BR112017009724B1

BR112017009724B1 - Camada de isolamento térmico para duto tubular flexível submarino

Info

Publication number: BR112017009724B1
Application number: BR112017009724-9A
Authority: BR
Inventors: Anh-Tuan Do
Original assignee: Technip N-Power
Priority date: 2014-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2022-02-08
Also published as: EP3224393A1; FR3028913B1; BR112017009724A2; EP3224393B1; WO2016083727A1; DK3224393T3; FR3028913A1

Abstract

camada de isolamento térmico para duto tubular flexível submarino. a invenção refere-se a um duto tubular flexível submarino destinado aos transportes de fluidos de hidrocarbonetos compreendendo uma camada de isolamento térmico. a camada de isolamento térmico (8) é uma tira (80) formada por tecelagem triaxial de, pelo menos, duas mantas de fios de urdume (81) e de, pelo menos, uma carreira de fios de trama (82) para ligar as, pelo menos, duas mantas de fios de urdume (81). a pelo menos uma carreira de fios de trama é apta para solidarizar as, pelo menos, duas mantas de fios de urdume (81). além disso, os fios de trama (82) compreendem uma seção oca a fim de assegurar o isolamento térmico do duto tubular flexível.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um duto tubular flexível submarino destinado ao transporte de fluidos de hidrocarbonetos em águas profundas, ou mesmo muito profundas, apresentando um isolamento térmico melhorado. Mais precisamente, o isolamento térmico do duto submarino é formado a partir de uma tira específica.

[0002] Conhece-se, há muitos anos, o fato de isolar termicamente as instalações submarinas e, mais particularmente, os dutos submarinos, como os dutos rígidos metálicos, os cabos umbilicais, ou ainda os dutos flexíveis, como dutos de subida (ou "risers" em Inglês) e dutos repousando sobre o fundo do mar (ou "flowlines" em inglês).

[0003] Os dutos tubulares flexíveis submarinos compreendem, geralmente, uma estrutura complexa obtida pela combinação de várias camadas poliméricas e metálicas capazes de se mover entre elas, quando um esforço de flexão é aplicado sobre estes dutos. As camadas poliméricas são principalmente camadas de proteção ou de contenção, enquanto que as camadas metálicas são camadas de reforço. Tais dutos são definidos por documentos de normas API 17J «Specification for Unbonded Flexible Pipe” e API RP 17B « Recommended Practice for Flexible Pipe” publicados pelo American Petroleum Institute (API).

[0004] Dependendo da natureza do campo de petróleo explorado, os fluidos de hidrocarbonetos transportados pelo duto flexível podem apresentar uma temperatura elevada ou, ao contrário, uma temperatura baixa.

[0005] No primeiro caso, isto pode conduzir à degradação dos materiais poliméricos que formam os dutos e/ou à corrosão das camadas metálicas de reforço.

[0006] Inversamente, se a temperatura for muito baixa, isto pode conduzir a um aumento da viscosidade dos fluidos de hidrocarbonetos transportados, na sequência, à formação de precipitados de parafina tendendo a reduzir o diâmetro da passagem de escoamento de fluidos e levando ao entupimento do duto.

[0007] Este fenômeno é ainda mais rápido quando o duto flexível foi despressurizado, durante uma interrupção de produção, tendo em vista efetuar uma operação de manutenção.

[0008] Assim, o controle da temperatura dos fluidos de hidrocarbonetos circulando no núcleo do duto flexível é ainda mais importante quando a sua integridade está em jogo.

[0009] No caso de dutos flexíveis submarinos, na maior parte do tempo eles são utilizados para a produção de hidrocarbonetos que se encontram em profundidades particularmente profundas.

[0010] Nestas profundidades extremas, da ordem de 3000 a 3500 metros, a pressão hidrostática aplicada sobre as camadas externas de sua estrutura é muito elevada.

[0011] A pressão de escoamento de fluidos de hidrocarbonetos circulando em seu núcleo também produz esforços circunferenciais relativamente elevados, podendo conduzir à ruptura da camada polimérica de contenção ou luva de pressão.

[0012] O conjunto destes esforços aplicados ao duto flexível não é desprezível e parece ser essencial levar em conta os mesmos nos parâmetros de projeto do duto flexível submarino.

[0013] Durante muitos anos, a utilização de uma camada ou tira produzida a partir de uma espuma sintática ou ainda um aerogel tendo por finalidade isolar termicamente os dutos flexíveis submarinos se ampliou.

[0014] As espumas atualmente utilizadas são ou espumas fabricadas por extrusão de materiais termoplásticos contendo agentes intumescentes, ou espumas sintáticas fabricadas por extrusão de materiais termoplásticos carregados com microesferas de vidro.

[0015] No entanto, cada uma dessas espumas possui propriedades de condutividade térmica e de resistência mecânica em compressão diferentes e, dependendo das propriedades finais buscadas, é necessário alcançar um meio- termo.

[0016] As espumas termoplásticas extrudadas contendo agentes intumescentes têm um coeficiente de isolamento térmico elevado, da ordem de 0,03 W/m.K a 0,06 W/m.K, mas sua resistência à compressão não é boa, e isso limita sua utilização em algumas centenas de metros de profundidade.

