BRPI0201902B1 - elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório - Google Patents
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Abstract
"membro de acoplamento hidráulico submarino provisório". um membro de acoplamento hidráulico submarino provisório é apresentado de modo a proteger um membro de acoplamento hidráulico submarino contrário quando os tubos hidráulicos não estão em operação. o membro de acoplamento hidráulico submarino provisório tem uma câmara de expansão de deslocamento de água com um pistão no mesmo que permite que a água presa e/ou o ar preso se movimente da câmara de entrada para a câmara de expansão de deslocamento de água durante a conexão do membro de acoplamento provisório ao membro de acoplamento contrário.
Description
“ELEMENTO DE ACOPLAMENTO HIDRÁULICO SUBMARINO PROVISÓRIO” FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção A presente invenção refere-se, de modo geral, a acoplamentos hidráulicos e, especificamente, a acoplamentos hidráulicos usados em aplicações de perfuração e produção submarinas. Mais particularmente, a presente invenção se refere a um elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório usado para proteger um elemento de acoplamento contrário estacionado no fundo do mar. 2. Descrição da Técnica Relacionada Os acoplamentos hidráulicos submarinos são antigos na técnica. Os acoplamentos, de modo geral, consistem de um elemento macho e de um elemento fêmea com passagens para fluido vedadas que se conectam entre si. O elemento fêmea, de modo geral, é um corpo cilíndrico com um furo longitudinal de diâmetro relativamente grande em uma extremidade e um furo longitudinal de diâmetro relativamente pequeno em uma outra extremidade. O furo pequeno facilita a conexão com tubos hidráulicos, enquanto o furo grande veda e engata de forma deslizante o elemento macho do acoplamento. O elemento macho inclui uma parte cilíndrica em uma extremidade, tendo um diâmetro externo aproximadamente igual ao diâmetro do furo grande do elemento fêmea do acoplamento. O elemento macho inclui ainda uma conexão em sua outra extremidade de modo a facilitar a conexão com tubos hidráulicos. Quando a parte cilíndrica do elemento macho é inserida no furo grande do elemento fêmea, de acordo com as várias modalidades do dispositivo, um fluxo de fluido se estabelece entre os elementos macho e fêmea. Diversos acoplamentos deste tipo encontram-se mostrados nas patentes pertencentes à National Coupling Company, Inc., de Stafford, Texas.
Nas aplicações de perfuração e produção submarinas, o elemento macho do acoplamento pode ser conectado a uma chapa de tubulação ou à outra fixação em um local submarino dentro ou fora de um furo de poço. Em muitos casos, os elementos macho ficam posicionados de modo que a extremidade ou a face dianteira de cada um dos elementos aponte verticalmente para cima a partir do fundo do mar. Os elementos fêmea, que podem também ficar presos em uma chapa de tubulação, se movimentam para posição sobre os elementos macho e em seguida baixados sobre os elementos macho por um mergulhador ou por um veículo submarino, como, por exemplo, um ROV (veículo de operação remota). Quando os elementos fêmea são posicionados sobre os elementos macho, o fluxo de fluido hidráulico tipicamente vai do elemento fêmea para o elemento macho de cada acoplamento. Tipicamente, um ou ambos os elementos de acoplamento possuem válvulas de gatilho.
Cada válvula de gatilho tipicamente inclui uma face de válvula cônica que se assenta, na posição fechada, contra um assento de válvula do elemento de acoplamento. A válvu- Ia de gatilho se abre de modo a permitir o fluxo do fluido, e se fecha contra o assento de válvula dentro do furo a fim de prender o fluxo. De modo geral, a válvula de gatilho é polarizada à mola para uma posição fechada. A válvula pode incluir um atuador de válvula que pode ser um bico ou haste que se estende a partir do ápice da face de válvula ao longo do eixo geométrico longitudinal dà válvula de gatilho.
