BR102014010863B1

BR102014010863B1 - estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão e método de manufatura de uma estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão

Info

Publication number: BR102014010863B1
Application number: BR102014010863-7A
Authority: BR
Inventors: James L. Gallagher
Original assignee: James L. Gallagher, Inc.
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2021-01-12
Also published as: US9829125B2; US20140332110A1; WO2014182667A1; BR102014010863A2

Abstract

ESTRUTURA TUBULAR PARA USO EM AMBIENTES DE ALTA PRESSÃO E MÉTODO DE MANUFATURA DA MESMA Uma estrutura tubular inclui uma carcaça feita de um arranjo de segmentos de aro que se unem para formar uma série de juntas articuladas. Uma cobertura exterior dura, porém flexível, forma-se em torno da carcaça. Os segmentos de aro são reforçados com fibra a fim de aumentar a força e reduzir o peso. A cobertura se ancora na carcaça em intervalos ao longo de seu comprimento a fim de manter unidos os segmentos de aro ao mesmo tempo em que provê a flexibilidade necessária para a aplicação de tubulação em águas profundas, bem como outras aplicações de tubulação de alta pressão.

Description

ESTRUTURA TUBULAR PARA USO EM AMBIENTES DE ALTA PRESSÃO E MÉTODO DE MANUFATURA DE UMA ESTRUTURA TUBULAR PARA USO EM AMBIENTES DE ALTA PRESSÃO

[0001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório No. US61/820.333, depositado em 7 de maio de 2013, cujos conteúdos e ensinamentos são aqui incorporados por referência em sua totalidade.

FUNDAMENTOS

[0002] A recuperação de óleo de poços submarinos frequentemente envolve o uso de tubos flexíveis para conectar um poço em um solo oceânico a equipamentos de produção na superfície. Tais tubos devem ser capazes de resistir a enormes pressões advindas do peso da água em profundidades extremas e, portanto, incluir fortes estruturas internas que evitem que a pressão da água arruíne os tubos.

[0003] Estruturas tubulares internas apropriadas são tradicionalmente providas por meio do uso de carcaças de aço dentro dos tubos. Uma carcaça de aço convencional é um aro contínuo, construído com a formação de tiras de aço em uma estrutura interligada capaz de se flexionar, resistir à pressão exterior e resistir a forças axiais. Por exemplo, segmentos de aro de aço curtos podem ser formados e longitudinalmente frisados juntos para formar uma estrutura tubular mais extensa. Porções semelhantes ao fole de um acordeão dentro de cada segmento permitem a curvatura da carcaça como um todo. A carcaça é tipicamente coberta por um forro termoplástico que age como uma barreira para o fluido. Adicionalmente, projetos de tubos típicos incluem muitas camadas externas. A carcaça evita a ruína do forro termoplástico e das camadas externas. Fluidos, tais como óleo, são transmitidos pelos tubos dentro da carcaça.

RESUMO

[0004] Infelizmente, carcaças tubulares convencionais para aplicações de alta pressão podem ser extremamente pesadas. À medida que aumenta a profundidade operacional requerida dos tubos, para, por exemplo, atender a poços oceânicos mais profundos, aumenta também o peso das carcaças tubulares, fazendo com que os tubos para aplicações em águas profundas se tornem difíceis para o manuseio e transporte. Adicionalmente, o aço de que as carcaças tubulares são feitas tende a sofrer fadiga e corroer com o tempo, limitando prematuramente a vida útil dos tubos. O que se deseja é uma estrutura tubular forte e mais leve, resistente à fadiga e à corrosão sem sacrifício da flexibilidade.

[0005] Em contraste com projetos de tubos convencionais de alta pressão, uma estrutura tubular melhorada é composta por uma disposição de segmentos de aro que se unem para formar uma carcaça tubular possuindo uma série de juntas articuladas. Uma cobertura exterior dura, embora flexível, forma-se em torno da carcaça tubular. A cobertura se ancora à carcaça em intervalos ao longo de seu comprimento a fim de manter unidos os segmentos de aro ao mesmo tempo em que provê a flexibilidade necessária para aplicações tubulares em águas profundas. Os segmentos de aro são reforçados com fibra, que promove um aumento de força, um decréscimo no peso, e resistência à fadiga e à corrosão.

[0006] Em um exemplo, a carcaça tubular inclui uma disposição alternada de primeiros e segundos segmentos de aro. Cada primeiro segmento de aro possui uma superfície anelar frontal e traseira que possui uma curvatura côncava, e cada segundo segmento de aro possui uma superfície anelar frontal e traseira que possui uma curvatura convexa. Os primeiro e segundo segmentos de aro são montados de maneira alternada, com as extremidades ligadas, de modo que a superfície frontal de um se conecte à superfície traseira de outro para formar uma junta articulada, que funciona, substancialmente, como um rolamento esférico, provendo, assim, flexibilidade à carcaça como um todo.

[0007] Segmentos de aro podem ser conectados para formar estruturas de qualquer comprimento. Em vários exemplos, estruturas são formadas em seções de comprimento fixo (por exemplo 12-15 m cada) ou são feitas para comprimentos arbitrários.

