BR112012008534B1

BR112012008534B1 - Umbilical

Info

Publication number: BR112012008534B1
Application number: BR112012008534-4A
Authority: BR
Inventors: David Fogg
Original assignee: Technip France
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2020-12-15
Also published as: EP2489047B1; AU2010308179C1; GB2474428A; EP2489047A1; GB2474428B; AU2010308179A1; GB0917853D0; US9343199B2; BR112012008534A2; WO2011045582A1; MY154809A; CA2775999A1; CA2775999C; AU2010308179B2; US20120241040A1

Abstract

umbilical. um umbilical para o uso na produção no mar de hidrocarbonetos, e em particular um umbilical de energia para o uso em aplicações em águas profundas, é descrito, compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais, os ditos membros de resistência tendo uma ou mais características variáveis ao longo do comprimento do umbilical. desta maneira, os membros de resistência longitudinais no umbilical podem ser providos para ter, por exemplo, uma resistência à tração mais alta ou maior, onde requerida, usualmente mais perto da superfície da água ou lado superior, enquanto tem resistência à tração inferior ou menos, e usualmente, por conseguinte, peso inferior ou menor, onde resistência mais alta ou maior não é tão crítica.

Description

[0001] A presente invenção se refere um umbilical para o uso na produção no mar de hidrocarbonetos, e em particular um umbilical de energia para o uso em aplicações em águas profundas.

[0002] Um umbilical consiste de um grupo de um ou mais tipos de elementos umbilicais ativos alongados ou longitudinais, tais como cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos e/ou mangueiras de aço, cabeados conjuntamente para flexibilidade, sobre encapados e, quando aplicável, blindados para resistência mecânica. Umbilicais são tipicamente usados para transmitir energia, sinais e fluidos (por exemplo, para a injeção de fluido, energia hidráulica, liberação de gás, etc.) para e a partir de uma instalação submarina.

[0003] A seção transversal de umbilical é geralmente circular, os elementos alongados sendo enrolados conjuntamente ou em um padrão helicoidal ou em um padrão de S/Z.A fim de encher os espaços vazios intersticiais entre os vários elementos de umbilical e obter a desejada configuração, componentes de enchimento podem ser incluídos nos espaços vazios.

[0004] A ISO 13628-5 "Especificação para Umbilicais Submarinos" provê normas para o projeto e fabricação de tais umbilicais.

[0005] Umbilicais submarinos são instalados a crescentes profundidades de água, comumente mais profundas que 2000 m. Tais umbilicais devem ser capazes de resistir a severas condições de carregamento durante sua instalação e sua vida útil de serviço.

[0006] Os componentes de suporte de carga principais, encarregados de resistir às cargas axiais devidas ao peso (tensão) e aos movimentos (tensões de flexão) do umbilical, são tubos de aço (ver, por exemplo, US 6472614, WO 93/17176, GB 2316990), barras de aço (US 6472614), barras compósitas (WO 2005/124095, US 2007/0251694), cabos de aço (GB 2326177, WO 2005/124095), ou camadas de blindagem à tensão (ver a figura 1 da US 6.472.614).

[0007] Os outros elementos, tais como os cabos elétricos e ópticos, as mangueiras termoplásticas, a capa externa polimérica e os componentes poliméricos de enchimentos, não contribuem significantemente para a resistência à tração do umbilical.

[0008] Os componentes de suporte de carga da maioria dos umbilicais são feitos de aço, que acrescenta resistência, mas também peso à estrutura. À medida que a profundidade de água aumenta, o peso suspenso também aumenta (por exemplo, em uma configuração de tubo ascendente) até um limite ser atingido, no qual o umbilical não é capaz de suportar seu próprio peso suspenso. Este limite depende da estrutura e das condições dinâmicas na superfície (da água) ou 'lado superior'. Este limite é cerca de 3000 m para umbilicais de energia reforçados com aço (isto é, umbilicais ascendentes compreendendo grandes e pesados cabos de energia elétrica com condutores de cobre).

[0009] Todavia, é desejado criar umbilicais de energia para água ultra profunda (para tais profundidades de (D) > 3000 m). Tais umbilicais compreendem cabos condutores de aço muito pesados e devem ser fortemente reforçados para poderem resistir ao seu peso suspenso além do normal e à instalação dinâmica e cargas de operação. Uma solução fácil seria reforçar tais umbilicais com outros membros de resistência suportando carga de aço, tais como as barras, fios metálicos, tubos ou cabos descritos acima. Todavia, devido à gravidade específica do aço, esta solução agora também acrescenta um peso significante ao umbilical. Em condições estáticas, o limite de profundidade de água deste projeto é cerca de D = 3200 m, onde a tensão à tração máxima nos condutores de cobre dos cabos de energia (sendo o ponto fraco da estrutura) atinge seu ponto de escoamento (na área superior lateral próxima à superfície). Todavia, em quaisquer condições dinâmicas, este limite de profundidade é naturalmente inferior por causa do fenômeno de fadiga. Dependendo das ondas, sobre os movimentos da unidade de produção flutuante, e do tipo de enrijecedor à flexão que é usado, o limite deste projeto em condições dinâmicas é entre 2700 m e 3000 m.

[0010] Além disso, tais umbilicais reforçados com aço são muito pesados e requerem cada vez mais navios de instalação potentes e caros.

[0011] Uma solução sugerida para este problema consiste no uso de membros de resistência de material compósito, mostrados pelo WO2005/124095 e pela US2007/0251694. Todavia, tais umbilicais são difíceis de serem fabricados e são assim muito caros.

[0012] A GB 2326177A expõe o limite um umbilical para água profunda compreendendo um grande cabo de aço central 4 circundados por enchimentos enrolados helicoidalmente e tubos de aço periféricos de 2". Na seção inferior, este conjunto é substituído por um grande tubo de aço 5. Todavia, a transição de cabo para tubo é muito complexa e difícil de fabricar.Os tubos periféricos helicoidais de 2" devem também ser conectados ao grande tubo central 5 através de um tubo coletor que é também usado para transmitir a carga de tração para o grande cabo central 4.

