BR112016018006B1

BR112016018006B1 - Método para formar um elemento de vedação a partir de hastes termoplásticas extrudadas

Info

Publication number: BR112016018006B1
Application number: BR112016018006-2A
Authority: BR
Inventors: Eric Barrabino
Original assignee: Single Buoy Moorings Inc
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2021-06-22
Also published as: US20160346990A1; EP3102385A1; KR20160117490A; WO2015118104A1; CN105980130B; KR102296414B1; EP3102385B1; US10081128B2; CN105980130A

Abstract

método para formar um elemento de vedação a partir de hastes termoplásticas extrudadas. trata-se de um método para formar um elemento de vedação a partir de hastes termoplásticas extrudadas (1) que compreende as etapas de usinar uma ou mais hastes termoplásticas extrudadas, sendo que cada uma tem uma primeira e uma segunda extremidades (5,6 ), em um formato desejado; flexionar as uma ou mais hastes termoplásticas usinadas em uma estrutura circular em temperatura ambiente enquanto mantém a tensão nas uma ou mais hastes termoplásticas abaixo do limite de escoamento; unir a primeira e a segunda faces de extremidade (2, 3) das hastes termoplásticas para formar o elemento de vedação. a invenção também se refere a um método para substituir e consertar um elemento de vedação de uma junta articulada.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um método para formar um elemento de vedação a partir de hastes termoplásticas extrudadas. A invenção também se refere a um método para substituir e consertar um elemento de vedação de uma junta articulada.

FUNDAMENTOS

[0002] A fim de acomodar os rigores de aplicações no equipamento em grande escala, o fornecimento de soluções de vedação em grande escala confiáveis e duráveis se tornou de grande importância em várias indústrias. Por exemplo, na indústria offshore, a perfuração em águas ainda mais profundas traz, com a mesma, inúmeros desafios técnicos, relacionados tanto a equipamento quanto operações, especificamente para sistemas de vedação de alto desempenho. Os sistemas de vedação devem ter a capacidade de acomodar as grandes dimensões do equipamento offshore, combinados com pressão, força e/ou temperaturas do ambiente de águas profundas. Para as aplicações em águas profundas, os sistemas de vedação na indústria offshore devem ter capacidade de suportar pressões altas, por exemplo, pressões que somam 50 MPa (500 bar). O diâmetro das vedações pode variar entre, por exemplo, 20 cm e diversos m.

[0003] A escala de guinada do equipamento muitas vezes exige sistemas de vedação que permitam a manutenção in-situ, com apenas a desmontagem parcial. As soluções de vedação sob medida são necessárias para suavizar tais exigências.

[0004] Um método de formação de vedações termoplásticas com grande diâmetro é, por exemplo, descrito no documento US2010/0116422 A1. O documento US2010/0116422 A1 revela as etapas de aquecer uma haste extrudada, flexionar a haste extrudada aquecida, unir as extremidades da haste extrudada para formar um anel semiacabado, e recozer o anel semiacabado. O anel semiacabado pode ser usinado ou adicionalmente processado para formar um anel de vedação, anel de segurança ou outro dispositivo de vedação. Em um exemplo, a junção das extremidades da haste extrudada inclui soldar as extremidades da haste extrudada ao derreter as extremidades e pressionar as extremidades juntas. Em particular, o aquecimento da haste extrudadas inclui aquecer as hastes até uma temperatura maior que a temperatura de transição do vidro. Para a maioria dos materiais termoplásticos, essa temperatura é maior que 120 °C e exige que um sistema de aquecimento dedicado seja instalado e ajustado para o tamanho da haste extrudadas. Além disso, o anel semiacabado que resulta do aquecimento, flexão e junção das extremidades da haste extrudada, precisa de usinagem adicional a fim de obter uma vedação acabada. Esse método pode ser considerado um tanto complicado e não permite a formação in-situ de um elemento de vedação, que é considerado desejado em muitos sistemas de vedação usados na indústria offshore.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0005] É um objetivo da presente invenção, fornecer um método aprimorado para formar vedações termoplásticas o qual reduz as desvantagens e limitações dos métodos, conhecidos a partir da técnica anterior.

