A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO NO DESEMPENHO DE ATUAÇÃO HIDRÁULICA DE VÁLVULAS SUBMARINAS DO TIPO GAVETA

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1 Universidade Federal do Rio de Janeiro A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO NO DESEMPENHO DE ATUAÇÃO HIDRÁULICA DE VÁLVULAS SUBMARINAS DO TIPO GAVETA Marcos Hideo da Silva Mashiba 211

2 A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO NO DESEMPENHO DE ATUAÇÃO HIDRÁULICA DE VÁLVULAS SUBMARINAS DO TIPO GAVETA Marcos Hideo da Silva Mashiba Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Rio de Janeiro Setembro de 211

3 A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO NO DESEMPENHO DE ATUAÇÃO HIDRÁULICA DE VÁLVULAS SUBMARINAS DO TIPO GAVETA Marcos Hideo da Silva Mashiba DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. Examinada por: #/' Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, Dr.-lng. cxu \ /(-G^- k> of. Marcelo Amorim Sávi, D.Sc. Prof. Pedro Manuel Calas Lopes Pacheco, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL SETEMBRO DE 211

4 Mashiba, Marcos Hideo da Silva A Influência dos Parâmetros de Operação e Projeto no Desempenho de Atuação Hidráulica de Válvulas Submarinas do Tipo Gaveta / Marcos Hideo da Silva Mashiba. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 211. XIX, 195 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Dissertação (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Mecânica, 211. Referências Bibliográficas: p Atuação hidráulica. 2. Válvulas submarinas. 3. Gaveta. I. Oliveira, Sylvio José Ribeiro de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Mecânica. III. Título. iii

5 DEDICATÓRIA Aos meus pais, Paulo e Maria, e minha irmã, Andriela, pelo amor essencial e cuidado único, pela paciência extrema, dedicação incondicional, orientação e presença constante em minha vida. Por acreditarem em mim mesmo nos momentos em que eu menos acreditava. A minha amada esposa Érika, companheira e amiga de todos os momentos, não só pelo incentivo, compreensão e paciência durante a etapa de elaboração deste trabalho, mas também pelo amor, carinho, cuidado e cumplicidade no dia-a-dia. iv

6 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus não só pelo dom da vida, mas também pela proteção e por todas as bênçãos concebidas a mim e a toda minha família. À gerência PETROBRAS/CENPES/PDEP/TES, nas pessoas da gerente Louise Pereira Ribeiro e do gestor Cassio Kuchpil, pela liberação e pelo incentivo para realização deste trabalho de mestrado. Ao Professor Dr.-Ing. Sylvio José Ribeiro de Oliveira, pela orientação acadêmica e discussões que contribuíram para a execução deste trabalho. Ao ex-tutor e colega de trabalho Eng. Antonio J. P. R. Britto e ao ex-professor e colega de trabalho Eng. Euthymios J. Euthymiou pelo compartilhamento de todo o conhecimento prático e teórico relativo à disciplina de válvulas submarinas, essenciais para a realização deste trabalho. E por fim, porém com igual importância, agradeço a todos os colegas de trabalho que direta ou indiretamente contribuíram para o desenvolvimento desta dissertação de mestrado, em especial aos engenheiros Leonídio Buk Junior e Eduardo Grützmacher. v

7 Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.) A INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO E PROJETO NO DESEMPENHO DE ATUAÇÃO HIDRÁULICA DE VÁLVULAS SUBMARINAS DO TIPO GAVETA Marcos Hideo da Silva Mashiba Setembro / 211 Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Programa: Engenharia Mecânica Este trabalho apresenta um modelo matemático capaz de prever com boa precisão, comparado aos resultados experimentais, o comportamento de uma válvula gaveta com atuador hidráulico nas condições de teste, tanto para ambiente atmosférico quanto para ambiente hiperbárico. É apresentada neste estudo uma comparação entre as curvas de atuação obtidas para conjuntos dos tipos FSC (falha segura fechada) e FSO (falha segura aberta), onde são identificadas as principais diferenças e os pontos mais críticos a cada projeto. Além disso, por meio deste modelo, foi possível avaliar, para a condição de operação, a influência que a variação da pressão à jusante da válvula exerce na força de atuação requerida pela válvula, bem como no desgaste das superfícies de vedação. Por fim, no que diz respeito aos testes de qualificação de projeto, é apresentado um diagrama com as falhas típicas verificadas em válvulas do tipo gaveta instaladas em equipamentos submarinos, que permite o completo mapeamento dos pontos a serem devidamente verificados no projeto de um conjunto válvula-atuador para aplicações submarinas. vi

8 Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) THE INFLUENCE OF THE OPERATING AND DESIGN PARAMETERS IN THE HYDRAULIC ACTUATION PERFORMANCE OF SUBSEA GATE VALVES Marcos Hideo da Silva Mashiba September / 211 Advisor: Sylvio José Ribeiro de Oliveira Department: Mechanical Engineering This Dissertation presents a mathematical model able to predict with good accuracy, compared with the experimental results, the behaviour of a hydraulic actuated gate valve in the test conditions, for both atmospheric and hyperbaric environment. It is presented in this study a comparison between the actuation curves obtained for FSC (fail safe closed) and FSO (fail safe open) valve types, where the main differences, and also the most critical points, are identified for each project. In addition, through this model, it was possible to evaluate the influence that the development of downstream pressure profile has in the force required to actuate the valve, as well as in the wear of the sealing surfaces. Finally, with respect to the design qualification tests, is presented a diagram showing the typical failures found to occur in gate valves type installed in subsea equipment, which allows a complete mapping of points to be properly verified in the design of a valve-actuator assembly for subsea applications. vii

9 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO Sistema de Produção Submarino BAP Base Adaptadora de Produção ANM Árvore de Natal Molhada ANM-V ANM-H Manifold PLEM Pipeline End Manifold PLET Pipeline End Termination SSIV Subsea Isolation Valve Motivação e objetivos do trabalho VÁLVULA SUBMARINA DO TIPO GAVETA Características de projeto e princípio de funcionamento Válvula Bonnet Atuador hidráulico Função de falha segura Sistema de controle Hidráulico direto Eletro-hidráulico multiplexado Curva de atuação característica de uma válvula do tipo gaveta Qualificação do projeto de um conjunto válvula-atuador DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMÁTICO Forças devido à pressão do ambiente (pressão externa) Força na haste de override (Fph) Força no sistema de compensação (Fsc) Força devido à compressão da mola (Fcm) Pressão devido à coluna de fluido de controle (Pcfc) Força devido à pressão na cavidade do corpo da válvula (Feh) Forças de atrito Força de atrito na interface de vedação pistão-cilindro (fvpc) Força de atrito na interface de vedação pistão-haste override (fvpho) Força de atrito na interface de vedação bonnet-haste principal (fvbhp) viii

10 Força de atrito devido ao contato sede-gaveta (fcsg) Determinação do percentual de abertura de passagem (h(x)) Percentual de abertura de passagem para conjunto FSC Percentual de abertura de passagem para conjunto FSO Determinação da pressão à jusante da válvula Vazão pela válvula em condições de teste Vazão pela válvula em condição de produção Determinação da pressão de atuação Curva de atuação para o avanço do atuador Curva de atuação para o retorno do atuador Verificação do modelo matemático Dados de entrada do projeto do conjunto válvula-atuador Dados de entrada da base de projeto: cenário de aplicação MATERIAIS E MÉTODOS Aparato de Teste Painel de Controle da Jusante Painel de Controle da Montante e do Corpo Painel de Controle do Backseat Painel de Controle do Atuador Unidades de Potência Hidráulica Acumuladores Controlador Lógico Programável - PLC Transdutor de Deslocamento Linear Variável LVDT Descritivo de teste de desempenho de atuação hidráulica RESULTADOS E DISCUSSÕES A influência da lâmina d água A influência da pressão de trabalho A influência do diferencial de pressão através da gaveta A influência do coeficiente de atrito entre partes metálicas A influência do coeficiente de rigidez da mola do atuador A influência da pré-carga da mola do atuador CONCLUSÕES Considerações finais Conclusões do trabalho Sugestões para trabalhos futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ix

