BR112013033067A2

BR112013033067A2 - método para produção de uma hélice composta com cavidades de trajetória de fluxo e hélice

Info

Publication number: BR112013033067A2
Application number: BR112013033067-8A
Authority: BR
Inventors: Lacopo Giovannetti; Andrea Massini
Original assignee: Nuovo Pignone S.P. A.
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2020-08-11
Also published as: ITCO20110021A1; JP6063459B2; EP2724030B1; WO2012175577A2; BR112013033067B8; WO2012175577A3; EP2724030A2; US20140093376A1; CN103782041B; BR112013033067B1; KR20140050611A; JP2014527589A; RU2013154031A; RU2611521C2; US10012237B2; CN103782041A

Abstract

MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UMA HÉLICE COMPOSTA COM CAVIDADES DE TRAJETÓRIA DE FLUXO E HÉLICE A presente invenção se refere a método para produção e hélice fabricada para ter um revestimento resistente à ero são. O método compreende as seguintes etapas: (S110) proporcionar moldes (10) que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo; (S120) cobrir os moldes (10) com um revestimento re sistente à erosão (20); (S130) conformar um material composto (40) ao redor dos moldes (10) cobertos com o revestimento resistente à erosão (20 ), de acordo com a geometria de hélice predeterminada; (S140) curar o material composto; e remover os moldes para deixar o revestimento resistente à erosão (20) nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice composta.

Description

“MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UMA HÉLICE COMPOSTA COM CAVIDADES DE TRAJETÓRIA DE FLUXO E HÉLICE” CAMPO DA INVENÇÃO

[001] As realizações do assunto em questão descrito no presente documento se referem a métodos para produção e hélices fabricados para ter um revestimento resistente à erosão.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os compressores são um tipo particular de máquina turbo que aumenta a pressão de um fluido compressível (por exemplo, gás) usando- se energia mecânica. Diversos tipos de compressores são usados em usinas de processamento na indústria de petróleo e gás. Entre estes compressores, existe o autodenominado compressor centrífugo em que a energia é fornecida para as partículas de gás através da aceleração centrífuga. A aceleração centrífuga pode ser atingida através da rotação de um elemento rotativo. O elemento rotativo inclui um ou mais hélices.

[003] Dependendo de sua geometria particular e seu princípio funcional, um hélice pode incluir um caminho de fluido bem definido. Por exemplo, um hélice centrífugo 1 é mostrado na Figura 1 e tem pás 3, conectadas a um cubo 2, e cobertas por uma cobertura 4, que pode ser feita de material composto. A hélice 1 tem um perfil substancialmente tridimensional ao redor de um eixo geométrico rotacional X3D. Um fluxo de fluido passa a partir de um orifício de entrada axial 5 em direção a um orifício de saída substancialmente radial 7. Um caminho entre o orifício de entrada 5 e o orifício de saída 7 consiste em uma cavidade de trajetória de fluxo.

[004] De maneira tradicional, as hélices eram feitas de metal.

Recentemente, as hélices feitas parcial ou totalmente de materiais compostos têm uma participação crescente no mercado de hélice. As hélices feitas parcial ou totalmente de materiais compostos têm melhor resistência à corrosão determinados ambientes, tais como aqueles que ocorrem na perfuração de petróleo e gás.

[005] Um problema da hélice composta consiste no fato de que o material composto tem uma resistência à erosão mais baixa que os metais, ou seja, o material composto desgasta devido ao impacto com partículas sólidas ou gotículas de líquido no fluxo. Esta baixa resistência à erosão, em particular, ao redor das cavidades de trajetória de fluxo, leva a uma destruição relativamente rápida da hélice e, deste modo, ao tempo reduzido para substituí- la. As tintas epóxi foram aplicadas na hélice composta em uma tentativa de aumentar a resistência à erosão. Entretanto, estas tintas têm baixa adesão e não proporcionam proteção suficiente, por exemplo, quando as hélices forem usadas na indústria de petróleo e gás onde um fluxo principalmente de fluido inclui partículas sólidas ou gotículas de líquido.