[0013] Um objetivo da presente invenção é o de superar uma ou mais das limitações acima e prover um umbilical que pode ser usado em maiores profundidades de água (até 3000 m e superior) e/ou sob carregamento dinâmico maior ou mais severo.

[0014] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provido um umbilical compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais, os ditos membros de resistência tendo uma ou mais características variáveis ao longo do comprimento do umbilical.

[0015] Desta maneira, os membros de resistência longitudinais no umbilical podem ser providos para ter uma ou mais características específicas, tais como resistência à tração mais alta ou maior, onde requerido, usualmente mais perto da superfície da água ou lado superior, enquanto tem uma ou mais características diferentes, tais como resistência à tração inferior ou menor, e usualmente, por conseguinte, peso inferior ou menor, ondas propriedades, tais como resistência, não são tão críticas.

[0016] A pluralidade de membros de resistência provê o suporte de carga do umbilical, no uso, e são geralmente formados como enrolamentos no umbilical juntamente com os outros elementos de umbilical, geralmente não sendo o núcleo do umbilical.

[0017] O termo "característica variável", quando usado aqui, se refere a uma alteração, variação ou outra diferença em uma propriedade mecânica e/ou física dos membros de resistência longitudinais na direção longitudinal ou alongada dos membros de resistência, que se estendem pelo menos parcialmente, opcionalmente totalmente ou substancialmente, ao longo do comprimento do umbilical. Uma tal alteração pode ser uma alteração na propriedade de uma(s) característica(s) propriamente dita(s), ou uma alteração na medição ou valor de pelo menos uma característica em pelo menos um ponto de seção transversal ao longo do comprimento do membro de resistência em comparação com uma medição ou valor da mesma(s) característica(s) em pelo menos um outro ponto de seção transversal do membro de resistência.

[0018] A(s) característica(s) que variam ao longo do comprimento dos membros de resistência alongados pode ser um ou mais dentre o grupo compreendendo: resistência à tração, gravidade específica, relação entre resistência e peso, resistência à fadiga, flexibilidade, resistência à temperatura, resistência à corrosão, limite de escoamento, módulo de Young, rigidez axial, e tensão.

[0019] O termo "resistência à tração", quando usado aqui, é definido como a resistência à tração final de um material ou componente, que é a força de tensão máxima que o material ou componente pode resistir sem se romper.

[0020] O termo "gravidade específica", quando usado aqui, se refere à razão da massa de um dado volume do material ou componente para com a massa de um igual volume de água. Isto pode ou não pode se referir a uma alteração em qualquer característica de resistência, por exemplo, transição entre a barra de aço e uma barra leve compósita tendo quase a mesma resistência do aço.

[0021] O termo "relação entre resistência e peso", quando usado aqui, se refere à resistência que é baseada em resistência à tração.

[0022] O termo "resistência à fadiga", quando usado aqui, se refere à resistência à aplicação repetida a um ciclo de tensão a um material ou componente que pode envolver um ou mais fatores incluindo amplitude, severidade média, taxa de tensão cíclica e efeito de temperatura, geralmente para o limite superior de uma faixa de tensão que o material ou componente pode resistir indefinidamente. O termo "flexibilidade", quando usado aqui, se refere à resistência à flexão. O termo "resistência à temperatura", quando usado aqui, se refere à capacidade de o membro de resistência resistir a alterações em seu ambiente de temperatura. Por exemplo, elas podem ser temperaturas significantemente mais altas, próximas ao lado superior de um umbilical de ascensão dentro de um tubo em I ou tubo em J quente, de forma que pode ser desejado ou necessário evitar o uso de materiais tais como cabo de Zylon perto do lado superior por causa de tais temperaturas mais altas.

[0023] O termo "resistência à corrosão", quando usado aqui, se refere à resistência à decomposição do membro de resistência em seguida à interação com água. O termo "corrosão" é aplicado tanto a materiais metálicos quanto a materiais não metálicos. O envelhecimento por hidrólise de materiais poliméricos é considerado como um fenômeno de corrosão. Como um exemplo, membros de resistência feitos de materiais poliméricos de alta resistência, tais como Zylon, podem ter resistência à corrosão inferior à do aço.

[0024] O termo "limite de escoamento", quando usado aqui, se refere à força de tensão que pode ser aplicada antes da deformação plástica de um material ter lugar de sob carga constante ou reduzida.

[0025] O termo "módulo de Young", quando usado aqui, se refere ao módulo de elasticidade aplicável ao estiramento de um item alongado, geralmente com base na razão de esforço de tração por deformação por tração. Ele pode também ser conhecido como estiramento ou módulo de alongamento. O módulo de Young podeafetar a rigidez axial dos membros de resistência.

[0026] O termo "rigidez axial", quando usado aqui, se refere à carga de tração para atingir 100% de deformação (em um material elástico ideal).Para uma barra elástica homogênea, a rigidez axial é igual ao produto da área de seção transversal e o módulo de Young.

[0027] O termo "tensão", quando usado aqui, pode se referir à tensão de tração e/ou tensão final de escoamento, estando a força por área unitária atuando sobre um material e tendendo a mudar as dimensões, geralmente sendo a razão de força por área resistindo à força.

[0028] A Tabela 1 abaixo provê exemplos de medições para várias características para vários materiais usados para formar membros de resistência alongados em umbilicais e conhecidos na técnica, por serem providos apenas como exemplos de medições.Tabela 1

[0029] A presente invenção usa as conhecidas medições de materiais usadas na formação de umbilicais para efetuar uma alteração em pelo menos uma característica ao longo do comprimento dos membros de resistência alongados variáveis, e efetuar assim pelo menos uma alteração nas características do umbilical ao longo de seu comprimento. Tais alterações são geralmente relacionadas à resistência, mas incluem outras alterações tais como flexibilidade e tensões de flexão, resistência à fadiga, resistência ao ambiente local e similar, onde é desejado ou necessário se ter um umbilical com uma ou mais características em um local(is) ou ao longo de uma porção(ões) de seu comprimento diferentes das características em outro local(is) ou outra porção de seu comprimento(s).

[0030] A variação em uma característica(s) ao longo dos membros de resistência pode compreender uma alteração ou um múltiplo de alterações. Cada uma de tal alteração pode ser definida por uma zona de transição sobre a qual a(s) característica(s) varia a partir de uma extremidade ou lado da zona de transição para a outra.

