BR112016016551B1

BR112016016551B1 - Válvula de controle de fluxo de fluido

Info

Publication number: BR112016016551B1
Application number: BR112016016551-9A
Authority: BR
Inventors: Erik Volent
Original assignee: Subsea Chokes International As
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2022-04-05
Also published as: US20160333663A1; NO20140119A1; EP3027847A1; EP3027847A4; BR112016016551A2; EP3027847B1; WO2015115907A1; US10208563B2; NO336259B1

Abstract

válvula de controle de fluxo de fluido. a presente invenção se refere a uma válvula de controle de fluxo de fluido, em que a válvula compreende um alojamento de válvula (10) dotado de um canal de fluxo (12), que no sentido da seção de entrada para a seção de saída, compreende uma entrada substancialmente cônica (13), uma sede de válvula (14) e um difusor (15) na seção de saída, que transfere para dentro de um canal de fluxo (16). um fuso em formato de agulha (11) é disposto móvel axialmente dentro do canal de fluxo (12) e exibe um diâmetro maior dn. a entrada (13) exibe uma primeira seção de entrada cônica (13') que tem um ângulo a1 de 15° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo (12), e uma segunda seção de entrada (13") com um raio de curvatura r2 igual a 5,7 vezes o diâmetro dn do fuso (11). o difusor (15) é cônico e tem uma seção transversal crescente no sentido do fluxo por um ângulo a2 de 30° com o eixo geométrico longitudinal no canal de fluxo (12). o projeto da válvula produz erosão mínima na seção de entrada e cavitação e erosão mínimas na seção de difusor (15).

Description

[0001] A presente invenção refere-se a uma válvula de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1, particularmente uma válvula de agulha para controlar fluxo de petróleo e gás para taxas de fluxo específicas.

ANTECEDENTES

[0002] Atualmente, há inúmeros tipos de dispositivos para controle de fluxo, tais como para controlar fluxo de petróleo e gás para taxas de fluxo específicas. Um tipo de válvula usada para esse fim são as válvulas de agulha. As válvulas de agulha são um tipo de válvula que tem um pequeno orifício de fluxo e uma haste em formato de agulha que permite um controle de fluxo preciso em taxas de fluxo relativamente baixas. Outras variedades de uso são injetores de vapor e injetores de combustível em motores de combustão e turbinas a gás.

[0003] Em uma válvula de agulha, é disposto um fuso em formato de agulha que tem uma direção curso axial em um canal de fluxo e que é móvel em relação a uma sede cônica. A saída da válvula tipicamente exibe uma seção transversal de fluxo uniforme. Um problema que surge em válvulas desse tipo é a erosão provocada por partículas e gotículas que atingem a superfície da sede na seção de entrada. Outro problema é a erosão na superfície cônica da sede no lado de baixa pressão da válvula, devido ao fluxo turbulento. Além disso, essas forças mecânicas que atuam sobre a válvula podem provocar vibração em uma válvula e acessórios anexos, que, por sua vez, podem abreviar a vida útil dos acessórios.

[0004] Para aplicações em instalações marítimas de petróleo e gás, em que as válvulas constituem uma parte das estruturas submarinas, uma avaria da válvula é, naturalmente, muito negativa, uma vez que uma interrupção de produção, por si só, é cara. Além disso, a troca de válvulas em ambientes como esse é demorada e onerosa.

OBJETIVO

[0005] Um objetivo da invenção é fornecer uma válvula que reduza o problema de erosão na sede de válvula, na seção de entrada, provocado por partículas ou gotículas no fluido. Outro objetivo é fornecer uma válvula de agulha que diminua o problema de erosão na sede de válvula, na seção de saída. Outro objetivo da invenção é fornecer uma válvula desse tipo que exiba vibração reduzida.

A INVENÇÃO

[0006] Esses objetivos são resolvidos por uma válvula de acordo com a parte de caracterização da reivindicação 1. Recursos benéficos adicionais aparecem a partir das reivindicações dependentes.

[0007] A presente invenção é relacionada a uma válvula do tipo válvula de agulha, para controle de fluxo de um fluido, particularmente, fluxos de fluido em instalações marítimas, que contêm petróleo, gás, água e partículas. A válvula compreende um alojamento de válvula dotado de um canal de fluxo, que, no sentido a partir da seção de entrada em direção à seção de saída, compreende uma entrada substancialmente cônica na seção de entrada, uma sede de válvula e um difusor na seção de saída, que transfere para dentro de um canal de fluxo que tem uma seção transversal de fluxo substancialmente uniforme. Um fuso substancialmente em formato de agulha é disposto de modo móvel axialmente no canal de fluxo, e exibe um diâmetro na extremidade, para ser contatado pela sede de válvula, que é igual ou maior do que a menor seção transversal de fluxo na sede de válvula 14.

