BR112015014265B1

BR112015014265B1 - umbilical, umbilical de sistema de controle de instalação e manutenção (iwocs), e, método de fabricação de um umbilical

Info

Publication number: BR112015014265B1
Application number: BR112015014265-6A
Authority: BR
Inventors: Steven John Frazer; David Madden
Original assignee: Technip France
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2020-12-01
Also published as: WO2014102597A3; EP2938913B1; BR112015014265A2; MY170421A; EP2938913A2; US20150354292A1; WO2014102597A2; GB2509331B; GB201223500D0; GB2509331A

Abstract

UMBILICAL A presente invenção refere-se a um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo que compreende de modo concêntrico: um revestimento externo, pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado e um núcleo confinado pelas camadas de proteção, e que compreende uma pluralidade de componentes do umbilical ativos alongados, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas. O uso de tiras poliméricas reforçadas para formar as camadas de proteção proporciona uma disposição de peso reduzido, porém, ainda flexível, a qual é significativamente mais fácil de fabricar visto que são necessárias muito menos tiras para formar as camadas de proteção em comparação ao grande número de cabos de aço das camadas de proteção convencionais.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo e, particularmente, a um umbilical IWOCS (“Installation and WorkOver Control System”) e a um método de fabricação.

[0002] Os umbilicais usados na produção marítima de hidrocarbonetos compreendem, em geral, um grupo de um ou mais tipos de componentes do umbilical ativos alongados, tais como cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos de aço e/ou mangueiras, amarrados entre si de modo a proporcionar flexibilidade, com sobre- revestimento e, quando adequado, protegido a fim de proporcionar resistência mecânica. Os umbilicais são tipicamente usados para transmissão de energia, sinais e/ou fluidos de trabalho (para, por exemplo, injeção de fluido, energia hidráulica, liberação de gás, etc.) para e a partir de instalações submarinas.

[0003] A seção de corte transversal do umbilical é geralmente circular, sendo que os elementos alongados são enrolados entre si em um padrão helicoidal ou S/Z. A fim de preencher as cavidades intersticiais entre os vários elementos do umbilical e obter a configuração desejada, componentes de preenchimento podem ser incluídos dentro das cavidades.

[0004] Os documentos API 17E e ISO 13628-5 "Specification for Subsea Umbilicals", fornecem padrões para o projeto e fabricação de tais umbilicais.

[0005] Os umbilicais submarinos estão sendo instalados atualmente em profundidades de água cada vez maiores, sendo frequentemente profundidades maiores que 2.000 m. Tais umbilicais têm que ser, portanto, capazes de resistir às condições de carregamento cada vez mais severas durante sua instalação e sua vida útil.

[0006] Uma utilização, em particular, de tais umbilicais é em um 'Sistema de controle de instalação e manutenção'(doravante "IWOCS"). O IWOCS é usado para monitorar e controlar a distribuição e operação de equipamentos de produção submarinos, tais como árvores submarinas. O mesmo sistema também é usado para a recuperação e operação de tais equipamentos. O IWOCS geralmente oferece o monitoramento e controle da distribuição e recuperação de suportes de tubo, colunas de assentamento e árvores submarinas, assim como unidades para operações de fundo de poço, testes de poços e testes de produção.

[0007] Um umbilical IWOCS é geralmente capaz de conectar o equipamento submarino a uma unidade de controle da 'parte superior', a qual tipicamente contém um carretel e/ou guincho para a distribuição do umbilical, um recipiente de controle de manutenção, e painéis de controle locais na plataforma.

[0008] Os Umbilicais IWOCS podem ser projetados de modo a incluir a quantidade de conexões hidráulicas desejada pelo projetor ou operador para a operação das funções de controle elétrico e hidráulico necessárias, e para fornecer o monitoramento e teste durante a instalação, intervenção e manutenção do equipamento de conclusão submarino.

[0009] Em particular, é desejado que os umbilicais IWOCS sejam de fácil instalação e recuperação com uma disposição de guincho/carretel simples. Durante sua operação e uso, os umbilicais são, frequentemente, enrolados e desenrolados de tambores por muitas vezes, e submetidos a ambientes altamente dinâmicos. Como consequência disso, os umbilicais IWOCS precisam ser de baixo peso, flexíveis (isto é, com uma baixa rigidez à flexão), e altamente resistentes à tensão e cargas de flexão.

