Estudo sobre a assinatura de pressão (atuação hidráulica) de uma ESDV através de um modelo matemático

Abstract

As válvulas de fechamento de emergência (ESDV) são utilizadas nos sistemas submarinos para promover a segurança da operação relacionada à extração e processamento dos fluidos como óleo e gás da indústria petroleira, principalmente os fluidos inflamáveis. O acionamento da ESDV se dá pela pressurização de um atuador hidráulico que promove o avanço de um pistão e na ausência de pressão, o retorno do mesmo é realizado pela força de uma mola. Estes movimentos são então convertidos em movimentos angulares que permitem a abertura ou o fechamento da válvula do tipo esfera. As pressurizações do atuador podem ser relacionadas com a integridade de operação do conjunto ESDV. Isto ocorre através de um gráfico denominado de assinatura de pressão por atuação hidráulica. Este tipo de gráfico pode indicar degradações do sistema, se elevadas pressões forem detectadas nos acionamentos. Algumas ESDVs se encontram instaladas sobre lâminas d’água profundas e ultraprofundas, com isso, a inspeção e manutenção dos componentes é mais trabalhosa se comparada com as SDV instaladas em superfície. Logo, a possibilidade de simular uma ESDV através de modelos matemáticos que resultem em uma assinatura de pressão e compará-la com a assinatura de uma ESDV, pode indicar se o equipamento está operando de forma aceitável Neste trabalho foi proposto um modelo matemático que simula a operação de uma ESDV com uma válvula esfera de 10 polegadas. O mecanismo de conversão de movimento do pistão hidráulico para a válvula neste modelo é o Scotch-Yoke. A validação do modelo matemático proposto foi realizada comparando-se as respostas simuladas com os dados de ensaio real de uma ESDV. Foram simuladas as alterações nos parâmetros construtivos e geométricos que compõem o modelo matemático que reproduzirá a ESDV, estas mudanças de parâmetros foram analisadas a fim de se concluir os seus impactos sobre a assinatura de pressão. O modelo reproduziu as assinaturas com uma boa concordância nos ambientes atmosféricos, para as comparações em ambientes hiperbáricos os maiores desvios foram obtidos ao se descontar a lâmina d’água de instalação sobre a ESDV. Para a variação dos parâmetros, grande parte apresentou uma correlação positiva entre as variações e as respostas dos pontos notáveis, com exceção de atritos que apresentam uma correlação positiva no avanço do pistão e negativa em seu retorno.

Emergency shut-down valves (ESDV) are used in subsea systems to provide the safety of operation related to the extraction and processing of fluids such as oil and gas from the oil industry, especially flammable fluids. The actuation of the ESDV is by the pressurization of a hydraulic actuator that promotes the forward stroke of a piston and in the absence of pressure, the return of the same is realized by the force of a spring. These movements are then converted into angular movements that allow the opening or closing of the ball-type valve. Actuator pressures may be related to the operating integrity of the ESDV assembly. This occurs through a so-called hydraulic pressure signature. This type of graph can indicate system degradations if high pressures are detected in the drives. Some ESDVs are installed on deep and ultra-deep water depths, so equipment inspection and maintenance is more troublesome compared to surface mounted SDVs. Therefore, the possibility of simulating ESDV through mathematical models that result in a pressure signature and comparing it with the signature of an ESDV can indicate if the equipment is operating in an acceptable manner. In this work we propose a mathematical model that simulates the operation of an ESDV with a ball valve of 10 inches The mechanism of movement conversion of the hydraulic piston to the valve in this model is the Scotch-Yoke. The validation of the proposed mathematical model was performed by comparing the simulated responses with the actual ESDV test data. It was simulated the changes in the constructive and geometric parameters that make up the mathematical model that will reproduce the ESDV, these changes of parameters were analyzed in order to conclude their impact on the signature of pressure. The model reproduced the signatures with a good concordance in the atmospheric environments, for the comparisons in hyperbaric environments the greatest deviations were obtained when discounting the installation water depths on the ESDV. For the variation of the parameters, a large part showed a positive correlation between the variations and the answers of the key points, except for frictions that present a positive correlation in the forward stroke of the piston and negative in its return.