[0008] Em um exemplo, uma capa interna resistente à abrasão é aplicada ao exterior de uma carcaça tubular. A capa interna pode ser provida como uma capa pré-fabricada de comprimento fixo ou formada no local (por exemplo, usando uma ou mais máquinas trançadeiras grandes) em qualquer comprimento arbitrário. Uma barreira impermeável a líquidos, tal como película de silicone, aplica-se ao exterior da capa interna, e uma capa externa (por exemplo, uma trança feita de fibra de vidro) aplica-se sobre a barreira impermeável a líquidos. A capa exterior é impregnada de resina, o que provê alguma habilidade de se flexionar quando curada. A barreira impermeável a líquidos evita que a resina vase para a capa interna.

[0009] Em um exemplo, os segmentos de aro, ou algum subconjunto deles, incluem uma característica, tal como um sulco ou uma área levantada em suas superfícies exteriores, para ancorar a capa externa à carcaça. Por exemplo, cada primeiro segmento de aro possui um sulco percorrendo o entorno da circunferência externa do segmento em um ponto médio do segmento ou próximo a ele. Antes de a resina na capa externa ter sido curada, uma fibra (ou conjunto de fibras) é enrolada em torno da capa externa e concentrada na região de fora de cada sulco (ou um de seus subconjuntos), de modo que a capa externa, a barreira impermeável a líquidos e a capa interna são todas impulsionadas na direção e para dentro de cada sulco respectivo. Perfaz-se então a cura da resina nessa condição, formando, assim, uma série de “nódulos” em que a cobertura exterior é ancorada à carcaça. Uma vez curada, a capa de fora forma uma cobertura que mantém unidos os segmentos anelares e evita que se separem axialmente. A flexibilidade da resina curada permite a flexão da estrutura tubular e a articulação dos segmentos de aro em relação uns aos outros. Onde os segmentos de aro tiverem áreas elevadas em suas superfícies externas ao invés de sulcos, fibra pode ser enrolada em um ou ambos os lados das áreas elevadas para ancorar a capa externa à carcaça, perfazendo-se a cura da resina como descrito acima.

[0010] Anteriormente à cura da resina, a capa externa, incluindo a(s) fibra(s) ancoradora(s), pode ser envolvida em película termorretrátil. A película serve para manter a montagem tubular e a(s) fibra(s) unidas em uma disposição estável enquanto a resina é curada. A película também promove a formação de uma superfície exterior lisa. A película termorretrátil pode ser removida após a cura da resina, ou mantida no local se desejado. Camadas adicionais podem se aplicar conforme a necessidade de acomodação da aplicação em vista.

[0011] Certas modalidades se dirigem a uma estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão. A estrutura tubular inclui múltiplos segmentos de aro, cada um reforçado com fibra. Os segmentos de aro são dispostos com as extremidades ligadas para formar uma carcaça tubular possuidora de uma junta articulada entre cada par de segmentos de aro adjacentes. A estrutura tubular inclui ademais uma cobertura disposta em torno da carcaça tubular e ancorada à carcaça tubular em intervalos ao longo de seu comprimento.

[0012] Outras modalidades são direcionadas a uma estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão. A estrutura tubular inclui primeiros segmentos de aro, cada um dos primeiros segmentos de aro incluindo fibra de carbono, possuindo um formato anelar e possuindo uma superfície de rolamento esférica côncava em cada extremidade dos mesmos. A estrutura tubular inclui, ademais, múltiplos segundos segmentos de aro, cada um dos segundos segmentos de aro incluindo fibra de carbono, possuindo um formato anelar e possuindo uma superfície de rolamento esférica convexa em cada extremidade dos mesmos. Os primeiros segmentos de aro e os segundos segmentos de aro são dispostos em um padrão alternante com as extremidades ligadas para formar uma carcaça tubular, de modo que cada um dos primeiros segmentos de aro forme um rolamento esférico com cada segundo segmento de aro adjacente a ele. A estrutura tubular inclui, ademais, uma cobertura disposta em torno da carcaça de tubo e ancorada à carcaça de tubo em intervalos ao longo de seu comprimento.

[0013] Ainda outras modalidades são dirigidas a um método de manufatura de uma estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão. O método inclui a disposição de múltiplos segmentos de aro com as extremidades ligadas a fim de formar uma carcaça tubular possuidora de uma junta articulada entre cada par de segmentos de aro adjacentes. Cada um dos segmentos de aro é reforçado com fibra. O método inclui ademais a aplicação de uma cobertura em torno da carcaça tubular e a ancoragem da cobertura à carcaça tubular em intervalos ao longo do comprimento da carcaça tubular.

BREVE DESCRIÇÃO DAS DIVERSAS VISUALIZAÇÔES DAS FIGURAS

[0014] O mencionado acima e outras características e vantagens se tornarão aparentes a partir da seguinte descrição de modalidades particulares da invenção, tal como ilustrado nas figuras que acompanham, em que caracteres de referência similares referem-se às mesmas partes ao longo das diferentes visualizações. As figuras não estão necessariamente em escala, sendo a ênfase colocada antes na ilustração dos princípios de diversas modalidades da invenção. Nas figuras que acompanham,

[0015] FIG. 1 é uma vista em perspectiva de um exemplo de segmento de aro duplo-convexo empregado na construção de uma carcaça tubular de acordo com as modalidades aqui apresentadas;

[0016] FIG. 2 é uma vista em perspectiva de um exemplo de segmento de aro duplo-côncavo, empregado na construção de uma carcaça tubular de acordo com as modalidades aqui apresentadas;

