BR112018076231B1 - Selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um novo selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão, com configuração axissimétrica ou não-axissimétrica, o qual compreende dentes direcionados com ângulos agudos tanto para o centro do anel quanto para fora, radialmente. Essa nova geometria proposta confere ao selo de vedação (1) a característica de ser auto-energizável por pressão de fluido e proporciona vedação bidirecional, tanto à pressão interna quanto à pressão externa. Além disso, um elemento (5) possui limitador de curso de maneira a limitar a deformação do dito selo de vedação metálico. Os elementos (4) e (8) conferem ao selo de vedação alta resistência à pressão interna e externa, devido ao controle das folgas radiais (6) e (7), respectivamente.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere a uma nova estrutura de selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão, dito selo sendo usado para isolamento de fluidos, líquidos ou gasosos, especialmente na indústria de óleo e gás, sendo capaz de operar tanto em baixas quanto em altas pressões e em condições de altas e baixas temperaturas. Ressalta-se, no entanto, que devido à alta faixa de valores de pressões admissíveis, o uso do selo da presente invenção não se limita à área de óleo e gás, podendo ser aplicado em qualquer outro sistema de vedação, submarino ou de superfície, presente nos inúmeros campos da engenharia.

Histórico da Invenção

[002] Como bem conhecido dos técnicos versados no assunto, os selos metálicos de vedação de face são amplamente utilizados em equipamentos onde existe a necessidade de separar duas regiões com pressões diferenciais. Especialmente, na indústria de óleo e gás, há a necessidade de vedações especiais tendo em vista a ordem de grandeza elevada das pressões atuantes nesse campo da indústria, números que podem alcançar até 30.000psi.

[003] Para isso, inúmeros avanços na área têm sido observados. Em sua maioria, podemos destacar o uso em equipamentos submarinos de vedações de face padronizadas pela API (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE) para várias classes de pressão. Essas vedações são do tipo anel e, como alguns exemplos amplamente conhecidos e utilizados pelos técnicos no assunto, podemos citar aqueles dos tipos “R”, “RX” e “BX”.

[004] Utilizados em larga escala para vedação de flanges API, entretanto, não são auto-energizáveis por pressão, sendo, então, extremamente dependentes da pré-carga da conexão aplicada entre os componentes para que seja garantida a vedação requerida. O mecanismo utilizado nesse tipo de vedação utiliza o princípio da deformação plástica do material do selo, requerendo cargas elevadas para energização e manutenção da vedação nas cargas de trabalho do equipamento.

[005] Assim, o documento US2002140184A1 revela um anel para vedação metal-metal para o uso em cabeças de poços, apesar de ter outras aplicações. O conceito utilizado nessa vedação se baseou na separação do elemento estrutural do elemento de vedação. Essa separação possibilitou o uso de ligas metálicas mais macias, podendo ser introduzidas ao elemento estrutural por pressão, por exemplo. Esse conceito ainda possibilitou o reuso dos anéis simplesmente pela troca do elemento de vedação. Outros aspectos claros para os técnicos versados no assunto são a maior resistência à corrosão, uso de aços de baixa liga, proteção ao elemento de vedação por parte do elemento estrutural contra a pressão.

[006] O documento US2015316150A1 também ilustra um anel de vedação metálico. O conceito utilizado nesse caso foi de se adotar uma geometria de dentes, análogo ao formato de uma “espinha de peixe”, com os mesmos em ângulos agudos voltados para a fonte de pressão e com superfícies de contato arredondadas.

[007] Entretanto, dentre os documentos citados e exemplos do estado da técnica, ainda não há uma solução que compreenda todas as demandas requeridas para uma vedação desse tipo, notadamente no que diz respeito à energização e ao funcionamento bidirecional.

Descrição Resumida da Invenção

[008] Assim, é o principal objetivo da presente invenção prover um novo conceito estrutural de selo de vedação metal-metal de face que solucione vantajosamente as deficiências daqueles do estado da técnica e que, cumulativamente, apresente vantagens pelo fato de que sua auto-energização é alcançada tanto pela ação da pressão interna quanto pela pressão externa provenientes da coluna hidrostática, ou seja, uma energização bi-direcional.

[009] De acordo com a presente invenção, é provido um novo conceito estrutural de selo de vedação metálico de face com formato análogo ao de uma “espinha de peixe”, porém com a peculiaridade de haverem dentes direcionados com ângulos agudos tanto para fora quanto para dentro do anel, radialmente, tornando-o uma vedação bidirecional.

[010] Como será apreciado, esse novo conceito confere ao selo de vedação metálico de face, objeto da presente invenção, a característica de ser auto- energizável tanto à pressão interna quanto à pressão externa, proveniente da coluna hidrostática ou de outra fonte de pressão.

