BR112019012614B1 - Tubo flexível de transporte de fluido de petróleo que compreende uma barreira contra a difusão - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um conduto para transportar um efluente petrolífero que compreende água e pelo menos um composto ácido entre o dióxido de carbono CO2 e o sulfeto de hidrogênio H2S, o conduto compreendendo pelo menos um elemento metálico de reforço mecânico (3, 5) e uma bainha tubular polimérica de pressão (2), o dito elemento metálico (3, 5) sendo disposto no exterior da dita bainha de pressão (2), uma barreira de difusão (B) sendo disposta entre a dita bainha de pressão (2) e o dito elemento metálico de reforço mecânico (3, 5). De acordo com a invenção, a dita barreira (B) compreende pelo menos uma tira metálica (F) enrolada em torno da bainha (2) de modo a proporcionar um recobrimento metálico compreendido entre 35 e 75% e um material polimérico (P) intercalado nesse recobrimento.

Description

[0001] A presente invenção refere-se a um tubo tubular flexível para o transporte de fluido de petróleo utilizado no domínio da exploração de petróleo no mar.

[0002] Os tubos flexíveis visados pela presente invenção são for mados por um conjunto de diferentes camadas concêntricas e superpostas, e são ditas de tipo não ligado ("unbonded" em inglês) pois essas camadas apresentam uma certa liberdade de deslocamento umas em relação às outras. Esses tubos flexíveis satisfazem entre outras às recomendações dos documentos normativos API 17J "Specification for Unbonded Flexible Pipe" (4a edição, Maio de 2014) e API 17B "Recommended Practice for Flexible Pipe" (5a edição, Março de 2014) publicados pelo American Petroleum Institute. As camadas constitutivas dos tubos flexíveis compreendem notadamente camadas poliméricas que asseguram geralmente uma função de estanqueidade, e camadas de reforço destinadas à retomada dos esforços mecânicos e formadas por enrolamentos de folhas, de fios metálicos, de tiras diversas ou de perfilados feitos de materiais compósitos.

[0003] Esses tubos flexíveis são notadamente utilizados para transportar hidrocarbonetos de tipo petróleo ou gás a partir de um equipamento submarinho situado no fundo marinho, por exemplo uma cabeça de poço, até uma unidade flutuante de produção situada na superfície. Tais tubos podem ser estendidos em grande profundidade, correntemente a mais de 2000 m de profundidade, e eles devem, portanto, ser capazes de resistir a uma pressão hidrostática de várias centenas de bars. Por outro lado, eles devem também podem resistir à pressão bastante elevada dos hidrocarbonetos transportados, essa pressão podendo, ela também, ser de várias centenas de bars.

[0004] Quando o tubo flexível está em serviço, ele pode ser sub metido a fortes cargas estáticas e dinâmicas, o que pode engendrar um fenômeno de fadiga. As carregas mais severas são geralmente observadas na parte superior dos tubos ascendentes ("risers" em língua inglesa) que ligam o fundo marinho à superfície. De fato, nessa zona, o tubo flexível é submetido a uma forte pressão estática em tensão ligada ao peso do tubo, à qual se adicionam pressões dinâmicas em tensão e em flexão transversal ligadas aos movimentos da unidade flutuante de produção sob o efeito da ondulação e das ondas. Tratando-se da parte do tubo flexível que se estende sobre o fundo marinho ("flowlines" em língua inglesa), as cargas aplicadas são essencialmente estáticas.

[0005] Os tubos flexíveis de tipo não ligado mais utilizados na in dústria petrolífera offshore compreendem geralmente, da parte de dentro para o exterior, uma carcaça interna constituída por uma folha feita de aço inoxidável perfilada e enrolada helicoidalmente com passo curto em espiras grampeadas umas nas outras, a dita carcaça interna servindo principalmente para impedir o esmagamento do tubo flexível sob o efeito da pressão externa, uma camada interna de estanqueida- de feita de polímero, uma abóbada de pressão constituída por pelo menos um fio metálico de forma grampeado e enrolado helicoidalmente com passo curto, a dita abóbada de pressão servindo para retomar os esforços radiais ligados à pressão interna, mantas de armaduras de tração formadas por enrolamentos helicoidais com passo longo de fios metálicos ou compósitos, as ditas mantas de armaduras de tração sendo destinadas a retomar os esforços longitudinais aos quais o tubo flexível é submetido, e finalmente uma camada externa de estanquei- dade destinada a proteger da água do mar as camadas de reforço. No presente pedido, é entendido por enrolamento com passo curto qualquer enrolamento que tem um ângulo de hélice do qual o valor absolu- to é próximo de 90 graus, na prática compreendido entre 70 e 90 graus. O termo enrolamento com passo longo designa no que lhe diz respeito qualquer enrolamento do qual o ângulo de hélice é inferior ou igual, em valor absoluto, a 55 graus.