[0006] Assim, o método para formar um elemento de vedação a partir de hastes termoplásticas extrudadas é caracterizado pelo fato de que as uma ou mais hastes termoplásticas usinadas são flexionadas para uma estrutura anular na temperatura ambiente enquanto mantêm a tensão nas uma ou mais hastes termoplásticas abaixo do limite de escoamento e a primeira e a segunda faces de extremidade das hastes termoplásticas flexionadas são unidas para formar o elemento de vedação anular fechado.

[0007] Os inventores observaram que o método de acordo com a invenção é simples de configurar e não exige o uso de equipamento complexo, pesado e/ou caro. O método permite adicionalmente a formação de elementos de vedação com as propriedades mecânicas estáveis desejadas e um equilíbrio de pressão de material homogêneo consequente. As hastes termoplásticas das quais os elementos de vedação são formados podem ser obtidas por meio de extrusão em praticamente qualquer comprimento tecnicamente viável. O elemento de vedação obtido pode ser unido a partir de uma única haste termoplástica ou uma pluralidade de hastes termoplásticas e qualquer diâmetro tecnicamente viável é possível, sem ter que alterar substancialmente a configuração básica para aplicar o método de acordo com a invenção. Como resultado, o método de acordo com a invenção elimina a fabricação sob medida de vedações uma vez que o estoque de segurança de hastes termoplásticas deveria estar disponível e pode ser formado em elementos de vedação de qualquer tamanho desejado a qualquer momento. Uma vez que os elementos de vedação podem ser formados in situ a partir de hastes termoplásticas usinadas, o transporte é muito simplificado, em comparação com o transporte de elementos de vedação volumosos, que são formados ex-situ e exigem empacotamento e transporte dedicados, o que é uma desvantagem clara, especialmente na indústria offshore. Um estoque de segurança de estoques termoplásticos no local também encurta consideravelmente o tempo necessário para substituir um elemento de vedação e reduz o tempo de inativação do equipamento em que o elemento de vedação é usado.

[0008] As hastes termoplásticas podem ser extrudadas com o uso de qualquer processo de extrusão, considerado adequado pela pessoa versada. Para a usinagem subsequente das hastes termoplásticas no formato desejado, muitos processos de usinagem são conhecidos na técnica. Alguns dos mais comuns são: usinagem - usada para remover grandes volumes de termoplástico com exatidão e precisão relativamente altas e torneamento - frequentemente usado para fabricar formatos arredondados. A pessoa versada irá selecionar o processo ou os processos adequados para obter o formato desejado.

[0009] As hastes termoplásticas usinadas são flexionadas para uma estrutura anular em temperatura ambiente enquanto mantêm a tensão nas uma ou mais hastes termoplásticas abaixo do limite de escoamento. O limite de escoamento das hastes termoplásticas é definido como a tensão devido à flexão da haste na qual a haste termoplástica começa a se deformar plasticamente. Antes do limite de escoamento a haste irá se deformar elasticamente e irá retornar para seu formato original quando a tensão aplicada for removida. Uma vez que o limite de escoamento for passado, algum atrito da deformação será permanente e não reversível. O limite de escoamento está, em outras palavras, no ponto na curva de tensão-esforço na qual a curva desnivela e a deformação plástica começa a ocorrer. Com o termo temperatura “ambiente” conforme usado no presente documento, significa que as temperaturas da haste que correspondem substancialmente às hastes que circundam o ambiente, essas temperaturas variam tipicamente de 10 °C a 40 °C, mais especificamente de 15 °C a 25 °C.