11 APÊNDICE A: Equação para cálculo da área de passagem de uma válvula do tipo gaveta paralela com passagem plena APÊNDICE B: Modelos matemáticos implementados no software Mathcad APÊNDICE C: Resultados obtidos do modelo matemático x

12 LISTA DE FIGURAS Figura 1-1. Esquemático de um sistema de produção submarino. [1]... 2 Figura 1-2. Desenho 3D de uma ANM-V dotada de SCM: (a) vista isométrica e (b) vista frontal. (Cortesia: Aker Subsea)... 4 Figura 1-3. Esquemático de uma Árvore de Natal Molhada Vertical. [2]... 6 Figura 1-4. Esquemático de uma Árvore de Natal Molhada Horizontal. [2]... 7 Figura 1-5. Vista isométrica dos componentes internos de um manifold. [3]... 8 Figura 1-6. Desenho 3D de um manifold com módulos de conexão vertical das linhas e módulo de controle submarino. (Cortesia: Petrobras)... 9 Figura 1-7. Exemplo de Pipe Line End Maninold. (Cortesia: Petrobras) Figura 1-8. Desenho de um PLET com varandas abertas. (Cortesia: Petrobras) Figura 1-9. Projeção da produção nacional hidrocarbonetos até o ano de 22 - Petrobras. [4] Figura 1-1. Projeção da quantidade de ANMs e Manifolds instalados no ano de 22 - Petrobras. [5].. 13 Figura 2-1. Válvula gaveta com atuador hidráulico com retorno por mola Figura 2-2. Componentes internos da válvula gaveta do tipo FSC Figura 2-3. Detalhe de um selo labial com energização por mola. [6] Figura 2-4. Detalhes da sede de uma válvula gaveta Figura 2-5. Sistema de vedação de uma válvula gaveta Figura 2-6. Sistema de vedação da haste: conjunto de gaxetas e backseat Figura 2-7. Componentes de um atuador hidráulico Figura 2-8. Conjunto válvula-atuador com reservatório de compensação. (Cortesia: BEL) Figura 2-9. Trem de acionamento de uma válvula gaveta FSC nas posições (a) fechada, (b) crack-open, (c) semi-aberta e (d) completamente aberta Figura 2-1. Trem de acionamento de uma válvula gaveta FSO nas posições: (a) aberta, (b) semi-fechada, (c) pinch-off e (d) completamente fechada Figura Componentes de um sistema de controle submarino. [3] Figura Esquemático de um sistema de controle do tipo hidráulico direto. [3] Figura Esquemático de um sistema de controle do tipo eletro-hidráulico multiplexado. [3] Figura Principais componentes de um SCM. [3]... 3 xi

13 Figura Curva de atuação característica (assinatura) e seus pontos-chave Figura Falhas típicas verificadas em válvulas do tipo gaveta instaladas em equipamentos submarinos Figura Diagrama mostrando a relação entre as condições de operação e o mecanismo de desgaste. [1] Figura 3-1. Representação das forças devido à pressão externa Figura 3-2. Representação da força devido à mola Figura 3-3. Curva de carregamento da mola obtida em laboratório. [14] Figura 3-4. Curva de carregamento da mola ao longo do curso do atuador Figura 3-5. Representação da força devido à pressão da coluna de fluido de controle Figura 3-6. Representação da força de expulsão da haste Figura 3-7. Indicação da interface de vedação pistão-cilindro Figura 3-8. Indicação das interfaces de vedação pistão-haste override Figura 3-9. Indicação da interface de vedação bonnet-haste principal Figura 3-1. Indicação da interface de vedação sede-gaveta Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSC em condições de teste Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no retorno do atuador de um conjunto FSC em condições de teste Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSO em condições de teste Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no retorno do atuador de um conjunto FSO em condições de teste Figura Variação do coeficiente de resistência ao fluxo com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSC Figura Variação do coeficiente de resistência ao fluxo com o percentual de abertura de passagem no retorno do atuador de um conjunto FSC Figura Variação do coeficiente de resistência ao fluxo com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSO Figura Variação do coeficiente de resistência ao fluxo com o percentual de abertura de passagem no retorno do atuador de um conjunto FSO xii

14 Figura Representação do volume de controle considerado Figura 3-2. Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSC em condições de produção Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no avanço do retorno de um conjunto FSC em condições de produção Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no avanço do atuador de um conjunto FSO em condições de produção Figura Variação da pressão à jusante com o percentual de abertura de passagem no retorno do atuador de um conjunto FSO em condições de produção Figura Diagrama de corpo livre do trem de acionamento do conjunto válvula-atuador durante o movimento de avanço do atuador Figura Diagrama de corpo livre do trem de acionamento do conjunto válvula-atuador durante o movimento de retorno do atuador Figura 4-1. Esquemático do aparato de teste Figura 4-2. Diagrama hidráulico do aparato do teste Figura 4-3. Painel de controle da jusante Figura 4-4. Painel de controle da montante e do corpo Figura 4-5. Painel de controle do backseat Figura 4-6. Painel de controle do atuador Figura 4-7. Unidade de potência hidráulica Figura 4-8. Acumuladores hidráulicos Figura 4-9. Controlador lógico programável Figura 4-1. Transdutor de deslocamento linear variável LVDT Figura 5-1. Curvas de abertura (a) e fechamento (b) do conjunto FSC no Caso 1, teste atmosférico em baixa pressão Figura 5-2. Curvas de abertura (a) e fechamento (b) do conjunto FSC no Caso 2, teste atmosférico em alta pressão Figura 5-3. Curvas de abertura (a) e fechamento (b) do conjunto FSC no Caso 3, teste hiperbárico em baixa pressão Figura 5-4. Curvas de abertura (a) e fechamento (b) do conjunto FSC no Caso 4, teste hiperbárico em alta pressão xiii

15 Figura 5-5. Curvas de abertura (a) e fechamento (b) do conjunto FSC no Caso 5, condição de produção Figura 5-6. Curvas de fechamento (a) e abertura (b) do conjunto FSO no Caso 6, teste atmosférico em baixa pressão Figura 5-7. Curvas de fechamento (a) e abertura (b) do conjunto FSO no Caso 7, teste atmosférico em alta pressão Figura 5-8. Curvas de fechamento (a) e abertura (b) do conjunto FSO no Caso 8, teste hiperbárico em baixa pressão Figura 5-9. Curvas de fechamento (a) e abertura (b) do conjunto FSO no Caso 9, teste hiperbárico em alta pressão Figura 5-1. Curvas de fechamento (a) e abertura (b) do conjunto FSO no Caso 1, condição de produção Figura Pressão mínima de retorno Figura Influência do diferencial de pressão através da gaveta na pressão de atuação do conjunto FSC para o avanço (a) e o retorno (b) Figura Influência do diferencial de pressão através da gaveta na pressão de atuação do conjunto FSO para o avanço (a) e o retorno (b) Figura Representação da pista de desgaste deixada pela sede de jusante na superfície de uma gaveta FSC nas condições de teste (a) e de produção (b) Figura Variação da pressão de atuação com a variação do coeficiente de atrito entre partes metálicas Figura Variação da pressão de atuação com a variação do coeficiente de rigidez da mola do atuador Figura Verificação da pré-carga da mola especificada no projeto do atuador para (a) LDA = 26 m e ρ fc = 16 kg/m 3 ; (b) LDA = 3 m e ρ fc = 18 kg/m Figura C-1. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSC (abertura) Caso Figura C-2. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSC (fechamento) Caso Figura C-3. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSC (abertura) Caso Figura C-4. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSC (fechamento) Caso Figura C-5. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSC (abertura) Caso Figura C-6. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSC (fechamento) Caso Figura C-7. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSC (abertura) Caso xiv

