BR112016029331B1 - THERMALLY REGULATED TUBULAR STRENGTHENER - Google Patents
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Abstract
ENRIJECEDOR TUBULAR REGULADO TERMICAMENTE. A invenção refere-se a um enrijecedor tubular (16) produzido a partir de um material polímero e destinado a ser instalado em torno de uma porção de conduto flexível (10) de transporte de hidrocarbonetos para limitar a curvatura da referida porção de conduto flexível. O referido conduto flexível (10) fornece energia térmica ao referido enrijecedor tubular (16) quando o referido conduto flexível transporta hidrocarbonetos quentes, o referido enrijecedor tubular (16) sendo apto a dissipar a energia térmica fornecida pelo referido conduto flexível (10). O referido material polímero é carregado com nanopartículas para poder dissipar a energia térmica.THERMALLY REGULATED TUBULAR STRENGTHENER. The invention relates to a tubular stiffener (16) produced from a polymer material and intended to be installed around a hydrocarbon transport flexible conduit portion (10) to limit the curvature of said flexible conduit portion. Said flexible conduit (10) supplies thermal energy to said tubular stiffener (16) when said flexible conduit carries hot hydrocarbons, said tubular stiffener (16) being able to dissipate the thermal energy supplied by said flexible conduit (10). Said polymer material is loaded with nanoparticles in order to dissipate thermal energy.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a um enrijecedor de material polimérico destinado a ser instalado em torno de um conduto flexível de transporte dos hidrocarbonetos para poder limitar a curvatura.[0001] The present invention relates to a stiffener of polymeric material intended to be installed around a flexible conduit for the transport of hydrocarbons in order to limit the curvature.
[0002] Um domínio de aplicação visado é notadamente, mas não exclusivamente, o do transporte de hidrocarbonetos quentes em ambiente marinho, por exemplo, a uma temperatura superior a 80°C. Trata-se, por exemplo, da subida de um hidrocarboneto, de uma cabeça de poço submarina em direção de um conjunto de superfície flutuante de exploração de petróleo, como uma plataforma semissubmersível ou FPSO “Floating Production Storage and Offloading”. Outro domínio de aplicação visado é o da injeção de água quente e/ou de gás no interior do poço submarino a fim de melhorar a recuperação do petróleo bruto que ele contém.[0002] A target application area is notably, but not exclusively, the transport of hot hydrocarbons in a marine environment, for example, at a temperature above 80°C. It is, for example, the rise of a hydrocarbon, from a subsea wellhead towards a floating surface set for oil exploration, such as a semi-submersible platform or FPSO “Floating Production Storage and Offloading”. Another targeted application domain is the injection of hot water and/or gas inside the subsea well in order to improve the recovery of the crude oil it contains.
[0003] Os condutos flexíveis aqui visados compreendem uma ou várias camadas geralmente metálicas de resistência ao esmagamento, uma ou várias camadas de polímero para isolar o hidrocarboneto com relação ao ambiente exterior, fios de armadura geralmente metálicos enrolados em hélice sob a forma de capas cruzadas assegurando a resistência à tração, e uma camada de proteção exterior de polímero. Estes condutos são descritos notadamente por normas API 17J e API RP 17B, publicadas pelo American Petroleum Institute.[0003] The flexible conduits envisaged herein comprise one or more layers, generally metallic, of crush resistance, one or more layers of polymer to isolate the hydrocarbon from the external environment, armor wires, generally metallic, wound in a helix in the form of crossed layers ensuring tensile strength, and a protective outer layer of polymer. These pipelines are notably described by API 17J and API RP 17B standards, published by the American Petroleum Institute.
[0004] Tais condutos podem ser danificados quando eles flexionam sob a ação da agitação do ambiente marinho ou quando de sua instalação e seu raio de curvatura se torna muito baixo.[0004] Such conduits can be damaged when they flex under the action of the agitation of the marine environment or when they are installed and their radius of curvature becomes too low.
[0005] A fim de remediar este risco, o conduto flexível é equipado com um limitador de curvatura, ou “bending limiter” em inglês, conforme as exigências do Anexo B de API 17J. O limitador de curvatura é um tipo de equipamento geral englobando igualmente bem equipamentos específicos, como os redutores de curvatura, ou “bending restrictors” em inglês, também chamados “vértebras”, e os enrijecedores de curvatura, ou “bending stiffeners” em inglês.[0005] In order to remedy this risk, the flexible conduit is equipped with a bending limiter, or “bending limiter” in English, as required by Annex B of API 17J. The bend limiter is a type of general equipment that also encompasses specific equipment, such as bending reducers or “bending restrictors” in English, also called “vertebrae”, and bending stiffeners in English.
[0006] Preferivelmente, o conduto flexível é equipado com um enrijecedor tubular de curvatura, por exemplo, mas não exclusivamente, do tipo dos divulgados nos pedidos internacionais WO 98/23845, WO 2013/113316.[0006] Preferably, the flexible conduit is equipped with a tubular bending stiffener, for example, but not exclusively, of the type disclosed in international applications WO 98/23845, WO 2013/113316.