[0006] No presente pedido, os termos "camada interna de estan- queidade" e "camada de pressão" têm o mesmo significado e são utilizados indiferentemente.

[0007] A carcaça interna permite que o tubo flexível tenha uma re sistência ao esmagamento ("colapse" em inglês) suficiente para permitir que ele resista a fortes pressões externas, notadamente a pressão hidrostática quando o tubo flexível está imerso em grande profundidade (1000 m, e mesmo 2000 m, ou mais), ou ainda as pressões externas de contato sofridas durante as operações de manipulação e de instalação no mar. Um tubo flexível que compreende uma carcaça interna 'dito de passagem não lisa ("rough bore" em inglês) pois o elemento mais interno é a carcaça interna que forma uma passagem não lisa em razão das disjunções entre as espiras metálicas da folha grampeada.

[0008] A abóbada de pressão tem como função principal a de permitir que a camada interna de estanqueidade resista, sem rebentar, à pressão exercida pelo fluido de petróleo transportador pelo tubo, a face externa da camada interna de estanqueidade se apoiando contra a face interna da abóbada de pressão. A abóbada de pressão contribui também para melhorar a resistência ao esmagamento da carcaça interna, notadamente visto que ela limita as possibilidades de deformação da carcaça interna sob o efeito da pressão hidrostática.

[0009] A função principal das mantas de armaduras de tração é a de retomar os esforços longitudinais, notadamente aqueles ligados ao peso do tubo flexível quando esse último é instalado sobre o fundo marinho a partir de um barco de colocação situado na superfície. No caso de um tubo ascendente ("riser" em inglês) que liga de modo permanente uma instalação colocada sobre o fundo marinho a um equipamento flutuante na superfície, esses esforços longitudinais ligados ao peso pendurado são exercidos em permanência. Quando o tubo está imerso em grande profundidade, os esforços longitudinais ligados ao peso pendurado por ocasião da instalação e/ou em serviço podem atingir várias centenas de toneladas.

[0010] O fluido de petróleo transportado pelo tubo flexível compre ende os hidrocarbonetos extraídos de certos campos de petróleo que podem ser extremamente corrosivos. Esse é em especial o caso dos hidrocarbonetos polifásicos que compreendem grandes pressões parciais em sulfeto de hidrogênio (H2S), tipicamente pelo menos 2 bars, e/ou em dióxido de carbono (CO2), tipicamente pelo menos 5 bars, e que apresentam por outro lado uma alta concentração em cloretos, tipicamente pelo menos 50000 ppm. Tais fluidos são geralmente muito ácidos (pH < 4,5). Por outro lado, a temperatura dos mesmos pode exceder 90°C e mesmo 130°C.

[0011] A carcaça interna está em contato direto com esses fluidos corrosivos e deve, portanto, ser realizada em um material bastante resistente à corrosão, por exemplo um aço inoxidável. Em contrapartida, a abóbada de pressão e as armaduras de tração são isoladas desses fluidos graças à camada interna de estanqueidade, e se encontram, portanto, em um ambiente nitidamente menos corrosivo do que aquele da carcaça interna, pois somente certos gases corrosivos podem lentamente se difundir através da camada interna de estanqueidade. Consequentemente, a abóbada de pressão e as armaduras de tração podem ser realizadas em aço carbono, nitidamente menos custoso do que o aço inoxidável utilizado para a carcaça interna.

[0012] Ainda que a camada de pressão (camada interna de estan- queidade) seja estanque aos hidrocarbonetos e aos outros fluidos transportados tais como a água, pequenas quantidades de gás podem lentamente se difundir através dessa última, notadamente quando a temperatura e sua pressão são elevadas. Esse fenômeno se refere principalmente a moléculas de pequeno tamanho, notadamente a água em fase vapor, e os gases de dióxido de carbono (CO2), de sulfeto de hidrogênio (H2S) e de metano (CH4). Assim, quando o fluido de petróleo contém um ou vários desses gases, esse ou esses últimos podem se difundir através da camada depressão e vir se acumular dentro do espaço anular situado entre a camada de pressão e a camada externa de estanqueidade. A presença desses gases de difusão dentro do espaço anular pode gerar um meio corrosivo para os fios metálicos da abóbada de pressão e das armaduras de tração. Esses mecanismos de migração e de corrosão são amplificados notadamente pela temperatura e pelos teores em espécies ácidas.

