HERRAMIENTA PARA FRAGMENTAR COQUE
La presente invención se relaciona con una herramienta para desintegrar coque. En refinerías de petróleo, la última, o dicho de otro modo, la fracción no útil del petróleo crudo es transformada en coque. Esta transformación es efectuada alimentando esta fracción en tambores los cuales se llenan con coque a medida que procede la operación. Una vez que ha sido alcanzado el nivel máximo de llenado de los tambores, el coque es cortado de los tambores . Esta llamada "fragmentación" usualmente es llevada a cabo usando chorros de agua a alta presión los cuales desintegran el coque y lavan éste fuera de los tambores. La herramienta para generar esos chorros de agua de alta presión es insertada en los tambores desde la parte superior usando equipo de perforación. La fragmentación es llevada a cabo en dos etapas. Primero, se corta una abertura en el tambor desde la parte superior hasta el fondo, a continuación la herramienta es elevada nuevamente hasta la parte superior del tambor, y el coque es entonces desintegrado por los chorros de agua a alta presión generados por las boquillas cortantes a ángulos aproximadamente rectos al eje del barreno. La herramienta está adaptada para asumir dos estados de operación, uno para perforar una abertura 2
necesaria para mover la herramienta y entonces permitir que el coque desintegrado salga, y uno para cortar el coque a través de la sección transversal del tambor. Las boquillas de perforación, en consecuencia envían chorros de agua a alta presión esencialmente paralelos, o a un ángulo oblicuo, a un eje formado por la varilla de perforación y la abertura que surge de la perforación. Las boquillas cortantes, por otro lado, generan chorros de agua a alta presión, alineados esencialmente en ángulos rectos u obtusos al eje formado por la varilla de perforación y la abertura en el tambor. El cambio entre los estados de operación de perforación y corte tiene que ser rápido y simple. Las boquillas usadas en la herramienta son objeto de desgaste y desgarre debido a la alta presión del agua y de este modo tienen que ser reemplazadas frecuentemente. Por lo tanto, la herramienta debe ser adaptada de tal manera que el reemplazo de las boquillas pueda ser llevado a cabo en una forma rápida y segura. El objeto de la presente invención es proporcionar una herramienta para desintegrar coque, sea particularmente simple y segura de usar y mantener. El objeto anterior es logrado por una herramienta que tiene los elementos caracterizantes de la reivindicación 1. Las herramientas para desintegrar coque con un alojamiento, las cuales son unidas a una varilla de perforación en operación que tienen al menos una boquilla para perforar y cortar coque y al menos una válvula para cerrar y abrir las aberturas arregladas sobre éstas, son conocidas del estado de la técnica. Esas herramientas están adaptadas para tener dos estados de operación diferentes. Al menos una válvula cierra las boquillas cortantes en el estado de operación de "perforación" , mientras que en estado de operación de "corte", las boquillas de perforación son cerradas por al menos una válvula. El alojamiento, la válvula y las boquillas en esas herramientas están formadas de tal manera que se asegura un paso sin impedimento del agua de la varilla de perforación a través del alojamiento y la válvula a través de las boquillas no cerradas por la válvula. El diseño de esa herramienta se simplifica en gran medida cuando las boquillas a ser cerradas, dependiendo de cada estado de operación cerrado, son cerradas por una válvula de bola . Las combinaciones que comprenden una válvula de bola para abrir y cerrar las boquillas de perforación y otros medios para abrir y cerrar las boquillas cortantes son bien conocidas, pero necesitan una multitud de partes, lo que da como resultado una herramienta con una estructura complej a . La presente invención es ventajosa dado que el número de partes se reduce y se asegura completamente aquí que siempre solo una boquilla o un grupo de boquillas está cerrado y la otra boquilla o grupo de boquillas está abierto. La herramienta comprende una válvula en la cual tiene un soporte de válvula en acoplamiento con las bolas para cerrar las boquillas. La válvula incluye además medios asociados para guiar la bola y ayudas de posicionamiento, según sea necesario, por medio de los cuales las bolas son mantenidas en posiciones predeterminadas. Un aparato para operar la válvula también está asociado con la válvula. La válvula está arreglada en el alojamiento de la herramienta y cuando es operada lanzada a través o alrededor por el agua usada para remover el coque . Las bolas de la válvula de bola son guiadas en el soporte de la válvula por medios adecuados para guiar las bolas. Una posibilidad sería proporcionar medios para guiar en el soporte de la válvula. Esos podrían ser por ejemplo, paredes cóncavas o ranuras guía o producciones guía en acoplamiento con las bolas. De manera alternativa, es posible un arreglo donde las bolas asociados con el soporte de la válvula sean colocadas en muelles en posiciones adecuadas para cada estado de operación. Los medios guía podrían por lo tanto ser formados integrados al soporte de la válvula o formados independientemente de éste. La última modalidad coopera entonces con la bola y el soporte de la válvula para guiar la bola. Los medios guía también pueden estar comprendidos de una pluralidad de partes, por ejemplo una cavidad o ranura en el soporte de la válvula que coopere con