[0017] Inversamente, as espumas sintáticas extrudadas contendo microsferas de vidro possuem uma resistência à compressão melhorada permitindo sua utilização até em profundidades da ordem de 3000 metros, mas seu coeficiente de isolamento térmico é muito menor, uma vez que é igual a cerca de 0,15 W/m.K para baixas profundidas da água, aumentando consideravelmente para grandes profundidades de água.

[0018] Como consequência, parece que a utilização de espumas para isolamento térmico de dutos flexíveis submarinos destinados a aplicações em mar muito profundo não permite, atualmente, formar uma camada de isolamento apresentando uma baixa condutividade térmica, bem como um bom desempenho mecânico em compressão.

[0019] Como explicado acima, é necessário, portanto, alcançar um meio-termo entre isolamento térmico e desempenho mecânico.

[0020] Mais recentemente, soluções alternativas de isolamento térmico para os dutos flexíveis submarinos foram divulgadas.

[0021] Por exemplo, o pedido de patente internacional WO 2013/044920 divulga um duto flexível submarino comportando uma tira de isolamento térmico, compreendendo um material suporte no qual é disposta uma pluralidade de orifícios podendo ser preenchidos com um fluido líquido, gasoso ou ainda um corpo sólido. O material suporte apresenta propriedades mecânicas particulares, permitindo ao mesmo resistir aos esforços mecânicas e, mais precisamente, aos esforços de compressão sofridos pelo duto flexível. Quanto aos orifícios dispostos no material suporte, estes podem ser longitudinais passantes ou não e eles são previstos para assegurar o isolamento térmico do duto.

[0022] No entanto, a fabricação de tal tira é particularmente complexa e de produção onerosa.

[0023] Além disso, a patente europeia EP 2 045 499 divulga uma mangueira flexível compreendendo uma camada isolante composta por uma camada de malha feita a partir de filamentos tecidos comportando uma pluralidade de alvéolos entre os filamentos e imersos entre duas luvas poliméricas extrudadas. Os alvéolos formam vazios que podem conter ar, mas, preferivelmente, os vazios contêm um material aerogel. A estrutura sanduíche desta camada isolante permite que a mangueira flexível resista aos esforços radiais de compressão e os vazios entre os filamentos asseguram à mesma um bom isolamento térmico.

[0024] No entanto, um dos inconvenientes dos materiais com estruturas sanduíches é seu comportamento anisotrópico, tornando sua utilização em mar muito profundo pouco apropriada por causa da pressão hidrostática elevada sendo aplicada em múltiplas direções.

[0025] De acordo com outro aspecto, é igualmente conhecido utilizar fibras sintéticas ocas para aplicações de isolamento térmico de uso cotidiano, por exemplo na fabricação de produtos têxteis ou ainda na fabricação de produtos de cama e colchões.

[0026] As fibras ocas são concebidas para aprisionar ar e, assim, desempenhar o papel de isolante térmico. No entanto, para estas aplicações, não se buscam boas propriedades de resistência mecânica à compressão.

[0027] Nota-se que a fabricação de uma camada isolante termicamente tendo boas propriedades de isolamento térmico e resistência mecânica à compressão não é tão fácil.

[0028] Assim, a presente invenção tem, portanto, por objetivo remediar a totalidade ou parte dos inconvenientes acima mencionados.

[0029] Como tal, a invenção refere-se a um duto tubular flexível submarino para o transporte de fluidos de hidrocarbonetos compreendendo: - uma luva de pressão; - pelo menos uma manta de armações; e, - pelo menos uma camada de isolamento térmico obtida por tecelagem triaxial de, pelo menos, duas mantas de fios de urdume e, pelo menos, uma carreira de fios de trama para ligar as, pelo menos, duas mantas de fios de urdume, a, pelo menos, uma carreira de fios de trama sendo apta para solidarizar as, pelo menos, duas mantas de fios de urdume, caracterizado pelo fato de que os fios de trama da camada de isolamento térmico compreendem uma seção oca.

[0030] A manta de armações estende-se em torno da luva de pressão, enquanto que a camada de isolamento térmico se estende, ela mesma, em torno da manta de armações. A tecelagem triaxial, ou de múltiplas camadas, consiste em cruzar ortogonalmente os fios de urdume em manta com os fios de trama. Os fios de urdume atravessam então as espessuras dos fios de trama sobrepostos, parcialmente sobre camadas adjacentes ou seguindo toda a espessura, a fim de realizar um tecido com entrelaçamento. Ainda, os fios de urdume ou de trama são preferivelmente formados a partir de mechas de fibra.

[0031] Em outras palavras, o objeto da invenção é um duto tubular flexível submarino para o transporte de fluidos de hidrocarbonetos compreendendo: uma luva de pressão; pelo menos uma manta de armações situada em torno da luva de pressão; e,

[0032] pelo menos uma camada de isolamento térmico formada por tecelagem de fios, a referida camada de isolamento térmico apresentando fios de trama e fios de urdume sensivelmente ortogonais aos fios de trama, os fios sendo produzidos à base de fibras; e os fios de trama compreendem fibras ocas.

[0033] Preferivelmente, a referida camada de isolamento térmico é obtida por tecelagem triaxial de, pelo menos, duas mantas de fios de urdume e de, pelo menos, uma carreira de fios de trama.

[0034] Assim, uma característica de acordo com a invenção permite produzir um duto tubular flexível compreendendo uma camada que possui excelentes propriedades mecânicas gerais, tanto na direção axial e/ou transversal, como na direção radial. Ademais, quaisquer que sejam os esforços radiais de compressão que são aplicados, sua condutividade térmica permanece relativamente baixa.

