BR102021026844A2 - Atuador para uma válvula de operação giratória - Google Patents

Abstract

Um dispositivo atuador para operação por pressão diferencial para acionamento rotacional de válvulas giratórias em aplicações industriais de alta pressão. As realizações apresentadas são resistentes à explosão para implementação em áreas de segurança da zona 1. Também incorporam sensores de alta visibilidade e monitoramento para permitir inspeção visual distante ou monitoramento posicional remoto (fora da linha de visão) e verificação de acionamento.

Description

ATUADOR PARA UMA VÁLVULA DE OPERAÇÃO GIRATÓRIA ANTECEDENTES DA INOVAÇÃO REFERÊNCIA CRUZADA COM OS PEDIDOS RELACIONADOS

[01] Esse pedido reivindica prioridade sob 35 U.S.C. §119(e) do pedido de patente provisório norte-americano N⍛ 62/977.525, por Adrian Bucciarelli et al, intitulado "Atuador hidráulico de um quarto de volta para operação de válvulas de diâmetro grande em implementações de alta pressão", depositado em 17 de fevereiro de 2020, que, por essa declaração, é incorporado pelo presente por referência para todas as finalidades.

[02] Declaração sobre pesquisa ou desenvolvimento patrocinada por órgão federal:

• - Não aplicável.

[03] Referência à Lista de sequência, uma Tabela ou um anexo de disco compacto de lista de programa de computador:

• - Não aplicável.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[04] Muitas operações industriais são dependentes da capacidade de controlar o fluxo de fluidos. As válvulas regulam os fluxos de gases, líquidos ou materiais soltos através das aberturas, como tubulações ou passagens pela abertura, fechamento ou obstrução do progresso do fluido. há diversos tipos e desenhos de válvulas que satisfazem uma ou mais dessas funções que podem acomodar seguramente a ampla variedade de aplicações industriais.

[05] A automatização da operação da válvula é desejável para as válvulas situadas em locais inconvenientes ou que exigem forças operacionais excessivas. A automatização é especialmente desejável para válvulas situadas em ambientes perigosos em que sua operação coloca a equipe em risco. As válvulas pode se bifurcar em diâmetros menores (geralmente 2 polegadas ou menos), e válvulas comerciais, acima de 2 polegadas de diâmetro (geralmente designadas como diâmetro grande).

[06] Aplicações de diâmetro grande comumente encontradas em aplicações industriais podem não ser adequadas para operação por atuadores tradicionais do tipo palheta devido Às forças envolvidas e às tensões nos braços de posição. No setor de petróleo & gás, as válvulas guilhotinas são uma seleção padrão, mas há situações em que as válvulas acionadas em um quarto de volta podem ser preferidas. Por exemplo, em situações que exigem ciclo mais rápido que possível com uma válvula guilhotina.

[07] Válvulas obturadoras ou válvulas de esfera são válvula de movimento rotacional usadas para interromper ou iniciar fluxo de fluido. O nome é derivado do formato do disco, que lembra um obturador. A forma mais simples de uma válvula obturadora é a petcock. O corpo de uma válvula obturadora é usinado para receber o disco, um obturador cônico, esférico (esfera) ou cilíndrico. O disco é um obturador sólido com uma passagem perfurada em um ângulo reto ao eixo rotacional do obturador.

[08] Na posição aberta, a passagem no obturador se alinha com as portas de entrada e saída do corpo da válvula. Quando o obturador é virado 90° da posição aberta, a parte sólida do obturador bloqueia as portas e interrompe o fluxo de fluido. As válvulas obturadoras estão comumente disponíveis em um desenho lubrificado ou não lubrificado e pode ter uma variedade de projetos de vedação para melhorar a prevenção ao vazamento ou, de outro modo, melhorar o desempenho da válvula.

