Nuevo concepto híbrido para accionar válvulas submarinas

En los sistemas submarinos de producción de petróleo y gas, se monta un "árbol de Navidad" submarino en los cabezales de los pozos. Cada árbol controla la producción de petróleo y gas de su respectivo pozo a través de múltiples válvulas de proceso. Cada válvula de proceso es accionada por un actuador de válvula submarina (SVA) que debe poder cerrar la válvula de forma segura en todos los estados operativos, incluso durante un corte de energía.

Los requisitos para los sistemas de producción submarinos son extremadamente altos. La disponibilidad operativa y la seguridad son especialmente importantes para los sistemas submarinos que producen petróleo y gas para proteger a las personas y el medio ambiente. Además, proteger el mar de la contaminación causada por la eliminación del fluido hidráulico utilizado en los SVA convencionales ahora también se está convirtiendo en una prioridad clave.

Un nuevo concepto para un SVA híbrido combina la electromecánica y la electrohidráulica en una unidad compacta para aplicaciones en aguas profundas, como la operación de válvulas de compuerta de 2" (Figura 1). Este SVA híbrido está diseñado para cumplir con los requisitos de seguridad hasta SIL3, resistir una presión de hasta 300 bares en un entorno de agua salada, consume hasta un 75 % menos de energía y funciona las 24 horas del día durante una vida útil de 25 años con posibilidades de mantenimiento limitadas.

Ejes autónomos con accionamiento hidrostático

El SVA desarrollado recientemente proporciona una alternativa segura y de bajo consumo de energía a los actuadores hidráulicos o electromecánicos tradicionales utilizados anteriormente que abren y cierran la válvula de compuerta (Figura 2). Los SVA híbridos son módulos autónomos con su propio circuito de fluido cerrado que contiene solo unos pocos litros de fluido hidráulico ecológico. Un motor eléctrico de velocidad variable impulsa una bomba hidráulica duradera, que genera el flujo necesario para accionar un cilindro hidráulico. La varilla del cilindro se acopla mecánicamente con el vástago de la válvula de compuerta del pozo para abrirlo o cerrarlo según sea necesario.

Una válvula de seguridad con un resorte mecánico dentro del SVA asegura que el cilindro también se retraiga de manera segura a la posición de seguridad si falla la energía, sin necesidad de una fuente de alimentación externa o baterías. Además, el cilindro puede ser accionado externamente por un robot submarino a través de una anulación. Todos los componentes clave del tren de transmisión se instalan de forma redundante. En conjunto, los SVA brindan seguridad en diferentes niveles con los controles redundantes, el resorte a prueba de fallas y las opciones de intervención desde el exterior.

Los beneficios de un SVA híbrido son evidentes cuando se compara la solución con el estado actual de la tecnología de actuadores. La gran mayoría de los actuadores submarinos que se utilizan en todo el mundo todavía se basan en sistemas hidráulicos convencionales. Esta estructura común ha demostrado su durabilidad y seguridad a largo plazo durante los últimos 50 años. Sin embargo, los operadores quieren reducir el esfuerzo necesario para manejar la válvula del pozo porque los sistemas hidráulicos convencionales generalmente requieren grandes unidades de potencia hidráulica central (HPU) en la parte superior. Estos suministran a los actuadores de válvulas de pozo fluido a través de líneas, conocidas como umbilicales, y puentes que pueden tener kilómetros de largo. A una profundidad de trabajo de 3.000 metros, se pueden acumular varios cientos de litros de fluido solo en las líneas. Además, esa configuración convencional requiere acumuladores hidráulicos adicionales y válvulas direccionales para controlar y comandar el accionamiento.

Como alternativa, los proveedores de equipos intentan diseñar soluciones puramente electromecánicas. Estos solo necesitan ser alimentados a través de cables de alimentación y conectados a través de una línea de datos a un módulo de control del actuador (ACM) ubicado en la parte superior o en el lecho marino. Sin embargo, debido a que no tienen opciones de intervención mecánica externa para los ajustes, las soluciones electromecánicas tienen desventajas relacionadas con la seguridad. Y debido a su menor densidad de potencia en comparación con los sistemas hidráulicos, también requieren carcasas y baterías eléctricas más grandes. El diseño da como resultado una alta fricción, lo que provoca un desgaste mecánico en la transmisión de potencia y reduce el período de funcionamiento requerido de 25 años. Por estas razones, las soluciones electromecánicas se encuentran en una desventaja crítica para las aplicaciones submarinas cuando se necesita un cierre de emergencia a prueba de fallas.