[0010] Os principais componentes de carregamento de carga responsáveis por resistir às cargas de tensão, decorrentes do peso suspenso do umbilical abaixo de um navio de lançamento, são geralmente tubos (ver, por exemplo, conforme descrito nos documentos US6472614, W093/17176 e GB2316990), hastes de aço (documento US6472614), hastes compósitos (documentos WO2005/124095 e US2007/0251694), cordas de aço (documentos GB2326177 e WO2005/124095), cordas compósitas (documento GB2326177), ou camadas de proteção à tensão (ver, por exemplo, Figura 1 do documento US6472614). Os outros componentes no umbilical, isto é, os cabos elétricos e ópticos, as mangueiras termoplásticas, o revestimento externo polimérico e os componentes poliméricos de preenchimento não contribuem significativamente para a resistência à tensão do umbilical.

[0011] Sob condições severas, tais como o uso em águas profundas e/ou em aplicações dinâmicas, cargas elevadas serão aplicas ao umbilical devido ao peso do umbilical e ao movimento dinâmico da água. Por conseguinte, elementos de reforço e elementos de lastro são adicionados a umbilicais para que resistam a essas cargas. Em particular, a especificação API 17E sugere a adição de camadas externas de cabos de proteção enrolados de modo helicoidal em torno do umbilical.

[0012] A Figura 1 dos desenhos anexos é uma vista em corte transversal de um umbilical convencional 10 para uso na produção marítima de hidrocarbonetos. O mesmo inclui três condutores de energia grandes, sendo que cada um tem três cabos de alimentação elétricos 12, cabos de sinal elétrico 14, cabos de fibra óptica 16, hastes de reforço de aço ou carbono 18, etc., opcionalmente com um preenchedor entre o mesmo, e que juntos formam um núcleo 20. Em torno do núcleo 20 estão duas camadas de proteção à tensão de enrolamento cruzado 22, 24 que compreendem um grande número de cabos de aço cilíndricos galvanizados de um modo conhecido na técnica; ver, por exemplo, os cabos de proteção 12 no documento US 6472624. As camadas de proteção 22, 24 são, então, circundadas por um revestimento externo 26.

[0013] Enquanto que as camadas de proteção de cabo de aço 22 e 24 podem fornecer resistência e lastro adicionais, as mesmas naturalmente aumentam o peso total do umbilical. À medida que a profundidade da água aumenta e/ou a atividade dinâmica aumenta(m), o peso suspenso também aumenta até que um limite seja alcançado, no qual o umbilical não é capaz de sustentar seu próprio peso suspenso.

[0014] O fornecimento de camadas de proteção baseadas no uso de cabos ou cordas de não aço ou não metal, tais como fibras de aramida tecidas ou não tecidas trançadas com ângulos pequenos é conhecido. Tais fibras podem fornecer resistência 'semelhante às cordas' enquanto são muito mais leves que o aço. Porém, essa disposição tem pelo menos três problemas conhecidos.

[0015] Primeiramente, essa disposição tem um alto custo de fabricação com grande diâmetro, visto que as maquinas de trançar de grande diâmetro não são projetos 'padrões'e, então, precisam ser especificamente desenvolvidas. Mesmo a adição do grande número de cabos de aço, como mostrado na Figura 1 anexa, é de alto custo devido à necessidade de usar maquinas de proteção de tamanho grande de modo a manusear o grande número de cabos de aço ao mesmo tempo.

[0016] Em segundo lugar, conforme os umbilicais são enrolados e desenrolados de tambores e sujeitos a outros ambientes dinâmicos, a flexão dos umbilicais faz com que as tranças movam, e a flexão contínua eventualmente causa a degradação das tranças nos "pontos de contato" ou "punhos".

[0017] Adicionalmente, conforme os umbilicais são enrolados e desenrolados de um tambor, a carga dentro do membro de tensão ocasiona uma força para baixo na barriga do tambor e, em alguns casos, faz com que os membros de resistência à base de fibra, tais como cordas trançadas de aramida, movam através do feixe, danificando o componente adjacente. Esse efeito é conhecido como o efeito 'cabeamento de queijo (cheese wiring)'.

[0018] Um objetivo da presente invenção é fornecer um umbilical com resistência melhorada, capaz de resistir a repetidas flexões, enquanto que também possui um método fácil de fabricação.

[0019] Assim, de acordo com um aspecto da presente invenção, é fornecido um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo que compreende de modo concêntrico: um revestimento externo, pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado, e um núcleo confinado pelas camadas de proteção, e que compreende uma pluralidade de componentes do umbilical ativos alongados, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforç adas.