el arreglo de muelle para guiar las bolas. Las bolas pueden ser completamente esféricas. Por supuesto, es totalmente posible que las bolas sean esféricos únicamente en segmentos donde en un estado de operación cierren la entrada a una boquilla. La forma esférica de su área superficial asegura que la entrada a cada boquilla cerrada sea sellada de manera segura contra el paso de fluido. Un disco circular, un lado en el cual sea de forma de domo esférico, por ejemplo, sería suficiente para el propósito de cerrar la boquilla. Esto se debe a que los cuerpos que no son de forma totalmente esférica también serán referidos como "bolas" en el sentido de la invención. Preferiblemente, las bolas son cuerpos simétricos que tienen al menos dos secciones de superficie esférica. Usualmente, esas secciones de superficie esférica están opuestas entre sí, por ejemplo, como casquetes, cuyas circunferencias máximas están adyacentes entre sí . Esas bolas simétricas tienen la ventaja de que por un lado, debido a la simetría, es guiado fácilmente por los medios guía. Por otro lado, ellos son ventajosos dado que, si la primera sección de superficie esférica muestra signos de estar desgastada, la bola simétrica podría simplemente ser volteado. De este modo, podría ser usado un casquete diferente con una segunda sección de superficie esférica para sellar la boquilla. La bola simétrica es usualmente preferido sobre la bola completamente esférico puesto que, si las herramientas van a ser diseñadas con un diámetro reducido, las bolas simétricas tienen un espesor más pequeño, con referencia al diámetro de la herramienta, que las bolas completamente esféricos. De acuerdo a una primera modalidad, el soporte de la válvula está integrado al alojamiento de tal manera que sea parte de la pared exterior de la herramienta. De acuerdo a una segunda modalidad, el soporte de la válvula está montado dentro del alojamiento. Los medios para guiar la bola y el soporte de la válvula, si es necesario, están arreglados en el alojamiento de la herramienta, aunque ellos usualmente no llenan totalmente éste. De este modo existen espacios entre los medios para guiar las bolas y el soporte de la válvula y el alojamiento. De acuerdo a un desarrollo ventajoso más de la invención, esos espacios están en comunicación con la cavidad interior de la herramienta, de modo que en operación el líquido que fluye a través de la herramienta también puede fluir a través de esos espacios . La ventaja de este arreglo es que no existen diferenciales de presión dentro de la herramienta entre la cavidad interior y los espacios entre el alojamiento y el soporte de la válvula. De este modo pueden efectuarse ahorros de material cuando se diseñe el soporte de la válvula debido a que las diferenciales de presión, con su presión y fuerza de tracción 7
asociadas, no deben ser absorbidas. Adicionalmente, evitar diferenciales de presión asegura una operación uniforme de las válvulas de bola. Una modalidad particularmente preferida de la herramienta de acuerdo a la presente invención, comprende un soporte de válvula, en el cual las boquillas de corte están arregladas en dos o más niveles una encima de la otra . Esto mejora en gran medida la potencia de la herramienta. Preferiblemente, las boquillas están desviadas entre sí en los diferentes niveles . El cambio del estado de operación de "perforación" al estado de operación "corte" es llevado a cabo manualmente en la mayoría de las herramientas de la técnica anterior. La herramienta se retrae del tambor después del primer paso de procesamiento y un dispositivo dentro de la herramienta es operado, el cual después de completar la perforación dirigida de la boquilla de perforación al fondo y abre las boquillas de corte . Este dispositivo para cerrar una, o una pluralidad de boquillas, es operado por medios los cuales por un lado se acoplan al aparato para cerrar y por el otro implican un miembro de operación operable desde el exterior de la herramienta. Este medio de operación está colocado siempre debajo de la herramienta en las herramientas de fragmentación de la técnica anterior. El arreglo para cambiar una herramienta fragmentadora de acuerdo a este diseño puede ser robusto así como probado. Sin embargo, ellos tienen una desventaja particularmente seria dado que la herramienta debe ser retraída completamente del tambor, y que para conmutar de "perforación" a "corte" , las boquillas de corte deben estar a la altura del cuerpo del personal de operación. En algunos casos, esto puede dar como resultado un alto riesgo para el personal de operación, como cuando, como se ha sabido sucede, el mecanismo de control falla. El primer método para evitar esta desventaja ha sido desarrollar arreglos automáticos para conmutar herramientas fragmentadoras . Esto ha sido problemático, sin embargo, puesto que es difícil unir los mecanismos de control relativamente sensibles a la herramienta que es usada en un ambiente muy duro sujeto a esfuerzos y tensiones mecánicas y térmicas extremas . El arreglo de los medios para operar el aparato dentro de la herramienta fragmentadora para cerrar una boquilla individual, o una pluralidad de boquillas, de modo que el miembro de operación sea arreglado entre las boquillas y el extremo superior de la herramienta, asegura fácilmente que los accidentes con el arreglo operado manualmente para conmutar sean evitados . Este arreglo es considerado independiente, novedoso e inventivo y sugiere una herramienta simple y segura para desintegrar coque.