[0017] FIG. 3 é uma é uma vista em perspectiva de um exemplo de carcaça tubular formada a partir de uma disposição alternada de segmentos de aro duplo-convexos, como representados na FIG.1, e segmentos de aro duplo-côncavos, como representados na FIG. 2, em que uma junta articulada se forma em cada junção;

[0018] FIG. 4 é uma vista em perspectiva de um exemplo da estrutura tubular da FIG. 3 após a aplicação de uma capa interna sobre a carcaça tubular;

[0019] FIG. 5 é uma vista em perspectiva de um exemplo da estrutura tubular da FIG.4, em que um exemplo de barreira impermeável a líquidos está sendo aplicada sobre a capa interna;

[0020] FIG. 6 é uma vista em perspectiva de um exemplo da estrutura tubular da FIG. 5, após a aplicação da capa exterior de exemplo ter ocorrido sobre a barreira impermeável a líquidos; uma vez aplicada, a capa exterior pode ser impregnada com resina;

[0021] FIG. 7 é uma vista em perspectiva de um exemplo da estrutura tubular da FIG. 6, após fibra ter sido enrolada em torno da capa externa, com uma concentração dos enrolamentos sobre sulcos nos segmentos de aro duplo-côncavos, a fim de formar nódulos em que a capa externa se ancora à carcaça tubular;

[0022] FIG. 8 é uma vista em perspectiva de um exemplo de material termorretrátil sendo aplicado sobre a capa externa, sobre a fibra enrolada;

[0023] FIG. 9 é uma vista em perspectiva de um exemplo de uma estrutura tubular finalizada;

[0024] FIG. 10 é um fluxograma mostrando um exemplo de processo para manufatura de uma estrutura tubular de acordo com as modalidades aqui apresentadas; e

[0025] FIG. 11 é uma vista em perspectiva de um exemplo de um segmento de aro côncavo-convexo que pode ser utilizado na construção de uma carcaça tubural alternativa, de acordo com as modalidades aqui apresentadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0026] Modalidades da invenção serão descritas agora. Entende-se que tais modalidades são providas como exemplo ilustrativo das diversas características e dos diversos princípios da invenção, e que a invenção aqui tratada é mais ampla do que revelam as modalidades exemplificadas específicas.

[0027] Uma estrutura tubular melhorada inclui uma carcaça tubular feita de uma disposição de segmentos de aro que se unem para formar uma série de juntas articuladas. Uma cobertura dura, porém flexível forma-se em torno da carcaça tubular. Os segmentos de aro são reforçados com fibra para promover um aumento da força e uma redução do peso. A cobertura é ancorada à carcaça em intervalos ao longo de seu comprimento a fim de manter os segmentos de aro unidos ao mesmo tempo que possibilita a flexibilidade da estrutura.

[0028] FIG. 1 mostra uma representação do segmento de aro 110. O segmento de aro 110 tem um design duplo-convexo em que as superfícies anelares externas 120 nas extremidades do segmento de aro 110 inclinam-se para fora em um formato convexo.

[0029] FIG. 2 mostra uma representação do segmento de aro 112. O segmento de aro 112 tem um design duplo-côncavo em que as superfícies anelares externas 122 nas extremidades dos segmentos de aro 112 inclinam-se para dentro com um formato côncavo. Quando um dos segmentos de aro 110 é colocado com a extremidade ligada à extremidade de um dos segmentos de aro 112, um rolamento esférico se forma entre os dois segmentos de aro. Especificamente, uma superfície 120 no segmento de aro 110 faz contato deslizante com uma superfície 122 no segmento de aro 112. O contato deslizante entre as superfícies de rolamento 120 e 122 possibilita a articulação dos segmentos de aro 110 e 112 um em relação ao outro.

[0030] Os segmentos de aro duplo-convexos 112 podem ser configurados para incluir, cada um, um sulco 124 formado circunferencialmente em torno de uma superfície externa dos mesmos. O sulco 124 localiza-se preferencialmente em algum ponto médio do segmento e abarca completamente todo o redor. Alternativamente, sulcos 124 podem se formar em torno do exterior dos segmentos de aro duplo-convexos 110. Sulcos também podem se formar tanto em torno dos segmentos de aro duplo-convexos 110 como dos segmentos de aro duplo-côncavos 112.

[0031] FIG. 3 mostra múltiplos segmentos de aro 110 e 112 dispostos com as extremidades ligadas em um padrão alternado para produzir uma carcaça tubular 300. Nesta disposição, cada junção de um segmento de aro 110 com um segmento de aro 112 forma um rolamento esférico. A carcaça tubular possui, assim, a habilidade de se curvar e dobrar conforme necessário. Conforme será descrito, os sulcos 124 são empregados na formação de nódulos para a ancoragem de uma capa externa impregnada de resina à carcaça 300 e para manter unidos os segmentos de aro 110 e 112.

