BR102012003910A2

BR102012003910A2 - Risers de tubos flexíveis para aquecimento elétrico direto de baixa tensão lvdeh

Info

Publication number: BR102012003910A2
Application number: BRBR102012003910-9A
Authority: BR
Inventors: Jarle Jansen Bremnes
Original assignee: Nexans
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2014-01-14
Also published as: EP2493262A1; US20120217000A1; AU2012200848A1; EP2493262B1; US9253821B2; NO334353B1; AU2012200848B2; NO20110303A1

Abstract

RISERS DE TUBOS FLEXÍVEIS PARA AQUECIMENTO ELÉTRIOCO DIRETO DE BAIXA TENSÃO LVDEH. A presente invenção refere-se a um sistema para aquecimento elétrico de risers ou tubos que compreenem pelo menos duas camadas concêntricas de fios metálicos adaptados para serem usados para aquecimento elétrico direto de baixa tensão (LV-DEH), sendo que cada par é fornecido para aquecer um segmento específico de um riser ou um tubo. O sistema pdoe ser tanto para a tubulação quanto para o riser até um lado de topo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "RISERS DE TUBOS FLEXÍVEIS PARA AQUECIMENTO ELÉTRICO DIRETO DE BAIXA TENSÃO LVDEH".

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se, em geral, ao campo de cabos submarinos de energia elétrica. Mais especificamente, refere-se a um siste- ma para aquecimento elétrico direto de baixa tensão (DEH) de um riser ou tubo coaxial.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA

A temperatura do óleo ou condensado nos reservatórios subter- râneos é tipicamente de cerca de 90 0C. A corrente de poço de óleo ou con- densado contém diversas substâncias líquidas que congelam quando a tem- peratura cai. Isso representa um problema quando os tubos são resfriados na água do mar, particularmente durante uma paralisação de produção, o que faz com que o fluxo na linha ser impedido ou mesmo bloqueado devido à formação de hidratos ou tampões de cera. Para resolver esse problema, tratamentos químicos são principalmente usados. No entanto, isso tem cus- tos operacionais consideráveis e apresenta um risco para o ambiente caso um vazamento ocorra. Os produtos químicos são usados para impedir a formação de hidrato ou cera durante as paralisações de produção.

Como uma alternativa ao tratamento químico, as linhas de água quente e o aquecimento elétrico tem estado em uso por alguns anos. Idéias recentes sobre como estender o DEH de modo a incluir o riser de produção estão todas focadas na utilização de uma única corrente elétrica, o que re- sulta invariavelmente na necessidade de isolamento de alta tensão (HV) no riser.

O aquecimento indireto com o uso de água quente ou cabos elé- tricos de aquecimento não irão dissipar o calor na posição ótima no interior do riser. Além disso, a água quente irá perder a temperatura com a profundi- dade e distância crescentes de um hospedeiro de lado de topo. O uso de produtos químicos é geralmente indesejado, principalmente devido à logísti- ca e ao custo. A conexão em série com um sistema de DEH existente, com o uso de um cabo do tipo "piggyback", resultaria em uma necessidade de iso- lamento de alta tensão, e também introduziria um fluxo de corrente descon- trolado a partir da água do mar para a estrutura de lado de topo.

Em um documento, ISOPE 2000 (Halvorsen, Lervik e Klevjer),

são descritos alguns conceitos de DEH diferentes. Três conceitos de DEH são ilustrados na Figura 4 do dito documento (não anexado à presente), em que:

a) é um conceito de DEH (DEH-a) comum para o aquecimento de uma linha de escoamento e em que o riser é excluído do DEH. Esse con- ceito diz respeito a como o DEH é utilizado atualmente. Em operação, uma corrente flui a partir de uma fonte de energia de corrente alternada (CA) de 50 (ou 60) Hz em uma plataforma, descende para uma plataforma de vante isolada a partir da plataforma mais descendentemente e ao longo da tubula-

ção que repousa sobre o leito do mar presa à tubulação como um cabo do tipo "piggyback" e aterrada em uma extremidade distante. A corrente flui a- través desse cabo e retorna por meio da tubulação ao ponto em que o riser é conectado à tubulação. A partir desse ponto, a corrente é conduzida através de um cabo de retorno separado ascendentemente e de volta novamente para a fonte de energia na plataforma. Devido à tubulação ser aterrada em ambas as extremidades, uma corrente paralela está fluindo na água que cir- cunda a tubulação no leito do mar.