[0020] O uso de tiras poliméricas reforçadas para formar as camadas de proteção alcança uma disposição de peso reduzido, porém, ainda flexível, a qual é significativamente mais fácil de fabricar, visto que são necessárias muito menos tiras para formar as camadas de proteção em comparação ao grande número de cabos de aço mostrados na Figura 1. Em particular, o enrolamento das camadas de proteção pode ser realizado com máquinas de enrolamento pequenas 'padrão', o que leva a uma redução no custo em comparação às etapas de fabricação de proteção da técnica anterior.

[0021] Opcionalmente, o uso de uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas fornece um umbilical que tem uma baixa rigidez à flexão, tal como abaixo de 1.200 Nm. Isso pode ser contrastado com o uso de cabos de proteção redondos, tal como mostrado na Figura 1 dos desenhos anexos, onde cada camada forneceria uma rigidez à flexão de 800 Nm ou mais, proporcionando uma rigidez à flexão total de pelo menos 1.600 Nm; ou o uso de tranças que, por si só, possuem uma baixa rigidez à flexão, mas que precisam ser ensanduichadas entre os revestimentos que têm uma rigidez à flexão que pode ser maior que 1.200 Nm, para um IWOCS típico de 90 mm a 140 mm de diâmetro externo.

[0022] As medições da rigidez à flexão (que podem ser formadas em torno do raio exigido dos revestimentos de orientação pela mão e peso próprio (raio típico de 1 a 2 m)) de duas camadas helicoidais opostas de tiras poliméricas reforçadas da presente invenção estão na faixa de 93 Nm a 259 Nm, e foi constatado que o uso de duas camadas de proteção formadas pelas tiras poliméricas reforçadas da presente invenção aumenta a rigidez de uma única camada em apenas 20 a 30%, em vez de simplesmente duplicar a rigidez à flexão.

[0023] As tiras poliméricas podem ter seu reforço fornecido por qualquer disposição adequada que, geralmente, envolve o uso de uma ou mais peças ou unidades que suportam resistência ao longo do comprimento das tiras poliméricas e, opcionalmente, embutidas nas mesmas.

[0024] O reforço pode ser fornecido de um modo simétrico ou assimétrico, ou uma combinação dos mesmos e, geralmente, em um ou mais arranjos, sendo que tais arranjos podem ser, opcionalmente, geométricos, regulares e/ou paralelos. Os filamentos podem estar separados ou em contato. A possível separação dos filamentos dentro de cada tira polimérica reforçada adicionalmente remove o risco de sua degradação, devido ao desgaste causado pelo contato entre os mesmos, durante o manuseio e vida útil do umbilical, em contraste com os cabos de aço na Figura 1 anexa.

[0025] Em uma modalidade preferida, as pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado compreendem o mesmo número das mesmas ou similares tiras poliméricas reforçadas. Essa modalidade é de fácil fabricação, e é torque- balanceada, ou pelo menos tão torque-balanceada quanto possível.

[0026] A presente invenção também pode ser implantada usando-se diferentes tiras poliméricas reforçadas para cada camada de proteção, ou em pelo menos duas camadas de proteção diferentes, e/ou um número diferente de tiras poliméricas reforçadas em cada camada de proteção, ou em pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado diferentes: desde que a estrutura umbilical resultante seja torque-balanceada, ou pelo menos tão torque-balanceada quanto possível. Por exemplo, as tiras poliméricas reforçadas de duas camadas de proteção podem ter larguras diferentes e/ou espessuras diferentes e/ou uma quantidade de fios diferente e/ou tipos de fios diferentes (por exemplo, materiais diferentes, número de fibras por fio diferente, etc.).

[0027] Opcionalmente, as tiras poliméricas são reforçadas por um ou mais filamentos de um ou mais fios orgânicos de alta resistência, sendo que, opcionalmente, tem um módulo de tensão > 70 GPa.

[0028] Opcionalmente, os fios orgânicos de alta resistência compreendem fibras que compreendem um ou mais do grupo que compreende: fibra de poliamida aromática (aramida), fibra de poliéster aromático, fibra de cristal líquido, fibra de polietileno de alto desempenho, e fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO); preferencialmente fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO).

[0029] O ou cada filamento pode compreender qualquer número de fios. Uma pluralidade de fios pode ser formada, torcida ou trançada, ou de outra maneira 'enrolada', sendo que tem, por exemplo, pelo menos 5 ou pelo menos 10 fios, opcionalmente na faixa de 10 a 200, tal como cerca de 40 ou 50 ou 60 fios. A formação de filamentos de fios é bem conhecida na técnica, e pode ser contrastada com membros de resistência 'sólidos'geralmente formados de um único material sólido, ou formado de fibras que precisam ser unidas por uma resina ou outro adesivo de modo a formar uma única entidade “substancialmente sólida” para que resistência suficiente seja fornecida.

