BR102017008010B1

BR102017008010B1 - Conector hidráulico e processo para realização de conexão hidráulica

Info

Publication number: BR102017008010B1
Application number: BR102017008010-2A
Authority: BR
Inventors: Alejandro Andueza; Marcos Cantu Mannarino; Fernando Da Silva Rodrigues; Guilherme Sousa Moura
Original assignee: Fmc Technologies Do Brasil Ltda
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2023-05-09
Also published as: BR102017008010A2; EP3613941A1; US20200056439A1; EP3613941B1; EP3613941A4; WO2018191803A1; AU2018255513B2; AU2018255513A1; US10975652B2

Abstract

A presente invenção refere-se a um conector hidráulico tipo "Tupan", aplicável em operações de produção e extração de petróleo no leito submarino, caracterizado por ser capaz de prover conexão entre os corpos cilíndricos (1) e (2) (ANM e uma cabeça de poço, por exemplo). O sistema de travamento possui circuito hidráulico (13) e o sistema de destravamento possui circuito hidráulico (16). Já o sistema de ajuste de pré-carga é feito através do anel de ajuste (12). O conector contém um conjunto de mordentes (3), um pistão hidráulico atuador (4), câmaras de pressurização (5) e (6), elementos de vedação (7), (8) e (9), camisa externa (10), tampa inferior (11), anel de ajuste (12) e linhas de fluido hidráulico (13) e (16).

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção trata de um conector hidráulico para prover conexão entre equipamentos instalados na superfície terrestre ou marítima, assim como entre aqueles instalados em ambiente submarino. Mais especificamente, a presente invenção trata de um conector hidráulico para prover conexão entre equipamentos instalados remotamente em grandes profundidades, em aplicações submarinas para a extração de petróleo. O conector hidráulico segundo a presente invenção é do tipo Tupan que, dentre outras aplicações, se destacam em conexões de ANM (Árvore de Natal Molhada) com a cabeça de poço submarina, conector de MCV (Módulo de Conexão Vertical) com PLET (Pipeline End Termination). A presente invenção também trata de um processo para realização de conexão hidráulica utilizando referido conector hidráulico.

Histórico da Invenção

[002] Os conectores hidráulicos submarinos têm como função fazer uma ligação rígida entre dois equipamentos e efetuar a consequente vedação entre eles. O travamento do conector é realizado através do acionamento de um pistão hidráulico que, através de um mecanismo de transmissão de forças, gera uma pré-carga de projeto do conector necessária para seu adequado funcionamento.

[003] Atualmente existem três conceitos básicos de conectores. O primeiro conceito de conector utiliza um sistema de travamento paralelo onde é gerada uma interferência através de um sistema de ajuste de montagem. Essa interferência produz a pré-carga definida no projeto do conector para um adequado funcionamento. Esse conceito é aplicado nos conectores revelados nos documentos do estado da técnica CA1224410, US2003/0151254 e US2005/0001427.

[004] O segundo conceito de conector utilizado atualmente possui um sistema de autotravamento por atrito para efetuar o travamento e a consequente ligação rígida entre dois equipamentos. Esse tipo de conector requer menos componentes, sendo muito mais dependente do atrito entre as superfícies para a aplicação da pré-carga de projeto do conector. Os documentos do estado da técnica US4516795, US6070669, US7614453 e US 8474537 revelam esse tipo de conector hidráulico.

[005] O terceiro conceito de conector combina auto travamento por atrito com travamento paralelo, sendo objeto de patente internacional PCT/BR2016/050045 também da FMC Technolopgies. Esse conector compreende mordentes posicionados e pré-carregados por um pistão hidráulico atuador através da câmara de pressurização, possui redundância no destravamento através de pistão hidráulico secundário e câmaras de pressurização. Dito conector é ainda dotado de uma tampa superior bipartida fixada à camisa externa e ao corpo cilíndrico superior do conector através de um anel bipartido cujas partes são fixadas entre si por meios adequados.

[006] Ainda, como bem conhecido dos técnicos no assunto, os conectores de cabeça de poço são projetados para conectar um BOP (Blow Out Preventer) à cabeça de poço, de forma direta ou, de forma indireta via flow-line.

