Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de um selo mecânico para vedação bidirecional, o qual compreende uma combinação de elastômero e material compósito para resistir à falha por extrusão em condições de grande folga dimensional. O selo mecânico objeto da presente invenção pode ser utilizado em qualquer sistema mecânico onde seja necessário separar duas regiões com pressões diferenciais, variando de baixas até altas pressões. Assim, o selo mecânico da presente invenção é especialmente adequado para ser utilizado em equipamentos submarinos ou terrestres que requeiram a presença de vedações elastoméricas.

Histórico da Invenção

[002] Como é bem conhecido da técnica, o selo mecânico foi desenvolvido por George Cook no começo do século 20, originalmente chamado de "Selo Cook", sendo sua aplicação em compressores de refrigeração. Desde então houveram aprimoramentos devido à demanda de selos que trabalhassem em diferentes níveis de pressões e em diferentes mecanismos. Devido a esse fato, vários materiais são até hoje estudados e aplicados para obter resultados cada vez melhores para esse elemento mecânico.

[003] Na área de óleo e gás, utilizam-se diversos tipos de vedações elastoméricas, as quais podem ou não incluir reforços. Esses reforços podem ser obtidos tanto pela adição de outros materiais no composto elastomérico quanto pela utilização de uma ou mais partes adicionais ao selo elastomérico, ditas partes podendo ser metálicas, cerâmicas, poliméricas ou qualquer outro material, com diversas geometrias, com objetivo de reforçar o selo e suportar maiores pressões diferenciais. [004] Além da variedade de tipos de materiais, encontram-se diversas geometrias de selos elastoméricos com o objetivo de reforçar sua estrutura de forma a suportar maiores diferenciais de pressão. Exemplos desses selos são: "o-ríng", "spring seat' e "Hp seat'. Esses selos possuem um comportamento muito eficiente e são largamente utilizados para a vedação de diversos componentes, tais como conectores mecânicos, flanges, "stabs", etc.

[005] Esses selos são dependentes de pequenas tolerâncias dimensionais, na ordem de décimos de milímetros diametralmente, as quais são fundamentais para garantir uma correta pré-carga e resistência à extrusão do material elastomérico, quando submetido a uma pressão diferencial. Quando esses limites são ultrapassados, ocorre uma extrusão do elastomero e a consequente inviabilização da vedação.

[006] Os selos elastoméricos atuais são classificados em três grupos: selos elastoméricos com um único material, exemplo são os o-rings; selos elastoméricos bicomponentes, exemplos são anel elastomérico combinado com anel anti-extrusão; e selos elastoméricos com mais de um material em um único componente, exemplo são os "Hp seal", "spring seal".

[007] Os selos elastoméricos com um único material possuem resistência à extrusão muito limitada e são adequados para trabalhar com pequenas tolerâncias dimensionais, dado que não possuem qualquer mecanismo especial anti-extrusão. O endurecimento do elastomero como ação mitigadora para evitar a falha por extrusão compromete a capacidade de se deformar em baixas pressões e promover a vedação. Historicamente, tais selos mesmo em tolerâncias dimensionais restritas não resistem a pressões diferenciais superiores a 5.000 psi.

[008] Selos bicomponentes, por sua vez, possuem resistência superior a vedação em maiores folgas e maiores pressões. No entanto, o uso de um segundo componente anti-extrusão além de apresentar limitações de montagem, não permite alcançar folgas da ordem de alguns milímetros, uma vez que muitos deles são fabricados em materiais poliméricos. Outros materiais, por exemplo, metálicos, por sua vez, comprometem a montagem e suas aplicações dinâmicas, devido ao risco de arranhar as áreas de vedação.

[009] Por último, os selos com mais de um material preenchem um espaço combinando borracha com outros materiais. No entanto, tais selos possuem elevadas restrições à montagem em diâmetros externos e internos devido à restrição imposta pela utilização de materiais mais resistentes. Em caso de materiais metálicos, esses podem danificar as áreas de vedação em caso de aplicações dinâmicas. Em todos os sistemas atuais, o mecanismo de funcionamento desses anéis de vedação busca um balanço entre a deformação elástica do material do selo que é importante para vedação, as pequenas folgas no dimensional dos componentes que é importante para resistência à extrusão, e a deformação elástica necessária para montagem em diâmetros variados.

[010] Os documentos US2015233371 , US2005167928 e US5791657 revelam selos mecânicos do estado da técnica mais próximo da presente invenção, pois revelam selos que apresentam elementos de vedação e anti- extrusão. Porém, a combinação de elevada folga dimensional, montagem e alto diferencial de pressão não conseguem ser suportados pelos selos elastoméricos existentes, sejam eles com ou sem reforços.

[011] Os selos mecânicos acima citados têm como principais limitações a combinação de certos fatores, tais como, por exemplo, as folgas dimensionais necessárias para evitar a falha por extrusão do material elastomérico, tipicamente limitadas a no máximo décimos de milímetros, e a capacidade de se deformar para montagem em alojamentos usinados em diâmetros externos e internos, restringindo as opções de reforços, que por serem reforços que precisam aceitar elevada deformação elástica não apresentam elevada resistência mecânica para resistir a diferenciais de pressão da ordem de dezenas de milhares de psi, por exemplo, 20.000 psi.

[012] A presente invenção, portanto, proporciona a correção dos problemas acima apontados para os selos mecânicos do estado da técnica, o que evidentemente acarretará em significativo aumento da eficiência em relação à vedação e anti-extrusão devido ao diferencial de pressão, efeitos esses há muito procurado pelos técnicos versados no assunto.

