Pig de limpeza de dutos de hidrocarbonetos

  • Número do pedido da patente:
  • PI 1004601-1 A2
  • Data do depósito:
  • 11/11/2010
  • Data da publicação:
  • 26/06/2012
Inventores:
  • Classificação:
  • F16L 55/28
    Dispositivos ou acess?rios paro uso em ou relativos a tubos ou sistemas de tubos; / "Pigs" ?mbolos de limpeza de tubos, i.e. dispositivos m?veis em um tubo ou conduto com ou sem meios de autopropuls?o; / Aspectos construtivos;
    ;

PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS. Refere-se a presente invenção a um pig monolítico destinado a ser enviado pelo interior de dutos, rígidos ou flexíveis, de produção ou transporte de gás natural para limpeza destes dutos. O pig compreende uma pluralidade de orifícios comunicadores, que podem ter formato interno regular ou de Venturi, e que se estendem a partir de sua extremidade dianteira, até uma cavidade interna que termina na extremidade traseira do pig. Estes orifícios comunicadores permitem a passagem de gás natural de uma região traseira para uma região frontal do pig, proporcionando assim a gaseificação do líquido condensado de gás natural que se forma a frente do pig, reduzindo-se desta forma o peso da coluna hidrostática e a resistência à passagem do pig.

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Documento

PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra seu campo de aplicação dentre os equipamentos destinados a serem enviados no interior de dutos para promover a limpeza dos ditos dutos, mais particularmente dutos de produção e transporte de gás natural.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Todas as grandes indústrias utilizam dutos para o transporte dos mais variados tipos de fluidos por seu interior. A utilização de equipamentos capazes de se moverem pelo interior de um duto por meio, por exemplo, de um fluxo de fluido é bem conhecida na técnica e o equipamento é freqüentemente referido pelo termo em inglês "pipeline pig" doravante chamado apenas pelo termo PIG.

Pigs são equipamentos que, inseridos dentro do duto, viajam por toda a sua extensão, impulsionados, geralmente, pela própria vazão de produto no interior do duto. Eles são classificados em duas categorias: “Utility pigs”, que realizam a função de limpeza, separação de produtos e remoção de água, e “In-line Inspection tools”, também conhecidos como pigs instrumentados, “intelligent pigs” ou “smart pigs”, que fornecem informações das condições da linha, bem como da extensão e localização de algum problema.

Um fenômeno que ocorre freqüentemente, a depender das características do fluido presente e nas condições de escoamento no interior do duto, e que pode gerar transtornos operacionais ou mesmo algum grau de risco, é a formação de depósitos na parede interna do duto. Em alguns casos a taxa de formação de depósitos na parede interna do duto é muito lenta, e estes apresentam baixa dureza e pouca aderência. Neste caso, estes tipos de depósitos podem ser removidos muito facilmente mesmo depois da primeira ocorrência. Em outros casos, a formação pode resultar em incrustações graves, chegando até mesmo a casos de obstrução total do fluxo de fluido. Em ambos os casos relatados acima, um pig é utilizado como elemento removedor do material depositado no interior do duto, promovendo a limpeza desta última.

A limpeza de gasodutos com o uso de pigs apresenta um complicador devido a um problema freqüente associado ao fluxo de gás no interior de dutos, que é a produção de razoável volume de condensado de gás natural no interior do gasoduto. Este fato se deve ao gradiente de temperatura, que pode atingir cerca de 40°C ou mais, podendo resultar na criação de uma coluna hidrostática que pode atingir o comprimento do próprio duto. Quando um Pig de limpeza passa num gasoduto, ele empurra este volume de condensado até a plataforma de destino. A coluna de líquido que se forma gera uma contrapressão à frente do dispositivo, podendo parar o processo de limpeza.