16 Figura C-8. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSC (fechamento) Caso Figura C-9. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSC (abertura) Caso Figura C-1. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSC (fechamento) Caso Figura C-11. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSO (fechamento) Caso Figura C-12. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSO (abertura) Caso Figura C-13. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSO (fechamento) Caso Figura C-14. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSO (abertura) Caso Figura C-15. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSO (fechamento) Caso Figura C-16. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSO (abertura) Caso Figura C-17. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSO (fechamento) Caso Figura C-18. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSO (abertura) Caso Figura C-19. Curva de avanço do atuador de uma válvula FSO (fechamento) Caso Figura C-2. Curva de retorno do atuador de uma válvula FSO (abertura) Caso xv

17 LISTA DE TABELAS Tabela 2-1. Pontos-chave em uma curva de atuação característica Tabela 2-2. Relação de testes usualmente realizados na etapa de qualificação do projeto de um conjunto válvula-atuador do tipo gaveta Tabela 3-1. Dados do projeto do conjunto válvula-atuador Tabela 3-2. Dados da base de projeto Tabela 4-1. Transdutores de pressão utilizados nos testes Tabela 4-2. Bombas pneumáticas utilizadas nos testes Tabela 5-1. Matriz de cenários estudados Tabela 5-2. Pontos-chave obtidos para o conjunto VG-FSC, valores em psi Tabela 5-3. Pontos-chave obtidos para o conjunto VG-FSO, valores em psi Tabela 5-4. Comparação dos valores obtidos para a pressão de atuação por meio do modelo com os resultados de testes para os casos 1 e 2 ambiente atmosférico Tabela 5-5. Comparação dos valores obtidos para a pressão de atuação por meio do modelo com os resultados de testes para os casos 3 e 4 ambiente hiperbárico Tabela C-1. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-2. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-3. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-4. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-5. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-6. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-7. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-8. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-9. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso Tabela C-1. Pontos-chave das curvas de abertura e fechamento do Caso xvi

18 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES AG AIV AMB ANM ANM-H ANM-V AP API ATM BAP boe BMHA BP bpd DCV DHSV FAI FAT FSC FSO GNL HCR Distância entre o convés da unidade de produção e a superfície do mar (Air Gap) Válvula de Isolamento do Anular (Annulus Isolation Valve) Ambiente Árvore de Natal Molhada Árvore de Natal Molhada Horizontal Árvore de Natal Molhada Vertical Alta Pressão American Petroleum Institute Atmosférico Base Adaptadora de Produção Barris de óleo equivalente Bombeamento Multifásico Hélico-axial Baixa Pressão Barris de petróleo por dia Válvula de Controle Direcional (Directional Control Valve) Válvula de Segurança de Sub-superfície (Down Hole Safety Valve) Falha na Posição (Fail As Is) Teste de Aceitação de Fábrica (Factory Acceptance Test) Falha Segura Fechada (Fail Safe Close) Falha Segura Aberta (Fail Safe Open) Gás Natural Liquefeito Alta Resistência ao Colapso (High Colapse Resistance) xvii

19 HIP HIPPS HPU ISO LDA LVDT MCV-A MCV-P MCV-U MOBO MSI MSIA MSIG MSM MSP MTBF OPEX PIG PIG-XO PLEM PLET PNTA PTFE PVT Hiperbárico Sistema de Proteção à Pressão de Alta Integridade (High Integrity Pressure Protection System) Unidade Hidráulica de Pressão (Hydraulic Pressure Unit) International Organization for Standardization Lâmina d'água Transdutor de Deslocamento Linear Variável (Linear Variable Displacement Transducer) Módulo de Conexão Vertical - Linha de Anular Módulo de Conexão Vertical - Linha de Produção Módulo de Conexão Vertical - Umbilical Módulo de Bombeio Manifold Submarino de Injeção Manifold Submarino de Injeção de Água Manifold Submarino de Injeção de Gás Manifold Submarino Misto Manifold Submarino de Produção Tempo Médio Entre Falhas (Mean Time Between Failures) Custos de Operação (Operational Expenditure) Dispositivo de Inspeção de Dutos (Pipeline Inspection Gage) Válvula de Interligação das linhas de anular e produção Pipeline End Manifold Pipeline End Termination Pressão Nominal de Trabalho do Atuador Politetrafluoretileno Teste de Verificação de Desempenho (Perfomance Verification Test) xviii

20 ROV RWI S-BCSS SBMS SCM SCPS SD SDU SPE SSAO TCC UEP UFP UP UTA UTH VASPS VIQ VMA VMP VSA VSP VWA VWP XOV Veículo Operado Remotamente (Remotely Operated Vehicle) Raw Water Injection Bombeio Centrífugo Submerso Submarino em Skid Sistema de Bombeio Multifásico Submarino Módulo de Controle Submarino (Subsea Control Module) Sistema de Cabeça de Poço Submarino Desvio Padrão (Standard Deviation) Unidade de Distribuição Submarina (Susea Distribution Unit) Society of Petroleum Engineers Sistema de Separação Água-Óleo Revestimento de Carbureto de Tungstênio (Tungsten Carbide Coating) Unidade Estacionária de Produção Unidade Flutuante de Produção Unidade de Produção Conjunto de Terminação do Umbilical (Umbilicial Termination Assembly) Cabeça de terminação do Umbilical (Umbilical Termination Head) Sistema de Bombeamento e Separação Anular Vertical (Vertical Annular Separation and Pumping System) Válvula de Injeção Química Válvula Master do Anular Válvula Master da Produção Válvula Swab do Anular Válvula Swab da Produção Válvula Wing do Anular Válvula Wing da Produção Válvula Crossover (interligação dos condutos de produção e anular) xix

21 1. INTRODUÇÃO 1.1. Sistema de Produção Submarino Um Sistema de Produção Submarino (SPS) nada mais é do que um conjunto de componentes dispostos e interligados de maneira a permitir a extração e o escoamento de óleo e/ou gás desde o reservatório até as facilidades de superfície. É tipicamente composto dos seguintes componentes: Poço completado; Sistema de Cabeça de Poço Submarino (SCPS); Base Adaptadora de Produção (BAP); Árvore de Natal Molhada (ANM); Flowlines; Risers; Umbilicais; Jumpers (rígidos e/ou flexíveis); Manifolds; Pipeline End Manifold (PLEM); Pipeline End Termination (PLET); e Subsea Isolation Valve (SSIV). Adicionalmente, um sistema de produção submarino pode ainda dispor de equipamentos de bombeamento e separação de fluidos, a saber: Sistema de Bombeamento Multifásico Submarino (SBMS), Sistema de Bombeamento Centrífugo Submerso em Skid (SBCSS), Módulo de Bombeamento (MOBO), Bombeamento Multifásico Hélico-Axial (BMHA), Sistema de Injeção de Água do Mar (RWI Raw Water Injection), Sistema de Bombeamento e Separação Anular Vertical (VASPS Vertical Anular Separation and Pumping System) e Sistema de Separação Água-Óleo (SSAO). No que diz respeito ao arranjo, um sistema de produção submarino pode variar, em termos de complexidade, de um simples poço satélite, ligado diretamente à Unidade de Produção (UP), a vários poços interligados a um manifold de coleta que transfere todo o fluido de produção à UP por meio de um único duto. 1

22 Alternativamente, um sistema de produção submarino pode ser projetado para permitir a transferência do fluido de produção diretamente do poço submarino à planta de processo localizada no continente (onshore), eliminando neste caso a necessidade de uma UP offshore. Este conceito é internacionalmente conhecido como subsea to shore ou subsea to beach. Na Figura 1-1 é ilustrado um sistema de produção submarino. Figura 1-1. Esquemático de um sistema de produção submarino. [1] Dentre os componentes listados anteriormente, são os equipamentos propriamente ditos os responsáveis pelo grande número de válvulas instaladas no leito submarino. Desta maneira, uma breve descrição dos principais equipamentos, os mais comumente empregados em um sistema de produção submarino, é feita a seguir: BAP Base Adaptadora de Produção A base adaptadora de produção é parte integrante do conjunto ANM, sendo um equipamento composto basicamente de conectores hidráulicos, tubos, elementos de 2

