BR112017015078B1

BR112017015078B1 - elemento de comprimento unitário de tubulação submarina para o transporte de fluidos

Info

Publication number: BR112017015078B1
Application number: BR112017015078-6A
Authority: BR
Inventors: François-Régis Pionetti
Original assignee: Saipem S.A
Priority date: 2015-02-11
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2021-02-23
Also published as: US20180038520A1; WO2016128655A1; AU2016217746B2; EP3256771B1; AU2016217746A1; BR112017015078A2; US10197195B2; EP3256771A1; FR3032511B1; FR3032511A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um dispositivo de antideslizamento e de autocentragem de um tubo externo de um elemento de comprimento unitário de conduta submarina para o transporte de fluidos, compreendendo um anel (4) de material elastomérico intercalado entre duas placas (6, 8) anelares metálicas, cujo diâmetro interno corresponde sensivelmente ao diâmetro do tubo interno e cujo diâmetro externo corresponde substancialmente ao diâmetro de tubo externo, compreendendo o dispositivo, além disso, meios (10, 12) de aperto das placas uma contra a outra para comprimir o anel de material elastomérico.

Description

Antecedentes da Invenção

[0001] A presente invenção refere-se ao domínio geral de tubula-çãos submarinas assentes no fundo do mar ou assegurando a ligação fundo-superfície para a transferência de hidrocarbonetos, particularmente petróleo e gás, provenientes de poços de produção submarinos.

[0002] Refere-se, mais precisamente, a tubulaçãos submarinascoaxiais do tipo "Pipe In Pipe" ou PIP, isto é, "tubulação no interior de uma tubulação", em que um tubo interno transporta os fluidos e um tubo externo, coaxial com o anterior, também denominado "invólucro externo", está em contato com o meio ambiente, ou seja, com a água. O espaço anelar entre os dois tubos pode ser preenchido com um material isolante ou, além disso, ser esvaziado de qualquer gás, de modo a proporcionar um isolamento térmico para os fluidos que circulam na tubulação interna. Tais tubulaçãos coaxiais submarinas são, particularmente, utilizadas no âmbito de instalações em grandes profundidades, onde a temperatura da água é, tipicamente, de 4 °C.

[0003] De um modo geral, essas tubulaçãos coaxiais são montadas em terra sob a forma de elementos de comprimento unitário (são denominadas junções duplas, triplas ou quádruplas e, daqui em diante, denominadas indiferentemente por "quad-joints" no caso de secções quádruplas de tubo), da ordem de 10 a 100 m de acordo com a capacidade de suporte de carga do sistema de instalação. Esses troços de tubulaçãos são, depois, transportados por mar em um navio de instalação.

[0004] No momento da instalação, as quad-joints são ligadasumas às outras a bordo do navio e à medida que são colocadas no mar. A instalação pode ser realizada por meio de uma torre de instala- ção em J posicionada no navio de instalação. Com a instalação em J, a tubulação submarina é, tipicamente, arriada desde o navio de instalação praticamente na vertical (entre +30° e -10° em relação à vertical). A instalação em J é uma instalação em catenária simples, em que a inclinação quase vertical da tubulação diminui à medida que é deslocada no sentido descendente até coincidir com a inclinação do fundo do mar.

[0005] Este método de instalação em J obriga a mover cada novaquad-joint desde uma posição horizontal (ao longo do convés do navio de instalação) até uma posição vertical para ficar alinhadas com a torre de instalação em J. A quad-jointé mantida verticalmente na torre de instalação para permitir soldar a sua extremidade inferior à extremidade superior da tubulação. Depois de a quad-joint estar soldada à tubulação, esta última é arriada para dentro do mar ao movimentar o navio de instalação para a frente por uma distância correspondendo ao comprimento da quad-joint.

