BRPI0713825A2 - métodos de fabricação de uma vedação para preventores de explosões - Google Patents

Abstract

MéTODOS DE FABRICAçãO DE UMA VEDAçãO PARA PREVENTORES DE EXPLOSóES. Um método de fabricação de uma vedação de preventor de explosões que inclui a disposição de pelo menos um inserto e pelo menos um material elastomérico em um molde, aquecimento do molde a uma temperatura de cura, cura do pelo menos um material elastomérico, medição de uma temperatura do pelo menos um material elastomérico durante a cura, ajuste de um tempo de cura e da temperatura de cura com base na temperatura medida do material elastomérico e remoção da vedação do preventor de explosões curado do molde.

Description

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"MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DE UMA VEDAÇÃO PARA PREVENTORES

DE EXPLOSÕES" Referência a Pedidos Relacionados

O presente pedido reivindica o benefício dos pedidos provisórios a 5 seguir, com base em 35 U. S. C. 119 (e): Pedido de Patente Provisório Norte americano com número de série 60/820.723, depositado em 28 de julho de 2006; Pedido de Patente Provisório Norte americano com número de série 60/847.760, depositado em 28 de setembro de 2006; Pedido de Patente Provisório Norte americano com número de série 60/862.392, depositado em 10 vinte de outubro de 2006; e Pedido de Patente Provisório Norte americano com número de série 60/912.809, depositado em dezenove de abril de 2007, todos os quais são integralmente incorporados ao presente como referência.

Campo da Invenção

As realizações descritas no presente referem-se, de forma geral, 15 a preventores de explosões (BOP - Blowout Preventer) utilizados na indústria de petróleo e gás. Especificamente, as realizações selecionadas referem-se a métodos de cura e fabricação de vedações para uso em preventores de explosões, em que as vedações podem incluir materiais rígidos e elastoméricos.

20 Antecedentes da Invenção

O controle de poços é um aspecto importante da exploração de petróleo e gás. Ao perfurar um poço, por exemplo, dispositivos de segurança devem ser colocados no lugar para evitar lesões aos trabalhadores e danos aos equipamentos resultantes de eventos inesperados associados às 25 atividades de perfuração.

A perfuração de poços envolve a penetração de uma série de substratos geológicos subterrâneos, ou "camadas". Ocasionalmente, o orifício de um poço penetrará em uma camada que possui uma pressão de formação 2

substancialmente mais alta que a pressão mantida no orifício do poço. Quando isso ocorre, afirma-se que o poço "levou um chute ou golpe". O aumento da pressão associado ao chute geralmente é produzido por um fluxo de entrada de fluidos de formação, que podem ser um líquido, gás ou sua combinação, no 5 orifício do poço. O golpe de pressão tende a propagar-se a partir de um ponto de entrada no orifício superior do poço (de uma região em alta pressão para uma região sob baixa pressão). Caso se permita que o golpe atinja a superfície, fluido de perfuração, ferramentas do poço e outras estruturas de perfuração podem explodir para fora do orifício do poço. Estas "explosões" 10 podem resultar na destruição catastrófica do equipamento de perfuração (incluindo, por exemplo, a armação de perfuração) e lesões substanciais ou morte do pessoal da armação.

Devido ao risco de explosões, dispositivos conhecidos como preventores de explosão são tipicamente instalados acima da cabeça de poço 15 na superfície ou no fundo do mar em disposições de perfuração em águas profundas para vedar efetivamente um orifício de poço até que possam ser tomadas medidas ativas para controlar o chute. Preventores de explosões podem ser ativados de tal forma que os golpes sejam adequadamente controlados e "circulados para fora" do sistema. Existem vários tipos de 20 preventores de explosões, dos quais os mais comuns são os preventores de explosões anulares (incluindo preventores de explosões esféricos) e preventores de explosões de aríete. Cada um destes tipos de preventores de explosões será discutido com mais detalhes.

Preventores de explosões anulares utilizam tipicamente grandes 25 vedações anulares, de borracha ou elastoméricas, que contêm insertos metálicos, que são denominadas "unidades de empanque". As unidades de empanque podem ser ativadas em um preventor de explosões para encapsular canos de perfuração e ferramentas de poços para vedar completamente um 3

"anel" entre o tubo ou ferramenta e um orifício de poço. Em situações em que nenhum tubo de perfuração ou ferramenta de poço encontra-se no interior do orifício da unidade de empanque, a unidade de empanque pode ser comprimida até o ponto em que o orifício é totalmente fechado. Desta forma, 5 uma unidade de empanque de preventor de explosões anular completamente fechada age como uma válvula de desligamento. Tipicamente, a unidade de empanque pode ser rapidamente comprimida, seja manualmente ou por máquina, para resultar em uma vedação em volta dela e para evitar que a pressão do poço cause uma explosão. 10 Um exemplo de preventor de explosões anular que possui uma

unidade de empanque é descrito na Patente Norte americana n° 2.609.836, emitida para Knox, cedida ao cessionário do presente relatório descritivo e integralmente incorporada ao presente como referência. A unidade de empanque de Knox inclui uma série de insertos metálicos embutidos em um 15 corpo elastomérico, em que os insertos metálicos são completamente unidos com o corpo elastomérico. Os insertos metálicos são espaçados entre si em planos radiais de forma geralmente circular, estendendo-se a partir de um eixo central da unidade de empanque e do orifício de poço. Os insertos fornecem suporte estrutural para o corpo elastomérico quando a unidade de empanque 20 for comprimida radialmente para vedação contra a pressão do poço. Mediante compressão da unidade de empanque em volta de um tubo de perfuração ou sobre si própria, o corpo elastomérico é comprimido radialmente para dentro, causando também o movimento radial para dentro dos insertos metálicos.

Com referência agora à Figura 1, é exibido um preventor de 25 explosões anular 101 que inclui um abrigo 102. O preventor de explosões anular 101 possui um orifício 120 que se estende através dele e corresponde a um orifício de poço 103. Uma unidade de empanque 105 é disposta no interior do preventor de explosões anular 101 em volta do orifício 120 e do orifício de 4

poço 103. A unidade de empanque 105 inclui um corpo anular elastomérico 107 e uma série de insertos metálicos 109. Os insertos metálicos 109 são dispostos no interior do corpo anular elastomérico 107 da unidade de empanque 105 e distribuídos de uma forma geralmente circular e espaçados 5 entre si em planos radiais que se estendem a partir do orifício de poço 103. Além disso, a unidade de empanque 105 inclui um orifício 111 concêntrico ao orifício 120 do preventor de explosões 101.

O preventor de explosões anular 101 é acionado por fluido bombeado para o interior da abertura 113 de uma câmara de pistão 112. O 10 fluido aplica pressão a um pistão 117, que move o pistão 117 para cima e traduz força para a unidade de empanque 105 através de uma face de cunha 118. A força traduzida para a unidade de empanque 105 a partir da face de cunha 118 é dirigida para cima em direção a uma cabeça removível 119 do preventor de explosões anular 101 e para dentro em direção a um eixo central 15 do orifício de poço 103 do preventor de explosões anular 101. Como a unidade de empanque 105 é retida contra a cabeça removível 119 do preventor de explosões anular 101, a unidade de empanque 105 não se desloca para cima da força traduzida para a unidade de empanque 105 pelo pistão 117. A unidade de empanque 105 desloca-se para dentro, entretanto, da força traduzida, que 20 comprime a unidade de empanque 105 em direção ao eixo central do orifício de poço 103 do preventor de explosões anular 101. Caso um tubo de perfuração esteja posicionado no interior do orifício 103, com compressão radial suficiente, a unidade de empanque 105 vedará em volta do tubo de perfuração em uma "posição fechada". A posição fechada é exibida na Figura 5. Caso um tubo de 25 perfuração não esteja presente, a unidade de empanque 105, com compressão radial suficiente, vedará completamente o orifício 111.

O preventor de explosões anular 101 passa por um movimento reverso análogo quando o fluido é bombeado para a abertura 115 da câmara 5

de pistão 112. O fluido traduz força para baixo ao pistão 117, de tal forma que a face de cunha 118 do pistão 117 permita a rápida expansão da unidade de empanque 105 para uma "posição aberta". A posição aberta é exibida na Figura 4. Além disso, a cabeça removível 119 do preventor de explosões anular 5 101 permite acesso à unidade de empanque 105, de tal forma que a unidade de empanque 105 possa ser reparada ou alterada, se necessário.