Quando os elementos de acoplamento macho e fêmea se desconectam, os elementos de acoplamento macho tipicamente permanecem no mar, e os elementos de acoplamento fêmea são recuperados. Com freqüência, os furos de poço nos quais os acoplamentos são posicionados contêm resíduos. O elemento macho, que permanece no mar quando o acoplamento é desconectado, fica sujeito ao acúmulo de resíduos nas passagens de fluxo expostas quando é desconectado do elemento fêmea. Os resíduos podem contaminar o fluido hidráulico ou provocar o desgaste das vedações e das superfícies de vedação nos acoplamentos hidráulicos e no sistema hidráulico. Além disso, os elementos de acoplamento que permanecem no mar ficam sujeitos ao crescimento marinho, à areia, ao limo, e a outros impactos mecânicos a menos que haja alguma forma de proteção. A fim de reduzir ou impedir danos ao elemento de acoplamento que permanece submarino, elementos de acoplamento provisórios são usados. Um elemento de acoplamento provisório se conjuga ao elemento de acoplamento contrário, mas o elemento provisório não se conecta aos tubos hidráulicos e, portanto, não funciona no sentido de conduzir o fluido hidráulico através do sistema. Em contrapartida, o elemento de acoplamento provisório protege o elemento de acoplamento contrário quando o tubo hidráulico através deste acoplamento não se encontra em uso.
Tipicamente, os elementos de acoplamento submarinos provisórios são o elemento de acoplamento fêmea, uma vez que o elemento de acoplamento macho permanece no mar. Os elementos de acoplamento fêmea provisórios podem ter uma ou mais vedações em uma câmara de entrada, e estas vedações engatam o elemento macho quando o elemento macho entra na câmara de entrada. Os elementos de acoplamento fêmea provisórios podem ter ainda um furo e/ou uma passagem de ventilação que se estende entre a câmara de entrada e uma superfície externa do corpo do elemento de acoplamento provisório de entrada. Isto permite que a água do mar presa e/ou o ar preso na câmara de entrada vaze para fora da câmara de entrada do elemento de acoplamento provisório quando o mesmo engata o elemento de acoplamento oposto. No entanto, o furo ou passagem de ventilação pode ainda ficar sujeito ao ingresso de limo, resíduos, etc, com uma proteção menos eficaz do elemento de acoplamento oposto. A menos que a água do mar presa ou o ar preso seja deixado vazar da câmara de entrada, poderá ser muito difícil ou impossível fazer uma combinação completa do elemento de acoplamento provisório com o elemento de acoplamento oposto. Uma outra conseqüên- cia indesejável que pode acontecer caso a água do mar presa ou o ar preso não consiga vazar ocorre devido à pressão aumentada, que pode forçar a válvula de gatilho do elemento de acoplamento contrário a ficar aberta e deixar a água do mar presa ou o ar preso entrar nos tubos hidráulicos. A desconexão do elemento de acoplamento provisório do elemento oposto pode ser também difícil em função de uma trava hidráulica.
Sendo assim, um elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório é necessário a fim de evitar que resíduos e crescimento marinho e outros objetos danifiquem o elemento de acoplamento que permanece submarino, e que também permita que o elemento de acoplamento provisório se engate e desengate do elemento oposto sem resistência em função da água do mar presa e/ou do ar preso. A Patente U.S. N° 5.692.583, de Robert E. Smith III, cedida à National Coupling Company, Inc., não mostra um elemento de acoplamento provisório, mas mostra um elemento de acoplamento hidráulico submarino com passagens de fluxo anguladas no corpo do elemento macho a fim de ajudar a impedir o ingresso de resíduos. Quando o elemento fêmea é fixado ao elemento macho, a pressão hidráulica através dos canais de fluxo angulados e contra a face da válvula de gatilho impulsiona a válvula de gatilho do elemento macho a abrir, a fim de permitir que o fluido flua entre os elementos de acoplamento. A válvula de gatilho em combinação com os canais de fluxo angulados do corpo do elemento macho ajuda a impedir o ingresso de resíduos, e ao mesmo tempo permite que a pressão de fluido hidráulica aprisionada sangre para fora quando os elementos de acoplamento são desco-nectados.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção trata de um elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório, tendo uma câmara de expansão de deslocamento centro-axial de água e um pistão para a variação do volume da câmara de expansão de deslocamento de água em resposta às pressões que atuam sobre as faces opostas do pistão. Quando o elemento de acoplamento provisório é conectado a um elemento de acoplamento oposto no fundo do mar, a água do mar e/ou o ar da câmara de entrada do elemento provisório se desloca pela ação do elemento de acoplamento oposto. A água do mar e/ou o ar entra na câmara de expansão de deslocamento de água, e o pistão permite que o volume daquela câmara aumente como um resultado da pressão da água do mar deslocada e/ou do ar que atua sobre a face frontal do pistão até que a câmara atinja o volume requerido para uma pressão de equilíbrio.
