BR112018005919B1 - Válvula - Google Patents

Abstract

válvula. válvula de pistão axial atuável compreendendo um sistema de engrenagem para transformar o movimento linear de um atuador para o movimento linear do pistão de válvula, em que o referido sistema de engrenagem compreende cremalheiras e pelo menos um pinhão intermediário.

Description

[001] A presente invenção refere-se a uma válvula de pistão axial atuável e um mecanismo de engrenagem para tal válvula. A válvula pode ser acionada para ser aberta ou fechada para o fluxo de fluido através da válvula. De preferência, a válvula é uma válvula de controle atuável que permite variações entre fluxo total e ausência de fluxo na queda de pressão através da válvula (isto é, variações na taxa de fluxo através da válvula), por exemplo, uma variação substancialmente contínua na resistência ao fluxo entre a resistência total ao fluxo e a resistência mínima ao fluxo.

[002] Válvulas de controle atuáveis que podem ser operadas sob todas as condições de pressão e todas as pressões diferenciais com baixas forças de operação são conhecidas, por exemplo, do fabricante da válvula Mokveld NV como descrito no pedido de patente Mokveld NV CA 872.106. Tais válvulas compreendem um invólucro externo que define uma abertura de entrada e uma abertura de saída, bem como um invólucro interno que abriga um restritor para restringir o fluxo de fluido ao longo de um percurso de fluxo de fluido através da válvula. O restritor é atuável por uma haste de atuação a partir do lado de fora da válvula. A haste atuável está disposta para movimento linear em relação ao invólucro de válvula em uma direção radial. O restritor atuável compreende um pistão, móvel em uma direção axial por operação do atuador para abrir ou fechar ou restringir o percurso de fluxo de fluido.

[003] Nas válvulas de pistão atuável Mokveld NV, o movimento axial do pistão é realizado por um sistema de dentes de 90 graus, um mecanismo de engrenagem deslizante que transfere uma força atuadora de válvula para um movimento axial do pistão. O pistão é operado por meio de uma haste de pistão e barra de pistão. A transmissão de ângulo de 90 graus consiste de um par de cremalheiras de dentes deslizantes com dentes correspondentes localizados tanto na haste de pistão quanto na barra de pistão. Geralmente, os leitos de dentes chatos estão isolados do fluido que passa através da válvula, sendo contidos dentro de um invólucro e vedados por vedações primárias duplas na haste de pistão e na guia.

[004] O uso de um mecanismo de engrenagem deslizante para transferir a força atuadora de válvula para um movimento de pistão axial requer lubrificação dos dentes da cremalheira e, mesmo quando a lubrificação é mantida, há risco de que o mecanismo grimpar devido ao desgaste dos dois dentes de cremalheira deslizantes angulados por um longo período de uso. A falha em fornecer e manter a lubrificação adequada ou a entrada de sujeira através de vedações defeituosas pode resultar na falha catastrófica do sistema de acionamento da válvula devido a gripagem e por tornar-se inoperável para controlar ou interromper o fluxo.

[005] US 2013/0200285, US 5.494.254, EP 2 385 284 e CN103615585 referem-se a válvulas que usam várias disposições de cremalheiras e pinhões, mas nenhum desses documentos refere-se à conversão de um movimento de entrada linear (de um atuador) a um movimento linear de saída (de um pistão).

[006] De acordo com a presente invenção é proporcionada uma válvula de pistão axial atuável compreendendo um sistema de engrenagem para transformar o movimento linear de um atuador em movimento linear do pistão de válvula, em que referido sistema de engrenagem compreende cremalheiras e pelo menos um pinhão intermediário.