b) é um conceito de DEH (DEH-b) em que o DEH é estendido para cobrir a tubulação bem como a tubulação no fundo do mar. Uma cor-

rente flui a partir de uma fonte de energia de CA de 50 (ou 60) Hz em uma plataforma, ao longo de um cabo do tipo "piggyback" de modo descendente ao longo do riser e ao longo, ainda, da tubulação. O cabo do tipo "piggyback" é conectado à tubulação e à terra em uma extremidade distante. A corrente retorna por meio da tubulação e adicionalmente sobre a extremidade do tubo no riser. Na plataforma, a corrente é conduzida de volta novamente para a fonte de energia na plataforma. Devido ao fato de que a tubulação e o tubo no riser são aterrados em suas extremidades, as correntes paralelas estão, nessa configuração, fluindo na água que circunda a tubulação e que circun- da o tubo no riser. A corrente elétrica que flui no tubo no riser será, em geral, diferente da corrente que flui na tubulação no fundo do mar, sendo que a diferença de corrente flui na água do mar.

c) é um conceito de DEH (DEH-c) em que o DEH é estendido

para cobrir a tubulação, bem como a tubulação no fundo do mar, como em DEH-c, porém, em que a conexão de riser/linha de escoamento é isolada e não aterrada nesse momento. Isso força a mesma corrente elétrica a fluir no tubo no riser e na tubulação no fundo do mar. Um problema com o DEH-a é que a última parte da tubulação,

por exemplo, o riser, tubo umbilical ou rígido, não é aquecido pelo DEH.

Um problema com o DEH-b é que a alta tensão e a corrente não bem controlada resultante na água circundante são ameaças potenciais para uma operação segura. Dependendo da construção, o isolamento de alta ten- são (HV) será provavelmente exigido no riser. A dita corrente não bem con- trolada pode eqüivaler potencialmente a diversas centenas de amperes. O DEH-b será, portanto, dificilmente aceito para uso na indústria de óleo. Para risers dinâmicos/de livre suspensão, outro problema é relacionado à neces- sidade de anexar o cabo do tipo "piggyback" ao riser dinâmico. Um elemento do tipo "piggyback" como esse resultará, em geral, em um comportamento dinâmico imprevisível do riser dinâmico, e pode influenciar adversamente as propriedades de colisão e/ou fadiga do riser.

O DEH-c tem as mesmas desvantagens referentes à segurança que o DEH-b, a única diferença funcional é que a corrente elétrica que flui através do riser é a mesma que flui através da tubulação no fundo do mar. A possibilidade da corrente ser transferida da água do mar para a unidade de produção (plataforma marítima ou em terra) ser maior ou menor do que o DEH-b depende principalmente das diferenças em geometria e propriedades de material entre o riser e a tubulação no fundo do mar. Um sistema de aquecimento direto é baseado no fato de que

uma corrente elétrica em um condutor de metal gera calor devido às perdas ôhmicas. No documento US2002122664 de Nexans, um sistema para aque- cer uma linha de escoamento que inclui um cabo umbilical é apresentado. Neste pedido, a própria tubulação é usada para dissipar perdas ôhmicas e, portanto, também atua como um elemento de aquecimento. Um condutor isolado separado é usado para fornecer corrente direta. Nesse sistema, a extremidade distante relacionada a uma plataforma de produção é a referên- cia terrestre que está em contato elétrico com o mar. A outra extremidade é isolada do mar. Isso resulta no aumento da diferença de tensão entre a linha de produção e o mar ao se mover a partir da extremidade distante e em di- reção à plataforma. Uma desvantagem desse sistema é que a diferença de tensão entre o mar e a tubulação resultará na necessidade de isolamento de alta tensão (HV) na plataforma e em alguma distância ao longo da tubula- ção.

Os documentos GB2435347 e GB2437161, ambos de Nexans, descrevem dois outros sistemas para DEH que são baseados em cabos do tipo "piggyback" separados. O documento GB2457791, também de Nexans, introduz ainda outro sistema com um cabo do tipo "piggyback". Esse pedido descreve um sistema em que a tubulação e o cabo do tipo "piggyback" são posicionados juntos no interior de um núcleo magnético.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção busca fornecer um sistema de aquecimento