Con el arreglo preferido, la herramienta puede permanecer dentro del tambor a ser vaciado, cuando el estado de operación va a ser cambiado de la primera a la segunda, o viceversa, en un grado tal que las boquillas cortantes de las cuales salen chorros de agua a alta presión permanezcan cubiertas por el tambor. Aún para el caso donde los dispositivos de control de la planta fragmentadora fallen, o sea señalado (erróneamente) que la herramienta puede ser conmutada aunque se siga aplicando alta presión a ésta, el personal de operación puede aproximarse a la herramienta sin el riesgo de ser dañado por los chorros de agua a alta presió . El aparato para cerrar boquillas individuales, o una pluralidad de boquillas, tiene diferentes formas. Algunas herramientas están provistas con válvulas de bola, otras herramientas tienen cilindros huecos provistos con cortes para abrir las boquillas. Dependiendo de la posición del cilindro, también conectada a una placa inferior provista con cortes, cuando sea necesario, sale un chorro de agua a alta presión, o la boquilla respectiva es cerrada por el cilindro hueco o la placa inferior. Aquí el cilindro hueco cubre las boquillas cortantes o las expone, mientras que la placa inferior expone o cierra las boquillas de perforación, respectivamente . Para virtualmente todos los aparatos de la técnica 10
anterior es posible proporcionar un arreglo para conmutar la herramienta fragmentadora, donde el miembro de operación se encuentra corriente arriba de las boquillas y por lo tanto en el extremo superior de la herramienta fragmentadora . Se considera particularmente ventajoso que, en tanto el aparato para cerrar boquillas individuales o una pluralidad de boquillas sea problemático, las instalaciones bien probadas pueden ser equipadas con el arreglo de acuerdo a la invención. Ahora será descrita una modalidad preferida de la presente invención con detalle en lo siguiente con referencia a los dibujos acompañantes donde: La Figura 1 muestra una vista en corte longitudinal de una modalidad de la herramienta de la presente invención en el estado de operación de "perforación" ; La Figura 2 muestra una segunda vista en corte longitudinal de una modalidad idéntica de la herramienta de acuerdo a la presente invención en el estado de operación de "perforación" , en un ángulo hacia la vista en corte de la Figura 1 ; La Figura 3 es una vista en corte longitudinal de una modalidad de la herramienta de la presente invención en el estado de operación "corte" ; La Figura 4 muestra una segunda vista en corte longitudinal de una modalidad idéntica de la herramienta de acuerdo a la invención en el estado de operación "corte" , en un ángulo hacia la vista en corte de la Figura 3; y La Figura 5 muestra una vista en corte de una herramienta de acuerdo a una segunda modalidad. La Figura 1 muestra una herramienta 2 con un alojamiento 4, dos boquillas para cortar coque 6 y dos boquillas más (mostradas esquemáticamente) para perforar coque 8 y una válvula 10 para abrir y cerrar las boquillas 6, 8. En operación, la herramienta 2 es unida a una varilla de perforación (no mostrada) y es insertada en un tambor lleno con coque. Indicaciones como "parte superior" y "parte inferior" se refieren al eje A de la herramienta mostrado en las Figuras 1 a 4 alineado con la varilla de perforación (parte superior) y un orificio a ser producido por la herramienta (parte inferior: no mostrada) . El alojamiento 4 es producido en dos partes. La válvula 10 es arreglada entre la mitad del alojamiento superior 4a arreglada en la varilla de perforación (no mostrada) y la mitad del alojamiento inferior 4b. La mitad del alojamiento superior 4a es unida a la varilla de perforación vía un reborde 12 desde donde se extiende como un cuerpo esencialmente hueco hacia la mitad el alojamiento inferior 4b. En el extremo de la parte del alojamiento superior 4a asociado con la válvula 10, está formado 12