[007] Numa modalidade preferida, o atuador está disposto para proporcionar movimento linear de uma primeira cremalheira numa direção radial, o movimento linear da referida primeira cremalheira está disposto para proporcionar movimento rotativo do referido pelo menos um pinhão intermediário e a rotação do referido pelo menos um pinhão intermediário está disposta para proporcionar movimento axial de uma segunda cremalheira operacionalmente ligada ao referido pistão proporcionando, desse modo, movimento linear do referido pistão numa direção axial em relação ao corpo de válvula. Geralmente a válvula será montada em uso para fluxo horizontal, de modo que o movimento linear do primeiro cremalheira em uma direção radial em relação ao corpo de válvula seja movimento vertical e o movimento linear da segunda cremalheira em uma direção axial em relação ao corpo da válvula seja movimento horizontal.

[008] O sistema de engrenagem de cremalheiras e pinhões intermediários evita os problemas que surgem das cremalheiras deslizantes. Mesmo sem lubrificação, o mecanismo de engrenagem, no pior dos casos, falharia devido ao desgaste gradual dos dentes da engrenagem, resultando em folga no sistema de engrenagem, mas, não obstante, deixando o sistema de engrenagem e, portanto, a válvula totalmente operacional para executar o controle de fluxo e o isolamento ou corte. Em ambientes exigentes como as indústrias de petróleo e gás ou nucleares, onde pode ser essencial poder-se controlar o fluxo e isolar ou cortar o fluxo em uma tubulação, uma válvula de pistão axial compreendendo tal sistema de engrenagem melhorado proporcionará benefícios significativos. Além disso, o menor atrito da interação entre as cremalheiras e o pinhão intermediário, comparado com aquele entre as cremalheiras deslizantes, permite que atuadores de válvulas menos potentes e, portanto, menores e mais econômicos sejam empregados.

[009] A presente invenção será agora descrita a título de exemplo apenas com referência aos seguintes desenhos:

[010] A Figura 1 é uma vista em corte transversal de uma válvula com mecanismo de engrenagem de acordo com uma primeira modalidade;

[011] A Figura 2 é uma vista em perspectiva do mecanismo de engrenagem da válvula montada da Figura 1;

[012] A Figura 3 é uma vista em corte transversal de uma válvula com mecanismo de engrenagem de acordo com uma segunda modalidade;

[013] A Figura 4 é uma vista em perspectiva do mecanismo de engrenagem da válvula montada da Figura 3;

[014] A Figura 5 é uma vista em perspectiva alternativa do mecanismo de engrenagem da válvula montada da Figura 3;

[015] Uma primeira modalidade da presente invenção será agora descrita com referência às Figuras 1 e 2.

[016] A Figura 1 ilustra uma válvula de controle axial equipada com um mecanismo de atuação (1, 2, 3) de acordo com a invenção. A válvula, como ilustrada, compreende um corpo de três partes, seção de extremidade de entrada (4), seção central (6) e seção de saída (5) como descrito mais geralmente no pedido do requerente publicado como WO 2015/049525, cujo conteúdo é incorporado por referência em sua totalidade. Enquanto a modalidade é ilustrada numa válvula de três partes, o mecanismo da presente invenção pode ser igualmente aplicado a válvula do tipo Mokveld de parte única ou ao projeto de válvula de duas partes do requerente também descrito em WO 2015/049525. Na modalidade mostrada na Figura 1, um pistão (7) opera dentro de uma gaiola de fluxo (8) para fornecer um controle de fluxo ou válvula de estrangulamento. Será entendido que a gaiola de fluxo pode ser omitida para fornecer uma válvula liga/desliga.

[017] A válvula (1) opera substancialmente da mesma maneira que as válvulas divulgadas no documento WO 2015/049525 e é projetada de tal forma que ambas as superfícies dianteira e traseira (superfícies não paralelas à direção axial) de componentes móveis de um restritor atuável (3,7) para restringir o fluxo de fluido ao longo de um percurso de fluxo de fluido através da válvula estão em comunicação fluida com líquido no lado a montante. Assim, as pressões em ambos os lados dos componentes móveis são iguais e as forças de atuação baixas são necessárias para atuar o restritor. As válvulas podem ser usadas nas indústrias de petróleo ou química, por exemplo.