[0013] É possível antecipar o efeito da corrosão por uma seleção rigorosa dos graus de aço utilizado (aço "sour-service") e por espessuras de aço adaptadas para a abóbada de pressão e para as armaduras de tração. É conhecido que um grau de aço para meio ácido ("sour-service") é mais caro na compra do que um grau de aço para meio substancialmente neutro ("sweet-service"), e leva a uma estrutura de flexível mais pesada pois, com seção igual, um grau de aço "sour- service" possui propriedades mecânicas piores do que um aço "sweetservice".

[0014] O documento EP 844 429 propõe introduzir, dentro de uma camada feita de material polimérico, produtos quimicamente ativos com os compostos ácidos (H2S e/ou CO2) de maneira a neutralizar irreversivelmente os efeitos corrosivos dos ditos compostos ácidos e de maneira a evitar os efeitos corrosivos sobre as partes metálicas do tubo.

[0015] Outras soluções propõem utilizar bainhas contínuas metáli cas das quais a permeabilidade aos gases pode ser considerada como nula, no entanto a execução desses tubos flexíveis pode ser bastante complicada, e a tensão de flexibilidade do tubo leva a soluções complexas do tipo "liner" metálico que apresenta geralmente uma resistência insuficiente com o passar do tempo.

[0016] É conhecido o documento US-4903735 que descreve o en rolamento de tiras metálicas sobre uma camada feita de polímero, e cujas bordas da tira são coladas entre si. No entanto, por ocasião do enrolamento do tubo sobre a bobina, as colagens não podem permanecer íntegras, o que proporciona vazamentos ao nível da tira metálica. De fato, um contato metal-metal não é estanque, exceto em configuração estática, depois de preparação minuciosa das superfícies.

[0017] A presente invenção se propõe a aperfeiçoar esse princípio otimizando para isso uma camada barreira de difusão.

[0018] O dispositivo de acordo com a invenção

[0019] A invenção se refere a um tubo flexível para transportar um efluente de petróleo que compreende água e pelo menos um composto ácido entre o dióxido de carbono CO2 e o sulfeto de hidrogênio H2S, o dito tubo compreendendo pelo menos um elemento metálico de reforço mecânico e uma camada de pressão, o dito elemento metálico sendo disposto no exterior da dita camada de pressão, uma barreira de difusão sendo disposta entre a dita camada de resistência à pressão e o dito elemento metálico de reforço mecânico, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão compreende pelo menos uma tira metálica enrolada em torno da dita camada de resistência à pressão de modo a proporcionar um recobrimento metálico em uma distância compreendida entre 35 e 75% da largura da dita tira metálica e pelo fato de que um material polimérico é intercalado nesse recobri- mento.

[0020] De acordo com um modo de realização, a dita tira metálica é recoberta pelo menos parcialmente por uma camada do dito material polimérico em pelo menos uma face.

[0021] Alternativamente, a dita barreira de difusão é formada pela dita tira metálica e por uma tira do dito material polimérico.

[0022] Vantajosamente, a dita tira do dito material polimérico tem uma largura substancialmente igual à largura da dita tira metálica.

[0023] De acordo com uma execução, a dita tira metálica é feita de aço inox, feita de aço carbono, feita de liga de Níquel, de Titânio, ou de Alumínio.

[0024] De maneira vantajosa, o dito material polimérico da dita barreira de difusão é um elastômero ou um polímero termoplástico escolhido entre os graus seguintes: NBR (copolímero butadieno- acrilonitrila), CR (Policloropreno, Neopreno), EPDM (etileno-propileno- dieno monômero), CO (Policlorometiloxirano), TFE (tetrafluoretileno), PU (Poliuretano), Silicone, PE (polietileno), PA (poliamida), PVDF (Po- lifluoreto de vinilideno).

[0025] De acordo com uma opção de realização, a dita barreira de difusão compreende pelo menos duas camadas de tira metálica enroladas na horizontal, a segunda camada de tira metálica formando o dito recobrimento.