Quando o elemento de acoplamento provisório se desconecta do elemento de acoplamento oposto no fundo do mar, a pressão da água do mar que atua sobre a face traseira do pistão tende a impulsionar o pistão no sentido de diminuir o volume da câmara de expansão de deslocamento de água, permitindo, assim, que a água do mar presa e/ou o ar preso impeça a formação de vácuo na câmara de entrada. O pistão diminui o tamanho da câmara de expansão de deslocamento de água até que a mesma atinja o volume requerido para um equilíbrio de pressão.
BREVE DESCRICÃQ DOS DESENHOS
Os desenhos a seguir fazem parte do presente relatório descritivo e são incluídos no sentido de melhor demonstrar determinados aspectos da presente invenção. A presente invenção pode ser melhor entendida por meio da referência a um ou mais desenhos em combinação com a descrição detalhada das modalidades específicas aqui apresentadas. A Figura 1 é uma vista em corte de um elemento de acoplamento fêmea provisório de acordo com uma primeira modalidade preferida da presente invenção. A Figura 2 é uma vista em corte de um elemento de acoplamento fêmea provisório de acordo com uma segunda modalidade preferida da presente invenção.
DESCRICÃQ DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS O elemento de acoplamento provisório 10 de acordo com uma primeira modalidade preferida da presente invenção tem uma primeira extremidade 12 e uma segunda extremidade 13, e uma câmara de entrada 11 para a entrada do elemento de acoplamento macho oposto na mesma. O elemento macho (não mostrado) tipicamente fica posicionado no fundo do mar e, em alguns casos, volta-se para cima a partir do fundo do mar de modo que a face dianteira do elemento de acoplamento macho fique voltada para cima. Os elementos de a-coplamento macho ficam normalmente fixados a uma chapa de tubulação por meio do uso de vários dispositivos, como, por exemplo, parafusos de ajuste ou roscas, e os elementos de acoplamento fêmea ficam com freqüência fixados a uma chapa de tubulação oposta. As técnicas para a fixação dos elementos de acoplamento hidráulico às chapas de tubulação são bem conhecidas àqueles versados na técnica. A câmara de entrada do elemento de acoplamento fêmea provisório pode ter uma ou mais vedações na mesma, de modo a engatar e vedar o elemento macho. Na modalidade da Figura 1, o elemento de acoplamento fêmea provisório inclui uma vedação de metal energizada por pressão 17 que fica presa na superfície de ombro 70 por meio de um retentor 15. O retentor pode ser um corpo em forma de luva roscado no elemento fêmea, ou o retentor pode ser um retentor de duas peças com uma peça tendo um interajuste deslizante com a parede cilíndrica 28 da câmara de entrada e inserido na câmara de entrada até que o mesmo se apóie no ombro interno 18, e uma segunda peça roscada à parede da câmara de entrada. Uma vedação elastomérica 16 pode ser posicionada entre as duas peças. A vedação elastomérica, em uma modalidade preferida, tem um interajuste em malhete com o retentor de duas peças. A câmara de entrada termina no ombro interno 70.