[006] Consequentemente, pode ser desejável proporcionar sistemas e métodos que evitem os problemas e desvantagens mencionados acima.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[007] De acordo com uma realização exemplificativa, proporciona-se um método para produção de uma hélice composta de cavidades de trajetória de fluxo que têm um revestimento resistente à erosão. O método inclui (i) proporcionar moldes que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo, (ii) cobrir os moldes com um revestimento resistente à erosão, (iii) conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o revestimento resistente à erosão, de acordo com uma geometria de hélice predeterminada, (iv) curar o material composto, e (v) remover os moldes para deixar o revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice composta. De acordo com outra realização, uma hélice tem pás, uma cobertura em contato com as pás e que tem as cavidades de trajetória de fluxo através destas, e um revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo. O revestimento resistente à erosão é feito ao (i) proporcionar moldes solúveis em água que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo, (ii) revestir os moldes com um selante, (iii) aplicar uma tinta condutiva sobre o selante, (iv) galvanizar uma camada resistente à erosão sobre a tinta condutiva, (v) conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o selante, a tinta condutiva e o revestimento resistente à erosão, de acordo com uma geometria predeterminada, (vi) curar o material composto, e (vii) dissolver os moldes em uma solução à base de água deixando pelo menos o revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice.

[008] De acordo com outra realização exemplificativa, uma hélice tem pás, uma cobertura em contato com as pás e que tem as cavidades de trajetória de fluxo através destas e um revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo. O revestimento resistente à erosão é feito ao (i) proporcionar moldes metálicos que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa de cavidades de trajetória de fluxo, (ii) cobrir os moldes com uma camada resistente à erosão usando aspersão térmica, (iii) conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o revestimento resistente à erosão, de acordo com uma geometria predeterminada, (iv) curar o material composto, e (v) dissolver os moldes em uma solução ácida ou em uma solução básica, deixando pelo menos o revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] Os desenhos em anexo, que são incorporados e constituem uma parte do relatório descritivo, ilustram uma ou mais realizações e, junto com a descrição, explicam estas realizações. Nos desenhos:

a Figura 1 é uma ilustração de uma hélice com uma trajetória de fluxo bem definida através desta; a Figura 2 é uma ilustração dos moldes de cavidade de trajetória de fluxo utilizáveis em diversas realizações exemplificativas; a Figura 3 é um fluxograma de um método para produção de hélice composto com cavidades de trajetória de fluxo que têm revestimento resistente à erosão, de acordo com uma realização exemplificativa; a Figura 4 é uma ilustração esquemática de formação do composto ao redor de moldes cobertos com um revestimento resistente à erosão, que é incorporado em diversas realizações exemplificativas; a Figura 5 é um diagrama esquemático de camadas de material de acordo com diversas realizações, antes de dissolver um material de molde; a Figura 6 é um fluxograma de um método para produção de hélice composto com cavidades de trajetória de fluxo que têm revestimento resistente à erosão, de acordo com outra realização exemplificativa; e a Figura 7 é um fluxograma de um método para produção de hélice composto com cavidades de trajetória de fluxo que têm revestimento resistente à erosão, de acordo com outra realização exemplificativa.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[010] A seguinte descrição das realizações exemplificativas se refere aos desenhos em anexo. As mesmas referências numéricas em desenhos diferentes identificam os mesmos elementos ou similares. A seguinte descrição detalhada não limita a invenção. Em vez disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações em anexo. As seguintes realizações são discutidas, por uma questão de simplicidade, em relação à terminologia e estrutura das hélices compostas utilizáveis na indústria de petróleo e gás.

Entretanto, as realizações a serem discutidas a seguir não se limitam a estes sistemas, porém, podem ser aplicadas a outros sistemas que usam hélices compostas em um fluxo de fluido que inclui partículas sólidas ou gotículas de líquido.

