(22) Data do Depósito: 31/03/2014. (43) Data da Publicação: 08/12/2015 (RPI 2344)

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1 INPI (21) BR A2 (22) Data do Depósito: 31/03/2014 *BR A República Federativa do Brasil Ministério do Desenvolvimento, Indústria e do Comércio Exterior Instituto Nacional da Propriedade Industrial (43) Data da Publicação: 08/12/2015 (RPI 2344) (54) Título: VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG'S INSTRUMENTADOS (51) Int. Cl.: F16L 55/28; F16L 55/38 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE (72) Inventor(es): FRANCISCO DE ASSIS OLIVEIRA FONTES, ANDRÉS ORTIS SALAZAR, ANDRÉ LAURINDO MAITELLI, RALYSON RAYALA GONÇALVES DE OLIVEIRA (57) Resumo: VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG's INSTRUMENTADOS. É compreendida por um módulo conectado na frente do PIG Instrumentado e composto de: Válvula de Escape Rápido de simples efeito (1), Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2) e comandado por uma Válvula Eletropneumática de simples solenoide (6) em resposta ao sinal de velocidade oriundo de um sensor já existente no PIG instrumentado. A Válvula de Escape Rápido irá atuar em resposta a este sinal, com a finalidade de controlar a velocidade do PIG ao longo do duto, através do escape rápido de fluxo da montante para jusante do PIG. A alimentação do Atuador Pneumático de Pistao de simples efeito é feita com a pressão do próprio fluido de propulsão à montante do PIG, resultando em um sistema com alta densidade de potência no seu atuador e baixo consumo de energia elétrica necessária apenas para acionar a eletroválvula e o circuito da placa eletrônica microprocessada (8). A configuração proposta caracteriza a lógica de proteção normal fechada, que no caso de falha eletroeletrônica do sistema garante a remoção do PIG do duto, pois mantém a p(...)

2 1/7 Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG's INSTRUMENTADOS" [00 1] A presente invenção refere-se à proposta de um Módulo Limitador e Controlador da velocidade de PIG's instrumentados utilizados na medição de parâmetros e detecção de não conformidades ou predição de falhas. Esta invenção compreende principalmente a Válvula de Escape Rápido Linear e demais componentes instalados em um módulo independente, acoplado na frente do PIG instrumentado. Tem como finalidade principal evitar o disparo do PIG dentro do gasoduto em operação, controlando a velocidade instantânea do mesmo durante a operação, garantindo a medição correta dos sensores e a integridade da instrumentação a bordo do mesmo. Desta forma, evita danos, desperdício de tempo e grandes prejuízos econômicos, além de consumir pequena quantidade de energia elétrica no acionamento do dispositivo. Esta invenção se destaca pela configuração proposta, onde o dispositivo foi idealizado com uma lógica normal fechada para no caso de falha do sistema eletro/eletrônico, a Válvula de Escape Rápido se fechar automaticamente, garantindo a pressurização à montante e com isso evitar que o PIG fique preso dentro do duto, o que requer operação complexa e onerosa para remoção. [002] O controle de velocidade do dispositivo aumenta fundamentalmente a confiabilidade dos indicadores obtidos. A Válvula de Escape Rápido acionada por atuador pneumático de simples efeito é controlada através de uma Válvula Eletropneumática de comando direcional de 3 vias e 2 posições com acionamento por simples solenoide. A energia pneumática para acionar o Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito da Válvula de Escape Rápido é oriunda da energia de pressão propulsora do PIG, alimentada à montante do mesmo. A força de acionamento do Atuado r Pneumático considerando o balanço de forças sobre a Válvula de Escape Rápido é função dos seguintes parâmetros: Diferença de Pressão (.<'\p) entre a pressão à montante e a pressão à jusante do PIG; Diferença de Área (.<'ia) entre a área do Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito e a área do obturador da Válvula de Escape Rápido; Força da mola de retomo da Válvula de Escape Rápido (FM). O diâmetro do

