BR112015016638B1

BR112015016638B1 - Bomba submarina

Info

Publication number: BR112015016638B1
Application number: BR112015016638-5A
Authority: BR
Inventors: Homstvedt Gunder
Original assignee: Aker Solutions As
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2022-03-08
Also published as: US20150354574A1; CA2897506A1; WO2014109648A1; US9863424B2; EP2943685A4; US20160186759A2; NO337176B1; NO20130054A1; BR112015016638A2; EP2943685A1

Abstract

bomba hermeticamente vedada. a presente invenção está correlacionada a uma 5 bomba submarina, caracterizada pelo fato de compreender uma carcaça de pressão dividida em dois compartimentos, um compartimento com bomba ou dispositivos impulsores dispostos em um eixo e um compartimento com motor ou estator; um diafragma disposto de modo vedante entre os 10 compartimentos e um acoplamento magnético entre os compartimentos, através do diafragma; e um sistema de compensação de pressão para equilibrar a pressão do diafragma no lado do compartimento do motor ou do estator, com a pressão do diafragma no lado do compartimento da 15 bomba ou do dispositivo impulsor.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção está correlacionada com bombas submarinas, mais especificamente, com bombas para bombeamento de líquidos do tipo hidrocarbonetos, em que ocorre um aumento de pressão, ou de água para injeção, em localizações submarinas.

Antecedentes da Invenção e Estado da Técnica

[002] Pressionada pelas urgentes exigências da indústria de petróleo e gás, o aumento de pressão submarina é uma tecnologia sujeita a intensos esforços para adicional desenvolvimento. Devido ao tamanho, energia e fluxo a ser manipulado, e às especiais exigências para operação submarina, as soluções encontradas viáveis para bombas para outras aplicações podem ser consideradas como inúteis no campo submarino, para a finalidade pretendida.

[003] Para um equipamento submarino, a confiabilidade é normalmente o principal motivo de preocupação, devido aos fortes impactos técnicos, econômicos e ambientais que podem ocorrer, se o equipamento falhar.

[004] Os fatores que contribuem para a ocorrência de falhas em conceitos de projeto de novas e existentes bombas submarinas incluem, entre outros aspectos, a instabilidade mecânica correlacionada ao tamanho e pressões exigidas; os grandes impactos de pressão na partida, parada ou mudanças abruptas de carga; o rompimento do isolamento elétrico antes de expirar a vida útil do projeto; o acúmulo de contaminações no motor ou mancais e a perda de controle por diversas outras razões.

[005] Um promissor modelo de aperfeiçoamento de bombas submarinas é implementar um acoplamento magnético entre o motor elétrico e a bomba, mediante disposição de um diafragma ou parede de separação de forma vedada entre o motor e a bomba, tendo o acoplamento magnético através do diafragma ou parede. Este é o chamado modelo de bomba vedada, uma vez que o motor é disposto em um compartimento vedado.

[006] Para as bombas submarinas do tipo acima mencionado, isso, entretanto, tem sido mais difícil do que o esperado na prática, por diversas razões.

[007] Referência é feita à publicação do documento de patente citado pelo estado da técnica, GB 2.390.750 B, suposto de ser a técnica mais próxima da presente invenção. A dita publicação descreve e ilustra um sistema de bombeamento elétrico submersível (ESP), que deve ser disposto em um poço, para levantamento do fluido coletado no poço. A bomba descrita no documento GB 2.390.750 B apresenta uma carcaça de motor vedada, cheia de óleo, a carcaça de motor sendo magneticamente acoplada através de uma parede cilíndrica vedante a uma bomba, a estabilidade dinâmica do acoplamento magnético sendo intensificada através de, pelo menos, dois mancais intermediários, radialmente espaçados, dispostos respectivamente no interior e exterior da dita carcaça cilíndrica. Além disso, meios de compensação de pressão mantêm a pressão dentro da carcaça vedada como substancialmente igual à pressão no poço. O sistema de bombeamento elétrico submersível (ESP) citado no documento GB 2.390.750 B deve ser bastante longo, a fim de possibilitar a operação em poços, ao mesmo tempo em que aumenta substancialmente a pressão, uma vez que os poços impõem rígidas restrições quanto ao diâmetro.