Diante desta situação a plataforma de destino despressuriza quase que totalmente o gasoduto em sua chegada para reduzir a contrapressão gerada pelo condensado. Esta despressurização ocorre por meio do desvio do fluxo de gás da planta de processo para as tochas, que são as torres onde os gases inflamáveis oriundos do processamento primário de petróleo são queimados. Na tocha a pressão é baixa (atmosférica) e a contrapressão do duto na chegada fica reduzida, o que faz o pig se movimentar novamente e percorrer toda a extensão do gasoduto.

Manobras como esta representam perda de eficiência operacional, pois resultam em desperdício de gás, além de trazer prejuízos para o meio ambiente. Por esta razão, existe a necessidade da criação de equipamentos que permitam executar a limpeza de gasodutos com a redução, ou eventual eliminação, da necessidade de direcionar o gás natural para as tochas.

A invenção descrita e reivindicada neste pedido de patente representa um avanço para a limpeza de gasodutos, pois revela um equipamento capaz de reduzir o peso da coluna hidrostática gerada pelo condensado de gás natural formado no gasoduto, evitando assim a queima de consideráveis frações de gás natural na tocha da unidade de produção.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um Pig monolítico para limpeza de dutos de escoamento de gás natural com redução da contrapressão gerada pelo peso da coluna hidrostática de condensado de gás natural e, conseqüentemente, redução do volume de gases e hidrocarbonetos queimados nas tochas.

O referido pig compreende um corpo substancialmente cilíndrico com pluralidade de discos impulsionadores igualmente espaçados em sua superfície. O pig compreende ainda uma extremidade dianteira formada por um segmento tronco-cônico seguido de um segmento cilíndrico a partir de sua base menor, e unida ao primeiro disco impulsionador por sua base maior; uma extremidade traseira em forma de uma zona esférica, unida por sua base menor ao corpo cilíndrico; uma cavidade interna que se estende a partir da extremidade traseira até uma região próxima à extremidade dianteira; uma pluralidade de orifícios comunicadores, que se estendem a partir da superfície do segmento tronco-cônico, da extremidade dianteira, até a cavidade interna, com espaçamento angular e longitudinal entre si em pelo menos um perímetro circunferencial da superfície do segmento tronco-cônico, de modo a permitir a passagem de fluido de uma região traseira do pig para uma região frontal do pig.

Parte do gás natural, na região traseira do pig, é direcionado para frente do pig por meio dos orifícios comunicadores, promovendo, desta forma, a gaseificação do condensado de gás natural e reduzindo o peso da coluna hidrostática formada, o que permite reduzir, ou em eventuais situações, eliminar o direcionamento do gás para ser queimado nas tochas da unidade de produção.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As características do pig de limpeza de dutos de hidrocarbonetos, objeto da presente invenção, serão mais bem percebidas a partir da descrição detalhada que se fará a seguir, a mero título de exemplo, associado aos desenhos abaixo referenciados, os quais são parte integrante do presente relatório.

A FIGURA 1 apresenta uma vista frontal e uma vista lateral em corte parcial da concretização preferida para a presente invenção.

A FIGURA 2 apresenta uma vista frontal e uma vista lateral em corte parcial de outra possível concretização para a presente invenção.

A FIGURA 3 apresenta um gráfico de perda de carga em função da vazão total de gás nos orifícios para duas concretizações da invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A descrição detalhada do pig, objeto da presente invenção, será feita de acordo com a identificação dos componentes que o formam. A invenção revelada neste pedido objetiva efetuar operações de limpeza de gasodutos com redução da contrapressão gerada pelo peso de uma coluna hidrostática, gerada por condensado de gás natural e, conseqüentemente, redução do volume de gases e hidrocarbonetos queimados nas tochas.

Refere-se a presente invenção a um pig monolítico destinado a ser enviado pelo interior de dutos, rígidos ou flexíveis, de escoamento de hidrocarbonetos, mas particularmente gás natural, para limpeza destes dutos.

