Novo conceito híbrido para acionamento de válvulas submarinas

Nos sistemas de produção submarina de petróleo e gás, uma “árvore de Natal” submarina é montada nas cabeças dos poços. Cada árvore controla a produção de petróleo e gás de seu respectivo poço por meio de múltiplas válvulas de processo. Cada válvula de processo é acionada por um atuador de válvula submarina (SVA) que deve ser capaz de fechar a válvula com segurança em todos os estados operacionais, mesmo durante falta de energia.

Os requisitos para sistemas de produção submarinos são extremamente altos. Disponibilidade operacional e segurança são especialmente importantes para sistemas subaquáticos que produzem petróleo e gás para proteger pessoas e ambientes. Além disso, proteger o mar da poluição causada pelo descarte de fluido hidráulico usado em SVAs convencionais também está se tornando uma prioridade fundamental.

Um novo conceito para um SVA híbrido combina eletromecânica e eletrohidráulica em uma unidade compacta para aplicações em águas profundas, como a operação de válvulas gaveta de 2" ( Figura 1). Este SVA híbrido foi projetado para atender aos requisitos de segurança até SIL3, suportar um pressão de até 300 bar em um ambiente de água salgada, consome até 75% menos energia e opera 24 horas por dia ao longo de uma vida útil de 25 anos com possibilidades limitadas de manutenção.

Eixos autônomos com acionamento hidrostático

O SVA recentemente desenvolvido oferece uma alternativa segura e com eficiência energética aos atuadores hidráulicos ou eletromecânicos tradicionais usados ​​anteriormente que abrem e fecham a válvula gaveta ( Figura 2). Os SVAs híbridos são módulos independentes com seu próprio circuito de fluido fechado contendo apenas alguns litros de fluido hidráulico ecologicamente correto. Um motor elétrico de velocidade variável aciona uma bomba hidráulica durável, que gera o fluxo necessário para acionar um cilindro hidráulico. A haste do cilindro é acoplada mecanicamente à haste da válvula gaveta do poço para abri-la ou fechá-la conforme necessário.

Uma válvula de segurança com uma mola mecânica dentro do SVA garante que o cilindro também se retraia com segurança para a posição à prova de falhas se a energia falhar, sem a necessidade de fonte de alimentação externa ou baterias. Além disso, o cilindro pode ser acionado externamente por um robô subaquático por meio de uma substituição. Todos os principais componentes do trem de acionamento são instalados de forma redundante. Ao todo, os SVAs oferecem segurança em diferentes níveis com os controles redundantes, a mola à prova de falhas e as opções de intervenção externa.

Os benefícios de um SVA híbrido são evidentes quando a solução é comparada com o estado atual da tecnologia do atuador. A grande maioria dos atuadores subaquáticos usados ​​globalmente ainda são baseados em hidráulica convencional. Esta estrutura comum provou sua durabilidade e segurança a longo prazo nos últimos 50 anos. No entanto, os operadores desejam reduzir o esforço necessário para gerenciar a válvula do poço porque a hidráulica convencional normalmente exige grandes unidades de energia hidráulica central (HPUs) na parte superior. Estes abastecem os atuadores da válvula do poço com fluido por meio de linhas, conhecidas como umbilicais, e jumpers que podem ter quilômetros de extensão. A uma profundidade de trabalho de 3.000 metros, várias centenas de litros de fluido podem se acumular apenas nas linhas. Além disso, essa configuração convencional requer acumuladores hidráulicos e válvulas direcionais adicionais para controlar e comandar a atuação.

Como alternativa, os fornecedores de equipamentos tentam projetar soluções puramente eletromecânicas. Estes só precisam ser fornecidos através de cabos de energia e conectados através de uma linha de dados a um módulo de controle do atuador (ACM) localizado na parte superior ou no fundo do mar. No entanto, por não terem opções de intervenção mecânica externa para ajustes, as soluções eletromecânicas apresentam desvantagens relacionadas à segurança. E devido à sua menor densidade de potência em relação aos sistemas hidráulicos, eles também exigem carcaças maiores e baterias elétricas. O projeto resulta em alto atrito, causando desgaste mecânico na transmissão de potência e reduzindo o período de operação necessário de 25 anos. Por essas razões, as soluções eletromecânicas estão em desvantagem crítica para aplicações submarinas quando é necessário um fechamento de emergência à prova de falhas.