[0032] Os aros 110 e 112 são reforçados com fibra. Em alguns exemplos, a fibra inclui fibra de carbono. O grau da fibra de carbono pode ser variado para corresponder à pressão (por exemplo, profundidade) sob a qual a carcaça 300 é projetada para ser operada. Por exemplo, fibra de carbono de baixo módulo (variedade de jardim) pode ser empregada em aplicações superficiais, fibra de carbono de módulo intermediário pode ser empregada para maiores profundidades, e fibra de carbono de alto módulo pode ser empregada para aplicação em águas profundas. A espessura radial dos aros 110 e 112 também pode ser variada baseada nas pressões operacionais esperadas, com paredes mais espessas sendo providas para maiores profundidades. Em alguns exemplos, um único tubo é construído com diferentes graus de fibra de carbono e paredes de diferentes espessuras, com o aumento do grau e da espessura para diferentes partes do tubo conforme as profundidades operacionais esperadas dessas partes aumenta. Para aplicações em águas muito profundas, pode-se empregar fibra de boro em vez da, ou adicionalmente à, fibra de carbono. Em alguns exemplos, a fibra de boro constitui aproximadamente 10% do conteúdo total de fibras, com a fibra de carbono constituindo o contrapeso do conteúdo fibroso.

[0033] A fim de prover a força compressiva necessária para resistir a pressões aquáticas extremamente altas, as fibras nos aros 110 e 112 são orientadas predominantemente circunferencialmente, por exemplo, em um ângulo de aproximadamente 85 a 89 graus. Em um exemplo, aproximadamente 75-80% das fibras são circunferencialmente orientadas; entretanto, outras porcentagens também podem se mostrar eficazes. As fibras remanescentes são orientadas em direções diferentes, com algumas fibras correndo axialmente e outras correndo em um padrão em zigue-zague, por exemplo em vários ângulos entre 0 e 60 graus.

[0034] Em um exemplo, os aros 110 e 112 são manufaturados mediante a aplicação de um tubo a um mandril e a aplicação da fibra ao tubo. O diâmetro externo do tubo estabelece um diâmetro interno dos aros 110 e 112. O tubo é envolto em fibra até o diâmetro externo da fibra enrolada atingir ou exceder uma espessura desejada da parede dos aros 110 e 112, e as fibras são impregnadas com resina. Em um exemplo, a resina é uma resina termoplástica ou termofixa. Uma vez curada a resina, o tubo é removido do mandril. Seções do tubo são cortadas e maquinadas para formar os aros 110 e 112, com superfícies curvadas 120 e 122 e sulcos 124 providos como demonstrado.

[0035] FIGS. 4-9 mostram a construção de um exemplo de uma cobertura em torno da carcaça tubular 300. Conforme será demonstrado e descrito, a cobertura mantém unidos os segmentos de aro da carcaça tubular 300 e os ancora à carcaça tubular 300 em intervalos ao longo de seu comprimento.

[0036] FIG. 4 mostra o exemplo de carcaça 300 após a aplicação de uma capa interna 410. A capa interna 410 reveste a carcaça 300 como, por exemplo, uma meia. A capa interna 410 é preferencialmente feita de um material muito forte resistente à abrasão, tal como o DuPont® Kevlar™ (poliparafenileno tereftalamida), alguma outra fibra aramídica ou alguma outra fibra ou combinação de fibras fortes e/ou sintéticas. Em um exemplo, as fibras são trançadas para formar uma bainha flexível. Por exemplo, os aros 110 e 112 da carcaça 300 são alinhados em um mandril e passam por uma máquina trançadeira. Um ângulo de trançagem é selecionado para a fibra, o que possibilita à carcaça 300 flexionar-se ao mesmo tempo que provê a força tênsil necessária. Em um exemplo, as fibras são feitas de Kevlar e trançadas em um ângulo entre 50 e 55 graus e em 2,7 m/Kg (4.09 ft/lb). A capa interna 410 pode, portanto, ser trançada in situ diretamente à carcaça 300, assegurando um encaixe intimamente combinante.

[0037] FIG. 5 mostra a película 510 sendo aplicada à carcaça 300 sobre a capa interna 410. Em um exemplo, a película 510 é uma película flash termoplástica de silicone, o que provê uma barreira líquida impermeável que evita o vazamento de uma resina posteriormente aplicada à capa interna 410 e a restrição de sua flexibilidade. Em um exemplo, a película 510 é aplicada em uma forma de sobreposição, por exemplo, com duas camadas, de modo a prover 100% de sobreposição.

[0038] FIG. 6 mostra uma capa externa 610 que foi aplicada à carcaça 300 por sobre a película 510. Como demonstrado na região expandida 612 e à guisa de exemplo, a capa externa 610 é feita de fibra de vidro, com um tecido de, por exemplo X22L800R, +/-45graus a 1,9 m/Kg (2,84 ft/lb). Múltiplas camadas de fibra de vidro (por exemplo, duas camadas) podem ser aplicadas. Em um exemplo, a capa externa 610 é aplicada e trançada in situ mediante o emprego de uma máquina trançadeira, de modo semelhante ao acima descrito para a capa interna 410. Em seguida, a capa externa 610 é impregnada com resina flexível. Em um exemplo, a resina é selecionada de modo que ela proveja aproximadamente 4% de flexibilidade, possibilitando à carcaça 300 curvar-se com um raio igual a aproximadamente 50 vezes seu diâmetro. Em um exemplo, a estrutura é acoplada a um mandril e a capa externa 610 é besuntada de resina, tal como West Epoxy 105/209, por exemplo.