[0007] Os redutores de curvatura apresentam-se sob a forma de uma pluralidade de elementos ou “vértebras”, geralmente de poliuretano, montados entre si, para produzir um limitador de curvatura apto a proteger o conduto flexível em torno do qual ele é montado. Este tipo de limitador de curvatura é geralmente utilizado para aplicações estáticas. Ele é conectado a nível das ponteiras de extremidade do conduto flexível situadas igualmente bem sob a superfície do mar ou no ar a nível do conjunto de superfície flutuante de exploração de petróleo.[0007] Curvature reducers come in the form of a plurality of elements or “vertebrae”, generally of polyurethane, assembled together to produce a curvature limiter able to protect the flexible conduit around which it is mounted. . This type of bend limiter is generally used for static applications. It is connected at the level of flexible conduit end ferrules situated equally well below the sea surface or in the air at the level of the oil exploration floating surface assembly.
[0008] O limitador de curvatura do tipo enrijecedor de curvatura apresenta um corpo tubular elástico obtido por moldagem de poliuretano, destinado a possibilitar um raio de curvatura mínimo aceitável, ou “MBR”, acrônimo da expressão em inglês Minimum Bending Radius, à porção de conduto flexível susceptível de sofrer a flexão que pode danificar o mesmo. Esta porção corresponde, por exemplo, à extremidade do conduto equipado com uma ponteira de conexão assegurando a ligação entre o conduto e o referido conjunto de superfície flutuante de exploração de petróleo flutuante. De acordo com uma variante, a porção equipada com o enrijecedor tubular está situada sob o mar a nível de uma conexão intermediária entre duas extremidades de conduto flexível. E, de acordo com outra variante, é a porção situada em parte baixa do conduto flexível, a nível de uma estrutura submarina de conexão e de exploração de fluido, que se equipa com um enrijecedor tubular. Preferivelmente, a porção situada em parte baixa do conduto flexível é equipada com um redutor de curvatura de tipo com vértebras. O limitador de curvatura do tipo redutor de curvatura apresenta um corpo tubular comportando uma pluralidade de elementos montados moldados de poliuretano e, como o enrijecedor de curvatura, destinado a autorizar um raio de curvatura mínimo aceitável.[0008] The bend stiffening type bending limiter features an elastic tubular body obtained by molding polyurethane, intended to provide a minimum acceptable bending radius, or "MBR", an acronym for the English expression Minimum Bending Radius, to the portion of flexible conduit susceptible to bending that can damage it. This portion corresponds, for example, to the end of the conduit equipped with a connection ferrule ensuring the connection between the conduit and said floating oil exploration floating surface assembly. According to a variant, the portion equipped with the tubular stiffener is located under the sea at an intermediate connection between two ends of flexible conduit. And, according to another variant, it is the portion located in the lower part of the flexible conduit, at the level of a submarine connection and fluid exploration structure, which is equipped with a tubular stiffener. Preferably, the lower portion of the flexible conduit is equipped with a vertebrae-type bend reducer. The bend-reducing type bending limiter has a tubular body comprising a plurality of assembled elements molded from polyurethane and, like the bending stiffener, intended to allow a minimum acceptable bending radius.
[0009] No entanto, revelou-se que os limitadores de curvatura de poliuretano envelheciam prematuramente por hidrólise em contato com a água de mar e sob a ação conjugada da energia térmica transmitida pelo hidrocarboneto quente e/ou pela água quente, por intermédio do conduto. Consequentemente, o limitador de curvatura nota a diminuição de sua rigidez e de suas capacidades mecânicas para resistir a fortes cargas.[0009] However, it was revealed that the polyurethane bend limiters aged prematurely by hydrolysis in contact with sea water and under the combined action of the thermal energy transmitted by the hot hydrocarbon and/or by the hot water, through the conduit. . Consequently, the bend limiter notices a decrease in its rigidity and in its mechanical capabilities to resist strong loads.
[0010] Além disso, poderia igualmente ocorrer que os limitadores de curvatura de poliuretano isolariam de modo excessivo o conduto flexível que seria, então, degradado prematuramente em contato da água de mar e sob a ação conjugada da energia térmica transmitida pelo hidrocarboneto quente, e/ou pela água quente transportada, pelo conduto flexível.[0010] Furthermore, it could also happen that the polyurethane bend limiters would excessively insulate the flexible conduit, which would then be prematurely degraded in contact with sea water and under the combined action of the thermal energy transmitted by the hot hydrocarbon, and /or by the hot water transported, by the flexible conduit.
[0011] Também, foi imaginado manejar de modo a reduzir a temperatura média do limitador de curvatura acelerando a dissipação de energia térmica acumulada. Para isto, no caso de um enrijecedor de curvatura, canais de circulação de água foram dispostos no seio do enrijecedor. Pode-se notadamente fazer referência ao documento FR 2.741.696 A-1, que descreve um enrijecedor em cuja espessura são dispostos canais axiais de circulação de água.[0011] Also, it was devised to manage in order to reduce the average temperature of the bend limiter accelerating the dissipation of accumulated thermal energy. For this, in the case of a bending stiffener, water circulation channels were arranged within the stiffener. Reference may in particular be made to document FR 2,741,696 A-1, which describes a stiffener in the thickness of which axial channels for water circulation are arranged.
[0012] No entanto, tais canais, para serem eficazes, devem se estender longitudinalmente na espessura do enrijecedor, o que pode ter tendência a fragilizar o mesmo e, assim, atenuar suas propriedades mecânicas.[0012] However, such channels, to be effective, must extend longitudinally in the thickness of the stiffener, which may tend to weaken it and thus attenuate its mechanical properties.
