre o primeiro membro tubular 115 e o lado externo of vedação 37. Outra porta 141 pode ser considerada para permitir o acesso para a câmara entre o primeiro membro tubular 115, o lado interno da vedação 37 e o lado externo da luva 137. Uma pressão de teste pode ser introduzida nas portas 141, 143 para testar o engate por vedação da vedação 37 antes da articulação 113 ser instalada.

Preferencialmente, a vedação 37 não deve ser energizada por pressão quando a articulação 113 é submetida ao torque resultando na rotação de um corpo tubular 115, 117 em relação ao outro. Para facilitar a rotação, o operador evitaria uma pressão diferencial entre os lados interno e externo da vedação 37 quando a articulação 113 está sendo conectada ao equipamento, o que é normalmente quando a mesma encontra o torque. A operação de instalação do equipamento submarino pode exigir o furo interno 135 inundado (com o furo aberto à pressão de ambiente externo) ou vazio (com ar na pressão atmosférica sem abrir ao ambiente externo). Para garantir que a vedação 37 será balanceada por pressão durante a instalação do equipamento não importa se o fura está vazio ou inundado, a vedação pode ser isolada por vedações auxiliares 139 no lado interno da vedação 37 e vedações auxiliares 133 no lado externo da vedação 37.

Dependendo da resistência do material de vedação auxiliar interna 139 para as condições ambientais de furo operacionais, em algum momento durante a operação, essas vedações 139 podem permitir um vazamento e o fluido de alta pressão aplicado no furo 135 pode se comunicar 20 através das vedações auxiliares 139 e entrar em contato com o lado interno da vedação 37. Essa pressão alta é tipicamente maior que qualquer pressão na parte externa da vedação 37 e faz com que a vedação 37 energize com forças de contato de suporte maiores nas superfícies de vedação 41, 45. A pressão mais alta no furo 135 que a pressão na parte externa da articulação 113 exerce 25 uma força de tração que tende a empurrar os membros tubulares 115, 117 em direção oposta um ao outro. O anel retentor 125 é, então, submetido às forças de tração.

Dependendo da resistência do material de vedação 133 para as condições ambientais externas, essas vedações 133 podem vazar. Se a pressão no furo 135 for reduzida a um nível muito abaixo da pressão hidrostática do mar agindo nas vedações auxiliares 133, essa pressão externa pode se comunicar através das vedações auxiliares 133 e agir no lado externo 5 of vedação 37. Esse diferencial de pressão faz com que a vedação 37 energize com forças axiais maiores nas superfícies de vedação 41 e 45.

Referindo-se à Figura 7, uma parte de uma articulação 145 é mostrada. A articulação 145 tem um primeiro membro ou membro superior 147 que compreende um receptáculo que encaixa sobre uma parte de um segundo membro ou membro inferior 149. Como nas outras realizações, os termos “superior” e “inferior” são puramente arbitrários. Em prática, a articulação 145 poderia ser invertida da posição mostrada ou instalada horizontalmente. Uma luva 151 é presa ao diâmetro interno da parte de receptáculo por roscas 153. Um recesso anular 155 no lado externo do membro inferior 149 reduz o atrito rotacional entre a luva 151 e o membro inferior 149. Um suporte 157 é localizado entre um ombro voltado para baixo 158 do membro superior 147 e um ombro voltado para cima 160 do membro inferior 149. O suporte 157 tem uma vedação elastomérica de diâmetro interno 161 que veda contra uma parte cilíndrica do membro inferior 149. O suporte 157 tem uma vedação elastomérica de diâmetro externo 159 que veda contra o diâmetro interno da parte de receptáculo do membro superior 147.

A vedação de metal 163 tem uma parte de extremidade superior 165 que engata estaticamente uma superfície de parada plana 167 no membro superior 147. A vedação de metal 163 tem uma superfície de vedação radial 25 169 que é inclinada para fora em engate por vedação com uma superfície cilíndrica 171 no membro superior 147. Um recesso anular 173 no lado superior da parte de extremidade superior 165 define uma perna para a superfície de vedação radial 169, permitindo a deformação elástica de modo que a superfície de vedação radial 169 seja inclinada contra a superfície cilíndrica 171.

A vedação de metal 163 tem uma parte de extremidade inferior 175 com uma superfície de vedação axial 177 em sua superfície inferior. A axial superfície de vedação 177 está em engate por vedação com uma 5 superfície superior 179 do membro inferior 149 e é capaz de manter contato enquanto o membro inferior 149 é girado em relação ao membro superior 147 durante a instalação. A superfície superior 179 é plana nesse exemplo.