[0039] FIG. 7 mostra a mesma disposição da FIG. 6, porém aqui uma fibra 710 foi enrolada em torno da capa externa impregnada de resina 610, com enrolamentos concentrados sobre os sulcos 124 nos segmentos de aro 112. A fibra 710 pode ser uma fibra de alta força (por exemplo, fibra de vidro, carbono, aramídica etc.) ou uma fibra de módulo baixo, por exemplo, e é aplicada antes da cura da resina. Preferencialmente, múltiplas camadas de fibra 710 são aplicadas em um ângulo alto para travar a capa externa efetivamente dentro dos sulcos 124. Em um exemplo, a fibra 710 é composta de uma única extremidade deacabamento de fibra de vidro lypp 225, que chega a 4-5 passagens em cada sulco 124.

[0040] FIG. 8 mostra a mesma disposição da FIG. 7, porém aqui uma camada de película termorretrátil 810 está sendo aplicada ao exterior da capa exterior impregnada de resina 610 e fibra 710. Uma vez aplicada, a película 810 pode ser aquecida para ativar o encolhimento. A resina pode ser curada sob essa condição.

[0041] FIG. 9 mostra a estrutura tubular 900 completa após a cura da resina e a remoção da película 810 para revelar uma superfície lisa. Camadas adicionais podem ser providas à estrutura tubular 900 conforme necessário para corresponder à aplicação pretendida.

[0042] A estrutura tubular resultante 900 é flexível, porém forte o bastante para resistir às altas pressões necessárias para aplicações em águas profundas. Diferentemente de estruturas tubulares feitas de carcaças de aço, a estrutura tubular 900 não se corrói, nem sofre fadiga de metal. Espera-se, assim, que a estrutura tubular 900 proveja uma longa vida útil de serviços. A estrutura tubular 900 também é leve se comparada a projetos baseados em aço e é, portanto, mais fácil de transportar e manusear.

[0043] FIG. 10 mostra uma representação do processo 1000 para a manufatura da estrutura tubular 900. Entende-se que a ordem das ações do processo 1000 pode variar, com algumas ações sendo executadas em ordens diferentes das expostas e/ou algumas ações sendo executadas simultaneamente. A ordem específica das ações, de acordo com a exposição, deve, portanto, ser considerada meramente ilustrativa.

[0044] Em 1010, segmentos de aro são dispostos com as extremidades ligadas para formar uma carcaça tubular alongada possuidora de juntas articuladas entre segmentos adjacentes. Por exemplo, segmentos de aro duplo-convexos 110 (FIG. 1) são colocados em um padrão alternado com segmentos de aro duplo-côncavos 112 (FIG. 2) para formar a carcaça tubular 300 (FIG. 3). Cada segmento de aro duplo-convexo 110 forma um rolamento esférico com cada um de seus segmentos vizinhos de aro duplo-côncavos 112. Da mesma forma, cada segmento de aro duplo-côncavo 112 forma um rolamento esférico com cada um de seus segmentos de aro vizinhos duplo-convexos 110.

[0045] Em 1012, uma capa resistente à abrasão pode ser aplicada sobre a estrutura. Por exemplo, a capa interna 410 (FIG. 4) pode ser trançada in situ sobre a carcaça tubular 300. Entende-se que algumas modalidades não requerem uma capa interna 410; assim, a execução da ação 1012 deve ser considerada como uma escolha discricionária do projeto.

[0046] Em 1014, uma barreira impermeável a líquidos é aplicada sobre a capa interna. Por exemplo, a película 510 (FIG. 5) envolve a estrutura tubular sobre a capa interna 410.

[0047] Em 1016, uma capa externa é aplicada sobre a barreira impermeável a líquidos. Por exemplo, a capa externa 610 é trançada in situ à estrutura tubular, por exemplo, sobre a barreira impermeável a líquidos formada pela película 510.

[0048] Em 1018, resina é aplicada à capa externa. Por exemplo, uma resina termoplástica ou termofixa é aplicada à capa externa 610. A resina apresenta alguma flexibilidade quando curada.

[0049] Em 1020, fibra é enrolada em torno da capa externa sobre sulcos nos segmentos de aro a fim de criar nódulos em que a capa externa é ancorada à estrutura. Por exemplo, a fibra 710 (FIG. 7) envolve a capa externa 610, com uma concentração de fios nas regiões de fora dos sulcos 124 (FIGS. 2 e 3) para pressionar eficientemente as regiões da capa externa impregnada de resina 610 para dentro dos sulcos 124. Alternativamente, a fibra 710 pode ser enrolada antes da aplicação da resina, embora uma maior penetração da resina próximo aos sulcos 124 tipicamente possa ser alcançada aplicando-se a resina antes de enrolar a fibra 710. Quando a resina é curada, a capa externa endurecida 610 forma nódulos que mantêm os segmentos de aro 110 e 112 da carcaça 300 unidos, provendo ao mesmo tempo flexibilidade. Entende-se que a fibra 710 não precisa se concentrar em torno de todos os sulcos 124 na carcaça tubular 300 para formar uma âncora. Dependendo das necessidades do projeto, a fibra 710 pode ser aplicada apenas sobre alguns sulcos. Além disso, embora a fibra 710 seja aplicada em intervalos ao longo do comprimento da carcaça 300, não há necessidade de que tais intervalos sejam uniformes. A localização específica dos nódulos é antes uma questão de escolha de design.

