(11) PI B 1. (22) Data de Depósito: 02/09/2003. (45) Data da Concessão: 18/02/2015 (RPI 2302)

Transcrição

1 (11) PI B * B R P I O 3 O B 1 * (22) Data de Depósito: 02/09/2003 (45) Data da Concessão: 18/02/2015 (RPI 2302) (54) Título: VÁLVULA DE SEGURANÇA E RETENÇÃO PARA ÓLEO E PETRÓLEO (51) lnt.ci.: E21834/00 (73) Titular(es): Alstom Brasil L TDA. (72) lnventor(es): Helcio Francisco Villa Nova

2 1/17 "VÁLVULA DE SEGURANÇA E RETENÇÃO PARA ÓLEO E PETRÓLEO". A presente invenção contempla uma válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo para instalações de 5 bombeamento de petróleo e outros fluidos viscosos que podem se apresentar em duas fases misturadas, tais como líquido e gás ou líquido e vapor. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO Constitui objetivo da presente invenção prover 10 uma nova válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo concebida para impedir a propagação de variações de pressão ao longo da instalação de bombeamento, o que poderia causar a ruptura das tubulações e também danos a elementos essenciais, tais como juntas e bombas. Além disso, a válvula de segurança e retenção 15 para óleo e petróleo em foco serve para a retenção do fluido em determinados pontos da instalação de bombeamento, tal como na sucção do bombeamento. Constitui outro objetivo da presente invenção prover uma nova válvula de segurança e retenção para óleo e 20 petróleo cuja parte móvel denominada obturador (2), cuja função é o fechamento da válvula e consequentemente o impedimento da propagação de perturbações de pressão, é fabricada em material com densidade próxima àquela do petróleo ou óleo bombeado na instalação, normalmente em torno de 900 a 1200 kg/m 3 25 Constitui outro objetivo da presente invenção conceber novas formas hidrodinâmicas para a parte fixa, denominada carcaça metálica ( 1), e para a parte móvel, denominada obturador (2), que integram a válvula de segurança e retenção para óleo e

3 2/17 petróleo, no intuito de minimizar a perda de carga quando do escoamento em sentido normal sem perturbações. Entende-se por fluxo em sentido normal o deslocamento do fluido no sentido de entrada pela carcaça metálica (1) e saída pelo contraflange (4). 5 Constitui outro objetivo da presente invenção o desenvolvimento e otimização de um sistema de armazenamento de energia potencial, representado pela mola (3) O referido sistema de armazenamento de energia potencial, associado ao formato hidrodinâmico da parte móvel da válvula de segurança e retenção 10 para óleo e petróleo, denominado obturador (2), possibilita o fechamento da referida válvula, iniciado por desacelerações induzidas ao escoamento em intervalos de tempo extremamente curtos, desacelerações estas provocadas por outros dispositivos presentes nas instalações de bombeamento equipadas com as 15 referidas válvulas de segurança e retenção. Constitui mais um objetivo da presente invenção prover uma válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo que seja fácil de montar, fabricar e instalar, apresentando peso reduzido e outras características que contribuem para reduzir o 20 custo de fabricação. ESTADO DA TÉCNICA A patente US ( Dl), publicada em 16/03/1982, descreve uma válvula reguladora de pressão de fluido constituída de uma base projetada para reter totalmente a vazão de 25 fluido em um duto quando na posição fechada ou permitir a máxima vazão possível quando a válvula está na posição aberta. Ao redor do dito orifício, uma mola cilíndrica é fixada com diâmetro interno maior que o diâmetro do orifício de forma a permitir a

4 3/17 passagem de fluido somente através do espaço entre os "elos" da mola quanto esta estiver esticada. Assim, quando a mola é comprimida, os espaços entre os "elos" se fecham, impedindo que a passagem de fluído pela válvula. A outra extremidade da mola é 5 fixada em uma placa de aço em formato de "L" que é deslocada por aplicação de campo magnético sobre a base em "L". De acordo com a intensidade do campo, a placa se desloca, estivando e comprimindo a referida mola, o que permite a passagem de fluido através dos espaços entre os "elos" da mola e, consequentemente, através do 10 orifício. A patente EP ( D2), publicada em 05/03/2003, apresenta um conjunto compreendendo válvula e mola montados com elemento de fixação sobre uma placa de válvula com mola, que pode ser colocado e escorado sobre um eixo de válvula. A 15 placa de válvula de mola é segurada por suportes de fixação no eixo da válvula, como cones ou anéis de retenção. Por sua vez, a patente (D3) de 22/03/1988, mostra uma válvula de segurança que é fechada automaticamente em caso de mal funcionamento do sistema ou em caso 20 de fechamento programado. A válvula consiste de uma cavidade interna onde existe um sistema de controle das pressões interna e externa do fluido por meio de válvulas. No processo de fabricação da presente invenção, a carcaça metálica (1) da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo compreende a fundição da 25 mesma seguida pela usinagem dos excessos. Já para o obturador (2) da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, o processo de fabricação compreende a injeção de poliuretano em molde. Finalmente executa-se a montagem conjunta dos elementos,