[0030] Preferencialmente, os fios são formados de fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO).

[0031] Nesse aspecto, valores de resistência à tensão típicos para certos materiais adequados para o uso são:

[0032] Tais fios formados de fibra orgânica de alta resistência adequados são leves e têm alta resistência e alta resistência modular, e incluem vários filamentos de fibra sintética de baixa elasticidade de alta resistência feitos com fibra de Zylon® ou fibras de aramida, tal como fibra de alto módulo de Kelvar ou Twaron, ou fibra de cristal líquido, tal como fibra de Vectra, ou outras fibras sintéticas de alto módulo e alta resistência.

[0033] Fibras de Kelvar, tais como K-29 e fibras K-49 de alto módulo são conhecidas.

[0034] As fibras de para-aramida Twaron e Technora também oferecem uma combinação de propriedades tais como alta resistência, baixo peso e alto módulo (similar ao Kelvar, tal como o Kevlar 49). Devido a essa combinação de propriedades, as fibras de aramida são usadas em vestuários de proteção. A fibra Twaron D2200 é uma fibra de modulo particularmente alto (110 a 115 GPa) em comparação às fibras de aramida padrão normais. As fibras de aramida têm alta resistência e alto módulo, boa resistência química e à hidrolise, resistência à alta temperatura, não sofrem corrosão, boa estabilidade dimensional, são não magnéticas e não condutoras e de baixo peso.

[0035] O Vectran é um fio multifilamento termoplástico de alto desempenho fiado a partir do polímero de cristal líquido (LCP) Vectra®. A fibra tem alta resistência e módulo; excelente resistência à deformação e resistência à abrasão; baixa absorção de umidade e coeficiente de expansão térmica (CTE) e alta resistência ao impacto.

[0036] A fibra Zylon® é o nome comercial da fibra poli(p-fenileno-2,6- benzobisoxazol) (PBO), que é um polímero de cristal isotrópico de barra rígida. A mesma possui uma resistência e módulo quase duas vezes maior que algumas das fibras de para-aramida. A molécula de PBO é geralmente sintetizada pela condensação do diidrocloreto de 4,6-diamino-1,3-benzenodiol com ácido tereftálico (TA) ou um derivado de TA, tal como o cloreto de tereftaloila em uma solução de ácido polifosfórico (PPA). O "Zylon"é uma marca registrada de Toyobo Co. Ltd., no Japão.

[0037] O manual de compósitos, de Georges Lubin et al (1998), define a “fibra de aramida” como um termo genérico para um tipo específico de “fibra de poliamida aromática”. O mesmo diz que a Comissão Federal de Comércio dos EUA define uma fibra de aramida como "uma fibra fabricada na qual a substancia formadora da fibra é uma poliamida sintética de cadeia longa, na qual pelo menos 85% das ligações de amida são diretamente ligadas a dois anéis aromáticos". Desse modo, em uma aramida, a maior parte dos grupos amida está diretamente ligada a dois anéis aromáticos, com nenhuma outra intervenção.

[0038] De modo geral, as tiras poliméricas reforçadas têm um corte transversal alongado regular, e um comprimento que é adequado para o processo de formação do umbilical. As tiras poliméricas reforçadas podem ser fornecidas de um modo pré- formado ou conformado, sendo, ao mesmo tempo, preferencialmente flexíveis o suficiente para permitir que seu formato seja adaptado para se ajustarem, de modo anular, em torno do núcleo durante a fabricação do umbilical.

[0039] As tiras poliméricas reforçadas podem ter qualquer dimensão e corte transversal adequados. De modo geral, as tiras poliméricas reforçadas têm um corte transversal retangular.

[0040] Preferencialmente, as tiras poliméricas reforçadas de uma camada de proteção se sobrepõem às tiras poliméricas reforçadas de uma outra camada de proteção.

[0041] O uso de tiras poliméricas reforçadas, que geralmente têm um corte transversal alongado e que são opcionalmente 'planas', também aumenta a superfície de contato entre as tiras poliméricas de cada camada de proteção em comparação a cabos de aço cilíndricos individuais, conforme mostrado na Figura 1 anexa. A superfície de contato aumentada entre as tiras poliméricas reforçadas reduz o contato de pressão entre as mesmas e, portanto, reduz o desgaste associado que ocorre devido ao movimento das camadas de proteção em uso, especialmente enquanto são enroladas e desenroladas dos tambores.