Com referência agora às Figuras 2, 3A e 3B juntas, a unidade de empanque 105 e os insertos metálicos 109 utilizados em um preventor de explosões anular 101 são exibidos com mais detalhes. Na Figura 2, a unidade 10 de empanque 105 inclui um corpo anular elastomérico 107 e uma série de insertos metálicos 109. Os insertos metálicos 109 são distribuídos de forma geralmente circular e espaçados entre si no corpo anular elastomérico 107. As Figuras 3A e 3B exibem exemplos de insertos metálicos 109 que podem ser dispostos e embutidos no interior do corpo anular elastomérico 107. 15 Tipicamente, insertos metálicos 109 são embutidos e completamente unidos ao corpo anular elastomérico 107 para fornecer um suporte estrutural para a unidade de empanque 105. A união entre o corpo anular 107 e os insertos metálicos 109 restringe o movimento relativo entre o corpo anular 107 e os insertos 109, que pode causar falha do elastômero no corpo anular 20 elastomérico 107. Mais discussão das uniões entre corpos elastoméricos e insertos metálicos no interior de uma unidade de empanque pode ser encontrada na Patente Norte americana n° 5.851.013, emitida para Simons, cedida para o cessionário do presente relatório descritivo e integralmente incorporada ao presente como referência. 25 Com referência agora às Figuras 4 e 5, são exibidos exemplos de

uma unidade de empanque 105 na posição aberta (Figura 4) e na posição fechada (Figura 5). Quando na posição aberta, a unidade de empanque 105 é relaxada e não comprimida para vedação em volta do tubo de perfuração 151, 6

de tal forma que é formado um espaço entre eles, que permite a passagem de fluidos através do anel. Conforme exibido na Figura 5, quando na posição fechada, a unidade de empanque 105 é comprimida para vedação em volta do tubo d e perfuração 151, de forma a não permitir a passagem dos fluidos 5 através do anel. Desta forma, o preventor de explosões pode fechar a unidade de empanque 105 para vedar contra a pressão do orifício do poço a partir da explosão que se origina abaixo.

De forma similar, preventores de explosões esféricos utilizam vedações elastoméricas semi-esféricas grandes que contêm insertos metálicos 10 como unidades de empanque. Com referência à Figura 6, é exibido um exemplo de preventor de explosões esférico 301 disposto em volta de um eixo de orifício de poço 103. A Figura 6 é retirada da Patente Norte americana n° 3.667.721 (emitida para Vijasinovic e integralmente incorporada como referência). O preventor de explosões esférico 301 inclui um abrigo inferior 303 15 e um abrigo superior 304 fixados de forma liberável entre si por uma série de parafusos 311, em que os membros de abrigo 303 e 304 podem possuir uma superfície interna semi-esférica curva. Uma unidade de empanque 305 é disposta no interior do preventor de explosões esférico 301 e inclui tipicamente um corpo anular elastomérico curvo 304 e uma série de insertos metálicos 20 curvos 309 que correspondem à superfície interna semi-esférica curva dos membros de abrigo 303 e 304. Os insertos metálicos 309 são distribuídos em seguida no interior do corpo anular 307 de uma forma geralmente circular e espaçados entre si em planos radiais que se estendem a partir de um eixo central do orifício de poço 103. 25 Além disso, preventores de explosões de aríete podem também

incluir vedações elastoméricas que contenham insertos metálicos. As vedações grandes são tipicamente dispostas sobre blocos de aríete ou sobre uma extremidade frontal de blocos de aríete para fornecer uma vedação entre eles. 7

Com referência agora à Figura 7, é exibido um preventor de explosões de aríete 701 que inclui um abrigo 703, um bloco de aríete 705 e uma vedação superior 711. Com referência à Figura 7, apenas um bloco de aríete 705 é exibido; tipicamente, entretanto, dois blocos de aríetes correspondentes 705 5 estão localizados sobre lados opostos de um orifício de poço 103 entre si (exibido na Figura 8). O preventor de explosões de aríete 701 inclui um orifício 720 que se estende através dele, tampos 707 fixados a um abrigo 703 e varas acionadas por pistões 709, e é disposto em volta do eixo central de um orifício de poço 103. Varas 709 são conectadas a blocos de aríete 705 e podem ser 10 acionadas para deslocar-se para dentro em direção ao orifício de poço 103. Blocos de aríetes 705 podem ser aríetes de canos, aríetes de orifícios variáveis, aríetes de corte ou aríetes cegos. Aríetes de canos e orifícios variáveis, quando ativados, movem-se para encaixar e rodear o tubo de perfuração e/ou ferramentas de poços para vedar o orifício de poço. Por outro 15 lado, aríetes de corte encaixam e cortam fisicamente qualquer linha de fios, tubo de perfuração e/ou ferramentas de poços no orifício de poço 103, enquanto os aríetes cegos fecham o orifício de poço 103 quando nenhuma obstrução estiver presente. Mais discussões sobre preventores de explosões de aríetes podem ser encontradas na Patente Norte americana n° 6.554.247, 20 emitida para Berckenhoff, cedida ao cessionário da presente invenção e integralmente incorporada ao presente como referência.

Com referência agora à Figura 8, blocos de aríetes 705A, 705B e vedações superiores 711 A, 711B utilizadas em um preventor de explosões de aríete 701 são exibidos com mais detalhes. Conforme exibido, as vedações 25 superiores 711 A, 711B são dispostas no interior de ranhuras 713 de blocos de aríetes 705A, 705B, respectivamente, e vedam entre o topo dos blocos de aríete 705 e o abrigo 703 (exibidos na Figura 7). Conforme ilustrado, o bloco de aríete 705A é um bloco de aríete de corte superior que contém uma vedação 8

superior 705A e o bloco de aríete 705B é um bloco de aríete de corte inferior que contém uma vedação superior 705B. Quando ativados, os blocos de aríete 705A, 705B movem-se para encaixe, em que os cortes 715A encaixam-se acima dos cortes 715B para cortar fisicamente o tubo de perfuração 151. À 5 medida que os blocos de aríete 705A, 705B movem-se, vedações superiores 705A, 705B vedam contra o abrigo 703 para evitar qualquer vazamento de fluxo ou pressão entre o abrigo 703 e os blocos de aríete 705A, 705B.

Com referência agora às Figuras 9A e 9B, vedações superiores 711 A, 711B são exibidas com mais detalhes. Conforme exibido particularmente 10 na Figura 9A, vedações superiores 711 A, 711B compreendem uma faixa elastomérica 751, segmentos elastoméricos 753 fixados em cada extremidade da faixa elastomérica 751 e um inserto metálico 755 disposto no interior de cada segmento elastomérico 753. A vedação superior 705A para bloco de aríete 705A (ou seja, o bloco de aríete de corte superior) pode também incluir 15 uma estrutura de sustentação 757 conectada entre segmentos elastoméricos 753. Conforme exibido em uma vista em seção transversal na Figura 9B, o inserto metálico 755 disposto no interior do segmento elastomérico 753 possui uma seção transversal em forma de Η. A seção transversal em forma de H do inserto metálico 755 fornece sustentação e rigidez ideal ao segmento 20 elastomérico 753. Além disso, dever-se-á compreender que vedações superiores 711A e 711B podem ser utilizadas com aríetes de canos, aríetes cegos ou aríetes de corte (exibidos na Figura 8).

Com referência agora à Figura 10, é exibido um bloco de aríete 705A com uma vedação superior e uma empanque de aríete 717A utilizada em 25 preventores de explosões de aríetes (tal como 701 da Figura 7). A Figura 10 é retirada do Pedido de Patente Norte americano Publicado sob n° 2004/0066003 (emitido para Griffin et. al. e integralmente incorporado ao presente como referência). No lugar de aríetes de corte (exibidos nas Figuras 7 e 8), a Figura 9

10 ilustra um conjunto de aríete de tubo que possui uma empanque de aríete com orifício variável 717A composta de elastômero e metal. Conforme exibido, a empanque de aríete com orifício variável 717A compreende um corpo elastomérico 761 com um formato semi-elíptico que contém insertos de 5 empanque metálica 763 moldados em um corpo elastomérico 761. Os insertos de empanque metálica 763 são dispostos em volta de um orifício 765 de um corpo elastomérico 761. Conforme mencionado acima com relação a aríetes de canos ou aríetes com orifícios variáveis, quando ativada, a empanque de aríete 717A (junto com uma empanque de aríete correspondente em um local oposto 10 a uma empanque de aríete 717A) move-se para encaixar e rodear o tubo de perfuração e/ou ferramentas de poços localizadas no orifício 765 para vedar o orifício de poço.