[0031] Uma de tal alteração, ou um número de uma pluralidade de tais alterações, ou todas de tais alterações, podem ser alterações escalonadas, agudas ou distintas, na(s) característica(s), ou envolver uma variação na(s) característica(s) sobre uma seção do membro de resistência. A presente invenção não é limitada pelo número de alterações na(s) característica(s) ao longo do comprimento do membro de resistência, ou pelo número e tipo de alterações ou zonas de transição entre secções do membro de comprimento tendo diferentes características.

[0032] A(s) variação(ões) em característica(s) de um membro de resistência pode ocorrer em qualquer ponto(s), estágio(s) ou local(is) ao longo do comprimento do membro de resistência. Assim, a presente invenção não é limitada pela extensão de diferentes comprimentos do membro de resistência tendo diferente(s) característica(s).

[0033] Cada extensão, comprimento ou seção de um membro de resistência pode ter uma característica(s) regular(es) ou constante(s), ou uma ou mais características variáveis em seu direito próprio.

[0034] Assim, de acordo com uma modalidade da presente invenção, é provido um umbilical compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais compreendendo sequencialmente pelo menos uma primeira seção tendo uma primeira(s) característica(s) se estendendo a partir de uma extremidade do umbilical, uma zona de transição, e uma segunda seção tendo uma segunda e diferente característica para a primeira seção, preferivelmente se estendendo para a outra extremidade do umbilical.

[0035] A ou cada zona de transição pode prover uma súbita alteração em característica(s) ao longo da direção longitudinal do membro de resistência. Opcionalmente, a ou cada zona de transição provê uma seção do membro de resistência tendo uma característica(s) intermediária(s) e/ou maior(es) que pelo menos uma da(s) característica(s) em cada lado da zona de transição.

[0036] De acordo com outra modalidade da presente invenção, uma zona de transição compreende uma combinação das características das seções do membro de resistência em cada lado da zona de transição, opcionalmente com reforço com ela, nela e/ou em torno dela.

[0037] A ou cada zona de transição pode também compreender uma junção ou junta entre as seções do membro de resistência em cada lado da zona de transição, em particular para prover um membro de resistência longitudinal tendo um comprimento contínuo que é totalmente ou substancialmente o comprimento do umbilical.

[0038] Os membros de resistência podem ter uma característica variável ao longo de seu comprimento por serem formados de diferentes materiais ao longo de seu comprimento criar secções de diferentes valores característicos ou medições, tais como resistência à tração, consequentemente variando o valor ou medição da ou cada característica(s) ao longo do comprimento total do membro de resistência.

[0039] Tais seções longitudinais podem ser formadas de qualquer uma de ou qualquer combinação de estruturas e materiais apropriados, incluindo barras metálicas (por exemplo, feitas de um ou mais dentre aço, titânio, alumínio de alta resistência e similar), barras compósitas (tais como uma ou uma combinação de carbono/epóxi, carbono/Peek, carbono/PPS, fibra de vidro/epóxi), cabos metálicos (formados de materiais similares às barras metálicas), cabos compósitos (novamente formados de materiais similares às barras compósitas, especialmente tendo uma natureza de fibra ou fibrosa), cabos de fibra orgânica de alta resistência (tais como uma ou uma combinação de aramida, polietileno de alto módulo, poliéster aromático, etc.), tubos metálicos e tubos compósitos.

[0040] Cada seção dos membros de resistência da presente invenção pode compreender qualquer e todas as combinações de tais barras, tubos, cabos, opcionalmente sendo uma combinação dos mesmos. Por exemplo, um membro de resistência longitudinal da presente invenção pode ser um cabo ou barra metálico ou compósito sobre encapado por um tubo polimérico (sendo uma pequena capa extrusada em torno do cabo ou da barra), ou a barra compósita ou cabo protegido por um tubo de aço inoxidável de parede delgada.A invenção não é limitada pelas possíveis combinações tanto longitudinalmente quanto transversalmente desses materiais.

[0041] Assim, de acordo com uma modalidade particular da presente invenção, os membros de resistência compreendem uma pluralidade de diferentes seções, as ditas seções compreendendo pelo menos dois do grupo compreendendo: cabo de aço, barra de aço, enchimentos poliméricos, cabo de fibra de alta resistência, barra compósita, e cabo compósito.

[0042] O termo "cabo compósito", quando usado aqui, se refere a um conjunto de pernas de cabo compósitas, cada perna de cabo sendo um material compósito de forma que cada perna de cabo compreende fibras de alta resistência embutidas em uma matriz, por exemplo, fibras de carbono unidirecionais embutidas em uma resina de epóxi.

[0043] O termo "cabo de fibra orgânica de alta resistência", quando usado aqui, se refere a um conjunto de fibras orgânicas de alta resistência sem qualquer material de matriz, por exemplo, um conjunto de fibras de Kevlar (aramida) torcidas conjuntamente.

[0044] Os membros de resistência longitudinais para o uso na presente invenção incluem as seguintes combinações: 1.Barra de aço para enchimento de polímero 2.Barra de aço para barra compósita 3.Barra de aço to cabo de fibra de alta resistência 4.Cabo de aço para enchimento de polímero 5.Cabo de aço para barra compósita 6.Cabo de aço to cabo de fibra de alta resistência 7.Barra compósita para enchimento de polímero 8.Cabo de fibra de alta resistência para enchimento de polímero 9.Alteração de tipo de tubo de aço 10.Alteração de tipo de barra de aço

[0045] De acordo com uma modalidade da presente invenção, pelo menos um membro de resistência compreende uma seção de cabo de aço e uma seção de enchimento polimérico.

[0046] De acordo com uma modalidade da presente invenção, pelo menos um membro de resistência compreende uma seção de cabo de aço e uma seção de barra compósita.

[0047] De acordo com uma modalidade da presente invenção, pelo menos um membro de resistência compreende uma seção de cabo de aço e uma seção de cabo de fibra de alta resistência.

[0048] De acordo com uma modalidade da presente invenção, pelo menos um membro de resistência compreende uma seção de barra compósita e uma seção de enchimento de polímero.