[008] A contaminação e o acúmulo de partículas nos mancais podem tornar o acima mencionado sistema de bombeamento elétrico submersível (ESP) menos confiável. As partículas ou gás presentes podem destruir a lubrificação do mancal. A tendência dos metais não ferromagnéticos e, consequente-mente, dos mancais metálicos se tornarem ferromagnéticos sob tensão e solicitação, podem tornar o acoplamento magnético ineficaz. A compensação de pressão citada no documento GB 2.390.750 B funciona entre a pressão do poço e a carcaça do motor, implicando em que o lado da bomba com mancais é exposto diretamente ao fluxo do poço e, desse modo, a uma forte contaminação. Em um poço típico, a pressão atuante no poço pode ser de algumas dezenas a algumas centenas de bar, enquanto o confinamento de pressão pode ser maior que diversas centenas de bar, pelo que toda essa pressão deve ser cuidada pelo sistema de compensação de pressão, e as resultantes espessuras de parede ou pressão de projeto devem ser adaptadas em conformidade, uma vez que o sistema de compensação de pressão não pode ser esperado de funcionar de modo perfeito ou de modo instantâneo.

[009] Uma velocidade relativamente alta irá existir entre a parede vedante e o elemento rotativo externo e interno. Essa velocidade relativa irá resultar em um calor de atrito hidrodinamicamente gerado, de substancial magnitude. Nenhum resfriamento ou dispositivo para remoção de calor são descritos no documento GB 2.390.750 B. Outro relevante documento da técnica é encontrado nas publicações de patentes US 6.379.127 B1, US 2011/0274565 A1 e WO 2012/125041 A1.

[010] O principal objetivo da presente invenção é de proporcionar uma bomba submarina que seja mais confiável que as bombas submarinas citadas pelo estado da técnica, para operação, conforme mencionado acima.

Resumo da Invenção

[011] A invenção proporciona uma bomba submarina, caracterizada pelo fato de compreender uma carcaça de pressão dividida em dois compartimentos; - um compartimento com bomba ou dispositivos impulsores dispostos sobre um eixo e um compartimento com motor ou com um estator; - um diafragma disposto de modo vedante entre os dois compartimentos; - um acoplamento magnético entre os compartimentos, através do diafragma; e - um sistema de compensação de pressão, para equilibrar a pressão do diafragma no lado do compartimento do motor ou do estator, com a pressão do diafragma no lado do compartimento da bomba ou do dispositivo impulsor.

[012] Preferivelmente, o sistema de compensação de pressão controla a pressão diferencial através do diafragma, para que seja inferior a 5 bar, preferivelmente, inferior a 3 bar, mais preferivelmente, inferior a 1 bar, ainda mais preferivelmente, inferior a 0,3 bar, mais ainda preferivelmente, cerca de 0 bar, mediante equilíbrio das pressões em cada lado da parede.

[013] O compensador de pressão é preferivelmente fundamentado pelo fato de compreender diafragmas/foles metálicos, dispostos em uma carcaça cilíndrica, devido a um possível esticamento e contração. Os lados do diafragma são conectados aos respectivos lados do cilindro, para permitir que um substancial volume seja compensado em um curto tempo de resposta.

[014] Preferivelmente, os mancais são dispostos com lubrificação para proteção contra gás e partículas, o fluxo de lubrificação descarregando quaisquer partículas ou detritos durante a lubrificação e resfriamento, e as partículas sendo removidas em um filtro. Os mancais, tipicamente, são dois mancais radiais e um mancal axial em cada compartimento. Preferivelmente, os compartimentos vedados incluem dispositivos impulsores separados para circulação do fluido de lubrificação. Para um compartimento de motor vedado, o líquido que enche o compartimento é, inicialmente, isento de partículas e contaminação, com o fluido sendo circulado no interior do compartimento, ou se a exigência de resfriamento for alta, circulado através de um dispositivo de resfriamento separado. Para o compartimento da bomba, quaisquer partículas ou contaminação são descarregadas com o meio bombeado, pelo que, um dispositivo impulsor para suportar descarga e lubrificação apresenta uma entrada em um local próximo do eixo de rotação, no lado de alta pressão dos rotores da bomba, em uma localização onde o nível de partículas e contaminação é suposto ou projetado de ser o mínimo. O mesmo fluido de descarga é usado para resfriamento.