[011] A referência ao longo do relatório descritivo a "uma realização" significa que um recurso, estrutura ou característica particular descrito em conexão com uma realização é incluído em pelo menos uma realização do assunto em questão descrito. Deste modo, a aparência da frase "em uma realização" em diversos locais ao longo do relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma realização. Ademais, os recursos, estruturas ou características particulares podem ser combinados de uma maneira adequada em uma ou mais realizações. Os moldes de cavidades de trajetória de fluxo solúveis são usados na fabricação de hélices compostas que têm cavidades de trajetória de fluxo. Os moldes de cavidade de trajetória de fluxo são ilustrados na Figura 2. Cada um dos moldes 10 tem um formato tridimensional complexo, com uma geometria que é complementar à geometria da cavidade de trajetória de fluxo na hélice fabricada. Complementar significa que um molde tem a forma de um líquido que preenche a cavidade da hélice, e a geometria do molde pode ser indicada como uma geometria negativa.

[012] Os moldes 10 podem ser efetuados em um material solúvel em água ou de um metal que possa ser dissolvido usando soluções ácidas ou básicas fortes. Um exemplo de material solúvel em água pode ser uma resina epóxi solúvel em água ou um material, tal como, o atualmente comercializado sob o nome AQUAPOUR (produzido pela AeroConsultants, Suíça). Os metais que podem ser usados para fabricar os moldes são cobre e aço doce (isto é, aço com menos de 15% de C) e outras ligas metálicas.

[013] Um fluxograma de um método 100 de fabricação de uma hélice composta com cavidades de trajetória de fluxo que têm revestimento resistente à erosão, de acordo com uma realização exemplificativa, é ilustrado na Figura 3. O método 100 inclui proporcionar moldes (por exemplo, 10) que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo em S110, e cobrir os moldes com um revestimento resistente à erosão (por exemplo, em S120). O método 100 inclui adicionalmente conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o revestimento resistente à erosão, de acordo com a geometria de hélice predeterminada, em S130, e curar o material composto, em S140. Uma maneira de conformar o material composto ao redor dos moldes cobertos com o revestimento resistente à erosão, de acordo com a geometria de hélice predeterminada, é ilustrada na Figura 3, onde os moldes 10, que foram cobertos com o revestimento resistente à erosão 20 e são dispostos ao redor de um núcleo 30 são rodeados pelo material composto 40. O material composto pode incluir uma resina. Dependendo de sua composição exata, uma temperatura de cura pode ser a partir da temperatura ambiente até algumas centenas de graus Celsius.

[014] Finalmente, o método 100 inclui dissolver o molde (por exemplo, 10) para deixar o revestimento resistente à erosão (por exemplo, 20) nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice composta (por exemplo, 40) que tem a geometria de hélice predeterminada em S150. Antes de dissolver os moldes, em uma interface entre o material de molde 10 e o material composto 40, existe a camada resistente à erosão 20, conforme ilustrado na Figura 5. Uma vez que o molde 10 é dissolvido, o material composto 40 e a camada resistente à erosão 20 permanecem juntos. A maneira na qual a camada resistente à erosão (por exemplo, 20) é aplicada nos moldes (por exemplo, 10) depende do material de molde. Se o molde for feito de um material solúvel em água, um processo de galvanização pode ser usado. Se o molde for feito de metal, um processo de galvanização, um processo de aspersão térmica, um processo de deposição de vapor físico (PVD), um processo de deposição de vapor químico (CVD) ou um processo de aspersão a frio pode ser usado.

[015] O processo de galvanização aplicado em um molde solúvel em água inclui (i) revestir o molde com um selante, (ii) aplicar uma tinta condutiva sobre o selante e (iii) galvanizar a camada resistente à erosão sobre a camada condutora. O selante pode ser uma camada fina de tinta epóxi aplicada com um pincel. A camada condutora pode ser uma camada fina de tinta que inclui prata (Ag) e também pode ser aplicada com um pincel.

[016] A galvanização da camada de erosão pode incluir galvanizar uma camada à base de Ni para proporcionar uma base de desenvolvimento de uma estrutura resistente à erosão sobre esta. A galvanização desta camada à base de Ni pode ser realizada usando Níquel strike Woods. A espessura da camada à base de Ni pode ser menor que 1 mil (isto é, 1/1000 de uma polegada).

