Estudo e proposição de superfícies técnicas de vedações metálicas de válvulas do tipo gaveta para instalações de petróleo e gás

Abstract

O setor de petróleo e gás é um dos segmentos que mais empregam válvulas em seu processo produtivo, onde esses dispositivos desempenham papel fundamental na produtividade e segurança das instalações. Um dos tipos de válvulas mais utilizados neste setor é a de gaveta em cunha, no qual o obturador realiza movimento linear de deslizamento em relação aos anéis sedes, para abrir e fechar a válvula. A presente tese aborda estudos relacionados as superfícies de vedações de válvula de gaveta em cunha, padrão construtivo API 602, aplicadas em refinarias, plataformas e gasodutos em instalações de petróleo onshore. Os pares tribológicos avaliados foram formados por aço inoxidável martensítico com 13Cr, variando os processos de endurecimento superficial nas condições: (A) tratado termicamente, (B) revestimento de Stellite 6 depositado por soldagem por plasma com arco transferido (PTAW) (C) Stellite 6 aplicado por meio de aspersão oxicombustível de alta velocidade (HVOF) e (D) revestimento de carbeto de tungstênio-cobalto-cromo (WC-10Co-4Cr) também depositado por HVOF. Assim, foram formados os pares (cunha/sedes): A/B, B/B, C/B e D/B. Os pares A/B e B/B são previstos em normas de válvulas gaveta, porém são escassos na literatura estudos que abordam as interações dessas superfícies quando empregadas em válvulas. Os pares C/B e D/B consistem em inovações do presente estudo, pois estas superfícies ainda não são previstas e aplicadas em válvulas de gaveta em cunha para instalações de petróleo onshore. Inicialmente foram realizados ensaios do tipo pino sobre disco e pino sobre placa plana, em tribômetros, para analisar qualitativamente e quantitativamente o desempenho dos pares tribológicos supracitados. Posteriormente, foram realizados ensaios cíclicos de abertura e fechamento de válvulas, com tomadas de pressão máxima de trabalho, em protótipos de válvulas de gaveta em cunha, diâmetro nominal de passagem 1", classe de pressão CL800, a fim de avaliar o desempenho das superfícies técnicas mencionadas em uma simulação de aplicação real. Com os resultados obtidos, é possível indicar a aplicação de cada par tribológico conforme as necessidades das operações. Além disso, os pares tribológicos propostos mostraram-se potencialmente promissores para aumentar a vida útil do equipamento, reduzir o consumo de materiais e minimizar os níveis de desgaste provocados pelos acionamentos das válvulas.

The oil and gas sector are one of the segments that most employ valves in its production process, where these devices play a fundamental role in the productivity and safety of installations. One of the most common valves used in this sector is the wedge gate valve, in which the obturator performs a linear sliding movement about the seat rings to open and close the valve. This thesis addresses studies about sealing surfaces of wedge gate valves, with construction standard API 602, applied in refineries, platforms, and gas pipelines in onshore oil installations. The tribological pairs evaluated were formed by martensitic stainless steel with 13Cr, varying the surface hardening processes under the conditions: (A) heat treated, (B) Stellite 6 coating deposited by plasma transferred arc welding (PTAW), (C) Stellite 6 applied through highvelocity oxygen fuel (HVOF) and (D) tungsten carbide (WC-10Co-4Cr) coating also deposited by HVOF. Thus, pairs (wedge/seats) were formed: A/B, B/B, C/B, and D/B. A/B and B/B pairs are provided for gate valve standards, but studies that address the interactions of these surfaces when used in valves are scarce in the literature. The C/B and D/B pairs are innovations from the present study, as these surfaces are not yet foreseen and applied in wedge gate valves for onshore petroleum installations. Initially, pin-on-disc and ball-on-flat tests were carried out in tribometers to analyze the performance of the tribological pairs qualitatively and quantitatively. Subsequently, cyclic valve opening and closing tests were carried out, with maximum working pressure, on prototype wedge gate valves, nominal pipe size 1", pressure class CL800, to evaluate the technical surfaces' performance in a real application simulation. With the results obtained, it is possible to indicate the application of each tribological pair according to the needs of the operations. Furthermore, the proposed tribological pairs proved to be potentially promising for increasing the useful life of the equipment, reducing material consumption, and minimizing the levels of wear caused by valve actuations.