[0006] Aplicado a tubulaçãos coaxiais de tipo "PIP", o método deinstalação em J prevê soldar a quad-joint na tubulação submarina já no lugar. A nova quad-jointé apresentada com um deslocamento no sentido ascendente entre o tubo externo e o tubo interno para permitir soldar o tubo interno ao da tubulação submarina assente no dispositivo de suporte da torre de instalação em J e, em seguida, faz-se deslizar o tubo externo da quad-joint em relação ao tubo interno, no sentido descendente, a fim de soldar a sua extremidade inferior à extremidade livre correspondente do tubo externo da tubulação submarina. Esta últimaé, depois, arriada para dentro do mar e a operação é repetida com uma nova quad-joint.

[0007] Na prática, um tal método de instalação possui uma sériede problemas. Em particular, durante a elevação da nova quad-joint, o tubo interno possui de ser mantido em uma determinada posição para evitar o seu livre deslizamento. Até à data, dispositivos particulares complexos eram colocados na extremidade para suportar esse posicionamento antes de serem removidos após a soldadura do tubo interno à tubulação submarina. No entanto, o recurso a tais dispositivos possui custos elevados no que se refere ao tempo de instalação. Além disso, durante a instalação do tubo interno da quad-joint no tubo interno da tubulação submarina posicionada na vertical na torre de instalação em J, o tubo interno, se estiver livre, tende a fletir-se de modo helicoidal no tubo externo da tubulação submarina, de modo que é, então, geralmentenecessário, ajustar a parte superior da tubulação para compensar essa folga (corta-se o tubo interno, como necessário). Finalmente, o passo de deslizamento do tubo externo em relação ao tubo interno pode provocar o arrancamento de determinadas peças posicionadas em torno do tubo interno da quad-joint (tais como isolamento térmico, cabos de aquecimento, fibras óticas, calços de centragem, etc.).

Objetivo e sumário da invenção

[0008] A presente invenção, por conseguinte, possui como objetivoprincipal proporcionar um dispositivo de antideslizamento e de auto- centragem de um tubo interno no interior de um tubo externo que não tenha as desvantagens acima mencionadas.

[0009] De acordo com a invenção, esse objetivo é conseguidograças a um dispositivo de antideslizamento e de autocentragem de um tubo interno no interior de um tubo externo de um elemento de comprimento unitário de tubulação submarina para o transporte de fluidos, compreendendo um anel de material elastomérico intercalado entre duas placas anelares metálicas, cujo diâmetro interno corresponde, sensivelmente, ao diâmetro do tubo interno e cujo diâmetro externo corresponde, sensivelmente, ao diâmetro do tubo externo, com-preendendo o dispositivo, ainda, meios de aperto das placas uma contra a outra para comprimir o anel em material elastomérico.

[00010] Ao assegurar uma compressão do anel de material elasto- mérico por aperto das placas uma contra a outra, o dispositivo de acordo com a invenção permite, em particular, assegurar a concentri- cidade dos tubos e a manutenção da posição vertical do tubo interno no interior do tubo externo do elemento de comprimento unitário de tubulação (ou quad-joint). Com efeito, o dispositivo é aplicado ao nível de uma saliência do tubo interno com as placas de compressão do elastómero posicionadas em ambos os lados dessa saliência, de modo a que as placas sejam paradas pela saliência. O dispositivo fica, assim, completamente fixo em relação ao tubo interno, para que o deslizamentonecessário para a montagem da tubulação submarina seja forçado e controlado, e só possa ser efetuado na superfície interna do tubo externo.

[00011] Além disso, a força de aperto é aplicada às placas do dispositivo para garantir uma forte tensão de antideslizamento entre os tubos interno e externo. As características do dispositivo de acordo com a invenção e a força de aperto são calibradas em função do peso do tubo interno, de modo a evitar qualquer deslizamento do tubo interno sob o efeito do seu próprio peso, mas a permitir um tal deslizamento controlado para valores superiores de 15% a 50% desse peso (o fator de carga é definido durante a concepção do dispositivo em função das características dos braços de carregamento da torre de instalação em J, dos tubos que compõem a tubulação submarina e dos seus acessórios).