[017] O volume da camada resistente à erosão pode, então, ser aplicado usando galvanização de níquel sem eletrodos (ENP). A galvanização sem eletrodos utilizou uma solução química contendo íons metálicos, podem nenhuma, corrente direta foi aplicada. A galvanização sem eletrodos proporciona a vantagem de que camadas uniformes podem ser uniformemente aplicadas em objetos que têm geometrias complexas.

[018] A camada resistente à erosão galvanizada usando ENP pode incluir diamantes de menos de 2 µm de tamanho máximo, em uma proporção ao redor de 35% por volume. Após o material composto ser curado, o molde solúvel em água é facilmente removido usando água. A resistência à erosão de uma hélice que tem tal camada resistente à erosão é de aproximadamente cinco vezes maior que aquela de uma hélice sem tal camada.

[019] O processo de galvanização também pode ser aplicado em um molde feito de metal. Entretanto, em um molde feito de metal, as camadas resistentes à erosão também podem ser aplicadas usando um processo de aspersão térmica. As camadas resistentes à erosão aplicadas por aspersão térmica proporcionam dez vezes mais resistência que as camadas resistentes à erosão aplicadas por galvanização.

[020] As camadas resistentes à erosão aplicadas por aspersão térmica podem ser metálicas ou metalo-cerâmicas. Os revestimentos de aspersão térmica resistentes à erosão preferidos são os metalo-cerâmicos e podem incluir tanto uma matriz cerâmica como uma matriz metálica. Por exemplo, a cerâmica é WC é a matriz metálica pode ser uma combinação de Co e Cr, Ni ou uma combinação de Ni e Cr. De maneira específica, para a cerâmica WC, uma combinação de 10CO4Cr foi testada, onde 10 e 4 representam a porcentagem de volume dos metais. Em outro exemplo, a cerâmica é Cr2CO3 e a matriz metálica é NiCr. A espessura da camada resistente à erosão aplicada usando aspersão térmica pode ser de mais de 10 mil. Uma hélice composta com cavidades de trajetória de fluxo que têm um revestimento resistente à erosão, de acordo com outra realização exemplificativa, pode ser feita usando o método 200 ilustrado na Figura 6. O método 200 inclui proporcionar moldes solúveis em água que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo em S210, revestir os moldes com um selante em S220, aplicar uma tinta condutiva sobre o selante em S230, galvanizar uma camada resistente à erosão sobre a tinta condutiva em S240, conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o selante, a tinta condutiva e o revestimento resistente à erosão, de acordo com a geometria de hélice predeterminada em S250, curar o material composto em S260 e dissolver os moldes em uma solução à base de água deixando pelo menos o revestimento resistente à erosão na hélice composta em S270.

[021] Uma hélice composta com cavidades de trajetória de fluxo que têm um revestimento resistente à erosão, de acordo com outra realização exemplificativa, pode ser feita usando o método 300 ilustrado na Figura 6. O método 300 inclui proporcionar moldes metálicos que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo em S310, cobrir os moldes com um revestimento resistente à erosão usando aspersão térmica em S320, conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o revestimento resistente à erosão, de acordo com a geometria de hélice predeterminada em S330, curar o material composto em S340, e dissolver os moldes em uma solução ácida ou em uma solução básica, deixando o revestimento resistente à erosão no material composto em S350. As realizações exemplificativas descritas proporcionam métodos para produzir hélices feitas de materiais compostos que têm cavidades de trajetória de fluxo cobertas por um revestimento resistente à erosão, sendo que o revestimento resistente à erosão é inicialmente aplicado nos moldes por galvanização ou aspersão térmica. Deve-se entender que esta descrição não pretende limitar a invenção. As realizações exemplificativas são destinadas a cobrir alternativas, modificações e equivalentes, que são incluídos no espírito e escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações em anexo.

Ademais, na descrição detalhada das realizações exemplificativas, inúmeros detalhes específicos são estabelecidos a fim de proporcionar um entendimento compreensivo da invenção reivindicada. Entretanto, alguém versado na técnica pode entender que diversas realizações podem ser praticadas sem tais detalhes específicos.