[0035] A camada de isolamento térmico do duto tubular flexível de acordo com a invenção pode compreender uma ou mais das seguintes características, consideradas isoladamente ou em qualquer combinação tecnicamente possível: - os fios de urdume da camada de isolamento térmico compreendem uma seção oca, - os fios de urdume e os fios de trama da camada de isolamento térmico compreendem uma seção oca de múltiplas paredes, - a resistência à tração da camada de isolamento térmico, medida a 23°C, é pelo menos igual a 150 daN, acordo com a norma ASTM D638, - a resistência à compressão da camada de isolamento térmico, medida a 23°C e 60°C, é pelo menos igual a 20 MPa, acordo com a norma DIN EN 826, - a condutividade térmica da camada de isolamento térmico, medida a 60°C de acordo com as normas DIN EN ISO 8497 e EN 12667, está compreendida entre 0,01 W/m.K e 0,15 W/m.K, preferivelmente entre 0,01 W/m.K e 0,10 W/m.K e com vantagem entre 0,01 W/m.K e 0,05 W/m.K, - os fios de urdume e/ou os fios de trama da camada de isolamento térmico são escolhidos entre fibras orgânicas ou inorgânicas, - as fibras orgânicas são selecionadas dentre as fibras naturais vegetais, tais como, por exemplo, as fibras de algodão, cânhamo, linho, sisal, juta, kenaf, coco, bambu, rami, urtiga, palmeiras, bananeiras ou as fibras sintéticas orgânicas, como, por exemplo, as fibras de poliamidas, poliésteres, polietileno, polipropileno, acrílicas, aramidas, - as fibras inorgânicas são selecionadas dentre as fibras sintéticas inorgânicas, tais como, por exemplo, as fibras de vidro, as fibras de basalto e as fibras cerâmicas, - a camada de isolamento térmico é impregnada com um material aerogel; - pelo menos uma tira intermediária é aplicada sobre pelo menos uma das faces da, pelo menos, uma camada de isolamento térmico, sendo ligada com a mesma, - pelo menos uma tira intermediária compreende uma disposição de um ou vários filmes finos sobrepostos uns em cima dos outros, - o filme fino é um filme polimérico, - o filme fino é metalizado, - a pelo menos uma tira intermediária é ligada à camada de isolamento térmico por soldagem por ultrassons, por colagem ou termocolagem.

[0036] A invenção será melhor compreendida à luz da seguinte descrição, com referência aos desenhos anexos, em que: - A Figura 1 é uma vista em corte do duto tubular flexível de acordo com a invenção; - A Figura 2 é uma vista esquemática parcial da camada de isolamento da invenção; - As Figuras 3a a 3e ilustram diferentes geometrias da seção de um filamento de acordo com a invenção, vistas em seção reta perpendicular à sua direção longitudinal; - As Figuras 4a e 4b ilustram diferentes geometrias de seção oca de múltiplas paredes de um filamento de acordo com a invenção, visto em seção reta perpendicular à sua direção longitudinal; e - A Figura 5 é uma vista em corte do duto tubular flexível de acordo com outra modalidade da invenção.

[0037] Na descrição seguinte, os termos «interno», «interior» e «interiormente» designam qualquer elemento o mais próximo radialmente de um eixo longitudinal Δ- Δ' e, inversamente, os termos «externo», «exterior» e « exteriormente” designam qualquer elemento o mais afastado radialmente do eixo longitudinal Δ-Δ’.

[0038] Um duto tubular flexível 1 submarino de acordo com a invenção é representado esquematicamente na Figura 1.

[0039] O duto 1 é destinado ao transporte de um fluido de petróleo a partir do reservatório situado no fundo do mar até a superfície ou ele está ligado a uma instalação de produção offshore fixa ou flutuante, ou para a transferência de fluidos de injeção, controle ou de gás da instalação de produção em superfície em direção ao reservatório submarino. Este tipo de dutos submarinos é chamado duto de subida (ou risers em inglês).

[0040] A distância separando o fundo do mar da superfície está, por exemplo, compreendida entre 200 metros e 4000 metros.

[0041] O duto 1 também pode ser destinado para a transferência de fluidos de petróleo entre duas unidades flutuantes, por exemplo, entre duas unidades de produção, armazenamento e descarga do tipo FPSO (Floating Production, Storage % Offloading) ou entre uma plataforma de petróleo ou uma FPSO e boia de descarregamento de. Os dutos utilizados nestes casos são linhas de exportação (ou "export lines" em inglês).

[0042] De acordo com ainda outra utilização, o duto 1 pode também ser um duto flexível repousando sobre o fundo do mar e destinado ao transporte de fluidos de produção ou de injeção, entre uma estrutura submarina e outra estrutura submarina ou um equipamento de produção. Este tipo de duto é denominado de "flowline" em inglês.

[0043] O duto tubular flexível da Figura 11 comporta uma estrutura complexa, formada por uma combinação de várias camadas, principalmente metálicas e poliméricas, dispostas umas em cima das outras.

[0044] O duto 1 é do tipo não ligado («unbonded” em inglês), isto é, que cada camadas de sua estrutura pode se mover axialmente em relação às camadas adjacentes ao longo do eixo Δ-Δ, quando o duto 1 é submetido a esforços exteriores de flexão.