[0050] Em 1022, a película termorretrátil é enrolada em torno da capa externa e aplica-se calor para ativar a película. Por exemplo, a película termorretrátil 810 (FIG. 8) é enrolada sobre a bainha externa impregnada de resina 610 antes da cura da resina. A película 810 se contrai quando aquecida, ajudando a promover a lisura e a uniformidade da superfície.

[0051] Em 1024, a película termorretrátil é removida após a cura da resina, revelando uma estrutura tubular acabada (por exemplo, 900) possuindo uma superfície lisa e uniforme.

[0052] Entende-se que 1022 e 1024 são úteis apenas se desejado que a estrutura tubular 900 seja lisa. De outro modo, as ações 1022 e 1024 podem ser omitidas. A remoção da película (ação 1024) pode ser opcional mesmo quando uma superfície lisa é desejada.

[0053] Uma estrutura tubular melhorada foi descrita, a qual inclui uma carcaça tubular 300 feita de uma disposição de segmentos de aro 110 e 112, que se unem para formar uma série de juntas articuladas. Uma cobertura externa dura, porém flexível (por exemplo, 610) forma-se em torno da carcaça 300. A cobertura 610 se ancora à carcaça 300 em intervalos ao longo de seu comprimento a fim de manter unidos os segmentos de aro 110 e 112 ao mesmo tempo que provê a flexibilidade necessária para aplicações em águas profundas. Os segmentos de aro 110 e 112 são reforçados com fibra (por exemplo, fibra de carbono, fibra de boro etc.), que resiste à corrosão e fadiga e garante à estrutura tubular uma razão entre força e peso muito maior do que as alcançadas por carcaças de aço convencionais. A estrutura tubular é leve, e as juntas articuladas entre os segmentos e a cobertura exterior possibilitam flexibilidade à estrutura.

[0054] Conforme empregado ao longo deste documento, as palavras “compreendendo”, “incluindo” e “possuindo” se destinam a colocar certos itens, etapas, elementos ou aspectos de alguma coisa em evidência de um modo aberto. Além disso, conforme aqui empregada e a menos que uma declaração seja feita em contrário, a palavra “conjunto” significa um ou mais de alguma coisa. Embora certas modalidades sejam aqui expostas, entende-se que são providas à guisa de exemplo apenas, e a invenção não se limita a essas modalidades em específico.

[0055] Descritas algumas modalidades, numerosas modalidades alternativas ou variações podem ser feitas. Por exemplo, embora os segmentos de aro 110 tenham sido mostrados e descritos como duplo-convexos e os segmentos de aro 112 tenham sido mostrados como duplo-côncavos, isto configura apenas um exemplo. Alternativamente, por exemplo, um único tipo de segmento de aro pode ser provido, possuindo uma superfície côncava de um lado e uma superfície convexa do outro.

[0056] Fig. 11 mostra um exemplo de segmento de aro côncavo-convexo 110. O segmento de aro 1110 possui uma superfície de rolamento anelar convexa 1120 em uma das extremidades e uma superfície anelar de rolamento côncava 1122 em uma outra extremidade. O segmento de aro 1110 pode incluir um sulco 1124 para ancoragem em uma cobertura externa, de maneira similar àquela descrita acima para o sulco 124. Múltiplos segmentos de aro 1110 podem ter as extremidades ligadas a fim de formar uma carcaça tubular alternativa (não demonstrada), uma que requeira somente um tipo único de segmento de aro. Cada segmento de aro 1110 forma um rolamento esférico com cada um de seus vizinhos.

[0057] Ainda, enquanto foi demonstrado que os sulcos 124 são usados para ancorar a capa exterior impregnada de resina 610 à carcaça 300, outras características além dos sulcos 124 podem ser providas. Por exemplo, os segmentos de aro, ou algum subconjunto deles, podem incluir rebordos elevados (protuberâncias, não demonstradas) que perfazem a circunferência dos segmentos de aro. A fibra 710 pode ser enrolada de modo a ancorar a capa externa 610 a um lado (ou a ambos os lados) da protuberância. Como variante dessa ideia, pares de rebordos elevados podem ser providos em torno dos segmentos de aro, com os recuos formados entre os rebordos elevados servindo como pontos de ancoragem.

[0058] Ainda, enquanto a carcaça 300 e as estruturas tubulares resultantes foram descritas para uso em aplicações em águas profundas, elas também são apropriadas para outras aplicações em alta pressão.

[0059] Além disso, embora os segmentos de aro 110, 112 e 1110 tenham sido mostrados e descritos como incluindo fibra de carbono e/ou de boro, esses são apenas exemplos. Alternativamente, a fibra nos segmentos de aro pode ser composta de alguma outra fibra ou combinação de fibras de alta força.

[0060] Além disso, embora os segmentos de aro 110, 112 e 1110 tenham sido mostrados e descritos como formando juntas que funcionam como rolamento esférico, isso é apenas um exemplo. Diferentes tipos de rolamento podem ser mais apropriados para aplicações específicas. Assim, as juntas formadas entre segmentos de aro adjacentes podem prover outros tipos de rolamentos, tais como rolamentos de dobradiça, rolamentos de deslizamento, rolamentos de pivô, rolamentos de sela e rolamentos condiloides, por exemplo.