[0049] De acordo com uma modalidade da presente invenção, pelo menos um membro de resistência compreende uma seção de cabo de fibra de alta resistência e uma seção de enchimento polimérico.

[0050] A combinação n.° 9, como descrito acima, poderia, por exemplo, se referir a ter uma alteração de tipo de aço a partir de uma hiper, duplex na área lateral superior, então super duplex em na água intermediária, e eventualmente duplex ou duplex magro perto do fundo do mar.

[0051] De acordo com outra modalidade da presente invenção, o umbilical tem diâmetro externo totalmente ou substancialmente constante ao longo de seu comprimento.Desta maneira, o umbilical tem dimensão externa constante.

[0052] A dimensão externa constante do umbilical pode ser obtida em um número de maneiras. Por exemplo, cada um dos membros de resistência longitudinais, ou pelo menos sua combinação, poderia compreender diâmetro externo totalmente ou substancialmente constante ao longo de seus ou seus comprimentos. Membros de resistência longitudinais tendo diâmetro externo totalmente ou substancialmente constante provêm a manuseio constante e regular durante a fabricação do umbilical, bem como o manuseio constante e regular da instalação do umbilical. Preferivelmente, onde os membros de resistência são formados a partir de uma pluralidade de diferentes seções, cada seção provê um diâmetro externo constante, incluindo a ou cada zona de transição entre elas.

[0053] Alternativamente, os membros de resistência longitudinais poderiam se estender para certa porção do umbilical, e sua posição de continuação no umbilical é ocupada por um ou mais outros ou separados membros de resistência longitudinais, geralmente tendo a diferente(s) característica(s), e/ou um ou mais outros elementos de umbilical tais como enchimentos, cuja finalidade é a de encher o umbilical pelamexa extensão de forma a prover um diâmetro externo constante.

[0054] Assim, de acordo com outra modalidade da presente invenção, é provido um umbilical compreendendo sequencialmente pelo menos uma pluralidade de membros de resistência alongados tendo uma primeira(s) característica(s) se estendendo a partir de uma extremidade do umbilical e terminada a meio comprimento ao longo do comprimento do umbilical, uma zona de transição compreendendo um interstício, e uma pluralidade de membros alongados alinhados tendo uma(s) diferente(s) característica(s) aos membros de resistência alongados, preferivelmente se estendendo para a outra extremidade do umbilical.

[0055] De acordo com outra modalidade da presente invenção, o ou cada membro de resistência variável é enrolado helicoidalmente ou em um padrão de S/Z ao longo do umbilical. Onde o membro de resistência tem um diâmetro externo constante, como discutido acima, isto mantém a facilidade de fabricação e continuidade no padrão helicoidal ou de S/Z.

[0056] Mais preferivelmente, o ou cada membro de resistência tem um padrão constante ou de S/Z ao longo do umbilical, em particular um passo ou volta ou espira constante, que permite o uso do mesmo equipamento ou máquina de espiralamento para enrolar o comprimento total do membro de resistência longitudinal ao longo do comprimento do umbilical.

[0057] Preferivelmente, a ou cada alteração ou variação em característica(s), tais como em uma, ou em cada, zona de transição, não aumenta, ou aumenta além de uma extensão mínima, o diâmetro externo do membro de resistência longitudinal, de forma que a fabricação do umbilical pode ser continuada sem ter que parar o processo por causa de uma alteração ou zona de transição dos membros de resistência longitudinais.

[0058] Geralmente, a presente invenção envolve prover um umbilical tendo uma extremidade com uma medição mais alta da(s) característica(s) que sua outra extremidade. Por exemplo, a conexão do lado superior ou de extremidade de superfície de umbilicais, tais como tubos ascendentes dinâmicos, que geralmente envolvem uma combinação de alta tensão e flexão que pode conduzir a rápida danificação por fadiga, pode ser provida com uma resistência à tração mais alta baseada na presente invenção, para aumentar a resistência e resistência à fadiga desta parte ou extremidade do umbilical, sem aumentar o peso global e custo do comprimento restante.

[0059] Preferivelmente, a presente invenção evita terminações na água intermediária (tais como conectores de umbilical ou guarnições de extremidade), para manter a facilidade na fabricação regular, e facilidade de instalação regular de tais umbilicais.

[0060] Com a modalidade de ter resistência adicional provida no lado superior ou extremidade de superfície de umbilicais providos como tubos ascendentes, a presente invenção pode prover um umbilical para o uso a uma profundidade superior a 2000 m, preferivelmente que vai até 3000 m e além.

[0061] O umbilical da presente invenção pode compreender ainda um ou mais membros de resistência longitudinais não variáveis. Uma característica mínima, tal como resistência à tração, pode ser requerida ao longo de todas as partes do umbilical, com a presente invenção provendo a capacidade de aumentar a(s) característica(s) em uma ou mais partes, em particular aquelas partes do umbilical que podem ser sujeitas à tensão e/ou flexão máximas.

[0062] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provido um método de fabricação de um umbilical compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais tendo uma ou mais características variáveis ao longo do comprimento do umbilical, o método compreendendo pelo menos a etapa de formar um número de membros de resistência longitudinais como parte do umbilical, em particular em um padrão helicoidal ou padrão de S/Z, mais particularmente em um enrolamento constante.

[0063] As alterações de característica(s) ou zonas de transição entre diferentes seções de um membro de resistência longitudinal podem ser providas de acordo com um número de métodos, alguns dependendo da natureza das diferentes seções e/ou da característica(s) requerida(s) da zona de transição. Vários métodos são descritos daqui em diante, e um umbilical da presente invenção pode envolver umou mais de tais processos e métodos em sua fabricação.

[0064] A presente invenção abrange todas as combinações de várias modalidades ou aspectos da invenção descrita aqui.É entendido que qualquer e todas as modalidades da presente invenção podem ser tomadas em conjunção com qualquer outra modalidade para descrever modalidades adicionais da presente invenção.Além disso, quaisquer elementos de uma modalidade podem ser combinados com quaisquer e todos outros elementos de qualquer das modalidades para descrever modalidades adicionais.