[0008] De acordo com a invenção, a entrada exibe um diâmetro de entrada e compreende uma primeira seção de entrada cônica que tem um ângulo com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo de 10 a 30°, e adicionalmente, uma segunda seção de entrada, que é curva por um raio de curvatura dentro da faixa de 4,7 a 6,7 vezes o diâmetro do fuso. O raio de curvatura do fuso em direção ao vértice é substancialmente igual ao raio de curvatura da segunda seção de entrada, e também é variável dentro da faixa de 4,7 a 6,7 vezes o diâmetro do fuso. A sede de válvula exibe um diâmetro que é 0,8 a 1,1 vez o diâmetro do fuso. O difusor também é cônico, mas tem uma seção transversal crescente no sentido do fluxo, e exibe um ângulo de 15 a 45° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo, que transfere para dentro de um canal de saída que tem uma seção transversal de fluxo uniforme que tem um diâmetro que é cerca de 2,4 a 4,4 vezes o diâmetro do fuso.

[0009] As dimensões acima são fornecidas como proporções mútuas, para simplificar a transferência para dimensões diferentes. Na descrição detalhada abaixo, um projeto geométrico, particularmente preferencial, do fuso e do canal de fluxo é apresentado. O projeto geométrico do fuso e do canal de fluxo na válvula, de acordo com a presente invenção, fornece um controle de fluxo, dinâmico, muito preciso, do fluido. O mecanismo de controle em si não é descrito em detalhes adicionais aqui, uma vez considera-se que o mesmo está dentro do alcance de uma pessoa versada na técnica que tenha o auxílio da presente descrição. O ângulo ideal da primeira seção de entrada, e a segunda seção de entrada, curva, fornecem um ângulo de ataque baixo para partículas e gotículas arrastadas pelo fluido fluente, e desse modo fornecerá uma redução substancial de erosão na seção de entrada. Isso é discutido e descrito em detalhes adicionais na descrição detalhada abaixo. Além disso, o ângulo ideal da seção de difusor fornecerá um aperfeiçoamento substancial do regime de fluxo que tenha turbulência reduzida na seção de saída da válvula. Isso também é discutido e descrito em detalhes adicionais na descrição detalhada abaixo. Além disso, o coeficiente de fluxo de válvula Cv pode ser fornecido por inúmeros valores que são aplicáveis a diferentes perfis de produção e de fluxo durante a vida útil da válvula.

[0010] A fim de diminuir adicionalmente a erosão, a superfície dos componentes sujeitos à erosão é, preferencialmente, dotada de um revestimento resistente a desgaste. Exemplos de revestimentos adequados são carboneto de tungstênio e diamante policristalino. No entanto, uma pessoa versada na técnica irá, por força de seu conhecimento profissional e com o auxílio da presente descrição, encontrar facilmente outros materiais aplicáveis a esse fim.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0011] A presente invenção é descrita em detalhes adicionais por referência a um desenho, que ilustra uma seção de corte transversal esquemática através de uma parte da válvula de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0012] Agora com referência a Figura 1, uma seção de corte transversal através de uma parte de uma válvula de acordo com a invenção, é mostrada. O sentido do fluxo é da esquerda para a direita na Figura. A Figura ilustra um alojamento de válvula 10 que tem um canal de fluxo de um lado a outro 12. Um fuso substancialmente em formato de agulha 11 é disposto móvel no canal de fluxo 12 ao longo do eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo. Além disso, o canal de fluxo 12 exibe uma entrada 13 que compreende uma primeira seção de entrada 13' que tem uma seção transversal cônica que diminui no sentido do fluxo, e adicionalmente, visualizada no sentido do fluxo, uma segunda seção de entrada 13" que é curva. A sede de válvula é indicada, de maneira geral, por 14 e exibe um diâmetro que é um pouco maior do que o diâmetro do fuso. Além disso, o canal de fluxo 12, visualizado no sentido do fluxo, exibe um difusor 15 que tem uma seção transversal de fluxo substancialmente constante. Em uma posição aberta, o fuso 11 repousa em uma posição retraída à esquerda na Figura, e fornece um canal de fluxo, anular, ao longo do fuso 11 e em direção a uma seção transversal de fluxo, substancialmente cilíndrica, na sede de válvula 14. Em uma posição fechada (não ilustrada), o fuso 11 encosta na sede de válvula 14 e bloqueia o fluxo.