23 vedação, mandris de linhas de fluxo, válvulas do tipo gaveta e painéis de operação remota. É assentada e travada no topo do alojador de alta pressão do SCPS e possui as funções de: orientar e ancorar o suspensor de coluna, permitir o assentamento e travamento da ANM, bem como sua retirada sem a necessidade de desconexão das linhas de fluxo, e possibilitar a comunicação entre as linhas de produção e anular por meio da válvula PIG-XO. As linhas de fluxo, produção e anular, bem como o umbilical, são conectadas à BAP por meio dos módulos de conexão vertical (MCV), que recebem, respectivamente, as seguintes nomenclaturas: MCV-P, MCV-A e MCV-U. Para aplicações em águas ultraprofundas e alta pressão de trabalho, configuração na qual as cargas de instalação se aproximariam do limite suportado pela embarcação de lançamento das linhas, estes MCVs podem conter inclusive válvulas do tipo gaveta com acionamento manual. Esta válvula tem por objetivo permitir a instalação das linhas de fluxo sem o alagamento com água do mar, minimizando assim as cargas de instalação ANM Árvore de Natal Molhada A árvore de natal molhada é considerada o principal equipamento de segurança de um poço submarino, sendo assentada e travada no alojador de alta pressão da BAP, no perfil externo H4, por meio de um conector hidráulico. Sua função principal é realizar o fechamento do poço na ocorrência de qualquer eventualidade que possa resultar em produção descontrolada de hidrocarbonetos com riscos de vazamento para o ambiente marinho. Uma ANM é composta basicamente de um bloco principal, fabricado em aço forjado, que possui dois diâmetros de passagem, comumente conhecidos como passagem de produção e passagem de anular. Nestas passagens estão instaladas válvulas do tipo gaveta que são responsáveis pelo direcionamento ou contenção do fluido de produção, no caso de poços produtores, e de injeção, no caso de poços injetores. Tais válvulas são tipicamente acionadas por meio de um atuador hidráulico com mecanismo secundário de atuação por meio de veículo operado remotamente, mais conhecido como ROV (Remotely Operated Vehicle). Para tanto, todas as válvulas da ANM possuem interfaces de acionamento que se estendem até o painel de operação remota. 3

24 Quando o poço está produzindo normalmente, estes atuadores estão constantemente pressurizados com fluido hidráulico, o que mantém as válvulas na posição aberta. No entanto, como possuem modo de falha segura fechada (fail safe closed), com retorno por mola, no caso de perda de potência hidráulica pela UP, as válvulas são automaticamente levadas para a posição fechada, interrompendo, desta maneira, o fluxo de produção, ou de injeção. Atualmente existem também atuadores elétricos para aplicação submarina, nos quais a função de falha segura fechada é garantida por mola ou bateria. No entanto, por questões de confiabilidade, este tipo de atuador raramente é utilizado em equipamentos de segurança de poço. Sua aplicação atual está restrita basicamente a equipamentos de processamento submarino. É na ANM que se encontram também instrumentos que possibilitam o monitoramento dos parâmetros de produção, como pressão e temperatura. Adicionalmente, uma ANM pode conter elementos como módulo de controle submarino, mais conhecido como SCM (Subsea Control Module), e válvula estranguladora de fluxo (choke). Figura 1-2. Desenho 3D de uma ANM-V dotada de SCM: (a) vista isométrica e (b) vista frontal. (Cortesia: Aker Subsea) No que diz respeito à configuração das válvulas do bloco principal, uma ANM pode ser classificada como vertical (ANM-V) ou horizontal (ANM-H). 4

25 ANM-V Em uma ANM-V, o suspensor de coluna, elemento responsável pela interface entre a coluna de produção e a ANM, é assentado e travado no interior do alojador de alta pressão da BAP, sendo responsável por promover a vedação para o espaço anular formado entre o revestimento do poço e a coluna de produção. Além disso, as válvulas do tipo gaveta de uma ANM-V estão posicionadas diretamente na passagem vertical de produção e anular. Por esses motivos, as operações de intervenção na coluna de produção de um poço equipado com uma ANM-V demandam a sua desconexão e retirada. A principal vantagem de uma ANM-V é que ela pode ser removida sem que o suspensor de coluna, e conseqüentemente a coluna de produção, seja removida. Essa característica é ainda mais importante para aplicações em águas ultra-profundas, pois demanda menor tempo de sonda na intervenção do poço, recurso este que, por sua vez, é cada vez mais crítico. Por este motivo, este é o tipo de ANM comumente empregado nos campos de petróleo localizados em LDAs profundas e ultra-profundas do litoral brasileiro. Conforme mostrado na Figura 1-3, os principais componentes de uma ANM-V são: Válvula Master da Produção (VMP), identificada no painel da ANM como M1 ; Válvula Wing da Produção (VWP), identificada no painel da ANM como W1 ; Válvula Swab da Produção (VSP), identificada no painel da ANM como S1 ; Válvula Master do Anular (VMA), identificada no painel da ANM como M2 ; Válvula Wing do Anular (VWA), identificada no painel da ANM como W2 ; Válvula Swab do Anular (VSA), identificada no painel da ANM como S2 ; Válvula Crossover (XOV), identificada no painel da ANM como XO ; Válvula de Injeção Química (VIQ), identificada no painel da ANM como IQ ; Capa; e Bloco principal. 5

26 Figura 1-3. Esquemático de uma Árvore de Natal Molhada Vertical. [2] ANM-H Em uma ANM-H, o suspensor de coluna é assentado diretamente no seu interior e direciona o fluxo de hidrocarbonetos para a sua lateral, por este motivo a vedação deste componente é de fundamental importância neste tipo de ANM. Além disso, a passagem do anular é desviada diretamente para a lateral do bloco principal da ANM, o que possibilita o uso de suspensor de coluna com passagem de produção apenas. Isso permite que o projetoo da ANM-H considere diâmetros maiores para a passagem de produção, característicaa interessante principalmente para poços de alta vazão. Outra característica de uma ANM-H é que as válvulas do tipo gaveta estão posicionadas em derivações horizontais das passagens de produção e anular, o que permite que as operações de intervenção na coluna de produção sejam realizadas sem haja necessidade de desconexão e retirada da ANM. Por outro lado, em situações que demandem a recuperação da ANM-H, a sua retirada implica também na retirada do suspensor de coluna e, consequentemente, da coluna de produção, o que demanda maior tempo de sonda na intervenção do poço, resultando em custos operacionais significativamente maiores. Este tipo de ANM foi concebido inicialmente para utilizações pioneiras de poços submarinos equipados com o método de bombeamento centrifugo submerso (BCS), uma vez que tal aplicação é considerada como demandando alta taxaa de intervenção no poço, já que a bomba é instalada no interior do poço de petróleo. 6

27 Conforme mostrado na Figura 1-4, os principais componentes de uma ANM-H são: Válvula Master do Anular (VMA); Válvula Wing do Anular (VWA); Válvula de Circulação do Anular (VCA); Válvula Crossover (XOV); Válvula Master da Produção (VMP); Válvula Wing da Produção (VWP); Válvula de Injeção Química (VIQ); Plugue superior; Plugue inferior; Capa externa; Capa interna; e Bloco principal. Figura 1-4. Esquemático de uma Árvore de Natal Molhada Horizontal. [2] É interessante notar também que em uma ANM-H, as válvulas Swab, existentes na ANM-V, são substituídas por plugues mecânicos. 7