[0045] Uma primeira luva de polímero extrudada sobre um mandril, igualmente chamado luva de pressão 2 ou luva interna de estanqueidade é a camada a mais interna do duto tubular flexível 1.

[0046] A luva de pressão 2 delimita uma passagem de escoamento 10 destinada a confinar o transporte de fluidos de hidrocarbonetos.

[0047] O material polimérico utilizado para a formação da luva de pressão 2 é selecionado entre as famílias de polímeros, como as poliolefinas, as poliamidas ou ainda os polímeros fluorados, como PVDF (polifluoreto de vinilideno).

[0048] Acima desta primeira luva de polímero 3 está disposta uma primeira camada de reforço, chamado abóbada de pressão. A abóbada de pressão comporta uma ou mais mantas de armações resistentes à pressão. As armações destas mantas se apresentam sob a forma de fios metálicos perfilados, grampeados entre as mesmas e enrolados helicoidalmente com passo curto, tipicamente ao longo de um ângulo de hélice de valor absoluto compreendido entre 70° e 90° em relação ao eixo Δ-Δ’. A característica segundo a qual o valor absoluto do ângulo da hélice é próximo de 90° confere à manta de armações uma grande resistência à pressão.

[0049] Os fios metálicos perfilados apresentam, por exemplo, uma geometria em Z, em T, em U, em K, etc.

[0050] Esta primeira manta de armações 3 é destinada a retomar os esforços radiais gerados pela circulação no núcleo da passagem de escoamento 10, do fluido de hidrocarbonetos sob pressão e, assim, evitar a ruptura da luva interna de estanqueidade 2.

[0051] Pelo menos um par de mantas de armações 6 formado por uma pluralidade de fios metálicos planos é enrolado com passo longo, sobre a abóboda de pressão 3, tipicamente ao longo de um ângulo de hélice de valor absoluto compreendido dentre 20° e 60° com relação ao eixo Δ-Δ’.

[0052] De acordo com uma variante, o pelo menos um par de mantas de armações 6 é obtido por enrolamento com passo longo em torno do eixo Δ-Δ’ de uma pluralidade de fios compósitos ou fitas planos reforçados com fibras longitudinais de carbono, como divulgado no pedido de patente internacional WO 1999049259.

[0053] O pelo menos um par de mantas de armações 6 é destinado a retomar as tensões do estresse longitudinal, bem como compensar os esforços de torção gerados pela pressão interna.

[0054] Em torno do, pelo menos, um par de mantas de armações 6, realiza-se a extrusão de uma segunda luva de polímero, igualmente chamada luva externa de estanqueidade 7 em torno das camadas metálicas de reforço 3; 6. O material polímero utilizado para a formação da luva externa de estanqueidade 7 é selecionado dentre as mesmas famílias como as dadas acima para a luva de pressão 2.

[0055] O volume situado entre a luva de pressão 2 e a luva externa de estanqueidade 7 define um espaço anular. Este espaço anular compreende as camadas metálicas de reforço 3; 6.

[0056] Por fim, é disposta, em torno da luva externa de estanqueidade 7, uma camada de isolamento 8 térmico, objeto da presente invenção, e que será descrita em detalhes na sequência do pedido.

[0057] Como evidente, outras camadas intermediárias, formadas a partir de um material polimérico ou a partir de um material metálico, podem ser intercaladas entre as camadas previamente descritas.

[0058] Por exemplo, dependendo do tipo de aplicação que deve ser atendida pelo duto 1, uma camada adicional 4 de reforço apresentando um enrolamento de passo curto, tipicamente ao longo de um ângulo de hélice de valor absoluto compreendido entre 75° e 90° com relação ao eixo Δ-Δ, fios metálicos planos ou cintas podem ser intercalados entre a abóbada de pressão 3 e o par de mantas de armações 6 de resistência à tração. A camada adicional 4 tem por função reforçar a abóbada de pressão 3, ao retomar uma parte dos esforços radiais internos.

[0059] Um segundo par de mantas de armações de resistência à tração pode ser igualmente enrolada sobre o primeiro par de mantas de armações 6.

[0060] Ademais, uma luva polimérica intermediária 5 também pode ser extrudada em torno da camada adicional de reforço 4, a fim de evitar a destruição da luva de pressão 2, no caso de danos à luva externa de estanqueidade 7.

[0061] Também, uma luva de proteção 9 pode ser extrudada sobre a camada de isolamento térmico 8 para evitar que esta seja danificada quando da instalação do duto tubular flexível 1 ou então em serviço.

[0062] Os materiais polímeros utilizados para obter as camadas 4 e 9 são, por exemplo, selecionados dentre as mesmas famílias como as dadas acima para a luva de pressão 2.

[0063] Além disso, o duto 1 pode compreender outras luvas poliméricos ou tiras poliméricas intercaladas entre uma ou várias das camadas previamente descritas. O duto 1 pode, notadamente, comportar uma barreira intermediária de estanqueidade, ou de neutralização dos gases corrosivos de tipo H2S e CO2. Ele também pode comportar uma ou várias camadas constituídas de enrolamento de tiras poliméricas, por exemplo, uma camada anti-desgaste intercalada entre duas camadas de reforço.