3 2/7 obturador da Válvula de Escape Rápido é função do coeficiente de descarga requerido pela instalação, sendo uma função do diâmetro do duto, da vazão e da diferença de pressão. A energia elétrica consumida é necessária apenas para alimentar a Válvula Eletropneumática e a Placa Lógica Eletrônica, sendo suprida por baterias alojadas no compartimento do Módulo Limitador de Velocidade proposto, o qual é conectado na parte dianteira do PIG Instrumentado. O gerenciamento eletrônico de controle com microprocessador recebe a informação do sensor de velocidade existente no PIG e a partir de uma estratégia de controle adequada, envia um sinal modulador para a Válvula Eletropneumática de simples solenoide que comanda o Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito da Válvula de Escape Rápido, limitando e controlando a velocidade instantânea do PIG. [003] Existem no mercado diferentes métodos de limpeza e inspeção de dutos, dentre elas, a utilização de um instrumento especial, o PIG que é considerado hoje o procedimento mais seguro e mais utilizado. PIG é um dispositivo que ao ser inserido no duto viaja livremente, dirigido pelo próprio fluxo (água, gás ou seu próprio fluído). A complexidade desse dispositivo varia de acordo com a função que ele irá exercer. Os PIG's de limpeza tendem a ser os mais simples, feitos geralmente de plástico ou espuma. Enquanto, outros PIG's são utilizados para outras funções em tubulações e dutos industriais. Dentre outras, eles também são utilizados no tratamento de tubulações, no monitoramento, na inspeção de falhas e corrosão, algumas bastante complexas. Para a realização destas atividades complexas são utilizados os PIG's instrumentados. [004] Os PIG's instrumentados são dispositivos de inspeção que registram informações sobre as condições internas de um gasoduto. Eles podem avaliar vários parâmetros no interior do gasoduto, incluindo restrições e deformações do tubo, assim como a perda de metal e informações sobre o estado do duto. O dispositivo compreende um instrumento composto por vários sensores que armazena os dados e que posteriormente são analisados pelos engenheiros e técnicos para avaliar as condições da tubulação.

4 3/7 [005] Conforme se sabe os PIG's instrumentados possuem vários sensores que são responsáveis pela coleta de informações ao longo do duto avaliado. Um problema enfrentado por estes elementos é a variação de velocidade do PIG durante seu trajeto, já que velocidades superiores a 4m/s já reduzem a confiabilidade da leitura dos sensores. Em dutos de alta pressão (90% dos casos de aplicação) a velocidade chega a atingir valores entre 1 O a 40 m/s. Dentro destes valores de velocidade as medições feitas pelos sensores apresentam baixa confiabilidade e risco de danos com os dispositivos embarcados. [006] Eventualmente, os PIG's ficam estacionados em algum trecho do duto, devido a morsas e outros elementos que impedem seu movimento. Nessas situações, a pressão de propulsão deve ser aumentada para que o PIG consiga vencer as forças que o freiam. Com o aumento desta pressão, ocorre o fenômeno conhecido como "Tiro", em que o PIG pode atingir velocidades da ordem de até 50m/s. [007] A presente invenção como outras similares tem como objetivo a limitação e o controle da velocidade do PIG instrumentado, evitando principalmente o disparo "Tiro" do mesmo dentro do duto. O dispositivo proposto permite controlar o diferencial de pressão que produz a propulsão do PIG dentro do duto a partir de um princípio conhecido de controle, mais inovador pela configuração proposta, simplicidade construtiva, compactação, operacionalidade e confiabilidade, favorecendo a baixa sensibilidade a impurezas e maior autonomia devido ao baixo consumo de energia no acionamento e controle do dispositivo de simples efeito, além da utilização de uma lógica de autoproteção no caso de falha eletroeletrônica, evitando que o mesmo fique emperrado dentro do duto. O controle é feito em função da velocidade instantânea do PIG e utiliza uma Válvula de Escape Rápido Linear (by pass) para aliviar a pressão da montante para jusante de forma modulada pelo sinal de controle eletrônico com realimentação negativa do sensor de velocidade, já existente no PIG instrumentado. Na falta do sinal de controle a Válvula Eletropneumática de simples solenoide volta para a posição normal fechada, cortando a alimentação do Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito e leva a Válvula de Escape Rápido para posição fechada, possibilitando que o PIG seja removido do duto.