elétrico direto de baixa tensão (LV-DEH), o qual pode ser usado para aque- cimento da parte de linha de tubo próxima a um lado de topo ou estrutura terrestre. Um problema é que, ao estender um sistema de DEH atual, essa última etapa irá resultar invariavelmente em grandes correntes elétricas errá- ticas em água do mar que são difíceis de controlar na transição de água pa- ra ar como ambiente. Outro problema é que a tensão resultante nessa ex- tremidade de um sistema de DEH para muitas instalações será a alta tensão (HV) que exige isolamento de HV que adiciona problemas de complexidade, custo e segurança. "Alta tensão", conforme usado em organizações de pa- dronização internacional, como IEC, corresponde a sistemas que tem uma tensão (CA) para terra que excede 1.000Λ/3 V = 577 V. A tensão mínima exigida para criar um arco elétrico estável no ar à pressão atmosférica e a uma distância de eletrodo de alguns milímetros está na faixa de 500 a 700 V. (A tensão de arco mínima absoluta de 377 V para o ar à atmosfera da ordem de 1, conforme fornecido pela lei de Paschen, corresponde a uma distância de eletrodo de 7,5 micrômetros). Os sistemas de energia operados em ten- sões de linha de até, inclusive, 1.000 V são definido pelo IEC 60038 como "baixa tensão".

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, o sis- tema de LV-DEH compreende pelo menos duas camadas concêntricas se- paradas de fios metálicos para fornecer a corrente CA, sendo que uma atua como um condutor direto e a outra atua como uma corrente de retorno. As camadas sendo adaptadas para serem usadas para aquecimento elétrico direto de baixa tensão. O termo "LV" (baixa tensão) é usado para indicar uma tensão de alimentação tipicamente bem abaixo de 500 V em relação à terra e que excede 577 V em relação à terra, em correspondência com o IEC 60038. Consequentemente, o risco de formação de arco elétrico na extremi- dade de lado de topo/terrestre é muito pequeno.

Opcionalmente, o sistema de LV de DEH é eletricamente sepa- rado de outros sistemas de aquecimento elétrico direto.

Mais especificamente, a invenção refere-se a um sistema para aquecimento elétrico de risers ou tubos. O recurso técnico principal de tal sistema é que o mesmo compreende pelo menos dois pares de camadas concêntricas de fios metálicos, sendo que cada par de camadas é adaptado para ser usado para aquecimento elétrico direto de baixa tensão e é forneci- do para aquecer um segmento específico de um riser ou um tubo. Vantajosamente, o sistema de aquecimento elétrico é usado pa-

ra aquecimento de risers ou tubos flexíveis.

Preferencialmente, cada par de camadas concêntricas é eletri- camente separado do outro par de camadas concêntricas a fim de reduzir uma tensão indesejada e uma corrente indesejada em um lado de topo. Vantajosamente, cada par de camadas concêntricas é eletrica-

mente separado do outro par de camadas concêntricas a fim de reduzir uma tensão indesejada e uma corrente indesejada em um lado de topo. Preferencialmente, pelo menos uma camada de cada par é uma blindagem existente para o dito riser ou tubo.

Vantajosamente, pelo menos uma camada de cada par tem uma condutividade maior do que a outra camada a fim de direcionar a dissipação elétrica.

Preferencialmente, a corrente tem uma freqüência de mais do que 60 Hz para reduzir a corrente elétrica em ambiente de água.

Vantajosamente, cada par de camadas concêntricas tem sua própria fonte de corrente. DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As modalidades da presente invenção serão agora descritas com propósitos exemplificativos com referência aos seguintes desenhos:

A figura 1 é um desenho de princípio das conexões básicas en- volvidas na invenção; A figura 2 é uma seção transversal de um riser típico que utiliza

a presente invenção;

A figura 3 é um diagrama esquemático de uma tubulação marí- tima com um lado de topo ou uma terminação terrestre ou uma instalação de riser com a invenção de LV-DEH instalada; e A figura 4 é um diagrama esquemático de uma tubulação marí-

tima com um lado de topo ou terminação terrestre ou instalação de riser com a invenção de LV-DEH instalada e que também inclui um sistema de DEH para aquecimento da tubulação no fundo do mar separado do sistema de LV de DEH.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES DA INVENÇÃO

Referindo-se à figura 3 e à figurai, é mostrada uma ilustração esquemática de uma seção de uma tubulação que é aquecida com um sis- tema de LV de DEH. Uma corrente alternada (CA) é introduzida a partir de uma fonte de corrente 20 que fornece uma freqüência fixa, tipicamente em uma faixa que se estende de 50 Hz até diversos kHz, a um lado superior de um condutor concêntrico que compreende fios de cobre ou aço 5 que atuam como um cabo de avanço. Esse condutor compreende pelo menos uma ca- mada de fios. A corrente flui de modo descendente para uma conexão de remendo 10 em que esse cabo de avanço é conectado a fios de blindagem de aço 3 que atua como um trajeto de retorno para a corrente elétrica. Esse remendo pode ser opcionalmente aterrado através de uma conexão de re- mendo 12. Os fios de blindagem de aço 3 são terminados em uma termina- ção de lado de topo 13 que também é conectada ao lado de topo ou à estru- tura terrestre e é, portanto, aterrada. Essa terminação 13 conclui o trajeto de retorno da corrente até a fonte de corrente 20.