[0010] O material termoplástico das hastes pode, por exemplo, incluir um polímero, como uma policetona, poliaramida, uma poli-imida termoplástica, uma polieterimida, um sulfeto de polifenileno, uma polietersulfona, uma polisulfona, uma polifenileno sulfona, uma poliamidaimida, polietileno de peso molecular ultraalto, um fluoropolímero termoplástico, uma poliamida, um polibenzimidazol, um polímero de cristal líquido ou qualquer combinação dos mesmos. Em um exemplo, o material termoplástico inclui uma policetona, uma poliaramida, uma poliimida, uma polieterimida, uma poliamidaimida, um sulfeto de polifenileno, uma polifenileno sulfona, um fluoropolímero, um polibenzimidazol, uma derivação dos mesmos, ou uma combinação dos mesmos. Em um exemplo específico, o material termoplástico inclui um polímero, como uma policetona, uma poli-imida termoplástica, uma polieterimida, um sulfeto de polifenileno, uma poliéter sulfona, uma polisulfona, uma poliamidaimida, um derivado dos mesmos, ou uma combinação dos mesmos. Em um exemplo adicional, o material termoplástico inclui policetona, como poliéter éter cetona (PEEK), poliéter cetona, poliéter cetona, poliéter cetona éter cetona, um derivado dos mesmos, ou uma combinação dos mesmos. Um fluoropolímero termoplástico exemplificativo inclui etileno propileno fluorinado (FEP), politetrafluoroetileno (PTFE), fluoreto de polivinilideno (PVDF), perfluoroalcoxi (PFA), um terpolímero de tetrafluoroetileno, hexafluoropropileno e fluoreto de vinilideno (THV), policloro trifluoroetileno (PCTFE), copolímero de etileno tetrafluoroetileno (ETFE), copolímero de etileno clorotrifluoroetileno (ECTFE), ou qualquer combinação dos mesmos. Um polímero de cristal líquido exemplificativo inclui polímeros de poliéster aromáticos, como aqueles disponíveis sob os nomes comerciais XYDAR(R) (Amoco), VECTRA(R) (Hoechst Celanese), SUMIKOSUPER(TM) ou EKONOL(TM) (Sumitomo Chemical), DuPont HX(TM) ou DuPont ZENITE(TM) (E.I. DuPont de Nemours), RODRUN(TM) (Unitika), GRANLAR(TM) (Grandmont), ou qualquer combinação dos mesmos. Em um exemplo adicional, o polímero termoplástico pode ser polietileno de peso molecular ultraalto.

[0011] O material termoplástico das hastes pode incluir também uma carga, como um lubrificante sólido, uma carga cerâmica ou mineral, uma carga polimérica, uma carga de fibra, uma carga de particulado de metal ou sais ou qualquer combinação dos mesmos. Um lubrificante sólido exemplificativo inclui politetrafluoroetileno, dissulfeto de molibdênio, dissulfeto de tungstênio, grafite, grafeno, grafite expandido, nitreto de boro, talco, fluoreto de cálcio, fluoreto de cério ou qualquer combinação dos mesmos. Uma cerâmica ou mineral exemplificativo inclui alumina, sílica, dióxido de titânio, fluoreto de cálcio, nitreto de boro, mica, Wollastonita, carbeto de silício, nitreto de silício, zircônia, negro de fumo, pigmentos ou qualquer combinação dos mesmos. Uma carga polimérica exemplificativa inclui poliimida, polímeros de cristal líquido como poliéster Ekonol(R), polibenzimidazol, politetrafluoroetileno, qualquer um dos polímeros termoplásticos listados acima, ou qualquer combinação dos mesmos. Uma fibra exemplificativa inclui fibras de náilon, fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de poliacrilonitrila, fibras de poliaramida, fibras de politetrafluoroetileno, fibras de basalto, fibras de grafite, fibras de cerâmica ou qualquer combinação dos mesmos. Os metais exemplificativos incluem bronze, cobre, aço inoxidável ou qualquer combinação dos mesmos. Um sal exemplificativo inclui um sulfato, um sulfeto, um fosfato, ou qualquer combinação dos mesmos.