integralmente un soporte circular 14. En ese soporte 14 está colocado un soporte de válvula 16 en la parte inferior. Para una alineación simple y precisa del soporte de la válvula 16 en el soporte 14, se proporcionan superficies de contacto correspondientes 18a y 18b, y 20a y 20b en el soporte 14 y el soporte de la válvula 16. En el área de las superficies de contacto 20a, 20b, se proporciona un anillo de sellado circular 22. El soporte de la válvula 16 es atornillado al soporte 14 usando tornillos que se acoplan a orificios roscados (no mostrados) en el soporte 14 y en el soporte de la válvula 16. El soporte de la válvula 16 es un cuerpo hueco cilindrico en el cual está formado un refuerzo intermedio 26 que se extienden esencialmente en ángulos rectos hacia el eje A. Dos bolas 28 de la válvula de bola 10 están arreglados para correr sobre el refuerzo 26. Las bolas 28 están colocadas en la periferia externa del refuerzo 26 o soporte de la válvula 16. En esta posición ellos son mantenidos durante los estados de operación de "perforación" y "corte" , y durante una conmutación de un estado de operación al otro, colocando ayudas. La presente modalidad, la ayuda de posicionamiento está formada como un muelle 30 que ejerce una fuerza entre las dos bolas 28. La posición de las bolas 28 sobre el refuerzo 26 es 13
determinada por medios para guiar las bolas. Esos medios para guiar las bolas 28 son armazones cóncavos 32 en la presente modalidad, que abarcan la mitad superior de las bolas 28 así como el muelle 30. Una guía 34 se extiende desde los armazones cóncavos 32 hacia arriba. El refuerzo 26 del soporte de la válvula 16 comprende orificios 36, como se muestra en la Figura 2, cuyo número es igual al número de bolas 8. El soporte de la válvula 16 tiene orificios 40, en los cuales están insertadas las boquillas de corte 6, en su pared externa 38. Debajo del refuerzo 28 o en su superficie inferior, se proporcionan superficies de contacto 42a y 42b, y 44a y 44b. Las superficies de contacto 42a, b son paralelas al eje A, mientras que las superficies de contacto 44a, b son verticales al eje A. La mitad del alojamiento inferior 4b entra en contacto con esa superficie de contacto 42a, b y 44a, b y está unida al soporte de la válvula por medio de tornillos 46 los cuales se acoplan a orificios roscados (no mostrados) del portador de la válvula 16. En el área de las superficies de contacto 44a, , se proporciona un anillo de sellado circular 48. Una cavidad 50 en la mitad del alojamiento inferior 4b asegura que el líquido pueda pasar sin impedimentos a través de los orificios 36 hacia las boquillas de perforación 14
8 colocadas en la mitad del alojamiento inferior 4b. Las boquillas de perforación 8 solo son mostradas esquemáticamente . La herramienta 2 mostrada en las Figuras 1 y 2 está en el estado de operación "perforación" (estado de perforación) . En el estado de perforación, las bolas 28 de la válvula de bola 10 bloquean los orificios 40 en la pared externa 38 del soporte de la válvula 16. El diámetro de las bolas 28 es tal que los orificios 40 son cubiertos fácil y completamente . Al mismo tiempo, como se muestra en la Figura 2, los orificios 36 en el refuerzo 26 del soporte de la válvula 16 se dejan libres. El agua que entra a la herramienta 2 a alta presión desde la varilla de perforación, fluye a través del interior 52 dentro de la herramienta por encima del refuerzo 26, a través de los orificios 36, pasa a través de la cavidad 50 en la mitad del alojamiento inferior 4b, y entonces sale a través de las boquillas 8 hacia un tambor lleno con coque (no mostrado) . Para conmutar del estado de perforación al estado de operación de "corte", se proporciona un aparato 54 para operar la válvula 10 en la herramienta 2. El aparato 54 comprende un cuerpo hueco cilindrico 56 insertado en la mitad del alojamiento superior 4a. El extremo inferior de este cuerpo hueco 56 tiene cavidades 58 en acoplamiento con las guías 34 de la válvula de bola 10. El extremo superior 