Adjacente à câmara de entrada fica a primeira seção 14 e uma segunda seção 27 da câmara de expansão de deslocamento de água. Embora a câmara de expansão de deslocamento de água na modalidade da Figura 1 seja mostrada tendo uma primeira seção com um diâmetro menor e uma segunda seção com um diâmetro maior, a presente invenção contempla ainda que a câmara tenha um único diâmetro uniforme, ou mais de dois diâmetros se desejado. Na modalidade da Figura 1, a primeira seção da câmara de expansão de deslocamento de água tem um ombro inclinado 19.
Na Figura 1, o pistão 20 fica posicionado na segunda seção da câmara de expansão de deslocamento de água, e encontra o ombro interno 29 a menos que uma pressão da água ou do ar significativamente maior atue sobre a face frontal 21 do pistão. A mola 24 impulsiona o pistão contra o ombro 29. A mola 24 fica ancorada pelo colar 25 que pode ser roscado ou de outra forma engatado na segunda seção da câmara de expansão de deslocamento de água adjacente à segunda extremidade 13 do elemento de acoplamento fêmea provisório. O colar é um elemento em forma de luva tendo um furo interno 26 através do mesmo a fim de permitir a entrada de água na segunda seção da câmara de expansão de deslocamento de água e exercer uma pressão contra a face traseira 22 do pistão. O pistão que desliza no sentido longitudinal na câmara de expansão de deslocamento de água deve prover uma vedação deslizante com as paredes da câmara, e, na modalidade da Figura 1, uma vedação anular 23 é mostrada a fim de se prover tal vedação.
Quando o elemento de acoplamento fêmea do acoplamento provisório é conectado a um elemento de acoplamento oposto no fundo do mar, a água e/ou o ar da câmara de entrada 11 é forçada a partir da câmara de entrada para a primeira seção 14 da câmara de expansão de deslocamento de água. A pressão da água e/ou do ar adicional que atua sobre a face frontal 21 do pistão 20 impulsionará o pistão para a segunda extremidade 13, expandindo a câmara de expansão de deslocamento de água até que apresente um volume suficiente. O pistão continua a expandir a câmara de expansão de deslocamento de água até que a pressão da água e/ou do ar que atua sobre a face frontal do pistão se equilibre com relação à pressão da água do mar e à mola 24 que atua sobre a face traseira 22. Em uma modalidade preferida, o diâmetro do pistão é o mesmo ou substancialmente igual ao diâmetro do elemento macho que entra na câmara de entrada, a fim de equilibrar a pressão durante a conexão e desconexão do elemento macho com o elemento de acoplamento fêmea provisório.
Quando o elemento de acoplamento provisório é desconectado do elemento de a-coplamento oposto, um vácuo é criado na câmara de entrada e a água e/ou o ar da câmara de expansão de deslocamento de água encherá este vazio e evitará uma trava hidráulica. Isto resulta em que a pressão submarina que atua sobre a face traseira do pistão exceda a pressão que atua sobre a sua face frontal. O pistão então se movimenta para a primeira extremidade do elemento de acoplamento provisório, até que a pressão fique igualada.
Agora, com referência à Figura 2, uma segunda modalidade preferida é mostrada com o elemento de acoplamento fêmea provisório 40 tendo uma primeira extremidade 42, uma segunda extremidade 43 e uma câmara de entrada 41 para conexão a um elemento de acoplamento macho. O retentor 45 fica engatado no elemento de acoplamento fêmea provisório adjacente à primeira extremidade de modo a prender a vedação de metal anular 47 no ombro 80. O retentor pode ser um retentor de uma peça ou um retentor de duas peças tendo uma primeira peça em engate deslizante com a parede de câmara de entrada 58 até que se apóie ao ombro 48. A vedação elastomérica 47 fica presa entre as duas peças do retentor. A câmara de entrada termina no ombro 81.
Na modalidade da Figura 2, uma válvula de gatilho 60 é provida na primeira seção 44 da câmara de expansão de deslocamento de água. A válvula de gatilho é impulsionada pela mola de válvula 61 para a posição fechada contra o ombro inclinado 49. A mola de válvula fica presa pelo colar 62, e o'grampo de colar 63 engata a parede da primeira seção da câmara de expansão de deslocamento de água. Nesta modalidade, quando o elemento de acoplamento fêmea provisório é conectado ao elemento macho, a água e/ou o ar da câmara de entrada exerce uma pressão contra a válvula de gatilho 60 a fim de impelir a válvula de gatilho a abrir, entrando na câmara de expansão de deslocamento de água.
