BR102016010696B1

BR102016010696B1 - Bloco de funções integradas para uso em sistemas submarinos

Info

Publication number: BR102016010696B1
Application number: BR102016010696-6A
Authority: BR
Inventors: Alan ZARAGOZA LABES; Heloisa Helena Da Silva Folhadella; Jones Jonson Matias Dos Santos
Original assignee: Fmc Technologies Do Brasil Ltda
Priority date: 2016-05-11
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2022-07-05
Also published as: BR102016010696A2; WO2017193189A1; EP3456439A1; US20190292871A1; US11174695B2

Abstract

BLOCO DE FUNÇÕES INTEGRADAS PARA USO EM SISTEMAS SUBMARINOS. A presente invenção se refere a um bloco metálico de funções integradas (1) capaz de integrar em um único bloco metálico as funções de blocos de válvulas (11), bloco de componentes hidráulicos do sistema de bombeamento (12), passagens para transporte dos fluidos produzidos e separados (16), flanges (13) para conexões de chokes e sensores, fittings de conexões e outros componentes passíveis de serem fabricados mutuamente em um único bloco metálico. O bloco de funções integradas é composto de circuitos de geometrias complexas, com curvas, inclinações e conexões (3) com outras passagens (16) ocorrendo no interior do maciço do bloco (1), devendo ser fabricado preferencialmente pelo processo de metalurgia do pó com compactação isostática a quente para obter as geometrias complexas com menor peso possível.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de novos conceitos, arranjos e tipos de fabricação de bloco metálico aplicável em sistemas submarinos, o qual integra em apenas um único corpo os blocos de válvulas, bloco de componentes hidráulicos do sistema de bombeamento, passagens para transporte dos fluidos produzidos e separados, flanges para conexões de chokes e sensores, dentre outros.

Histórico da Invenção

[002] Como bem conhecido dos técnicos versados no assunto, os equipamentos submarinos são em geral desenvolvidos de tal forma que suportem a severidade do ambiente submarino, tais como, por exemplo, altas pressões (interna e externa), temperatura, contato com agentes corrosivos, etc. Assim, esses equipamentos são projetados segundo normas extremamente conservadoras, que exigem alta confiabilidade e robustez contra potenciais falhas, o que leva o produto final a ter estruturas metálicas de grande porte, a tal ponto de chegar a pesar até um valor em torno de centenas de toneladas. As Figuras 3 e 4 exemplificam a ordem de grandeza das dimensões e peso da montagem completa de um sistema submarino destinado a separação de fluidos e bombeamento segundo o estado da técnica. Nesse exemplo, as dimensões são de cerca de 29m x 8,5m x 8,5m com peso próprio de 400 toneladas.

[003] Outro importante fator limitante de projeto é representado pelas dificuldades do processo de fabricação. Em um exemplo de processo de fabricação comumente utilizado em projetos de sistemas submarinos se emprega o forjados, trechos de tubos, vigas, chapas, tarugos, barras, dentre outros. O produto do forjamento é simples e se assemelha a um prisma de base retangular ou quadrada, fazendo com que sejam necessária etapas posteriores para sua conformação, tais como a pré-usinagem, solda de revestimento e acabamento.

[004] Durante a pré-usinagem, faz-se o uso de diversas ferramentas como tornos, fresas e dispositivos que requerem o manuseio e tombamento do bloco para diferentes acessos das ferramentas, dando forma final desejada ao bloco. A solda de revestimento é usada normalmente nas regiões onde é requerida a vedação e nas áreas de contato com o fluido produzido, havendo necessidade de limitação do alcance da tocha para aplicação da solda e de alívio térmico que precisam ser verificados e controlados quando estes se fazem necessários. A peça em fabricação pode ainda voltar à mesa de usinagem para ser realizado um acabamento final que, geralmente, é realizado quando se necessita retificar a superfície revestida com solda.

[005] A limitação verificada nesse processo de fabricação do estado da técnica envolvendo forjamento e etapas de usinagem, se dá pela dificuldade de acesso das ferramentas, externa e internamente, inviabilizando a fabricação de peças com estruturas complexas, tais como, por exemplo, cavidades curvas sobrepostas, impondo que as peças fabricadas tenham dimensões muitas vezes maiores que as necessárias para exercer a função proposta.