[0061] Além disso, conforme demonstrado e descrito, a capa interna 410 e a capa externa 610 são trançadas à carcaça 300 in situ, por exemplo, a carcaça 300 sendo carregada em um mandril e passada por uma trançadeira ou máquina similar enquando a fibra é trançada à carcaça 300. Este é apenas um exemplo, de todo modo. Alternativamente, a capa interna 410 e/ou a capa externa 610 pode ser pré-fabricada e aplicada sobre a carcaça 300 durante a manufatura. Embora projetos trançados sirvam particularmente bem na carcaça 300, a capa interna 410 e/ou capa externa 610 podem ser formadas usando um projeto não trançado, como, por exemplo, usando outros tipos de tecidos entrelaçados, fibras unidirecionais, usando folhas ou película, e/ou usando outros materiais maleáveis, por exemplo.

[0062] Além disso, embora se verifique que a estrutura 900 possui uma cobertura que inclui tanto uma capa interna 410 quanto uma capa externa 610, isso também é apenas um exemplo. A capa interna 410 pode ser omitida da cobertura em algumas aplicações, por exemplo. A barreira impermeável a líquidos formada pela película 510 pode ser aplicada diretamente à carcaça 300 e a capa 610 pode ser aplicada sobre a película 510. De acordo com essa variante, a capa 610 pode ser composta de um material resistente à abrasão, tal como Kevlar ou alguma outra fibra aramídica, por exemplo.

[0063] Ainda mais, embora sejam demonstradas e descritas características com referência a suas modalidades particulares, tais características podem ser incluídas em qualquer uma das modalidades divulgadas e suas variantes. Assim, entende-se que características divulgadas em conexão com qualquer modalidade podem ser incluídas em qualquer outra modalidade, quer tal inclusão seja aqui explicitada, quer não o seja.

[0064] Conforme empregadas ao longo deste documento, as palavras “compreendendo”, “incluindo” e “possuindo” destinam-se a evidenciar certos itens, passos, elementos ou aspectos de alguma coisa de um modo aberto. Além disso, conforme empregado aqui e a menos que uma declaração explícita seja feita em contrário, a palavra “conjunto” significa um ou mais de alguma coisa. Tal é o caso independentemente da frase “conjunto de” ser seguida por um objeto plural ou singular e independentemente de ser conjugada com um verbo plural ou singular. Embora certas modalidades sejam aqui reveladas, entende-se que estas são providas apenas à guisa de exemplo, não sendo a invenção limitada a essas modalidades específicas.

[0065] Aqueles versados na técnica entenderão, portanto, que diversas alterações em forma e detalhes podem ser feitas às modalidades aqui reveladas, sem que se escape ao escopo da invenção.