[007] Tipicamente, tais conectores incluem um corpo principal anular que é alinhado e conectado axialmente à cabeça de poço submarina. Para conceber a conexão, o conector é comumente provido de um anel de cames, que se move radialmente devido a um atuador hidráulico, normalmente um pistão atuado hidraulicamente, forçando o anel de cames e, consequentemente, os mordedores, para fins de travamento ou destravamento.

[008] Uma configuração utilizada para a conexão em cabeças de poço consistia em um grampo, em geral em forma de “C”, com superfície única de contato. Posteriormente, foram projetadas conexões com perfis H4 que são caracterizados por distribuir melhor as tensões comparadas àquelas usadas com superfície única.

[009] Entre os exemplos do estado da técnica, podemos citar de forma específica o documento US4496172 que revela um conector compreendendo mordentes acionados por um anel de cames que se move paralelamente ao anel de travamento, sendo ligado a hastes de pistões em cilindros, por intermédio de uma placa anular. O acionamento dos pistões é feito remotamente e preferencialmente por linhas de fluido hidráulico.

[010] O documento GB2480571 também ilustra um conector com perfil multidentado que escalona a carga pelo perfil impondo melhor confiabilidade na conexão e menor desgaste do conector. O documento US3096999 exemplifica um conector com perfil de superfície de contato única.

[011] Outros exemplos de conectores podem diferir em tamanho, forma, número de dentes, tipos de atuadores hidráulicos, sistemas de travamento etc.

[012] Os conectores de travamento paralelo possuem, dentre outros, um importante inconveniente técnico que é a extrema dependência de um elevado número de componentes que permitam o ajuste da pressão necessária para a montagem do equipamento, levando também a um importante inconveniente de custos de fabricação e montagem. Por outro lado, os conectores de autotravamento por atrito possuem extrema dependência entre a pré-carga e o coeficiente de atrito entre as superfícies dos diversos componentes do conector. Além disso, o conector de autotravamento por atrito apresenta uma grande sensibilidade às tolerâncias de fabricação, tornando a conexão suscetível ao destravamento acidental, principalmente na presença de vibração, o que obriga ao conector incluir um sistema de segurança no intuito de evitar referido destravamento acidental para a obtenção de maior confiabilidade. Essa exigência de componentes extras gera um grande inconveniente técnico, que adicionalmente promove um significativo aumento dos custos de fabricação, montagem e, consequentemente, o custo da operação.

[013] Portanto, é o principal objetivo da presente invenção prover um conector hidráulico, notadamente para aplicação em cabeça de poço em operações de produção e extração de petróleo, notadamente no leito submarino, que solucione vantajosamente os inconvenientes técnicos e desvantagens econômicas acima apontadas.

Descrição Resumida da Invenção

[014] O conector hidráulico segundo a presente invenção é do tipo “Tupan” e possui características de travamento paralelo, com uma redução da quantidade de componentes comparado com o conceito dos conectores Tupan e Torus, ambos bem conhecidos dos técnicos no assunto.

[015] O conector hidráulico objeto da presente invenção possui formato anular para aplicação em cabeça de poço em operações de produção e extração de petróleo no leito submarino, compreendendo características de travamento paralelo via linhas de travamento e destravamento, e apresentando um sistema simplificado de ajuste da pressão de travamento quando comparado, por exemplo, com o conector do tipo Tupan.

[016] O conector segundo a presente invenção pode, em uma variante construtiva, possuir um destravamento secundário hidráulico opcional.

[017] O conector segundo a presente invenção, quando comparado com o conector Torus tem como grande vantagem técnica a eliminação de todas as molas e pinos que são utilizados por este conector. Essa característica implica numa redução significativa do número de componentes do equipamento com redução importante no custo de fabricação e montagem.

Breve Descrição das Figuras

[018] O conector hidráulico de acordo com a presente invenção poderá ser melhor compreendido com a descrição das figuras em anexo, as quais de forma esquemática não limitativa, ilustra um exemplo de configuração básica de sua estrutura. Assim temos: - Figura 1 - ilustra vista em detalhe dos componentes internos de uma primeira forma construtiva do conector hidráulico segundo a presente invenção em posições travada/destravada; e - Figura 2 - ilustra vista em detalhe dos componentes internos de uma segunda forma construtiva do conector hidráulico segundo a presente invenção em posições travada/destravada.