[0064] De acordo com uma variante de modalidade da invenção, o duto tubular flexível compreende, pelo menos, uma camada de isolamento térmico 8 formada sob a forma de um envoltório (ou de uma tira) extrudada (ou enrolada) entre a camada 4 de cintas e o pelo menos um par de mantas de armações 6 de resistência à tração e/ou entre o primeiro par de mantas de armações 6 de resistência à tração e o segundo par de mantas de armações de resistência à tração.

[0065] No conjunto, a camada de isolamento térmico 8 pode ser disposta entre, sem importância, quaisquer camadas do duto 1. Deste modo, a capacidade de isolamento térmico do duto tubular flexível 1 é otimizada conforme as necessidades procuradas.

[0066] Mas, com vantagem, é preferível dispor a mesma o mais próximo do eixo Δ-Δ’ do duto tubular flexível 1, na proximidade da luva de pressão 2. Por exemplo, a camada de isolamento térmico 8 é disposta entre a abóbada de pressão 3 e o, pelo menos, um par de mantas de armação 6. Com efeito, isto reduz os fenômenos de transferência de calor pelos efeitos de convecção, condução ou ainda por radiação.

[0067] Portanto, mantém-se, em uma temperatura adequada, o fluido de hidrocarbonetos circulando na passagem de escoamento 10. Assim, impede-se a formação de hidratos e evita-se a deterioração dos materiais polímeros formando as camadas de proteção e de confinamento do duto tubular flexível 1.

[0068] A pelo menos uma camada de isolamento térmico 8, que comporta a estrutura do duto tubular flexível 1 submarina é ilustrada na Figura 2.

[0069] A camada de isolamento 8 é formada sob a forma de uma tira 80, compreendendo uma montagem de filamentos dispostos de modo particular.

[0070] Os filamentos são fibras contínuas de grandes comprimentos apresentando, geralmente, uma seção sensivelmente circular.

[0071] Também, é perfeitamente possível utilizar filamentos apresentando geometrias de seção diferentes e variadas do tipo mostrado das representadas na Figura 3. Por exemplo, as seções de filamentos podem ser de geometria triangular (Figura 3b), elíptica (Figura 3c), múltiplos lóbulos (Figura 3d) ou ainda em forma de cruz (figura 3e).

[0072] O comprimento dos filamentos é, por exemplo, compreendido entre 100 metros e 5000 metros.

[0073] O diâmetro D dos filamentos está, por exemplo, compreendido entre 7 micrômetros e 50 micrômetros ao longo da seção do filamento.

[0074] Na Figura 2, pode-se distinguir várias fibras se estendendo no sentido longitudinal da tira 80, montadas e dispostas sob a forma de, pelo menos, uma manta. A montagem da pluralidade das fibras longitudinais forma o que é conhecido como fios de urdume 81.

[0075] Outras fibras longas ou fios de trama 82 são entrecruzadas no sentido transverso entre a, pelo menos, uma manta de fios de urdume 81 de modo a assegurar a coesão entre todos os fios 81; 82. Portanto, obtém-se uma tira 80, cuja estrutura geral possui uma boa retenção.

[0076] Os fios de urdume 81 e os fios de trama 82 utilizados para a realização da tira 80 são escolhidos entre duas grandes famílias de fibras, isto é, as fibras orgânicas e/ou as fibras inorgânicas.

[0077] As fibras orgânicas são selecionadas dentre fibras naturais vegetais, como, por exemplo, fibras de algodão, cânhamo, linho, juta, sisal, kenaf, coco, bambu, rami, urtiga, palmeiras, bananeiras ou ainda entre as fibras sintéticas orgânicas, como, por exemplo, as fibras de poliamidas, poliésteres, polietileno, polipropileno, acrílicos, aramidas.

[0078] As fibras inorgânicas são selecionadas entre fibras sintéticas inorgânicas, como, por exemplo, as fibras de vidro, as fibras de basalto e as fibras cerâmicas.

[0079] A tira 80 formando a camada de isolamento térmico 8 é obtida por uma operação de tecelagem dos fios de urdume 81 com os fios de trama 82. A estrutura da tira 80 assim obtida apresenta uma textura ou volume têxtil, multidirecional.

[0080] Mais precisamente, a tecelagem da tira 80 é tridimensional ou triaxial (3D). Assim, a tira possui excelentes propriedades mecânicas de tração e de compressão. Assim, a tira pode ser utilizada no núcleo de dutos tubulares flexíveis 1 submarinos destinados a aplicações estáticas e/ou dinâmicas para grandes profundidades, ou mesmo profundidades muito grandes de água.

[0081] A tira 80 possui um comprimento compreendido entre 100 metros e 5000 metros, uma largura compreendida entre 100 milímetros e 200 milímetros e uma espessura compreendida entre 1 e 3 milímetros.

[0082] Além disso, a tira 80 compreende uma densidade compreendida entre 300 e 700 kg/m3, preferivelmente compreendida entre 450 e 600 kg/m3.

[0083] Para este efeito, a resistência de tração da tira 80, medida em temperatura ambiente, seja a cerca de 23°C, é pelo menos igual a 150 daN, acordo com a norma ASTM D638.

[0084] Além disso, ela também possui uma resistência à compressão medida em temperatura ambiente, seja a cerca de 23°C, que é pelo menos igual a 20MPa, acordo com a norma DIN EN 826. Para uma temperatura de serviço de 60°C, medida no espaço anular do duto 1, a resistência à compressão da tira 80 também permanece pelo menos igual a 20MPa, acordo com a norma DIN EN 826.