A figura 1 apresenta a concretização preferida para a presente invenção, que é composta por um corpo substancialmente cilíndrico (1), provido de uma pluralidade de discos impulsionadores (2) igualmente espaçados em sua superfície. Este corpo cilíndrico (1) adicionalmente compreende:

a) uma extremidade dianteira (3) formada por um segmento tronco-cônico (32) seguido de um segmento cilíndrico (31) a partir de sua

base menor, e unida ao primeiro disco impulsionador (2) por sua base maior;

b)    uma extremidade traseira (4) em forma de uma zona esférica, unida por sua base menor ao corpo cilíndrico (1);

c)    uma cavidade interna (5) que se estende a partir da extremidade traseira (4) até uma região próxima à extremidade dianteira (3);

d)    uma pluralidade de orifícios comunicadores (33), que se estendem a partir da superfície do segmento tronco-cônico (32), da extremidade dianteira (3), até a cavidade interna (5), com espaçamento angular e longitudinal entre si em pelo menos um perímetro circunferencial da superfície do segmento tronco-cônico (32), de modo a permitir a passagem de gás natural de uma região traseira do pig para uma região frontal do pig.

Os orifícios comunicadores (33) proporcionam obter à frente do pig um fluido gaseificado que reduz o peso da coluna do líquido, o que resulta na redução da contrapressão á frente do pig. Estes orifícios (33) possuem uma angulação que varia na faixa entre 0o e 45° com relação ao eixo de rotação do pig. Para efeitos de concretização preferida, o ângulo usado é de 20°, o que permite que o gás natural passe da região traseira para a região frontal do pig sem resistências consideráveis.

O espaçamento angular (a) entre os orifícios comunicadores (33) varia na faixa entre 20° e 45° em cada perímetro circunferencial, para efeito de concretização preferida, esse ângulo é de 36°. Quando há mais de um perímetro circunferencial, por exemplo, dois, o espaçamento angular entre os orifícios de dois perímetros (p) deve ser calculado de modo a manter a simetria de posicionamento entre os orifícios não alinhados. O diâmetro dos orifícios comunicadores (33) variam na faixa entre 3 mm e 10 mm, podendo os orifícios compreender um formato interno de Venturi, ou seja, possuir estrangulamento.

Parte do gás natural, que impulsiona o pig, passa pelos orifícios comunicadores e se mistura ao líquido de gás natural condensado à frente do pig, promovendo desta forma a gaseificação deste líquido e reduzindo, o peso da coluna hidrostática formada, o que permite reduzir, ou em eventuais situações, eliminar o direcionamento do gás para ser queimado nas tochas da unidade de produção.

Os orifícios comunicadores (33) compreendem, em seu interior, elementos tamponadores (34) que interrompem o fluxo de gás quando desejado. Esses elementos tamponadores (34) podem ser pinos metálicos inseridos sob pressão ou parafusos rosqueados no interior dos orifícios (33), tendo como principal finalidade reduzir a passagem do gás pelos orifícios (33), principalmente no trecho horizontal, onde esta passagem pode implicar em perda de diferencial de pressão e significativa redução na velocidade do pig.

A figura 2 apresenta outra possível concretização para a presente invenção. Nesta concretização, o pig monolítico compreende um canal (6), que se estende desde o segmento cilíndrico (31) da extremidade dianteira (3) até a cavidade interna (5), dotado de uma válvula de gás lift (61) para controlar ou interromper o fluxo de gás de da região traseira para frente do pig.

EXEMPLO DA INVENÇÃO

A seguir serão relatados alguns dados de viabilidade técnica através de simuladores de escoamento quanto à passagem de gás nos orifícios (33) do dispositivo de limpeza.

A Figura 3 apresenta um gráfico resultante de uma simulação de escoamento que obteve dados de perda de carga em função da vazão total de gás que passa pelos orifícios comunicadores (33) tendo em vista duas concretizações distintas, sendo uma com vinte orifícios de 8 milímetros de diâmetro e outra com 20 orifícios de 6 milímetros de diâmetro.