[0013] Também, um problema que se coloca e que a presente invenção visa resolver, consiste em fornecer um enrijecedor tubular que não somente permita dissipar a energia térmica que ele recebe do conduto flexível, mas, igualmente, que conserve suas propriedades mecânicas.[0013] Also, a problem that arises and that the present invention aims to solve, is to provide a tubular stiffener that not only allows to dissipate the thermal energy that it receives from the flexible conduit, but also preserves its mechanical properties.
[0014] Neste objetivo, e de acordo com um primeiro objeto, a presente invenção propõe um enrijecedor tubular produzido a partir de um material polimérico e destinado a ser instalado em torno de uma porção de conduto flexível de transporte de hidrocarbonetos para limitar a curvatura da referida porção de conduto flexível, o referido conduto flexível fornecendo energia térmica ao referido enrijecedor tubular quando o referido conduto flexível transporta hidrocarbonetos quentes, o referido enrijecedor tubular sendo apto para dissipar a energia térmica fornecida pelo referido conduto flexível. O referido material polimérico é carregado com nanopartículas para poder dissipar a energia térmica.[0014] In this objective, and according to a first object, the present invention proposes a tubular stiffener produced from a polymeric material and intended to be installed around a portion of flexible hydrocarbon transport conduit to limit the curvature of the said flexible conduit portion, said flexible conduit supplying thermal energy to said tubular stiffener when said flexible conduit carries hot hydrocarbons, said tubular stiffener being able to dissipate the thermal energy supplied by said flexible conduit. Said polymeric material is loaded with nanoparticles to be able to dissipate thermal energy.
[0015] Assim, uma característica da invenção reside no emprego de nanopartículas no material polimérico de modo a aumentar a condutividade térmica deste último e, portanto, favorecer a dissipação da energia térmica quando ele recebe as mesmas. Além disso, as nanopartículas são disseminadas de modo homogêneo no interior da massa do polímero, o que não prejudica de nenhum modo as propriedades mecânicas do mesmo, que então conserva as mesmas integralmente. Assim, a temperatura do enrijecedor permanece abaixo de um valor limite, que preserva o mesmo do envelhecimento e da degradação química e, em particular, da hidrólise.[0015] Thus, a feature of the invention resides in the use of nanoparticles in the polymeric material in order to increase the thermal conductivity of the latter and, therefore, favor the dissipation of thermal energy when it receives them. Furthermore, the nanoparticles are distributed homogeneously within the polymer mass, which in no way impairs the mechanical properties of the polymer, which then retains them in full. Thus, the temperature of the stiffener remains below a threshold value, which preserves it from aging and chemical degradation and, in particular, from hydrolysis.
[0016] De acordo com uma modalidade da invenção particularmente vantajosa, o referido material polimérico é um poliuretano. Assim, o enrijecedor apresenta propriedades mecânicas de elasticidade entre as quais as mais elevadas que um material sintético pode apresentar. Com efeito, o alongamento dos materiais poliuretano é de tipo elástico sobre uma grande amplitude, por exemplo, até a ruptura.[0016] According to a particularly advantageous embodiment of the invention, said polymeric material is a polyurethane. Thus, the stiffener has mechanical properties of elasticity, among which the highest that a synthetic material can have. Indeed, the elongation of polyurethane materials is of the elastic type over a large range, for example, until rupture.
[0017] Preferivelmente, as referidas nanopartículas são nanotubos, nanofitas ou nanopós. Os nanotubos apresentam estruturas cristalinas particulares, nanométricas, de forma tubular e oca, compostas por átomos dispostos regularmente. As nanofitas são, por exemplo, obtidas por uma operação de abertura ou corte dos nanotubos. Por exemplo, as nanofitas são de grafeno. As nanopartículas podem apresentar-se sob forma de um pó facilmente dispersível em material polimérico a moldar ou injetar. De acordo com uma variante de realização, as referidas nanopartículas são de nitreto de boro. Por exemplo, as nanopartículas são de nitreto de boro hexagonal. De acordo com outra variante de realização, as nanopartículas são de nitreto de alumínio. Em comparação com nanotubos de carbono, os átomos de carbono foram substituídos por átomos de nitrogênio e de boro, ou de nitrogênio e de alumínio, alternativamente. Obtém-se, então, uma melhor condução térmica e, portanto, é possível melhor dissipar a energia térmica que o enrijecedor recebe do conduto flexível. O tipo de nanopartículas dispersas no material polimérico é determinado quando da fase de concepção do enrijecedor tubular para que ele responda perfeitamente à aplicação desejada.[0017] Preferably, said nanoparticles are nanotubes, nanoribbons or nanopowders. Nanotubes have particular crystalline structures, nanometric, tubular and hollow, composed of atoms arranged regularly. Nanoribbons are, for example, obtained by opening or cutting the nanotubes. For example, nanoribbons are made of graphene. The nanoparticles can be in the form of a powder that is easily dispersible in polymeric material to be molded or injected. According to a variant embodiment, said nanoparticles are boron nitride. For example, the nanoparticles are hexagonal boron nitride. According to another embodiment, the nanoparticles are aluminum nitride. In comparison to carbon nanotubes, the carbon atoms were replaced by nitrogen and boron atoms, or nitrogen and aluminum atoms, alternatively. A better thermal conduction is then obtained and, therefore, it is possible to better dissipate the thermal energy that the stiffener receives from the flexible conduit. The type of nanoparticles dispersed in the polymeric material is determined during the design phase of the tubular stiffener so that it perfectly responds to the desired application.