[018] O restritor (3,7) compreende dois componentes móveis principais, a saber, um pistão (7) e uma haste de pistão (3). O pistão (7) é móvel de uma posição aberta da válvula, onde não engata (por exemplo, toca) com a seção de saída do invólucro de válvula (5), para uma posição fechada de válvula onde ele engata com a seção de saída do invólucro de válvula (5). O pistão (7) engata com uma porção da superfície interna da seção de saída do invólucro de válvula (5) bloqueia o percurso de fluxo de fluido e, assim, fecha a válvula.

[019] O restritor atuável (3,7) também compreende a haste de pistão (3). A haste de pistão (3) fixou em uma de suas extremidades o pistão (7).

[020] O mecanismo de engrenagem de acionamento (1, 2, 3) da Figura 1 é mostrado em mais detalhes na Figura 2. O mecanismo compreende uma engrenagem intermediária (1) rotativa por movimento linear em uma direção geralmente radial em relação à válvula (geralmente movimento em uma direção vertical no caso normal em que a válvula é montada com um fluxo horizontal) de uma cremalheira dentada, formando uma parte do eixo atuador de válvula (2) com a rotação do intermediário (1) que interage com uma cremalheira dentada que forma parte da haste de pistão (3), causando movimento axial (horizontal) da haste de pistão (3) e do pistão fixado (7). Como ilustrado na Figura 2, a seção de cremalheira dentada da haste de pistão (3) pode ser formada com uma ranhura através da qual a seção de cremalheira dentada mais fina do eixo atuador de válvula (3) pode ser disposta para passar. A disposição reversa onde a seção de cremalheira dentada da haste de atuador é mais larga do que a seção de cremalheira dentada da haste de pistão e a ranhura é disposta na seção de cremalheira dentada da seção de cremalheira dentada da haste de atuador também é contemplada. A primeira disposição como mostrada na Figura 2 é preferida. Numa modalidade alternativa (não mostrada), a primeira e a segunda cremalheira podem estar dispostas com folga entre as suas bordas longitudinais. Geralmente, a seção de cremalheira dentada do eixo atuador de válvula ou do eixo atuador de válvula como um todo será deslocada em relação ao centro radial da válvula, e a cremalheira dentada da haste de pistão será orientada em uma direção axial central em relação à válvula. A folga entre as bordas longitudinais das duas cremalheiras permite o movimento de ambas cremalheiras em ângulos retos entre si. A folga deve ser suficiente para proporcionar este movimento relativo entre as duas cremalheiras sob o controle de um pinhão intermediário disposto para engatar nas duas cremalheiras e pode tipicamente estar na faixa de entre 0,05 mm e 50 mm.

[021] Embora seja preferível usinar a cremalheira vertical da haste de atuador para ser perpendicular ao eixo do pistão, será apreciado que a combinação de duas cremalheiras e do pinhão intermediário permite a variação do ângulo entre as cremalheiras sem afetar a capacidade de movimento longitudinal da primeira cremalheira (2), provocando movimento longitudinal da segunda cremalheira (3). A presente invenção inclui, consequentemente, válvulas onde as cremalheiras (2, 3) estão num ângulo relativo inferior ou superior a 90 graus e em particular válvulas nas quais a cremalheira dentada do eixo atuador de válvula não está orientada radialmente com precisão em relação à válvula (ou seja, não é precisamente vertical em uma válvula montada para fluxo horizontal).

[022] Como as cremalheiras e o pinhão têm uma ação de rolagem, há muito menos atrito do que o movimento deslizante do sistema de cremalheira deslizante. Isto coloca menos exigências nos materiais que poderiam ser usados para fabricar as cremalheiras (2, 3) e reduz o risco de danos onde o mesmo material de cremalheira é usado nos dois sistemas. Tipicamente, o material para as cremalheiras (2, 3) e o pinhão (1) será determinado pelo ambiente em que eles serão utilizados e pela carga que eles terão que levar. Exemplos de material adequado incluem Inconel 718 e Nitronic 60 para as cremalheiras (2,3) e 30CrNiMo8V para o pinhão (1). Os componentes de engrenagem podem ser endurecidos e/ou revestidos para melhorar a durabilidade e reduzir o atrito e o desgaste.