Observando o gráfico da Figura 3 pode-se verificar que, o pig com

orifícios de 8 mm de diâmetro é mais adequado, pois representa uma menor perda de carga para os mesmos níveis de vazão de gás que passa nos orifícios (33). Para uma vazão da ordem de 100 000 Nm3/d (Normal metro cúbico por dia) verifica-se, pelo simulador, uma perda de carga de 5    0,5 Kgf/cm2 no pig com orifícios de 8 mm, enquanto que no pig de orifícios

de 6 mm verifica-se uma perda de carga de aproximadamente 2 Kgf/cm2. Apesar do maior diâmetro a princípio ser melhor por propiciar menores perdas de carga, também deve-se existir um limite a fim de minimizar a quantidade de líquido remanescente no duto, que geralmente é pré-10 estabelecido em função do duto, frequência de passagem de pig neste e contrapressão que este gere quando em operação normal de exportação.

A tabela 1 abaixo apresenta uma estimativa de redução do peso da coluna de líquido, com o uso de um pig com orifícios de 8 mm, para diferentes vazões de gás, considerando o riser cheio de líquido. Nesta 15 configuração, verifica-se que à medida que ocorre o aumento da vazão total de gás pelos orifícios, maior é a redução da pressão necessária na base do riser para movimentar o pig, ou seja, menor é a contrapressão gerada pela coluna hidrostática.

Tabela 1 - Estimativa de redução do peso da coluna de líquido para 20 diferentes vazões de gás.

13Kgf/cm2

Vazão de gás total nos furos (Kgf/cm2)

Pressão na base do riser (Kgf/cm2)

Volume de líquido

remanescente

(m3)

(Kgf/cm2)

% redução

redução

0

23,29

-

-

21,46

50.000

18,55

20,7

-4,84

11,46

100.000

16,8

28,2

-6,59

8,16

150.000

15,76

32,6

-7,63

6,13

200.000

15,1

35,4

-8,29

4,79

250.000

14,68

37,2

-8,71

3,93

A descrição que se fez até aqui do pig de limpeza de dutos de gás natural, objeto da presente invenção, deve ser considerada apenas como uma possível concretização, e quaisquer características particulares devem ser entendidas como algo que foi descrito para facilitar a 5 compreensão. Desta forma, não podem ser consideradas limitantes da invenção, a qual está limitada apenas ao escopo das reivindicações que seguem.

REIVINDICAÇÕES

1-    PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS, destinado para limpeza de dutos de escoamento de hidrocarbonetos na forma de gás, que compreende um corpo substancialmente cilíndrico (1) com pluralidade de discos impulsionadores (2) igualmente espaçados em sua superfície, caracterizado por adicionalmente compreender:

a)    Uma extremidade dianteira (3) formada por um segmento tronco-cônico (32) seguido de um segmento cilíndrico (31) a partir de sua base menor, e unida ao primeiro disco impulsionador (2) por sua base maior;

b)    Uma extremidade traseira (4) em forma de uma zona esférica, unida por sua base menor ao corpo cilíndrico (1);

c)    Uma cavidade interna (5) que se estende a partir da extremidade traseira (4) até uma região próxima à extremidade dianteira (3);

d)    Uma pluralidade de orifícios comunicadores (33), que se estendem a partir da superfície do segmento tronco-cônico (32), da extremidade dianteira (3), até a cavidade interna (5), com espaçamento angular e longitudinal entre si em pelo menos um perímetro circunferencial da superfície do segmento tronco-cônico (32), de modo a permitir a passagem de gás de uma região traseira do pig para uma região frontal ao pig.

2-    PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os orifícios comunicadores (33) possuírem angulação que varia na faixa entre 0o e 45° com relação ao eixo de rotação do pig.

3-    PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por os orifícios comunicadores (33) possuírem um espaçamento angular entre si que varia na faixa entre 20° e 45° em cada perímetro circunferencial.

4-    PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS, de acordo

com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado por os orifícios comunicadores (33) possuírem diâmetro na faixa entre 3 mm e 10 mm.

5-    PIG DE LIMPEZA DE DUTOS DE HIDROCARBONETOS, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado por os orifícios