BR0202971B1

BR0202971B1 - método de dimensionamento de um tubo cingido e sua aplicação.

Info

Publication number: BR0202971B1
Application number: BRPI0202971-5A
Authority: BR
Inventors: Jean Guesnon; Christian Gaillard
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2011-09-06
Also published as: NO335777B1; US20030024628A1; FR2828121B1; GB2379964A; GB2379964B; BR0202971A; GB0217849D0; ITMI20021639A1; CA2396193A1; NO20023652D0; US6895806B2; FR2828121A1; CA2396193C; NO20023652L

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO DE UM TUBO CINGIDO E SUA APLICAÇÃO".

A presente invenção refere-se a um método para determinar os parâmetros de dimensionamento característicos de um tubo cingido.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Cingir significa enrolar um elemento de reforço em torno de um tubo, geralmente feito de metal, para aumentar a resistência do tubo à pres- são interna sem aumentar seu peso de forma significativa.

O tubo pode ser um tubo de metal, por exemplo, feito de aço. O elemento de reforço tem uma dimensão longitudinal em relação a sua seção transversal. Este pode ter a forma de uma tira, de uma seção de fio ou me- tal. O elemento de reforço é geralmente feito de fibras, arames ou pavios, feito de vidro, carbono, aramida ou aço, revestido de uma matriz, preferivel- mente de polímero termoplástico.

O elemento de reforço pode ser enrolado em torno do tubo en- quanto aí introduz uma tensão. Assim, o elemento enrolado em torno do tu- bo é submetido a tensões. As tensões introduzidas pelo elemento de reforço fazem com que o tubo de metal, ou núcleo, sejam tensionados. As tensões que o tubo sofre são radiais na direção do eixo do tubo.

Os tubos cingidos, fabricados de acordo com o método da pre- sente invenção, são notavelmente usados na indústria de petróleo. O petró- leo é produzido de um reservatório offshore, usando-se um tubo rígido ou flexível, geralmente referido como um tubo ascendente, o qual permite que uma boca de poço instalada no fundo do mar seja conectada à superfície. Durante as operações de perfuração, o tubo ascendente forma a extensão, através da profundeza da água, do invólucro que carrega o petróleo do fun- do do poço para a boca do poço. O tubo ascendente é provido de pelo me- nos duas linhas auxiliares chamadas linha para tapar e linha de estrangula- mento, as quais são usadas para estabelecer uma conexão hidráulica entre o suporte na superfície do mar e a boca de poço no fundo do mar. Mais par- ticularmente, as linhas auxiliares permitem circular abaixo dos bloqueadores de explosão interna no caso de rápido controle. Cada linha auxiliar consiste em um conjunto de vários tubos idênticos, dispostos paralelos a um ele- mento de tubo ascendente.

No caso de controle rápido, as linhas auxiliares contêm fluidos sob pressão elevada, cerca de 700 bars, por exemplo. Para limitar o peso do conjunto de tubo ascendente, a técnica de tubo cingido pode ser usada para as linhas auxiliares.

A patente US-4.514.254 propõe cingir um tubo enrolando-se, sob tensão, uma seção de metal em torno de um tubo. O tubo assim cingido forma um reservatório que tem que suportar as tensões devido à pressão do fluido contido no tubo. A tensão da seção de metal é selecionada de modo que o reservatório que trabalha sob pressão, as tensões na parede do tubo e as tensões nas camadas da seção de metal alcançam seu valor máximo que pode ser permitido ao mesmo tempo. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, então, a um método para dimen- sionar um tubo cingido projetado para transportar um fluido sob pressão, o tubo cingido compreendendo um tubo de metal e um elemento de reforço enrolado em torno de tal tubo, o método compreendendo os seguintes está- gios:

- determinar o material e as dimensões de tal tubo de material de acordo com as tensões mecânicas aplicadas a tal tubo, com exceção das tensões radiais devido à pressão interna,

- determinar a tensão T aplicada ao elemento durante o enrolamento e o número de camadas de enrolamento para obter um determinado campo de pré-tensão na parede do tubo cingido.

De acordo com a invenção, Ten podem ser determinados de modo que o campo de pré-tensão no tubo cingido seja tal que, na pressão de trabalho, as tensões no tubo de metal sejam inferiores a dois terços do limite de rendimento de tal tubo de metal e a tensão em tal elemento seja inferior a um terço da resistência à tensão de ruptura de tal elemento. Tam- bém é possível determinar T e η de modo que o campo de pré-tensão no tubo cingido seja tal que, na pressão de teste, as tensões em tal tubo de metal estejam abaixo do limite de rendimento de tal tubo de metal e a tensão em tal elemento seja inferior à metade da resistência à tensão de ruptura de tal elemento.