[0065] Modalidades da presente invenção serão agora descritas somente a título de exemplo, e com referência aos desenhos anexos, nos quais: A figura 1 é um diagrama esquemático de um primeiro umbilical de acordo com uma modalidade da presente invenção em uma configuração de catenária submarina; A figura 2 é uma vista em seção transversal do umbilical da figura 1 ao longo da linha AA; A figura 3 é uma vista em seção transversal do umbilical da figura 1 ao longo da linha BB; A figura 4 é um gráfico de utilização de resistência de condutor versus profundidade de água mostrando tensão de tração de condutor perto da superfície da água na dependência da profundidade de umbilical; A figura 5 é um diagrama esquemático de um segundo umbilical em uma segunda configuração de catenária submarina; As figuras 6, 7 e 8 são três desenhos em seção transversal mostrando etapas para união de um cabo de aço a um enchimento polimérico; As figuras 9a - 9g são sete desenhos de seção transversal mostrando etapas em um processo para formar uma zona de transição entre a barra de aço e uma barra de polietileno; e. As figuras 10a e 10b mostram vistas planas de um cabo de fibra de alta resistência tendo sua sobrecapa removida, seguida por corrugação com um cabo de aço.

[0066] Com referência aos desenhos, a figura 1 mostra um diagrama esquemático de um primeiro umbilical 1 em configuração de catenária entre uma unidade de produção flutuante 4 em uma superfície de mar 2, ou comumente no 'lado superior', e um fundo do mar 3 ou leito do mar, com a profundidade D entre eles.

[0067] Como é conhecido na técnica, as tensões de tração e flexão mais altas estão na seção superior no umbilical 1 quando ele se aproxima à unidade de produção flutuante 4, mostrada na figura 1 pela seção D1 de profundidade D. Tradicionalmente, onde a profundidade D é significante (tal como > 2000 m), membros de suporte de carga, tais como cabos de aço, são providos ao longo de todo o comprimento do umbilical, geralmente para manter a facilidade de fabricação regular e constante.

[0068] Todavia, enquanto tais membros de suporte de carga assistem nas tensões de tração e flexão na seção D1, eles se tornam menos úteis, e, portanto, desvantajosos em termos e peso e custo, à medida que o umbilical 1 continua na direção para o fundo do mar 3. Quanto mais longo o umbilical, tanto maiores são as desvantagens.

[0069] Além disso, onde a profundidade D é maior, certamente além de 2000 m e até mesmo 3000 m e além, o peso do cobre pesado para os cabos de cabos de condução aumenta ainda mais a necessidade de reforço mais forte na, ou perto da, unidade de produção flutuante 4 na região D1, para resistir ao peso suspenso crescente e à instalação dinâmica e cargas de operação.

[0070] A figura 2 mostra uma vista em seção transversal do umbilical 1 da figura 1 ao longo da linha AA. No exemplo de um umbilical de ascensão de energia, o umbilical 1 compreende três grandes condutores de energia, cada um tendo três cabos de energia elétrica 11 no mesmo, o qual, com três outros cabos de energia separados 11a, constituem doze cabos de energia em toda a figura 2. Em adição, estão presentes nove tubos 12, três cabos de fibra óptica 13 e três cabos de sinal elétrico 14.

[0071] Tanto dentro dos condutores de energia mencionados acima, quanto nas seções circunferenciais circundantes, está presente um número de membros de resistência de cabo de aço constantes 16, compreendendo um número de pernas de cabo de aço, encobertas por uma capa polimérica extrusada para proteção contra corrosão e desgaste. Esses membros de resistência constante 16 se estendem totalmente ou substancialmente pelo comprimento do umbilical 1.

[0072] Em adição, está presente um número de enchimentos poliméricos 15 no umbilical 1 mostrado na figura 2, os quais novamente são totalmente ou substancialmente constantes ao longo do comprimento do umbilical 1.

[0073] A figura 2 também inclui um número de membros de resistência longitudinais tendo uma característica variável que é a resistência à tração ao longo de seu comprimento, e assim ao longo do comprimento do umbilical 1, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0074] Na seção transversal mostrada na figura 2, os membros de resistência longitudinais compreendem uma seção de cabo de aço 17a sendo a mesma em seção transversal que os membros de resistência de cabo de aço constantes 16. Isto provê dezenove seções de cabo de aço na posição da linha AA na figura 1 dentro da seção de profundidade D1.

[0075] A figura 3 mostra o umbilical 1 na vista em seção transversal ao longo da linha BB na figura 1, isto é, além da seção de profundidade D1. A figura 3 mostra a continuação dos cabos de energia elétrica 11, tubos 12, cabos de fibra óptica 13, cabos de sinal elétrico 14, enchimentos poliméricos 15, e os membros de resistência não variáveis 16. Todavia, a figura 3 mostra que os seis membros de resistência longitudinais que criam a presente invenção no umbilical 1 (sendo na linha AA cabo de aço 17a), são agora formados de enchimentos poliméricos 17b.

[0076] Assim, o umbilical 1 na linha BB agora tem somente treze membros de resistência de cabos de aço 16. A alteração dos membros de resistência longitudinais desde as seções de cabo de aço 17a até as seções de enchimentos poliméricos 17b provê os ditos membros de resistência com uma resistência à tração variável ao longo de seu comprimento. Na primeira modalidade alternativa, as seis seções de cabo de aço 17a dos membros de resistência longitudinais têm uma resistência à tração variável mostrada na figura 2 são substituídas por seções de barra de aço que então alteram as seções de enchimentos poliméricos, como mostrado na figura 3.

[0077] Para aplicações em águas profundas (por exemplo, onde D > 2000 m), D1 é preferivelmente compreendida entre 200 m e 700 m, mais preferivelmente entre 400 m e 600 m, mais preferivelmente em cerca de 500 m.

[0078] A figura 4 mostra um gráfico da utilização de resistência de condutor contra profundidade de água (D) em metros para um umbilical típico, conduzindo para o limite de tensão de escoamento de cobre, estando o componente dos cabos de energia elétrica no umbilical. Cabos de energia de cobre são geralmente os maiores cabos de umbilicais de energia convencionais, tais como o umbilical de ascensão mostrado nas figuras 1- 3.