Para qualquer mecanismo de vedação que compreende elastômeros e metal em preventores de explosões (tais como unidades de 15 empanque nos preventores de explosões anulares e esféricos e vedações superiores e empanques d e aríetes no preventor de explosões de aríete), podem ser aplicadas cargas para conter pressões entre vários elementos dos preventores de explosões. Com relação ao preventor de explosões anular exibido na Figura 1, por exemplo, à medida que a força do fluido é traduzida do 20 pistão 117 e da face de cunha 118 para a unidade de empanque 105 para fechar a unidade de empanque 105 em direção ao eixo central do orifício de poço 103, a força de fluido gera tensão e estiramento no interior da unidade de empanque 10 5 em suas áreas e volumes em contato com superfícies de vedação (tais como a face de cunha 117 e o tubo de perfuração 151) para 25 vedação contra pressão de orifício de poço de baixo. A tensão que ocorre na unidade de empanque 105 é aproximadamente proporcional à força de fluido traduzida para a unidade de empanque 105.

À medida que se incorre em tensão pelas vedações de 10

preventores de explosões, o material das vedações estirar-se-á para acomodar a tensão e fornecer encaixe de vedação. A quantidade de estiramento que ocorre no material da vedação depende de um módulo de elasticidade do material. O módulo de elasticidade é uma medida da razão entre tensão e 5 estiramento e pode ser descrita como uma tendência do material à deformação ao aplicar-se força ou pressão a ele. Um material com um alto módulo de elasticidade, por exemplo, sofrerá menos estiramento que um material com baixo módulo de elasticidade para qualquer tensão dada. Dos materiais utilizados em vedações de preventores de explosões, os insertos metálicos 10 possuem módulos de elasticidade substancialmente maiores que as partes elastoméricas. O módulo de elasticidade para aço, por exemplo (tipicamente, cerca de 200 Gpa) é cerca de 20.000 a 30.000 vezes maior que os módulos de elasticidade para a maior parte dos elastômeros (tipicamente cerca de 0,01 Gpa).

15 Historicamente, ao examinar, projetar e fabricar vedações para

preventores de explosões, tais como unidades de empanque para preventores de explosões, os locais e quantidades de tensão e/ou estiramento (ou seja, concentrações de tensão, concentrações de estiramento) que ocorrem no interior da vedação vêm sendo a maior preocupação e receberam a maior parte 20 da atenção e análise. Como a vedação está sujeita a cargas (tais como fechamentos cíclicos e repetitivos de uma unidade de empanque de um preventor de explosões anular em volta de um tubo de perfuração ou sobre si própria), a magnitude e as direções das tensões e estiramentos que ocorrem através da vedação são avaliadas para determinar o desempenho da vedação. 25 Um método comum utilizado para esta avaliação é análise de elementos finitos ("FEA"). Especificamente, a FEA pode ser utilizada para simular e avaliar as concentrações de tensão e/ou estiramento que ocorrem através da vedação sob dadas condições de deslocamento. 11

Ao projetar e fabricar vedações elastoméricas com alto estiramento que contêm insertos rígidos, pode haver uma discrepância significativa entre a tensão teórica e o estiramento previsto por meio de FEA e a tensão e estiramento reais. Desta forma, os métodos atuais de modelagem e 5 análise para vedações de preventores de explosão podem não fornecer informações adequadas para aprimorar o seu projeto e fabricação.

Além disso, o desempenho de uma vedação industrializada pode também depender das propriedades do material elastomérico utilizado. As propriedades do material elastomérico dependem não apenas das 10 propriedades do material base (elastômero), mas também do grau de cura, ou grau de retículação, do material elastomérico obtido durante a fabricação da vedação. Material elastomérico excessivamente curado ou reticulado, por exemplo, pode ser rígido e não funcionar adequadamente; ou seja, a cura pode afetar o módulo de elasticidade do material elastomérico. Material elastomérico 15 subcurado pode apresentar falta de elasticidade.

Conseqüentemente, existe a necessidade de métodos para aprimorar os processos de projeto, fabricação e cura de vedações de preventores de explosões.

Descrição Resumida da Invenção 20 Em um aspecto, realizações descritas no presente referem-se a

métodos de fabricação de uma vedação de preventor de explosões que inclui a disposição de pelo menos um inserto e pelo menos um material elastomérico em um molde, aquecimento do molde a uma temperatura de cura, cura do pelo menos um material elastomérico, medição de uma temperatura do pelo menos 25 um material elastomérico durante a cura, ajuste de um tempo de cura e da temperatura de cura com base na temperatura medida do material elastomérico e remoção da vedação do preventor de explosões curado do molde.

Em um outro aspecto, as realizações descritas no presente 12

referem-se a um método de fabricação de uma vedação de preventor de explosões que inclui a geração de um modelo térmico de análise de elemento finito para um projeto de vedação de preventor de explosões e fabricação da vedação de preventor de explosões com base no resultado de um modelo 5 térmico de análise de elemento finito. Preferencialmente, o modelo térmico de análise de elemento finito é utilizado para estimar um grau de cura de pelo menos um material elastomérico da vedação de preventor de explosões.

Outros aspectos e vantagens da presente invenção serão evidentes a partir da descrição a seguir e das reivindicações anexas.

10 Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um preventor de explosões anular.

A Figura 2 é uma vista em seção transversal de uma unidade de empanque para um preventor de explosões anular.

15 A Figura 3A é uma vista em perspectiva de um inserto metálico

para uma unidade de empanque de um preventor de explosões anular.

A Figura 3B é uma vista lateral de um inserto metálico alternativo para uma unidade de empanque de um preventor de explosões anular.

A Figura 4 é uma vista em seção transversal de uma unidade de

20 empanque do estado da técnica de um preventor de explosões anular exibida em uma posição relaxada.

A Figura 5 é uma vista em seção transversal de uma unidade de empanque para um preventor de explosões anular em uma posição fechada.

A Figura 6 é uma vista em seção transversal de um preventor de

25 explosões esférico.

A Figura 7 é uma vista em seção transversal de um preventor de explosões de aríete.

A Figura 8 é uma vista em perspectiva de cortes de aríete para 13

um preventor de explosões de aríete.

A Figura 9A é uma vista em perspectiva de uma vedação superior para blocos de aríete de um preventor de explosões de aríete.

A Figura 9B é uma vista em seção transversal de uma vedação 5 superior para blocos de aríete de um preventor de explosões de aríete.

A Figura 10 é uma vista em perspectiva de uma empanque de aríete com orifício variável para um bloco de aríete de um preventor de explosões de aríete.

A Figura 11 é um gráfico de fluxo que ilustra um processo de 10 fabricação de vedação de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 12 é um gráfico de fluxo que ilustra um método de fabricação de uma vedação para um preventor de explosões de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 13 é um perfil axial em seção transversal de uma 15 unidade de empanque anular em uma plotagem bidimensional (utilizando os eixos χ e z) de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 14 é um perfil radial em seção transversal de uma unidade de empanque anular em uma plotagem bidimensional (utilizando os eixos χ e y) de acordo com realizações descritas no presente. 20 A Figura 15 é uma parte de um modelo de vedação de uma

unidade de empanque anular em uma plotagem tridimensional (utilizando os eixos x, y e z) de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 16 é uma parte de uma rede de vedação de uma unidade de empanque anular em uma plotagem tridimensional (utilizando eixos 25 x, y e z) de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 17A é uma vista posterior de um inserto metálico para uma unidade de empanque para um preventor de explosões anular.

A Figura 17B é uma vista posterior de um inserto metálico para 14

uma unidade de empanque para um preventor de explosões de acordo com realizações descritas no presente.

A Figura 18A é uma vista superior de um inserto metálico para uma unidade de empanque para um preventor de explosões anular.

5 A Figura 18B é uma vista superior de um inserto metálico para

uma unidade de empanque para um preventor de explosões anular.