A vedação 163 tem uma dobra superior 181 em sua parede lateral entre as partes de extremidade 165 e 175. Nesse exemplo, a dobra superior 181 se projeta para dentro, definindo um vão externo 183 que leva à parte externa da vedação 163. Uma dobra inferior 185 se projeta para fora, definindo um vão interno 187 que leva à parte interna da vedação 163.

Um espaçador externo 189 é localizado no vão externo 183 entre os flancos da dobra superior 181. O espaçador externo 189 pode ter uma saia 15 cilíndrica 191 em sua borda externa. A saia 191 se estende para cima em engate com uma parte externa cilíndrica da parte de extremidade superior 165. Um espaçador interno 193 é localizado no vão interno 187 entre os flancos da dobra inferior 185. O espaçador interno 189 pode ter uma saia cilíndrica 195 em sua borda interna. A saia 195 se estende para baixo em engate com uma 20 parte interna cilíndrica da parte de extremidade inferior 175. O espaçador 189 pode rebaixar 197 em sua borda externa.

Um tubo 199 se estende entre os furos 200 dos membros inferior e superior 147, 149. O tubo 199 pode ter opcionalmente um recesso cilíndrico 201 em uma parte que encaixa dentro do membro inferior 149 para reduzir o 25 atrito rotacional. O tubo 199 tem uma vedação 103 com uma superfície voltada para baixo que engata de modo vedante uma superfície voltada para cima no membro inferior 149. Uma vedação 205 veda entre o furo 200 do membro superior 147 e uma parte cilíndrica externa do tubo 199. Durante a instalação, quando os membros 147, 149 são girados em relação um ao outro, a vedação radial 169 permanece preferencialmente em engate estático com a superfície cilíndrica 171. A vedação axial 177 desliza na superfície de vedação plana 179 como há menos força de contato inicial 5 entre a vedação axial 177 e a superfície de vedação 179 que entre a vedação radial 169 e a superfície cilíndrica 171. Após a conexão da articulação 145 se completada, a pressão de fluido interna pode ser aplicada ao furo 200 a um nível maior que a pressão de fluido hidrostática se a articulação 145 for submarina. Se cada vedação de tubo 203, 205 começar a vazar 10 eventualmente, o diferencial de pressão de fluido no furo 200 sobre a pressão de água do mar hidrostática irá fazer com que o vão interno 187 aumente axialmente e o vão externo 183 diminua. O espaçador externo 189 irá parar o aumento no vão externo 183, resultando em um aumento final na força de contato entre a vedação axial 177 e a superfície de vedação axial 179. A força 15 de contato entre a parte de extremidade externa 165 e a superfície de para 167 também aumenta, mas essa interface não se destina à vedação. Qualquer vazamento da pressão de fluido no furo 200 através das vedações de tubo 203, 205 irá energizar adicionalmente a vedação radial 169, aumentando sua força de contato contra a superfície cilíndrica 171.

No evento, cada vedação de suporte 159, 161 vaza e se a

pressão de fluido hidrostática for maior que a pressão de fluido in furo 200, esse diferencial de pressão irá aumentar o vão externo 183. Essa pressão também diminui o vão interno 187, entretanto, a quantidade de diminuição é limitada pelo membro de espaçador interno 193. O efeito final do vazamento 25 externo seria aumentar a força de contato do membro de vedação axial 177. O vazamento externo a um nível de pressão maior que a pressão de fluido no furo 200 não aumenta a força de contato da superfície de vedação radial 169. Entretanto, a força de inclinação para fora da superfície de vedação radial 169 é adequada para resistir ao vazamento da parte externa.

O conceito apresentado pode ser usado sempre que uma vedação energizada por pressão bidirecional for exigida. Adicionalmente, é particularmente útil para as aplicações que envolvem a vedação de metal-metal 5 em aplicações dinâmicas ou parcialmente dinâmicas. Adicionalmente às conexões articuladas, válvulas são outras aplicações possíveis. Em válvulas de gaveta ou válvulas de esfera, os assentos podem usar vedações desse conceito. A vedação seria um membro, o corpo de válvula o outro e a vedação de metal bidirecional localizada entre os mesmos. Isso levará à vedação de 10 metal-metal completa em ambos o assento para gaveta (ou esfera) e o assento para engates de corpo de válvula. No mesmo momento, também irá permitir a obtenção do efeito de vedação dupla. Os assentos vedariam na gaveta (ou esfera) de ambos os lados e, como um resultado, a vedação de ambos os assentos na gaveta (ou esfera) pode ser considerada como barreiras eficazes.

