Conceito de Atuador Híbrido Aumenta Confiabilidade de Controle de Válvulas Submarinas

Em 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 através 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 todo estado operacional, mesmo durante falha de energia.

Os requisitos para sistemas de produção submarina 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 agora também está se tornando uma prioridade chave.

Um novo conceito para um SVA híbrido combina eletromecânica e eletro-hidráulica em uma unidade compacta para aplicações em águas profundas, como operação de válvulas gaveta de 2" (Figura 1). Este SVA híbrido é projetado para atender requisitos de segurança até SIL3, suportar pressão externa de até 300 bar em ambiente de água salgada, consumir até 75 por cento menos energia, e operar 24 horas por dia por uma vida útil de 25 anos com possibilidades limitadas de manutenção.

Eixos Autocontidos com Acionamento Hidrostático

O SVA recentemente desenvolvido fornece uma alternativa eficiente em energia e segura aos atuadores hidráulicos ou eletromecânicos tradicionais anteriormente usados que abrem e fecham a válvula gaveta (Figura 2). SVAs híbridos são módulos autocontidos com seu próprio circuito de fluido fechado contendo apenas alguns litros de fluido hidráulico ambientalmente amigável. 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 mecanicamente acoplada com a haste da válvula gaveta do poço para abri-la ou fechá-la conforme necessário.

Uma válvula de segurança com mola mecânica dentro do SVA garante que o cilindro também se retraia com segurança para a posição de falha segura se a energia falhar, sem necessidade de fonte de energia externa ou baterias. Além disso, o cilindro pode ser acionado externamente por um robô subaquático via override. Todos os componentes-chave do trem de força são instalados de forma redundante. Em conjunto, SVAs fornecem segurança em diferentes níveis com controles redundantes, mola de falha segura e opções de intervenção externa.

Os benefícios de um SVA híbrido são evidentes quando a solução é comparada com o estado atual da tecnologia de atuadores. A grande maioria dos atuadores subaquáticos usados globalmente ainda é baseada em hidráulica convencional. Esta estrutura comum provou sua durabilidade e segurança a longo prazo nos últimos 50 anos. No entanto, operadores querem reduzir o esforço necessário para gerenciar a válvula do poço porque a hidráulica convencional tipicamente requer grandes unidades centrais de potência hidráulica (HPUs) no topside. Estas fornecem fluido aos atuadores de válvula do poço via linhas, conhecidas como umbilicais, e jumpers que podem ter quilômetros de comprimento. Em profundidade de trabalho de 3.000 metros, vários centenas de litros de fluido podem se acumular apenas nas linhas. Além disso, aquela configuração convencional requer acumuladores hidráulicos adicionais e válvulas direcionais para controlar e comandar a atuação.

Como alternativa, fornecedores de equipamentos tentam projetar soluções puramente eletromecânicas. Estas só precisam ser alimentadas via cabos de energia e conectadas via linha de dados a um módulo de controle de atuador (ACM) localizado no topside ou no leito marinho. No entanto, como não têm opções para intervenção mecânica externa para ajustes, soluções eletromecânicas têm desvantagens relacionadas à segurança. E devido à sua menor densidade de potência vs. sistemas hidráulicos, também requerem carcaças maiores e baterias elétricas. O design resulta em alto atrito, causando desgaste mecânico na transmissão de potência e reduzindo o período de operação de 25 anos requerido. Por estas razões, soluções eletromecânicas estão em desvantagem crítica para aplicações submarinas quando um fechamento de emergência à prova de falhas é necessário.

Até 75 Por Cento Menos Consumo de Energia

O SVA híbrido combina os benefícios de ambas as soluções hidráulica e eletromecânica e elimina desvantagens existentes. O circuito de fluido descentralizado e autocontido significa que a HPU no topside, módulo de controle hidráulico submarino e linhas umbilicais de quilômetros não são mais necessários para o fluido. O SVA requer uma fonte de alimentação e linha de dados conforme especificado pela Padronização de Interface de Instrumentação Submarina (SIIS) — similar aos atuadores eletromecânicos.

Durante 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 válvulas proporcionais não são necessárias, o que aumenta significativamente a eficiência energética. Comparado com atuadores puramente eletromecânicos, SVAs consomem até 75 por cento menos potência no pico de desempenho.

Considerando todos os atuadores usados para operar um campo submarino, uma enorme economia de custo para a infraestrutura elétrica sozinha (cabo de energia, transformador, conversores de frequência, etc.) pode ser obtida vs. usando atuadores eletromecânicos, por exemplo (Figura 3). O motor elétrico acionando 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 de instalação e custos. Mais economia de custo também pode ser realizada substituindo o umbilical hidráulico por um umbilical elétrico, e não há necessidade de descartar fluido hidráulico requerido para atuadores hidráulicos convencionais.

Além disso, o SVA oferece capacidades de monitoramento de condição, com tecnologia de sensor embutida que registra continuamente os estados operacionais dentro do atuador e os reporta ao controlador mestre de nível superior. Tendências podem então ser analisadas, permitindo que desvios sejam identificados e resolvidos cedo.

Tecnologia Comprovada de Aplicações Industriais

O princípio de operação para o SVA vem do uso aceito de eixos autocontidos frequentemente encontrados em aplicações industriais. Componentes individuais para o SVA são fabricados em séries de larga escala sob sistemas de gestão de qualidade como os usados em máquinas industriais. Esta padronização reduz custos e cria disponibilidade a longo prazo para produção. Além disso, os sensores e eletrônicos usados no SVA têm confiabilidade comprovada de uso em aplicações de veículos automotivos. Onde necessário, modificações foram feitas nos componentes para qualificar para uso em águas profundas em profundidades até 6.000 metros. O sistema e componentes principais também atendem requisitos especiais das diferentes sociedades de classificação para uso marinho, offshore e submarino.

Dentro do SVA, há duas barras de sobrepressão em cada profundidade por causa do sistema redundante de compensação de pressão. Isso previne a penetração de água salgada e a necessidade de grandes carcaças com design neutro à pressão. Além dos requisitos padrão, apenas fiação e conexões classificadas para submarino são usadas dentro do eixo. Todos os componentes elétricos que não são classificados para submarino também são mecanicamente e eletricamente encapsulados com partes resistentes à pressão.

Trabalhando de perto com fornecedores de equipamentos e operadores líderes, a mais recente tecnologia de simulação foi usada para criar prova de conceito e protótipos para testes de campo. Esta tecnologia de acionamento inovadora combina o melhor da eletromecânica e hidráulica para ajudar a garantir controle de movimento seguro e confiável no leito marinho, ajudando a tornar realidade a visão de uma "fábrica totalmente submarina".

Este artigo foi escrito por Dr. Alexandre Orth, Chefe de Tecnologias Marinha e Submarina, e Amadeu Placido Neto, Engenheiro de Teste, na Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Para mais informações, visite aqui .