[09] As válvulas de operação de um quarto de volta oferecem vedações herméticas e baixa turbulência em posições totalmente aberta ou totalmente fechada. Mas o movimento giratório limitado (deslocamento angulares) são mais difíceis de automatizar. na aplicação da realização preferida, o controle em sistemas de petróleo e gás (O&G) de alta pressão, as pressões de fluido em uma linha podem dificultar ainda mais as operações de atuadores típicos. Essas condições exigentes incluem perfuração terrestre e marítima; produção, pressão e temperatura extremas; e aplicações de óleo pesado, ácido e submarinhas, incluindo operações de fraturamento hidráulico que incorporam pressões acima de 20.000 psi (libras por polegada quadrada).

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[010] A FIG. 1 mostra uma vista em perspectiva de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação, mostrada conectada a uma válvula giratória de alta pressão e diâmetro grande com acionamento de ¼ de volta.

[011] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva ampliada de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação.

[012] As FIGS. 3A e 3B ilustram diagramas de corte em perspectiva de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação, mostradas em uma primeira posição e segunda posição da operação típica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INOVAÇÃO

[013] A inovação permite que a energia hidráulica/pneumática acione uma válvula giratória ao traduzir uma ação linear em ação giratória. Os atuadores lineares geralmente operam ao mudar a pressão em qualquer extremidade de um pistão que move o pistão para ajustar o volume em resposta à pressão diferencial.

[014] O atuador compreende um êmbolo/pistão, o qual é movido em resposta à pressão. O êmbolo, na realização preferida, é cilíndrico, com um centro oco para aceitação de uma haste cilíndrica, e uma extremidade superior dilatada servindo como o pistão do êmbolo.

[015] O êmbolo se encaixa em um corpo cilíndrico do atuador com um diâmetro interno aproximadamente igual ao diâmetro externo do pistão do êmbolo. O diâmetro interno do corpo do atuador é reduzido na extremidade inferior a aproximadamente o diâmetro externo da extremidade inferior do êmbolo e limitado na extremidade distal para formar dois espaços cilíndricos, um acima e um abaixo da parte dilatada do êmbolo (isto é, pistão do êmbolo).

[016] Ao introduzir um gás/fluido na cavidade do corpo através de uma porta que está acima ou abaixo da parte dilatada do êmbolo e liberar o fluido da porta distal, o êmbolo é movido para cima ou para baixo em tentativas de equalizar a pressão diferencial por alterações de volume relativo das câmaras superior e inferior. O êmbolo cilíndrico e haste são coaxiais.

[017] Embora os técnicos no assunto reconheçam a aplicação da pneumática a essa inovação, a realização preferida do inventor é hidráulica devido à eficiência de fluidos não compressores, que podem acionar válvulas de diâmetro grande em aplicações de alta pressão utilizam volumes e pressões de deslocamento inferior como meio de controle.

[018] Na realização preferida, a parte superior de diâmetro reduzido da haste se estende através da extremidade do pistão do êmbolo, e a cavidade do corpo superior se projeta através da tampa do corpo do atuador. Ambas as passagens vedadas por anéis em forma de O/gaxetas, vedação da haste, etc., para manter a integridade da câmara superior (isto é, porção superior da cavidade do corpo dividida).

[019] A borda do pistão do êmbolo é vedada de forma equivalente para preservar a separação da cavidade do corpo nas câmaras superior e inferior. A extremidade inferior do êmbolo é vedada do mesmo modo contra o diâmetro interno reduzido do corpo do atuador para manter a integridade da câmara inferior (isto é, porção inferior da cavidade do corpo dividida).

[020] A extremidade inferior da haste possui um canal de ação espiral, e a parte superior que se projeta é marcada para indicar a orientação do canal de ação espiral. O êmbolo e a haste são combinados por uma vara de ação que passa de uma lateral à outra do espaço interno do êmbolo, através do canal de ação da haste do eixo central. Na realização preferida, a vara de ação é equipada com rolamentos em cada extremidade, retidos com anéis retentores, que rolam contra as laterais do canal de ação para reduzir o arrasto e desgaste por atrito.

[021] O movimento linear do êmbolo se traduz para a pressão lateral no canal de ação espiral da haste, resultando em deslocamento rotacional da haste e é indicado na marcação da posição superior que se estende da extremidade superior do corpo do atuador. A extremidade inferior da haste é apoiada por mancais de corrida em uma base do atuador e possui uma porta de acoplamento para fixação a uma válvula rotacional acionada.