Descrição Detalhada da Invenção

[019] As Figuras 1 e 2 são exemplos de realizações do conector hidráulico objeto da presente invenção. Nessas figuras se verifica, do lado direito da figura, o conector na posição travado e, do lado esquerdo da figura, o conector na posição destravado. Por se tratar de equipamento perfeitamente simétrico (menos os mordentes) em relação ao seu eixo longitudinal, as referências numéricas indicadas de um lado das figuras podem não estar indicadas no outro, pois se tratam dos mesmos elementos.

[020] Em uma primeira realização do conector hidráulico objeto da presente invenção, ilustrada na Figura 1, observa-se seu emprego para proporcionar a conexão entre dois corpos cilíndricos (1) e (2). Dito conector hidráulico compreende mordentes (3) posicionados e pré-carregados por um pistão hidráulico atuador (4) através da câmara de pressurização (5). As câmaras de pressurização (5) e (6) são estabelecidas pelos elementos de vedação (7, 8 e 9), pelo pistão (4), camisa externa (10) e tampa inferior (11). O corpo cilíndrico (1) e os mordentes (3) apresentam, neste exemplo de realização, apenas uma superfície de contato (17) para a transferência da pré-carga da conexão. O mordente (3) confina a pré-carga da conexão com forças que ocorrem entre a superfície de contato (17) e o perfil H4 (20). O pistão atuador (4) mantém a força de pré-carga através do contato radial da superfície (14).

[021] A Figura 2 ilustra um segundo exemplo de realização do conector hidráulico segundo a presente invenção. Em relação à configuração descrita para a Figura 1, o conector hidráulico possui como principal diferença o número de superfícies de contato (18) entre o corpo cilíndrico (1) e os mordentes (3). Nesta realização, os mordentes (3) possuem três dentes (18) para a transferência da pré-carga. O número de dentes (18) poderia ser igual a dois ou quatro ou até mesmo maior, afetando apenas a capacidade de carga do conector. A topologia do conector, assim como todas suas funcionalidades, é igual para as duas realizações apresentadas em ambas as Figuras 1 e 2.

[022] O anel de ajuste (12) funciona para permitir a regulagem da pré-carga de projeto do conector hidráulico, eliminando a necessidade de utilização de tolerâncias apertadas de fabricação e reduzindo desta forma o custo de fabricação do equipamento. A transferência de carga entre os mordentes (3) e o anel de ajuste (12) ocorre através da superfície de contato (19). Uma característica importante do conector segundo a presente invenção consiste em apresentar baixos níveis de tensão em todas as roscas, o que lhe confere excelente resistência à fadiga quando comparado com o conector Torus do estado da técnica.

[023] O processo para a realização de conexão hidráulica com o conector segundo a presente invenção compreende o travamento do conector hidráulico juntamente com a aplicação da pré-carga especificada, através de linhas de fluido hidráulico de travamento (13) proveniente de qualquer fonte de origem. Essa linha de fluido hidráulico (13) pressuriza a câmara (5) acionando o pistão de travamento (4). O pistão de travamento (4), que possui faces cilíndricas (14), é então forçado em movimento vertical para baixo ocasionando a interferência das ditas faces cilíndricas (14) com os diâmetros externos dos mordentes (3) na região, movendo os mordentes (3) na direção radial de modo a efetuar a ligação entre as superfícies dos corpos cilíndricos (1) e (2) pré- carregando desta forma a conexão com o carregamento ficando confinado entre as superfícies (17) ou (18) e o perfil H4 (20). Após o travamento do conector, a pressão hidráulica é retirada deixando o equipamento travado sem a necessidade de aplicação de forças externas adicionais. Durante o processo de travamento do conector obtém-se ainda a energização da vedação metálica (15) que tem a função de isolar do meio externo a interface entre os corpos cilíndricos (1) e (2).