A Figura 19 é um gráfico de fluxo que ilustra um método de fabricação de uma vedação para um preventor de explosões de acordo com realizações descritas no presente. 10 A Figura 20 é um gráfico de fluxo que ilustra um método de

fabricação de uma vedação para um preventor de explosões de acordo com realizações descritas no presente.

Descrição Detalhada da Invenção Em um aspecto, as realizações descritas no presente referem-se, 15 de forma geral, a preventores de explosões utilizados na indústria de petróleo e gás. Mais especificamente, as realizações referem-se a métodos de cura e fabricação de vedações para uso em preventores de explosões, em que as vedações podem incluir materiais rígidos e elastoméricos. Ainda mais particularmente, as realizações descritas no presente referem-se a métodos 20 empíricos de cura e fabricação de vedações para uso em preventores de explosões. Alternativamente, as realizações descritas no presente referem-se a métodos analíticos de projeto, cura e fabricação de vedações para uso em

preventores de explosões.

As vedações, conforme descrito acima, podem incluir materiais

25 rígidos e elastoméricos. Da forma utilizada no presente, "material rígido" designa qualquer material que possa fornecer estrutura a uma vedação de um preventor de explosões, tanto metálico quanto não metálico. Exemplos de material rígido podem incluir, mas sem limitar-se a, aço, bronze e compostos 15

com alta resistência (tais como compostos de carbono, compostos epóxi e termoplásticos, entre outros). Além disso, da forma utilizada no presente, "vedação" indica um dispositivo que seja capaz de separar zonas de alta pressão de zonas de baixa pressão. Exemplos de vedações de preventores de 5 explosões incluem, mas sem limitar-se a, unidades de empanque, unidades de empanque anulares, vedações superiores e aríetes com orifícios variáveis. Além disso, da forma utilizada no presente, "material elastomérico" designa termoplásticos, termo-retráteis, borrachas e outros compostos poliméricos que exibam comportamento elástico e sejam comumente utilizados para vedações,

10 arruelas e similares.

As vedações podem ser fabricadas por meio de processos de moldagem convencionais, compensando alterações do processo de fabricação conforme descrito com mais detalhes abaixo com relação a várias realizações. Em algumas realizações, as vedações podem ser moldadas e curadas 15 seqüencialmente em uma única cavidade de molde. Em outras realizações, as vedações podem ser moldadas em uma cavidade de molde e curadas em seguida em uma câmara de cura (cavidade de molde e câmara de cura podem ser utilizadas de forma intercambiável no presente).

Em algumas realizações, por exemplo, materiais rígidos podem 20 ser dispostos em um molde e o molde pode ser fechado e preenchido, conforme o necessário, com pelo menos um material elastomérico fundido (ou seja, moldagem e cura em seguida). Em outras realizações, uma vedação previamente moldada e não curada pode ser disposta em uma câmara de cura (ou seja, apenas cura), O molde ou câmara de cura pode ser aquecido até uma 25 temperatura elevada antes ou depois da disposição dos materiais rígidos e

elastoméricos no molde.

A temperatura dos materiais dispostos na cavidade de molde

pode aumentar até uma temperatura suficiente para curar o material 16

elastomérico. Calor, por exemplo, pode ser fornecido por vapor, óleo ou outros fluidos, ou por elementos de aquecimento elétrico. Após tempo suficiente na temperatura de cura, a parte curada é removida da cavidade de molde e mantida em resfriamento. A vedação pode ser opcionalmente pós-curada, tal 5 como por meio de manutenção da parte em uma temperatura pós-cura ou lento resfriamento da parte pode também ser utilizado para gerar as propriedades desejadas.

Geralmente, as variáveis que podem afetar as propriedades da vedação curada podem incluir temperatura de molde, velocidades de 10 aquecimento, velocidades de resfriamento e temperatura do molde. Tipicamente, a temperatura do molde ou câmara de cura é mantida com base na temperatura medida do meio de troca de calor. As taxas de aquecimento e resfriamento podem ser influenciadas, por exemplo, pelo tipo de meio de troca de calor (fluido elétrico, tipo de fluido e as propriedades termodinâmicas 15 correspondentes do fluido), bem como pelo material do molde (tal como o tipo de aço e suas propriedades). O período de tempo em que os materiais encontram-se em uma dada temperatura também afetará o grau de cura.

As propriedades da vedação pode também ser afetadas pelo tipo e quantidade de material(is) elastomérico(s) utilizado(s), tipo de material rígido 20 utilizado, suas propriedades termodinâmicas (tais como coeficientes de condução) e, se utilizados, o tipo e a quantidade de quaisquer agentes de cura ou outros aditivos. As propriedades de vedação podem também ser afetadas pelas variações das propriedades cinéticas do material elastomérico e/ou agentes de cura.

25 Com referência agora à Figura 11, é ilustrado um método de

fabricação de uma vedação de acordo com realizações descritas no presente, em que as vedações podem ser fabricadas por meio de medição da temperatura do material elastomérico durante a etapa de cura. Conforme 17

acima, os materiais rígidos e elastoméricos podem ser dispostos 1112 no molde. A temperatura dos materiais dispostos no molde pode ser aumentada em seguida até uma temperatura suficiente para curar 1114 o material elastomérico.

5 Durante a cura da parte, pode ser medida a temperatura do

material elastomérico 1116. Em algumas realizações, por exemplo, um termopar pode protuberar-se da cavidade de molde ou câmara de cura para uma ou mais seções do material elastomérico. A localização e a profundidade de penetração do termopar podem basear-se no projeto de vedação, 10 preferencialmente limitando o impacto negativo do termopar sobre a parte terminada. Em outras realizações, o termopar pode medir a temperatura de uma aba ou material adicional a ser cortado da parte terminada. Em ainda outras realizações, pode ser utilizada uma câmara separada para medir a temperatura de um material elastomérico paralelamente a uma vedação sendo curada, em que a câmara separada pode possuir dimensões similares ou dissimilares à vedação sendo curada, o que permite uma aproximação da temperatura da vedação sendo curada.

A temperatura do molde ou cavidade de cura, por meio da temperatura do meio de troca de calor, pode ser ajustada em seguida 1118 com base na temperatura medida. Reações reticulantes exotérmicas, por exemplo, podem gerar excesso de calor, o que torna a temperatura do material elastomérico mais alta que o desejado para cura da vedação. À medida que a velocidade da reação de retícula é reduzida, a temperatura do material elastomérico pode cair até uma temperatura menor que a desejada para cura 25 da vedação. A medição da temperatura do material elastomérico pode facilitar o controle da temperatura do molde e, portanto, do material elastomérico, ao

longo de toda a etapa de cura.

A medição da temperatura do material elastomérico pode também

15

20 18

permitir o ajuste do tempo de cura ou do tempo em que o material elastomérico é exposto a temperatura de cura, de forma que possam ser desenvolvidas as propriedades de vedação desejadas. Caso o material elastomérico aumente da temperatura de injeção para a temperatura de cura lentamente, por exemplo, o 5 tempo de cura pode ser ampliado para compensar o tempo em uma temperatura mais baixa que a temperatura de cura. Como um outro exemplo, caso a temperatura de cura flutue durante a cura, o tempo de cura pode ser reduzido ou estendido para compensar as flutuações.

Além disso, como o calor deve ser conduzido ao longo da 10 espessura do material elastomérico, a parte interna do material elastomérico pode encontrar-se em uma temperatura diferente do material elastomérico próximo ao molde. Temperatura mais alta que a desejada pode causar excesso de retícula, o que resulta em um material rígido. Temperaturas mais baixas que a desejada podem resultar em retícula menor que a desejada. A medição da 15 temperatura do material elastomérico pode compensar o ajuste das temperaturas de cura e tempos de cura, de tal forma que o material elastomérico próximo ao molde não se reticule em excesso e que as partes internas do material elastomérico reticulem-se suficientemente.