[0079] A figura 4 mostra a resistência à tração máxima nos condutores de cobre dos cabos de energia versus a profundidade de água D para três projetos diferentes, mostrados como as linhas X, Y e Z. A tensão à tração máxima foi medida perto da superfície do mar, tal como o lado superior 2 na figura 1.

[0080] A linha X corresponde à alteração em tensão perto da superfície com crescente profundidade D (e, por conseguinte, comprimento do umbilical) com base em um projeto de membro de resistência ou de suporte de carga não alterável ou constante tendo dezenove cabos de aço. Isto é, equivalente a um umbilical tendo a seção transversal mostrada na figura 2 ao longo de seu comprimento inteiro. Mostra que um tal umbilical tem suficiente resistência para se estender justamente além da profundidade de água de 3000 m, mas requer dezenove membros de resistência contínuos de cabos de aço ao longo de seu comprimento inteiro para atingir isto, com custo correspondente e complexidades de instalação. Além disso, enquanto este projeto de umbilical permite teoricamente a instalação em até 3200 m, a 3000 m, os condutores de cobre já são tensionados por 95% de sua capacidade de tensão, que deixa uma pequena margem de erro para quaisquer tensões dinâmicas.

[0081] A linha Y corresponde a outro projeto de umbilical constante, tendo treze membros de resistência de cabo de aço constantes ao longo de seu comprimento; isto é, sendo equivalente a um umbilical como mostrado na figura 3 sem alteração ao longo de seu comprimento. Treze membros de resistência de cabos de aço contínuos seriam novamente suficientes para permitir teoricamente a instalação de tal projeto de umbilical a 3000 m, mas os condutores de cobre são agora tensionados tão perto de seu limite de tensão de escoamento que eles não seriam capazes de resistir a quaisquer carregamentos dinâmicos significantes e/ou de longo prazo. A instalação de um tal projeto de umbilical a 3000 m requereria, por conseguinte, condições estáticas, que não podem ser garantidas em qualquer situação água-borne.

[0082] A linha Z é baseada em um umbilical compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais, os ditos membros de resistência tendo resistência à tração variável ao longo de seu comprimento de acordo com a modalidade da presente invenção e como mostrado na combinação das figuras 2 e 3, isto é, em que seis membros de resistência longitudinais compreendem uma primeira seção 17a se estendendo a partir do lado superior ou unidade de produção flutuante 4 com cabo de aço, seguida por uma segunda seção 17b se estendendo para o fundo do mar 3 compreendendo uma seção de enchimento polimérico.

[0083] A linha Z mostra que, por meio da introdução da seção de cabo de aço 17a para a seção de profundidade D1, existe uma redução dramática na tensão dos condutores de cobre, de forma que um umbilical com base neste projeto tendo a comprimento de 3000 m resulta em os condutores de cobre somente atingirem aproximadamente 82% de seu limite de tensão de escoamento, provendo assim uma grande margem de resistência restante, e permitindo que tais projetos de umbilical sejam usados em ríspidas condições dinâmicas e/ou aumentem sua vida útil de serviço de fadiga.

[0084] Entretanto, o projeto de umbilical usado para a linha Z somente requer uma pequena seção de cabos de aço adicionais, conduzindo para o efeito mínimo sobre o peso global do umbilical, tal como inferior a 5% de peso adicional em comparação com o projeto de umbilical da linha Y.

[0085] A figura 5 mostra um diagrama esquemático de um segundo umbilical 1a na segunda configuração de catenária submarina tendo uma configuração de onda, geralmente com uma primeira seção-u de fundo 5 e uma subsequente seção-n 6 entre a unidade de produção flutuante 4 e o fundo do mar 3. Para obter a configuração de onda, lastro pode ser acrescentado em locais discretos ao longo do umbilical 1a, tal como, por exemplo, na área da seção de fundo 5, de forma a criar deliberantemente a configuração de onda.

[0086] Por meio do uso de membros de resistência longitudinais com características variáveis como descrito acima ao longo do comprimento de um umbilical, isto pode prover membros de resistência longitudinais com peso e/ou densidade variável, que pode criar secções do umbilical 1a tendo diferentes profundidades de flutuação, provendo assim inerentemente uma configuração de onda pela localização de uma ou mais seções mais pesadas na área da seção de fundo 5, opcionalmente adicionalmente uma ou mais secções mais leves na seção 6.

[0087] Uma tal solução de lastro local aumenta a estabilidade de tubos ascendentes ‘leves’, tais como umbilicais reforçados com compósito e/ou umbilicais compreendendo cabos de energia de alumínio (em lugar de cabos de energia de cobre). Isto poderia substituir o uso convencional de pesos de fixação, tornando mais fácil a instalação de tais umbilicais, e com uma correspondente redução de custo.

[0088] As figuras 6-8 mostram três etapas em um primeiro método de provisão de um membro de resistência longitudinal tendo uma característica variável, tal como resistência à tração, ao longo de seu comprimento, e preferivelmente tendo um diâmetro externo constante entre duas seções compreendendo diferentes materiais.

[0089] As figuras 6-8 mostram uma modalidade do processo de formação de uma zona de transição em um membro de resistência longitudinal para o uso com a presente invenção entre uma seção de cabo de aço 17a e uma seção de enchimento polimérico 17b, membro de resistência este que pode ser usado no umbilical 1 mostrado nas figuras 2 e 3.

[0090] A figura 6 mostra a extremidade de um membro de resistência de cabo de aço compreendendo um núcleo de sete cabos de aço, circundado por uma capa de polímero 20. Como mostrado na figura 6, a capa de polímero 20 é cortada de volta desde a extremidade do membro de resistência para deixar uma seção coberta com capa restante 17a. Cabos de aço individuais 18 do membro de resistência são então cortados em diferentes comprimentos deixando um cabo central 22 como o mais longo, e um número de comprimentos diferentes de outros cabos de aço 21.

[0091] A figura 7 mostra a extremidade de um membro de resistência de enchimento polimérico 17b tendo um furo 23 perfurado ao longo de seu eixo central. O diâmetro do furo 23 é ligeiramente maior que o diâmetro do cabo central 22 da figura 6.