[0013] De acordo com a invenção, a entrada 13 exibe um diâmetro de entrada DIN e compreende uma primeira seção de entrada 13' que é cônica e exibe um ângulo α1 com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo 12 de 10 a 30°, e uma segunda parte de entrada 13" que é curva e exibe um raio de curvatura R2 dentro da faixa de 4,73 a 6,73 vezes o diâmetro DN do fuso 11.

[0014] Além disso, a sede de válvula 14 exibe um diâmetro DORI que é de 0,8 a 1,1 vez o diâmetro DN do fuso 11, e o difusor 15 exibe um ângulo α2 de 15 a 45° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo 12. DFIC indica um diâmetro imaginário ou fictício da menor seção transversal de fluxo se a segunda parte de entrada 13" fosse cônica ou, em outras palavras, uma mera continuação da primeira seção de fluxo 13'. A diferença entre DFIC e DOUT também define o ângulo de ataque ou o ponto de partida 17 da transição a partir da primeira seção de entrada 13' para a segunda seção de entrada 13". Além disso, a primeira seção de entrada 13' é disposta tangencialmente ao ângulo de ataque 17 da transição para a segunda seção de entrada 13". Quanto menor for a diferença entre DFIC e DOUT, mais longo o ângulo de ataque 17 da segunda seção de entrada 13" será localizado em direção à menor seção transversal de fluxo 14. Ao contrário, quanto maior for a diferenças entre DFIC e DOUT, adicionalmente distante a partir da menor seção transversal de fluxo 14 o ângulo de ataque 17 da segunda seção de entrada 13" ficará localizado.

[0015] O canal de saída 16 exibe um diâmetro DOUT de cerca de 2,4 a 4,4 vezes o diâmetro DN do fuso 11, e o raio de curvatura R1 do fuso 11 em direção ao vértice fica dentro da faixa de 4,7 a 6,7 vezes o diâmetro DN do fuso 11.

[0016] Em uma modalidade particularmente preferencial, o ângulo α2 do difusor 15 no canal de fluxo 16 é de, substancialmente, 30° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo 12.

[0017] Em uma modalidade particularmente preferencial, o ângulo α1 da primeira seção de entrada 13' é de, substancialmente, 15° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo 12.

[0018] Em uma modalidade particularmente preferencial, o raio de curvatura R1 do fuso 11 e o raio de curvatura R2 da segunda seção de entrada 13", são ambos de, substancialmente, 5,7 vezes o diâmetro DN do fuso.

[0019] Em uma modalidade particularmente preferencial, a sede de válvula 14 exibe um comprimento L que tem uma seção transversal de fluxo uniforme, em que o comprimento é substancialmente igual ao diâmetro DN do fuso 11. O comprimento L pode, alternativamente, ser igual a zero, isto é, a segunda seção de entrada 13" transfere diretamente para dentro do difusor 15. Alternativamente, o comprimento L pode ser um valor entre zero e o diâmetro DN do fuso, ou até maior do que o diâmetro DN.

[0020] O diâmetro de entrada DIN no canal de fluxo 12 é de cerca de 2,08 a 2,14 vezes o diâmetro DN do fuso 11, preferencialmente de 2,11 vezes o diâmetro DN do fuso 11.

[0021] Em uma modalidade particularmente preferencial, o canal de saída 16 exibe um diâmetro DOUT que é cerca de 3,4 vezes o diâmetro DN do fuso 11.

EXEMPLO

[0022] Testes foram realizados sobre a taxa de erosão de uma válvula de acordo com a presente invenção, que tem um ângulo de entrada α1 na seção de entrada de 15 graus, que tem um ângulo de difusor variável α2 de 15 a 45 graus. Todos os testes foram realizados com o mesmo percentual de abertura de 25%, e o mesmo conteúdo de areia acumulado. Os testes foram realizados em uma sonda de injeção de areia, em que a areia foi circulada uma vez em uma mídia gasosa. O diâmetro médio do grão de areia foi de 0,28 mm. Os testes foram realizados em lotes de 25 kg de areia com um período de injeção típico de menos do que 1 hora. A quantidade total de areia injetada foi de 75 kg. Um teste com raio de curvatura menor da segunda seção de entrada (e do fuso) também foi realizado. As medições de erosão foram realizadas por uma agulha atravessante na sede, a jusante da menor seção transversal de fluxo. Os resultados são sumarizados na Tabela abaixo.

* O teste número 4 foi realizado com um raio de curvatura menor na segunda seção de entrada

[0023] Os resultados mostram que um ângulo do difusor, por exemplo, de 45 e 30 graus, fornece uma taxa de erosão substancialmente mais baixa do que um ângulo de 15 graus. O raio de curvatura da segunda seção de entrada também impacta a taxa de erosão.