[0026] Em alternativa, a dita barreira de difusão compreende pelo menos uma camada de tira metálica enrolada em S para formar o dito recobrimento.

[0027] Em variante, a dita barreira de difusão compreende pelo menos uma camada de tira metálica enrolada em "duplo S" para formar o dito recobrimento.

[0028] De acordo com um modo de realização, a dita barreira de difusão tem uma largura compreendida entre 25 e 150 mm.

[0029] De acordo com uma execução da invenção, a camada do dito material polimérico da dita barreira de difusão tem uma espessura compreendida entre 0,5 mm e 4 mm.

[0030] De acordo com um modo de realização, a dita tira metálica da dita barreira de difusão tem uma espessura compreendida entre 0,2 mm e 2 mm.

[0031] De acordo com uma opção de realização uma camada de elastômero é intercalada entre a dita barreira de difusão e o dito elemento metálico de reforço mecânico.

Apresentação sucinta das figuras

[0032] Outras características e vantagens do processo de acordo com a invenção, aparecerão com a leitura da descrição abaixo de exemplos não limitativos de realizações, fazendo-se referência às figuras anexas e descritas abaixo.

[0033] A figura 1 ilustra esquematicamente em perspectiva um c tubo flexível de acordo com a arte anterior.

[0034] As figuras 2a, 2b e 2c ilustram em corte de acordo com um plano axial três modos de realização de um tubo flexível de acordo com a invenção.

[0035] A figura 3 representa esquematicamente em perspectiva um modo de realização de tiras metálicas de acordo com a invenção.

[0036] A figura 4 mostra um esquema geométrico utilizado para as avaliações teóricas da eficácia da barreira de difusão de acordo com a invenção.

[0037] Um tubo flexível de acordo com a arte anterior é represen tado pela figura 1. Esse tubo é constituído por várias camadas descritas abaixo da parte de dentro para o exterior do tubo. O tubo flexível é de tipo não ligado ("unbonded" em inglês) e responde às especificações definidas no documento normativo API 17J.

[0038] A carcaça interna 1 é constituída por uma tira metálica en rolada de acordo com uma hélice com passo curto. Ela é destinada à resistência ao esmagamento sob o efeito da pressão externa aplicada ao tubo.

[0039] A camada interna de estanqueidade 2 é realizada por ex- trusão de um material polimérico, em geral escolhido entre as poliolefi- nas, as poliamidas e os polímeros fluorados.

[0040] A abóbada de pressão 3 realizada em fios metálicos gram peados ou encaixáveis assegura a resistência à pressão interna dentro do tubo.

[0041] As mantas de armaduras de tração 4 são constituídas por fios metálicos enrolados em hélice de acordo com ângulos dos quais o valor absoluto é compreendido entre 20° e 55°. O tubo compreende vantajosamente duas mantas superpostas e cruzadas de armaduras de tração 4, como representado na figura 1. Por exemplo, se a manta interna de armaduras de tração é enrolada com um ângulo de hélice igual a 30°, a manta externa de armaduras de tração é enrolada com um ângulo de hélice igual a -30°. Essa simetria angular permite equilibrar o tubo em torção, de modo a reduzir sua tendência a girar sob o efeito de um esforço de tração.

[0042] Quando as duas mantas superpostas e cruzadas de arma dura de tração 4 são enroladas com um ângulo de hélice substancialmente igual a 55°, a abóbada de pressão 3 pode opcionalmente ser suprimida pois o ângulo de hélice de 55° confere às mantas de armadura de tração 4 uma boa resistência à pressão interna.

[0043] A camada externa de estanqueidade 5 feita de polímero forma uma proteção externa do tubo.

[0044] O tubo representado pela figura 1 é do tipo "rough bore", quer dizer que o fluido em circulação dentro do tubo está em contato com a carcaça interna 1.

[0045] Alternativamente, o tubo pode ser do tipo "smooth bore". Nesse caso, o tubo representado pela figura 1 não compreende uma carcaça interna 1. A camada polimérica 2 está diretamente em contato com o fluido de circulação dentro do tubo.