5 4/17 incluindo a carcaça metálica (1) e o obturador (2), além da mola (3) e do contraflange (4) que impedem a saída do obturador (2) Um inconveniente do estado da técnica atual está associado ao uso de obturadores de metal. A massa dos referidos 5 obturadores, sendo maior do que aquela dos obturadores fabricados em material com densidade próxima à do petróleo ou óleo, em torno de 900 a 1200 kg/m 3, reduz a velocidade de fechamento da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, o que pode permitir a propagação da perturbação de pressão em sentido inverso do 10 fluxo. Este inconveniente torna imperativo o uso de molas mais robustas para permitir fechamentos mais rápidos, acarretando no entanto uma maior perda de carga. Além disso, escoamento com mais de uma fase podem prejudicar o sistema de funcionamento das válvulas, dada as significativas alterações em propriedades 15 físicas como densidade e viscosidade. Outro inconveniente é a necessidade da disposição de um anel para impedir o escape do obturador, o que impõe uma etapa de usinagem de precisão executada no canal ou orifício de entrada. Além disso, torna-se necessário efetuar uma montagem 20 envolvendo a variação de temperaturas (aquecimento do corpo e resfriamento do anel), o que agrega complexidade ao processo, pois requer mais etapas de fabricação.. Mais um inconveniente é a incorporação ao projeto de um alojamento para a mola, o que acarreta ainda outras etapas 25 adicionais de usinagem, tal como, por exemplo, a de um pino de sustentação para o obturador. As referidas etapas de usinagem demandam mão de obra especializada e também a introdução de um controle dimensional e de montagem, novamente agregando

6 5/17 complexidade ao processo. Finalmente, outro inconveniente da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo do estado da técnica atual corresponde ao fato de que o peso unitário das válvulas de 5 segurança e retenção para óleo e petróleo do estado da técnica atual é elevado se confrontado com as necessidades típicas das plataformas de prospecção e refino de óleo e gás onde as referidas válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo são aplicadas. Além disso, as válvulas de segurança e retenção para 10 óleo e petróleo do estado da técnica atual produzem maior quantidade de resíduos metálicos. Portanto, a montagem de válvulas para petróleo e gás exigem processos elaborados de fabricação e montagem. Visando esse problema, a presente invenção apresenta uma nova forma da 15 fabricação de válvulas para essa finalidade. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção incorporou o desenvolvimento da parte móvel da respectiva válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, denominada obturador (2), com uma geometria 20 especial definida nos limiares da tecnologia da engenharia aeronáutica utilizando recursos de computação para otimização de formato e dimensões. A carcaça metálica (1) da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo foi desenvolvida dentro dos mesmos conceitos e objetivos que nortearam o desenvolvimento 25 do obturador (2) A presente invenção soluciona os inconvenientes do estado da técnica atual através do emprego de uma nova concepção de válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo

7 6/17 aplicado às instalações de bombeamento de óleo e petróleo. O fluido bombeado pode se apresentar como uma mistura, composta por fases distintas e/ou misturadas, sendo que a presente invenção incorpora a análise dos efeitos de entupimento provocados por esta 5 natureza de escoamento quando de sua passagem pela válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo. A válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo é composta por apenas quatro elementos de fácil fabricação, dispensando o uso de mão de obra especializada e de 10 custo elevado. O primeiro dos referidos elementos é a carcaça metálica ( 1) com base em que constitui uma peça monobloco, fundida e usinada operações básicas do estado da técnica, que visam sobretudo a retirada dos excessos da fundição. 15 O segundo elemento é o obturador ( 2), que corresponde à parte móvel da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, fabricado por meio de um processo de injeção de polímero. O terceiro elemento é a mola (3), que atua como 20 um armazenador de energia potencial do escoamento, absorvida a partir da força de arrasto imposta pelo escoamento sobre o obturador (2), tendo assim uma função primordial na concepção dinâmica da válvula. A referida mola (3) é construída a partir de um fio de aço inoxidável que apresenta alta resiliência e 25 resistência à corrosão. O quarto elemento é um contraflange (4), que tem função construtiva e de montagem para a válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção. Este elemento