Claims

Estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão, caracterizada pelo fato de compreender:
múltiplos segmentos de aro (110, 112), os segmentos de aro (100, 112) dispostos com as extremidades ligadas para formar uma carcaça tubular (300) que possui uma junta articulada entre cada par de segmentos de aro adjacentes (110, 112); e
uma cobertura (610) disposta em torno da carcaça tubular (300) a cobertura (610) tendo múltiplos aparatos elevados (1020) se projetando internamente, cada aparato elevado da cobertura (610) incluindo um enrolamento contínuo circunferencial de fibra (710) embutido na cobertura (610), os aparatos elevados envolvendo os aparatos de ancoragem (124, 1124) formados nas superfícies externas de uma pluralidade de segmentos de aro (110, 112) para ancorar a cobertura (610) à carcaça tubular (300) em intervalos ao longo de seu comprimento.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada um dos segmentos de aro (110, 112) inclui uma primeira superfície de rolamento (120, 1120) em uma primeira extremidade do respectivo segmento de aro e uma segunda superfície de rolamento (120, 1122) em uma segunda extremidade do respectivo segmento de aro.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que a primeira superfície de rolamento (120, 1120) possui um formato anelar e uma curvatura esférica, e em que a segunda superfície de rolamento (120, 1122) possui um formato anelar e curvatura esférica.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que:
os segmentos de aro (110, 112) incluem primeiros segmentos de aro (110) e segundos segmentos de aro (112) dispostos em um padrão alternado ao longo do comprimento da carcaça tubular (300),
em que, para cada um dos primeiros segmentos de aro (110), a primeira superfície de rolamento (120) é côncava e a segunda superfície de rolamento (120) é côncava,
em que, para cada um dos segundos segmentos de aro (112), a primeira superfície de rolamento (1120) é convexa e a segunda superfície de rolamento (1122) é convexa, e
em que um dos primeiros segmentos de aro (110) forma (i) um primeiro rolamento esférico com um dos segundos segmentos de aro (112) e (ii) um segundo rolamento esférico com outro dos segundos segmentos de aro (112).
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que:
para cada um dos segmentos de aro, a primeira superfície de rolamento é côncava e a segunda superfície de rolamento é convexa, e
em que um primeiro dentre os segmentos de aro forma (i) um primeiro rolamento esférico com um segundo dos segmentos de aro e (ii) um segundo rolamento esférico com um terceiro dos segmentos de aro.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada um dos aparatos de ancoragem inclui um sulco circunferencial (124, 1124) em torno de uma superfície externa do segmento de aro (110, 112) respectivo, e em que um enrolamento contínuo circunferencial de fibra (710) embutido na cobertura (610) inclui fibra envolta em uma proximidade do sulco circunferencial (124, 1124) a fim de pressionar a cobertura (610) para dentro do sulco e assim ancorar a cobertura (610) à carcaça tubular (300).
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a cobertura inclui:
uma barreira impermeável a líquidos (510) disposta em torno da carcaça tubular (300); e
uma capa externa (610) disposta em torno da barreira impermeável a líquidos (510),
em que a capa externa (610) é impregnada de resina possuidora da capacidade de se flexionar quando curada.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que a cobertura inclui, adicionalmente, uma capa interna (410) feita de um material resistente à abrasão e disposta entre a carcaça tubular (300) e a barreira impermeável a líquidos (510).
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a capa interna (410) inclui uma fibra de arame trançada e a capa externa (610) inclui fibra de vidro trançada.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada um dos múltiplos segmentos de aro (100, 112) é individualmente reforçado com fibra, e que a maioria das fibras em cada um dos segmentos de aro é orientada circunferencialmente.
Estrutura tubular, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada pelo fato de que pelo menos alguns dos segmentos de aro (110, 112) incluem uma combinação de fibra de carbono e fibra de boro.
Método de manufatura de uma estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão, o método caracterizado pelo fato de compreender:
arranjo de múltiplos segmentos de aro (110, 112) de extremidades ligadas para formar uma carcaça tubular (300) possuindo uma junta articulada entre cada par de segmentos de aro adjacentes.aplicação de uma cobertura em torno da carcaça tubular (300); e
ancoragem da cobertura (610) à carcaça tubular (300) em intervalos ao longo de um comprimento da carcaça tubular (300),
em que a aplicação da cobertura inclui:
aplicação de uma barreira impermeável a líquidos (510) em torno da carcaça tubular (300);
aplicação de uma capa (610) em torno da barreira impermeável a líquidos (510); e
aplicação de resina à capa (610), a resina possuindo a capacidade de se flexionar quando curada.
em que pelo menos alguns dos segmentos de aro incluem um sulco circunferencial (124, 1124), e
em que a ancoragem da cobertura à carcaça tubular (300) inclui (i) pressionar regiões da capa fora dos respectivos sulcos (124, 1124) para dentro dos sulcos antes da cura da resina, e (ii) permitir a cura da resina com as regiões da capa pressionadas para dentro dos respectivos sulcos.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a disposição dos segmentos de aro (110, 112) forma um rolamento articulado entre cada segmento de aro e cada um de seus segmentos de aro adjacentes.
Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que pressionar as regiões da capa para dentro dos respectivos sulcos (124, 1124) inclui enrolar a fibra (710) em torno da capa e concentrar o enrolamento nas regiões da capa fora dos sulcos.
Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, antes da aplicação da barreira impermeável a líquidos (510), a aplicação de uma capa interna (410) em torno da carcaça tubular (300), em que a capa interna (410) inclui fibras e em que a aplicação da capa interna inclui o trançamento das fibras da capa interna (410) à estrutura tubular in situ.
Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a capa (610) inclui fibras, e em que a aplicação da capa inclui o trançamento das fibras da capa à estrutura tubular in situ.
Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, a manufatura de segmentos de aro (110, 112) pelo enrolamento da fibra a um tubo, de modo que a maior parte da fibra esteja orientada circunferencialmente, com uma porção remanescente da fibra orientada em vários outros ângulos.
Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a manufatura dos segmentos de aro (110, 112) inclui, adicionalmente, o estabelecimento de uma espessura de parede de segmentos de aro baseada em uma pressão operacional pretendida da estrutura tubular, e em que o enrolamento da fibra ao tubo é conduzido até que uma espessura da fibra enrolada ao tubo seja pelo menos tão grande quanto a espessura estabelecida da parede.
Método, de acordo com a reivindição 17, caracterizado pelo fato de que a fibra inclui fibra de carbono, em que a manufatura dos segmentos de aro inclui, adicionalmente, a seleção de um módulo de fibra de carbono baseado em uma pressão operacional pretendida da estrutura tubular, e em que o enrolamento da fibra ao tubo inclui o enrolamento de fibra de carbono dos módulos selecionados ao tubo.
Estrutura tubular para uso em ambientes de alta pressão, caracterizada pelo fato de que compreende:
múltiplos primeiros segmentos de aro (110), cada um dos primeiros segmentos de aro (110) possuindo formato anelar, e possuindo uma superfície de rolamento esférica (120) côncava em cada uma de suas extremidades;
múltiplos segundos segmentos de aro (112), cada um dos segmentos de aro (112) incluindo fibra de carbono, possuindo formato anelar, e possuindo uma superfície esférica convexa (1120, 1122) em cada uma de suas extremidades;
os primeiros segmentos de aro (110) e os segundos segmentos de aro (112) dispostos em um padrão alternado, com extremidades ligadas, a fim de formar uma carcaça tubular (300), tal que cada um dos primeiros segmentos de aro (112) forme um rolamento esférico com cada um dos segundos segmentos de aro (112) adjacentes a si; e
uma cobertura (610) disposta em torno da carcaça tubular (300) a cobertura tendo múltiplos aparatos elevados se projetando internamente, cada aparato elevado da cobertura incluindo um enrolamento contínuo circunferencial de fibra (710) embutido na cobertura, os aparatos elevados envolvendo os aparatos de ancoragem (124, 1124) formados em superfícies externas de uma pluralidade de segmentos de aro (110, 112) para ancorar a cobertura (610) à carcaça tubular (300) em intervalos ao longo de seu comprimento.