Descrição Resumida da Invenção

[013] É, portanto, objetivo da presente invenção prover um selo mecânico bicomponente que suporte maiores diferenciais de pressões e folgas diametrais, sem que ocorra falha de vedação por extrusão do elastomero, e que garanta uma vedação também para baixas pressões.

[014] O selo mecânico bicomponente objeto da presente invenção compreende um anel elastomérico com um reforço de material compósito segmentado e defasado. Diferentemente dos selos do estado da técnica, esses reforços segmentados do selo bicomponente da invenção facilitam a montagem em alojamentos usinados.

Breve Descrição das Figuras

[015] O selo mecânico de acordo com a presente invenção poderá ser melhor compreendido em sua estrutura, função e efeitos, a partir das figuras esquemáticas em anexo, que de uma forma não limitativa de seu alcance, representam: - Figura 1 - vista superior selo mecânico para vedação bidirecional segundo a presente invenção;

- Figura 2 - vista em perspectiva com corte parcial do selo mecânico para vedação bidirecional segundo a presente invenção;

- Figura 3 - vista em corte do selo mecânico para vedação bidirecional segundo a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[016] O selo mecânico para vedação bidirecional da presente invenção foi concebido para utilização em aplicações estáticas e/ou dinâmicas em equipamentos submarinos e terrestres para efetuar vedações diametrais com fluido de processo, óleo ou gás ou uma combinação de ambos. Assim, o selo mecânico para vedação bidirecional da presente invenção pode ser utilizado para vedações em baixa pressão, por exemplo, menores que 300 psi, ou para vedações em altas pressões, que podem alcançar, por exemplo, 30.000 psi ou mais.

[017] O selo de vedação bidirecional segundo a presente invenção, conforme visto nas Figuras 1 , 2 e 3, apresenta corpo (1 ) em material híbrido (elastômero+compósito), sendo estruturado em um componente de material elastomérico (2) e um componente de material compósito segmentado ou não (3).

[018] Na Figura 2 é visto um exemplo de arranjo em que o selo é composto, sendo que o material do componente elastomérico (2) tem, preferencialmente, propriedades de um material amorfo, ou seja, não tem uma cadeia polimérica ordenada, e apresenta uma alta elasticidade. Portanto, o componente elastomérico (2) poderá se deformar quando submetido a altos diferenciais de pressão, e retornar ao seu formato original após cessada a dita pressão.

[019] O componente elastomérico (2) do selo mecânico para vedação bidirecional segundo a presente invenção pode ser fabricado em qualquer material, tais como NBR, HNBR, FKM, FFKM ou qualquer outro material com propriedade elastomérica adequada. Obviamente, o tipo de elastomero é definido pelo regime de diferencial de pressão no qual o selo da presente invenção irá trabalhar e o tipo de ambiente (fluidos e gases) que deverá suportar.

[020] O perfil do componente elastomérico (2) não se limita aquele ilustrado na Figura 2, de forma que pode variar conforme o formato do alojamento na peça onde será instalado como também com a classe de pressão do selo de vedação.

[021] O selo mecânico para vedação bidirecional objeto da presente invenção é um material híbrido que possui ao menos dois componentes em sua estrutura física e nitidamente distintos, sendo um componente elastomérico (2) e um reforço segmentado ou não (3) sendo fibras contínuas dispersas em uma matriz polimérica, tais como, por exemplo, fibra de vidro, carbono ou aramida, entre outras. Porém, deve ser observado que ditas fibras contínuas substituídas poderão ser produzidas em outros materiais, tais como, metais ou ligas metálicas, dentre outros, dependendo da aplicação específica.

[022] A eficiência de vedação para folgas elevadas deve-se ao conjunto elastomero e reforço de compósito, haja vista que o reforço tem como objetivo evitar a extrusão do elastomero, causada pela folga e pela pressão diferencial. A segmentação desse reforço tem a função de facilitar a montagem do selo, expandindo sua aplicação em função das variáveis dimensionais e rigidez do elastômero. Sendo assim, o reforço segmentado tem importância na prevenção de falha de vedação por extrusão do elastômero.

[023] Outro aspecto que deve ser observado é o fato de que o perfil do reforço segmentado (3) dependerá do perfil do componente elastomérico (2), o qual pode variar conforme a aplicação do selo mecânico para vedação bidirecional da presente invenção, como pode ser visto na Figura 3.

[024] A geometria do selo mecânico para vedação bidirecional da presente invenção permite facilitar a montagem em alojamentos usinados em diâmetros, devido ao uso dos insertos/reforços segmentados combinados. A segmentação dos reforços em material compósito é realizada de forma defasada, conforme destacada no detalhe (4), como característica fundamental para minimizar a falha por extrusão, uma vez que impede a existência de uma seção continua de material elastomérico apenas.

[025] A defasagem dos reforços é importante, pois para configurações com insertos segmentados a transição entre dois insertos necessariamente expõe uma área composta somente de borracha, o que implica na concentração da pressão nesta área e devido a sua menor resistência mecânica, implica em uma maior possibilidade de falha por extrusão. A defasagem dos segmentos impede a existência de uma seção continua de material elastomérico e, portanto acrescenta sempre uma barreira mecânica de maior resistência (inserto) nas regiões fragilizadas.

[026] A presente invenção tem como vantagens aparentes tornar o selo mecânico para vedação bidirecional resistente à falha por extrusão para componentes com folgas radiais elevadas, da ordem de 3,0 mm ou mais, combinadas com altas pressões diferenciais, variando tipicamente de 5.000 a 20.000 psi ou mais.