[0042] Opcionalmente, as tiras poliméricas reforçadas compreendem um ou mais filamentos de um ou mais fios embutidos na matriz polimérica. O polímero da matriz polimérica pode ser qualquer polímero de alta resistência adequado, geralmente capaz de ser formado (tal como por extrusão, particularmente extrusão sob pressão), em torno dos filamentos durante a fabricação das tiras poliméricas reforçadas. Tais polímeros incluem polietileno, poliamida (náilon) e poliuretano de alta, média e baixa densidade.

[0043] O processo de fabricação pode envolver quaisquer etapas ou processos adequados, geralmente com o intuito de embutir os filamentos dentro de uma matriz curável. A título de exemplo, o número exigido de filamentos pode estar situado em um carretel de enrolamento de tal modo que suas extremidades podem, então, ser individualmente abastecidas, através de dispositivos de tensionamento, para o interior de um molde que ordena os filamentos na disposição interna desejada, tal como linhas paralelas igualmente espaçadas. Os filamentos podem ser, então, alimentados através de uma extrusora com um polímero de cura extrudado no mesmo para ligar os filamentos a uma tira retangular fina.

[0044] Opcionalmente, cada tira polimérica reforçada compreende pelo menos dois filamentos, opcionalmente pelo menos 4 a 20 filamentos, opcionalmente na faixa de 4 a 12 filamentos, tal como 6, 7, 8, 9 ou 10 filamentos.

[0045] As tiras poliméricas reforçadas são fornecidas com o intuito de obter um arranjo circular ou anular em torno do núcleo do umbilical, opcionalmente em uma disposição simétrica ou de outra maneira balanceada. Isto é, preferencialmente um número regular de tiras poliméricas reforçadas completas fornece um espaço anular completo em torno do núcleo na forma de uma camada de proteção. Opcionalmente, as tiras poliméricas reforçadas são formadas com dimensões adaptadas para o diâmetro conhecido ou esperado do núcleo.

[0046] Em uma modalidade da presente invenção, cada camada de proteção compreende entre 5 a 25 tiras poliméricas reforçadas, opcionalmente entre 8 a 20 ou 9 a 16 tiras poliméricas reforçadas. A presente invenção é flexível com relação ao número de tiras exigido, com base no diâmetro conhecido ou esperado do núcleo, espessura das tiras, etc.

[0047] Somente a título de exemplo, as tiras poliméricas reforçadas podem ter uma espessura na faixa de 1 mm a 5 mm, preferencialmente na faixa de 1,5 mm a 3 mm, e uma largura na faixa de 10 mm a 50 mm, preferencialmente na faixa de 15 mm a 30 mm.

[0048] A resistência das tiras poliméricas reforçadas irá variar dependendo do número de filamentos e fios, do número e tipo das fibras que formam os fios, assim como da largura ou espessura da tira. Somente a título de exemplo, os fios podem ter uma densidade de fibras na faixa de 660 a 24.000 tex, fornecendo às tiras poliméricas reforçadas uma capacidade de carga de tensão na faixa de 1.300 N a 20.000 N.

[0049] Conforme mencionado acima, um umbilical pode consistir em um grupo de um ou mais tipos de componentes do umbilical ativos alongados, incluindo, mas, não limitado a cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos de aço, mangueiras, hastes de aço, hastes compósitas, cordas de aço e cordas compósitas, amarrados entre si de modo a proporcionar flexibilidade. Pelo menos alguns desses componentes alongados formam um núcleo. Na presente invenção, o núcleo pode compreender pelo menos uma camada externa de diversos componentes do umbilical.

[0050] O revestimento externo pode ser fabricado a partir de qualquer material adequado, sendo geralmente formado de um ou mais polímeros, capaz de ser formado em torno das camadas de proteção para fornecer uma camada de proteção externa e também, opcionalmente, uma camada lisa.

[0051] O umbilical para produção de hidrogênio marítimo pode ser um termoplástico, híbrido, HFL, IWOCS ou cabo de alimentação, preferencialmente um umbilical IWOCS.

[0052] Opcionalmente, o umbilical é destinado ao uso em uma profundidade maior que 2.000 m, preferencialmente maior que 3.000 m.

[0053] De acordo com uma segunda modalidade da presente invenção, é fornecido um umbilical IWOCS que compreende de modo consecutivo: um revestimento externo, pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado, e um núcleo confinado pelas camadas de proteção, e que compreende uma pluralidade de componentes do umbilical ativos alongados, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas, conforme definido anteriormente no presente documento.