[015] O compartimento do motor, preferivelmente, é cheio com água/glicol, ou somente com glicol, como refrigerante do motor e lubrificante dos mancais.

[016] Preferivelmente, a bomba é verticalmente orientada e, pelo menos, uma parte do diafragma apresenta um formato do tipo chapéu. Um rotor disposto exteriormente ao diafragma tipo chapéu é resfriado pelo fluido de circulante, através de condutos radiais na base do rotor. O resfriamento para o rotor interno é disposto através de um canal axial no eixo, acoplado a furos radiais na base do rotor. Essa disposição de circulação é também usada para remover o gás coletado no topo do diafragma de formato tipo chapéu.

[017] Alternativamente, a bomba é verticalmente orientada e pelo menos uma parte do diafragma apresenta um formato tipo xícara. Um rotor disposto no interior da parte do diafragma tipo xícara é resfriado pelo fluido que circula através dos condutos dispostos no interior do eixo do rotor e radialmente para fora através do rotor. O resfriamento do rotor externo é feito através de condutos radiais dispostos na base do rotor.

[018] Preferivelmente, todos os mancais são dispostos axialmente separados do acoplamento magnético.

[019] Numa modalidade preferível, o compartimento do motor compreende um estator, com o rotor disposto no interior do diafragma, desse modo, simplificando o projeto, pelo fato de eliminar um eixo. Para esse modelo, o resfriamento do estator é preferivelmente proporcionado por um circuito refrigerante, acoplado de modo vedado a um dispositivo impulsor ou conectado ao eixo da bomba, alternativamente, por uma bomba externa separada e circuito e fluxo refrigerante.

[020] Alternativamente, a carcaça do motor é cheia com uma mistura de água/glicol, e a bomba de circulação é uma bomba de água/glicol. Preferivelmente, a bomba não exige nenhum suprimento de fluido tipo barreira de fontes externas, simplificando o projeto do sistema, uma vez que longas linhas de suprimento são eliminadas. Também, a bomba apresenta um modelo curto, comparado a uma bomba de interior de poço. O refrigerante na cavidade do motor, preferivelmente, pode ser enchido ou trocado numa localização submarina, mediante o uso de um ROV (Veículo Operado Remotamente), através de específicas entradas de fluxo, com as quais o ROV pode se autoconectar, para troca do fluido refrigerante, ou mediante substituição de um tanque refrigerante e, preferivelmente, também de um filtro, através da inclusão de conexões e válvulas operáveis pelo ROV, para isolar e desconectar as ditas partes, e conectar novas partes. Preferivelmente, um tanque e um filtro são integrados, de modo a serem substituídos como uma unidade em uma única operação.

[021] A bomba de acordo com a invenção é mais estável, robusta, confiável e eficiente do que as bombas submarinas citadas pelo estado da técnica para o serviço pretendido, uma vez que a área do acoplamento é mais limpa e resfriada. O sistema de compensação efetiva de pressão permite um projeto de pressão diferencial mais baixa do diafragma, garantindo um diafragma ou parede mais fina, e um acoplamento magnético mais efetivo em todo o diafragma. O compartimento de motor vedado permite um inicial enchimento de líquido para resfriamento e lubrificação, para perdurar conforme um típico projeto de vida útil, por exemplo, durante 20 anos.

[022] Entretanto, as entradas para substituição do dito fluido, preferivelmente, podem ser dispostas factíveis para substituição do enchimento e esvaziamento de tanques por um ROV, ou por um cabo umbilical desenvolvido para a finalidade, ou para enchimento de glicol regenerado do filtrado proveniente do compartimento da bomba, no caso de ser desejado um prolongamento da vida útil ou de problemas inesperados ocorrerem.

Breve Descrição das Figuras

[023] A invenção é ilustrada por meio de três figuras, a saber: - a figura 1 ilustra uma modalidade de uma bomba de acordo com a invenção; - a figura 2 ilustra outra modalidade de uma bomba conforme a invenção; e - a figura 3 ilustra uma variante da modalidade ilustrada na figura 2.

