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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
Setembro de 2011
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
iii
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, 2011.
XIX, 195 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Sylvio José Ribeiro de Oliveira
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa
de Engenharia Mecânica, 2011.
Referências Bibliográficas: p. 107-108.
1. 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.
iv
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.
v
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.
vi
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 / 2011
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.
vii
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 / 2011
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.
viii
SUMÁRIO
1.� INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1�
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2.� VÁLVULA SUBMARINA DO TIPO GAVETA .................................................................... 15�
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3.� DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMÁTICO ....................................................... 38�
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6.� CONCLUSÕES ................................................................................................................. 103�
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................................... 107�
x
APÊNDICE A: Equação para cálculo da área de passagem de uma válvula do tipo gaveta
paralela com passagem plena. .............................................................................................. 110�
APÊNDICE B: Modelos matemáticos implementados no software Mathcad 14. .............. 114�
APÊNDICE C: Resultados obtidos do modelo matemático. ............................................... 176�
xi
LISTA DE FIGURAS
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LISTA DE TABELAS
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xvii
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
AG Distância entre o convés da unidade de produção e a superfície do mar (Air Gap)
AIV Válvula de Isolamento do Anular (Annulus Isolation Valve)
AMB Ambiente
ANM Árvore de Natal Molhada
ANM-H Árvore de Natal Molhada Horizontal
ANM-V Árvore de Natal Molhada Vertical
AP Alta Pressão
API American Petroleum Institute
ATM Atmosférico
BAP Base Adaptadora de Produção
boe Barris de óleo equivalente
BMHA Bombeamento Multifásico Hélico-axial
BP Baixa Pressão
bpd Barris de petróleo por dia
DCV Válvula de Controle Direcional (Directional Control Valve)
DHSV Válvula de Segurança de Sub-superfície (Down Hole Safety Valve)
FAI Falha na Posição (Fail As Is)
FAT Teste de Aceitação de Fábrica (Factory Acceptance Test)
FSC Falha Segura Fechada (Fail Safe Close)
FSO Falha Segura Aberta (Fail Safe Open)
GNL Gás Natural Liquefeito
HCR Alta Resistência ao Colapso (High Colapse Resistance)
xviii
HIP Hiperbárico
HIPPS Sistema de Proteção à Pressão de Alta Integridade (High Integrity Pressure Protection System)
HPU Unidade Hidráulica de Pressão (Hydraulic Pressure Unit)
ISO International Organization for Standardization
LDA Lâmina d'água
LVDT Transdutor de Deslocamento Linear Variável (Linear Variable Displacement Transducer)
MCV-A Módulo de Conexão Vertical - Linha de Anular
MCV-P Módulo de Conexão Vertical - Linha de Produção
MCV-U Módulo de Conexão Vertical - Umbilical
MOBO Módulo de Bombeio
MSI Manifold Submarino de Injeção
MSIA Manifold Submarino de Injeção de Água
MSIG Manifold Submarino de Injeção de Gás
MSM Manifold Submarino Misto
MSP Manifold Submarino de Produção
MTBF Tempo Médio Entre Falhas (Mean Time Between Failures)
OPEX Custos de Operação (Operational Expenditure)
PIG Dispositivo de Inspeção de Dutos (Pipeline Inspection Gage)
PIG-XO Válvula de Interligação das linhas de anular e produção
PLEM Pipeline End Manifold
PLET Pipeline End Termination
PNTA Pressão Nominal de Trabalho do Atuador
PTFE Politetrafluoretileno
PVT Teste de Verificação de Desempenho (Perfomance Verification Test)
xix
ROV Veículo Operado Remotamente (Remotely Operated Vehicle)
RWI Raw Water Injection
S-BCSS Bombeio Centrífugo Submerso Submarino em Skid
SBMS Sistema de Bombeio Multifásico Submarino
SCM Módulo de Controle Submarino (Subsea Control Module)
SCPS Sistema de Cabeça de Poço Submarino
SD Desvio Padrão (Standard Deviation)
SDU Unidade de Distribuição Submarina (Susea Distribution Unit)
SPE Society of Petroleum Engineers
SSAO Sistema de Separação Água-Óleo
TCC Revestimento de Carbureto de Tungstênio (Tungsten Carbide Coating)
UEP Unidade Estacionária de Produção
UFP Unidade Flutuante de Produção
UP Unidade de Produção
UTA Conjunto de Terminação do Umbilical (Umbilicial Termination Assembly)
UTH Cabeça de terminação do Umbilical (Umbilical Termination Head)
VASPS Sistema de Bombeamento e Separação Anular Vertical (Vertical Annular Separation and Pumping System)
VIQ Válvula de Injeção Química
VMA Válvula Master do Anular
VMP Válvula Master da Produção
VSA Válvula Swab do Anular
VSP Válvula Swab da Produção
VWA Válvula Wing do Anular
VWP Válvula Wing da Produção
XOV Válvula Crossover (interligação dos condutos de produção e anular)
1
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.