[0092] A figura 8 mostra a reunião ou conjunto da seção de cabo de aço 17a da figura 6 e a seção de enchimento polimérico 17b da figura 7 conjuntamente para formar uma junção ou junta na forma de uma zona de transição 25 entre a seção de cabo de aço 17a e a seção de enchimento polimérico 17b.

[0093] Na figura 8, o cabo central 22 mostrado na figura 6 é inserido no furo 23 mostrado na figura 7, e preferivelmente colado dentro do mesmo. Inúmeras barras poliméricas 26 são então posicionadas entre a extremidade da seção polimérica 17b e a extremidade de cada um dos cabos de aço restantes 21 de forma a encher o espaço entre elas, e provêm um diâmetro externo constante entre a seção de cabo de aço 17a e a seção de enchimento polimérico 7b. Uma fita apropriada 24 é então enrolada em torno das partes da união.

[0094] O tipo de união ou junta mostrado na figura 8 pode também ser denominado como união 'em fatias' e é capaz de ser criada durante a fabricação dos membros de resistência longitudinais.

[0095] As figuras 9a - 9g mostram etapas em um segundo método de provisão de um membro de resistência longitudinal tendo uma característica variável, tal como resistência à tração, ao longo de seu comprimento, e preferivelmente tendo um diâmetro externo constante entre duas seções compreendendo diferentes materiais.

[0096] As figuras 9a - 9g mostram etapas em um processo de formação de uma zona de transição entre a extremidade de uma seção de barra de aço 30, e uma barra de polietileno seção 32. Starting com a barra de aço 34 com uma capa de polímero 36 da seção de barra de aço 30 na figura 9a, a figura 9b mostra o corte de volta da capa 36 e chanframento da borda livre da barra de aço 34. A figura 9c mostra a perfuração de um furo 38 ao longo do eixo de barra de aço 34 desde sua extremidade livre para uma predeterminada profundidade, seguida pela provisão de uma rosca na mesma. A figura 9d mostra a inserção de uma barra rosqueada com rosca de parafuso 40 no furo 38.

[0097] A figura 9e mostra a preparação da extremidade livre de uma barra de polietileno 32, compreendendo chanframento da borda da extremidade da barra de polietileno 32 seguida por perfuração de um furo 42 a partir da extremidade livre da barra 32 ao longo do eixo central. A figura 9f mostra a reunião da seção de barra de aço 30 à barra de polietileno seção 32 pela inserção da barra rosqueada 40 no furo 42, preferivelmente com a adição de adesivo e/ou provisão de um ajuste de empurrar entre os ditos componentes.

[0098] A figura 9g então mostra a adição de material de enchimento e fita em torno da área de união da zona de transição 44 para completar a criação de um membro de resistência longitudinal de resistência à tração variável, preferivelmente tendo um diâmetro externo constante ao longo de seu comprimento. Um tal membro de resistência longitudinal poderia ser usado no mesmo arranjo no umbilical 1 mostrado nas figuras 2 e 3, com a seção de barra de aço 30 substituindo a seção de cabo de aço 17a.

[0099] As figuras 10a - 10b mostram algumas etapas de um terceiro método de provisão de um membro de resistência longitudinal tendo uma resistência à tração de característica variável ao longo de seu comprimento, e preferivelmente tendo um diâmetro externo constante entre duas seções compreendendo diferentes materiais. Este método é baseado no membro de resistência longitudinal e compreende uma seção de cabo de aço e uma seção de cabo de fibra de alta resistência, a fibra de alta resistência sendo feita de qualquer material orgânico de peso leve, de altomódulo, tal como Zylon ou Aramida (como Kevlar, Technora).

[00100] Isto provê vantagens similares para os membros de resistência longitudinais de cabo de aço e de barra de aço descritos acima, em particular para prover suficiente resistência para as seções próximas à superfície de umbilicais sob condições dinâmicas, e ainda tendo uma seção de fibra de alta resistência projetada para resistir às requeridas cargas de instalação e carregamentos estáticos. Tais vantagens incluem criar um umbilical tendo um peso muito menor que aquele com membros de resistência de cabos de aço não variáveis. Isto pode prover umbilicais apropriados para profundidades muito significantes, tais como até 4000 m, mesmo com cabos de energia de cobre dentro dos mesmos.

[00101] As extremidades de cabos de aço ou barras de aço podem ser unidas às extremidades de cabo de fibra de altas resistências pela remoção de quaisquer sobre capas, e o uso de corrugação para efetuar uma união segura das extremidades. Corrugados hexagonais e ferramentas de corrugação hidráulicas são conhecidos na técnica, capazes de prover resistências de junta de >20kN e mesmo até e além de 50kN.

[00102] As figuras 10a e 10b mostram a extremidade de um cabo de fibra de alta resistência 50, com sua sobrecapa 52 removida sobre uma certa distância na figura 10a. A figura 10b mostra um corrugado 54 já reunido com a extremidade de uma seção de cabo de aço 56, corrugado este 54 que é posicionado em torno da extremidade sem capa do cabo de fibra de alta resistência 50, seguido por corrugação por uma máquina de corrugação em uma maneira conhecida na técnica para formar uma junta segura entre elas.

[00103] Outros exemplos particulares de outros membros de resistência longitudinais de acordo com a presente invenção incluem membros de resistência longitudinais compreendendo pelo menos uma seção de enchimento de polímero e uma seção de cabo de fibra de alta resistência ou a barra compósita (tais como a carbono/epóxi) seção. Esses exemplos evitam o uso de cabos de aço ou barras de aço para reduzir e/ou minimizar o peso do umbilical através do uso de seções de resistência de peso mais leve. Eles ainda também provêm apropriada resistência axial e na dependência das propriedades para permitir a instalação e resistir a cargas estáticas, em particular para a passagem contínua através de uma máquina de produção de hélice.

[00104] Membros de resistência de leve peso, adicionais, poderiam também ser acrescentados nos locais onde resistência adicional é desejada, tais como a seção D1 mostrada na figura 1. Tais exemplos provêm membros de resistência longitudinais para criar umbilicais muito leves.