Descrição Detalhada da Invenção

[0046] O tubo flexível de acordo com a invenção compreende pelo menos uma camada de pressão e pelo menos um elemento metálico de reforço mecânico. No presente pedido o termo "elemento metálico de reforço mecânico" designa qualquer camada metálica do tubo flexível que circunda a camada de pressão e da qual a função é a de retomar esforços mecânicos aos quais é submetido o tubo. Assim, cada manta de armadura de tração realizada com fios de armadura metálicos constitui um elemento metálico de reforço mecânico. Por outro lado, a abóbada de pressão metálica constitui, ela também, um elemento metálico de reforço mecânico. Além disso, o tubo flexível de acordo com a invenção pode vantajosamente compreender pelo menos uma das outras camadas do tubo flexível descritas em referência à figura 1, notadamente uma carcaça interna, uma camada externa de estan- queidade e/ou outras camadas suplementares. De preferência, o tubo flexível de acordo com a invenção é do tipo não ligado ("unbonded" em inglês) e responde às especificações definidas do documento normativo API 17J.

[0047] De acordo com a presente invenção, a acidez aquosa den tro do elemento metálico de reforço mecânico é limitada, dispondo para isso uma barreira de difusão sobre a camada de pressão a fim de limitar as consequências da permeabilidade relativa da camada de pressão aos gases ácidos. A barreira de difusão é disposta entre a camada de pressão e o elemento de reforço mecânico.

[0048] De acordo com a invenção, a barreira de difusão compre ende pelo menos uma tira metálica enrolada em torno da camada de pressão de modo a proporcionar um recobrimento metálico. É chamado de recobrimento metálico, o fato de que uma espira do enrolamento da tira metálica F se sobrepõe à espira precedente: duas espiras consecutivas do enrolamento da tira metálica se sobrepõem. O princípio fundamental da barreira de difusão de acordo com a invenção é fundado na operação conjunta de uma união entre vários materiais, cada material tendo uma função específica. É utilizado um material metálico, a saber a tira metálica, por sua estanqueidade quase total aos gases (aço inoxidável por exemplo), e um polímero por sua flexibilidade e sua permeabilidade limitada. Pelo termo de polímero, é preciso compreender os polímeros termoplásticos e os elastômeros. A presença de um polímero no recobrimento, do mesmo modo que uma junta, permite controlar melhor a estanqueidade (estanqueidade metal-polímero).

[0049] Vantajosamente, a barreira de difusão pode ser formada diretamente sobre a superfície externa da camada de pressão do tubo flexível. Com esse objetivo, uma camada metálica é enrolada sobre a camada de pressão de maneira a conservar uma certa flexibilidade ao tubo flexível, mas com um recobrimento suficientemente amplo para criar um mascaramento de uma parte da superfície de difusão (e, portanto, reduzir as vazões na direção do anular). A tortuosidade criada tem como efeito aumentar o comprimento do caminho de difusão e, portanto, de reduzir as vazões. Os espaços vazios dessa tortuosidade são preenchidos pelo material polimérico, de preferência pouco permeável.

[0050] Vantajosamente, a tira metálica F é enrolada com um ângu lo de hélice de valor absoluto superior a 55°, preferencialmente superior a 70°.

[0051] De acordo com um primeiro modo de realização da inven ção, a barreira de difusão pode compreender uma tira metálica (também chamada de folha metálica) recoberta pelo menos parcialmente por polímero em pelo menos uma das faces da tira metálica. Assim, o polímero é fixado diretamente sobre a tira metálica. Uma tal tira metálica recoberta pelo menos parcialmente de polímero é designada pelo termo "tira multicamadas" (preferencialmente bi ou tri camadas). Dessa maneira, a união pode tomar a forma de uma tira multicamadas que, por exemplo, pode ser enrolada de maneira helicoidal, com recobri- mento em torno da camada de pressão do flexível por ocasião da fabricação. Esse modo de realização permite facilitar a fabricação do tubo flexível.

[0052] Para assegurar uma adesão determinada entre um políme ro e uma folha metálica, é possível considerar várias técnicas de realização: - a colagem (unicamente para certos polímeros/elas- tômeros). Essa solução apresenta a vantagem de ser pouco onerosa. - a "adesão", essa técnica consiste em realizar a utilização do polímero/elastômero diretamente sobre a folha de aço. A adesão é ao mesmo química e física, o que assegura uma melhor resistência e durabilidade.