[0085] Os fios de trama 82, utilizados para confeccionar a tira 80, são dedicados especificamente para a realização da presente invenção no sentido em que eles compreendem uma seção oca (ou "lumen" em inglês), como ilustrado na Figura 4a. O diâmetro d1 da seção oca pode variar entre 1 micrômetro e 40 micrômetros, segundo o diâmetro dos filamentos utilizados para a tecelagem da tira.

[0086] Os fios de trama 82 compreendem uma única seção oca, mas, modo vantajoso, eles compreendem uma pluralidade de seções ocas dispostas sobre a totalidade o comprimento dos fios, como ilustrado na Figura 4b.

[0087] Estes tipos de fios são também denominados fios de seção oca de múltiplas paredes. Por exemplo, o número de seções ocas pode variar de dois ou três até uma dezena, ou mesmo várias centenas.

[0088] É preferido utilizar fios de seção oca de múltiplas paredes do que fios são apresentando uma única seção oca, porque eles são menos propensos a ficar planos quando submetidos a esforços de compressão. Eles são, portanto, muito apropriados para a formação de uma tira de isolamento térmico de duto flexível submarina.

[0089] Dependendo do número de seções ocas de múltiplas paredes, o diâmetro d1 pode variar entre 1 micrômetro e 8 micrômetros.

[0090] Os fios de trama 82 são fibras ocas que permitem armazenar ar e, assim, isolar termicamente o duto 1, tanto em serviço, como em parada de produção.

[0091] De acordo com uma variante de realização da invenção, os fios de urdume 81 também compreendem uma ou várias seções ocas dispostas sobre todo o seu comprimento. Deste modo, a condutividade térmica da tira é reduzida significativamente. Ora, quanto mais baixa a condutividade térmica, quanto maior será o isolamento térmico.

[0092] O fato de que os fios 81 ; 82 sejam ocos não é uma desvantagem para o isolamento térmico do duto tubular flexível 1. Com efeito, e de modo totalmente surpreendente, o fato de que a estrutura da tira 80 seja formada por tecelagem triaxial, mesmo sendo muito fortemente solicitada em compressão, as fibras com seções ocas 81 ; 82 não são comprimidas o suficiente para que os desempenhos de isolamento térmico sejam degradados.

[0093] A estrutura tridimensional da tira 80 confere à mesma uma certa estabilidade volumétrica permitindo à mesma sofrer esforços radiais de compressão gerados pela pressão interna e/ou pressão hidrostática se aplicando sobre o duto 1.

[0094] Com efeito, para uma temperatura medida de 60°C com referência às normas DIN EN ISO 8497 e EN 12667, a condutividade térmica da camada de isolamento 8 formada pela tira 80 está compreendida entre 0,01 W/m.K e 0,15 W/m.K, preferivelmente entre 0,01 W/m.K e 0,10 W/m.K e com vantagem entre 0,01 W/m.K e 0,05 W/m.K.

[0095] De acordo com um primeiro exemplo de outra variante de realização da invenção, a camada de isolamento térmico 8 é formada em formato de uma tira 80, como descrito acima e para o qual os fios de urdume 81 e os fios de trama 82 são impregnados com um material polimérico termocurado.

[0096] Por exemplo, o material polimérico termocurado é selecionado dentre as resinas epóxi (EP), as resinas de éster de vinila (VE) ou ainda as resinas de poliéster insaturado (UP). Assim, as propriedades mecânicas gerais da camada de isolamento térmico 8 são melhoradas.

[0097] Em um segundo exemplo de realização, o material polimérico termocurado é substituído por um material aerogel. Portanto, as propriedades de isolamento térmico do duto tubular flexível 1 são melhoradas sem gerar excesso de peso significativo a nível de sua estrutura.

[0098] Será notado que, em determinadas circunstâncias, a denominação de fios de trama e fios de urdume é invertida.

[0099] Em ainda outra variante de realização da invenção, o duto tubular flexível 1 compreende pelo menos uma camada intermediária disposta entre a camada de isolamento térmico 8 e as outras camadas constitutivas da estrutura do duto 1.

[00100] A, pelo menos, uma tira intermediária possui um comprimento compreendido entre 10 metros e 5000 metros e uma largura compreendida entre 50 milímetros e 500 milímetros.

[00101] A pelo menos uma camada intermediária é formada por enrolamento de passo curto de, pelo menos, uma tira em torno da camada de isolamento térmico 8, isto é, que o valor absoluto do ângulo de hélice que faz a tira com o eixo longitudinal Δ-Δ' do duto está compreendido entre 70° e 90°.

[00102] De modo vantajoso, enrola-se, pelo menos, uma tira sobre o duto 1, interiormente à camada de isolamento térmico 8. Preferivelmente, enrola-se, pelo menos, uma tira sobre o duto 1 interiormente e exteriormente à camada de isolamento térmico 8.

[00103] A pelo menos uma tira intermediária compreende uma disposição de um ou mais filmes finos sobrepostos uns em cima dos outros.

[00104] O filme fino é, por exemplo, um filme polimérico de baixa espessura. Em variante, o filme fino é um filme metalizado de pequena espessura. Por filme metalizado, entende-se um filme polimérico revestido com uma espessura de metal, tipicamente de alumínio. Tal filme é, por exemplo, utilizado como um filme de embalagem para alimentos, como papel decorativo, ou como um dielétrico para condensador.