Até 75% menos consumo de energia

O SVA híbrido combina os benefícios das soluções hidráulicas e eletromecânicas e elimina as desvantagens existentes. O circuito de fluido autônomo descentralizado significa que a HPU de topside, o módulo de controle hidráulico submarino e as linhas umbilicais de quilômetro de extensão não são mais necessários para o fluido. O SVA requer uma fonte de alimentação e linha de dados conforme especificado pela Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) - semelhante aos atuadores eletromecânicos.

Durante a operação, uma bomba hidráulica de deslocamento fixo/rotação variável de alta eficiência gera fluxo para acionar o cilindro de baixo atrito. O sistema hidráulico é simplificado porque não são necessárias válvulas proporcionais, o que aumenta significativamente a eficiência energética. Em comparação com atuadores puramente eletromecânicos, os SVAs consomem até 75% menos energia no desempenho máximo.

Considerando todos os atuadores utilizados para operar um campo submarino, pode-se obter uma grande economia de custos apenas para a infraestrutura elétrica (cabo de força, transformador, conversores de frequência, etc.) versus o uso de atuadores eletromecânicos, por exemplo ( Figura 3). O motor elétrico que aciona a bomba hidráulica pode então ser configurado consideravelmente menor, mas com a mesma força de ajuste dos atuadores, o que, por sua vez, economiza espaço e custos de instalação. Mais economias de custos também podem ser obtidas com a substituição do umbilical hidráulico por um umbilical elétrico, e não há necessidade de descartar o fluido hidráulico necessário para atuadores hidráulicos convencionais.

Além disso, o SVA oferece recursos de monitoramento de condições, com tecnologia de sensor integrada que registra continuamente os estados operacionais dentro do atuador e os relata ao controlador mestre de nível superior. As tendências podem então ser analisadas, permitindo que os desvios sejam identificados e resolvidos antecipadamente.

Tecnologia comprovada de aplicações industriais

O princípio de operação do SVA vem do uso aceito de eixos autônomos frequentemente encontrados em aplicações industriais. Os componentes individuais para o SVA são fabricados em grandes séries sob sistemas de gestão de qualidade, como os usados ​​em máquinas industriais. Essa padronização reduz custos e cria disponibilidade de longo prazo para produção. Além disso, os sensores e eletrônicos usados ​​no SVA têm confiabilidade comprovada de uso em aplicações de veículos automotivos. Quando necessário, foram feitas modificações nos componentes para se qualificar para uso em alto mar em profundidades de até 6.000 metros. O sistema e os componentes principais também atendem aos requisitos especiais das diferentes sociedades de classificação para uso marítimo, offshore e submarino.

Dentro do SVA, existem duas barras de sobrepressão em cada profundidade devido ao sistema redundante de compensação de pressão. Isso evita a penetração de água salgada e a necessidade de grandes caixas com design neutro em pressão. Além dos requisitos padrão, somente fiação e conexões com classificação submarina são usadas dentro do eixo. Todos os componentes elétricos que não são subaquáticos também são encapsulados mecânica e eletricamente com peças resistentes à pressão.

Trabalhando em estreita colaboração com os principais fornecedores e operadores de equipamentos, a mais recente tecnologia de simulação foi usada para criar a prova de conceito e protótipos para testes de campo. Essa tecnologia de acionamento inovadora combina o melhor da eletromecânica e hidráulica para ajudar a garantir um controle de movimento seguro e confiável no fundo do mar, ajudando a tornar realidade a visão de uma “fábrica totalmente submarina”.

Este artigo foi escrito pelo Dr. Alexandre Orth, Head of Marine &Subsea Technologies, e Amadeu Placido Neto, Engenheiro de Testes, na Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Para mais informações, visite aqui .