8 7 /17 requer a execução de um processo de usinagem básica que visa a retirada dos excessos da fundição e também o favorecimento de sua acomodação. As características e vantagens da presente 5 invenção serão melhor compreendidas quando da análise do texto juntamente com as figuras anexas, das quais: A Figura 1 é uma vista em perspectiva ilustrando o aspecto geral de um exemplo de concretização de uma válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo de acordo com a presente 10 invenção, que representa um modelo para diâmetros menores (entre 300 e 500 mm), apresentando um obturador (2) composto por dois anéis concêntricos (12, 13). A Figura 2 é uma vista em perspectiva ilustrando o aspecto geral de um exemplo de concretização de uma válvula de 15 segurança e retenção para óleo e petróleo de acordo com a presente invenção, que representa um modelo para diâmetros maiores (entre 600 e 1000 mm), apresentando um obturador (2) composto por três anéis concêntricos (12, 13, 14). A Figura 3 é uma vista em corte parcial de seção 20 transversal ilustrando alguns detalhes da carcaça metálica (1) de uma válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo de acordo com a presente invenção. A Figura 4 é uma vista em corte parcial de seção transversal ilustrando alguns detalhes do obturador (2), composto 25 por três anéis concêntricos (12, 13, 14), da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo de acordo com a presente invenção. A Figura 5 é uma vista em corte parcial de seção transversal ilustrando o conjunto da válvula de segurança e

9 8/17 retenção para óleo e petróleo para diâmetros nominais entre 300 e 500 mm, na situação de válvula fechada. A Figura 6 é uma vista em corte parcial de seção transversal ilustrando o conjunto da válvula de segurança e 5 retenção para óleo e petróleo para diâmetros nominais entre 600 e 1000 mm, na situação de válvula fechada. Com base nas figuras anexas, observa-se que a presente invenção compreende um corpo metálico monobloco, denominado carcaça metálica ( 1), que pode ser descri to em duas 10 partes; a primeira parte da carcaça metálica (1) corresponde a uma casca externa flangeada ( 5) ' caracterizada por uma figura geométrica de revolução cuja geratriz é constituída por uma curva regular externa que acompanha o formato da geratriz interna, buscando manter uma espessura constante que varia de 30 mm a mm. Estas espessuras foram determinadas visando garantir o funcionamento da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo nas respectivas faixas de aplicação, delimitadas em classes de pressão de 300 a 600 psi. A curva regular que descreve a forma interna desta casca externa flangeada (5) é do tipo 20 exponencial, com forma matemática: f (x) =A. e-a(x-xol Tal forma tem por base a teoria dos perfis finos hidrodinâmicas, onde "A" determina o fator de escala. o coeficiente "a" negativo varia preferencialmente entre -4 e -1 mm e os deslocamentos exponenciais "x 0 " apresentam preferencialmente um valor de 0,25 ou~ mm. Visando facilitar o processo de fabricação que envolve um processo de fundição, a curva gerada a partir da

10 9/17 formulação matemática supra citada foi substituída por um conjunto de arcos de círculo, que facilitam a geração de gabaritos de verificação para a liberação final desta parte da carcaça metálica (1), assim como a geração do modelo fundido. 5 O principal arco de círculo que descreve a casca externa flangeada (5) apresenta um raio de 45 mm e está situado na posição de maior diâmetro interno da figura de revolução formada, começando no arco de saída da ferramenta, seguida imediatamente por uma acomodação do obturador (2) e terminando na base do cone 10 de convergência com um valor de 17 graus. A segunda parte da carcaça metálica ( 1)' corresponde aos anéis concêntricos metálicos (6, 7) que constituem as acomodações para o obturador (2) quando a válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo está fechada. O anel ( 7) está 15 presente somente nas válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo de diâmetros maiores. Os referidos anéis concêntricos metálicos (6, 7) apresentam formas puramente hidrodinâmicas, cujas espessuras são dimensionadas visando manter a estabilidade estrutural da válvula de segurança e retenção para óleo e 20 petróleo. Os formatos e raios de curva descritos abaixo são obtidos a partir da teoria do perfil rombudo. As curvas e raios que descrevem a secção transversal dos anéis concêntricos metálicos ( 6' 7) são modeladas matematicamente através de 25 expressões polinomiais do tipo: f(x)=an.xn +... A1.x 1 +Ao Onde os coeficientes "A" são tabelados entre 3 e 9 e os expoentes "n" entre 2 e 5.