[00105] A espessura do filme é mais fina do que a da tira de isolamento térmico 8. Ela está, por exemplo, entre 2 micrômetros e 2 milímetros, preferivelmente entre 50 micrômetros e 500 micrômetros e, com vantagem, entre 100 micrômetros e 200 micrômetros. Assim, a baixa espessura do filme não altera a rigidez em flexão do duto 1.

[00106] O filme fino pode ser formado a partir de quaisquer materiais polímeros termoplásticos. Mas, preferivelmente, os materiais polímeros utilizados para a formação do filme são selecionados dentre a família de poliolefinas, como o polietileno (PE), o polipropileno (PP) ou ainda o polipropileno mono-orientado axialmente, as poliamidas como a poliamida 11 (PA-11) ou a poliamida 12 (PA-12), poliéteres como o polioximetileno (POM), polissulfonas como a poliétersulfona (PES), a polifenilsulfona (PPSU), polissulfetos, tereftalatos de polietileno (PET), polímeros fluorados como o polifluoreto de vinilideno (PVDF), o policlorotrifluoroetileno (PCTFE), o politetrafluoroetileno (PTFE), o perfluoroalcóxi (PFA), as poliarilétercetonas como a poliéterétercetona (PEEK), as poliétercetonacetonas (PEKK), a poliéterétercetonacetona (PEEKK) ou ainda a poliétercetonaétercetonacetona (PEKEKK). Para os desempenhos extremos em temperatura e em estanqueidade (difusão de gases muito baixa), os filmes à base de PAEK (poliarilétercetona) são adaptados.

[00107] Em uma variante, a pelo menos uma tira intermediária é um filme polimérico fino formado com um material polímero termoplástico espumado com células fechadas. O material polímero termoplástico é por exemplo escolhido entre as mesmas famílias como as descritas acima. Tal filme permite melhorar ainda mais as propriedades de isolamento térmico do duto 1. Além disso, sua estrutura com células fechadas permite assegurar uma função de propriedade barreira aos fluidos em presença (por exemplo, CO2, CH4, H2S e H2O) no espaço anular do duto 1.

[00108] Assim, a maior parte dos gases presentes no fluido de hidrocarbonetos circulando dentro da passagem de escoamento 10 do duto 1 e tendo difundido em direção ao espaço anular é parado pelo filme. Além disso, o filme também permite interromper a infiltração do conjunto de moléculas de água tendo condensado a nível do espaço anular e, portanto, preservar a camada de isolamento térmico 8. Deste modo, a camada 8 não está sujeita a intumescimento e suas propriedades de isolamento térmico permanecem com desempenho e inalteradas.

[00109] No caso em que a, pelo menos, uma tira intermediária é um filme metalizado, o metal depositado sobre o filme fino polimérica pode ser selecionado dentre o zinco, o níquel, a prata, o cobre, o ouro, o índio, o estanho, o cromo, o titânio, o alumínio, etc.

[00110] A espessura do revestimento metálico depositado sobre o filme fino polimérico é, por exemplo, superior a 1 micrômetro, e preferivelmente compreendida entre 1 e 15 micrômetros.

[00111] De modo a evitar a formação de bolsas de gás na interface entre a camada 8 e a pelo menos uma tira intermediária, elas são preferivelmente ligadas entre si. O fato de que a camada de isolamento térmico 8 e a pelo menos uma tira intermediária são interligadas significa que a camada 8 não é apta a se mover axialmente em relação às camadas adjacentes ao longo do eixo Δ-Δ ' quando o duto 1 é submetido a esforços exteriores de flexão.

[00112] Ao ligar a camada 8 e a pelo menos uma tira intermediária juntas, isto igualmente permite, além do fato de evitar a formação de bolsas de gás, evitar a existência de descontinuidades entre estas últimas, essas descontinuidades podendo ser a origem de pontes térmicas. Ora, pontes térmicas não são desejáveis, uma vez que acarretam, invariavelmente, uma perda de propriedades de isolamento térmico.

[00113] Quando a, pelo menos, uma tira intermediária compreende um único filme, este está diretamente ligado à camada de isolamento térmico 8. Em contraste, no caso em que a, pelo menos, uma tira intermediária compreende uma disposição de vários filmes, estes estão ligados entre si para formar uma tira compacta, uniforme e isotrópica por intermédio de uma de suas faces que apresenta, por exemplo, uma superfície adesiva.

[00114] Para ligar a camada de isolamento térmico 8, com a, pelo menos, uma tira intermediária, realiza-se uma operação de colagem. Por exemplo, elas são, por exemplo, ligadas entre si por uma operação de ligação simples por meio de um adesivo flexível, como um elastômero ou um silicone, um adesivo sensível à pressão, um adesivo estrutural, ou então por uma operação de soldagem por ultrassons ou ainda por uma operação de termocolagem.

[00115] Em uma alternativa, a pelo menos uma tira intermediária inicialmente independente da camada de isolamento térmico 8 é, de fato, integrada diretamente na estrutura da camada 8. Assim, é totalmente possível imaginar que a, pelo menos, uma tira intermediária possa ser aplicada sobre, pelo menos, uma das duas faces da camada de isolamento térmico 8 quando de sua fabricação, antes que esta encontre um dispositivo de ligação, como um posto de colagem, de termocolagem ou de soldagem por ultrassons adaptado para ligar juntas a camada 8 e a pelo menos uma tira intermediária.

