Análise da estanqueidade em vedação metálica dentada

Abstract

Vedações metálicas são frequentemente utilizadas na indústria de petróleo e gás devido a sua capacidade de suportar altas pressões e temperaturas, e os ambientes corrosivos aos quais são expostas. Dentre os equipamentos que utilizam tal tipo de vedação está o Conjunto de Vedação Universal (CVU), que faz parte dos Sistemas de Cabeça de Poço Submarina (SCPS). Tais equipamentos realizam a vedação no anular e nas colunas de revestimento, devendo suportar a incidência de um carregamento combinado de esforços, ou seja, esforços axiais (tração e compressão), temperatura e pressões elevadas, com valores na ordem de 1500 kips, 120 °C e 15.000 PSI respectivamente. Nesse contexto, a presente pesquisa buscou compreender melhor a relação desse tipo de carregamento em vedações metálicas. Para isto, foram executados testes em escala reduzida em dois componentes metálicos, em forma de disco, compostos de materiais com durezas distintas - 230 HB, no elemento com perfis triangulares axiais (wickers) em sua geometria, e entre 125 e 130 HB no elemento sem perfis (denominados blanks). Estes discos metálicos foram submetidos a aplicação de força axial (compressão), por meio de atuador hidráulico, e aplicação de pressão hidrostática, através de compressor hidropneumático. Diferentes geometrias foram testadas, com 2 wickers, formando um canal de vedação, e com 4 wickers, formando três canais de vedação, possibilitando a avaliação da influência de cada um destes canais. O deslocamento, aferido pelo sensor de deslocamento, foi 47% menor para as pressões de 7500 PSI, e 63% para as pressões de 15000 PSI para os CPs com 4 wickers. Pressões menores que 7500 PSI indicaram melhor estanqueidade nos CPs com 2 wickers. Por outro lado, para pressões entre 7500 e 12000 PSI, os CPs com 4 wickers mostraram-se mais eficientes, resultando em uma melhor vedação metálica.

Metal seals are often used in the oil and gas industry due to their ability to withstand high pressures and temperatures, and the corrosive environments to which they are exposed. Among the equipment that utilizes this type of sealing is the annular pack-off, which is part of Subsea Wellhead Systems (SWS), and use metal-to-metal seal between their annulus and casing columns. In this application they must withstand combined tensile and compressive axial stress loading, temperature, and high pressures, with values in the order of 1500 kips, 120 °C and 15000 PSI, respectively. This study aims a deeper understanding of how this specific type of loading affects this type of seal. For this, scaled-down tests were conducted on two disc-shaped metallic components, composed of materials with different hardness levels- 230 HB in the element with axial triangular profiles (wickers) in its geometry and from 125 to 130 HB in the element without profiles (called blanks). These metallic discs were compressed axially using a hydraulic actuator and subjected to hydrostatic pressure through a hydro-pneumatic compressor. Different geometries were tested with 2 wickers forming a sealing channel, and with 4 wickers forming three sealing channels. This allowed for the evaluation of the individual influence of each of these channels. The displacement, measured by the LVDT sensor, was 47% lower for pressures of 7500 PSI, and 63% lower for pressures of 15000 PSI for the CPs with 4 wickers. Pressures under 7500 PSI indicated better sealing in the CPs with 2 wickers. On the other hand, pressures between 7500 and 12000 PSI, the CPs with 4 wickers proved to be more efficient, resulting in improved metal sealing.