Concepto Actuador Híbrido Mejora Fiabilidad Control Válvulas Submarinas

En sistemas de producción submarina de petróleo y gas, un "árbol de Navidad" submarino se monta en cabezales de pozo. Cada árbol controla la producción de petróleo y gas de su pozo respectivo vía múltiples válvulas de proceso. Cada válvula es actuada por un actuador de válvula submarina (SVA) que debe poder cerrar la válvula seguramente en todo estado operativo, incluso durante fallo de energía.

Los requisitos para sistemas de producción submarina son extremadamente altos. Disponibilidad operacional y seguridad son especialmente importantes para sistemas submarinos que producen petróleo y gas para proteger personas y entornos. Además, proteger el mar de contaminación por eliminación de fluido hidráulico usado en SVAs convencionales es ahora también prioridad clave.

Un nuevo concepto para SVA híbrido combina electromecánica e electrohidráulica en unidad compacta para aplicaciones marinas profundas como operación de válvulas de compuerta de 2" (Figura 1). Este SVA híbrido está diseñado para cumplir requisitos de seguridad hasta SIL3, soportar presión externa hasta 300 bar en agua salada, consumir hasta 75% menos energía, y operar 24 horas/día por 25 años con posibilidades limitadas de mantenimiento.

Ejes Autocontenidos con Accionamiento Hidrostático

El SVA recientemente desarrollado proporciona alternativa energéticamente eficiente y segura a actuadores hidráulicos o electromecánicos tradicionales que abren y cierran la válvula de compuerta (Figura 2). Los SVAs híbridos son módulos autocontenidos con su propio circuito fluido cerrado conteniendo solo unos litros de fluido hidráulico ecológico. Un motor eléctrico de velocidad variable impulsa una bomba hidráulica duradera, que genera flujo para actuar un cilindro hidráulico. La varilla del cilindro está acoplada mecánicamente con el vástago de la válvula de compuerta del pozo para abrirla o cerrarla según necesidad.

Una válvula de seguridad con resorte mecánico dentro del SVA asegura que el cilindro también se retraiga seguramente a posición de fallo seguro si falla la energía, sin necesidad de suministro externo o baterías. Además, el cilindro puede accionarse externamente por robot submarino vía anulación. Todos los componentes clave del tren de accionamiento están instalados redundantemente. En conjunto, SVAs proporcionan seguridad en diferentes niveles con controles redundantes, resorte de fallo seguro, y opciones de intervención externa.

Los beneficios de SVA híbrido son evidentes comparando con tecnología actual de actuadores. La gran mayoría de actuadores submarinos usados globalmente siguen basados en hidráulica convencional. Esta estructura común ha probado durabilidad y seguridad a largo plazo en 50 años. Sin embargo, operadores quieren reducir esfuerzo para gestionar válvula de pozo porque hidráulica convencional típicamente requiere grandes unidades de potencia hidráulica central (HPU) en superficie. Estas suministran actuadores de válvula de pozo con fluido vía líneas, llamadas umbilicales, y jumpers que pueden ser kilómetros de largo. A profundidad de trabajo de 3.000 metros, varios cientos de litros de fluido pueden acumularse en líneas solas. Además, esa configuración convencional requiere acumuladores hidráulicos adicionales y válvulas direccionales para controlar y comandar actuación.

Como alternativa, proveedores intentan diseñar soluciones puramente electromecánicas. Estas solo necesitan cables de alimentación y conexión vía línea de datos a módulo de control de actuador (ACM) en superficie o lecho marino. Sin embargo, al no tener opciones para intervención mecánica externa para ajustes, soluciones electromecánicas tienen desventajas de seguridad. Y debido a menor densidad de potencia vs. sistemas hidráulicos, requieren carcasas mayores y baterías eléctricas. El diseño resulta en alta fricción, causando desgaste mecánico en transmisión de potencia y reduciendo período de operación requerido de 25 años. Por estas razones, soluciones electromecánicas están en desventaja crítica para aplicaciones submarinas cuando se necesita cierre de emergencia a prueba de fallos.

Hasta 75% Menos Consumo Energético

El SVA híbrido combina beneficios de ambas soluciones hidráulica y electromecánica y elimina desventajas existentes. El circuito fluido descentralizado autocontenido significa que HPU superficial, módulo control hidráulico submarino y líneas umbilicales kilométricas ya no son requeridas para el fluido. El SVA requiere suministro de energía y línea de datos según Estándar de Estandarización de Interfaz Instrumentación Submarina (SIIS) —similar a actuadores electromecánicos.

Durante operación, bomba hidráulica de desplazamiento fijo/rotación variable de alta eficiencia genera flujo para impulsar cilindro de baja fricción. El sistema hidráulico se simplifica porque no se requieren válvulas proporcionales, lo que aumenta significativamente eficiencia energética. Comparado con actuadores puramente electromecánicos, SVAs consumen hasta 75% menos potencia en rendimiento máximo.

Considerando todos actuadores para operar campo submarino, enorme ahorro de coste para infraestructura eléctrica sola (cable potencia, transformador, convertidores frecuencia, etc.) puede obtenerse vs. actuadores electromecánicos, por ejemplo (Figura 3). El motor eléctrico impulsando bomba hidráulica puede configurarse considerablemente menor pero con misma fuerza de ajuste de actuadores, lo que ahorra espacio instalación y costes. Más ahorros también de sustituir umbilical hidráulico por eléctrico, y no hay necesidad de eliminar fluido hidráulico requerido para actuadores hidráulicos convencionales.

Además, SVA ofrece capacidades de monitorización de condición, con tecnología de sensores integrada que registra continuamente estados operativos dentro del actuador y los reporta al controlador maestro de nivel superior. Tendencias pueden analizarse, permitiendo identificar y resolver desviaciones temprano.

Tecnología Probada de Aplicaciones Industriales

El principio de operación para SVA viene del uso aceptado de ejes autocontenidos a menudo encontrados en aplicaciones industriales. Componentes individuales para SVA se fabrican en series a gran escala bajo sistemas de gestión de calidad como los usados en máquinas industriales. Esta estandarización reduce costes y crea disponibilidad a largo plazo para producción. Además, sensores y electrónica usados en SVA tienen fiabilidad probada de uso en aplicaciones de vehículos automotrices. Donde requerido, modificaciones se han hecho a componentes para calificar para uso marino profundo hasta 6.000 metros. El sistema y componentes principales también cumplen requisitos especiales de diferentes sociedades de clasificación para uso marino, offshore y submarino.

Dentro del SVA, hay dos bares de sobrepresión a cada profundidad debido al sistema redundante de compensación de presión. Esto previene penetración de agua salada y necesidad de grandes carcasas con diseño neutro de presión. Además de requisitos estándar, solo cableado y conexiones submarinas se usan dentro del eje. Todos los componentes eléctricos no submarinos están también encapsulados mecánica y eléctricamente con partes resistentes a presión.

Trabajando estrechamente con proveedores líderes y operadores, última tecnología de simulación se usó para crear prueba de concepto y prototipos para pruebas de campo. Esta innovadora tecnología de accionamiento combina lo mejor de electromecánica e hidráulica para asegurar control de movimiento seguro y fiable en lecho marino, ayudando a hacer realidad visión de "fábrica totalmente submarina".

Este artículo fue escrito por Dr. Alexandre Orth, Jefe de Tecnologías Marinas & Submarinas, y Amadeu Placido Neto, Ingeniero de Pruebas, en Bosch Rexroth Corp. (Plymouth, MI). Para más información, visite aquí .