[00012] Mais precisamente, o fator de carga do dispositivo deve ser escolhido para impedir o deslizamento acidental (ou seja, não controlado) do tubo interno relativamente ao tubo externo durante o seu posicionamento vertical na torre de instalação em J (e garantir, assim, a segurança dos operadores). O fator de carga também deve impedir o deslocamento relativo dos dois tubos durante a instalação na parte ca- tenária da tubulação submarina (manutenção de um comprimento constante entre os tubos). O fator de carga também deve evitar o esmagamento ou redução do espaço anelar da tubulação submarina durante variações de comprimento da tubulação devido a variações de temperatura.

[00013] Deve salientar-se que o deslizamento dos dois tubos em relação um ao outro durante a adição de uma quad-jointé um deslizamentoforçado e perfeitamente controlado por meio do braço de carregamento da torre de instalação em J. De facto, ao poder sustentar o peso (vertical) de uma quad-joint, esses braços de carregamento estão aptos a aplicar forças verticais descendentes três ou quatro vezes superiores, particularmente para forçar o alinhamento dos tubos e assegurar uma soldadura sem perfurações nas secções a soldar.

[00014] O dispositivo de acordo com a invenção também permite manter o tubo interno concêntrico no interior do tubo externo do elemento de comprimento unitário. A folga entre o tubo interno e o tubo externo permanece, assim, constante durante toda a operação de montagem do elemento de comprimento unitário de tubulação na tubulação submarina.

[00015] O dispositivo de acordo com a invenção também permite garantir um bloqueio na posição devida de peças, em particular, cabos de aquecimento, fibras óticas, etc. em torno do tubo interno do elemento de comprimento unitário de tubulação. Desta forma, o dispositivo de acordo com a invenção impede qualquer arrancamento dessas peças durante a fase de deslizamento do tubo externo em relação ao tubo interno.

[00016] Os meios de aperto podem compreender uma pluralidade de parafusos de passagem através das duas placas e do anel de material elastomérico e que estão adaptados para serem apertados em porcas. Neste caso, esses parafusos têm, de um modo preferido, cada um, uma resistência à tração de 12,9.

[00017] De um modo preferido, pelo menos, uma das duas placas é constituída por, pelo menos, dois setores angulares de placas. Essa característica possui a vantagem de facilitar a montagem do dispositivo em torno da saliência do tubo interno.

[00018] Também de um modo preferido, o anel do dispositivo é fabricado em um monómero de etileno-propileno-dieno (EPDM) tendo uma dureza Shore compreendida entre 30 e 90, um módulo de Young inferior a 1 MPa e um coeficiente de Poisson próximo de 0,5. As placas do dispositivo podem ser em aço.

[00019] A invenção também possui como objetivo um elemento de comprimento unitário de tubulação submarina para o transporte de fluidos, compreendendo um tubo interno, um tubo externo montado em torno do tubo interno e em uma relação coaxial com o mesmo, e, pelo menos, um dispositivo tal como definido anteriormente, que é interposto entre o tubo interno e o tubo externo e disposto em torno de uma saliência anelar do tubo interno.

[00020] De um modo preferido, um tal dispositivo é interposto entre o tubo interno e o tubo externo em cada extremidade longitudinal do referido elemento de comprimento unitário de tubulação submarina.

[00021] Também de um modo preferido, cada dispositivo é montado em torno de uma saliência anelar do tubo interno posicionada em frente da saliência do tubo interno. Além disso, cada dispositivo assegura, de um modo vantajoso, um bloqueio na posição devida de, pelo menos, um cabo de aquecimento e/ou, pelo menos, uma fibra ótica.

Breve Descrição Dos Desenhos

[00022] Outras características e vantagens da presente invenção surgirão da descrição feita a seguir, recorrendo aos desenhos anexos que ilustram um exemplo de realização sem carácter limitativo. Nas figuras:

[00023] - A figura 1 é uma vista em perspectiva e explodida do dis positivo de acordo com uma forma de realização da invenção;

[00024] - A figura 2 é uma vista do dispositivo da Figura 1 já montado;

[00025] - As figuras 3A e 3B são vistas parciais e em corte do dispositivo das figuras 1 e 2 no estado descomprimido e no estado comprimido, respetivamente; e

[00026] - A figura 4 é uma vista de um elemento de comprimentounitário de tubulação submarina de tipo "PIP" equipado com dispositivos de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[00027] A invenção é aplicável à instalação de uma tubulação coaxial submarina de tipo "Pipe in Pipe" (ou "PIP"), isto é, uma tubulação que compreende um tubo interno destinado ao transporte de hidrocar- bonetos provenientes de poços de produção e um tubo externo em uma relação coaxial com o precedente, também denominado "invólucro externo", que está em contato direto com a água circundante.