[0012] As hastes podem ser, por exemplo, formadas de um material de compósito extrudado. Por exemplo, o material de compósito pode ser formado de uma matriz de material termoplástico e uma carga. Em um exemplo específico, a carga é um lubrificante sólido. Em outro exemplo, a carga inclui um fluoropolímero. Em um exemplo adicional, a carga inclui uma combinação de lubrificante sólido e fluoropolímero. Em uma modalidade, o material de compósito inclui uma matriz de policetona, como PEEK, e inclui uma carga de lubrificante sólido. Em outra modalidade exemplificativa, o material de compósito inclui uma matriz de policetona, como PEEK, e inclui uma carga de carbono que pode ser selecionada a partir de grafite, negro de fumo, fibra de carbono ou qualquer combinação dos mesmos.

[0013] A primeira e a segunda faces de extremidade das hastes termoplásticas flexionadas são unidas para formar o elemento de vedação anular fechado com o uso de qualquer conjunto de procedimentos conhecido na técnica como soldagem ou aquecimento por infravermelho. Um método para soldar estruturas em formato de haste produzidas a partir de um material termoplástico é conhecido a partir do documento WO 99/37467 que é incorporado ao presente documento a título de referência.

[0014] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o método é caracterizado pelo fato de que a temperatura ambiente é pelo menos 10 °C.

[0015] Ao contrário dos métodos conhecidos, nos quais as hastes são flexionadas enquanto aquecidas acima da temperatura de transição do vidro, como 100 °C, no método de acordo com a invenção as hastes não são colocadas em uma superfície de formação aquecida, mas são flexionadas em seu formato curvo enquanto livremente sustentadas na temperatura ambiente.

[0016] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o método é caracterizado pelo fato de que o diâmetro do elemento de vedação é pelo menos 1 m e uma largura de seção transversal é pelo menos 4 mm.

[0017] O formato em seção transversal do elemento de vedação pode ser qualquer geometria e tamanho contanto que a dimensão radial da seção transversal permite permanecer no regime elástico durante a flexão.

[0018] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o método é caracterizado pelo fato de que as uma ou mais hastes termoplásticas extrudadas são usinadas através de fresagem, por exemplo, fresagem de uma etapa ou de múltiplas etapas.

[0019] A interconexão das hastes pré-usinadas permite a soldagem de um elemento de vedação de produto final acabado para o qual nenhuma usinagem extra é necessária exceto o lixamento das rebarbas de ligação.

[0020] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o método é caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda faces de extremidade são unidas através de soldagem.

[0021] A primeira e a segunda faces de extremidade podem, por exemplo, ser unidas através de aquecimento infravermelho.

[0022] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material termoplástico compreende flúor.

[0023] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o material termoplástico compreende PEEK.

[0024] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o elemento de vedação tem uma seção transversal uniforme.

[0025] Isso permite a montagem sucessiva de um grande número de hastes, para fabricar componentes de qualquer diâmetro desejado. Para os elementos de vedação com diâmetro menor, as dimensões mínimas são determinadas pelo limite elástico do material usado e das dimensões de seção transversal.

[0026] O elemento de vedação pode ser o anel de vedação para uma junta articulada de alta pressão ou um anel de segurança para uma junta articulada de alta pressão.

[0027] A invenção também se refere a um método para substituir ou consertar um elemento de vedação de uma junta articulada, dotado de uma parede anular interna e uma externa, que define uma câmara anular entre as mesmas, sendo que pelo menos um elemento de vedação anular está localizado entre as paredes interna e externa em uma ranhura de junta articulada, cujo elemento de vedação compreende uma estrutura anular de um material termoplástico, que compreende as etapas de deslocar a parede anular interna ou a externa em uma direção axial em relação a sua parede adjacente, remover o elemento de vedação não funcional da ranhura de junta articulada ao abrir a estrutura anular do elemento de vedação, e substituir o elemento de vedação não funcional por um elemento de vedação funcional, caracterizado pelo fato de que o elemento de vedação funcional é formado de acordo com o método da invenção descrito acima.