28 Manifold É um equipamento que possui uma base para assentamento em solo marinho na qual está ancorada uma estrutura metálica robusta que abriga basicamente: válvulas de isolamento, válvulas de controle de vazão (choke), tubos, conectores hidráulicos, SCMs, e instrumentos de monitoração de pressão, temperatura, vazão, presença de areia e taxa de corrosão-erosão. A Figura 1-5 mostra um manifold sem a estrutura metálica. Figura 1-5. Vista isométrica dos componentes internos de um manifold. [3] Em termos de projeto, um manifold pode ser fabricado de modo a contemplar a modularização dos componentes mais suscetíveis a falhas, tais como válvulas atuadas hidraulicamente, válvulas chokes, SCM e instrumentos de monitoração. Na Figura 1-6 é ilustrada a disposição dos módulos em um manifold. 8

29 Figura 1-6. Desenho 3D de um manifold com módulos de conexão vertical das linhas e módulo de controle submarino. (Cortesia: Petrobras) Este equipamento permite que sejam realizados o direcionamento do fluxo e o controle da vazão de fluido, tendo sua origem basicamente ligada à necessidade de interligação de vários dutos à apenas um duto principal com o objetivo de diminuir a quantidade de risers, e consequentemente do peso suspenso na UFP. É preferencialmente utilizado na explotação de campos de petróleo localizados em lâminas d água ultra-profundas, profundidades maiores que 15 metros, condição na qual o peso suspenso na UFP deve ser minimizado ao máximo. O uso deste equipamento tem como vantagem principal a redução do custo do arranjo submarino, principalmente no que diz respeito à aquisição dos dutos. Além disso, seu uso promove o descongestionamento do solo marinho abaixo da UFP, nas proximidades dos pontos de ancoragem. No que diz respeito a sua função, um manifold pode ser classificado como sendo um manifold submarino de produção (MSP), um manifold submarino de injeção (MSI) ou um manifold submarino misto (MSM). 9

30 O MSP, também conhecido por manifold de coleta, é responsável por convergir o escoamento do fluido de produção advindo de vários poços produtores para um único duto por onde o fluido de produção é escoado até a UP. O MSI, também conhecido por manifold de distribuição, é responsável por divergir o escoamento do fluido de injeção, água e/ou gás, advindo da UP por meio de um único duto para vários poços injetores. O MSM, como o próprio nome sugere, é um manifold que possui simultaneamente as funções de coleta e distribuição. A disposição da tubulação de um manifold constitui os denominados headers, os quais possibilitam operações específicas que acabam por denominá-los, a saber: header de produção, responsável pela coleta da produção dos poços interligados ao manifold e pelo seu direcionamento para o duto de exportação; header de teste de produção, responsável por segregar a produção de um único poço para, desta maneira, permitir que testes de produção sejam realizados; e header de gas lift, responsável por receber o gás de injeção bombeado pela UP e direcioná-lo aos poços injetores PLEM Pipeline End Manifold O PLEM é um equipamento que, em função, se assemelha muito a um manifold. Pode ser utilizado tanto para convergir o fluxo de duas ou mais derivações para um único duto, como para divergir o fluxo de um único duto para duas ou mais derivações. A diferença é que o PLEM, ao contrário do manifold, não possui instrumentos de monitoramento nem elementos de controle. É composto basicamente de tubos, conectores hidráulicos, válvulas de isolamento e painel de operação remota. Na Figura 1-7 é mostrado um PLEM composto de uma derivação em Y e duas válvulas de isolamento. 1

31 Figura 1-7. Exemplo de Pipe Line End Maninold. (Cortesia: Petrobras) PLET Pipeline End Termination O PLET é um equipamento composto basicamente de uma válvula de isolamento, tubos, conectores hidráulicos, painel de operação remota e varandas basculantes para garantir estabilidade no assentamento em solo marinho, como mostrado na Figura 1-8. É normalmente utilizado em uma tubulação para permitir a conexão e transição do trecho flowline para o trecho ascendente (riser). Além disso, é utilizado na conexão, realizada por meio de jumper rígido ou flexível, de um duto com equipamentos submarinos, como manifolds e ANMs, conforme pode ser visto na Figura

32 Figura 1-8. Desenho de um PLET com varandas abertas. (Cortesia: Petrobras) SSIV Subsea Isolation Valve É um equipamento de segurança composto de uma estrutura metálica que abriga em seu interior basicamente uma válvula, preferencialmente do tipo esfera, com atuação hidráulica e função falha segura fechada. Sua instalação é feita em gasodutos, na transição entre flowline e riser, e tem como objetivos a contenção e a diminuição do inventário de gás, de modo a garantir a segurança e a integridade da UP no caso da ocorrência de queda ou dano do riser. Possui painel de operação remota e varandas basculantes para garantir estabilidade no assentamento em solo marinho Motivação e objetivos do trabalho O aumento expressivo da produção de petróleo e gás natural no Brasil observado ao longo dos últimos anos, aliado à elevada estimativa de crescimento, teve como principal consequência o crescimento e o fortalecimento da indústria de petróleo nacional. No entanto, com as inúmeras descobertas recentes da camada pré-sal, o fornecimento dos equipamentos utilizados na explotação destes campos é considerado atualmente como sendo um gargalo ao desenvolvimento dos mesmos. 12

33 Na Figura 1-9 é mostrada a evolução da produção de óleo e gás da Petrobras desde o ano de 22 até o ano de 21, bem como a projeção futura de produção. Figura 1-9. Projeção da produção nacional hidrocarbonetos até o ano de 22 - Petrobras. [4] Na Figura 1-1 são apresentadas a quantidade atual de equipamentos instalados, bem como uma estimativa de equipamentos a serem instalados pela Petrobras até o ano de 22 para cumprimento das metas de produção estabelecidas pela empresa Quantidade Instalados até 21 Instalados até 22 Manifolds Árvores de Natal Molhada Figura 1-1. Projeção da quantidade de ANMs e Manifolds instalados no ano de 22 - Petrobras. [5] 13

34 Considerando a quantidade de equipamentos submarinos instalados e a serem instalados, e sabendo que todos eles contemplam o uso de ao menos uma válvula em seus projetos, fica fácil entender a razão pela qual estes componentes ganharam lugar de destaque no mercado. Recentemente, houve inclusive a identificação pelo Prominp (Programa de Mobilização da Indústria Nacional de Petróleo e Gás Natural) de que a indústria nacional de válvulas necessitará nos próximos anos de maiores investimento e desenvolvimento tecnológico para atender a demanda crescente no mercado por produtos de qualidade. E por se tratar de equipamentos destinados à exploração de petróleo em águas profundas, a disponibilidade operacional e a confiabilidade do projeto são fatores extremamente importantes a serem considerados, uma vez que nestas condições os custos de intervenção para retirada e manutenção de um equipamento, realizada normalmente com o apoio de sondas ou embarcações especiais, são extremamente elevados. Desta maneira, para garantir a operacionalidade das válvulas ao longo da vida útil de exploração do campo, o desenvolvimento do projeto destes componentes deve ser feito com base não apenas em métodos empíricos, por meio de tentativa e erro, mas também baseado em modelos matemáticos elaborados de modo a permitir uma investigação mais detalhada da sensibilidade do projeto à variação dos parâmetros de operação e projeto. Neste sentido, o modelo matemático desenvolvido neste trabalho tem por objetivo permitir a avaliação da influência dos parâmetros de operação e projeto no desempenho de atuação hidráulica de válvulas submarinas do tipo gaveta, presentes em maior número nos equipamentos submarinos. Além disso, a elaboração deste modelo permitirá avaliar as diferenças existentes, em termos de força de atuação, entre projetos de conjuntos do tipo FSC (Fail Safe Close) e FSO (Fail Safe Open), detalhados posteriormente neste trabalho. Como resultado, será possível realizar uma investigação minuciosa da diferença no acionamento destes tipos de válvula nas condições de teste e de operação, o que é extremamente interessante, uma vez que os testes de verificação de desempenho, normalmente realizados em laboratório, não refletem as condições reais de operação no que diz respeito à vazão de fluido pela válvula. 14