Após a cura do material elastomérico na vedação, a vedação 20 pode ser pós-curada 1120, se desejado. As medições de temperatura durante a etapa de aquecimento e cura podem ser utilizadas para ajustar uma temperatura pós-cura ou um tempo pós-cura. De forma similar, a temperatura pode ser medida durante a pós-cura e a temperatura e o tempo de pós-cura podem ser ajustados para resultar nas propriedades de vedação desejadas. 25 Em realizações preferidas, um teste experimental conduzido

sobre as vedações de empanque intitulado Otimização de Cura de Unidade de Empanque GX 13-10" ("o estudo de termopares") cobre estudos analíticos com base em FEA, teóricos e experimentais destinados à determinação do estado 19

adequado de cura para as vedações de empanque e é incorporado ao presente como referência. No experimento, a cura térmica das vedações de empanque foi conduzida e os dados de temperatura foram reunidos em locais prescritos no interior do corpo de vedação de empanque utilizando termopares. A partir 5 dos resultados do estudo de termopares, certas realizações podem utilizar um ciclo de cura de sete horas ao moldar as vedações de empanques.

Além disso, o procedimento de cura térmica e teste de obtenção de dados foi utilizado para validar uma simulação de FEA em que a geometria do molde e as propriedades térmicas do composto de metal e borracha 10 também foram modeladas. Conseqüentemente, distribuições de temperatura ao longo da vedação de pacote contra o tempo foram obtidas por meio do método de análise de FEA. Estes resultados apresentaram grandes coincidências com os dados de termopares obtidos do interior das unidades de vedação de empanque. Esta comparação próxima entre a distribuição de 15 temperaturas calculada a partir da análise de FEA e as obtidas por meio da leitura de termopares de teste de cura validou a precisão do método FEA. O método FEA pode ser uma alternativa mais simples e mais eficiente para a abordagem experimental utilizando os termopares e pode, portanto, ser utilizado mais freqüentemente na determinação do estado de cura de um 20 produto de borracha moldado e aumento da qualidade e vida funcional.

Modelo FEA:

Conforme mencionado acima, os métodos e modelos utilizados historicamente para projetar e fabricar vedações que possuem elastômero e materiais rígidos para preventores de explosões podem não fornecer 25 informações precisas para aprimorar a fabricação e o desempenho do projeto da vedação. Processos de aquecimento não uniformes, variação das espessuras de material, variações das propriedades de material etc., por exemplo, podem causar previsões não confiáveis de parâmetros de cura 20

apropriados. No projeto e fabricação de uma vedação para um preventor de explosões de acordo com realizações descritas no presente, portanto, pode ser utilizado um método que inclui FEA do sistema durante a etapa de cura para aprimorar o projeto e a fabricação de vedações. Este método FEA, além de 5 certos métodos de geração e modificação dos modelos de vedação, pode calcular mais precisamente o grau de cura do material elastomérico durante o ciclo de cura. Software apropriado para realizar esse FEA inclui, mas sem limitar-se a ABAQUS (disponível por meio da ABAQUS, Inc.), MARC (disponível por meio da MSC Software Corporation) e ANSYS (disponível por

10 meio da ANSYS, Inc.).

Especificamente, realizações e métodos descritos no presente podem fornecer convenientemente métodos de geração e análise de modelos de vedação em FEA para determinar a reação da vedação sob vários perfis de tempo e de temperatura. Os métodos descritos no presente podem utilizar um 15 projeto de vedação simplificado e/ou modelo de vedação para auxiliar na análise da vedação. Os métodos descritos no presente podem evitar, por exemplo, a análise de partes de um projeto de vedação complexo "suavizando" aquele desenho.

Da forma utilizada no presente, o termo "suavização" designa 20 vários métodos de simplificação de uma geometria complexa de um projeto de vedação para uso com FEA. Estes métodos podem permitir a análise de um modelo suavizado (ou seja, um modelo de FEA construído a partir de um projeto suavizado) para correlação com condições observadas experimentalmente e convergência em um resultado definitivo quando a análise 25 de um modelo não suavizado pode não permiti-lo. Desta forma, um modelo construído com um projeto suavizado pode ser analisado em FEA para determinar uma condição geral ou "de volume". Ao analisar esta condição de volume (ou seja, não localizada), a cura de uma vedação sob várias condições 21

de tempo e temperatura pode ser prevista com mais precisão. Após a análise do modelo suavizado para a condição de volume, o conhecimento obtido com isso pode ser incorporado a um projeto de vedação (não suavizado) que deva ser fabricado.

5 Com referência agora à Figura 12, é exibido um gráfico de fluxo

que ilustra um método de fabricação de uma vedação que inclui um elastômero e um material rígido. Como primeira etapa 1210, são determinadas as propriedades dos materiais de vedação (tais como os elastômeros, os materiais rígidos e agentes reticulantes, se utilizados). As propriedades de material 10 podem ser determinadas por meio de testes empíricos ou, alternativamente, podem ser fornecidas a partir de dados de propriedades de material disponíveis comercialmente. As propriedades de material podem incluir, por exemplo, condutividade e outras propriedades termodinâmicas, bem como constantes de taxas cinéticas, temperaturas de decomposição, concentração de grupos 15 reativos e outras propriedades de materiais que podem afetar a reatividade dos materiais.

Como uma segunda etapa 1215, são determinadas as propriedades dos materiais de molde (tais como o metal que forma o molde e o meio de troca de calor, entre outros). As propriedades dos materiais podem ser 20 determinadas por meio de testes empíricos ou, alternativamente, podem ser fornecidas a partir de dados de propriedades de materiais disponíveis comercialmente. As propriedades de materiais podem incluir, por exemplo, condutividade, viscosidade, constantes de transferência de calor por convecção e outras propriedades termodinâmicas. As propriedades dos materiais de 25 molde podem proporcionar a determinação de condição de fronteiras de vedação.

Em seguida, é gerado um modelo de vedação tridimensional (ou seja, uma rede) para a vedação 1220. Desta forma, a geração de um modelo 22

de vedação 1220 pode também compreender a importação de um projeto de vedação 1221 e subseqüente suavização do projeto de vedação importado 1222 para simplificar a análise FEA.

Em seguida, se desejado para maior precisão do modelo de cura, 5 é gerado um modelo de molde tridimensional (ou seja, uma rede) para o molde 1225. Desta forma, a geração de um modelo de molde 1225 pode também compreender a importação de um projeto de molde 1226 e subseqüente suavização do projeto de molde importado 1227 para simplificar a análise de FEA.

10 Embora indicado como dois modelos separados, pode também

ser gerado um modelo tridimensional da vedação disposta no interior do molde. Como a cura pode prosseguir após a remoção da vedação do molde ou da cavidade de cura, entretanto, à medida que a vedação resfria-se, um modelo de vedação separado de um modelo de molde pode compensar a continuação 15 da cura que ocorre fora do molde. Em algumas realizações, o modelo de molde e o modelo de vedação são integrados de tal forma que o modelo de molde possa fornecer condições de fronteira para o modelo de molde durante cada iteração; uma alteração de etapas nas condições de fronteira pode ser então utilizada para modelar a pós-cura da vedação após a remoção da cavidade de 20 molde.

Em seguida, as condições de cura (tais como condições de tempo e de temperatura) são simuladas 1230 em FEA utilizando o modelo de vedação 1220 (ou modelo de vedação suavizado 1222) e, opcionalmente, o modelo de molde 1225 (ou modelo de molde suavizado 1227). Preferencialmente, essas 25 condições de cura simuladas refletem a transferência de calor, reações de retícula e alterações de propriedades que a vedação pode esperar experimentar durante a cura. Além disso, após a simulação das condições de cura, uma plotagem que exibe a ocorrência da cura no modelo de vedação 23

pode ser gerada e analisada 1240. Idealmente, a plotagem exibe a localização e a quantidade de ocorrência de cura no modelo de vedação em resposta às condições de cura simuladas. A plotagem pode ser analisada e revisada 1240 para determinar as características de desempenho do modelo de vedação.

5 O método pode retornar para 1210, para compensar a alteração

de propriedades de material da vedação durante o processo de cura ou, alternativamente, pode retornar para 1220 para a geração e análise de um outro modelo de vedação. Estes circuitos permitem a simulação adicional do modelo de vedação em FEA para determinar o seu desempenho após 10 modificações ou modelos adicionais. Caso contrário, caso o modelo de vedação seja considerado aceitável e atenda a critérios especificados, o modelo de vedação pode ser utilizado na fabricação 1250 de uma vedação para um preventor de explosões.