Descrição Detalhada da Invenção

[024] Referência é feita à figura 1, ilustrando uma modalidade de uma bomba (1) conforme a invenção, disposta de modo vertical. A bomba (1) compreende uma carcaça de pressão (2) dividida em dois compartimentos; um compartimento (3) com bomba ou dispositivos impulsores dispostos sobre um eixo, e um compartimento (4) com motor ou um estator. Um diafragma (5) separa os compartimentos de modo vedado, um acoplamento magnético (6) proporciona o acoplamento entre os compartimentos, radialmente através de uma parte do diafragma (5), tendo o formato e orientação como uma xícara (5C). Um sistema de compensação de pressão (7) proporciona o equilíbrio da pressão em cada lado do diafragma, o que significa o equilíbrio de pressão do lado do compartimento do motor ou estator do diafragma para o lado do compartimento da bomba ou do dispositivo impulsor do diafragma. Mancais (8) dispostos exteriormente ao acoplamento magnético suportam um eixo de motor (9) no compartimento do motor e um eixo de bomba (10) no compartimento de bomba, respectivamente. Um rotor acoplado (11), disposto no interior da parte de diafragma em formato de xícara, é resfriado e descarregado pelo fluido de circulação refrigerante, através de um conduto refrigerante interior ao eixo, ao longo do rotor interno magneticamente acoplado e ao longo e fora da parte de diafragma em formato de xícara. O rotor (11) é a parte de acionamento do acoplamento magnético. Por razões de simplicidade, a disposição de resfriamento e descarga do rotor (11) e da parte de diafragma em forma de xícara (5C) não é ilustrada, uma vez que isso seria difícil de ver em detalhes na figura. Entretanto, um eixo vazado ou condutos no eixo com aberturas radiais para fora do eixo são exigidos para a provisão do dito resfriamento e descarga. Um filtro no circuito de circulação no compartimento de motor remove quaisquer partículas que são descarregadas na cavidade fechada do motor.

[025] A figura 2 ilustra outra modalidade de bomba, no caso, de uma bomba verticalmente orientada, mas onde uma parte do diafragma (5) apresenta um formato tipo chapéu (5H). Além do diafragma, essa modalidade é diferente da modalidade ilustrada na figura 1 com relação ao resfriamento e à descarga. Mais especificamente, um rotor (12), ou seja, a parte de acionamento do acoplamento magnético e disposto exteriormente à parte de diafragma de formato de chapéu (5H) é resfriado e descarregado pela circulação do fluido refrigerante através de condutos refrigerantes dispostos interiormente e exteriormente ao rotor. Os condutos para resfriamento e descarga são também dispostos radialmente para dentro, a fim de resfriar e descarregar a parte em forma de chapéu do diafragma, e através de um mancal radial adjacente ao rotor externo. O sistema de circulação é também usado para remover qualquer gás coletado na parte de diafragma em formato de chapéu, uma vez que o dito gás pode acompanhar o fluido de processo bombeado. Por razões de simplicidade, a disposição de resfriamento e descarga não é ilustrada, uma vez que poderia ser difícil visualizar os detalhes na figura, e os itens de equipamentos similares ou idênticos à modalidade ilustrada na figura 1 não apresentam referências numéricas, pelo fato de que essa referência já é feita na figura 1.

[026] Referência é feita agora à figura 3, que ilustra uma variante da modalidade ilustrada na figura 2. Mais especificamente, o “chapéu” (5H) foi prolongado para também cobrir o rotor (13) do motor, e a disposição de resfriamento e descarga foi modificada, como, também, a disposição de mancal. A parte de diafragma de formato de chapéu (5H) proporciona um motor embalado, com um compartimento de estator (4S) em um lado do diafragma (5) e um rotor do eixo da bomba no outro lado do diafragma, em um compartimento de bomba (3). O rotor no lado da bomba é preferivelmente disposto com ímãs permanentes. Um rotor separado (14) na câmara do estator, acionado pelo estator (15), ativa uma bomba de circulação de refrigerante (CFP), proporcionando resfriamento e descarga sobre e em torno do “chapéu”, e para os mancais no compartimento do estator.