[011] Ademais, o selo de vedação segundo a presente invenção compreende assim duas opções de montagem, cada uma com suas vantagens específicas, englobando também outras características como baixo custo de produção e montagem, baixa carga de montagem, além de se revelar bastante resistente às pressões elevadas normalmente presentes em aplicações submarinas, dentre outras.

[012] O selo de vedação e o respectivo alojamento possuem numa versão simples, uma geometria axissimétrica, porém dependendo do projeto o selo de vedação pode apresentar uma configuração não-axissimétrica.

Breve Descrição das Figuras

[013] O selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão segundo a presente invenção poderá ser bem compreendido a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo, representam: - Figura 1 - Vista em perspectiva de uma seção do selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão segundo a presente invenção. - Figura 2 - Vista frontal esquemática da geometria da seção transversal do selo de vedação metálica segundo a presente invenção. - Figura 3 - Vista de uma seção transversal esquemática de uma primeira opção de montagem do selo de vedação metálica segundo a presente invenção. - Figura 4 - Vista de uma seção transversal esquemática de uma segunda opção de montagem do selo de vedação metálica segundo a presente invenção. - Figura 5 - Vista em perspectiva do selo de vedação objeto da presente invenção, segundo uma configuração alternativa. - Figura 6 - Vista superior do selo de vedação ilustrado na Figura 5. - Figura 7 - Vista superior de uma aplicação do selo de vedação ilustrado na Figura 5.

Descrição Detalhada da Invenção

[014] Em um primeiro aspecto, de acordo com a Figura 1, a presente invenção fornece um selo de vedação metálica de face bidirecional auto- energizável por pressão, o qual possui uma nova geometria que compreende dois tipos de dentes, sendo um primeiro tipo de dentes (10) direcionados com ângulos agudos radialmente para o centro do selo e, um segundo tipo de dentes (9) direcionados com ângulos agudos radialmente para fora do selo. Dito selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão segundo a presente invenção é ainda definido por protuberâncias providas nas extremidades superiores dos dentes (9) e (10), determinando regiões (3). Além disso, conforme se verifica na Figura 2, o selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão possui geometria axissimétrica em relação ao eixo (2) passante pelo seu centro numa versão simplificada. Assim, essa nova estrutura confere ao selo de vedação metálica de face bidirecional da presente invenção a característica de ser auto- energizável por pressão de fluido, tanto à pressão interna quanto à externa, esta última proveniente da coluna hidrostática ou de qualquer outra fonte de pressão.

[015] Em um segundo aspecto, a primeira opção de montagem do selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão da presente invenção se realiza conforme ilustrado na Figura 3. O elemento (4) possui um sulco para montagem do selo de vedação (1), sendo que o elemento (5) comprime dito selo de vedação (1) a um certo valor pré-definido no projeto, de maneira a garantir uma melhor pré-carga de montagem do mesmo. Os elementos (4) e (5) formam um casulo, cobrindo parcialmente o selo de vedação (1), sendo que dito elemento (5) possui ainda um batente limitador de curso, de maneira a limitar a deformação do dito selo de vedação (1).

[016] Essa primeira opção de montagem confere ao selo de vedação (1) da presente invenção alta resistência à pressão interna devido ao controle da folga radial máxima (6) entre dito selo de vedação (1) e a parede do sulco do elemento (4). Tal aplicação de pressão interna produz um deslocamento radial do selo até zerar a folga radial (6), produzindo a partir desse instante um enrijecimento proveniente da contribuição da rigidez da peça (4) ao selo de vedação (1).

[017] Em um terceiro aspecto, de acordo com a Figura 4, a presente invenção fornece ainda uma segunda opção de montagem, com os elementos (4), (5) e (8) formando um casulo para o selo de vedação (1), cobrindo-o por completo. Esta segunda opção de montagem apresenta a mesma vantagem da primeira opção de montagem com relação à pressão interna, mas possui um comportamento superior quando da aplicação da pressão externa, devido à utilização do mesmo conceito de enrijecimento pelo qual se limita a folga radial máxima (7) para o diâmetro interno do selo com relação ao elemento (8).

[018] Em certas situações de projeto pode ser vantajoso uso de um selo de vedação não-axissimétrico com configuração geométrica que pode ser convexa ou não-convexa. Portanto, a presente invenção também engloba uma configuração de selo de vedação (1) não-axissimétrico em relação ao eixo (2), tal como ilustrado nas Figuras 5, 6 e 7. Essa configuração pode ser utilizada em geometrias convexas, tais como as elípticas, ou qualquer outra geometria, mesmo aquelas não totalmente convexas. Essa variante configurativa do selo de vedação segundo a presente invenção permite uma significativa economia de matéria prima, visto que um selo de vedação elíptico ou com outro tipo de geometria convexa requer menos espaço que um selo circular. A esse aspecto vantajoso dessa configuração, some-se, ainda, aquele bem relativo à aparente redução de custos, notadamente quando aplicado para a vedação de face (20) com mais de um orifício (30, 40). Exemplo dessa aplicação está ilustrado na Figura 7.