Na etapa 1220, é gerado um modelo (ou seja, uma rede) para a 15 vedação. Ao gerar o modelo da vedação, características de projeto da vedação são selecionadas e aplicadas ao modelo. Para uma unidade de empanque de preventor de explosões anular, por exemplo, a quantidade de insertos utilizada, a largura dos insertos de material rígido e o material específico utilizado para os insertos de material rígido podem ser selecionados ao gerar-se o modelo de 20 vedação. Os modelos de vedação podem ser criados em um pacote de software de projeto auxiliado por computador ("CAD") (tal como AutoCAD, disponível por meio da Autodesk, Inc., e Pro/Engineer, disponível por meio da Parametric Technology Corporation) e importados no pacote de software FEA ou, alternativamente, podem ser gerados nos próprios pacotes FEA (tais como 25 ABAQUS e PATRAN).

Com referência agora às Figuras 13 a 16, é exibido um método de geração de um modelo de vedação de acordo com realizações descritas no presente. Especificamente, conforme exibido, pode ser gerado um modelo de 24

uma unidade de empanque de preventor de explosões anular 105 a partir de um projeto de vedação criado utilizando software CAD. Conforme exibido na Figura 13, perfis axiais em seção transversal 1301 de um projeto de vedação podem ser gerados a partir de uma unidade de empanque anular 105 em uma 5 plotagem bidimensional (utilizando eixos χ e ζ). A unidade de empanque 105 inclui um corpo elastomérico 107 e um inserto de material rígido (tal como metal) 109 com um orifício 111. Diversos perfis de seção transversal radial e axial podem ser gerados para representar diferentes seções da vedação. Podem ser gerados, por exemplo, perfis das seções de uma unidade de 10 empanque 105 que contêm ou não insertos metálicos 109.

A partir daqui, conforme exibido na Figura 14, além de gerar perfis com seção transversal axial 1301, perfis com seção transversal radial 1401 do projeto de vedação podem ser gerados para representar diferentes seções radiais da vedação em uma plotagem bidimensional (utilizando eixos χ e y). 15 Devido à simetria da unidade de empanque 105, somente uma parte radial de perfis com seção transversal radial 1401, conforme exibido, pode necessitar ser gerada. Desta forma, conforme exibido na Figura 15, por meio de combinação de perfis axiais e radiais 1301 e 1401, pode ser gerado um projeto de vedação tridimensional 1501 para representar pelo menos uma parte de uma unidade de 20 empanque 1 05 em uma plotagem tridimensional (utilizando eixos x, y e ζ correspondentes das Figuras 13 e 14). Em um projeto de vedação tridimensional 1501, insertos metálicos 109 e corpo elastomérico 107 são gerados como corpos separados que podem interagir entre si. Dependendo da complexidade do projeto da vedação (ou seja, uma unidade de empanque, 25 neste caso), podem ser gerados mais perfis 1301, 1401 da vedação para mais detalhes no projeto de vedação 1501.

Além disso, conforme exibido, o projeto de vedação 1501 e modelo ou rede 1601 (discutido abaixo) pode representar apenas uma parte 25

radial da unidade de empanque 105. O restante da unidade de empanque 105 pode ser facilmente gerado, entretanto, utilizando-se a geometria simétrica de unidade de empanque 105. Os técnicos comuns no assunto apreciarão que, no caso de modelos radialmente simétricos, partes e perfis simétricos podem ser 5 utilizados e reproduzidos para simplificar a geração do modelo.

Com referência agora à Figura 16, o projeto de vedação 1501 criado utilizando software CAD pode ser importado em software FEA para gerar um modelo ou rede 1601 com numerosos elementos finitos 1603. Os elementos finitos 1603 da rede 1601 trabalham em conjunto para simular uma 10 vedação e unidade de empanque ao aplicar-se condições de cura. Elementos finitos 1603 de um corpo elastomérico 107 de unidade de empanque 105 simularão e reagirão a condições de cura (ou seja, exibirão reatividade e condutividade) correspondentes às propriedades cinéticas e termodinâmicas do material elastomérico. 15 De forma similar, os elementos finitos 1603 de insertos metálicos

109 da unidade de empanque 105 simularão condições de cura correspondentes às propriedades de material dos insertos metálicos e reagirão a elas. Desta forma, elementos finitos 1603 exibem condutividade, expansão e outras propriedades termodinâmicas para simular a reação dos diferentes 20 materiais (tais como elastômeros e materiais rígidos) da vedação de acordo com as suas propriedades de material. Embora elementos finitos 1603 sejam exibidos como elementos com oito nós (ou seja, elementos de tijolos), podem ser utilizados elementos finitos com qualquer formato conhecido na técnica.

Além disso, ao gerar um modelo de vedação 1220, pode ser 25 utilizada uma série de métodos de suavização sobre o projeto de vedação 1222. Em muitas circunstâncias, conforme mencionado acima, a análise da geometria fabricada real da vedação utilizando FEA pode gerar complicações ao simular-se geometrias complexas. Particularmente, conforme fabricado, a 26

geometria de componentes de vedação metálicos inclui cantos arredondados e outras características redutoras da concentração de tensão para distribuir mais regularmente a tensão ao longo do componente à medida que ele é carregado durante o uso. Descobriu-se, entretanto que esses cantos arredondados 5 podem prejudicar modelos FEA em FEA, pelo fato de aumentarem a complexidade do modelo, e podem evitar que FEA produza resultados precisos. Um modelo de vedação gerado a partir de um projeto suavizado pode incluir, entretanto, a remoção de características de concentração de tensão conforme fabricado em um esforço para aumentar os resultados de FEA. 10 Em uma realização, o material rígido do projeto de vedação pode

ser modificado (ou seja, suavizado) para reduzir a sua complexidade. Com referência agora à Figura 17A, é exibida uma vista posterior de um inserto metálico 1701 que inclui flancos 1703 conectados por uma teia 1705. O inserto metálico 1701 inclui tipicamente cantos internos arredondados 1707 e cantos 15 externos quadrados 1709. Em uma realização de suavização de um projeto, entretanto, os cantos do inserto metálico podem ser modificados. Com referência agora à Figura 17B, por exemplo, é exibida uma vista posterior de um projeto de inserto metálico 1711 que inclui flancos 1713 conectados por uma teia 1715 de acordo com realizações descritas no presente. Ao suavizar o 20 projeto, os cantos internos 1717 podem ser modificados para reduzir ou eliminar os seus raios (conforme exibido) em uma tentativa de simplificar um modelo construído em seguida. Além disso, na suavização do projeto de vedação, cantos externos 1719 podem ser modificados para adicionar ou aumentar os seus raios (também exibidos) em uma tentativa de simplificar um 25 modelo construído em seguida. Um modelo de vedação construído desta forma pode ser analisado para determinar a condutividade de volume e cura, de tal forma que FEA possa produzir resultados mais precisos e definitivos que seria possível utilizando a abordagem anterior, mais "localizada". 27

Além disso, em uma outra realização, em vez de suavizar o projeto modificando cantos internos e externos do inserto de material rígido, a suavização pode incluir a modificação do formato do inserto de material rígido e a sua posição no interior do corpo elastomérico. Com referência agora à Figura 5 18A, é exibida uma vista superior de um inserto metálico 1801 disposto em uma parte de um corpo elastomérico 1802 de uma unidade de empanque anular. O flanco 1803 e a teia 1805 (contorno exibido) de um inserto metálico 1801 exibido possuem um contorno retangular, no qual as extremidades de flancos 1804A, 1804B do flanco 1803 e as extremidades de teias 1806A, 10 1806B da teia 1805 são definidas por extremidades retas. As extremidades 1804A, 1806A encontram-se radialmente mais próximas do eixo central 103 que as extremidades 1804B e 1806B.

Com referência à Figura 18B, entretanto, a forma e a orientação do inserto metálico podem ser suavizadas para análise de estiramento de 15 volume. Na Figura 18B, é exibida uma vista superior de um inserto metálico 1811 disposto no interior de uma parte de um corpo elastomérico 1802 de uma unidade de empanque anular de acordo com as realizações descritas no presente. Conforme exibido, o flanco 1813 e a teia 1815 (contorno exibido) do inserto metálico 1811 possuem extremidades arqueadas para definir um 20 contorno radial centralizado em volta do eixo central 103. Especificamente, os lados 1814C, 1814D do flanco 1813 podem seguir ao longo de linhas radiais 1817 que se estendem radialmente para fora do eixo central 103. Os lados 1816C, 1816D da teia 1815 podem seguir de forma similar ao longo de linhas radiais (não exibidas). Com isso, as extremidades de flancos 1814A, 1814B 25 dispostas entre os lados de flancos 1814C, 1814D e as extremidades de teias 1816A, 1816B dispostas entre lados de teias 1816C, 1816D podem então seguir um trajeto arqueado para que possuam um arco, curvatura ou dobra, conforme exibido. Preferencialmente, as extremidades arqueadas 1814A, 28

1814Β, 1816Α, 1816Β seguem trajetos radiais 1818 definidos em volta do eixo central 103. Desta forma, conforme exibido, a largura do flanco 1813 e da teia 1815 aumenta ao seguir ao longo dos seus lados 1814C, 1814D, 1816C, 1816D a partir das extremidades 1814A, 1816A para as extremidades 1814B, 5 1816B. Desta forma, um modelo de vedação construído desta forma pode ser capaz de simular mais precisamente a cura durante FEA para produzir resultados mais precisos e definitivos.