A tensão T pode ser ajustada de acordo com o diâmetro de en- rolamento do elemento de reforço.

O elemento de reforço pode ser feito de fibras de carbono reves- tidas de um material termoplástico de poliamida.

O método de acordo com a invenção pode ser implementado para fabricar um elemento de linha auxiliar de um elemento ascendente de perfuração, e a linha auxiliar pode ser uma linha para tapar, uma linha de estrangulamento, uma linha de reforço ou uma linha de retorno de lama.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Outras características e vantagens da presente invenção, ficarão claras a partir da leitura da descrição a seguir, de um exemplo não-limitativo, com referência aos desenhos em anexo, nos quais:

A Figura 1 mostra, diagramaticamente, um tubo cingido em vista transversal parcial.

A Figura 2 ilustra a metodologia de acordo com a invenção por meio de um fluxograma.

DESCRIÇÃO DETALHADA

A Figura 1 mostra um tubo cingido que consiste em um núcleo tubular metálico 5 equipado, em ambas as extremidades do mesmo, de co- nexões 2 e 3. Esses elementos de conexão são adequados para permitir a conexão de vários comprimentos de tubos cingidos. A parte principal 1 do tubo cingido consiste em um tubo de diâmetro interno ID e uma espessura e. Os elementos de conexão 2 e 3 são geralmente soldados em seu corpo tu- bular principal que define, próximo à solda e, em particular, em cada um de seus lados, uma zona que se refere a uma zona de transição 4 mostrada na Figura 1.

Cingir consiste em enrolar várias camadas 6, 7 e 8 de um ele- mento de reforço em forma de uma tira 9. Cingir significa (não mostra- do)girar em torno do tubo e mover longitudinalmente, enquanto segue o pas- so do parafuso de ajuste da tira, ou o próprio tubo gira em torno de seu eixo e o meio de enrolamento se move para a frente, longitudinalmente. Essas operações de enrolamento são convencionais e não serão descritas aqui, uma vez que podem ser compreendidas pelos versados na técnica. De acordo com uma modalidade, a tira 9 consiste em fibras de carbono revesti- das de uma matriz termoplástica feita de poliamida, por exemplo. Essas tiras podem ser pré-fabricadas e levadas para o meio de enrolamento armazena- do nas bobinas. O ângulo de enrolamento é próximo a 90° em relação ao eixo do tubo, uma vez que as tensões de cingimento e as tensões de traba- lho (pressão)são principalmente circunferenciais. As tiras são colocadas substancialmente de extremidade a extremidade, de modo a formar a cama- da mais contínua possível após a ligação das tiras. A ligação é feita, preferi- velmente, soldando-se a matriz termoplástica por meio de aquecimento ou ultra-som. Um revestimento de tira e material de ligação podem ser usados, sem que se afastem do escopo da presente invenção. O cingimento é ca- racterizado pela resistência à tensão da tira e pela tensão T aplicada ao en- rolamento.

O número n de camadas de cingimento providas no tubo cingido também é uma característica de cingimento. A tensão T é geralmente uni- forme em uma camada de enrolamento. Por outro lado, o valor da tensão T pode variar de uma camada para a próxima, isto é, a tensão T pode variar de acordo com o diâmetro de enrolamento da tira no tubo. Por exemplo, a camada 6 é obtida enrolando-se uma tensão T de 2500 N, camada 7 com uma tensão de 2480 N e uma camada 8 com uma tensão T de 2470 N. As características de cingimento dependem dos níveis de tensão esperados no tubo.

O método de acordo com a invenção, para determinar os parâ- metros de fabricação de um tubo cingido é ilustrado pelo fluxograma da Fi- gura 2. O primeiro estágio consiste em determinar as características do tubo de metal de acordo com uma primeira série de critérios detalhados a seguir. O segundo estágio consiste em determinar as características de cingimento de acordo com uma segunda série de critérios também detalhada a seguir. O primeiro estágio é projetado para determinar as características do tubo de metal, isto é, com referência à caixa 10 da Figura 2, o tipo de metal A, o comprimento L entre as conexões, o diâmetro interno ID do tubo e a espessura e do tubo. Considerando os padrões (API ou outros)referentes aos tubos grossos e aos graus de aço, as características do tubo são seleci- onadas em uma base de dados 11.

De acordo com a aplicação de um tubo, os valores podem ser impostos para A, L, ID, ou e. Por exemplo, no caso de uma linha para tapar, ou uma linha de estrangulamento, o diâmetro interno ID do tubo é geral- mente padronizado. No caso de uma linha auxiliar de um tubo ascendente de perfuração, o comprimento L está em relação direta com o comprimento do elemento to tubo ascendente. Se uma característica não estiver sujeita a nenhuma exigência, um valor inicial é atribuído à mesma.