[022] O atuador possui um flange inferior para fixá-lo ao corpo da válvula e correspondendo operacionalmente à porta da válvula. A porta de acoplamento da haste do atuador é conectada à haste (ou outro componente funcional) da válvula giratória e o movimento é traduzido para esta. O corpo do atuador da realização preferida possui um calibre de ajuste e os orifícios do parafuso alongado no flange inferior permitindo o ajuste do alinhamento entre o atuador e a válvula correspondida. Isso provê a oportunidade de ajustar os extremos do atuador para estar em sintonia com as posições totalmente aberta e fechada da válvula.

[023] O desenho compacto permite a instalação acima da válvula, geralmente dentro da mesma pegada do corpo da válvula. O desenho helicoidal exclusivo da fenda de ação e incorporação de rolo na vara de ação reduz o arrasto friccional, permitindo a implementação de ação dupla que produz torque suficiente em qualquer direção para operação de válvulas industriais de diâmetro grande, mesmo contra resistência de fluido interno.

[024] A realização preferida também inclui um sensor eletrônico que pode transmitir a posição da válvula similar à indicação visual disponível da marca na extremidade superior da haste que se projeta através da extremidade superior do atuador. O que segue refere-se à realização preferida e não deve ser interpretado como limitante da inovação para outras aplicações ou desenhos, as meramente como exemplares de como o ensinamento pode ser aplicado pelos técnicos no assunto.

[025] Como esse atuador é alimentado por pressões diferenciais, é adequado para uso em ambientes explosivos, ou áreas de segurança em que as fontes de ignição (inclusive comunicações por rádio e atuadores elétricos) podem ser indesejáveis. Os materiais de construção do atuador são selecionáveis quanto à durabilidade e resistência ao ambiente desejado de implantação e podem ser escolhidos para maximizar a vida útil do equipamento e reduzir as operações de manutenção necessárias.

[026] O indicador de posição, uma fenda ao longo do eixo rotacional da haste na realização preferida, pode ser tocado para fixar uma placa ou outro indicador visível à distância (por exemplo, de fora dos limites de uma área de segurança designada). Mas o sensor de posição integrada pode ser monitorado para sinalizar operações além da linha do local ou possibilitar o monitoramento e respostas automáticos.

[027] Embora a realização preferida utilize um canal de ação para operação de um quarto de volta, os técnicos no assunto reconheceriam a aplicabilidade potencial de outras realizações que proveem operação de meia volta, operações de volta completa ou várias voltas ou ações mais complexas caso uma válvula exija tal complexidade. Deve-se tomar cuidado ao equilibrar as forças desejadas contra qualquer fraqueza que possa ser introduzida pelo formato de canais de ação mais longo e mais complexos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS

[028] A FIG. 1 mostra uma vista em perspectiva de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação, mostrado conectado a uma válvula giratória genérica de diâmetro grande de alta pressão com acionamento de ¼ de volta. O atuador (100) é montado sobre uma válvula de ação giratória (150).

[029] A mangueira hidráulica superior (130) e inferior (140) é conectada para alimentar o atuador com fluidos pressurizados em uma câmara de pistão superior e inferior para posicionar a válvula, conforme desejado a partir de um local remota.

[030] A FIG. 2 é uma vista em perspectiva ampliada de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação. O atuador (200) é compreendido de um corpo (210) com um flange de montagem com orifícios de parafuso alongado (213). Os orifícios do parafuso são alongados ao longo do raio do atuador (200), de modo que a montagem possa ser girada para ajuste pela utilização de um medidor de ajuste (215, não visível). O atuador (200) é então travado na posição com um parafuso de travamento (217) para impedir a rotação durante o acionamento da válvula (150, não mostrado).

[031] O corpo (210) do atuador (200) possui uma tampa superior (220) e uma base (230) nas extremidades distais, que junto a diversos rolamentos, gaxetas e tampas (290) vedam a contra as extremidades da haste (250) para fechar e vedar por pressão a cavidade interna do corpo (210), suportando e/ou guiando os movimentos da haste (250) dentro do atuador (200) . A base (230) possui um flange de montagem (233) com orifícios de parafuso alongado correspondendo ao flange de montagem (213) do corpo (210) e sendo preso à válvula da mesma forma.