[024] O destravamento do conector hidráulico ocorre pela pressurização da câmara de destravamento (6) utilizando as linhas de fluido hidráulico (16). Esse procedimento força o movimento vertical para cima do pistão (4) retirando a carga sobre os mordentes (3), levando-os a se moverem radialmente para fora, de volta à posição destravada.

[025] Como apreciado pelos técnicos versados no assunto, o conector hidráulico segundo a presente invenção, devido ao travamento ocorrer pela face paralela (14), possui como característica natural ser de travamento positivo, o que lhe confere adicional segurança para evitar destravamento acidental na presença de vibrações que ocorrem naturalmente no ambiente onde está instalado.

[026] Ressalta-se, adicionalmente, que o conector hidráulico objeto da presente invenção foi concebido, notadamente, para utilização em equipamentos submarinos para a conexão rígida de dois equipamentos, tais como cabeça de poço, ANM, PLET, MCV, risers entre outros tantos, mas não limitado aos equipamentos que existem no estado da técnica.

Claims

1. CONECTOR HIDRÁULICO, para a conexão entre dois corpos cilíndricos (1) e (2), compreendendo mordentes (3) posicionados e pré-carregados por um pistão hidráulico atuador (4) através de uma câmara de pressurização de travamento (5) e uma câmara de pressurização de destravamento (6), caracterizado por compreender ainda um anel de ajuste (12) que regula a pressão de travamento do conector e uma tampa inferior (11) que esta fixada à uma camisa externa (10) que por sua vez esta fixada ao anel de ajuste (12).

2. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ditas câmaras de pressurização (5) e (6) são formadas pelos elementos de vedação (7), (8) e (9) e pelo pistão (4) envoltos pela camisa externa (10).

3. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pistão de travamento (4) possui faces cilíndricas (14).

4. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma superfície cônica (19) entre os ditos mordentes (3) e o dito anel de ajuste (12).

5. CONECTOR, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os mordentes (3) utilizarem uma pluralidade de dentes (18) que aumentam a capacidade de carga do conector.

6. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dita camisa externa (10) é dotada de linhas de fluido hidráulico (13) e (16).

7. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que possui característica de travamento positivo e sistema de regulagem de pré-carga através do anel de ajuste (12).

8. CONECTOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é utilizado em equipamentos submarinos para a conexão rígida de cabeça de poço, ANM, PLET, MCV, risers e em ferramentas de instalação destes equipamentos dentre outros.

9. PROCESSO PARA REALIZAÇÃO DE CONEXÃO HIDRÁULICA, que compreende a aplicação de um conector hidráulico conforme definido em quaisquer das reivindicações 1-7, caracterizado pelo fato de utilizar travamento paralelo com regulagem durante a montagem simultaneamente com a aplicação de uma pré-carga especificada, sendo a pressão hidráulica de travamento definida durante o processo de qualificação.

10. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de travamento do conector hidráulico compreende a aplicação simultânea da pré-carga especificada através de linha de fluido hidráulico de travamento (13), a qual pressuriza a câmara (5) acionando o pistão (4) de travamento forçando-o em movimento vertical para baixo e ocasionando a interferência das faces cilíndricas (14) entre o pistão e os mordentes, movendo estes mordentes (3) em uma direção radial de modo a efetuar a ligação entre as superfícies dos corpos cilíndricos (1) e (2) mantendo a força de pré-carga confinada entre as superfícies de contato (17, 18) e o perfil H4 (20).

11. PROCESSO, de acordo com a revindicação 9, caracterizado pelo fato de que, quando necessário o destravamento do conector hidráulico, compreende a pressurização da câmara de destravamento (6) por uma linha de fluido hidráulico (16), de modo a forçar o pistão (4) provocando seu movimento vertical para cima e retirando a carga sobre os mordentes (3), levando assim ditos mordentes (3) a mover-se radialmente para fora, de volta à uma posição destravada.

12. PROCESSO, de acordo com a revindicação 9, caracterizado pelo fato de que o travamento paralelo requer regulagem durante a montagem do conjunto do equipamento para ajuste da pré-carga proporcionando travamento positivo utilizando o anel de ajuste (12).