Referindo-se à figura 2, o tubo 1 do riser 30 a ser aquecido tem pelo menos uma camada externa de revestimento de polímero 2 que atua como proteção mecânica. Essa pelo menos uma camada compreende, de preferência, boa condutância térmica para facilitar a transferência de calor a partir dos fios de blindagem 3. Os fios de blindagem 3 têm, de preferência, uma resistência elétrica específica por distância, sendo que se espera que a mesma seja maior do que àquela dos fios de cobre ou aço 5. Nesse caso, a maior parte do calor é, então, produzida de modo mais próximo ao tubo 1, onde é necessário. Entre o fios de blindagem 3 e os fios de cobre ou aço 5 está uma ou mais camadas de blindagem que compreendem isolamento elétrico e, opcionalmente, térmico 4. Fora da pelo menos uma camada de fios de cobre ou aço 5, pelo menos uma camada que compreende isolamen- to elétrico ou térmico 6 é encontrada. Fora dessa, há pelo menos uma blin- dagem para proteção mecânica 7.

A figura 4 mostra essa seção usado junto a um DEH convencio- nal para uma tubulação ao longo do leito do mar. Uma modalidade preferen- ciai da presente invenção será agora descrita com referência a essas figu- ras. Dividindo-se o aquecimento em dois sistemas de DEH separados, um que envolve um primeiro par (3, 5) de camadas concêntricas de fios metáli- cos e outra que envolve um segundo par (103, 105) de camadas concêntri- cas de fios metálicos, importantes vantagens são obtidas. Em um sistema de DEH convencional para tubulações de aquecimento, os cabos de avanço e de retorno são conectados e aterrados à extremidade distante, próximo ao Módulo de Extremidade de Linha de Tubo (PLEM). Com o aumento propor- cional com o comprimento da tubulação, a tensão em uma posição na ex- tremidade da plataforma pode se tornar bastante alta. Podem ser esperados até 30 quilovolts ou mais em relação à terra. Tais altas tensões excedem o que seria aceitável para as camadas de isolamento elétrico 4 e 6, e camadas semicondutoras adicionais teriam que ser adicionadas a fim de permanecer de acordo com as exigências de projeto de cabo em, por exemplo, IEC 60502-2. Mais ou menos fluxo de corrente descontrolado a partir da água do mar para uma estrutura de lado de topo também resulta de sistemas de DEH "tradicionais" com o uso de um cabo do tipo "piggyback" discreto. As corren- tes resultantes da água do mar podem eqüivaler potencialmente a diversas centenas de amperes. Os sistemas de DEH não são, portanto, continuados até a própria plataforma ou a uma fonte de energia terrestre. No leito do mar, a distância entre o leito do mar e uma plataforma é normalmente grande o suficiente para que essas tensões e correntes de sistemas de DEH atuais não representem nenhum grande problema para instalações de lado de to- po. A invenção envolve introduzir um sistema de LV de DEH separado e a- perfeiçoado para a última etapa até a plataforma. Isso é ilustrado na Figura 4, em que uma fonte de CA separada de 50 (ou 60) Hz 120 é usada para o sistema de DEH convencional que aquece a tubulação no leito do mar. A tensão no lado de topo extremidade pode estar, então, a uma tensão muito mais baixa, tipicamente abaixo de 500 volts por quiloampere e quilômetro (V kA"1 km"1), de tal modo que esteja em conformidade com definições interna- cionais de "baixa tensão" (LV). A tensão real deve ser avaliada em caso a caso, já que dependerá do projeto do riser, do comprimento aquecido, da corrente de aquecimento exigida, a qual também depende da exigência de aquecimento do riser, e da escolha de freqüência operacional. A redução real na corrente marítima comparada a sistemas de DEH tradicionais tam- bém dependerá de parâmetros como as dimensões do riser (por exemplo, tubo central, blindagem, condutor de cobre), porém, por princípio, o projeto coaxial deve resultar em uma corrente marítima significante menor. Uma redução significante adicional de corrente marítima pode ser alcançada atra- vés da seleção de uma maior freqüência operacional. No entanto, as moda- Iidades alternativas que envolvem uma freqüência elevada também implicam em uma tensão de alimentação elevada, o que implica que uma otimização caso a caso é exigida. Dependendo do projeto e da magnitude do sistema final da corrente marítima residual, pode se fazer necessário projetar um sis- tema de eletrodo para coletar correntes circulantes na água do mar abaixo da plataforma ou a uma distância da linha da costa. A menos que o tubo 1 do riser seja eletricamente isolado a partir da estrutura eletricamente aterra- da terrestre ou no lado de topo, algumas correntes também serão induzidas e circuladas no laço condutor composto pelo tubo 1 e pela água do mar. No entanto, já que os conteúdos do tubo não são eletricamente isolantes, não é considerado seguro isolar o tubo no riser a partir da terra do lado de topo/na costa. Consequentemente, alguma corrente residual irá circular no laço ele- tricamente condutor composto pelo tubo e pela água do mar.