[006] De forma geral, todas as limitações dos processos de fabricação devem ser consideradas de forma que a viabilidade da fabricação, soldagem, aplicação da solda de revestimento, montagem, pintura, aplicação do isolamento térmico, testes das partes e integração do sistema sejam garantidas para todos os itens que constituem o sistema.

[007] Um sistema submarino de separação de fluidos é, por exemplo, composto de milhares de itens que compreendem desde os mais complexos de maior relevância para o projeto, como itens corriqueiros, tais como porcas e parafusos. Entretanto, cada um desses equipamentos e componentes deve ser especificado com base nas rígidas normas internacionais que regem as práticas da engenharia para aplicações submarinas, o que por óbvio reflete diretamente no custo do projeto. A Figura 4 exemplifica tal pluralidade de componentes em um sistema submarino destinado a separação de fluidos e bombeamento.

[008] Portanto, nas etapas de fabricação, montagem e teste de um equipamento submarino são consumidos tempo e recursos significativamente altos, fatores estes que afetam diretamente no custo final do projeto. Adicionalmente, é necessário um rigoroso gerenciamento de itens, de forma que as atividades relacionadas ao almoxarifado, gerenciamento de fornecedores, logísticas, serviços terceirizados, espaço para estoque, espaço para acomodar as máquinas-ferramenta e outros dispositivos para fabricação e outras atividades comuns em qualquer projeto desse porte não afetem negativamente no andamento do projeto. Ademais, somado a todos esses fatores já mencionados, também existem custos indiretos relacionados aos equipamentos pesados e com grandes dimensões, o que torna necessário o uso de transportes com altíssima capacidade para grandes cargas.

[009] Os problemas e inconvenientes acima descritos para o processo global de fabricação de sistemas submarinos destinados a separação e bombeamento de fluidos não foram até momento solucionados de forma técnica objetiva e menos custosa para sua produção, transporte e instalação.

[0010] Dessa forma, é objeto da presente invenção desenvolver um novo conceito, arranjo e processo de fabricação de um bloco metálico que integre as funções de bloco de válvulas, bloco dos componentes hidráulicos do sistema de bombeamento, passagens para transporte dos fluidos produzidos e separados, flanges para conexões de chokes e sensores, entre outros, para diminuição dos custos de fabricação, montagem, transporte e instalação em projetos submarinos utilizados pela indústria do petróleo.

Descrição Resumida da Invenção

[0011] De acordo com a presente invenção, é provido um novo conceito para projetos de instalações submarinas em que funções comuns, como bloco de válvulas e passagens para transporte dos fluidos produzidos e separados são integradas em um único corpo metálico. Para tal, e devido à complexidade de sua geometria, dito corpo metálico é produzido por processo de metalurgia do pó de compactação isostática a quente.

[0012] A presente invenção será referida aqui como “bloco metálico de funções integradas”.

Breve Descrição das Figuras

[0013] O bloco metálico de funções integradas segundo a presente invenção poderá ser bem compreendido a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo representam: - Figura 1 - Bloco metálico de funções integradas com integração de sedes de válvulas, passagens para transporte de fluidos, corpo da bomba submarina e hidrociclones removíveis; - Figura 2 - Equipamentos do sistema submarino que exercem a função de separar óleo, gás e areia da água, módulo de bombeamento e tubulação a qual o sistema é destinado; - Figura 3 - Suportes, acessórios, painéis, tubos e guias de instalação do sistema submarino mostrado na Figura 2; - Figura 4 - Estrutura, tubulação, conexões e acessórios do sistema submarino mostrado na Figura 2; - Figura 5 - Montagem completa de um sistema submarino destinado a separação de fluidos e bombeamento; - Figura 6 - Vista em detalhe do interior do bloco metálico de funções integradas; - Figura 7 - Visualização das cavidades das sedes das válvulas e passagens para transporte de fluidos do bloco metálico de funções integradas.

Descrição Detalhada da Invenção

[0014] Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um novo conceito de um bloco metálico, que será referido como bloco metálico de funções integradas (1), capaz de integrar diversas funções, tais como, bloco de válvulas, bloco de componentes hidráulicos do sistema de bombeamento, passagens para transporte dos fluidos, flanges para conexão de chokes e sensores, corpo da bomba submarina, dentre outros.