[0028] De acordo com uma modalidade da presente invenção, o método para substituir ou consertar um elemento de vedação de uma junta articulada é caracterizado pelo fato de que as hastes termoplásticas usinadas são flexionadas na ranhura de junta articulada, opcionalmente cortadas no comprimento e subsequentemente a primeira e a segunda faces de extremidade das hastes termoplásticas flexionadas são unidas para formar o elemento de vedação anular fechado.

[0029] As modalidades vantajosas são adicionalmente definidas pelas reivindicações dependentes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0030] A presente invenção será descrita em detalhes com referência aos desenhos anexos. Os desenhos descritos são apenas esquemáticos e não limitantes. Nos desenhos, o tamanho de alguns dos elementos pode ser exagerado e não desenhado em escala para fins ilustrativos. Nos desenhos:

[0031] A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva de uma haste termoplástica extrudada usinada com seção transversal com formato em U,

[0032] A Figura 2 mostra uma vista em seção transversal da haste da Figura 1,

[0033] A Figura 3 mostra o processo de soldagem de formar um elemento de vedação anular ao flexionar a haste da Figura 1, e unir as faces de extremidade,

[0034] A Figura 4 mostra um processo de soldagem ao flexionar uma haste da Figura 1 ao redor de uma parede cilíndrica,

[0035] A Figura 5 mostra uma junta articulada com paredes anulares interna e externa axialmente deslocadas, e

[0036] A Figura 6 mostra esquematicamente um método de formação de uma vedação anular a partir de um número de hastes alongadas.

[0037] A Figura 1 mostra uma haste alongada 1 de um comprimento L entre 20 cm e 20 m, produzidas a partir de um material termoplástico como, por exemplo, PEEK. A haste 1 foi extrudada e usinada para ter uma seção transversal com formato em u, mostrada na Figura 2. A largura de seção transversal W pode variar de 4 mm a 100 mm. A haste 1 tem faces de extremidade planas 2, 3 que são orientadas substancialmente perpendiculares aos lados longitudinais 4 da haste.

[0038] Conforme mostrado na Figura 3, a haste 1 é formada em um elemento de vedação anular ao prender as extremidades 5, 6 em membros de fixação 7, 8 de um dispositivo de posicionamento 9. O dispositivo de posicionamento 9 tem dois braços 12, 13 com partes telescópicas 14, 15. Quando a haste 1 estiver em sua posição reta horizontal, os braços 12, 13 são pivotados ao redor de uma dobradiça central 17 para se estender substancialmente em direções diametricamente opostas, conforme mostrado pelas linhas pontilhadas. Os membros de fixação 7, 8 se engatam de modo preso nas partes de extremidade 18, 19 da haste 1, enquanto as partes telescópicas dos braços 12, 13 estão em sua posição estendida. Então, os braços 12, 13 são, então, girados ao redor da dobradiça central 17 até que as faces de extremidade 2, 3 são pressionadas juntas. Um elemento de aquecimento anular 20, por exemplo, do tipo que é descrito no documento WO 99/37467 - que é incorporado ao presente documento a título de referência - é confinado ao redor das faces de extremidade contíguas 2, 3 que são aquecidas de uma maneira uniforme enquanto os braços mantêm uma pressão nas faces de extremidade que é menor que 0,5 Nmm-2 em temperaturas entre 300 °C e 400 °C. O comprimento mínimo da haste 1 em sua orientação reta é determinado pelo material e pelas dimensões de seção transversal W.

[0039] O elemento de aquecimento 20 tem formato anular e é compreendido de duas partes que são conectadas de maneira articulada e que pode ser destacado para se encaixar ao redor do contorno confinado da haste circular, e para circundar a área de solda para aplicação de calor uniforme.