[032] A haste (250) possui uma porta de acoplamento (257) na extremidade adjacente ao flange de montagem (213 & 233) do corpo (210) e da base (230). A porta de acoplamento (257) é suportada por rolamentos e vedada com tampa e gaxetas (290) a serem abertas na parte inferior do atuador (200) com a haste (ou outro componente funcional) da válvula giratória (150 não mostrado) e transferir movimento de atuação para esta. O corpo central da haste (250) compreende um canal de ação (253), e um indicador de posição (255, não visível) que se estende através da tampa superior (220) do corpo (210) e vedada a esta com diversas gaxetas e tampas (290), como anteriormente indicado.

[033] O corpo central da haste (250) com o canal de ação (253) é circulado pelo corpo oco de um êmbolo (240) . O êmbolo (240) possui uma tampa superior (243) em uma extremidade com uma abertura central através da qual passa o indicador de posição (255, não visível) da haste (250) e ser vedado de forma deslizante a este. A tampa superior (243) do êmbolo (240) possui um diâmetro externo substancialmente igual ao diâmetro da cavidade interna do corpo (210) e é vedado de forma deslizante a este com os anéis em formato de O (245) .

[034] O êmbolo divide a cavidade do corpo (210) em duas câmaras, uma superior e uma inferior que são, respectivamente, acessíveis por uma porta hidráulica superior (270A) e uma porta hidráulica inferior (270B) que se estendem através da parede externa do corpo do atuador (210). O êmbolo (240) possui uma montagem de vara de ação com parafusos (247) que são presos às extremidades distais de uma vara de ação (260), que atravessa o canal de ação (253) da haste (250) .

[035] A vara de ação (240) possui rolamentos opcionais em cada extremidade para reduzir a fricção do canal de ação (253) . Conforme o êmbolo é movido para cima e para baixo, a vara de ação (240) que se estende através da haste (250) faz com que a porta de acoplamento (257) da haste gire. Essa rotação pode ser detectada e monitorada por um sensor de posição (280) para monitoramento remoto.

[036] As FIGS. 3A e 3B ilustram os diagramas de perspectiva de corte de um atuador, em conformidade com uma realização exemplar da inovação, mostrados em uma primeira posição e segunda posição de operação típica. Na FIG. 3A, o atuador (320) é mostrado em uma primeira posição, em que o êmbolo (240) foi forçado para baixo ao adicionar fluido à câmara superior (300) através da porta hidráulica superior (270A) e remoção do fluido a partir da câmara inferior (310) através da porta hidráulica inferior (270B).

[037] Expandir a câmara superior (300) força o êmbolo (240) a se mover a jusante, enquanto permanece vedado pelos anéis em formato de O (245) . Esse movimento força a vara de ação (260) , que é presa à montagem da vara de ação (247, não indicada) do êmbolo (240) para se mover a jusante. O movimento da vara de ação (240) dentro do canal de ação (253) da haste (250) traduz a força a jusante em uma força giratória em sentido anti-horário. A força giratória da vara de ação (240) no canal de ação (253) faz com que a haste (250) gira para uma primeira posição, como indicado pelo indicador de posição (255) que se estende através da tampa superior (220), operando a válvula giratória presa à base (230), e relatado pelo sensor de posição (280).

[038] Na FIG. 3B, o atuador (330) é mostrado em uma segunda posição, girado em sentido horário a partir da primeira posição em um quarto de volta. Os técnicos no assunto reconheceriam que a modificação óbvia do canal de ação (253) alteraria a direção e/ou distância desses movimentos, e que esse reposicionamento encontra-se bem dentro do ensinamento aqui apresentado. Na segunda posição ilustrada, o êmbolo (240) foi forçado para baixo pela adição de fluido à câmara inferior (310) através da porta hidráulica inferior (270B) e remoção de fluido da câmara superior (300) através da porta hidráulica superior (270A).