[0015] Em consequência de tal integração, os circuitos das passagens internas (2) de geometria complexa, possuem curvas, inclinações e conexões com outras passagens (3) ocorrendo no interior do maciço do bloco (1). Para que essa geometria seja factível, dito bloco metálico de funções integradas (1) é fabricado a partir do processo de metalurgia do pó de compactação isostática a quente (hot isostatic pressing - HIP.

[0016] O processo de metalurgia do pó consiste necessariamente em duas etapas: (i) a compactação, onde o pó metálico é conformado, e (ii) a sinterização, onde ocorre a união das partículas do pó. Porém, a compactação isostática a quente executa ambas as etapas simultaneamente, sendo geralmente voltada para peças com dimensões maiores e de geometrias complexas tais que seriam inviáveis sua fabricação adotando-se processos convencionais como forjamento e usinagem. Utilizado para obtenção de materiais com alto desempenho, como metal duro e aço ferramenta, esse processo consiste na colocação do pó metálico em cápsulas, que compreendem o formato externo da geometria desejada, são posteriormente submetidos a alta pressão e temperaturas elevadas, mas abaixo da temperatura de fusão, de forma que os parâmetros do processo sejam ajustados para que seja garantida a densificação do material.

[0017] O pó metálico no final do processo toma a forma da cápsula de enchimento onde foi introduzido, sendo então a peça moldada retirada por ataque ácido para ser levada ao tratamento térmico visando alívio de tensões residuais e melhoria das propriedades mecânicas. Após esse tratamento térmico, a peça passa por usinagem final para acabamento. A viabilidade de confecção da cápsula, majoritariamente, rege a viabilidade da geometria que poderá ser confeccionada em HIP.

[0018] Deve ainda ser observado que a cápsula do bloco metálico permite acessos às cavidades das sedes pelo topo e pela lateral de forma a garantir o preenchimento do pó metálico nos interstícios das cavidades mantendo a menor distância entre as cavidades acima da menor distância aceitável possibilitando a dita usinagem final da peça. O posicionamento das cavidades é feito de forma que as tolerâncias de fabricação sejam aceitáveis em relação a sua posição.

[0019] Para exemplificar as vantagens do bloco metálico de funções integradas (1) segundo a presente invenção, uma instalação submarina do estado da técnica, é mostrada nas Figuras 2, 3, 4 e 5 detalhando respectivamente, os equipamentos do sistema submarino que exercem a função de separar óleo, gás e areia da água com módulo de bombeamento (4), tubulações para transporte de fluidos (5), sensores (6), hidrociclones (7) e sede das válvulas (8), além de suporte, acessórios, painéis, tubos, guias de instalação do sistema submarino, estrutura, tubulações, conexões e acessórios do sistema submarino. Esses componentes e a montagem completa de um sistema submarino destinado à separação e bombeamento de fluidos do estado da técnica é bem compreendida e dominada pelos técnicos no assunto.

[0020] Para tal aplicação de separação e bombeamento de fluidos em sistemas submarinos, o bloco metálico de funções integradas (1) de acordo com apresente invenção é acoplado a uma bomba submarina (9), hidrociclones removíveis (10) e sede das válvulas (11), tal como ilustrado na Figura 1. Essa configuração de acordo com a presente invenção, em comparação com os sistemas submarinos para separação de fluidos do estado da técnica, dispensa o uso de aproximadamente 30 corpos de válvulas, em torno de 400 metros de comprimento de tubulação para transporte de fluidos e compartilha os componentes de diferentes funções em um único elemento, eliminando a necessidade de “fittings”, soldas, válvulas de isolamento, dentre outros, e reduzindo significativamente a quantidade de itens que compõem um sistema submarino de separação e bombeamento de fluidos.

[0021] No intuito de melhorar o entendimento e visualização dos componentes internos do bloco metálico de funções integradas (1) objeto da presente invenção, nas Figuras 6 e 7 não está ilustrada sua capa externa metálica (15), permitindo ali se verificar em detalhes a sede das válvulas (11), a cavidade principal (12), os circuitos das passagens no interior (2) do bloco (1), a conexão dos circuitos (3) no interior do bloco (1), as passagens para transporte de fluidos (16), o flange (13) e o encaminhamento dos tubos (14).