De forma similar, o corpo elastomérico do projeto de vedação pode também ser suavizado. Novamente com referência à Figura 15, o corpo 10 elastomérico 107 inclui uma face de compressão 108 correspondente à face de cunha 118 do pistão 117 (Figura 1). O projeto de vedação pode ser suavizado, por exemplo, por meio de modificação dos cantos e/ou raios de face de compressão 108. Modificando-se a face de compressão e outras partes do corpo elastomérico, um modelo de vedação construído a partir dele pode ser 15 capaz de simular mais precisamente a cura durante FEA. Os técnicos comuns no assunto apreciarão que, além destes métodos de suavização e modificações descritas, outros métodos também podem ser utilizados.

Novamente com referência à Figura 12, ao gerar os modelos de vedação na etapa 1220, especialmente ao suavizar o projeto de vedação 1222 20 do modelo de vedação, o volume do corpo elastomérico e os insertos de material rígido do modelo de vedação permanecem substancialmente constantes. Caso o volume não permaneça constante, os resultados e a cura simulada criados por FEA podem não ser precisos ou consistentes. Utilizando este conceito, os volumes correspondentes do corpo elastomérico e dos 25 insertos de material rígido preferencialmente permanecem substancialmente constantes para fornecer resultados precisos.

Continuando agora com a etapa 1230, são simuladas condições de cura mediante uma vedação para um preventor de explosões em FEA 29

utilizando o modelo de vedação gerado. Preferencialmente, as condições de cura simuladas são temperaturas e tempos nas dadas temperaturas que a vedação pode esperar experimentar durante a cura. Um modelo de unidade de empanque de um preventor de explosões anular pode simular, por exemplo, 5 condições de cura relativas ao desenvolvimento de uma elasticidade desejada do material elastomérico (ou seja, desenvolvimento de retícula suficiente).

Na etapa 1240, uma plotagem de cura, que exibe a cura e o desenvolvimento de propriedades físicas que ocorrem no modelo de vedação em resposta a condições de cura, pode ser analisada e revisada para 10 determinar o desempenho da cura de vedação modelada. Este método pode ser realizado por meio de cálculo do grau de cura para cada elemento do modelo de vedação com as condições de cura e exibição da cura sobre cada elemento correspondente do modelo de vedação na condição original. Isso pode permitir a ocorrência de cura na unidade de empanque sob as condições 15 de cura simuladas a serem "mapeadas" de volta para o seu local e condição originais na unidade de empanque.

Conforme descrito acima, podem ser utilizados modelos de vedação para estimar o grau de cura sob várias condições, incluindo variações dos tempos e temperaturas de cura, materiais rígidos e elastoméricos 20 selecionados e forma ou projeto de vedação, entre outras variáveis. Além disso, modelos de molde podem compensar tempos de folga e diferença das condições de fronteira (tais como variações de temperatura no molde) que a vedação pode experimentar durante o processo de cura. A temperatura inicial do molde pode variar, por exemplo, podendo resultar da abertura do molde 25 para carregamento da vedação ou dos materiais rígidos, em que o tempo em que o molde é aberto e exposto a condições ambientes pode variar.

Outros elementos de modelo de vedação podem representar a geometria, condutividade, velocidades de cura/velocidades de reação, 30

velocidades de aquecimento e resfriamento, velocidades de decomposição e reatividade e outras propriedades cinéticas ou termodinâmicas, entre outras. Com relação à geometria, por exemplo, partes mais finas do material elastomérico podem ser expostas a temperaturas médias mais altas que partes 5 mais finas devido à condutividade do metal ou à localização de elementos de aquecimento no interior do molde. Modelos de vedação e modelos de molde podem ser utilizados, em algumas realizações, para projetar cavidades de molde, de forma a evitar-se o aquecimento excessivo do material elastomérico, tal como por meio de colocação seletiva dos elementos de aquecimento. 10 Modelos de vedação podem também ser utilizados para calcular um grau de retícula ou outras propriedades que podem ser influenciadas por uma operação de pós-cura.

Em algumas realizações, os modelos descritos acima podem ser verificados ou correlacionados utilizando dados empíricos para verificar o 15 modelo. Dados empíricos podem ser reunidos, por exemplo, por meio de medição da temperatura do meio de transferência de calor, partes do molde e/ou do material elastomérico durante processos de cura, conforme descrito acima. Além disso, podem ser obtidos dados relativos ao grau de cura resultante das condições de cura medidas. As condições de cura medidas e as 20 propriedades de vedação resultantes podem ser utilizadas em seguida para verificar e correlacionar o modelo com resultados de teste reais. Como exemplos da correlação do modelo com dados empíricos, constantes de velocidade cinética, condutividade ou coeficientes de transferência de calor por condução e convecção podem ser ajustados a partir de valores teóricos para 25 resultar em uma melhor aproximação da cura real.

Em outras realizações, ao correlacionar um modelo ou utilizando- se um modelo verificado, o modelo pode ser utilizado para avaliar termopares e outros equipamentos utilizados para controlar os pontos de ajuste de 31

temperatura durante o processo de cura. Termopares que podem encontrar-se em local próximo da interface entre molde e vedação, medição da temperatura do meio de transferência de calor, medição da entrada e saída de energia de um aquecedor elétrico e outros, por exemplo, podem ser imprecisos, o que 5 afeta a entrada real de calor para uma ou mais partes da cavidade de molde. O modelo de vedação e molde pode ser utilizado para análise caso haja imprecisões nos dados medidos. Desta forma, o modelo pode ser ajustado para representar variações do perfil de temperatura medido ou o modelo pode ser utilizado para ajustar a entrada de perfil de temperatura por um operador e 10 pode fornecer um meio para aumentar a cura e/ou consistência de vedações por meio de ajuste das condições reais de cura para compensar a imprecisão.

O modelo de vedação descrito acima (e o modelo do molde, se utilizado) pode ser empregado para determinar condições de cura para uma ampla série de combinações de materiais. Para um dado modelo de vedação 15 (geometria), pode-se simular uma série de materiais elastoméricos, materiais rígidos, auxiliares de cura (agentes reticulantes) e outras variáveis, de forma que as condições de cura e propriedades de vedação resultantes possam ser otimizadas para aquele modelo de vedação específico (geometria).

Em algumas realizações, um segundo modelo de vedação pode 20 ser gerado com base em um primeiro modelo de vedação gerado conforme descrito acima. O modelo pode ser alterado, por exemplo, para que reflita diferentes geometrias de vedação. As propriedades de material e outras variáveis conforme descrito acima e que podem haver sido correlacionadas a dados empíricos podem ser então utilizadas para estimar a cura obtida para 25 uma vedação que possui geometria diferente do primeiro modelo de vedação. Desta forma, várias geometrias podem ser simuladas para otimizar a cura e as propriedades de vedação resultantes.

O modelo FEA pode ser utilizado, por exemplo, para ajustar as 32

variáveis descritas acima para atingir uma resistência, elasticidade ou outras propriedades de vedação desejadas. Em algumas realizações, o modelo de vedação pode fornecer dados de propriedades físicas resultantes do processo de cura, tais como propriedades que podem ser inferidas a partir de um grau de 5 retícula, incluindo reometria, módulo de elasticidade, flexibilidade e rigidez, dentre outras propriedades.