Alternativamente, um sistem
a transferência do fluido d
processo localizada no con
uma UP offshore. Este co
shore” ou “subsea to bea
submarino.
Figura 1-1. Esque
Dentre os componentes lis
ditos os responsáveis pelo
Desta maneira, uma bre
comumente empregados em
1.1.1. BAP – Base
A base adaptadora de pr
equipamento composto ba
tema de produção submarino pode ser projeta
de produção diretamente do poço submari
ontinente (onshore), eliminando neste caso a
conceito é internacionalmente conhecido co
each”. Na Figura 1-1 é ilustrado um sistem
uemático de um sistema de produção submarin
listados anteriormente, são os equipamento
lo grande número de válvulas instaladas no l
breve descrição dos principais equipame
em um sistema de produção submarino, é feit
e Adaptadora de Produção
produção é parte integrante do conjunto A
basicamente de conectores hidráulicos, tubos
2
tado para permitir
arino à planta de
a necessidade de
como “subsea to
ma de produção
rino. [1]
ntos propriamente
o leito submarino.
entos, os mais
eita a seguir:
ANM, sendo um
os, elementos de
3
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 ultra-
profundas 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.
1.1.2. 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.
Quando o poço está produ
pressurizados com fluido h
entanto, como possuem mo
por mola, no caso de p
automaticamente levadas
fluxo de produção, ou de in
Atualmente existem também
a função de “falha segura
questões de confiabilidad
equipamentos de seguranç
equipamentos de processa
É na ANM que se encontra
dos parâmetros de produçã
pode conter elementos co
SCM (Subsea Control Modu
Figura 1-2. Desenho 3D de
No que diz respeito à config
classificada como vertical (A
duzindo normalmente, estes atuadores estão c
hidráulico, o que mantém as válvulas na pos
modo de “falha segura fechada” (fail safe close
perda de potência hidráulica pela UP, a
s para a posição fechada, interrompendo, de
injeção.
bém atuadores elétricos para aplicação subma
ra fechada” é garantida por mola ou bateria. N
dade, este tipo de atuador raramente é
nça de poço. Sua aplicação atual está restrita
samento submarino.
tram também instrumentos que possibilitam o
ção, como pressão e temperatura. Adicionalm
como módulo de controle submarino, mais c
odule), e válvula estranguladora de fluxo (chok
de uma ANM-V dotada de SCM: (a) vista isomét
frontal. (Cortesia: Aker Subsea)
nfiguração das válvulas do bloco principal, uma
l (ANM-V) ou horizontal (ANM-H).
4
o constantemente
osição aberta. No
sed), com retorno
as válvulas são
desta maneira, o
marina, nos quais
. No entanto, por
é utilizado em
ita basicamente a
o monitoramento
lmente, uma ANM
conhecido como
oke).
étrica e (b) vista
ma ANM pode ser
5
1.1.2.1. 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.
Figura 1-3. Esquem
1.1.2.2. ANM
Em uma ANM-H, o suspen
direciona o fluxo de hidro
deste componente é de fu
passagem do anular é desv
o que possibilita o uso de
Isso permite que o projeto
de produção, característica
Outra característica de u
posicionadas em derivaçõe
permite que as operações
sem haja necessidade de
situações que demandem a
retirada do suspensor de c
demanda maior tempo de
operacionais significativame
Este tipo de ANM foi con
submarinos equipados com
uma vez que tal aplicação
no poço, já que a bomba é
emático de uma Árvore de Natal Molhada Vertic
M-H
pensor de coluna é assentado diretamente n
rocarbonetos para a sua lateral, por este mo
undamental importância neste tipo de ANM
esviada diretamente para a lateral do bloco pr
suspensor de coluna com passagem de pro
to da ANM-H considere diâmetros maiores pa
ca interessante principalmente para poços de a
uma ANM-H é que as válvulas do tipo
ões horizontais das passagens de produção
es de intervenção na coluna de produção se
de desconexão e retirada da ANM. Por o
a recuperação da ANM-H, a sua retirada imp
coluna e, consequentemente, da coluna de p
de sonda na intervenção do poço, resultan
mente maiores.
concebido inicialmente para utilizações pione
om o método de bombeamento centrifugo su
o é considerada como demandando alta taxa
é instalada no interior do poço de petróleo.
6
rtical. [2]
no seu interior e
motivo a vedação
M. Além disso, a
principal da ANM,
produção apenas.
para a passagem
e alta vazão.
o gaveta estão
o e anular, o que
sejam realizadas
r outro lado, em
mplica também na
e produção, o que
ltando em custos
oneiras de poços
submerso (BCS),
xa de intervenção
Conforme mostrado na Figu
• Válvula Master do A
• Válvula Wing do An
• Válvula de Circulaçã
• Válvula Crossover (
• Válvula Master da P
• Válvula Wing da Pro
• Válvula de Injeção Q
• Plugue superior;
• Plugue inferior;
• Capa externa;
• Capa interna; e
• Bloco principal.