[00028] Este tipo de tubulação submarina coaxial é, tipicamente, utilizado na produção de hidrocarbonetos em mar alto e a grande profundidade. No âmbito de tais instalações, as tubulaçãos coaxiais submarinas podem ser montadas em terra sob a forma de vários elementos de comprimento unitário (também designados por "junções", em particular, "junções duplas" no caso de dois elementos unitários unidos um ao outro, "junções triplas" no caso de três elementos unitários unidos uns aos outros, "junções quádruplas" no caso de quatro elementos unitários unidos uns aos outros ou, mais genericamente, "quad-joints" no caso de secções quádruplas de tubo), da ordem de 10 a 100 m de acordo com a capacidade de suporte do sistema de instalação. Durante a instalação, esses elementos de comprimento unitário de tubulação submarina são ligados uns aos outros a bordo do navio e à medida que são colocados no mar.

[00029] A operação de ligação de um elemento de comprimento unitário à tubulação submarina já arriada para dentro do mar exige, em particular, que se posicione na vertical do elemento de comprimento unitário de tubulação, que este seja mantido nessa posição durante a soldadura da extremidade inferior do seu tubo interno à extremidade superior do tubo interno da tubulação submarina e, em seguida, que se faça deslizar o tubo externo para soldá-lo à extremidade superior do tubo externo da tubulação submarina.

[00030] A invenção possui como objetivo um dispositivo de antides- lizamento e de autocentragem permitindo, durante essa operação de ligação, manter na vertical e fixo o elemento de comprimento unitário de tubulação no interior do tubo externo, assegurando, ao mesmo tempo, a sua centragem no interior da tubulação externa.

[00031] Um exemplo de um tal dispositivo 2 é mostrado em perspectiva e explodido nas figuras 1 e 2.

[00032] O dispositivo 2 compreende, em particular, um anel 4 de material elastomérico, que é intercalado entre duas placas 6, 8 anelaresmetálicas (de um modo preferido, em aço), cujo diâmetro d interno corresponde sensivelmente ao diâmetro externo do tubo interno do elemento de comprimento unitário de tubulação ao qual o dispositivo se destina a ser montado e cujo diâmetro D externo corresponde sensivelmente ao diâmetro interno do tubo externo do referido elemento de comprimento unitário de tubulação.

[00033] O dispositivo 2 compreende, ainda, meios de aperto das placas 6, 8 uma contra a outra para comprimir o anel 4 de material elastomérico, tendo o anel tendência para "insuflar" radialmente para o interior e para o exterior das placas sob a força de compressão.

[00034] Os meios de aperto podem ser constituídos por uma pluralidade de parafusos 10 que atravessam de lado a lado as duas placas 6, 8 e o anel 4 de material elastomérico, e por porcas 12 de aperto. No exemplo ilustrado na figura 1, existem dez parafusos 10 e estão espaçados regularmente em torno de um eixo X-X de revolução do dispositivo.

[00035] A figura 3A mostra o dispositivo das figuras 1 e 2 na posição montada e "em repouso", isto é, sem compressão do anel 4 de material elastomérico, enquanto a figura 3B mostra o mesmo dispositivo depois da aplicação de uma força de aperto das porcas 12 nos parafusos 10, o que leva a comprimir o anel 4 e, assim, a deformá-lo visivelmente por uma "expansão"radial para o interior e o exterior.

[00036] Quando o dispositivo está interposto entre um tubo interno e um tubo externo de um elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, essa compressão do anel do dispositivo permite assegurar um bloqueio na posição devida do tubo interno no interior do tubo externo.