[0018] Além disso, o enrijecedor tubular de acordo com a invenção apresenta duas extremidades opostas e uma parede apresentando uma espessura decrescente de uma das referidas extremidades em direção à outra das referidas extremidades. Assim, como explicado em maiores detalhes a seguir na descrição, tal característica permite fazer variar a rigidez do enrijecedor ao longo de seu eixo longitudinal entre as duas extremidades. O enrijecedor apresenta uma resistência à deformação mais elevada nas zonas onde a parede é mais espessa e, inversamente, menos elevada quando a parede é menos espessa.[0018] Furthermore, the tubular stiffener according to the invention has two opposite ends and a wall having a decreasing thickness from one of said ends towards the other of said ends. Thus, as explained in greater detail below in the description, such a feature allows the stiffness of the stiffener to be varied along its longitudinal axis between the two ends. The stiffener has a higher resistance to deformation in areas where the wall is thicker and, conversely, less high when the wall is thinner.
[0019] Além disso, a referida uma das referidas extremidades, onde a parede é a mais espessa, apresenta uma porção sensivelmente cilíndrica. Assim, os meios de fixações são mais fáceis de implementar a nível desta extremidade. Também, com vantagem, o enrijecedor tubular compreende ainda um órgão de fixação montado quer sobre a referida uma das referidas duas extremidades opostas, quer diretamente sobre a estrutura do conjunto de superfície flutuante de exploração à qual o conduto flexível é ligado. Preferivelmente, o referido órgão de fixação compreende um anel inserido no interior da referida uma das referidas duas extremidades opostas.[0019] Furthermore, said one of said ends, where the wall is the thickest, has a substantially cylindrical portion. Thus, the fastening means are easier to implement at this end. Also, advantageously, the tubular stiffener further comprises a fastening member mounted either on said one of said two opposite ends, or directly on the structure of the floating exploration surface assembly to which the flexible conduit is attached. Preferably, said fastening member comprises a ring inserted into said one of said two opposite ends.
[0020] O enrijecedor tubular é, por exemplo, moldado em uma peça única. Ele pode também ser moldado em duas partes, como divulgado no pedido internacional W098/41729.[0020] The tubular stiffener is, for example, molded in one piece. It can also be molded in two parts, as disclosed in international application W098/41729.
[0021] Com vantagem, ele é sobremoldado sobre o anel formando órgão de fixação de modo a obter uma melhor solidarização do anel e do enrijecedor tubular.[0021] Advantageously, it is overmoulded on the ring forming a fastening member in order to obtain a better solidarization of the ring and the tubular stiffener.
[0022] De acordo com outro objeto, a presente invenção refere-se a um conduto flexível de transporte de hidrocarbonetos apresentando uma porção de extremidade equipada com uma ponteira de conexão, e ela compreende, com vantagem, um enrijecedor tubular de acordo com as características acima citadas, o referido enrijecedor tubular sendo fixado à referida ponteira. De tal modo, limita-se a curvatura do conduto flexível na proximidade da ponteira de conexão que é, ela mesma, preferivelmente retida em posição fixa, enquanto que o conduto flexível é, ele mesmo, susceptível de ser arrastado em movimento. Assim, é possível limitar o risco de danificar o conduto na proximidade da ponteira de conexão.[0022] According to another object, the present invention relates to a flexible pipeline for transporting hydrocarbons having an end portion equipped with a connection tip, and it advantageously comprises a tubular stiffener according to the characteristics cited above, said tubular stiffener being attached to said ferrule. In such a way, the curvature of the flexible conduit in the vicinity of the connection ferrule is limited, which is itself preferably retained in a fixed position, whereas the flexible conduit is itself susceptible to being dragged in motion. In this way, it is possible to limit the risk of damaging the conduit in the vicinity of the connection ferrule.
[0023] Outras particularidades e vantagens da invenção irão aparecer na leitura da descrição feita a seguir de uma modalidade particular da invenção, dada a título indicativo, mas não limitativo, com referência aos desenhos em anexo, nos quais: - A Figura 1 é uma vista esquemática em corte axial de um enrijecedor tubular, de acordo com a invenção, instalado em torno de um conduto flexível; - A Figura 2 é uma vista esquemática em corte axial de um redutor de curvatura instalado em torno de um conduto flexível, de acordo com uma variante de realização da invenção; e - a Figura 3 é uma vista esquemática em perspectiva explodida de um elemento representado na Figura 2.[0023] Other particularities and advantages of the invention will appear on reading the description given below of a particular embodiment of the invention, given by way of indication, but not limitation, with reference to the attached drawings, in which: - Figure 1 is a schematic view in axial section of a tubular stiffener, according to the invention, installed around a flexible conduit; - Figure 2 is a schematic view in axial section of a bend reducer installed around a flexible conduit, according to a variant of the invention; and - Figure 3 is an exploded perspective schematic view of an element shown in Figure 2.