11 10/17 Seguindo o mesmo raciocínio aplicado ao desenvolvimento da casca externa flangeada (5), os Inventores buscaram descrever os referidos perfis dos anéis concêntricos metálicos (6, 7) em termos de arcos e segmentos, para facilitar o 5 processo construtivo, não apenas na geração do modelo de fundição, mas também no trabalho de controle de qualidade. O principal aspecto geométrico que descreve o primeiro anel concêntrico metálico ( 6) é representado pelo arco que liga o bordo de ataque (9) em condições de escoamento normal e 10 o arco de adoçamento (10) entre a acomodação do obturador (2) no anel concêntrico metálico (6) e a parte superior externa do mesmo anel metálico ( 6), tendo o referido arco um valor de cerca de 142,3 mm para válvulas com diâmetro entre 300 e 500 mm, e cerca de 170,9 mm para válvulas com diâmetro entre 600 e 1000 mm. Para 15 estas últimas válvulas de maior porte, que incorporam um segundo anel ( 7) de menor diâmetro disposto antes de uma ogiva central (8), o valor do referido raio para o arco supracitado é de cerca de 218 mm. A ogiva central (8) pode ser representada por um 20 parabolóide de revolução cuja geratriz tem a forma: f (x) =-62x 2 Para a ogiva central (8) procura-se obter o mesmo tipo de representação através de arcos de círculo, onde o valor do raio do arco principal é de 3 7 mm para as válvulas com diâmetro 25 entre 300 e 500 mm, e de 45 mm para as válvulas com diâmetro entre 600 e 1000 mm. Os arcos apresentados acima são de suma importância para o desempenho da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção, no que diz respeito à sua

12 11/17 eficiência hidrodinâmica. Outro aspecto geométrico relevante correspondente à forma construtiva da carcaça metálica ( 1) é representado pelo ângulo de entrada da casca externa flangeada (5), que é definido 5 em cerca de 11 graus, e os ângulos de saída para os respectivos anéis concêntricos metálicos ( 6, 7) de acomodação do obturador (2), cujo valor é definido em torno de 2 graus. No que se refere ao posicionamento destes anéis concêntricos metálicos ( 6, 7) que constituem a carcaça metálica 10 ( 1), a posição axial é definida sobre o perfil parabólico dos escoamentos laminares de alta viscosidade. Dessa forma foi traçado o referido perfil para se posicionar os anéis concêntricos metálicos (6, 7) tangencialmente a ele. Este perfil pode ser descrito por meio de uma expressão matemática elaborada em função 15 do número de Reynolds, na forma: r /R = ( 1-Re/Remectl 112 Onde "r" é a posição radial em relação à linha de centro axial da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, "R" representa o raio máximo, isto é, o diâmetro nominal 20 da válvula dividido por dois, "Re" é o número de Reynolds em um ponto qualquer da seção de escoamento e "Remect" é o número de Reynolds médio. O valor médio para o número de Reynolds é definido para a velocidade média do escoamento de óleo ou 25 petróleo, sendo que no desenvolvimento da presente invenção o valor adotado foi de 3, 5 m/ s. Finalmente, o diâmetro médio dos anéis concêntricos metálicos ( 6, 7), que corresponde à linha do esqueleto dos perfis da seção dos anéis concêntricos metálicos (6,

13 12/17 7), foi escolhido de forma a manter constante a área de passagem anular para o escoamento, utilizando a expressão: DN - (n.dn/b) Onde "DN" é o diâmetro nominal da válvula de 5 segurança e retenção para óleo e petróleo, "b" é o número total de anéis concêntricos metálicos, e "n" assume valor igual a 1 para o primeiro anel concêntrico metálico e 2 para o segundo anel concêntrico metálico, quando da existência deste. A ligação estrutural entre estes anéis 10 concêntricos metálicos ( 6, 7) é realizada por aletas metálicas (11), com formato hidrodinâmico cuja espessura varia de 20 a 60 mm, simétricas e apresentando sua parte frontal, que configura o bordo de ataque, alisada mecanicamente com raios de 10 a 30 mm, visando melhorar a passagem do fluxo. 15 As ligações das referidas aletas metálicas (11) à casca externa flangeada (5), aos anéis concêntricos metálicos (6, 7) e à ogiva central (8) apresentam-se alisadas, com raios de 5 a 10 mm, visando a integridade estrutural da válvula. Além disso, o número de aletas metálicas (11) é especificado em 6 na ligação da 20 casca externa flangeada (5) ao anel concêntrico metálico (6), 6 na ligação do anel concêntrico metálico (6) ao anel concêntrico metálico (7) (no caso de válvulas com diâmetros entre 600 e 1000 mm) e 3 na ligação do anel concêntrico metálico ( 6) ou do anel concêntrico metálico ( 7) (quando presente) à ogiva central ( 8'. 25 Este número de aletas metálicas (11) é obtido visando preservar a integridade mecânica da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção e ao mesmo tempo favorecer a sua eficiência hidráulica.