35 2. VÁLVULA SUBMARINA DO TIPO GAVETA Conforme apresentado no capítulo anterior, todos os equipamentos submarinos descritos contemplam o uso de válvulas em seu projeto. E dentre os tipos de válvulas existentes, a mais utilizada é a válvula do tipo gaveta paralela com passagem plena. Em termos de aplicação, estas válvulas exercem funções que vão desde o controle da injeção de produtos químicos, visando a garantia de escoamento, até o fechamento do poço, e consequente parada de produção, no caso de perda de potência por parte da unidade de produção, visando a segurança do sistema como um todo. A principal característica deste tipo de válvula é a obstrução mínima à passagem do fluxo quando totalmente aberta, resultando em baixa perda de carga ao escoamento. Isto acontece porque o seu obturador, a gaveta, atua perpendicularmente à linha de fluxo. Por este motivo, não são aconselháveis para aplicações de controle e estrangulamento de fluxo, já que as superfícies de vedação, tanto da gaveta como das sedes, podem sofrer desgaste por erosão quando em posições intermediárias, em razão do brusco aumento de velocidade do fluido nessas circunstâncias. Em aplicações submarinas estas válvulas são, em sua maioria, acionadas por meio de um atuador hidráulico, que possui mecanismo secundário de atuação por meio de ROV. Por sua vez, este mecanismo secundário de atuação pode ser do tipo rotativo ou linear. Alternativamente, uma válvula gaveta pode possuir apenas mecanismo de atuação mecânica. Estas válvulas mecânicas, como são conhecidas, são normalmente utilizadas em aplicações de isolamento (barreira de segurança), onde é esperada atuação apenas no momento da instalação e de eventuais intervenções Características de projeto e princípio de funcionamento Em termos construtivos, uma válvula gaveta atuada hidraulicamente pode ser considerada como sendo dividida em três partes principais, a saber: válvula, bonnet e atuador hidráulico, conforme mostrado na Figura 2-1 a seguir: 15

36 Figura 2-1. Válvula gaveta com atuador hidráulico com retorno por mola Válvula A válvula gaveta propriamente dita é composta basicamente de um corpo, usinado a partir de um bloco fabricado em aço forjado, onde são alojadas as sedes de montante e jusante, bem como a gaveta. A conexão da gaveta à haste principal do atuador é feita por meio de uma terminação em formato de T (T-slot). Estes componentes internos da válvula são mostrados na Figura 2-2. Figura 2-2. Componentes internos da válvula gaveta do tipo FSC. (Cortesia: Aker Subsea) 16

37 Conforme pode ser observado na figura anterior, cada uma das sedes possui em sua parte traseira um anel de vedação, geralmente do tipo labial energizado por mola, responsável por promover a vedação no espaço anular entre a face lateral da sede jusante e o corpo da válvula. Esse tipo de elemento de vedação é apresentado na Figura 2-3. Figura 2-3. Detalhe de um selo labial com energização por mola. [6] Como as sedes são montadas sobre molas em seus respectivos alojamentos, localizados no corpo da válvula, a gaveta, que é montada entre as sedes, está sempre sob interferência positiva das mesmas. Essa pré-energização garante a tensão de contato necessária para promover a vedação em baixas pressões de trabalho, condição na qual a energização da gaveta contra a sede de jusante não seria suficiente para promover estanqueidade. Além disso, esta interferência constante das sedes contra a gaveta, promovida pelas molas, impede que detritos oriundos do reservatório de hidrocarbonetos sejam trapeados na interface de vedação, entre sede e gaveta, evitando desta maneira danos às superfícies de vedação. Os componentes da parte traseira da sede de uma válvula do tipo gaveta são mostrados no desenho em corte da Figura

38 Figura 2-4. Detalhes da sede de uma válvula gaveta. No que diz respeito ao mecanismo de vedação, quando a válvula é levada para a posição fechada, o diferencial de pressão criado através da gavetaa resulta na sua energização contra a sede de jusante, promovendo desta maneiraa a vedação de passagem por meio do contato metálico entre as superfícies de vedação na interface sede-gaveta. Como pode ser visto na Figura 2-5, a disposição do selo labial na sede de jusante faz com que a pressão atuante no mesmo haja no sentido de expandir os seus lábios, o que resulta na vedação do espaço anular formado entre a face lateral da sede jusante e o corpo da válvula. Figura 2-5. Sistema de vedação de uma válvula gaveta. 18

39 Note que, devido à disposição do selo labial, a sede de montante não veda a passagem do fluido, o que garante que a pressão na cavidade do corpo da válvula seja praticamente igual à pressão a montante da válvula. Desta maneira, o fluido advindo da tubulação na qual a válvula está instalada está sempre no interior da cavidade do corpo de uma válvula gaveta. A vedação à jusante e a bi-direcionalidade no sentido de vedação são as principais características de projeto de uma válvula gaveta. No entanto, o projeto de uma válvula gaveta pode, alternativamente, contemplar também a vedação na sede de montante da válvula, o que solicitaria maior esforço por parte do atuador no seu retorno, uma vez que não haveria comunicação de pressão entre a montante e a cavidade do corpo Bonnet O bonnet pode ser considerado como sendo o componente responsável por possibilitar a ligação do atuador à válvula propriamente dita. É nele que está alojado o sistema de vedação da haste, geralmente composto por um conjunto de gaxetas em formato de V, cuja função é permitir a passagem da haste principal do atuador durante o acionamento da válvula e, ao mesmo tempo, impedir a comunicação da pressão interna à válvula com a câmara da mola do atuador. Desta maneira, a pressão da cavidade do corpo da válvula, atuando no diâmetro de vedação da haste principal, auxilia no retorno do atuador. É no bonnet que se encontra também uma superfície cônica de vedação metálica conhecida por backseat. A haste principal do atuador, que é conectada à gaveta da válvula, possui uma protuberância cônica logo acima do T-slot. O final de curso do atuador é definido quando este ressalto da haste topa com a região cônica do bonnet, promovendo uma vedação por contato metálico que isola completamente o conjunto de gaxetas da haste da pressão existente na cavidade do corpo da válvula. O sistema completo de vedação da haste é mostrado na Figura 2-6 a seguir: 19

40 Figura 2-6. Sistema de vedação da haste: conjunto de gaxetas e backseat Atuador hidráulico O atuador é o componente responsável pela abertura e pelo fechamento da válvula. Para tanto, a força líquida fornecida pelo atuador, tanto no avanço quanto no retorno da haste, deve ser maior do que os esforços requeridos para atuação da válvula. O projeto de uma válvula submarina normalmente contempla o uso de atuadores hidráulicos, no entanto, com o avanço da confiabilidade dos componentes elétricos para aplicação submarina, o uso de atuadores elétricos vem ganhando cada vez mais espaço. No caso de um atuador hidráulico, a força de atuação é gerada pela injeção de um fluido de controle específico no cilindro do atuador. Desta maneira, o trem de acionamento é empurrado contra uma mola, que é comprimida até que o final de curso do atuador seja atingido. Com esta energia potencial elástica armazenada, no caso de perda da função hidráulica, e conseqüente perda de pressão no cilindro do atuador, a mola promoverá o retorno automático do atuador à sua posição original. Na montagem do atuador, a mola é assentada no interior da camisa da mola com uma de suas extremidades apoiada no bonnet e a outra no que se conhece por prato da mola, que, conforme mostrado na Figura 2-7, nada mais é do que uma extensão do próprio cilindro do atuador. Esta mola pode ser do tipo helicoidal (carregamento linear) ou belleville (carregamento não-linear), sendo montada com uma pré-carga para garantir a vedação do backseat no fim de curso do atuador. Essa pré-carga ajuda também a evitar a abertura indesejada das válvulas de um determinado equipamento durante a sua descida para instalação no solo marinho. 2