O tubo cingido passa por várias cargas mecânicas durante o uso. As forças aplicadas a um tubo cingido, como é usado, são avaliadas, medidas ou calculadas. De acordo com a invenção, apenas um tubo de me- tal, isto é, um núcleo metálico, sem o reforço de cingimento que o circunda na extremidade do estágio de fabricação, precisa permitir que o tubo cingido sofra as tensões de compressão, curvatura e retração devido à pressão ex- terna. Em um primeiro estágio, verifica-se se os valores atribuídos às carac- terísticas A, L, ID e e permitem que o tubo de metal, sem uma camada de cingimento, sofra várias tensões. O controle é feito por meio de vários testes. Os métodos de cálculo convencionais e fórmulas da teoria de resistência do material podem ser usados para fazer esses testes. Também podem ser feitas experiências para testar um tubo de metal.

O primeiro teste (diamante 12)consiste em verificar se o tubo de metal, tal como definido, sofre, suficientemente, tensões axiais de compres- são, o que implica, dentre outras coisas, que a rigidez do tubo e sua resis- tência à ondulação tem que ser controlada. As tensões de compressão apli- cadas às extremidades do tubo cingido podem causar ondulação do tubo. As tensões compressivas podem ser geradas pela pressão interna que cria um "efeito inferior" aplicado à parte inferior do tubo cingido. Se as tensões gera- das pela tensão compressiva excederem um determinado valor crítico, o valor da espessura e é mudado, conforme mostrado pelo elo 13 e pelo bloco 14. No caso de uma impossibilidade industrial referente à espessura reque- rida, pelo menos um outro valor de características A, L, ID podem ser varia- dos. O primeiro teste 12 é reiniciado. Se as tensões geradas pelas tensões compressivas não excederem o valor crítico, o segundo teste 15 é efetuado. Tal valor crítico é fixado pelo usuário do método de acordo com a invenção. Esse valor crítico pode ser, por exemplo, igual a dois terços do valor para o qual as tensões compressivas causam o ondulamento do núcleo do tubo cingido. De modo simultâneo, verifica-se se o tubo de metal sofre as tensões de curvatura. As tensões de curvatura são aplicadas de forma perpendicular ao eixo do tubo e leva a uma deformação lateral do mesmo. As tensões de curvatura podem ser geradas pelas correntes oceânicas que curvam as li- nhas auxiliares. Se as tensões geradas pelas tensões de curvatura excede- rem um determinado valor crítico, o mesmo procedimento que o acima é efetuado, simbolizado por um elo 13 e um bloco 14. Se as tensões geradas pelas tensões de curvatura não excederem um valor crítico, o segundo teste 15 é efetuado. O valor crítico é fixado pelo usuário do método de acordo com a invenção. Esse valor crítico pode ser igual a dois terços do valor do limite de rendimento do metal A.

O segundo teste consiste em verificar se o tubo suporta as for- ças de tensão. As forças de tensão são exercidas ao longo do eixo do tubo e causam o alongamento do tubo cingido. As forças de tensão podem ser de- vidas ao peso da linha auxiliar que é aplicada ao tubo cingido, ou à pressão interna aplicada nos tampões que vedam as extremidades de um tubo du- rante o teste, ou a um alongamento do tubo ascendente se a linha auxiliar toma parte na resistência mecânica do tubo. Se as tensões geradas pelas forças de tensão excederem o valor crítico, o mesmo procedimento que o descrito acima é feito, conforme representado pelo elo 17. Se as tensões geradas pelas forças de tensão não excederem o valor crítico, o próximo teste será efetuado.

O terceiro teste consiste em verificar se o tubo suporta a retra- ção. A retração de um tubo é causada pelas tensões exercidas em direções substancialmente perpendiculares ao eixo do tubo e em direção ao eixo do tubo. Essas tensões podem ser geradas pela pressão do fluido aplicada na superfície externa do tubo cingido. Se as tensões geradas pelas tensões de retração excederem um determinado valor crítico, o mesmo procedimento é feito, conforme mostrado pelo elo 18. Se as tensões geradas pelas tensões de retração não excederem o valor crítico, os valores obtidos para as carac- terísticas A, L, ID e e são tais que o núcleo do tubo a ser cingido sofre as tensões mecânicas, de compressão, de curvatura e de retração, isto é, todas as tensões possíveis, exceto as tensões de ruptura. O segundo estágio do método de acordo com a invenção pode, então, ser efetuado.

O segundo estágio do método de acordo com a invenção é pro- jetado para determinar as características de cingimento (bloco 20). As ca- racterísticas de cingimento incluem a largura 1 e a espessura h de uma se- ção da tira, o tipo de material de polímero Peo tipo de fibra de reforço C usada para as tiras, o número de camadas η e a tensão T da seção de metal como uma função da camada.