Em outras realizações, as propriedades de vedação resultantes podem ser integradas a modelos de FEA utilizados para analisar o desempenho da vedação sob tensão. Esse modelo de FEA pode ser utilizado 10 para fornecer uma indicação dos ciclos antes da falha, limitações ou avaliações de pressão, limitações de tensão/estiramento e validação de vedação, entre outros. Esses modelos de FEA são descritos no Pedido de Patente Provisório Norte americano n° 60/847.760, atribuído ao cessionário da presente invenção e incorporado ao presente como referência. 15 USO DE MODELO NA FABRICAÇÃO E CURA DE VEDAÇÃO:

Os modelos de vedação de FEA descritos acima podem ser utilizados para otimizar seleções de materiais e podem também ser empregados para determinar condições de cura apropriadas. Em algumas realizações, um operador pode selecionar tempos de cura e temperaturas de 20 cura com base em um resultado do modelo de FEA, conforme ilustrado na Figura 19. Como uma etapa inicial 1910, um modelo de vedação pode ser gerado e verificado conforme descrito acima. O modelo pode ser utilizado em seguida para selecionar 1920 materiais de vedação (materiais rígidos e materiais elastoméricos) apropriados para as propriedades de produto 25 desejadas. O modelo pode ser utilizado em seguida para selecionar 1930 condições de cura a serem utilizadas na fabricação 1940 da vedação.

FEA pode ser utilizado, por exemplo, para selecionar um perfil de temperatura de cura que fornecerá o menor tempo de ciclo, aumentando o 33

número de vedações que podem ser curadas por unidade de tempo. Como um outro exemplo, FEA pode ser utilizado para selecionar condições de cura para resultar em propriedades de vedação desejadas. Em outras realizações, FEA pode ser utilizado para determinar condições de cura com base em variações 5 de lote (tais como pequenas diferenças das propriedades de material elastomérico entre lotes), de forma a resultar nas propriedades de vedação desejadas.

Os modelos de vedação de FEA descritos acima podem também ser utilizados para ajustar as condições de cura, conforme ilustrado na Figura 10 20. Como uma etapa inicial 2010, um modelo de vedação pode ser gerado e verificado conforme descrito acima e pode também ser utilizado para selecionar 2020 materiais de vedação e selecionar 2025 condições de cura (perfis de tempo e temperatura). Os materiais de vedação podem ser dispostos em seguida 2030 em uma cavidade de molde para cura 2040. Durante a etapa de 15 cura 2040, medições de temperatura real podem ser realizadas e introduzidas 2050 em um modelo de FEA. Devido a variações das condições reais de cura e das condições de cura selecionadas, os tempos e temperaturas de cura podem ser ajustados com base em resultados de modelos de FEA. Desta forma, por exemplo, pequenas variações de conduções de cura podem ser compensadas 20 e/ou variações de lote em propriedades de vedação podem ser minimizadas.

Os modelos de vedação de FEA descritos acima podem também ser utilizados para selecionar e/ou ajustar condições de pós-cura. Conforme ilustrado nas Figuras 19 e 20, as condições de pós-cura podem ser selecionadas 1955, 2055 utilizando o modelo de FEA. Após a etapa de cura 25 1940, 2040, a vedação pode ser pós-curada 1960, 2060, em que, em algumas realizações, o tempo e as temperaturas de pós-cura podem ser ajustadas com base em condições de cura medidas e/ou condições de pós-cura medidas, de forma a resultar nas propriedades de vedação desejadas. 34

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Conforme descrito acima, as realizações descritas no presente fornecem um método empírico de fabricação de vedações. A medição de condições de cura durante o processo de cura pode ser utilizada para ajustar as condições de cura para aprimorar um ou mais dentre consistência de 5 produto, tempos de ciclo de cura e propriedades de vedação, entre outros.

Além disso, necessidades da indústria, tais como API 16A/ISO 13533:2001, podem ser utilizadas como critérios especificados para comparar e certificar um modelo de vedação. Particularmente, API 16A, Capítulo 5.7.2, indica um "teste de fechamento" para preventores de explosões do tipo aríete, 10 enquanto API 16A, Capítulo 5.7.3, refere-se a um teste de fechamento para preventores de explosões do tipo anular. Segundo API 16A/ISO 13533:2001, uma unidade de empanque pode necessitar passar por seis fechamentos em volta do tubo de perfuração e, em um sétimo fechamento, ser capaz de vedar efetivamente sob pressão de 1,4 a 2,1 MPa. 15 Conforme descrito acima, modelos de vedação podem ser

utilizados para projetar vedações, selecionar geometrias de vedação, selecionar materiais utilizados na fabricação de vedações e podem ser utilizados para selecionar e ajustar condições de cura utilizadas para a fabricação de vedações. Convenientemente, realizações que utilizam modelos 20 de vedação conforme descrito no presente podem proporcionar um ou mais dentre projeto de vedação aprimorado, cura aprimorada de vedações, redução de tempos de ciclo de cura, aumento da consistência de produto e aumento da vida útil, dentre outras vantagens.

Embora a presente invenção inclua uma quantidade limitada de 25 realizações, os técnicos no assunto, de posse do benefício do presente relatório descritivo, apreciarão que podem ser idealizadas outras realizações que não abandonam o escopo da presente invenção. Conseqüentemente, o escopo deverá ser limitado apenas pelas reivindicações anexas.

Claims (18)

1. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA VEDAÇÃO PARA PREVENTORES DE EXPLOSÕES, caracterizado por compreender as etapas de: - disposição de pelo menos um inserto e pelo menos um material elastomérico em um molde; - aquecimento do molde a uma temperatura de cura; - cura de pelo menos um material elastomérico; - medição de temperatura do pelo menos um material elastomérico durante a cura; - ajuste de tempo de cura e da temperatura de cura com base na temperatura medida do material elastomérico; e - remoção da vedação de preventor de explosões curada do molde.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente a determinação de um grau de cura do material elastomérico.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender adicionalmente a geração de um modelo térmico de análise de elemento finito da vedação para preventor de explosões durante a cura.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por compreender adicionalmente o uso do modelo térmico de análise de elemento finito para estimar um grau de cura com base em um tempo de cura selecionado e temperatura de cura selecionada.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por compreender adicionalmente a correlação do modelo térmico de análise de elemento finito com o tempo de cura, temperatura medida e grau de cura.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender adicionalmente a fabricação de vedações de preventores de explosões adicionais com base em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito correlacionado.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender adicionalmente o ajuste de uma temperatura de cura e um tempo de cura com base em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender adicionalmente: - seleção de um projeto de vedação de preventor de explosões; - geração de um segundo modelo térmico de análise de elemento finito para o projeto selecionado com base no modelo térmico de análise de elemento finito correlacionado; e - fabricação da vedação de preventor de explosões com base em um resultado do segundo modelo térmico de análise de elemento finito.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a fabricação compreende a seleção de um tempo de cura e uma temperatura de cura com base em um resultado do segundo modelo térmico de análise de elemento finito.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a vedação de preventor de explosões compreende uma unidade de empanque anular.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a vedação de preventor de explosões compreende pelo menos um selecionado a partir do grupo que consiste de empanques de aríete variáveis, orifício de bloco de aríete e vedações superiores de bloco de aríete.

12. MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UMA VEDAÇÃO DE PREVENTOR DE EXPLOSÕES, caracterizado por compreender as etapas de: - geração de um modelo térmico de análise de elemento finito para um projeto de vedação de preventor de explosões, em que o modelo térmico de análise de elemento finito é utilizado para estimar um grau de cura de pelo menos um material elastomérico da vedação para preventor de explosões; e - fabricação da vedação de preventor de explosões com base em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a fabricação compreende a seleção de um tempo de cura e uma temperatura de cura com base em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a fabricação compreende a cura de um material elastomérico à temperatura de cura selecionada pelo tempo de cura selecionado.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a fabricação compreende: - cura de um material elastomérico em uma temperatura de cura selecionada por um tempo de cura selecionado com base em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito; - medição da temperatura do material elastomérico durante a cura; e - ajuste do tempo de cura selecionado e da temperatura de cura selecionada com base na temperatura medida.

16. MÉTODO de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o ajuste é adicionalmente baseado em um resultado do modelo térmico de análise de elemento finito utilizando a temperatura medida.

17. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a vedação de preventor de explosões compreende uma unidade de empanque anular.

18. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a vedação de preventor de explosões compreende pelo menos um selecionado a partir do grupo que consiste de empanques de aríete variáveis, orifício de bloco de aríete e vedações de topo de bloco de aríete.