5 4/7 [008] A Investigação procedida sobre o controle de velocidade em PIG' s revelou o desenvolvimento de vários tipos de mecanismos de escape ou derivação (bypass), utilizando Válvula de Escape Rotativa e Válvula de Escape Linear. Pode-se destacar como exemplos de mecanismos de escape (by-pass) algumas patentes desenvolvidas, tais como: [009] US3,495,546 SPEED CONTROL DEVICE FOR PIPELINE INSPECTION APPARA TUS. Essa patente descreve um aparelho de inspeção em duto propelido pelo fluido transportado, o qual fica num módulo independente na frente do PIG. O controle é feito por meio de um orifício de escape do fluido para controle da velocidade. A válvula de escape é integrada com o atuador de êmbolo de duplo efeito junto com a eletroválvula de comando dentro do mesmo invólucro, sendo um dos lados do êmbolo submetido à pressão a montante da linha e outro ventado na jusante. A eletroválvula é acionada por um circuito eletrônico com um dispositivo detector de velocidade acoplado numa das roldanas guias na parte traseira do módulo; [010] US4,388,871 SPEED CONTROL SYSTEM FOR A PIPELINE INSPECTION VEHICLE. Essa patente compreende um sistema de inspeção de dutos em que um PIG, que tem sensores para a detecção de defeitos, é movido no interior da tubulação pelo fluido, e o controle de velocidade do PIG é feito por um dispositivo de frenagem, o que impõe um contínuo arrasto axial na parede do duto. Este arrasto axial contínuo é ajustado de tal modo que a soma do arrasto variável do duto e a resistência imposta permanece aproximadamente constante e o PIG se desloca com uma velocidade substancialmente igual à velocidade média de fluxo de fluido através do duto; [011] US 5,208,936 VARIABLE SPEED PIG FOR PIPELINES. Essa patente descreve um PIG de velocidade variável para um gasoduto. Inclui um alojamento que tem pelo menos um e de preferência vários orifícios de passagens de escoamento. O fluxo através das passagens é variado de acordo com a velocidade desejada do PIG. O fluxo através dos orifícios está bloqueado seletivamente por uma primeira placa disposta no flange, que tem uma quantidade de aberturas coaxial. Uma segunda placa está também disposta no alojamento, e tem uma quantidade de aberturas equivalentes que estão alinhadas com os orifícios de passagens. A primeira placa gira em relação à

6 5/7 segunda placa de modo a abrir progressivamente os orifícios de passagem. A abertura da placa pode ser ajustada por um motor de passo, através de um controlador que por sua vez compara a velocidade desejada com a velocidade real do PIG; [012] US6,370,721Bl VARIABLE SPEED PIG FOR PIPELINE APPLICATIONS. Esta patente descreve um PIG de velocidade variável para o deslocamento dentro de um duto, tendo uma abertura de passagens na forma de difusor que se prolonga longitudinalmente para permitir que o fluido dentro do oleoduto contorne o PIG. O tamanho e forma destas passagens podem ser alterados para variar a queda de pressão de fluido através das passagens, variando em correspondência com a velocidade do PIG através do duto. O controle de movimento do difusor em relação ao bocal é feito por motor alimentado por bateria, utilizando um controlador eletrônico de velocidade; [013] Vários trabalhos reportando-se a válvulas de escape (by pass) para minimizar os problemas de "tiro" ou de picos de velocidade em PIG instrumentado, como os retratados na tese "DESIGN OF REGULATED VELOCITY FLOW ASSURANCE DEVICE FOR THE PETROLEUM INDUSTRY" submetida por CHAITANYA YARDI ao Texas A & M University em cumprimento ao grau de MESTRE EM CIÊNCIAS em 2004, apresentam problemas de potência do atuador elétrico, além de elevado consumo de energia elétrica para o tempo de uma corrida ou jornada de trabalho, necessária para varredura de dados. Esta operação pode durar horas e até dias de operação. A presente invenção se destaca pela simplicidade construtiva, por utilizar atuador pneumático de elevada densidade de potência que utiliza a própria energia pneumática propulsora do PIG, requerendo um pequeno suprimento de energia elétrica (da ordem de 10 watts) necessária apenas para acionar a Válvula Eletropneumática de simples solenoide de comando direcional do Atuador Pneumático de simples efeito da Válvula de Escape Rápido Linear, a qual é responsável pela modulação de frenagem e controle de velocidade do PIG. A concepção deste dispositivo possibilita, no caso de falha do sistema eletroeletrônico, o fechamento automático da Válvula de Escape Rápido e consequentemente a fácil remoção do PIG do duto, através da pressurização à montante.

7 6/7 [014] Tendo em vista os problemas com o controle de velocidade em PIG's instrumentados, conhecido como o fenômeno do "Tiro", que provoca danos com elevados prejuízos econômicos, a presente invenção tem como objetivo propor um Módulo Limitador e Controlador de Velocidade de PIG, composto por uma Válvula de Escape Rápido Linear (bybass) acionada por atuador pneumático de simples efeito, comandado por uma Válvula Eletropneumática de simples solenoide que é alimentada com a energia pneumática propulsora do PIG e utiliza um pequeno suprimento de energia elétrica, da ordem de I O watts, fornecida por baterias embarcadas no próprio Módulo de Controle de velocidade. O gerenciamento eletrônico microprocessado recebe informação do sensor de velocidade instantânea existente no PIG, e a partir da estratégia de controle adotada envia um sinal para modular a Válvula Eletropneumática de simples solenoide para comando do Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito da Válvula de Escape Rápido, que promove a frenagem e o controle de velocidade do PIG. [O 15] As funcionalidades e vantagens da presente invenção podem ser melhores compreendidas nas figuras, através da descrição detalhada a seguir: [O 16] A Figura O 1 representa uma vista em corte longitudinal do Módulo limitador e controlador da velocidade a ser acoplado na frente do PIG instrumentado. [O 17] A Figura 02 representa o detalhe da Válvula de Escape Rápido conjugada com o Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito. [018] A Figura 01 representa uma vista em corte longitudinal do Módulo que tem a função de limitar e controlar a velocidade do PIG. O conjunto da Válvula de Escape Rápido Linear (1) e Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2) compreende o principal componente desta invenção, possibilitando o escape de ar da montante para jusante do PIG, quando a velocidade ultrapassar a velocidade nominal de ajuste (set point). A Válvula de Escape Rápido Linear (1) é constituída por uma cabeça em forma de disco fixada a uma haste cilíndrica compreendendo o obturador dos orifícios de escape rápido. A haste da Válvula de Escapa Rápido (1) é guiada através do orifício no Cabeçote (3) e é forçada a vedar na sede por ação da Mola (4) interposta de forma concêntrica à haste da válvula e presa na extremidade por prato de ancoragem

