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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

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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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  • xvi

    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

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    a necessidade de

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    ma de produção

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    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]

    +

    �++

    (++

    %++

    '++

    �+++

    ��++

    �(++

    �%++

    -������������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