14 13/17 O obturador (2), que corresponde à parte móvel da válvula, é fabricado em poliuretano, um material polímero ou polimérico, cuja densidade está em torno de 900 a 1200 kg/m 3 para a formulação aqui empregada. O valor da densidade é de suma 5 importância para estabelecer o tempo de fechamento da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção. O obturador (2) é uma peça única composta por 2 ou 3 anéis concêntricos (12, 13, 14), dispostos axialmente rle forma acompanhar, da mesma forma que os anéis concêntricos 10 metálicos ( 6, 7) que compõem a carcaça metálica ( 1), o perfil parabólico formado pelo escoamento laminar de fluidos de alta viscosidade. Os diâmetros médios dos anéis concêntricos ( 12, 13, 14) acompanham a acomodação proporcionada pelos anéis concêntricos metálicos (6, 7) da carcaça metálica (1). 15 Por outro lado, o perfil da secção transversal dos anéis concêntricos ( 12, 13, 14) foi concebido com base na teoria hidrodinâmica, visando uma maior eficiência da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção. Este perfil de secção transversal apresenta inicialmente o formato 20 de uma gota em regime de escoamento laminar, de onde se obtém ângulos de saída <l> da ordem de 17 a 31 graus para velocidades médias de 3, 5 m/s. Além disso, os referidos ângulos de saída <l> permitem que a freqüência de geração dos vórtices de von Karman seja mantida distante da freqüência natural de vibração mecânica 25 da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, evitandose assim os fenômenos de interação fluido-estrutura do tipo ressonância (lock-in). O comprimento e demais dimensões básicas foram

15 14/17 especificadas contemplando as necessidades de compatibilidade física com a carcaça metálica ( 1), a acomodação da mola ( 3) e a integridade físico-estrutural do obturador (2). Um aspecto importante do obturador (2) são as aletas (15), que configuram os 5 elementos de ligação entre os anéis concêntricos (12, 13, 14). As referidas aletas (15) apresentam dimensões definidas contemplando a integridade estrutural do obturador (2), com espessuras entre 17 e 37 mm, estando presentes em número de 3 a 6. Além do aspecto estrutural, as aletas (15) apresentam 10 aspectos hidrodinâmicas. As aletas mais externas deslizam dentro dos canais (16), que apresentam uma largura entre 19 e 39 mm ao longo de toda a extensão cilíndrica de saída da carcaça metálica (1), o que impede a rotação do obturador (2) em casos de escoamento secundário, quando do uso deste válvulas de segurança e 15 retenção para óleo e petróleo próximas à curvas ou elementos de tubulação correspondentes que estão presentes nas instalações de bombeamento. A mola (3), que funciona como um dispositivo de armazenamento de energia é construída em aço inoxidável de alta 20 resiliência, para resistir ao elevado número de ciclos de tração/compressão que lhe são impostos, conforme citado anteriormente. A mola (3) é projetada contemplando os valores de carga impostos pelo escoamento sobre o obturador ( 2), sendo por outro lado responsável por acelerar o obturador (2) contra a 25 carcaça ( 1) Sendo assim, a mola (3) deverá apresentar dimensões específicas que permitam a sua adaptação perfeita tanto ao obturador (2) quanto à carcaça (1). Seu dimensionamento é feito visando sobretudo o tempo de fechamento da válvula. Assim sendo, a

