BRPI1105387A2 - mÉtodo, unidade eletrânica com um gel lÍquido termicamente condutor e màdulo de controle submarino para uma instalaÇço de poÇo de hidrocarboneto - Google Patents
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Abstract
MÉTODO, UNIDADE ELETRâNICA COM UM GEL OU LÍQUIDO TERMICAMENTE CONDUTOR E MàDULO DE CONTROLE SUBMARINO PARA UMA INSTALAÇçO DE POÇO DE HIDROCARBONETO. É revelado um método que possibilita o resfriamento de componentes (5) de uma unidade eletrônica, que compreende fornecer um gel ou líquido termicamente condutor em contato com os componentes, Em um exemplo, a unidade é um módulo eletrônico que compreende um revestimento (1) que compreende material metálico e que aloja os componentes, em que o método compreende incluir tal líquido ou gel no revestimento em todo espaço dentro do revestimento separado dos componentes de modo que o calor dos componentes possa ser conduzido através do líquido ou gel para o revestimento.
Description
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"MÉTODO, UNIDADE ELETRÔNICA COM UM GEL OU LIQUIDO TERMICAMENTE CONDUTOR E MÓDULO DE CONTROLE SUBMARINO PARA UMA INSTALAÇÃO DE POÇO DE HIDROCARBONETO"
Campo Da Invenção
A presente invenção refere-se ao resfriamento de componentes de uma unidade eletrônica.
Antecedentes Da Invenção
Em sistemas marítimos de controle de produção de petróleo e gás, a maioria dos equipamentos é instalada no leito marinho. Tal equipamento submarino deve ser altamente confiável e operar abaixo da superfície de ambiente hostil e se exige que opere de modo satisfatório ao longo de uma vida de até 25 anos. Enquanto a exploração e a produção se movem para águas mais profundas, o ambiente marinho abaixo da superfície se torna mais hostil e os custos e riscos associados à intervenção e reparo ou substituição de equipamento falho aumentam consideravelmente. Para sistemas futuros, os operadores estão exigindo confiança aumentada e duração de vida útil do equipamento estendida dos 25 anos atuais para, possivelmente, 50 anos. Os modelos existentes encontrarão dificuldade para atender tal vida útil estendida e os projetistas precisarão encontrar métodos novos ou alternativos para estender a vida útil do equipamento. Em particular, haverá uma necessidade de encontrar métodos para aumentar a vida útil do equipamento eletrônico usado abaixo da superfície.
Como técnica anterior no campo do resfriamento de componentes em uma unidade eletrônica, podem ser mencionados: US-A-3.212.564; US-A-
3.784.885 4.689.720 5.105.337 7.733.651
US-A-4.149.219 US-A-4.855.870 US-A-5.247.425
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Descrição Resumida Da Invenção
De acordo com a presente invenção, a partir de um aspecto, é fornecido um método que possibilita o resfriamento de componentes de uma unidade eletrônica, que compreende fornecer um gel ou líquido termicamente condutor em contato com os componentes, sendo que a unidade é um módulo eletrônico que compreende um revestimento que compreende material metálico e que aloja os componentes, em que o método compreende incluir tal líquido ou gel no revestimento para carregar todo o espaço dentro do revestimento separado dos componentes de modo que o calor dos componentes possa ser conduzido através do líquido ou gel para o revestimento.
De acordo com a presente invenção, a partir de outro aspecto, é fornecida uma unidade eletrônica com um gel ou líquido termicamente condutor em contato com componentes da unidade para uso no resfriamento dos componentes, sendo que a unidade é um módulo eletrônico que compreende um revestimento que compreende material metálico e que aloja os ditos componentes, em que o líquido ou gel carrega todo o espaço dentro do revestimento separado dos componentes de modo que o calor dos componentes possa ser conduzido através do líquido ou gel para o revestimento.
A dita unidade poderia ser para uso abaixo dó nível do mar. Nesse caso, a dita unidade eletrônica poderia compreender um módulo eletrônico submarino usado ou para uso em um módulo de controle submarino de uma instalação de poço de hidrocarboneto.
Os ditos componentes poderiam compreender dispositivos eletrônicos em placas de circuito, pode poderiam ser transportados por meio de suporte metálico em contato térmico com o dito revestimento (como armações 3
de placa metálica que transportam as placas de circuito).
A presente invenção também compreende um módulo de controle submarino para uma instalação de poço de hidrocarboneto, que inclui um módulo eletrônico submarino de acordo com a invenção.