[0054] As vantagens desse umbilical IWOCS foram descritas acima.

[0055] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de fabricação de um umbilical marítimo, conforme definido anteriormente no presente documento, que compreende pelo menos as etapas de: (i) fornecer um núcleo que compreende uma pluralidade de componentes do umbilical ativos alongados; (ii) enrolar pelo menos duas camadas de proteção, conforme definidas anteriormente no presente documento, em torno do núcleo; e (iii) fornecer um sobre-revestimento.

[0056] Conforme mencionado acima, o enrolamento de duas camadas de proteção pode ser realizado com maquinas de enrolamento pequenas “padrão”, que leva a uma redução do custo em comparação às etapas de fabricação exigidas na técnica anterior para a adição de proteção convencional. De fato, o número de componentes exigido para formar cada camada de proteção é, dessa forma, muito menor do que na técnica anterior, pois as tiras poliméricas reforçadas são muito mais amplas que os cabos da técnica anterior. Além disso, as tiras poliméricas reforçadas são significativamente mais flexíveis que os cabos da técnica anterior, especialmente os cabos de aço. Dessa forma, as tiras podem ser facilmente desenroladas dos tambores e enroladas em torno de um feixe cilíndrico durante a fabricação do umbilical sem a exigência de máquinas grandes e potentes (como é exigido para componentes de aço equivalentes).

[0057] As duas camadas de proteção podem ser enroladas com um ângulo de hélice com um valor absoluto entre 5° e 25°, preferencialmente entre 5° e 10°. As duas camadas de proteção são preferencialmente enroladas por enrolamento cruzado, e mais preferencialmente instaladas com ângulos opostos. Por exemplo, uma primeira camada de proteção é instalada a +12° e uma segunda camada de proteção é instalada a -12°. Isso faz com que o umbilical marítimo seja mais torque-balanceado, isto é, menos suscetível à rotação quando uma carga axial de tensão é aplicada ao mesmo.

[0058] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecida uma tira polimérica reforçada para uso em um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo, especialmente um umbilical IWOCS, em que a tira polimérica é reforçada por um ou mais filamentos de um ou mais fios orgânicos de alta resistência que compreendem fibras que compreendem um ou mais do grupo que compreende; fibra de poliamida aromática (aramida), fibra de poliéster aromático, fibra de cristal líquido, fibra de polietileno de alto desempenho e fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO), preferencialmente fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO).

[0059] Tais tiras reduzem significativamente o peso exigido para proporcionar o efeito de proteção, enquanto ainda fornecem uma disposição flexível, e fornecem um método significativamente mais fácil para fabricação de umbilicais, visto que são necessárias muito menos tiras para formar as camadas de proteção em comparação ao grande número de cabos de aço mostrados na Figura 1.

[0060] Modalidades da presente invenção serão descritas agora, somente a título de exemplo, e com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1 é uma vista em corte transversal de um umbilical, de acordo com a técnica anterior; A Figura 2 é uma vista em corte transversal de um umbilical, de acordo com uma modalidade da presente invenção; e A Figura 3 é uma vista em corte transversal de uma porção da tira polimérica reforçada, de acordo com outra modalidade da presente invenção.

[0061] Referindo-se aos desenhos, a Figura 1 mostra um umbilical 10 para uso na produção marítima de hidrocarbonetos. O mesmo inclui três condutores de energia grandes, sendo que cada um tem três cabos de alimentação elétricos 12, cabos de sinal elétrico 14, cabos de fibra óptica 16, hastes de reforço de aço ou carbono 18, etc., opcionalmente com um preenchedor entre o mesmo, e que juntos formam um núcleo 20.

[0062] Em torno do núcleo 20 encontram-se duas camadas de proteção à tensão de enrolamento cruzado 22, 24 que compreendem um grande número de cabos de aço cilíndricos galvanizados de um modo conhecido na técnica. As camadas de proteção 22, 24 são, então, circundadas por um revestimento externo 26.

[0063] Apesar de que as camadas de proteção de cabo de aço 22 e 24 podem fornecer resistência e lastro adicionais, as mesmas naturalmente aumentam o peso total do umbilical. À medida que a profundidade da água aumenta e/ou a atividade dinâmica aumenta(m), o peso suspenso também aumenta, até que um limite seja alcançado, no qual o umbilical não é capaz de sustentar seu próprio peso suspenso.