[0024] A Figura 1 ilustra parcialmente um conduto flexível 10 tubular apresentando uma extremidade 12 equipada com uma ponteira de conexão 14, o qual é rígida. Por exemplo, ela é feita de aço. A ponteira de conexão 14 e a extremidade 12 do conduto flexível 10 são encaixadas no interior de um enrijecedor tubular 16, de acordo com a invenção.[0024] Figure 1 partially illustrates a flexible
[0025] O conduto flexível 10 comporta camadas metálicas e camadas de material polimérico não representadas na Figura. Preferivelmente, do interior para o exterior, ele compreende, uma carcaça metálica feita de uma fita metálica presa em espiral, uma luva de estanqueidade de material polimérico, um arco de pressão feito de um fio metálico enrolado em passo curto em espiras de união, pelo menos uma camada de armadura de tração feita de uma pluralidade de fios metálicos enrolados com passo longo e uma luva de proteção de material polimérico. Assim, devido à sua construção, o conduto 10 é flexível.[0025] The
[0026] A extremidade 12 do conduto flexível 10 é apertada na ponteira de conexão 14 de modo a, por um lado, tornar a estanque a ligação entre a extremidade 12 e a ponteira de conexão e, por outro lado, poder retomar os esforços de tração notadamente por meio da camada de armadura de tração. A ponteira de conexão 14 é destinado a ser conectada à extremidade de um conduto rígido, por exemplo, a qual é mantida em posição fixa em relação à uma instalação marinha. Assim, o conduto flexível 10, estendido no ambiente marinho, é por natureza arrastado em movimento ao sabor das correntes em relação à ponteira de conexão 14. Portanto, o enrijecedor tubular 16 é destinado a limitar a curvatura do conduto flexível 10 na proximidade de sua extremidade 12.[0026] The
[0027] O enrijecedor tubular 16 apresenta uma extremidade de fixação 18, sensivelmente cilíndrica, e uma extremidade livre 20, oposta à extremidade de fixação 18. Entre as duas extremidades de fixação 18 e livre 20, o enrijecedor tubular 16 apresenta uma porção central 22 sensivelmente cónica. Também, a espessura da parede do enrijecedor tubular 16, entre uma superfície interna 24 sensivelmente cilíndrico e uma superfície externa 26 cônica, é decrescente da extremidade de fixação 18 em direção à extremidade livre 20 de modo a aumentar sua inércia mecânica. Observa-se que o diâmetro da superfície interna 24 cilíndrica da porção central 22 do enrijecedor 16 é sensivelmente igual, perto do jogo funcional, ao diâmetro externo do conduto flexível 10.[0027] The
[0028] O enrijecedor tubular 16 apresenta um comprimento compreendido, por exemplo, entre 2 m e 10 m e, mais precisamente, de acordo com uma variante de realização, de 4 m. Também, a espessura da parede varia, por exemplo, de 5 cm até 50 cm, da extremidade livre 20 até a extremidade de fixação 18.[0028] The
[0029] O enrijecedor tubular 16 é preferivelmente moldado em uma peça única em um material polimérico e, com vantagem, de poliuretano. De acordo com a invenção, o material polimérico é carregado com nanopartículas permitindo poder dissipar a energia térmica, como explicado a seguir. O poliuretano apresenta a vantagem de ter um bom comportamento em água do mar e solventes alifáticos e, ainda mais, suas propriedades mecânicas, e em particular elásticas, são notáveis.[0029] The
[0030] O poliuretano é, por exemplo, elaborado por copolimerização entre um prepolímero e uma extensor de cadeia, o prepolímero sendo, ele mesmo, obtido por reação entre di-isocianato e um glicol (ou poliol).- di-isocianato é, por exemplo, um di-isocianato de toluileno (TDI) ou um di-isocianato de difenilmetano (MDI). O glicol é, por exemplo, escolhido entre as famílias dos poliéteres ou dos poliésteres.[0030] Polyurethane is, for example, made by copolymerization between a prepolymer and a chain extender, the prepolymer itself being obtained by reaction between diisocyanate and a glycol (or polyol).- diisocyanate is, for example, a toluylene diisocyanate (TDI) or a diphenylmethane diisocyanate (MDI). The glycol is, for example, chosen from the families of polyethers or polyesters.
[0031] Também, o extensor de cadeia é uma amina, ou um álcool.[0031] Also, the chain extender is an amine, or an alcohol.
[0032] Preferivelmente, o poliuretano utilizado para a invenção é elaborado por operação de moldagem de um prepolímero obtido por copolimerização entre um diisocianato de toluileno (TDI) com um poliéster e uma amina do tipo metileno bis- ortocloroanilina (MBOCA).[0032] Preferably, the polyurethane used for the invention is made by molding a prepolymer obtained by copolymerization between a toluylene diisocyanate (TDI) with a polyester and an amine of the methylene bis-orthochloroaniline (MBOCA) type.
[0033] Este tipo de poliuretano possui uma densidade compreendida entre 1 g/cm3 e 1,30g/cm3. A dureza dos enrijecedores medida está compreendida entre 40 Shore D (ou 90 shore A) e 90 shore D, no caso de se utilizar um enrijecedor de curvatura ou um redutor de curvatura. Aditivos como plastificantes podem ser adicionados ao poliuretano caso se deseje influenciar sobre a sua dureza.[0033] This type of polyurethane has a density between 1 g/cm3 and 1.30g/cm3. The hardness of the stiffeners measured is between 40 Shore D (or 90 shore A) and 90 shore D, if a bending stiffener or bending reducer is used. Additives such as plasticizers can be added to the polyurethane if it is desired to influence its hardness.