[00037] O material elastomérico utilizado para construir o anel do dispositivo, bem como as características dos parafusos/porcas e da sua força de aperto, são selecionados e calibrados em função de necessidades de bloqueio do tubo interno do elemento de comprimento unitário de tubulação submarina no interior do tubo externo.

[00038] Em particular, para a aplicação particular prevista (isto é, ligação à vertical de um elemento de comprimento unitário de tubulação em uma tubulação submarina), estas escolhas e calibrações são definidas de modo a poderem suportar o peso do tubo interno, mas não mais que isso. Em particular, as características do dispositivo não devem impedir o deslizamento do tubo externo em relação ao tubo interno depois de este estar ligado ao tubo interno da tubulação submarina.

[00039] Assim, as características do dispositivo de acordo com a invenção podem ser selecionadas e calibradas para lhe permitir absor- ver uma carga de compressão compreendida entre 1 MPa e 5 MPa (com uma carga de compressão admissível de 3,5 Mpa, o dispositivo pode suportar até 4,7 toneladas no tubo interno e até 5,8 toneladas no tubo externo do elemento de comprimento unitário, de tubulação, sendo estes valores dados meramente a título indicativo e dependendo dos diâmetros e das dimensões das superfícies de contato).

[00040] Para este fim, pode-se, por exemplo, escolher, como material elastomérico para construir o anel do dispositivo, um monómero etileno-propileno-dieno (EPDM) tendo uma dureza Shore compreendida entre 30 e 90, um módulo de Young inferior a 1 MPa e um coeficiente de Poisson da ordem de 0,5. Assim, com um tal coeficiente de Poisson, a pressão vertical sobre as placas exercida pelo aperto dos parafusos é quase igual à pressão de contato sobre as paredes laterais dos tubos.

[00041] Com tais características, cada um dos parafusos 10 utilizados para apertar as placas 6, 8 pode ter uma resistência à tração de 12,9, de modo a que o seu aperto permita uma aproximação das placas entre si da ordem de, aproximadamente, 0,5 mm.

[00042] A figura 4 mostra dois dispositivos 2, de acordo com a invenção, unidos em cada extremidade longitudinal de um elemento 14 de comprimento unitário de tubulação submarina.

[00043] Como descrito acima, o elemento 14 de comprimento unitário de tubulação compreende um tubo 16 interno disposto no interior de um tubo 18 externo e em uma relação coaxial com o mesmo.

[00044] Em cada uma das suas extremidades longitudinais, o tubo 18 interno está dotado com uma saliência 20 anelar, na qual se encontra, mais especificamente, um dispositivo 2 de acordo com a invenção. Esta saliência 20 possui uma espessura reduzida (para não impedir o deslizamento controlado do tubo externo) e pode ser obtida através da adição de uma pequena extensão de tubo interno integrando a saliên- cia em ambas as extremidades (sobressai radialmente para o exterior).

[00045] De um modo preferido, o tubo 18 externo também compreende, na sua superfície interna, uma saliência 20' anelar posicionada em frente da saliência 20 do tubo interno, de modo a reforçar a segurança do dispositivo (sobressaindo essa saliência 20' radialmente para o interior).

[00046] Na posição ainda horizontal do elemento de comprimento unitário de tubulação, o anel 4 de material elastomérico do dispositivo é, assim, deslizado em torno do tubo interno a partir de uma das suas extremidades longitudinais de modo a sobrepor-se à saliência 20 correspondente.

[00047] As duas placas 6, 8 anelares são, depois, posicionadas dos dois lados do anel 4, sendo a placa colocada no lado oposto à extremidade do tubo interno (aqui, a placa 6), de um modo preferido, construída a partir de, pelo menos, dois setores 6a, 6b angulares de placas (ver a figura 1), de modo a facilitar a sua montagem em torno do tubo interno.

[00048] Os parafusos 10 e porcas 12 são, em seguida, montados no dispositivo (sem exercer, nesta fase, um aperto das porcas), ficando as cabeças de parafuso, de um modo vantajoso, viradas para a extremidade longitudinal correspondente do tubo interno.