8 7/7 (5), sendo travada por um par de chaveta cônica bipartida. A haste do Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2) aciona a haste da Válvula de Escape Rápido (1), a qual fica instalada no Cabeçote (3) do Módulo Limitador e Controlador de Velocidade. O Atuador Pneumático (2) quando acionado pela pressão pneumática da propulsão do PIG, através da Válvula Eletropneumática (6) pressurizada à montante provoca a sua abertura e possibilita o escape rápido de fluxo de ar da montante para jusante do PIG. A mola ( 4) assegura que a válvula feche assim que cesse a pressão da Válvula Eletropneumática de simples solenoide (6), que aciona o Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2) a partir do sinal de modulação. O sinal de modulação enviado pela Placa Eletrônica (8) controladora de velocidade é definido pela estratégia de controle adotada e programada no microprocessador, a partir do sinal de realimentação enviado pelo sensor de velocidade existente no PIG Instrumentado. [O 19] A Válvula Eletropneumática de simples solenoide (6) e a Placa Eletrônica (8) recebe suprimento de energia elétrica das duas Baterias de 12 volts (7). Estes componentes embarcados são montados no suporte fixado no interior do compartimento do Módulo Limitador e Controlador de Velocidade.

9 1/1 REIVINDICAÇÕES 1. VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG's INSTRUMENTADOS, caracterizada pela configuração proposta do Conjunto formado pela Válvula de Escape Rápido de simples efeito (1), Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2), Cabeçote (3), Mola de retorno (4), Prato de Ancoragem (5), Válvula Eletropneumática de simples solenoide (6), Bateria de 12 Volts (7) e a Placa Eletrônica (8), embarcados num módulo limitador e controlador da velocidade de PIG Instrumentado, com baixo consumo de energia elétrica. 2. VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG's INSTRUMENTADOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo Sistema do Atuado r Pneumático de Pistão e da Válvula de Escape Rápido Linear, ambos de simples efeito, que aproveitam a fonte de energia pneumática da propulsão do PIG, através de uma Válvula Eletropneumática de comando de simples solenoide, e possibilitam a lógica de proteção normal fechada e que no caso de falha eletroeletrônica do sistema garante a remoção do PIG do duto, pois mantém a pressurização à montante do mesmo.

10 1/1 DESENHOS 5 3 FIGURAI FIGURAI / 2 1 6

11 1/1 RESUMO VÁLVULA DE ESCAPE RÁPIDO DE FLUXO PARA LIMITAR A VELOCIDADE MÁXIMA DE PIG's INSTRUMENTADOS É compreendida por um módulo conectado na frente do PIO Instrumentado e composto de: Válvula de Escape Rápido de simples efeito (1), Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito (2) e comandado por urna Válvula Eletropneumática de simples solenoide ( 6) em resposta ao sinal de velocidade oriundo de um senso r já existente no PIO instrumentado. A Válvula de Escape Rápido irá atuar em resposta a este sinal, com a finalidade de controlar a velocidade do PIO ao longo do duto, através do escape rápido de fluxo da montante para jusante do PIO. A alimentação do Atuador Pneumático de Pistão de simples efeito é feita com a pressão do próprio fluido de propulsão à montante do PIO, resultando em um sistema com alta densidade de potência no seu atuador e baixo consumo de energia elétrica necessária apenas para acionar a eletroválvula e o circuito da placa eletrônica microprocessada (8). A configuração proposta caracteriza a lógica de proteção normal fechada, que no caso de falha eletroeletrônica do sistema garante a remoção do PIO do duto, pois mantém a pressurização à montante do mesmo.