[039] A expansão da câmara inferior (310) força o êmbolo (240) a se mover para cima, enquanto permanece vedado pelos anéis em formato de O (245) . Esse movimento força a vara de ação (260), que é presa à montagem da vara de ação (247, não indicado) do êmbolo (240) . O movimento da vara de ação (240) dentro do canal de ação (253) da haste (250) traduz a força a montante em uma força giratória em sentido horário. A força giratória da vara de ação (240) no canal de ação (253) faz com que a haste (250) gire para uma segunda posição, como indicado pelo indicador de posição (255) que se estende através da tampa superior (220), operando a válvula giratória presa à base (230), e relatado pelo sensor de posição (280).

[040] Os diagramas, em conformidade com as realizações exemplares da presente invenção, são providos como exemplos e não devam ser interpretados por limitar outras realizações dentro do escopo da invenção. Por exemplo, alturas, larguras e espessuras, podem não estar e escala e não devem ser interpretados por limitar a invenção às proporções particulares ilustradas. Além disso, alguns elementos ilustrados na singularidade podem realmente ser implementados em uma pluralidade.

[041] Ademais, alguns elementos ilustrados na pluralidade poderiam realmente variar em contagem. Ainda, alguns elementos ilustrados em uma forma poderiam realmente variar em detalhes. Também, os valores de dados numéricos específicos (como quantidades específicas, números, categorias, etc.) ou outras informações específicas devem ser interpretados como ilustrativos para discussão de realizações exemplares. Essas informações específicas não são providas para limitar a invenção.

[042] A discussão acima destina-se a ser ilustrativa dos princípios e diversas realizações da presente invenção. Inúmeras variações e modificações ficarão evidentes aos técnicos no assunto uma vez que a revelação acima seja totalmente reconhecida. Pretende-se que as reivindicações a seguir sejam interpretadas por abranger todas as variações e modificações.

Claims (8)

1. ATUADOR PARA UMA VÁLVULA DE OPERAÇÃO GIRATÓRIA, caracterizado por compreender:
   corpo cilíndrico oco compreendendo: diâmetro interno e uma parede externa, tampa superior de vedação a uma extremidade, e base de vedação à extremidade distal; haste cilíndrica alinhada coaxialmente e estendendo-se centralmente através do corpo cilíndrico oco, em que a haste compreende:
   indicador de posição em uma extremidade que se estende através da tampa superior, e vedado giratoriamente a esta,
   porta de acoplamento na extremidade distal que se estende através e se abre para fora da base do corpo, vedada giratoriamente a esta, e
   canal que se estende através de uma porção da haste, o canal moldado de modo espiral em relação a e em intersecção do eixo central do corpo da haste;
   êmbolo cilíndrico oco inserido de forma móvel no corpo e circundando a haste, compreendendo:
   tampa superior que fecha uma extremidade e possui um diâmetro externo substancialmente igual ao diâmetro interno do corpo do atuador, vedado de forma deslizante a este dividindo o corpo do atuador em uma primeira e uma segunda câmara, e
   abertura axial, vedada de forma deslizante à haste, e circundando o canal da haste;
   vara de ação que se estende através do canal da haste e montada às paredes internas do corpo do atuador oco do êmbolo compreendendo ainda uma primeira e uma segunda porta na parede do corpo posicionada para, respectivamente, em conexão fluida com a primeira ou a segunda porta.
2. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um sensor de posição eletrônica para transmissão da posição rotacional da haste dentro do corpo do atuador.
3. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, sendo a tampa superior do êmbolo caracterizado por compreender ranhuras para anéis em O que vedam a tampa superior do êmbolo contra a parede interna do corpo do atuador.
4. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fluido não compressível criar uma pressão diferencial entre a primeira e a segunda câmara.
5. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um gás criar uma pressão diferencial entre a primeira e a segunda câmara.
6. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo canal de ação ser orientado no sentido horário.
7. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo canal de ação ser orientado no sentido anti-horário.
8. ATUADOR, de acordo com a reivindicação 1, sendo o canal de ação caracterizado por compreender uma pluralidade de canais unidos.

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