16 15/17 constante elástica da mola (3) deve ser da ordem de 2500 a 7000 N/m e seu diâmetro básico de 40 a 200 mm, sendo o diâmetro dos fios da ordem de 6 a 20 mm, tendo por objetivo diminuir os tempos de fechamento, da ordem de 0,001 e 0,01 segundos. 5 o contraflange ( 4) é uma peça secundária, fabricada no mesmo material que integra a carcaça metálica (1). As espessuras das aletas (não ilustradas) que compõem o contraflange ( 4) são dimensionadas normalmente com valores de carga 50% acima daquela de trabalho, resultando em espessuras de 17 a 35 mm e um 10 número total de 3 a 6 aletas. Um detalhe importante na construção do referido contraflange ( 4) é o seu formato, que deve acomodar tanto a mola (3) como o obturador (2) na situação de válvula aberta. A seguir se descreve o princípio de funcionamento 15 da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo da presente invenção: Durante as manobras de fechamento e bloqueio (shut-off) em tubulações de bombeamento de óleo, petróleo e outros fluidos, surgem perturbações de pressão ao longo dos condutos. 20 Estas perturbações se dão na forma de ondas que viajam em ambos os sentidos, ou seja, no sentido do escoamento e no sentido oposto a este. Muitas vezes, ao se deslocar em direções opostas ao escoamento, estas ondas atingem as bombas e juntas, causando danos e podendo provocar acidentes. As válvula de segurança e retenção 25 para óleo e petróleo do tipo contemplado pela presente invenção têm por função justamente evitar este problema, impedindo a propagação das referidas ondas e a ocorrência de fluxo reverso. Para isto, é necessário que a densidade do obturador seja da mesma

17 16/17 ordem daquela do fluido em operação, entre 900 a 1200 kg/m 3, evitando assim a passagem de fluxo reverso quando a onda de pressão atinge o obturador (2). Outro fator importante a considerar é o tempo de fechamento, que é função das 5 características da mola (3), massa do obturador (2) e formato hidrodinâmico da parte dorsal do obturador (2) da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo. A presente invenção oferece múltiplas vantagens em comparação ao estado da técnica atual. A mais imediata, 10 proporcionada pelas características do obturador (2), é a reduzida perda de carga quando da passagem do fluido pela válvula. As referidas características do obturador (2) incluem a otimização geométrica de elementos tais como os ângulos e dimensões de deslocamento dos anéis concêntricos metálicos (6, 7), dispostos em 15 formato parabólico, que permite acompanhar o perfil de velocidade dos escoamentos laminares, e a otimização de espessura das aletas metálicas ( 11) de ligação entre os referidos anéis, devidamente analisadas em detalhe nos estudos numéricos e experimentais realizados em laboratório. 20 Outra vantagem da presente invenção é a resposta dinâmica do obturador (2) (parte móvel), que apresenta uma elevada velocidade de fechamento em função da otimização da sua geometria em formato hiper-hidrodinâmico, conforme fenômeno das ondas simples que viajam em elevadas velocidades, descrito sobretudo 25 pelo ângulo <I> que designa a inclinação da reta que liga o bordo de ataque e o bordo de fuga que formam o perfil da seção dos anéis concêntricos (12, 13, 14) do obturador (2). O referido ângulo <I> apresenta um valor entre 17 e 31 graus, que produz baixa perda de

18 17/17 carga quando do escoamento normal e oferece um bom desempenho na reflexão de fenômenos ondulatórios não singulares, juntamente com a mola (3) especialmente projetada para este fim. Outra vantagem da presente invenção é que os 5 canais (16) dispostos ao longo da saída da válvula impedem a ocorrência de um efeito de giro da parte móvel, permitindo assim a instalação da válvula da presente invenção em qualquer posição na linha de bombeamento. Finalmente, outra vantagem da presente invenção 10 está associada ao reduzido peso e a fácil montagem da válvula, que favorece sobremaneira sua aplicação nas plataformas de prospecção e refino de óleo e gás, onde o espaço disponível para o serviço de instalação e manutenção é bastante exíguo. Aqueles versados na técnica irão perceber que a 15 descrição de uma das incorporações preferenciais feita acima não limita a aplicação da presente invenção às válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo com as características descri tas, podendo ser aplicada a outras válvulas similares sem fugir ao escopo e espírito inventivo contemplado pelas reivindicações 20 apensas. Diante do exposto, a presente invenção diferencia-se e traz melhorias de fabricação quando comparado às patentes US (Dl), EP (D2) e US (D3).

19 1/7 REIVINDICAÇÕES 1) "VÁLVULA DE SEGURANÇA E RETENÇÃO PARA ÓLEO E PETRÓLEO" constituída por uma peça monobloco compreendendo uma carcaça monobloco metálica (1) formada por casca externa flangeada 5 (5) e constituída segundo uma figura geométrica de revolução cuja geratriz é descrita por uma curva regular externa que acompanha o formato da geratriz interna buscando manter uma espessura constante, e por anéis concêntricos metálicos (6, 7) que constituem as acomodações para um obturador ( 2), acompanhando o 10 perfil de velocidade de escoamentos laminares;, segurança e retenção para óleo e petróleo compreender ainda: e a válvula de caracterizada por - um obturador (2) que corresponde à parte móvel da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, formado 15 por uma peça única composta por 2 ou 3 anéis concêntricos (12, 13, 14), dispostos axialmente e acompanhando o perfil parabólico formado pelo escoamento laminar de fluidos de alta viscosidade dentro da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, com o referido obturador (2) apresentando um elevado valor de 20 velocidade de fechamento, sendo que a densidade do referido obturador (2) é da mesma ordem daquela do fluido em operação, em torno de 900 a 1200 kg/m 3 - uma mola (3) que atua como um armazenador de energia potencial do escoamento, energia esta absorvida a partir 25 da força de arrasto imposta pelo escoamento sobre o obturador (2); um contraflange ( 4) composto por aletas, fabricado no mesmo material da carcaça metálica (l); - meios para impedir a propagação de perturbações