Claims

1. Válvula de controle de fluxo de fluido, em que a dita válvula compreende um alojamento de válvula (10) dotado de um canal de fluxo (12), que no sentido da seção de entrada para a seção de saída, compreende uma entrada substancialmente cônica (13) na seção de entrada, uma sede de válvula (14) e um difusor (15) na seção de saída, que transfere para dentro de um canal de fluxo (16) que tem uma seção transversal de fluxo substancialmente uniforme, em que um fuso substancialmente em formato de agulha (11) é disposto móvel axialmente dentro do canal de fluxo (12) e exibe um diâmetro, na extremidade para ser contatado pela sede de válvula, igual ou maior do que a menor seção transversal de fluxo da sede de válvula (14), caracterizada pelo fato de que: a) a entrada (13) exibe um diâmetro de entrada (DIN) e compreende uma primeira seção de entrada (13') que é cônica e exibe um ângulo (α1) com o eixo geométrico longitudinal no canal de fluxo (12) de 10 a 30°, e uma segunda seção de entrada (13") que é curva e exibe um raio de curvatura (R2) na faixa de 4,7 a 6,7 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), b) a sede de válvula (14) exibe um diâmetro DORI que é de 0,8 a 1,1 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), c) o difusor (15) é cônico e tem uma seção transversal crescente no sentido do fluxo, e exibe um ângulo (α2) de 15 a 45° com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo (12), em que o canal de saída (16) exibe um diâmetro (DOUT) de cerca de 2,4 a 4,4 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), e d) o raio de curvatura (R1) do fuso (11) em direção ao vértice, fica dentro da faixa de 4,7 a 6,7 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11).

2. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o ângulo (α2) do difusor (15) no canal de fluxo (16) é de cerca de 30°.

3. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o ângulo (α1) da primeira seção de entrada (13') é de cerca de 15° graus com o eixo geométrico longitudinal do canal de fluxo (12).

4. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o raio de curvatura (R1) do fuso (11) e o raio de curvatura (R2) da segunda seção de entrada (13") são ambos de cerca de 5,7 vezes o diâmetro (DN) do fuso.

5. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o diâmetro de entrada (DIN) é de 2,08 a 2,14 vezes o diâmetro DN do fuso (11).

6. Válvula, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o diâmetro de entrada (DIN) é de cerca de 2,11 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11).

7. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o canal de saída (16) exibe um diâmetro (DOUT) de cerca de 3,4 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11).

8. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a superfície dos componentes sujeitos a erosão é dotada de um revestimento resistente a desgaste.

9. Válvula, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o revestimento resistente a desgaste é selecionado a partir do grupo que consiste em carboneto de tungstênio e diamante policristalino.

10. Válvula de controle de fluxo de fluido que compreende um compartimento de válvula (10) fornecido com um canal de fluxo (12) ao longo de um eixo longitudinal, que na direção de uma seção de entrada para uma seção de saída, compreende uma entrada cônica (13) na seção de entrada, a sede de válvula (14) e um difusor (15) na seção de saída, que se transfere para um canal de fluxo de saída (16) tendo uma seção transversal de fluxo uniforme, em que um fuso em forma de agulha (11) é disposto axialmente móvel dentro do canal de fluxo (12) e apresenta um diâmetro, na extremidade a ser contatado pela sede de válvula, igual ou maior que a menor seção transversal de fluxo da sede de válvula (14), caracterizada por: a) a entrada (13) exibe um diâmetro de entrada (DIN) e compreende uma primeira seção de entrada (13 ') que é cônica e exibe um ângulo (α1) com o eixo longitudinal do canal de fluxo (12) de 10-30 °, e uma segunda seção de entrada (13 ") que é curva e exibe um raio de curvatura (R2) na faixa de 4,7-6,7 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), b) a sede da válvula (14) exibe um diâmetro DORI que é 0,8 1,1 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), c) o difusor (15) é cônico tendo uma seção transversal crescente na direção do fluxo e exibe um ângulo (α2) de 15-45° com o eixo longitudinal do canal de fluxo (12), em que o canal de fluxo de saída (16) exibe um diâmetro (DOUT) de cerca de 2,4-4,4 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), d) o raio de curvatura (R1) do fuso (11) em direção ao ápice, está dentro da faixa de 4,7-6,7 vezes o diâmetro (DN) do fuso (11), e e) o fuso em forma de agulha (11) se move dentro da seção de entrada em uma direção do fluxo de fluido para entrar em contato com a sede da válvula (14).