Estudo numérico e experimental de assinaturas de torque de acionamento em válvulas de esfera industriais - predição de condições de operação eavaliação de falhas em serviço

Abstract

Válvulas são componentes essenciais nas indústrias e seus diversos processos produtivos. Cumprem um papel chave na regulação e controle do fluxo de fluidos nas mais variadas condições e meios. Dentro deste cenário, sendo muitas vezes as responsáveis pelo controle refinado dos processos, sua confiabilidade e correto desempenho ao longo de seu tempo de vida útil projetada é uma questão primordial de forma a garantir a disponibilidade, produtividade, economia e segurança dos sistemas de produção. Diversas técnicas e metodologias tanto de inspeção como de monitoramento foram e continuam sendo desenvolvidas com o intuito de diagnosticar, prever e quantificar o desempenho de tais equipamentos em condições de operação e desta forma detectar e identificar comportamentos anormais, defeitos, ou degradações e permitir prever, com antecedência, sucessos e falhas que afetem seu desempenho e funcionalidade. Cada uma destas técnicas, empregadas muitas vezes de forma combinada, baseia-se em variáveis ou parâmetros específicos do equipamento como critério de avaliação do desempenho. Um destes parâmetros é o esforço necessário para o comando ou acionamento de uma válvula, representando não somente uma medida necessária quanto a projeto, seleção e dimensionamento, tanto dela como de seu acionador, mas também uma variável diretamente relacionada ao estado de seus componentes mecânicos internos, mostrando-se consequentemente como uma característica indicativa de sua condição. Através destes conceitos se prevê desenvolver ferramentas e recursos que auxiliem na prevenção e identificação de problemas e falhas, possibilitando melhoras na eficiência e segurança dos processos em que atuam. Este trabalho está centrado no estudo das características operacionais de um projeto de válvulas de esfera do tipo flutuante, prevista com vedações poliméricas, projetadas e destinadas para aplicação na indústria de petróleo e gás. Foram conduzidos ensaios experimentais de assinaturas de torque de acionamento de protótipo, cujos resultados foram ulteriormente empregados na construção e calibração de modelos de elementos finitos do processo de acionamento destas. Tais modelos foram capazes de prever corretamente as respostas de assinatura e comportamento do protótipo para os diversos parâmetros de operação. Posteriormente, o estudo teórico e analítico sobre casos de falha em válvulas e os fenômenos de desgastes associados a estes, junto à construção de novos modelos numéricos com parâmetros alterados representando a presença de defeitos, possibilitaram a previsão de assinaturas de válvulas sobre condições de falha. Os resultados obtidos nas precedentes análises permitiram a construção de perfis característicos de assinatura de torque de operação. Estes constituíram finalmente o fundamento deste trabalho, comprovando a 8 aptidão da utilização de assinaturas como parâmetro de diagnóstico e avaliação do desempenho de válvulas industriais e permitindo propor uma metodologia para a caracterização e identificação da condição de válvulas em serviço, assim como a detecção e identificação de falhas, defeitos e condições anormais de operação.

Valves are essential components in industries and their various production processes. They play a key role in regulating and controlling fluid flow in a variety of conditions and environments. Within this scenario, being often responsible for the processes refined control, its reliability and correct performance over its projected useful life is a primordial issue in order to guarantee the availability, productivity, economy and safety of production systems. Several inspection and monitoring techniques and methodologies have been and are being developed to diagnose, predict and quantify the performance of such equipment under operating conditions and thereby detect and identify abnormal behaviors, defects, or degradations and anticipate successes and failures that affect performance and functionality. Each of these techniques, employed often combined, is based on equipment-specific variables or parameters, as a performance evaluation criterion. One of these parameters is the effort required for the control (or actuation) of a valve, representing not only a necessary measure for the design, selection and dimensioning of a valve as well as its actuator, but also a variable directly related to the state of its internal mechanical components, showing itself as a indicative characteristic of their condition. Through these concepts it is expected the development of tools and resources which would help in the prevention and identification of problems and failures, enabling improvements in the efficiency and security of the processes in which they operate. This work is centered on the study of the operational characteristics of a floating type ball valve design provided with polymeric seat-seals, designed and intended for application in the oil and gas industry. Experimental tests of driving torque signatures on prototypes were conducted, and their results were later used in the construction and calibration of finite element models of the actuation system mechanism and complete drive process. These models were able to correctly predict the signature responses and behavior of the prototype for the various operating parameters. Later, a theoretical and analytical study on valve failure cases and the wear phenomena associated to them, together with the construction of new numerical models with altered parameters to represent the presence of defects, enabled the prediction of valve signatures on failure conditions. The results obtained in the previous analyzes allowed the construction of characteristic profiles of operating torque signature. These were finally the basis of this work, proving the suitability of the signatures as a parameter for the diagnosis and evaluation of the performance of industrial valves, and thus allowing to propose a methodology for the characterization and identification of the condition 10 of valves in service, as well as the detection and identification of failures, defects and abnormal operating conditions.