Ainda, com referência à Figura 2, o pistão 50 desliza na segunda seção 57 da câmara de expansão de deslocamento de água. A mola 54 impulsiona a face frontal 51 do pistão para o ombro 59. O pistão se movimenta em uma relação deslizante com a parede cilíndrica 57 e tem uma vedação anular 53 para vedar a parede. A mola fica ancorada pelo colar 55 adjacente à segunda extremidade 43 do elemento de acoplamento provisório. A água que entra no furo de saída 56 do colar 55 atua contra a face traseira 52 do pistão, até que a pressão sobre cada lado do pistão esteja equilibrada.
Embora variações na modalidade da presente invenção não possam cada qual realizar todas as vantagens da presente invenção, determinados aspectos podem se tornar mais importantes do que outros nas diversas aplicações do dispositivo. A presente invenção, por conseguinte, deve ser entendida como limitada apenas pelo escopo das reivindicações em apenso.
Claims (5)
1. Elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório (10), CARACTERIZADO por: (a) uma câmara de entrada (11) dimensionada para receber um elemento de acoplamento oposto, a câmara de entrada estando interconectada a uma câmara de expansão de deslocamento centro-axial de água (14, 27) tendo um volume interno maior do que o da câmara de entrada; (b) um pistão (20) posicionado na câmara de expansão de deslocamento de água, o pistão tendo uma face frontal (21) e uma face traseira (22), o pistão sendo deslizável em resposta à pressão que atua contra a face frontal (21) e a face traseira (22) a fim de permitir que a água e/ou o ar se movimente entre a câmara de entrada (11) e a câmara de expansão de deslocamento de água; e (C) uma mola (24) configurada de modo a exercer uma pressão contra a face traseira (22) do pistão.
2. Elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório (10) de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a câmara de expansão de deslocamento de água tem uma primeira seção (14) e uma segunda seção (27), a primeira seção (14) tendo um diâmetro menor do que a segunda seção (27).
3. Elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório (10) de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de compreender uma vedação deslizante (23) entre o pistão (20) e a câmara de expansão de deslocamento de água (14).
4. Elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório (10) de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de compreender uma válvula de gatilho (60) normalmente fechada na câmara de expansão de deslocamento de água, a válvula de gatilho (60) impedindo que a água e/ou o ar se movimente entre a câmara de entrada (11) e a câmara de expansão de deslocamento de água (14) na posição fechada, a válvula de gatilho (60) podendo se abrir em resposta à pressão aumentada da água e/ou do ar na câmara de entrada (11) que atua sobre a mesma.
5. Elemento de acoplamento hidráulico submarino provisório (40) de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de compreender um corpo com um furo interno escalonado (56) que se estende através do mesmo a partir de uma primeira extremidade (42) para uma segunda extremidade (43) do mesmo, o furo (56) compreendendo uma câmara de entrada centro-axial (41) adjacente à primeira extremidade e uma câmara de expansão de deslocamento de água centro-axial (57) adjacente à segunda extremidade (43) e em comunicação fluida com a câmara de entrada (41), um pistão (50) deslizável na câmara de expansão de deslocamento de água (57), o pistão tendo uma face frontal (51) voltada para a primeira extremidade (42) do furo (56) e uma face traseira (52) voltada para a segunda extremidade (43) do furo (56), o pistão (50) sendo deslizável em resposta à pressão da água e/ou do ar que atua contra a face frontal (51) e a face traseira (52) do mesmo, a fim de permitir que a água e/ou o ar da câmara de entrada (41) entre ou saia da câmara de expansão de deslocamento de água (57), e uma mola (24) configurada de modo a exercer uma pressão contra a face traseira (22) do pistão.
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