O bloco 21 representa uma base de dados relativa à geometria e aos materiais disponíveis para fabricar uma tira de cingimento. O modo de cálculo interativo é feito a partir da seleção, geralmente imposta pelo usuá- rio, do tipo de tira selecionada na base 21.

De acordo com a invenção, o cingimento é projetado para per- mitir que o núcleo, uma vez cingido, suporte as tensões impostas pela pres- são interna; as tensões podem ser calculadas de acordo com o método Von Mises. A pressão interna se refere às tensões geradas pelo fluido sob pres- são contido no tubo cingido. O princípio de dimensionamento consiste em determinar a tensão Teo número de camadas η para determinadas tiras de cingimento que permitem satisfazer as restrições impostas pela pressão in- terna. O bloco 22 representa o cálculo para uma pressão de trabalho, o blo- co 23 para a pressão de teste da linha auxiliar, o bloco 24 para a pressão de rompimento. A interação consiste, após cada teste, em ajustar a tensão T (bloco 25)e em determinar o número de camadas η (bloco 26). As fórmulas e os métodos de cálculo obtidos da teoria de resistência do material podem ser usados para efetuar esses testes. De fato, o campo de pré-tensão no núcleo metálico e na camada de material de reforço (tiras de cingimento)de espessura e e de uma determinada tensão longitudinal podem ser determi- nadas por meio de cálculo convencional, considerando o valor da tensão T aplicada a uma camada colocada em um determinado diâmetro. A partir das tensões radiais aplicadas pela pressão interna, é possível calcular as ten- sões eficazes no núcleo do metal e nas tiras de cingimento, considerando o campo de pré-tensão existente. O princípio da invenção consiste em deter- minar η e T de modo a satisfazer os critérios específicos de trabalho, teste e ruptura. Esses critérios podem ser os do padrão Q API 16: para a pressão de trabalho, a tensão no núcleo metálico, calculada de acordo com Von Mi- ses, é menor do que, ou igual a dois terços do limite de rendimento e a ten- são de cingimento tem que ser inferior a um terço da resistência à tensão de ruptura; para a pressão de teste, a tensão no núcleo metálico, calculada de acordo com Von Mises, é inferior, ou igual, ao limite de rendimento e a ten- são de cingimento tem que ser inferior à metade da resistência à tensão de ruptura. Acima dessas tensões, a resistência à ruptura é provida pelos ele- mentos de reforço enrolados em torno do tubo. A pressão de trabalho pode ser imposta pelos requerimentos da linha auxiliar. A pressão de teste pode ser três terços da pressão de trabalho.

O bloco 27 mostra a obtenção das dimensões do tubo cingido e suas características de fabricação.

O bloco 28 mostra o revestimento total do tubo, por exemplo, enrolando-se uma camada protetora.

Claims

1. Método para dimensionar um tubo cingido projetado para transportar um fluido sob pressão, o tubo cingido compreendendo um tubo de metal e um elemento de reforço enrolado em torno de tal tubo, caracterizado por compreender as seguintes etapas: - determinar o material e as dimensões de tal tubo de material de acordo com as tensões mecânicas aplicadas a tal tubo, com exceção das tensões radiais devido à pressão interna, - determinar a tensão T aplicada ao elemento durante o enrola- mento e o número de camadas de enrolamento para obter um determinado campo de pré-tensão na parede do tubo cingido.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que Ten são determinados de modo que o campo de pré-tensão no tubo cingido seja tal que, na pressão de trabalho, as tensões no tubo de metal sejam inferiores a dois terços do limite de rendimento de tal tubo de metal e a tensão em tal elemento seja inferior a um terço da resistência à tensão de ruptura de tal elemento.

3. Método, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que Ten são determinados de modo que, na pressão de teste, as tensões em tal tubo de metal estejam abaixo do limite de rendimento de tal tubo de metal e a tensão em tal elemento seja inferior à metade da resis- tência à tensão de ruptura de tal elemento.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -3, caracterizado pelo fato de que a tensão T é ajustada de acordo com o di- âmetro de enrolamento do elemento de reforço.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a -4, caracterizado pelo fato de que o elemento de reforço é feito de fibras de carbono revestidas de um material termoplástico de poliamida.

6. Aplicação do método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por ser para fabricar um elemento de Ii- nha auxiliar de um elemento de tubo ascendente de perfuração.

7. Aplicação do método, de acordo com a reivindicação 6, caracte- rizada pelo fato de que tal linha auxiliar é uma das seguintes linhas: linha para tapar, linha de estrangulamento, linha de reforço e linha de retorno de lama.