Em outra modalidade, toda a instalação é instalada em águas rasas. Tais instalações não precisam necessariamente de risers dispendio- sos e flexíveis. A tubulação, conforme posicionada no leito do mar, é direcio- nada diretamente para a extremidade terrestre/de lado de topo (não apre- sentada em uma Figura). Uma divisão entre um sistema de DEH de conver- são ao longo da tubulação no fundo do mar e da última seção que tem LV- DEH não é, nesse caso, onde um riser convencional é conectado á tubula- ção, devido ao fato de que o riser (flexível), como tal, é eliminado. Ao invés disso, o local da divisão entre os dois sistemas de DEH é escolhido para que a corrente de interrupção resultante no mar próximo ao lado de topo e a ten- são de interrupção na mesma área sejam minimizadas quando os compo- nentes dos dois sistemas de DEH são combinados.

É difícil, na prática, evitar que a corrente elétrica flua através da água. A junção opcional 12 conecta o remendo 10 à terra e está disponível nos casos em que isso é vantajoso. A corrente elétrica na água do mar pode ser influenciada por essa junção otimizada, porém, devido ao fato de que a corrente na água do mar depende de diversos diferentes parâmetros, o uso da junção será somente observado, porém pode ser usado caso a caso.

Uma tubulação estática é indicada por 8. Um módulo de transi- ção 11 é usado para conectar a tubulação estática a um riser 1. O módulo de transição 11 é conectado á terra por meio de um anodo para proteção cató- dica da tubulação estática 8 e para o tubo de aço flexível ou rígido 1 do riser 30.

Em ainda outra modalidade, a freqüência da fonte de CA 20 do sistema de LV de DEH é aumentada a fim de gerar maiores perdas ôhmicas no riser, porém, também para reduzir possivelmente a corrente elétrica que flui na água fora do riser. A freqüência pode ser aumentada de 50 (ou 60) Hz, até diversos kHz a fim de aperfeiçoar a eficiência e reduzir a corrente marítima, mas não mais do que o permitido pela limitação de "baixa tensão" na extremidade terrestre/de lado de topo.

No presente documento, as expressões riser, linha flexível e tu- bo flexível, bem como as expressões tubulação, linha, riser e cabo umbilical são, em geral, destinadas a representar o mesmo. Quando um riser compre- ende um tubo, a distinção entre esses é autoexplicativa.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema para aquecimento elétrico de risers ou tubos (30, 1, 8), caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos dois pares de camadas concêntricas de fios metálicos (3,103,5,105), sendo que cada par de camadas é adaptado para ser usado para aquecimento elétrico direto de baixa tensão e é fornecido para aquecer um segmento específico de um ri- ser ou um tubo.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o sistema de aquecimento elétrico é usado para o aquecimento de risers ou tubos fle- xíveis (30, 1,8).

3.Sistema, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que cada par de camadas concêntricas (3,103,5,105) é eletricamente separado dos outros pares de camadas concêntricas (3,103,5,105) a fim de reduzir uma tensão indesejada e uma corrente indesejada em um lado de topo (13).

4. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que pelo menos uma camada (3,103,5,105) de cada par é uma blin- dagem existente para o dito riser ou tubo (30, 1, 8).

5. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, em que pelo menos uma camada de cada par tem uma condutividade maior do que a outra camada a fim de direcionar a dissipação elétrica.

6. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que a corrente tem uma freqüência de mais do que 60 Hz para reduzir a corrente elétrica em ambiente de água.

7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que cada par de camadas concêntricas tem sua própria fonte de cor- rente (20,120).