41 Adicionalmente, um atuador hidráulico projetado para aplicações submarinas deve dispor de um mecanismo de atuação secundário, mais conhecido por override, que permita sua atuação remota via ROV. Neste caso, uma ferramenta de atuação é acoplada ao painel de operação remota do equipamento no qual o conjunto válvulaatuador está instalado. Esta ferramenta, controlada via ROV, aplica a força necessária para acionar o conjunto diretamente na haste superior do atuador. A maior parte dos atuadores instalados até o presente momento possui override rotativo, no entanto, os novos projetos estão contemplando o uso de override linear. Os principais componentes de um atuador hidráulico podem ser vistos na Figura 2-7. Figura 2-7. Componentes de um atuador hidráulico. Na parte externa do atuador hidráulico existe um reservatório de compensação que é conectado à câmara da mola por meio de um furo feito diretamente na camisa da mola. Este reservatório, que possui em seu interior uma bexiga, tem a finalidade de compensar a pressão hidrostática equivalente à lâmina d água de instalação do equipamento. Ainda em fábrica, após a montagem completa do atuador no equipamento, é feito o preenchimento completo da câmara da mola e do reservatório de compensação com fluido hidráulico. Desta maneira, quando em ambiente submarino, a pressão externa é transmitida para o interior do atuador, de modo a contrabalancear a pressão equivalente à coluna de fluido de controle no interior do cilindro de atuação, o que impede o avanço do atuador com o aumento da profundidade durante a instalação do equipamento. 21

42 Além disso, este compensador permite que o projeto da camisa da mola contemple uma menor espessura de parede, uma vez que não haverá diferencial de pressão entre as partes interna e externa da câmara da mola. Figura 2-8. Conjunto válvula-atuador com reservatório de compensação. (Cortesia: BEL) 2.2. Função de falha segura A função de falha segura de um conjunto válvula-atuador é o que determina a posição para a qual o obturador será automaticamente levado no caso de perda da função de controle (hidráulica ou elétrica) do equipamento. O retorno do atuador é basicamente garantido pela energia potencial elástica armazenada na mola. No entanto, como será visto posteriormente, deve-se considerar também a força devido à pressão na cavidade do corpo da válvula, que atua no diâmetro de vedação da haste principal no sentido de retornar o atuador. Um conjunto válvula-atuador pode possuir uma das seguintes funções de falha segura: Função de falha segura fechada (FSC); Função de falha segura aberta (FSO); e Função de falha na posição (FAI Fail As Is). 22

43 No caso de uma válvula gaveta, o que define a posição de falha segura é a posição na qual o furo de passagem é usinado na gaveta. Em um conjunto FSC, o furo de passagem está posicionado na parte superior da gaveta. Desta maneira, com o retorno do atuador pela mola, a válvula é alinhada para o fechamento. Quanto o atuador é acionado hidraulicamente, o trem de acionamento desloca a válvula para a posição aberta, alinhando o furo de passagem da gaveta com a passagem das sedes, como pode ser visto na Figura 2-9. As válvulas do tipo FSC são normalmente instaladas em equipamentos com função de segurança, como ANMs por exemplo. (a) (b) (c) (d) Figura 2-9. Trem de acionamento de uma válvula gaveta FSC nas posições (a) fechada, (b) crack-open, (c) semi-aberta e (d) completamente aberta. 23

44 Em um conjunto FSO, o furo de passagem está posicionado na parte inferior da gaveta, o que faz com que a válvula seja alinhada para abertura, quando do retorno do atuador pela mola. Quando o atuador é acionado hidraulicamente, o trem de acionamento desloca a válvula para a posição fechada, bloqueando a passagem, como pode ser visto na Figura 2-1. As válvulas do tipo FSO são normalmente instaladas em equipamentos cuja prioridade é a garantia da produção, como manifolds por exemplo. (a) (b) (c) (d) Figura 2-1. Trem de acionamento de uma válvula gaveta FSO nas posições: (a) aberta, (b) semi-fechada, (c) pinch-off e (d) completamente fechada. 24

45 Apenas como informação, já que não será escopo deste trabalho, o atuador FAI não possui mola e sim um pistão de dupla-ação, o que permite que a sua posição seja mantida no caso de perda da sua função de controle (hidráulica ou elétrica) Sistema de controle O sistema de controle, como o próprio nome sugere, é responsável pelo controle de todas as funções, hidráulicas e/ou elétricas, dos componentes de um equipamento submarino, tais como válvulas. Além disso, por meio da comunicação estabelecida com as facilidades localizadas na superfície, o sistema de controle pode também permitir o constante monitoramento dos parâmetros de produção, tais como pressão, temperatura e vazão, bem como dos parâmetros relacionados à integridade do sistema de produção, a saber: presença de areia, taxa de corrosão/erosão, dentre outros. Um sistema de controle é dividido basicamente em duas partes: uma localiza-se na superfície, na própria unidade de produção, e abriga toda a estrutura de geração e controle principal de potência; a outra, localizada em ambiente submarino, é composta pelos componentes responsáveis pela distribuição e controle secundário de potência. Na Figura 2-11 é ilustrado um sistema de controle típico, na qual são mostrados os principais componentes que integram o sistema de distribuição submarina. Nesta figura, tanto a parte de superfície quanto a parte submarina estão representadas. 25

46 Figura Componentes de um sistema de controle submarino. [3] Os principais tipos de sistema de controle são: Hidráulico direto; Hidráulico pilotado; Hidráulico seqüenciado; Eletro-hidráulico multiplexado; e Elétrico. Atualmente no Brasil, os sistemas de controle do tipo hidráulico direto e eletrohidráulico multiplexado são os mais comumente empregados. Apenas para fins didáticos, a seguir são apresentados uma breve descrição e os esquemáticos destes sistemas mais comuns Hidráulico direto O sistema de controle hidráulico direto é o mais simples dentre os sistemas de operação remota utilizados em aplicações submarinas. Neste tipo de sistema cada componente é controlado por meio de uma mangueira dedicada, o que acaba por restringir sua aplicação a sistemas de pequeno porte e de menor complexidade. Por 26

47 esta razão, são tipicamente aplicados no controle de equipamentos instalados em poços satélites, que estão ligados diretamente à unidade de produção e localizados em distâncias menores que 1 km. Conforme pode ser visto na Figura 2-12, a operação do sistema de controle hidráulico direto é bastante simples. Por meio do alinhamento da válvula de controle direcional (DCV), localizada no painel de controle da superfície, com a linha de suprimento (linha vermelha), é realizada a pressurização de uma determinada mangueira do umbilical, responsável pela atuação de um determinado componente do sistema, como um atuador por exemplo. No sentido contrário, alinhando-se a DCV com a linha de retorno (linha azul), o fluido de controle existente nesta mangueira é então retornado para o reservatório da unidade de potência hidráulica (HPU Hydraulic Power Unit), localizada na unidade de produção, promovendo assim a desenergização do componente atuado anteriormente. Note que neste caso, a abertura e fechamento do atuador são realizados por meio da pressurização e despressurização da mesma linha de controle, o que implica em um maior tempo de resposta para este sistema. Figura Esquemático de um sistema de controle do tipo hidráulico direto. [3] 27

48 A principal vantagem deste tipo de sistema de controle é o fato de que os seus componentes críticos localizam-se nas facilidades de superfície, o que torna fácil o acesso aos mesmos, reduzindo assim os custos de intervenção no caso de falhas e agregando uma maior confiabilidade ao sistema. Como principal desvantagem, pode-se citar o maior tempo de resposta, o grande número de mangueiras necessárias no umbilical de controle e a limitação de distância para sua aplicação Eletro-hidráulico multiplexado Como pode ser visto na Figura 2-13, o sistema eletro-hidráulico multiplexado é muito mais complexo do que o sistema hidráulico direto. Neste caso, para operar a abertura de uma válvula de um equipamento submarino, um comando, em forma de sinal elétrico, é enviado por meio de um software a partir da Estação de Controle Principal até o Módulo de Eletrônica Submarina, localizado no Módulo de Controle Submarino (SCM). Já no SCM, este sinal elétrico é convertido e opera então o alinhamento da DCV com a linha de suprimento hidráulico (linha vermelha), que por sua vez está energizada por acumuladores hidráulicos localizados no próprio SCM. Os componentes internos de um SCM tipicamente utilizado podem ser vistos na Figura Da mesma maneira, o fechamento da válvula é realizado por meio de um comando enviado a partir da Estação de Controle Principal. Neste caso, ao receber o comando, a DCV alinha-se com a linha de retorno para o mar (linha azul), o que permite que o fechamento da válvula pelo retorno do atuador seja feito em um tempo bem menor, já que a dinâmica do umbilical no retorno do fluido à unidade de produção é eliminada neste conceito. 28