60 del cuerpo hueco 56 está formado en forma de una llanta con engranes . Un engrane 62 se engrana con el extremo superior 60 del cuerpo hueco 56 formado en forma de una llanta con engranes. Un eje 64 está unido al engrane 62 que se extiende a través de la mitad del alojamiento superior 4a. El eje 64 es ajustado manualmente usando una llave de tuercas. Para conmutar del estado de perforación al estado de operación de "corte" el engrane 62 es operado haciendo girar el eje 64. El cuerpo hueco 56 engranado con el engrane 62 gira dentro de la mitad del alojamiento superior 4a por el engrane 62. La guía 34 y con sus bolas 28 de la válvula de bola 10 giran juntos con el cuerpo hueco 56. Haciendo girar las bolas 28 sobre el portador de la válvula 16, los orificios 40 que habían cerrado las boquillas 6, ahora están expuestos (véase la Figura 3) . Operando con una manija 64, las bolas 28 se mueven sobre una trayectoria circular hasta que los orificios 36 son completamente cerrados (véase la Figura 4) . Las Figuras 3 y 4 muestran una herramienta 2 en el estado de operación de corte. El agua a alta presión fluye de la varilla de perforación hacia el interior 2 de la mitad del alojamiento superior 4a y sale de las boquillas de corte, las únicas salidas posibles, en ángulos aproximadamente rectos al eje A. Los orificios 36 son bloqueados de manera segura y completamente por los lados 28 colocados encima de ellos. La acción de cierre de las bolas 28 es asegurada adicionalmente en esta posición, y de igual modo, cuando los orificios 40 son bloqueados por el hecho de que la presión extremadamente alta del agua, por encima de 100 bares, presiona las bolas hacia el portador de la válvula. La modalidad ejemplar mostrada en las Figuras 1 a 4 se relaciona con una modalidad de la invención con dos boquillas 6 para cortar y dos boquillas 8 para perforar. Sin embargo, también son cubiertas modalidades por la materia objeto de la invención con tres o más boquillas 6 o boquillas 8, respectivamente. No es necesario que los números de boquillas 6 y de boquillas 8 sean iguales. En particular con las modalidades de la invención que tiene 3 o más boquillas que requieren más de dos bolas 28, una guia separada para cada bola puede servir como ayuda de posicionamiento . Entonces el muelle 30 ya no es necesario. Esa modalidad de la herramienta 2 que tiene una pluralidad de boquillas se muestra en la figura 5 (las características equivalentes son designadas con números de referencia idénticos) . La herramienta 2 tiene un alojamiento 4 y una válvula 10. El soporte de la válvula 16 está insertado en el alojamiento. Las boquillas de corte 6 como se muestran en la Figura 5 están arregladas en dos niveles, uno en la parte superior del otro. Las boquillas 6A y 6B son mostradas alineadas verticalmente, aunque de hecho ellas están desviadas en un ángulo de aproximadamente 60° entre sí. Esto es indicado por rallado transversal. Las bolas 28 abren o cierran, dependiendo del estado de operación, las boquillas 6 y las aberturas 36 que suministran a las boquillas de perforación 8, son recibidas en los medios guía, los cuales fijan los bolas 28 en posiciones predeterminadas y actúan como un soporte 33 junto con las proyecciones guía 35 integradas a esta. El soporte 33 está unido al cuerpo hueco cilindrico 56 como parte del aparato 54 para operar la válvula 10. Las proyecciones guía 35 efectúan un posicionamiento seguro de los bolas 28, de modo que no son necesarios muelles. El aparato 54 para operar la válvula corresponde de otro modo a las modalidades mostradas en las Figuras 1 a 4. Entre el alojamiento 4, el soporte de la válvula 16 y los medios 33 para guiar los bolas 28, existen espacios 66 en comunicación fluídica con la cavidad interior 52. En operación, el agua que fluye a través de la herramienta 2 fluye por lo tanto a través de la cavidad interior 52 y a través de los huecos 66 de modo que cualesquier diferenciales de presión son evitadas.