[0034] Além disso, ele possui uma grande estabilidade térmica dado que ele é previsto para resistir em uma ampla faixa de temperaturas compreendida entre alguns graus Celsius, da ordem de 4°C e 60°C, até mesmo 80°C no máximo, durante longos períodos de cerca de vinte anos.[0034] In addition, it has great thermal stability as it is designed to withstand a wide range of temperatures between a few degrees Celsius, on the order of 4°C and 60°C, up to 80°C at most, over long periods of about twenty years.
[0035] Outros poliuretanos apresentando uma maior rigidez podem ser utilizados para a obtenção de redutores de curvatura de tipo com vértebras, ou “bending restrictor”, a fim de responder ao critério de carga que este tipo de equipamento pode ser levado a suportar.[0035] Other polyurethanes with greater rigidity can be used to obtain bending reducers of the type with vertebrae, or "bending restrictor", in order to respond to the load criterion that this type of equipment can be made to withstand.
[0036] Com efeito, os poliuretanos utilizados para a obtenção de enrijecedores tubulares apresentam, por um lado, um alongamento à ruptura geralmente superior a 300% e, por outro lado, um comportamento elástico precisamente até esta ruptura. Assim, graças a estas propriedades, a resistência em flexão do enrijecedor aumenta, indo da extremidade livre 20 em direção à extremidade de fixação 18, porque a espessura da parede do enrijecedor tubular 16 é crescente. Portanto, a curvatura do conduto flexível 10 na proximidade de sua extremidade 12 é limitada, e isto, progressivamente, à medida que se aproxima da extremidade 12.[0036] In fact, the polyurethanes used to obtain tubular stiffeners present, on the one hand, an elongation at break, generally greater than 300%, and, on the other hand, an elastic behavior precisely until this break. Thus, thanks to these properties, the flexural strength of the stiffener increases, going from the
[0037] O enrijecedor tubular 16 compreende ainda um anel de fixação 28 inserido no interior da extremidade de fixação 18. O anel de fixação 28 é conformado de modo a receber, por cooperação de forma, a ponteira 14 do conduto 10, precisamente a fim de assegurar a fixação do enrijecedor tubular 16 a nível da ponteira 14. Por outro lado, o anel de fixação 28 pode também ser conformado de modo a assegurar uma interface com um elemento estrutural exterior de proteção como um “J-tube” ou “l-tube”, ou ainda diretamente com um conjunto de superfície flutuante de exploração de petróleo. Preferivelmente, o enrijecedor tubular 16 é moldado sobre o anel de fixação 28.[0037] The
[0038] O material polimérico com o qual é moldado o enrijecedor tubular 16 é carregado com nanopartículas de modo a poder remover a energia térmica transmitida pelo fluido quente atravessando o conduto flexível 10. Com efeito, frequentemente, quando o hidrocarboneto é extraído em grandes profundidades, no fundo do mar, sua temperatura excede comumente 100°C. Portanto, o hidrocarboneto quente transmite ao conduto esta energia térmica que ele contém e, portanto, ela é transmitida por condução ao enrijecedor tubular 16.[0038] The polymeric material with which the
[0039] O emprego de um material polimérico carregado com nanopartículas permite ao enrijecedor tubular 16 remover rapidamente a energia térmica que ele recebe e, assim, evitar que ele seja levado a temperaturas elevadas. Isto permite preservar o mesmo de uma degradação precoce. Por outro lado, a melhora da condutividade térmica do enrijecedor tubular 16, acoplada ao fato de que ele é igualmente resfriado pela água do mar, assegura ao mesmo uma temperatura de estrutura sensivelmente idêntica à da água do mar. Por este fato, sua rigidez é aumentada e, portanto, a fabricação do enrijecedor tubular com dimensões reduzidas em relação aos fabricados atualmente é possível.[0039] The use of a polymeric material loaded with nanoparticles allows the
[0040] A utilização de tal material para a fabricação de conduto flexível submarino para o transporte, notadamente, mas não exclusivamente, de fluidos de hidrocarbonetos, mais particularmente para a realização de uma luva externa de estanqueidade ou uma luva de proteção de tal conduto, é completamente possível. Assim, a energia térmica liberada pelo referido fluido é rapidamente removida em direção ao(s) enrijecedor(es) tubular(es) equipando as extremidades do conduto flexível ou diretamente em direção ao ambiente marinho circundante para os segmentos de conduto não equipados com o enrijecedor tubular. Assim, a luva externa de estanqueidade do conduto atua, então, como um trocador térmico com o meio circundante. Alternativamente, isto permite re-aquecer rapidamente, ou em uma curta extensão, um fluido mais frio que o ambiente exterior e que está contido no conduto flexível.[0040] The use of such material for the manufacture of flexible submarine conduit for the transport, notably, but not exclusively, of hydrocarbon fluids, more particularly for the realization of an external watertight sleeve or a sleeve to protect such conduit, it's completely possible. Thus, the thermal energy released by said fluid is quickly removed towards the tubular stiffener(s) equipping the ends of the flexible conduit or directly towards the surrounding marine environment for the conduit segments not equipped with the stiffener. tubular. Thus, the external sealing sleeve of the conduit then acts as a heat exchanger with the surrounding medium. Alternatively, this allows to reheat quickly, or to a short extent, a fluid that is colder than the outside environment and which is contained in the flexible conduit.