Há uma ampla evidência ao mostrar que a vida útil do equipamento
eletrônico depende da temperatura de operação dos componentes, mesmo quando os mesmos estão operando dentro de limites de temperatura operacional especificados pelo fabricante. É geralmente aceito pelos projetistas, que para cada aumento de 10°C na temperatura, a vida útil é reduzida aproximadamente em 50% e, de modo similar, reduzir a temperatura de operação aumenta a vida útil do equipamento. Uma realização dessa invenção envolve a inclusão de um gel eletricamente não condutor, termicamente condutor para carregar os espaços dentro de uma unidade eletrônica submarina. Tais unidades são, normalmente, unidades vedadas e, até o presente momento, foram pressurizadas com ar ou gás nitrogênio. O terá um coeficiente de transferência de calor elevado de modo que o calor seja transferido de forma mais eficaz de dispositivos eletrônicos para o revestimento da unidade eletrônica comparado ao ar ou ao gás nitrogênio pressurizado que carregaria normalmente os espaços. Isto terá o efeito de diminuir a temperatura de operação dos dispositivos eletrônicos, resultando em um aumento em sua vida útil e, portanto, na confiança do equipamento. Como tal, esta invenção é particular, mas não exclusivamente aplicável para uso em um módulo eletrônico submarino (SEM).
Breve Descrição Dos Desenhos A Figura 1 é uma seção longitudinal através de um SEM de acordo com a invenção;
A Figura 2 é uma seção transversal através do SEM.
Descrição de uma Realização da Invenção O equipamento abaixo da superfície de uma instalação de poço de hidrocarboneto submarina é usualmente montado em uma árvore de Natal instalada sobre o leito marinho e o controle e monitoramento de todos os processos de controle de poço, como abertura e fechamento de válvulas, é possível com o uso de um módulo de controle submarino (SCM) que também é montado usualmente which sobre a árvore de Natal. O SCM é uma unidade vedada independente que tem um revestimento de aço e o espaço dentro não é tomado pelo equipamento, o mesmo é carregado com óleo de isolamento, em que o propósito disto é pressurizar o sistema contra a pressão da água do mar externa e fornece um ambiente adequado para o equipamento seja que está montado sobre uma placa de base de metal.
Um SCM aloja um módulo eletrônico submarino (SEM), em que os propósitos principais disto são:
receber ordens de controle e potência do topside; fornecer mecanismos de acionamento para o controle dos atuadores de válvula que controlam as válvulas montadas sobre a árvore e no poço;e
receber dados analógicos da instrumentação do sensor montada sobre a árvore e no poço e transmitir esses dados para topside.
O SEM mostrado na Figura 1 é uma unidade independente vedada com um revestimento metálico cilíndrico 1. Até o presente momento, o revestimento 1 está, tipicamente, carregado de nitrogênio ou ar seco a uma pressão de uma atmosfera ã fim de fornecer um ambiente benigno para os dispositivos eletrônicos e elétricos internos. O mesmo consiste essencialmente em três seções:
uma montagem de extremidade frontal 2 que aloja um módulo
transformador;
uma estrutura de placa de abastecimento de potência 3 na qual são carregadas placas de circuito de diplexador ou de abastecimento de potência; e
estruturas de placa de controle de aquisição de dados 4 nas quais são carregadas placas de circuito impresso 5 associadas aos controles de atuador de válvula e aquisição de dados.
Os vários componentes no SEM incluem dispositivos eletrônicos
que são circuitos integrados de alta densidade e são, todos, componentes de padrão industrial e o módulo é projetado para operar acima dentre de uma faixa de uma temperatura de -18°C a + 70°C. O método principal de resfriamento dos dispositivos eletrônicos nas placas de circuito é através das estruturas de placas, que são de metal, e barras laterais de cobre que são carregadas na unidade através do revestimento externo e na placa de base do SCM, no qual o SEM está montado e que está na temperatura da água do mar externa.
Ao carregar os espaços 6 dentro do SEM, como aqueles entre as placas de circuito, e todos os outros espaços com um gel termicamente condutor não eletricamente condutor que tem um coeficiente de transferência de calor elevado, a transferência de calor para o revestimento metálico 1 do SEM é significativamente aumentada comparada a quando ar ou nitrogênio (que são condutores insatisfatórios de calor) é usado para carregar os espaços de ar. Deste modo, separado dos próprios componentes, todo o espaço dentro do revestimento 1 é carregado com o gel. A adição de um gel termicamente condutor dentro do SEM fornece duas rotas para a transferência de calor, por exemplo, dos dispositivos eletrônicos montados em placa de circuito para o revestimento do SEM - isto é, através das estruturas de placas de metal e barras laterais de cobre e através do gel termicamente condutor. O teste extensivo de SEMs existentes indica que a temperatura
de operação dos componentes eletrônicos é de aproximadamente 30°C quando carregados em um SCM submerso em água do mar a 4°C, a temperatura do mar esperada. Isto é uma temperatura diferencial de 26°C. Os cálculos térmicos com base nestes dados no SEM mostraram que, quando o calor é conduzido através das estruturas de placas de metal e barras laterais e através de um gel adequado, a temperatura de operação dos dispositivos eletrônicos pode ser reduzida em aproximadamente 10°C, dobrando potencialmente assim sua vida útil.