[027] As modalidades ilustradas apresentam um efetivo resfriamento e descarga de itens de equipamento e volumes críticos, proporcionando resfriamento, lubrificação e descarga do gás, de partículas de areia e metal, e outras contaminações provenientes de componentes críticos, a fim de evitar os problemas típicos mencionados anteriormente, o que resulta em uma prolongada vida útil, se comparado com as bombas submarinas vedadas citadas pelo estado da técnica. Além disso, o motor vedado ou compartimento de estator não exige alimentação de fluido tipo barreira, eliminando a alimentação de cabo umbilical e de unidades de energia hidráulica de topsides (modelo superior de plataforma). A efetiva compensação de pressão, permitindo uma compensação de pressão local puramente mecânica, sem suprimento remoto, possibilita rápidos tempos de resposta com relação à compensação de pressão, permitindo o uso de um diafragma de parede fina e de alta resistência, como, também, permitindo uma reduzida distância e, consequentemente, um aperfeiçoado acoplamento magnético entre as partes de acionamento e as partes ativadas do acoplamento magnético. O diafragma pode ser feito de qualquer material não ferromagnético rijo e de alta resistência, tal como, material de Monell ou material compósito. A bomba de acordo com a invenção pode compreender qualquer característica conforme aqui descrita ou ilustrada, em qualquer combinação operacional, em que cada combinação operacional constitui uma modalidade da presente invenção.

Claims

1. Bomba submarina (1), que compreende: - uma carcaça de pressão (2) dividida em um primeiro compartimento (3) e um segundo compartimento hermeticamente vedado (4); - o primeiro compartimento (3) tendo pelo menos um de uma bomba e um impulsor, o pelo menos um de uma bomba e um impulsor sendo disposto em um primeiro eixo para bombeamento de um fluido de processo; - o compartimento hermeticamente vedado (4) tendo pelo menos um de um motor e um estator de um motor, o motor compreendendo um rotor em um segundo eixo; - uma parede (5) disposta de modo vedante entre o primeiro compartimento (3) e o segundo compartimento (4) com o primeiro eixo e o segundo eixo em lados opostos da parede; - um acoplamento magnético (6) entre o primeiro compartimento (3) e o segundo compartimento (4), acoplando o primeiro eixo e o segundo eixo através da parede; e - um sistema de compensação de pressão (7) disposto entre o primeiro compartimento (3) e o segundo compartimento (4), para equilibrar a pressão sobre a parede entre o primeiro compartimento (3) e o segundo compartimento (4), - uma bomba de refrigeração de fluido disposta em um do segundo eixo e o rotor; - um circuito de refrigeração hermeticamente vedado acoplado a e a partir do segundo compartimento (4); caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um líquido combinado para lavar, lubrificar e resfriar, e encher o segundo compartimento hermeticamente vedado (4), o líquido combinado sendo bombeado pela bomba de refrigeração de fluido através do circuito de refrigeração hermeticamente vedado e pelo menos um mancal (8) posicionado dentro do segundo compartimento hermeticamente vedado (4), o líquido combinado para lavar, lubrificar e resfriar o pelo menos um mancal, em que a bomba submarina está sem um fornecimento de fluido de barreira externa.

2. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de compensação de pressão (7) controla a pressão diferencial sobre a parede (5) para que seja menor que 5 bar, para equilibrar as pressões em cada lado da parede.

3. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o segundo compartimento (4) é cheio com um de água/glicol e óleo como o líquido combinado para lavar, lubrificar e resfriar, e o liquido combinado flui em um circuito fechado, incluindo pelo menos um filtro.

4. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a bomba (1) é verticalmente orientada e a parede apresenta um formato tipo chapéu (5H), em que o rotor (11) é resfriado pelo líquido combinado através de condutos radiais dispostos em uma parte inferior do rotor, e em que os condutos para o líquido combinado são também dispostos através de um mancal radial adjacente ao rotor.

5. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a bomba (1) é verticalmente orientada e a parede apresenta um formato tipo xícara (5C), em que um rotor (11) é resfriado pelo líquido combinado através de condutos dispostos no interior do rotor e radialmente para fora do rotor.

6. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um mancal (8) é disposto axialmente separado do acoplamento magnético (6).

7. Bomba, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a bomba compreende uma entrada, de modo que o líquido combinado no segundo compartimento (4) é enchido ou trocado numa localização submarina, mediante um dispositivo ROV - Veículo Operado Remotamente.