[0041] De acordo com uma primeira variante de realização, as nanopartículas empregadas são nanotubos de nitreto de boro. Elas apresentam a vantagem de ter uma resistência muito boa ao calor. E, ainda mais, elas permitem favorecer a dissipação de energia térmica.[0041] According to a first embodiment variant, the nanoparticles employed are boron nitride nanotubes. They have the advantage of having very good heat resistance. And, even more, they allow to favor the dissipation of thermal energy.
[0042] A realização do material de acordo com a presente invenção compreende uma operação de mistura das nanopartículas com um dos dois compostos empregados na reação de copolimerização do poliuretano como descrito acima, a saber, quer o prepolímero, quer o extensor de cadeia. Misturando-se as nanopartículas a montante da etapa de reação dos dois compostos juntos, isto permite obter uma distribuição mais homogênea das nanopartículas. A percentagem de nanopartículas introduzidas em um dos dois compostos é determinada em função das propriedades de condução térmica, e/ou das propriedades mecânicas, desejadas, bem como da temperatura da água do mar e do fluido de hidrocarboneto circulando no seio do conduto flexível 10.[0042] The realization of the material according to the present invention comprises an operation of mixing the nanoparticles with one of the two compounds used in the polyurethane copolymerization reaction as described above, namely, either the prepolymer or the chain extender. By mixing the nanoparticles upstream of the reaction step of the two compounds together, this allows to obtain a more homogeneous distribution of the nanoparticles. The percentage of nanoparticles introduced into one of the two compounds is determined as a function of the desired thermal conduction properties and/or mechanical properties, as well as the temperature of the seawater and the hydrocarbon fluid circulating within the
[0043] Com efeito, em grande profundidade, a temperatura da água do mar é da ordem de alguns graus Celsius o que permite ao enrijecedor tubular 16 remover mais energia térmica. Ao contrário, quando o enrijecedor tubular 16 está localizado perto da superfície, onde a temperatura da água do mar é mais elevada, ou no ar, seria mais difícil remover o excesso de energia térmica. Assim, o enrijecedor tubular 16 situado em grandes profundidades não necessitará da introdução de uma percentagem elevada de nanopartículas em seu corpo de poliuretano, enquanto que um enrijecedor tubular situado próximo da superfície ou no ar terá um corpo de poliuretano compreendendo uma percentagem mais elevada de nanopartículas.[0043] Indeed, at great depths, the temperature of the sea water is on the order of a few degrees Celsius, which allows the
[0044] Para obter um poliuretano suficientemente condutor termicamente e respondendo às propriedades buscadas, introduz-se preferivelmente entre 1% e 10% de nanopartículas e, notadamente, introduz-se uma percentagem inferior 5%.[0044] To obtain a polyurethane that is sufficiently thermally conductive and responds to the properties sought, preferably between 1% and 10% of nanoparticles are introduced and, notably, a percentage lower than 5% is introduced.
[0045] De acordo com outra variante de realização da invenção, são empregados nanotubos de nitreto de alumínio, nanotubos de nitreto de boro hexagonal ou ainda nanotubos de carbono ou ainda nanofitas de grafeno. As partículas produzidas com nitreto de alumínio apresentam a vantagem de ter uma condutividade térmica equivalente a 285 W/m.K. Por outro lado, as partículas de nitreto de boro hexagonal apresentam uma condutividade térmica compreendida entre 1700 e 2000 W/m.K.[0045] According to another embodiment of the invention, aluminum nitride nanotubes, hexagonal boron nitride nanotubes or even carbon nanotubes or graphene nanoribbons are used. The particles produced with aluminum nitride have the advantage of having a thermal conductivity equivalent to 285 W/m.K. On the other hand, hexagonal boron nitride particles have a thermal conductivity between 1700 and 2000 W/m.K.
[0046] Também, de modo não limitativo, tais nanopartículas podem ser dispersas no seio de outros tipos de materiais poliméricos, como polipropileno, nylon ou ainda borrachas naturais ou siliconadas para a produção de todo ou parte dos elementos que comporta um enrijecedor de curvatura, ou “bending stiffener”.[0046] Also, in a non-limiting way, such nanoparticles can be dispersed within other types of polymeric materials, such as polypropylene, nylon or even natural or silicone rubbers for the production of all or part of the elements that comprise a curvature stiffener, or “bending stiffener”.
[0047] Como evidente, as modalidades descritas previamente são dadas apenas a título de exemplo não limitativo. Outras variantes podem ser previstas sem, no entanto, sair do quadro da invenção.[0047] Of course, the previously described embodiments are given by way of non-limiting example only. Other variants can be envisaged without, however, departing from the scope of the invention.
[0048] Além disso, tal material pode também servir para a fabricação de um redutor de curvatura, ou “bending restrictor” e, mais particularmente, a fabricação da pluralidade de elementos que compõe o mesmo, como descrito abaixo.[0048] In addition, such material can also serve for the manufacture of a bending reducer, or "bending restrictor" and, more particularly, the manufacture of the plurality of elements that compose the same, as described below.