[0064] A Figura 2 mostra um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo 30 que compreende, de modo concêntrico, um revestimento externo 32, primeira e segunda camadas de proteção de enrolamento cruzado 34, 36, e um núcleo 38 confinado pelas camadas de proteção 34, 36, e que compreende uma pluralidade de componentes do umbilical ativos alongados. O umbilical 30 é caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção 34, 36 compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas 40.

[0065] O núcleo 38 do umbilical 32 compreende vários componentes do umbilical, conforme descrito anteriormente no presente documento e, opcionalmente, em que um número é o mesmo que os descritos em relação ao umbilical 10 mostrado na Figura 1.

[0066] De modo similar, o revestimento externo 32 compreende um polímero, que pode ser o mesmo ou diferente do revestimento externo 26 mostrado para o primeiro umbilical 10 na Figura 1.

[0067] A Figura 3 mostra uma tira polimérica reforçada 42 para uso em um umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo tal como o umbilical 30 mostrado na Figura 2, em que a tira polimérica 42 é reforçada por um ou mais filamentos 46 de um ou mais fios orgânicos de alta resistência 44. A Figura 3 mostra a tira polimérica 42 sendo reforçada por 11 filamentos 46, sendo que cada filamento 46 é formado de aproximadamente 50 fios orgânicos de alta resistência 44.

[0068] Os fios compreendem fibras tais como as descritas no presente documento. Um exemplo, em particular, de uma fibra adequada é a fibra de aramida. O número e tamanho das fibras de aramida e fios dentro de uma tira polimérica reforçada irão variar dependendo da resistência à tensão exigida da tira. Esses podem estar na faixa de 660 tex a 4.000 tex de fios a base de fibra. Isso daria a uma tira polimérica reforçada uma faixa tex de fibra de 600 tex a 24.000 tex.

[0069] A tira polimérica reforçada 42 pode ser formada pelo fornecimento dos fios exigidos a um carretel de enrolamento, sendo que as extremidades do mesmo são, então, individualmente alimentadas através de dispositivos de tensionamento, e para o interior de um molde de encerramento cerâmico que ordena os fios em uma linha horizontal igualmente espaçada. Os fios são, então, alimentados paralelamente através de uma extrusora de cabeça cruzada e o polímero é, então, extrudado sob pressão sobre os fios, os ligando a uma tira retangular fina.

[0070] Ao colocar os filamentos/fios em uma tira polimérica, não há mais contato adicional com outros filamentos, e, dessa forma, remove-se o risco de degradação por desgaste tanto durante a vida útil do umbilical quanto no manuseio durante a fabricação. Isso evita o desgaste dos filamentos devido ao contato entre os mesmos.

[0071] Essa disposição também fornece uma quantidade de filamentos em uma única 'peça'(na forma da tira), de tal modo que significativamente menos 'peças' são necessárias para formar uma camada de proteção anular em torno do núcleo de um umbilical em comparação com o grande número de cabos de aço como mostrado na Figura 1. Em particular, há possivelmente pelo menos uma redução de três vezes, cinco vezes ou até dez vezes no número de 'peças'exigido, na Figura 2, para formar cada camada de proteção 34, 36, em comparação ao número de cabos de aço 22, 24 mostrados na Figura 1. Isso fornece uma vantagem de fabricação clara devido à remoção da necessidade de usar máquinas de trançar grandes que tem a exigência de diversas múltiplas linhas de alimentação individuais para formar as camadas de proteção 22, 24 na Figura 1. Em vez disso, apenas algumas linhas de alimentação são necessárias para fornecer os componentes a serem enrolados em torno do núcleo de um umbilical da presente invenção. As tiras poliméricas reforçadas 40, 42, por também serem flexíveis, podem ainda ser desenroladas de tambores e enroladas em torno de um feixe cilíndrico sem exigir máquinas potentes muito maiores ou complexas para as camadas de proteção 22, 24 mostradas na Figura 1.

[0072] Entretanto, o fornecimento das duas camadas de proteção de enrolamento cruzado 34, 36 mostradas na Figura 2 também fornece ainda uma disposição torque- balanceada das camadas de proteção, que não corre o risco de desenrolar, e uma construção muito estável.

[0073] A Figura 2 mostra uma primeira camada de proteção 34 que compreende 12 tiras poliméricas reforçadas 40, sendo que cada tira polimérica reforçada 40 compreende sete filamentos 48 em uma configuração ou arranjo paralelo. A Figura 2 mostra a segunda camada de proteção 36, que compreende o mesmo número de tiras poliméricas reforçadas 40, que tem o mesmo número de filamentos de reforço 48.