20 2/7 na forma de ondas que viajam no sentido do escoamento e no sentido oposto a este; meios para impedir a ocorrência de fluxo reverso do fluído; 5 2) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por o obturador (2) é preferencialmente fabricado em material polimérico injetado, como poliuretano, cuja densidade estabelece o tempo de fechamento da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, estando o valor da referida 10 densidade estabelecido em torno de 900 a 1200 kg/m 3 3) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por a ligação estrutural entre os anéis concêntricos metálicos (6, 7) e a ogiva central (8) é realizada por aletas metálicas (11) com formato hidrodinâmico, simétricas, com as 15 referidas aletas metálicas ( 11) apresentando sua parte frontal, que configura o bordo de ataque, alisada mecanicamente de forma a otimizar a passagem do fluxo pelas referidas aletas metálicas (11). 4) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, 20 caracterizada por o número de aletas metálicas (11) é especificado em 6 na ligação da carcaça metálica ( 1) com o anel concêntrico metálico (6), 6 na ligação do anel concêntrico metálico (6) com o anel concêntrico metálico (7) e 3 na ligação do anel concêntrico metálico (6) ou (7) com a ogiva central (8). 25 5) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por os diâmetros médios dos anéis concêntricos (12, 13, 14) acompanham a acomodação da carcaça (1), sendo que o perfil da seção de tais anéis concêntricos (12, 13, 14) apresenta

21 3/7 inicialmente o formato de uma gota em regime de escoamento laminar, com ângulos de saída ~ que permitem que a freqüência de geração dos vórtices de von Karman mantenha-se suficientemente distante daquela da válvula de segurança e retenção para óleo e 5 petróleo para evitar fenômenos de interação fluido-estrutura do tipo ressonância (lock-in). 6) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a mola (3) é preferencialmente construída a partir de um fio de aço inoxidável apresentando elevada 10 resiliência e resistência à corrosão. 7) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por a curva regular que origina a forma interna da casca externa f langeada (5) é do tipo exponencial, descrita através da forma matemática [ f (x) =A. e-a(x-xol], onde "A" determina o 15 fator de escala, o coeficiente "a,, negativo varia preferencialmente entre -4 e -1 mm-1 e os deslocamentos exponenciais "x 0 " apresentam preferencialmente um valor de 0,25 ou ~ mm. 8) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, 20 caracterizada por o principal aspecto geométrico que descreve o primeiro anel concêntrico metálico ( 6) é representado pelo arco que liga o bordo de ataque (9) em condições de escoamento normal e o arco de adoçamento (10) entre a acomodação do obturador (2) e a parte superior externa do anel concêntrico metálico ( 6), tendo o 25 referido arco um valor de cerca de 142, 3 mm para os válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo com diâmetro entre 300 e 500 mm, e cerca de 170,9 mm para os válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo com diâmetro entre 600 e 1000 mm,

22 4/7 sendo que para estas últimas válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo, que incorporam um segundo anel concêntrico metálico ( 7) de menor diâmetro disposto antes da agi va central (8), o valor do referido raio é de cerca de 218 mm. 5 9) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por as curvas e raios que descrevem a secção dos anéis concêntricos metálicos (6, 7) são modeladas matematicamente por expressões polinomiais do tipo [ f (x) =An.xn+... A 1 x 1 +A 0 ], onde os coeficientes "A" são tabelados entre 3 e 9 e os expoentes "n" 10 entre 2 e 5. 10) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a ogiva central (8) é representada por um parabolóide de revolução cuja a geratriz pode ser descrita pela forma [f(x)=-62x 2 ], obtendo-se o mesmo tipo de representação 15 através de arcos de círculo, onde o valor do raio do arco principal é de cerca de 37 mm para os válvulas de segurança e retenção para óleo e petróleo de diâmetro entre 300 e 500 mm, e de cerca de 45 mm para os válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo com diâmetro entre 600 e 1000 mm ) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o contraflange (4) é composto por 3 a 6 aletas cuja espessura é da ordem de 17 a 35 mm, sendo o formato físico do contraflange ( 4) tal que ele acomoda tanto a mola ( 3) como o obturador ( 2) com a válvula de segurança e retenção para óleo e 25 petróleo em posição aberta. 12) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por o ângulo de entrada da casca externa flangeada (5) é definido em cerca de 11 graus, e os ângulos de saída para os