[00116] A camada 8 assim obtida combinaria tanto uma propriedade de isolamento térmico com uma propriedade de barreira aos fluidos.

[00117] O duto 1, tal como descrito acima na Figura 1, possui uma passagem de escoamento 10 lisa, isto é, que a camada interna da estrutura é a luva de pressão 2.

[00118] Em contraste, quando a camada interna não é a pressão da luva 2, mas uma camada de reforço interna, como uma carcaça metálica, o duto é do tipo "rough-bore" ou tendo uma passagem de escoamento não lisa.

[00119] Tal duto é representado na Figura 5 e a camada de isolamento térmico 8, de acordo com a presente invenção, pode, naturalmente, ser disposta no núcleo da estrutura deste tipo de duto tubular flexível submarino.

[00120] A carcaça metálica 12 é formada pelo enrolamento de passo curto de uma folha perfilada de aço galvanizado, isto é, o valor absoluto do ângulo de hélice que faz a folha perfilada com o eixo longitudinal Δ-Δ’ está compreendido entre 70° e 90°. A carcaça metálica 12 é destinado a retomar os esforços radiais de esmagamento gerados pela pressão hidrostática contra a luva de pressão 2.

[00121] Além disso, o duto 1 de acordo com a invenção é do tipo não ligado («unbonded» em Inglês), isto é, que cada camada de sua estrutura pode mover-se axialmente em relação às camadas adjacentes, ao longo do eixo Δ-Δ' quando o duto 1 é submetido a esforços exteriores de flexão.

[00122] Estes tipos de dutos são bem conhecidos do versado na técnica e também são descritos em documentos normativos API 17J «Specification for Unbonded Flexible Pipe” e API RP 17B «Recommended Practice for Flexible Pipe” publicados pelo American Petroleum Institute (API).

[00123] Além disso, a utilização do duto 1 não é limitada a certos tipos de aplicações. Com efeito, como a camada de isolamento térmico 8 possui também uma boa resistência à compressão, o duto 1 também pode ser utilizado para aplicações estáticos e dinâmicas e igualmente, de modo indiferente, para aplicações em grandes profundidades (2500 a 3000 metros) e mesmo para aplicações em profundidades muito grandes (até 4000 metros e mais).

[00124] Como evidente, é perfeitamente possível combinar entre si as características técnicas relativas às diferentes modalidades da invenção sem, no entanto, sair do quadro da invenção.

Claims

1. Duto tubular flexível (1) submarino para o transporte de fluidos de hidrocarbonetos compreendendo: - uma luva de pressão (2) ; - pelo menos uma manta de armação (3;6); e - pelo menos uma camada de isolamento térmico (8) formada por tecelagem triaxial de pelo menos duas mantas de fios de urdume e de pelo menos uma carreira de fios de trama para ligar as pelo menos duas mantas de fios de urdume, a pelo menos uma carreira de fios de trama sendo apta para solidarizar as pelo menos duas mantas de fios de urdume, caracterizado pelo fato de que os fios de trama da camada de isolamento térmico (8) compreendem uma seção oca.

2. Duto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os fios de urdume da camada de isolamento térmico (8) compreendem uma seção oca.

3. Duto de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os fios (81 ; 82) da camada de isolamento térmico (8) compreendem uma seção oca de múltiplas paredes.

4. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a resistência à tração da camada de isolamento térmico (8), medida a 23°C, é pelo menos igual a 150 daN, acordo com a norma ASTM D638.

5. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a resistência à compressão da camada de isolamento térmico (8), medida a 23°C e a 60°C, é pelo menos igual a 20MPa, acordo com a norma DIN EN 826.

6. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a condutividade térmica da camada de isolamento térmico (8), medida a 60°C em referência às normas DIN EN ISO 8497 e EN 12667, está compreendida entre 0,01 W/m.K e 0,15 W/m.K, preferivelmente entre 0,01 W/m.K e 0,10 W/m.K e com vantagem entre 0,01 W/m.K e 0,05 W/m.K.

7. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os fios de urdume (81) e/ou os fios de trama (82) da camada de isolamento térmico (8) são escolhidos entre as fibras orgânicas ou inorgânicas.

8. Duto de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as fibras orgânicas são selecionadas entre as fibras naturais vegetais, como, por exemplo, as fibras de algodão, cânhamo, linho, sisal, juta, kenaf, coco, bambu, rami, urtiga, palmeiras, bananeiras ou fibras sintéticas orgânicas, como, por exemplo, fibras de poliamidas, poliésteres, polietileno, polipropileno, acrílicas, aramidas.

9. Duto de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as fibras inorgânicas são selecionadas dentre as fibras sintéticas inorgânicas, como, por exemplo, as fibras de vidro, as fibras de basaltos e as fibras cerâmicas.

10. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a camada de isolamento térmico (8) é impregnada com um material aerogel.

11. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de, pelo menos, uma tira intermediária é aplicada sobre, pelo menos, um lado da pelo menos uma camada de isolamento térmico (8) e em que ela é ligada à mesma.

12. Duto de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma tira intermediária compreende uma disposição de um ou mais filmes finos sobrepostos uns por cima dos outros.

13. Duto de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o filme fino é um filme polimérico.

14. Duto de acordo com a reivindicação 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o filme fino é metalizado.

15. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma tira intermediária é ligada à camada de isolamento térmico (8) por soldagem com ultrassons, por colagem ou por termocolagem.