[0049] De acordo com uma variante de realização da invenção, ilustrada na Figura 2, o conduto flexível submarino 10 é equipado com um redutor de curvatura 30 ou “bending restrictor” particular. A invenção não pode ser limitada a esta única configuração de redutor de curvatura descrita maiores detalhes abaixo.[0049] According to an embodiment variant of the invention, illustrated in Figure 2, the
[0050] O redutor de curvatura 30 é conectado a um conjunto de superfície flutuante por intermédio de um elemento terminal 31 de conexão geralmente de metal, ligado à ponteira de extremidade 14 do conduto 10.[0050]
[0051] O redutor de curvatura apresenta um comprimento compreendido, por exemplo, entre 2 m e 10 m.[0051] The bend reducer has a length comprised, for example, between 2 m and 10 m.
[0052] De acordo com uma variante (não representada), o redutor de curvatura é inserido e retido em posição em um “l-tube” ou um “J-tube”.[0052] According to a variant (not shown), the bend reducer is inserted and retained in position on an “l-tube” or a “J-tube”.
[0053] O redutor de curvatura 30 comporta uma pluralidade de elementos 32 conectados entre si a nível de suas extremidades.[0053] The
[0054] Como ilustrado na Figura 3, cada elemento 32 apresenta-se sob a forma de dois semi-envoltórios32a; 32b concêntricos em relação a um eixo longitudinal A- A' e retidos solidariamente entre eles por meios de fixação apropriados (não representados), por exemplo por fixação por cavilhas. Além disso, cada semi- envoltório compreende uma primeira extremidade 33 e uma segunda extremidade 34 aptas a cooperar juntas. Mais precisamente, as formas das primeira e segunda extremidades 33; 34 são complementares e cooperam juntas com jogo. Também, a espessura da parede dos elementos 32 varia, por exemplo entre 2 cm e 30 cm.[0054] As illustrated in Figure 3, each
[0055] Quando da fase de instalação do conduto flexível submarino 10, a pluralidade de elementos 32 é disposta em torno da luva externa de estanqueidade do conduto 10 de tal modo que a primeira extremidade 33 de um elemento 32 seja conectada à segunda extremidade 34 de outro elemento 32. Um espaço livre assim é criado entre a superfície interna da pluralidade de elementos 32 e a superfície externa da luva externa de estanqueidade.[0055] During the installation phase of the
[0056] Repete-se esta operação de modo cada vez mais próximo, para cada adição de elemento 32 até a obtenção do número desejado. O número de elementos 32 é escolhido em função de seu comprimento, de modo que uma vez dispostos em torno do conduto 10, eles limitam seu raio de curvatura a um valor mínimo aceitável ou “MBR” determinado. Mais particularmente, é conveniente limitar a curvatura do conduto 10 a nível da zona situada na proximidade da ponteira de extremidade 14. Quando o conduto 10 é submetido à esforços de flexão, as primeiras extremidades 33 estão em batente contra as segundas extremidades 34 limitando, assim, a deformação curva do conduto.[0056] This operation is repeated more and more closely, for each addition of
[0057] Os elementos 32 do redutor de curvatura 30 são fabricados por moldagem.[0057] The
[0058] O material utilizado para a fabricação destes elementos pode ser quer um metal, quer um polímero. A escolha do material depende dos esforços de carga que devem ser retomados pelos elementos 32. Por exemplo, os elementos 32 os mais próximos da ponteira de extremidade 14 do conduto 10 são geralmente os mais solicitados mecanicamente. Além disso, de acordo com a configuração do campo de produção de hidrocarbonetos, a porção de conduto próxima da ponteira 14 pode estar parcialmente ou totalmente imersa na água do mar. Portanto, no espaço livre entre a luva externa de estanqueidade e os elementos 32, a água do mar reaquecida pela energia térmica liberada pelo fluido quente transportado pode ficar.[0058] The material used to manufacture these elements can be either a metal or a polymer. The choice of material depends on the load forces that must be taken up by the
[0059] Preferivelmente, os elementos 32 são produzidos por moldagem a partir de um material termoendurecível, como um poliuretano. Com vantagem, escolhe-se o mesmo poliuretano que o utilizado para a produção do enrijecedor de curvatura, de acordo com a invenção. Outros poliuretanos apresentando maior rigidez podem ser utilizados a fim de responder ao critério de carga que um redutor de curvatura é levado a suportar.[0059] Preferably, the
[0060] De acordo com a invenção, o material polimérico é carregado com nanopartículas, o que permite uma remoção rápida da energia térmica, como explicado acima. Além disso, o poliuretano apresenta a vantagem de ter um bom comportamento na água do mar e aos solventes alifáticos e, ainda mais, suas propriedades mecânicas são notáveis.[0060] According to the invention, the polymeric material is loaded with nanoparticles, which allows a rapid removal of thermal energy, as explained above. Furthermore, polyurethane has the advantage of having a good behavior in sea water and aliphatic solvents and, even more, its mechanical properties are remarkable.
[0061] Assim, os semi-envoltórios 33; 34 formando os elementos 32 do redutor de curvatura 30 possuem uma melhor condutividade térmica e são, então, capazes de remover, na água do mar circundante ou no ar, a energia térmica transmitida pelo fluido circulando no conduto flexível 10 e armazenada pela água do mar em presença no referido espaço livre.[0061] So the half-
[0062] Deste modo, as propriedades mecânicas dos elementos 32 de poliuretano carregado com nanopartículas são melhoradas e não correm o risco de serem atenuadas, ou mesmo degradadas por envelhecimento térmico acelerado.[0062] In this way, the mechanical properties of the
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