[00105] Juntas entre as diferentes seções de resistência à tração de tais exemplos podem ser providas usando métodos de corrugação especialmente porque elas podem ser facilmente carregadas em bobinas de máquinas de produção de hélice. Alternativamente, tais seções de leve peso poderiam ser reunidas por operações de deposição por fatiamento, pelas quais as extremidades das duas diferentes seções são posicionadas sobre bobinas separadas que são trocadas no ponto de transição, de forma que as fatias de transição são tornadas tão próximas ao feixe quanto possível.

[00106] Corrugados de aço intermediários ou luvas de corrugamento em torno de tais juntas poderiam ser acrescentados.

[00107] Em um outro exemplo de um membro de resistência longitudinal para o uso na presente invenção, seções de alta resistência são posicionadas no umbilical na seção D1 da figura 1 para satisfazer a alta tensão local e exigências de tensão de flexão, como descrito acima. Todavia, tais seções de alta resistência são paradas na extremidade da seção D1, e as seções de enchimento não reunidas são então posicionadas nas vias de trajeto de continuação esperadas das seções de alta resistência, de forma a manter um diâmetro externo constante do umbilical, enquanto evita a formação de união ou juntas. Desta maneira, são providas zonas de transição agudas ou discretas.

[00108] Alternativamente e/ou em adição, podem ser criadas zonas de transição não contratantes entre secções de um membro de resistência longitudinal, que poderiam se estender em uma existência predeterminada de forma a criar interstícios entre elas. Tais umbilicais são ainda suficientemente rígidos a resistir a cargas de compressão, com redução do peso. Tais arranjos são facilmente implementados em umbilicais tendo camadas de blindagem de fios metálicos, enroladas em torno do umbilical, geralmente logo sob uma capa externa.

[00109] A presente invenção provê um umbilical tendo uma propriedade de seção transversal que evolui ou se modifica ao longo de seu comprimento, para prover propriedades mecânicas que evoluem ou se modificam ao longo de seu comprimento, tais como sendo uma resistência à tração que evolui ou se altera. Em particular, pode prover reforço no umbilical em a área superior ou área de lado superior (tal como a seção D1 mostrada na figura 1), por incluir membros de resistência adicionais somente nesta área, que aumenta a resistência total e vida útil contra fadiga do umbilical, sem aumentar o peso e custo do comprimento restante do umbilical.

[00110] Tais umbilicais podem também ainda ser formados com projetos convencionais e maquinário e técnicas de fabricação convencionais, preferivelmente pela manutenção de um diâmetro externo constante ao longo do comprimento do umbilical, e preferivelmente por cada membro de resistência longitudinal no umbilical também ter um diâmetro externo constante de forma a manter a facilidade de sua conformação com os outros elementos do umbilical de uma maneira conhecida na técnica.

[00111] A presente invenção se aplica a qualquer tipo ou forma de umbilical para o uso na produção no mar de hidrocarbonetos, e não é limitada a umbilicais de energia. Estes podem incluir, por exemplo, umbilicais de tubo de aço. Tais umbilicais podem compreender um ou mais do grupo compreendendo: cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos de aço e mangueiras, opcionalmente em qualquer combinação. [00112] Várias modificações e variações para as modalidades descritas da invenção serão aparentes para aqueles especializados na técnica sem fugir do escopo da invenção como definido nas reivindicações anexas. Embora a invenção tenha sido descrita em conexão com modalidades preferidas específicas, deve ser entendido que a invenção como reivindicada não deve ser indevidamente limitada a tais modalidades específicas.

Claims

1.Umbilical (1) compreendendo uma pluralidade de membros de resistência longitudinais (17), os ditos membros de resistência tendo uma ou mais características variáveis ao longo do comprimento do umbilical, e em que os membros de resistência longitudinais compreendem, sequencialmente, pelo menos uma primeira seção (30) tendo uma primeira característica(s) se estendendo a partir de uma extremidade do umbilical, uma zona de transição (44), e uma segunda seção (32) tendo uma segunda e diferente(s) característica(s) para a primeira seção, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos membros de resistência compreende primeira e segunda seções selecionadas do grupo compreendendo: uma seção de cabo de aço (30) e uma seção de enchimento polimérico (32); uma seção de barra compósita e uma seção de enchimento de polímero; uma seção de cabo de fibra de alta resistência e uma seção de enchimento polimérico; e uma seção de barra de aço e uma seção de enchimento de polímero.

2.Umbilical, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ou cada membro de resistência é enrolado helicoidalmente ou em um padrão de S/Z ao longo do umbilical.

3.Umbilical, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ou cada membro de resistência tem um enrolamento de padrão S/Z ou helicoidal constante ao longo do umbilical.

4.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que tem uma extremidade com uma resistência à tração mais alta do que sua outra extremidade.

5.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende uma segunda seção (32) tendo uma segunda e diferente(s) característica(s) para a primeira seção (30) se estendendo para a outra extremidade do umbilical.

6.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a ou cada zona de transição (44) compreende uma junção ou junta entre as seções do membro de resistência em cada lado da zona de transição, preferivelmente para prover um membro de resistência longitudinal tendo um comprimento contínuo que é totalmente ou substancialmente o comprimento do umbilical.

7.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que é para o uso a uma profundidade superior a 2000 m, preferivelmente superior a 3000 m.

8.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um ou mais membros de resistência longitudinais não variáveis (16).

9.Umbilical, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende totalmente ou substancialmente uma pluralidade de membros de resistência longitudinais de cabo de aço e enchimento polimérico.

10.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a(s) característica(s) que variam ao longo do comprimento dos membros de resistência alongados incluem um ou mais do grupo compreendendo: resistência à tração, gravidade específica, relação entre resistência e peso, resistência à fadiga, flexibilidade, resistência à temperatura, resistência à corrosão, limite de escoamento, módulo de Young, rigidez axial, e tensão.

11.Umbilical, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a característica que varia ao longo do comprimento dos membros de resistência alongados é resistência à tração.

12.Umbilical, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o umbilical tem um diâmetro externo totalmente ou substancialmente constante ao longo de seu comprimento.

13.Umbilical, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que cada um dos membros de resistência longitudinais e/ou sua combinação compreende um diâmetro externo totalmente ou substancialmente constante ao longo de seu ou seus comprimentos.