[023] O pinhão intermediário (1) pode ser tanto montado em um módulo de caixa de velocidade que é então encaixado na parte central do corpo de válvula (6) quanto montado diretamente na parte central do corpo de válvula (6). O uso da engrenagem intermediária (1), que tem uma ação de rolamento e não de deslizamento, fornece atrito significativamente menor, mesmo sob alta carga, do que o mecanismo de engrenagem deslizante da válvula Mokveld da técnica anterior. Isso permite que atuadores de válvulas menores forneçam o movimento axial do eixo atuador (2). Atuadores de válvula adequados podem incluir atuadores elétricos, pneumáticos, hidráulicos ou operados por mola.

[024] Conforme ilustrado na Figura 2, as seções de cremalheira dentada da haste de atuador (2) e da haste de pistão (3) e da engrenagem intermediária dentada (1) podem ser dentes de engrenagem simples. Alternativamente, os dentes de engrenagem podem ser dentes de engrenagem chevron ou dentes de engrenagem helicoidal ou outras disposições ou combinações dos mesmos. Os dentes de engrenagem Chevron oferecem a vantagem de manter a engrenagem intermediária (1) autocentrada no eixo do eixo de atuador (2). Os dentes de engrenagem podem ser formados, usinados ou retificados para aumentar a precisão e reduzir a probabilidade de desgaste e folga.

[025] Uma segunda modalidade será agora descrita. A segunda modalidade é a mesma que a primeira modalidade, excepto como descrito abaixo. As características de uma modalidade podem ser utilizadas na outra modalidade e vice-versa. O aparelho da segunda modalidade funciona da mesma maneira que o da primeira modalidade e é meramente uma disposição alternativa que pode ser escolhida, se apropriado.

[026] Na modalidade das Figuras 3-5, a haste de atuador (2), a haste de pistão (3) e a engrenagem intermediária dentada (1) estão dispostas de modo que a engrenagem intermediária (1) está localizada no lado oposto da haste de pistão (3) na parte superior da haste de atuador (2), ao contrário da primeira modalidade em que a engrenagem intermediária está localizada entre a haste de atuador (2) e a engrenagem intermediária (1). Isto é, na segunda modalidade, a haste de atuador (2) é posicionada mais próxima do pistão de válvula (7) do que a engrenagem intermediária (1), e os dentes da haste de atuador (2) afastados do pistão (7).

[027] Por outras palavras, na segunda modalidade, a haste de pistão (3) é rodada 180 graus em torno do seu eixo longitudinal em comparação com a primeira modalidade, e a engrenagem intermediária dentada (1) é movida em conformidade.

[028] Com vantagem, a disposição do sistema de engrenagem pode ser usada com as válvulas de pistão axial de duas ou três partes descritas no documento WO 2015/049525 do presente requerente cujos detalhes completos são aqui incorporados por referência, bem como as válvulas do tipo Mokveld de parte única mais convencionais. Assim, a presente invenção também inclui uma válvula atuável compreendendo:um invólucro externo;um elemento a montante do invólucro externo definindo uma abertura de entrada;um elemento a jusante do invólucro externo definindo uma abertura de saída; eum elemento de invólucro interno dentro do invólucro externo para alojar um restritor atuável para restringir o fluxo de fluido ao longo de um percurso de fluxo de fluido através da válvula;em que o elemento de alojamento interno não é integral com pelo menos um ou, como ilustrado na Figura 1, com ambos elementos a montante e a jusanteem que o restritor atuável compreende um pistãoe em que referida válvula compreende ainda um sistema de engrenagem para transformar o movimento linear de um atuador para o movimento linear do pistão de válvula, em que o referido sistema de engrenagem compreende cremalheiras e pelo menos um pinhão intermediário.