[022] Embora os recursos e elementos das presentes realizações exemplificativas sejam descritos nas realizações em combinações particulares, cada recurso ou elemento pode ser usado sozinho ou sem os outros recursos e elementos das realizações ou em diversas combinações com ou sem outros recursos e elementos descritos no presente documento.

[023] Esta descrição escrita usa exemplos do assunto em questão descrito para permitir que qualquer pessoa versada na técnica pratique a mesma, incluindo produzir e utilizar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados.

O escopo patenteável do assunto em questão é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram para aqueles versados na técnica.

Tais outros exemplos se destinam a se encontrar dentro do escopo das reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UMA HÉLICE COMPOSTA COM CAVIDADES DE TRAJETÓRIA DE FLUXO, que têm um revestimento resistente à erosão, o método é caracterizado pelo fato de que compreende: (S110) proporcionar moldes (10) que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo; (S120) cobrir os moldes (10) com um revestimento resistente à erosão (20); (S130) conformar um material composto (40) ao redor dos moldes (10) cobertos com o revestimento resistente à erosão (20), de acordo com a geometria de hélice predeterminada; (S140) curar o material composto; e remover os moldes para deixar o revestimento resistente à erosão (20) nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice composta.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma maneira de cobrir os moldes (10) com o material resistente à erosão (20) depende de um material de molde.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o material composto (40) inclui uma resina.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que os moldes são feitos de um material solúvel em água e a remoção dos moldes (10) é realizada dissolvendo-os em uma solução à base de água.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a cobertura dos moldes com o revestimento resistente à erosão (20) compreende: (S220) revestir os moldes com um selante; (S230) aplicar uma tinta condutiva sobre o selante; e

(S240) galvanizar a camada resistente à erosão sobre a tinta condutiva.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o selante é uma tinta epóxi.

7. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a condutiva inclui prata.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a galvanização da camada de corrosão compreende: galvanizar uma camada à base de Ni sobre a tinta condutiva; e galvanizar a camada resistente à erosão sobre a camada à base de Ni usando galvanização de níquel sem eletrodos (ENP).

9. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a galvanização da camada à base de Ni sobre a tinta condutiva é realizada usando um níquel strike Woods.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a camada à base de Ni sobre a tinta condutiva tem uma espessura menor que 1 mil.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a camada resistente à erosão galvanizada usando ENP inclui diamantes de menos de 2 µm de tamanho,em uma proporção ao redor de 35% por volume.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que os moldes são feitos de cobre ou aço doce.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a cobertura dos moldes com o revestimento resistente à erosão é realizada por aspersão térmica.

14. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o revestimento resistente à erosão é feito de uma cerâmica e uma cola metálica.

15. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que (a) a cerâmica é WC e a cola metálica é (i) uma combinação de Co e Cr, (ii) Ni, ou (iii) uma combinação de Ni e Cr, ou (b) a cerâmica é Cr2C3 e a cola metálica é uma combinação de Ni e Cr.

16. MÉTODO, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o revestimento resistente à erosão tem uma espessura de pelo menos 10 mil.

17. HÉLICE, caracterizada pelo fato de que compreende: pás (3); uma cobertura (4) em contato com as pás e que tem as cavidades de trajetória de fluxo através destas; e um revestimento resistente à erosão (20) nas cavidades de trajetória de fluxo, sendo que o revestimento resistente à erosão é feito por: proporcionar moldes solúveis em água que têm formatos que correspondem a uma geometria negativa das cavidades de trajetória de fluxo; revestir os moldes com um selante; aplicar uma tinta condutiva sobre o selante; galvanizar uma camada resistente à erosão sobre a tinta condutiva; conformar um material composto ao redor dos moldes cobertos com o selante, a tinta condutiva e o revestimento resistente à erosão, de acordo com uma geometria predeterminada; curar o material composto; e dissolver os moldes em uma solução à base de água deixando pelo menos o revestimento resistente à erosão nas cavidades de trajetória de fluxo da hélice.