[019] Assim, os técnicos versados no assunto apreciarão, ainda, que a geometria do selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão (1), concebido com vistas à utilização em equipamentos submarinos visando a separação de fluidos, permite a modificação do sistema de fixação do “BONNET” no bloco de válvulas submarinas com a consequente eliminação dos prisioneiros. Essa possibilidade acarreta em um custo de produção e montagem substancialmente inferior aos custos impostos pelos selos de vedação do estado da técnica. Além disso, outra grande vantagem proporcionada pela presente invenção se relaciona com a utilização do selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão em regime predominantemente elástico, ocorrendo deformação plástica do material apenas de forma localizada, diminuindo significativamente a carga de montagem do elemento de vedação.

[020] Ademais, tendo em vista todas as vantagens aqui citadas, os técnicos no assunto perceberão que o selo de vedação metálica de face bidirecional auto-energizável por pressão segundo a presente invenção não possui aplicação exclusiva à indústria de óleo e gás, podendo ser utilizado para qualquer aplicação que necessite de vedação para separação de fluidos em regiões com pressões diferenciais, tanto no ambiente submarino como no terrestre, em qualquer área da engenharia.

Claims (11)

1. SELO DE VEDAÇÃO METÁLICA DE FACE BIDIRECIONAL AUTO- ENERGIZÁVEL POR PRESSÃO, compreendendo um primeiro elemento (4), um segundo elemento (5) e uma vedação metálica hermética com face bidirecional, autoenergizável por pressão, sendo a vedação do tipo anel com geometria dentada, compreendendo dentes (10) guiados em ângulos agudos radialmente em direção a um eixo central (2) da vedação do tipo anel, e dentes (9) guiados em ângulos agudos radialmente para fora do anel de vedação, em que cada dente (9,10) compreende uma protuberância arredondada formada sobre uma aresta do dente e que se estende paralelamente ao eixo central (2), sendo as protuberâncias da vedação configuradas, em uso, para separar regiões (3) de diferentes pressões; caracterizado pelo primeiro elemento (4) compreender uma ranhura para a montagem do referido selo de vedação (1) e o primeiro elemento (4) e o segundo elemento (5) formarem uma cápsula que cobre parcialmente o referido selo de vedação (1).

2. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por durante a montagem, a folga radial máxima (6) é controlada entre o referido selo de vedação (1) e a parede da ranhura dos referidos elementos (4), de modo a conceder uma elevada resistência contra a pressão interna.

3. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, compreendendo um primeiro elemento (4), um segundo elemento (5), um terceiro elemento (8) e uma vedação metálica hermética com face bidirecional, autoenergizável por pressão, sendo a vedação do tipo anel com geometria dentada, compreendendo dentes (10) guiados em ângulos agudos radialmente em direção a um eixo central (2) da vedação do tipo anel, e dentes (9) guiados em ângulos agudos radialmente em direção ao exterior da vedação do tipo anel, sendo cada dente (9) guiado radialmente em direção a um eixo central (2) da vedação do tipo anel, e dentes (9) guiados em ângulos agudos radialmente em direção ao exterior da vedação do tipo anel, sendo cada dente (9) guiado radialmente em direção ao exterior da vedação do tipo anel, 10) compreende uma protuberância arredondada formada numa aresta do dente e que se estende paralelamente ao eixo central (2), sendo as protuberâncias do selo configuradas, em uso, para separar regiões (3) de diferentes pressões; caracterizado pelo primeiro elemento (4) compreender uma ranhura para a montagem do referido selo de vedação (1), o primeiro elemento (4), o segundo elemento (5) e o terceiro elemento (8) formarem uma cápsula que cobre totalmente o referido selo de vedação (1).

4. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por, durante a montagem, a folga radial máxima (6) é controlada entre o referido selo de vedação (1), o terceiro elemento (8) e uma parede da ranhura do elemento (4), de modo a conceder uma elevada resistência contra a pressão externa.

5. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que região de vedação de face é definida pelas regiões definidas pelas protuberâncias.

6. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a disposição dos dentes (10) e (9) do selo de vedação (1) torna a vedação bidirecional, tanto à pressão interna quanto à pressão externa.

7. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de trabalhar predominantemente no regime elástico do material, de forma que a deformação plástica ocorre apenas de forma localizada, diminuindo a pré-carga necessária para montagem do sistema.

8. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo selo de vedação (1) possuir configuração axissimétrica em relação ao eixo (2).

9. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com quaisquer das reivindicações anteriores, caracterizado pelo selo de vedação (1) possuir configuração não- axissimétrica em relação ao eixo (2), com geometria convexa ou não-convexa.

10. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por apresentar uma forma elíptica.

11. SELO DE VEDAÇÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo segundo elemento (5) possuir um batente limitador de curso para limitar as deformações do referido selo de vedação (1).