23 5/7 respectivos anéis concêntricos metálicos ( 6, 7) de acomodação do obturador (2) são definidos preferencialmente em torno de 2 graus. 13) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por o posicionamento axial dos anéis concêntricos 5 metálicos (6, 7) que constituem a carcaça metálica (1) é definido sobre o perfil parabólico dos escoamentos laminares de alta viscosidade, de modo que os anéis concêntricos metálicos ( 6, 7) ficam dispostos tangencialmente ao referido perfil, que é descrito por meio de uma expressão matemática [r/r= ( 1-Re/Remectl 112 ) (onde "r" 10 é a posição radial em relação à linha de centro axial da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo e "R", representa o raio máximo, isto é, diâmetro nominal da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo dividido por dois, "Re" é o número de Reynolds em um ponto qualquer da seção de escoamento e, "Remect" 15 é o número de Reynolds médio), onde o valor médio para o referido número de Reynolds é definido para a velocidade média do escoamento de óleo ou petróleo, sendo da ordem de 3,5 m/s. 14) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o diâmetro médio dos anéis concêntricos 20 metálicos (6, 7) mantém a mesma área de passagem anular para o escoamento, conforme a expressão [ DN (n.dn/b)] onde "DN" é o diâmetro nominal da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo, "b" é o número total de anéis concêntricos metálicos, e "n" tem valor igual a 1 para o primeiro anel concêntrico metálico 25 e 2 para o segundo anel concêntrico metálico, quando da existência deste. 15) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por no obturador (2) as aletas (15) ou elementos de

24 6/7 ligação entre os anéis (12, 13, 14) apresentam dimensões básicas definidas contemplando a integridade estrutural do obturador (2), apresentando assim espessuras entre 17 e 37 mm, estando presentes em número de 3 a ) "VÁLVULA" de acordo com a rei vindicação 1, caracterizada por as aletas (15) mais externas deslizam dentro de canais (16) que apresentam largura de 19 a 39 mm em toda a extensão cilíndrica de saída da carcaça metálica (1), impedindo a rotação do obturador (2) em casos de escoamento secundário, quando 10 da disposição da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo em locais próximos à curvas ou elementos de tubulação correspondentes. 17) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a mola (3) é responsável por acelerar o 15 obturador (2) contra a carcaça (1), sendo a constante elástica da referida mola (3) da ordem de 2500 a 7000 N/m e seu diâmetro básico de 40 a 200 mm, com o diâmetro dos fios da ordem de 6 a 20 mm, gerando tempos de fechamento da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo entre 0,001 e 0,01 segundos ) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os canais (14), dispostos ao longo da saída da válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo impedem a ocorrência de um efeito de giro do obturador (2), permitindo assim a instalação da válvula de segurança e retenção para óleo e 25 petróleo em qualquer posição na linha de bombeamento. 19) "VÁLVULA" de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por o material em que é fabricada a mola (3) resiste ao elevado número de ciclos de tração/compressão conforme os

25 7/7 valores de carga impostos pelo escoamento sobre o obturador (2).

26 2 1 / l FIGURA l FIGURA 2

27 2/3 l l 16 FIGURA 3 15 FIGURA 4

28 3/3 FIGURA 5 FIGURA 6

29 1/1 RESUMO "VÁLVULA DE SEGURANÇA E RETENÇÃO PARA ÓLEO E PETRÓLEO". A presente invenção contempla uma válvula de 5 segurança e retenção para óleo e petróleo para instalações de bombeamento de petróleo e outros fluidos viscosos que podem se apresentar em duas fases misturadas, tais como líquido e gás ou líquido e vapor. Constitui um objetivo da presente invenção prover 10 uma nova válvula de segurança e retenção para óleo e petróleo concebida para impedir a propagação de variações de pressão ao longo da instalação de bombeamento, o que poderia causar a ruptura das tubulações e também danos a elementos essenciais, tais como juntas e bombas. Além disso, a válvula de segurança e retenção 15 para óleo e petróleo em foco serve para a retenção do fluido em determinados pontos da instalação de bombeamento, tal como na sucção do bombeamento.