Várias formas de gel são adequadas. Um gel particularmente adequado é feito pela The Bergquist Company, of Bramenberg 9a, 3755 BT Eemmes, Holanda sob o nome "Gap Filler 11OOSF (Two-Part)" que é um material de carregamento de vão líquido livre de silicone termicamente condutor. Basicamente, o material começa como um gel e se cura em um elastômero flexível macio com uma espessura natural. É fácil aplicar, mas, uma vez curado, é de alguma forma similar a uma substância elástica, isto é, não submete os componentes ao estresse, mas não flui como um líquido, facilitando o manuseio e montagem. Seu uso proposto como um material termicamente condutor é tipicamente retirar as imperfeições entre um dispositivo eletrônico e seu dissipador de calor (que, no nível microscópico, tem bordas ásperas com bolsos de ar sendo formados). Este tipo de material é carregado nos vãos de ar, fornecendo uma transferência de calor mais satisfatória. Em contraste a isto, o gel usado de acordo com a invenção carrega todo o espaço dentro do revestimento de uma unidade eletrônica.
Como uma alternativa a um gel, um líquido termicamente condutor não eíétricamente condutor adequado pode ser usado, como um óleo não eletricamente condutor.
Vantagens da utilização da Invenção O uso desta invenção pode resultar nas seguintes vantagens
técnicas:
uma redução na temperatura de operação de dispositivos
eletrônicos; e é 'I J 7
uma confiança e expectativa de vida estendida de componentes eletrônicos submarinos
As vantagens comerciais que resultam desta invenção são: a programação de manutenção pode ser reduzida e os custos de ciclo de vida reduzidos; e
projetos de vida de campo mais longa se tornam viáveis.
Claims (11)
1. MÉTODO, que possibilita o resfriamento de componentes de uma unidade eletrônica, que compreende fornecer um gel ou líquido termicamente condutor em contato com os componentes sendo que a unidade é um módulo eletrônico que compreende um revestimento que compreende material metálico e que aloja os componentes, em que o método compreende incluir tal líquido ou gel no revestimento para carregar todo o espaço dentro do revestimento separado dos componentes de modo que o calor dos componentes possa ser conduzido através do líquido ou gel para o revestimento.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, sendo que a unidade é usada abaixo do nível do mar.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, sendo que a unidade eletrônica compreende um módulo eletrônico submarino usado 15 em um módulo de controle submarino de uma instalação de poço de hidrocarboneto.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, sendo que os ditos componentes compreendem dispositivos eletrônicos em placas de circuito.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, sendo que as ditas placas de circuito são transportadas pelo meio de suporte metálico em contato térmico com o dito revéstimento.
6. UNIDADE ELETRÔNICA COM UM GEL OU LÍQUIDO TERMICAMENTE CONDUTOR, em contato com componentes da unidade para uso no resfriamento dos componentes, sendo que a unidade é um módulo eletrônico que compreende um revestimento que compreende material metálico e que aloja os ditos componentes, em que o líquido ou gel carrega todo o espaço dentro do revestimento separado dos componentes de modo que o calor dos componentes possa ser conduzido através do líquido ou gel para o revestimento.
7. UNIDADE, de acordo com a reivindicação 6, para uso abaixo do nível do mar.
8. UNIDADE, de acordo com a reivindicação 7, sendo que a dita unidade eletrônica compreende um módulo eletrônico submarino para uso em um módulo de controle submarino de uma instalação de poço de hidrocarboneto.
9. UNIDADE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, sendo que os ditos componentes compreendem dispositivos eletrônicos em placas de circuito.
10. UNIDADE, de acordo com a reivindicação 9, sendo que as ditas placas de circuito são transportadas pelo meio de suporte metálico em contato térmico com o dito revestimento.
11. MÓDULO DE CONTROLE SUBMARINO PARA UMA INSTALAÇÃO DE POÇO DE HIDROCARBONETO, que inclui um módulo eletrônico submarino conforme definido na reivindicação 8 ou nas reivindicações 9 e 10 como dependente da reivindicação 8.
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