[0040] A Figura 4 mostra uma modalidade na qual a haste 32 é flexionada contra a superfície externa de um elemento-guia cilíndrico 33, que pode ser formada pelo anel central de uma junta articulada de alta pressão em uma embarcação offshore. O dispositivo de soldagem 25 compreende membros de fixação 26, 27 que podem ser apertados juntos por meio do atuador 28 situado no perímetro externo da haste 32 quando o mesmo está em sua configuração anular.

[0041] A Figura 5 mostra uma junta articulada de alta pressão 40 com parede anular interna 41 e parede anular externa 42, que foi deslocada na direção axial por meio de cilindros hidráulicos 43, 44. Nos estados operativos da junta articulada, as paredes 41, 42 definem uma câmara toroidal 45 que é vedada pelas vedações anulares 46, 47 situadas em ranhuras 48, 49. Os Hidrocarbonetos são fornecidos para a câmara 45 por meio de risers que se estendem a partir do poço submarinho até a tubulação 50, 52 que se estende através da parte central da junta articulada 40 e conectados às paredes internas 41 da junta articulada. A junta articulada pode ser parte de uma pilha de diversas partes de paredes anulares. Por meio da tubulação 51 que é conectada à parede externa 42, os hidrocarbonetos são fornecidos ao equipamento de processamento na embarcação.

[0042] Quando, por exemplo, a vedação 47 se tornar defeituosa, as paredes 41, 42 são axialmente movidas afastando-se por meio de cilindros 43, 44. Então, a vedação 47 pode ser cortada e removida da junta articulada, além da tubulação 50 se estendendo no espaço central da junta articulada. Uma nova haste termoplástica reta pode ser flexionada ao redor da parede interna 41 e as faces de extremidade podem ser unidas por meio de soldagem pela soldagem na maneira descrita acima, em que após a parede externa 42 ser abaixada e/ou a parede interna 41 ser suspensa, de modo que as câmaras 45 sejam formadas de uma maneira à prova de fluido.

[0043] A Figura 6 mostra esquematicamente que uma batelada 55 de hastes retas relativamente curtas 56, 57 pode ser interconectada para formar a vedação anular 58 constituída de diversas hastes ligeiramente curvas. O elemento de vedação 58 pode ser formado in situ offshore e as juntas das hastes 56, 57 podem ser usinadas para remover o material em excesso a partir das áreas de junta, logo antes da mudança da vedação da junta articulada.

Claims

1. Método para formar um elemento de vedação (46, 47, 58) a partir de hastes termoplásticas extrudadas, que compreende as etapas de: - usinar uma ou mais hastes termoplásticas extrudadas (1, 56, 57), cada uma tendo uma primeira e uma segunda extremidades com uma primeira e uma segunda faces de extremidade (2, 3), respectivamente, em um formato desejado; caracterizado pelo fato de que o método compreende adicionalmente as etapas de - flexionar as uma ou mais hastes termoplásticas usinadas (1, 56, 57) em uma estrutura anular em temperatura ambiente enquanto mantém a tensão nas uma ou mais hastes termoplásticas abaixo do limite de escoamento; e - unir a primeira e a segunda faces de extremidade (2, 3) da pelo menos uma haste termoplástica flexionada (1) para formar o elemento de vedação anular fechado (46, 47, 58).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura ambiente é pelo menos 10 °C.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro do elemento de vedação (46, 47, 58) é de pelo menos 1 m e uma largura de seção transversal (W) é de pelo menos 4 mm.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as uma ou mais hastes termoplásticas extrudadas (1, 56, 57) são usinadas por meio de fresagem de uma etapa ou de múltiplas etapas.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda faces de extremidade (2, 3) são unidas por meio de soldagem.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda faces de extremidade (2, 3) são unidas por meio de aquecimento por infravermelho ou aquecimento de forno aquecido.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico compreende flúor.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o material termoplástico compreende PEEK ou materiais relacionados.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de vedação (46, 47, 58) tem uma seção transversal uniforme.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de vedação (46, 47, 58) forma o anel de vedação para uma junta articulada de alta pressão (40).

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de vedação forma um anel de segurança para uma junta articulada de alta pressão (40).