Hasta un 75 % menos de consumo de energía

El SVA híbrido combina los beneficios de las soluciones hidráulicas y electromecánicas y elimina las desventajas existentes. El circuito de fluido autónomo descentralizado significa que la HPU superior, el módulo de control hidráulico submarino y las líneas umbilicales de kilómetros de largo ya no son necesarios para el fluido. El SVA requiere una fuente de alimentación y una línea de datos según lo especificado por la Estandarización de interfaz de instrumentación submarina (SIIS), similar a los actuadores electromecánicos.

Durante el funcionamiento, una bomba hidráulica rotatoria variable/desplazamiento fijo de alta eficiencia genera flujo para impulsar el cilindro de baja fricción. El sistema hidráulico se simplifica porque no se requieren válvulas proporcionales, lo que aumenta significativamente la eficiencia energética. En comparación con los actuadores puramente electromecánicos, los SVA consumen hasta un 75 % menos de energía en su máximo rendimiento.

Teniendo en cuenta todos los actuadores utilizados para operar un campo submarino, se puede obtener un gran ahorro de costos solo para la infraestructura eléctrica (cable de alimentación, transformador, convertidores de frecuencia, etc.) en comparación con el uso de actuadores electromecánicos, por ejemplo (Figura 3). El motor eléctrico que acciona la bomba hidráulica puede entonces configurarse considerablemente más pequeño pero con la misma fuerza de ajuste de los actuadores, lo que a su vez ahorra espacio y costes de instalación. También se pueden lograr más ahorros de costos al sustituir el umbilical hidráulico por un umbilical eléctrico, y no hay necesidad de desechar el fluido hidráulico que se requiere para los actuadores hidráulicos convencionales.

Además, el SVA ofrece capacidades de monitoreo de condición, con tecnología de sensor incorporada que registra continuamente los estados operativos dentro del actuador y los informa al controlador maestro de nivel superior. Luego se pueden analizar las tendencias, lo que permite identificar y resolver las desviaciones de manera temprana.

Tecnología probada de aplicaciones industriales

El principio de funcionamiento del SVA proviene del uso aceptado de ejes autónomos que a menudo se encuentran en aplicaciones industriales. Los componentes individuales del SVA se fabrican en serie a gran escala bajo sistemas de gestión de calidad como los que se utilizan en las máquinas industriales. Esta estandarización reduce los costos y crea disponibilidad a largo plazo para la producción. Además, los sensores y la electrónica utilizados en el SVA tienen una confiabilidad comprobada por su uso en aplicaciones de vehículos automotores. Cuando fue necesario, se han realizado modificaciones en los componentes para calificar para uso en aguas profundas a profundidades de hasta 6.000 metros. El sistema y los componentes principales también cumplen con los requisitos especiales de las diferentes sociedades de clasificación para uso marino, en alta mar y submarino.

Dentro del SVA, hay dos barras de sobrepresión en cada profundidad debido al sistema de compensación de presión redundante. Esto evita la penetración de agua salada y la necesidad de grandes carcasas con un diseño de presión neutral. Además de los requisitos estándar, dentro del eje solo se utilizan cableado y conexiones con clasificación submarina. Todos los componentes eléctricos que no tienen clasificación submarina también están encapsulados mecánica y eléctricamente con piezas resistentes a la presión.

En estrecha colaboración con los principales proveedores y operadores de equipos, se utilizó la última tecnología de simulación para crear la prueba de concepto y los prototipos para las pruebas de campo. Esta innovadora tecnología de accionamiento combina lo mejor de la electromecánica y la hidráulica para ayudar a garantizar un control de movimiento seguro y confiable en el lecho marino, lo que ayuda a hacer realidad la visión de una "fábrica completamente submarina".

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