[0074] Conforme mencionado acima, a presente invenção é particularmente adequada para a formação de um umbilical IWOCS, visto que a presente invenção pode fornecer um umbilical com uma baixa rigidez à flexão e bastante resiliente às cargas dinâmicas de flexão por tensão (o problema da fadiga), enquanto de fácil fabricação, sem a necessidade do uso de máquinas caras.

[0075] Opcionalmente, as duas camadas de proteção 34, 36 mostradas na Figura 2 são enroladas de modo contra-helicoidal em torno do núcleo 38 a um ângulo pequeno e, opcionalmente, com uma ou mais fitas de retenção colocadas entre as camadas de proteção 34, 36 de modo a auxiliar sua aderência durante o uso.

[0076] Várias modificações e variações das modalidades descritas da invenção serão evidentes para a pessoa versada na técnica sem que as mesmas afastem-se do escopo da invenção, conforme definida no presente documento. Apesar de a invenção ter sido descrita em relação a modalidades preferidas específicas, deve-se compreender que a invenção, conforme definida no presente documento, não deve ser limitada, de modo desnecessário, a tais modalidades específicas.

Claims

1. Umbilical para produção de hidrocarboneto marítimo (30) que compreende de modo concêntrico: um revestimento externo (32), pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado (34, 36), e um núcleo (38) confinado pelas camadas de proteção, e que compreende uma pluralidade de componentes de umbilical ativos alongados, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas (40, 42), que formam um espaço anular completo em torno do núcleo como uma camada de proteção.

2. Umbilical (30), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tem uma rigidez à flexão abaixo de 1200 Nm.

3. Umbilical (30), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as tiras poliméricas (40, 42) são reforçadas por um ou mais filamentos (46, 48) de um ou mais fios orgânicos de alta resistência (44) que têm um módulo de tensão > 70 GPa.

4. Umbilical (30), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os fios orgânicos de alta resistência (44) compreendem fibras que compreendem um ou mais do grupo que compreende: fibra de poliamida aromática (aramida), fibra de poliéster aromático, fibra de cristal líquido, fibra de polietileno de alto desempenho, e fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO), ou uma combinação dos mesmos.

5. Umbilical (30), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as fibras orgânicas de alta resistência compreendem fibra de polímero heterocíclico aromático (PBO).

6. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que cada tira polimérica reforçada (40, 42) compreende pelo menos dois filamentos (46, 48), opcionalmente pelo menos 4 a 20 filamentos, e preferencialmente na faixa de 4 a 12 filamentos.

7. Umbilical (30), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que cada tira polimérica reforçada (40, 42) compreende 6, 7, 8, 9 ou 10 filamentos.

8. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção (32, 34) compreende entre 5 a 25 tiras poliméricas reforçadas (40, 42), opcionalmente entre 8 a 20 ou entre 9 a 18 tiras poliméricas reforçadas.

9. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que as tiras poliméricas reforçadas (40, 42) têm uma espessura na faixa de 1 mm a 5 mm, e uma largura na faixa de 10 mm a 50 mm.

10. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que as tiras poliméricas reforçadas (40, 42) têm uma capacidade de carga de tensão na faixa de 1300 N a 20000 N.

11. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que as tiras poliméricas reforçadas (40, 42) são enroladas em um padrão helicoidal.

12. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que é um termoplástico, híbrido, HFL, IWOCS ou cabo de alimentação, preferencialmente um umbilical IWOCS.

13. Umbilical (30), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de ser para uso a uma profundidade maior que 2000 m.

14. Umbilical de sistema de controle de instalação e manutenção (IWOCS), que compreende de modo consecutivo: um revestimento externo, pelo menos duas camadas de proteção de enrolamento cruzado, e um núcleo confinado pelas camadas de proteção, e que compreende uma pluralidade de componentes de umbilical ativos alongados, caracterizado pelo fato de que cada camada de proteção compreende uma pluralidade de tiras poliméricas reforçadas conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 13 na forma de um espaço anular completo em torno do núcleo.

15. Método de fabricação de um umbilical marítimo (30) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos as etapas de: (i) fornecer um núcleo (38) que compreende uma pluralidade de componentes de umbilical ativos alongados; (ii) enrolar pelo menos duas camadas de proteção (34, 36) conforme definidas em qualquer uma das reivindicações 1 a 13 em torno do núcleo para formar um espaço anular completo em torno do núcleo; e (iii) fornecer um sobre-revestimento (32).