Claims

1. VEDAÇÃO ENERGIZADA POR PRESSÃO BIDIRECIONAL (37), para vedação entre os primeiro e segundo membros (11, 17), que compreende: uma vedação de metal (37) que tem um eixo geométrico (21), uma primeira parte de extremidade (39) para engatar de modo vedante uma primeira superfície de vedação de membro (29) e uma segunda parte de extremidade (43) para engatar de modo vedante uma segunda superfície de vedação de membro (33); sendo que a vedação de metal tem uma parede lateral (47) que se estende entre as primeira e segunda partes de extremidade (39, 43), sendo que a parede lateral (47) tem lados interno e externo, sendo que a parede lateral (47) tem pelo menos uma dobra (49) entre as primeira e segunda partes de extremidade (39, 41), que define flancos espaçados axialmente (49a, 49b) e um vão axial entre os mesmos; e pelo menos um espaçador (55), sendo que o espaçador (55) é posicionado no vão para limitar o movimento dos flancos (49a, 49b) um em direção ao outro em resposta a um diferencial de pressão entre os lados interno e externo.

2. VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, em que: o espaçador (55) compreende um anel.

3. VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, em que: o espaçador (55) tem uma dimensão axial menor que o vão quando não há nenhuma pressão diferencial entre os lados interno e externo.

4. VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, em que o espaçador (55) compreende: superfícies de contato que fazem contato com os flancos quando estes se movem um em direção ao outro; uma parte de corpo que se estende a partir das superfícies de contato em uma direção oposta ao vão; e uma saia cilíndrica (57) em uma extremidade da parte de corpo oposta às superfícies de contato.

5. VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, em que: a primeira parte de extremidade (39) tem uma superfície de vedação (41) que é transversal ao eixo geométrico (21).

6. CONEXÃO TUBULAR, de acordo com a reivindicação 5, em que: a segunda parte de extremidade (43) tem uma superfície de vedação (45) que é transversal ao eixo geométrico (21).

7. CONEXÃO TUBULAR, de acordo com a reivindicação 5, em que: a segunda parte de extremidade (165) tem uma superfície de vedação (169) que é cilíndrica e concêntrica com o eixo geométrico.

8. CONEXÃO TUBULAR, de acordo com a reivindicação 5, em que: um diferencial de pressão que causa o movimento dos flancos (49a, 49b) em direção oposta um ao outro é adaptado para aumentar uma pressão de contato entre a primeira parte de extremidade (39) e a primeira superfície de vedação de membro (29).

9. CONEXÃO TUBULAR, de acordo com a reivindicação 1, em que: a dita pelo menos uma dobra compreende duas das dobras (49, 51); o vão compreende um vão voltado para dentro exposto ao fluido no lado interno da parede lateral (47) e um vão voltado para fora exposto ao fluido no lado externo da parede lateral (47); e o pelo menos um espaçador compreende um espaçador interno (55) localizado no vão voltado para dentro e um espaçador externo (61) localizado no vão voltado para fora.

10. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que o espaçador compreende: um corpo que tem superfícies de contato que fazem contato com os flancos quando os flancos se movem um em direção ao outro, sendo que as superfícies de contato são localizadas em uma borda externa do corpo; e uma saia cilíndrica (57) em uma borda interna do corpo em engate com o lado interno da parede lateral.

11. APARELHO, de acordo com a reivindicação 1, em que: a primeira parte de extremidade (39) tem uma superfície de vedação plana (41) perpendicular ao eixo geométrico (21).

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, em que: a segunda parte de extremidade (43) tem uma superfície de vedação plana (45) perpendicular ao eixo geométrico (21).

13. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, em que: a segunda parte de extremidade (165) tem uma superfície de vedação cilíndrica (169) concêntrica com o eixo geométrico.

14. MÉTODO PARA VEDAÇÃO ENTRE DOIS MEMBROS (11, 17), que compreende: (a) fornecer uma vedação de metal (37) com as primeira e segunda partes de extremidade (39, 43), uma parede lateral (47) que se estende entre as primeira e segunda partes de extremidade (39, 43), sendo que a parede lateral (47) tem lados interno e externo, e a parede lateral (47) tem pelo menos uma dobra (49) entre as primeira e segunda partes de extremidade (39, 43), definindo os flancos espaçados axialmente (49a, 49b) e um vão axial entre os mesmos; (b) fornecer pelo menos um espaçador (55) e colocar o espaçador no vão; (c) colocar a vedação (37) e o espaçador (5) entre os membros (11, 17), com uma das partes de extremidade estando em contato com um dos membros e a outra parte de extremidade estando em contado com o outro membro; e (d) aplicar uma pressão de fluido diferencial através da parede lateral (47) de maneira a fazer com que os flancos (49a, 49b) se movam um em direção ao outro até que sejam impedidos adicionalmente pelo espaçador (55).

15. MÉTODO, de acordo com reivindicação 14, em que a etapa (d) compreende aplicar uma pressão maior no lado externo que no lado interno.