Figura 1-4. Esquem
É interessante notar també
ANM-V, são substituídas po
igura 1-4, os principais componentes de uma A
Anular (VMA);
nular (VWA);
ção do Anular (VCA);
r (XOV);
Produção (VMP);
rodução (VWP);
Química (VIQ);
mático de uma Árvore de Natal Molhada Horizo
bém que em uma ANM-H, as válvulas Swab
por plugues mecânicos.
7
a ANM-H são:
zontal. [2]
ab, existentes na
8
1.1.3. 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.
9
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 1500 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).
10
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.
1.1.4. 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.
11
Figura 1-7. Exemplo de Pipe Line End Maninold. (Cortesia: Petrobras)
1.1.5. 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 1-1.
12
Figura 1-8. Desenho de um PLET com varandas abertas. (Cortesia: Petrobras)
1.1.6. 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.
1.2. 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.
13
Na Figura 1-9 é mostrada a evolução da produção de óleo e gás da Petrobras desde o
ano de 2002 até o ano de 2010, bem como a projeção futura de produção.
Figura 1-9. Projeção da produção nacional hidrocarbonetos até o ano de 2020 -
Petrobras. [4]
Na Figura 1-10 são apresentadas a quantidade atual de equipamentos instalados, bem
como uma estimativa de equipamentos a serem instalados pela Petrobras até o ano
de 2020 para cumprimento das metas de produção estabelecidas pela empresa.
Figura 1-10. Projeção da quantidade de ANMs e Manifolds instalados no ano de 2020 -
Petrobras. [5]
+
�++
(++
%++
'++
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-������������H��+�+ -������������H��+�+����&���� ;% �+%���������������������� '+# � +#
���
����
��
���
7��������
14
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.
15
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.
2.1. 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:
16
Figura 2-1. Válvula gaveta com atuador hidráulico com retorno por mola.
2.1.1. 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)
17
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 2-4.
Figura 2-
No que diz respeito ao m
posição fechada, o diferen
energização contra a sed
passagem por meio do con
sede-gaveta.
Como pode ser visto na Fig
com que a pressão atuante
que resulta na vedação do
e o corpo da válvula.
Figura 2-5.
-4. Detalhes da sede de uma válvula gaveta.
mecanismo de vedação, quando a válvula é
rencial de pressão criado através da gaveta
ede de jusante, promovendo desta maneira
ontato metálico entre as superfícies de vedaç
Figura 2-5, a disposição do selo labial na sede
nte no mesmo haja no sentido de expandir os
o espaço anular formado entre a face lateral d
. Sistema de vedação de uma válvula gaveta.
18
é levada para a
ta resulta na sua
ira a vedação de
ação na interface
de de jusante faz
os seus lábios, o
al da sede jusante
19
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.
2.1.2. 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:
20
Figura 2-6. Sistema de vedação da haste: conjunto de gaxetas e backseat.
2.1.3. 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.
21
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 válvula-
atuador 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.
22
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).
23
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.
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.
(a)
(b)
(c)
(d)
24
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 2-10. As válvulas do tipo FSO são normalmente
instaladas em equipamentos cuja prioridade é a garantia da produção, como manifolds
por exemplo.
Figura 2-10. Trem de acionamento de uma válvula gaveta FSO nas posições: (a) aberta,
(b) semi-fechada, (c) pinch-off e (d) completamente fechada.
(a)
(b)
(c)
(d)
25
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).
2.3. 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.
26
Figura 2-11. 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 “eletro-
hidráulico multiplexado” são os mais comumente empregados. Apenas para fins
didáticos, a seguir são apresentados uma breve descrição e os esquemáticos destes
sistemas mais comuns.
2.3.1. 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
esta razão, são tipicamen
poços satélites, que estão
em distâncias menores que
Conforme pode ser visto na
direto é bastante simples.
(DCV), localizada no painel
vermelha), é realizada a p
responsável pela atuação
atuador por exemplo.
No sentido contrário, alinha
de controle existente nes
unidade de potência hidráu
de produção, promovend
anteriormente.
Note que neste caso, a abe
pressurização e despressu
maior tempo de resposta pa
Figura 2-12. Esquemátic
ente aplicados no controle de equipamentos
ão ligados diretamente à unidade de produçã
ue 10 km.
na Figura 2-12, a operação do sistema de co
. Por meio do alinhamento da válvula de con
nel de controle da superfície, com a linha de su
pressurização de uma determinada manguei
ão de um determinado componente do siste
hando-se a DCV com a linha de retorno (linh
esta mangueira é então retornado para o
ráulica (HPU – Hydraulic Power Unit), localiza
ndo assim a desenergização do comp
bertura e fechamento do atuador são realizad
surização da mesma linha de controle, o que
para este sistema.
tico de um sistema de controle do tipo hidráulic
27
tos instalados em
ção e localizados
controle hidráulico
controle direcional
suprimento (linha
eira do umbilical,
istema, como um
nha azul), o fluido
o reservatório da
lizada na unidade
ponente atuado
ados por meio da
ue implica em um
lico direto. [3]
28
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.
2.3.2. 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 softwar