[00049] O tubo 18 externo do elemento de comprimento unitário de tubulação é, em seguida, deslizado longitudinalmente em torno do tubo interno até à sua posição desejada. Os parafusos 10 são, depois, apertados nas suas porcas 12, de modo a comprimir o anel 4 de material elastomérico. Como indicado acima, esta força de aperto é calibrada de acordo com o peso do tubo interno, para permitir aos dois dispositivos suportar o peso do tubo interno (com uma margem de segurança acima de 15 a 20%).

[00050] O espaço anelar delimitado entre os dois dispositivos 2 po- de ser preenchido com um material isolante, em particular, uma resina. Para este fim, os dispositivos de acordo com a invenção podem, de um modo vantajoso, funcionar como uma parede de batente ou de molde durante a injeção da resina, para a manter com um volume fixo e podendo ser submetida à aplicação de vácuo.

[00051] O elemento 14 de comprimento unitário de tubulação assim unido pode, então, ser montado na vertical por meios bem conhecidos, para permitir a sua montagem na tubulação submarina arriada para o mar.

[00052] Deve salientar-se que, de um modo vantajoso, o dispositivo de acordo com a invenção pode ser utilizado de modo a assegurar um bloqueio, em uma posição devida em torno do tubo interno do elemento de comprimento unitário de tubulação, de várias peças, tais como cabos de aquecimento, fibras óticas, etc.

[00053] Para este fim, esses cabos de aquecimento, fibras óticas ou outros que se estendem longitudinalmente ao longo do tubo interno são interpostos entre o tubo interno e o anel de material elastomérico do dispositivo de modo a que a compressão deste último garanta o seu bloqueio na posição devida.

Claims

1. Elemento (14) de comprimento unitário de tubulação submarina para o transporte de fluidos, caracterizado pelo fato de que compreende um tubo (16) interno, um tubo (18) externo montado em torno do tubo interno em uma relação coaxial com o mesmo e, pelo menos, um dispositivo (2) de antideslizamento e de autocentragem que é interposto entre o tubo interno e o tubo externo, e disposto em torno de uma saliência (20) anelar do tubo interno, compreendendo cada dispositivo (2) de antideslizamento e de autocentragem um anel (4) de material elastomérico intercalado entre duas placas (6, 8) anelaresmetálicas, cujo diâmetro (d) interno corresponde sensivelmente ao diâmetro do tubo interno e cujo diâmetro (D) externo corresponde sensivelmente ao diâmetro de tubo externo, e meios (10, 12) de aperto das placas uma contra a outra para comprimir o anel de material elas- tomérico.

2. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo de antideslizamento e de autocentragem que é interposto entre o tubo interno e o tubo externo em cada extremidade longitudinal do referido elemento de comprimento unitário de tubulação.

3. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de antideslizamento e de autocen- tragem está montado em torno de uma saliência (20') anelar do tubo exterior posicionada em frente da saliência (20) do tubo interno.

4. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizadopelo fato de que o dispositivo de antideslizamento e de autocen- tragem assegura um bloqueio em uma posição devida de, pelo menos, um cabo de aquecimento e/ou, pelo menos, uma fibra ótica.

5. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizadopelo fato de que os meios de aperto do dispositivo de antidesli- zamento e de autocentragem compreendem uma pluralidade de parafusos (10) que atravessam as duas placas (6, 8) e o anel (4) de material elastomérico e que estão adaptados para serem apertados em porcas (12).

6. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada um dos parafusos (10) possui uma resistência à tração de 12,9.

7. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizadopelo fato de que, pelo menos, uma das duas placas (6) do dispositivo de antideslizamento e de autocentragem é construída a partir de, pelo menos, dois setores (6a, 6b) angulares de placas.

8. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizadopelo fato de que o anel (4) do dispositivo de antideslizamento e de autocentragem é fabricado em um monómero de etileno-propileno- dieno tendo uma dureza Shore compreendida entre 30 e 90, um módulo de Young inferior a 1 MPa e um coeficiente de Poisson de cerca de 0,5.

9. Elemento de comprimento unitário de tubulação submarina, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizadopelo fato de que as placas (6, 8) do dispositivo de antidesliza- mento e de autocentragem são em aço.