49 Figura Esquemático de um sistema de controle do tipo eletro-hidráulicmultiplexado. [3] Além do menor tempo de resposta, este tipo de sistema de controle, quando comparado com o hidráulico direto possui as seguintes vantagens: Permite o controle de sistemas de produção mais complexos e distantes da unidade de produção; Permite o controle de vários componentes por meio de uma única linha de controle; Permite o monitoramento de parâmetros de produção e de operação/integridade; e Umbilical de controle com menor peso linear, uma vez que o número de mangueiras hidráulicas requeridas é menor. E como principais desvantagens, podem ser citados os seguintes pontos: O alto nível de complexidade do sistema; O aumento do número de componentes submarinos; e Desempenho altamente dependente da classe de limpeza do fluido de controle. 29

50 Figura Principais componentes de um SCM. [3] 2.4. Curva de atuação característica de uma válvula do tipo gaveta A curva de atuação característica de uma válvula representa nada mais do que a força, traduzida em pressão (ou torque), necessária no atuador para promover o avanço e o retorno do obturador da válvula, neste caso uma gaveta. O teste de desempenho de atuação hidráulica, como é conhecido, é realizado em vários momentos durante a qualificação do projeto de um conjunto válvula-atuador, mas basicamente em quatro condições: Em ambiente atmosférico com baixa pressão no corpo da válvula; Em ambiente atmosférico com alta pressão no corpo da válvula; Em ambiente hiperbárico com baixa pressão no corpo da válvula; e Em ambiente hiperbárico com alta pressão no corpo da válvula. Onde o termo baixa pressão pode ser interpretado como ou 5% da pressão de trabalho do projeto, a depender das diretrizes consideradas para a execução do teste; alta pressão é definido como sendo 1% da pressão de trabalho e ambiente hiperbárico é definido como pressão externa equivalente à LDA máxima do projeto. 3

51 É importante ressaltar que, durante a realização desse teste, a vazão de fluido de teste passando pela válvula é extremamente baixa, da ordem de 1 l/min, quando comparada à vazão de produção à qual a válvula estará submetida quando instalada. Além disso, na execução dos testes, tanto a válvula como o atuador recebem fluido de unidades de pressão hidráulica, controladas por meio de painéis de instrumentação, dotados de válvulas reguladoras e de bloqueio, além de manômetros, transdutores de pressão e controladores lógicos programáveis. Desta maneira, em condições de teste, é possível verificar a pressão à jusante da válvula equalizando-se com a pressão a sua montante imediatamente após o início da abertura de passagem, quando a área de passagem ainda é muito pequena, o que não ocorre em condições reais. Em uma curva de atuação característica adquirida durante um teste de verificação de desempenho (PVT - Performance Verication Test), os seguintes parâmetros são tipicamente monitorados e aquisitados: pressão de atuação, pressão de montante, pressão de jusante, pressão do corpo, pressão do backseat e curso do atuador. O gráfico apresentado na Figura 2-15 mostra uma curva de atuação característica de uma válvula gaveta do tipo FSC em alta pressão e ambiente atmosférico. Este tipo de curva é aquisitada em laboratório durante o teste de desempenho de atuação hidráulica e foi denominada de assinatura de uma válvula [7], devido ao fato de que cada válvula, independentemente de ser ou não do mesmo fabricante, apresenta uma curva em particular. Para um melhor entendimento, o aparato de teste utilizado na execução dos testes de desempenho de atuação hidráulica é detalhado no Capítulo 4, onde também é apresentado o descritivo do teste. Figura Curva de atuação característica (assinatura) e seus pontos-chave. 31

52 Conforme definido por EUTHYMIOU [7], os pontos identificados na Figura 2-15, referenciados neste trabalho como pontos-chave, podem ser facilmente identificados na curva de atuação característica de um conjunto válvula-atuador. A definição destes pontos é apresentada na Tabela 2-1 a seguir. Tabela 2-1. Pontos-chave em uma curva de atuação característica. A1 A2 A3 Início do movimento da haste de override do atuador: valor da pressão de atuação quando o backseat está na iminência de abrir. Ponto não identificável em testes realizados com zero de pressão no corpo da válvula. Início do movimento da gaveta: valor da pressão de atuação no momento em que se dá a equalização entre as pressões do corpo e do backseat. Início de comunicação: maior valor da pressão de atuação antes da sua queda abrupta, ainda com diferencial de pressão entre montante e jusante. A4 A5 R1 R2 Completa equalização: valor da pressão de atuação no momento em que ocorre a completa equalização entre as pressões de montante e jusante. Final de avanço do atuador: maior valor da pressão de atuação antes do seu aumento abrupto até a Pressão Nominal de Trabalho do Atuador (PNTA). Início do retorno do atuador: menor valor da reta vertical traçada pela pressão de atuação no início do movimento de retorno do atuador. Fim de comunicação: maior valor da pressão de atuação antes da sua queda abrupta, ainda sem diferencial de pressão entre montante e jusante. R3 Completo diferencial: valor da pressão de atuação no momento em que a jusante da válvula atinge a completa despressurização devido ao fim de comunicação entre montante e jusante. R4 Final de retorno do atuador: maior valor da pressão de atuação antes da sua queda brusca até a completa despressurização. Neste ponto ocorre também a despressurização completa do backseat. 32

53 2.5. Qualificação do projeto de um conjunto válvula-atuador O principal objetivo da execução de testes de qualificação de projeto, também conhecido por teste de verificação de desempenho (PVT), é avaliar um determinado componente quanto a sua capacidade de operar dentro dos parâmetros especificados no seu projeto básico, atendendo a requisitos específicos dispostos em normas internacionais e/ou especificações técnicas. No entanto, para definir quais testes são necessários para se verificar de forma consistente o projeto de um determinado componente, é necessário conhecer detalhes não só do projeto em si, mas também do seu funcionamento. Desta maneira, torna-se possível identificar os possíveis modos e mecanismos de falhas aplicáveis a este componente. Nesse sentido, uma contribuição adicional deste trabalho é o diagrama apresentado na Figura 2-16, que relaciona as falhas tipicamente verificadas em válvulas do tipo gaveta instaladas em equipamentos submarinos. Em se tratando de equipamentos submarinos, principalmente aqueles instalados em lâminas d água profundas e ultra-profundas, devido às dificuldades de acesso, e conseqüentemente aos altíssimos custos de intervenção, torna-se necessário garantir um maior tempo médio entre falhas (MTBF - Mean Time Between Failures) para seus componentes. Isso porque são desejáveis o aumento da disponibilidade do sistema e a diminuição dos custos de operação (OPEX) e da possibilidade de lucro cessante. Por esta razão, os testes de qualificação realizados em válvulas para aplicações submarinas são muito mais rigorosos e extensos do que os testes de qualificação aplicáveis a válvulas de superfície. Na Tabela 2-2 é apresentada a relação dos testes requeridos em normas internacionais [8, 9] para a qualificação de um projeto de válvula submarina com atuador hidráulico. Apenas para referência, ressalta-se que além dos testes listados nesta tabela, há também o teste de compatibilidade química com os fluidos de produção, processo, controle e água do mar. Este teste é realizado tanto para materiais metálicos quanto para os resilientes. 33

54 Figura Falhas típicas verificadas em válvulas do tipo gaveta instaladas em equipamentos submarinos. 34