[0053] De acordo com um segundo modo de realização da inven ção, a barreira de difusão pode compreender uma tira metálica e uma tira polimérica distintas. Essas duas tiras não são unidas (elas não são coladas ou não aderem uma sobre a outra antes do acréscimo das mesmas sobre a camada de polímero de resistência à pressão). A tira polimérica é disposta pelo menos na zona de recobrimento da tira metálica. De maneira vantajosa, a largura da tira polimérica é substancialmente igual à largura da tira metálica. Assim, é possível realizar a colocação simultânea das tiras, e dessa maneira facilitar a fabricação do tubo flexível. Alternativamente, as duas tiras (de largura substancialmente igual ou não) podem ser enroladas de maneira independente. De preferência, a adesão suficiente (a ausência de movimento relativo) entre cada tira pode ser assegurada pela tensão de colocação por ocasião da fabricação e pela pressão interna em serviço.

[0054] De acordo com a invenção, o recobrimento metálico pro porcionado pelo enrolamento da tira metálica F é realizado de tal modo que a distância de recobrimento (de acordo com a direção longitudinal do tubo flexível) é compreendida entre 35% e 75% da largura da tira metálica, para realizar a propriedade da barreira de difusão. Assim, a colocação da tira metálica é realizada sobre o enrolamento precedente da tira metálica em uma distância que representa de 35 a 75% da largura da tira metálica. A taxa de recobrimento pode ser escolhida em função da largura da tira metálica. Acima de 75%, a espessura da barreira de difusão seria grande demais (necessidade de quatro camadas de tiras metálicas). De maneira vantajosa, para aumentar a propriedade de barreira de difusão, a distância de recobrimento metálico é superior a 40% da largura da tira metálica, de maneira a que o mascara- mento seja o maior possível. De preferência, para otimizar essa propriedade de barreira de difusão, a distância de recobrimento metálico é compreendida entre 45 e 55% da largura da tira metálica. De fato, uma taxa de recobrimento próxima de 50% é próxima do ótimo para maximizar a propriedade de barreira de difusão.

[0055] Vários modos de realização podem ser considerados para a realização da barreira de difusão. Dentre esses modos de realização, podem ser citados notadamente o recobrimento na horizontal, o reco- brimento em S e o recobrimento "em duplo S" (para esse recobrimen- to, a tira metálica forma três patamares substancialmente planos separados por duas partes curvas). As figuras 2a a 2c mostram esquematicamente de acordo com um corte de um tubo flexível, e de maneira não limitativa, esses exemplos de realização da barreira de difusão de acordo com a invenção. Nessas figuras, os elementos similares aos elementos do tubo flexível da arte anterior ilustrada na figura 1 levam as mesmas referências.

[0056] No centro do tubo, é disposta uma carcaça interna metálica 1. Essa carcaça interna metálica 1 é recoberta por uma camada de pressão 2. Sobre a camada de pressão 2, é prevista uma barreira de difusão B. Dentro dessa barreira de difusão B, tiras metálicas F são enroladas com um material polimérico P intercalado entre o recobri- mento das tiras metálicas. No exterior da barreira de difusão B são dispostas uma abóbada de pressão 3 metálica, mantas de armadura de tração 4 metálicas e uma camada externa de estanqueidade 5 feita de polímero. A referência T identifica o comprimento do recobrimento ou comprimento de tortuosidade cheio de material polimérico.

[0057] Esse enrolamento pode por exemplo ser realizado na hori zontal sob a forma de duas camadas (tira metálica e polimérica) superpostas com recobrimento longitudinal (figura 2a). As duas camadas têm uma largura substancialmente idêntica. Para essa realização, o recobrimento é substancialmente igual a 50%.

[0058] De acordo com a figura 2b, é possível também realizar uma colocação em S com recobrimento longitudinal. Para essa configuração, uma parte da tira metálica F recobre diretamente a camada de pressão 2, e uma outra parte recobre um outro enrolamento da tira metálica F. Para essa realização, o recobrimento é substancialmente igual a 50%.

[0059] De acordo com o modo de realização da figura 2c, o enro lamento é realizado de acordo com uma forma de "duplo S", essa realização se refere a um recobrimento metálico superior a 50% de largura da tira. Dessa maneira, três tiras metálicas são superpostas. Para essa realização, o recobrimento é substancialmente igual a 66%.

[0060] Os tubos representados nas figuras 2a, 2b, 2c são do tipo "rough bore", quer dizer que o fluido em circulação dentro do tubo está em contato com a carcaça interna 1.

[0061] Alternativamente, os tubos podem ser do tipo "smooth bo re". Nesse caso, os tubos representados respectivamente pelas figuras 2a, 2b, 2c não compreendem uma carcaça interna 1. A camada poli- mérica 2 está diretamente em contato com o fluido em circulação den- tro do tubo.