[0022] Tanto a forma de montagem como de interligação desses componentes são bem conhecidas dos técnicos no assunto, uma vez que obedecem a padrões de projeto de fabricação de tais sistemas de separação e bombeamento de fluidos em ambiente submarino de exploração de petróleo.

[0023] É necessário ressaltar que o bloco metálico de funções integradas (1) pode ser aplicado a qualquer sistema submarino em que seja possível integrar blocos de válvulas, passagens para transporte de fluidos, fittings de conexão e outros componentes passíveis de integração em um único bloco metálico. Dessa forma, o bloco metálico de funções integradas (1) segundo a presente invenção pode ser fabricado de acordo com as necessidades de cada projeto, sendo seu arranjo e fabricação destinados a contemplar além de um fluxograma de um sistema submarino de separação e bombeamento de fluidos como também de manifolds de produção ou de injeção, árvores de natal ou qualquer outra instalação submarina, ou mesmo em superfície, que contemplem componentes passíveis de serem assim integrados.

[0024] É importante destacar ainda que o bloco metálico de funções integradas (1) objeto da presente invenção abrange as alternativas e variações do processo de metalurgia do pó, podendo ser fabricado em material metálico tipo superduplex, material resistente a corrosão tal como Inconel 625, ou combinação bimetálica viabilizada por etapas do processo HIP, combinação de materiais metálicos com materiais compósitos, ou somente compósitos. Para aplicações menos exigentes, ou seja, com menores solicitações ou ambientes pouco corrosivos, é possível usar materiais menos nobres como aço carbono, aço baixa liga ou SS 316. Adicionalmente, o bloco metálico de funções integradas (1) segundo apresente invenção pode ainda ser produzido por processo de fundição combinado com o processo HIP.

[0025] Portanto, dentre vários efeitos e vantagens do bloco de funções integradas de acordo com a presente invenção, podemos destacar a redução dimensional e do peso do sistema submarino como um todo, a redução significativa da quantidade de elementos que constituem o sistema, a redução das etapas requeridas para o processo de fabricação e consequentemente do tempo de fabricação e entrega final para o cliente, a viabilidade de se confeccionar peças complexas com curvas internas ao bloco integrando itens em apenas um componente, a diminuição das partes móveis aumentando a confiabilidade do sistema, e finalmente a redução do custo total do sistema, vantagem esta incessantemente procurada pelos projetistas e fabricantes de sistemas de separação e bombeamento de fluidos em ambiente submarino de exploração de petróleo.

Claims

1. BLOCO DE FUNÇÕES INTEGRADAS CONFIGURADO PARA PROVER, EM UM SISTEMA SUBMARINO PARA SEPARAÇÃO E BOMBEAMENTO DE FLUIDOS, AS FUNÇÕES DE UM BLOCO DE VÁLVULAS E PASSAGENS PARA TRANSPORTE DOS FLUIDOS PRODUZIDOS E SEPARADOS, caracterizado pelo fato de o bloco de funções integradas integrar, em um único corpo de bloco metálico [1], sede das válvulas [11], um bloco de componentes hidráulicos do sistema de bombeamento [12], passagens para transporte dos fluidos produzidos e separados [16], flanges [13] para conexões de chokes e sensores e fittings de conexões, em que um corpo de bloco metálico [1] é fabricado pelo processo de metalurgia do pó com compactação isostática a quente ou um processo de metalurgia do pó combinado com o processo de fundição.

2. BLOCO DE FUNÇÕES INTEGRADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende circuitos de geometrias complexas [2], com curvas, inclinações e conexões [3] com outras passagens [16] ocorrendo no interior do maciço do dito bloco metálico [1].

3. BLOCO DE FUNÇÕES INTEGRADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ser fabricado em material superduplex ou inconel 625 para ambientes corrosivos.

4. BLOCO DE FUNÇÕES INTEGRADAS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser fabricado em aço carbono, aço baixa liga ou SS316 para aplicações menos exigentes.