[029] As seções do corpo da válvula, particularmente onde a válvula é de duas ou três partes, conforme descrito no documento WO 2015/049525, podem ser feitas de fundições, forjamentos, sinterização de metal em pó, usinagem a partir de sólidos ou podem ser feitas usando uma combinação de qualquer um ou mais desses processos. Materiais adequados dependerão da aplicação da válvula.

[030] Válvulas axiais de pistão de acordo com a presente invenção têm aplicação em tubulações, particularmente nas indústrias de petróleo e gás e nuclear.

Claims (11)

1. Válvula de pistão axial atuável caracterizada por: uma haste de pistão (3), um pistão de válvula (7) e um sistema de engrenagem para transformar o movimento linear de um atuador (2) em movimento linear do pistão de válvula, em que:referido sistema de engrenagem compreende cremalheiras e pelo menos um pinhão intermediário (1);o atuador (2) estar disposto para proporcionar o movimento longitudinal de uma primeira cremalheira numa direção geralmente radial em relação à válvula;o movimento linear da referida primeira cremalheira está disposto para proporcionar o movimento de rotação do referido pelo menos um pinhão intermediário (1);a rotação do referido pelo menos um pinhão intermediário está disposta para proporcionar o movimento longitudinal de uma segunda cremalheira operativamente ligada ao referido pistão, proporcionando deste modo o movimento do referido pistão numa direção axial em relação à válvula;a segunda cremalheira faz parte da haste de pistão (3); ea haste de pistão (3) fixou em uma de suas extremidades o pistão de válvula (7).

2. Válvula, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por as pressões sobre as superfícies dianteira axial e traseira axial da haste de pistão (3) e do pistão de válvula (7) serem iguais.

3. Válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada porreferida primeira cremalheira e referida segunda cremalheira serem dispostas em ângulos retos entre si;em que uma das referidas primeira e segunda cremalheira compreende uma ranhura central através da qual a outra da primeira e segunda cremalheira passa de tal modo que a referida primeira cremalheira e a referida segunda cremalheira são móveis em ângulos retos entre si.

4. Válvula, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por a segunda cremalheira ser o suporte que compreende uma ranhura central.

5. Válvula, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada porreferida primeira cremalheira e referida segunda cremalheira serem dispostas em ângulos retos entre si;em que referida primeira cremalheira esta deslocada da linha radial da válvula;em que referida primeira cremalheira interage com o pinhão intermediário que transmite forças para referida segunda cremalheira;em que referida segunda cremalheira e o pistão (7) ao qual ela se conecta estão localizados na linha axial central da válvula;referida primeira e segunda cremalheira correndo adjacentes entre si com folga entre suas bordas longitudinaisde modo que referida primeira cremalheira e referida segunda cremalheira são móveis em ângulos retos entre si.

6. Válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por referidas cremalheiras e referido pelo menos um pinhão (1), compreenderem dentes selecionados de dentes simples, dentes chevron e dentes helicoidais.

7. Válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por um ou mais seções de corpo de válvula (4, 5, 6) moldadas por fundição, forja, sinterização de metal em pó, usinagem a partir de sólidos ou qualquer combinação dele.

8. Válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por compreender:um invólucro externo;uma seção de corpo de entrada (4) do invólucro externo definindo uma abertura de entrada;um seção de corpo de saída (5) do invólucro externo definindo uma abertura de saída; euma seção de corpo central (6) dentro do invólucro externo para alojar um restritor atuável para restringir o fluxo de fluido ao longo de um percurso de fluxo de fluido através da válvula, referido restritor atuável compreendendo referido pistão (7);em que a seção de corpo central (6) não é integral com pelo menos uma das seções de corpo de entrada e saída (4,5).

9. Válvula, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizada por a seção de corpo central (6) não ser integral com as seções de corpo de entrada e saída (4,5).

10. Válvula, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por ser uma válvula de controle de fluxo, uma válvula borboleta, uma válvula de estrangulamento ou uma válvula de corte.

11. Tubulação caracterizada por compreender uma ou mais válvulas conforme definidas em qualquer uma das reivindicações anteriores.

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