[0062] A presença de um polímero na tortuosidade, do mesmo modo que uma junta, permite otimizar a estanqueidade (estanqueida- de metal-polímero) da barreira de difusão B. Para isso, a tira metálica F é de preferência colocado com uma certa tensão para assegurar um contato entre as diferentes camadas e com a camada de pressão 2 em todas as condições de utilização do flexível, seja em produção ou em paralisação. Em serviço, a pressão interna ao flexível contribui para assegurar ainda mais o confinamento das camadas.

[0063] A fabricação da barreira de difusão B em torno da camada de pressão 2 pode ser realizada de diferentes maneiras. De preferência, ela pode ser realizada por enrolamento helicoidal de uma tira metálica F recoberta pelo menos parcialmente por uma camada de polímero P em pelo menos uma face, quer dizer pelo enrolamento de uma tira multicamadas.

[0064] A tira metálica pode apresentar diferentes geometrias. A figura 3 ilustra, de maneira esquemática e não limitativa, o enrolamento de uma tira metálica F sobre uma camada 2. A tira metálica F é recoberta por um polímero não representado.

[0065] A geometria final da tortuosidade depende, portanto, do modo de colocação (na horizontal, em S, em duplo S, ou outro) e da geometria da camada metálica.

[0066] De acordo com uma variante de realização da invenção, é possível considerar um método de fabricação da barreira de difusão a partir de tiras metálicas nuas (não revestidas). Uma primeira camada de tira metálica (folha feita de aço é enrolada em torno do flexível, e o polímero é extrudado diretamente sobre a folha metálica, e depois a barreira de difusão é formada por acréscimo de uma segunda tira de folha de aço com recobrimento suficiente para formar a tortuosidade, e no caso de um elastômero, a reticulação pode ser realizada depois da colocação das tiras metálicas. Esse modo de realização é mais difícil de controlar em fabricação, mas apresenta o interesse de poder realizar uma camada elastomérica ou polimérica continua, sem espaço entre cada tira metálica que é inteiramente embutida no polímero.

[0067] De acordo com um modo de realização da invenção, a es pessura da tira metálica da barreira de difusão pode ser compreendida entre 0,2 e 2 mm. Uma tal gama de espessuras permite assegurar corretamente a função de barreira contra a difusão dos gases ácidos, e permite realizar a colocação com uma máquina pouco possante (por exemplo uma máquina de isolamento). Por outro lado, uma tal espessura permite limitar a massa e o custo do tubo flexível.

[0068] De acordo com um modo de realização da invenção, a es pessura da camada polimérica (colada ou não à tira metálica) da barreira de difusão pode ser compreendida entre 0,5 e 4 mm. Essa espessura pode ser escolhida em função da largura da camada de polímero. Em especial, é possível escolher uma razão espessura/largura da camada polimérica de maneira a garantir a tortuosidade da barreira de difusão. Uma tal espessura de polímero permite assegurar o efeito ligado à tortuosidade (papel de barreira de difusão), ao mesmo tempo em que garante a estanqueidade.

[0069] Vantajosamente, a largura da tira metálica da barreira de difusão é compreendida entre 25 e 150 mm. Assim, é possível utilizar os meios de produção atuais utilizados para as outras camadas do tubo flexível.

[0070] Um estudo por elementos terminados de numerosas confi gurações teóricas permitiu determinar o impacto dos principais parâmetros geométricos e físicos da barreira de difusão sobre a redução de permeabilidade: impacto da largura da camada metálica, da espessura da tortuosidade, de seu comprimento, de sua posição, de sua permeabilidade, do espaço entre duas tiras sucessivas, etc. Na maior parte dos casos, a redução de permeabilidade é grande: de um fator 10 a 106 de acordo com a configuração e os materiais utilizados. A escolha da melhor configuração é sempre um compromisso que leva em consideração pelo menos: o modo de utilização do flexível, as condições de pressão e de temperatura, as dimensões do flexível, o comportamento mecânico do flexível e os custos.

[0071] Primeiros cálculos foram realizados a partir de uma geome tria teórica de barreira de difusão de acordo com o esquema da figura 4. É considerada uma matriz de polímero com 4mm de espessura na qual são embutidas tiras metálicas impermeáveis de comprimento L, separadas por uma espessura e_T de polímero. O recobrimento é aqui da ordem de 50%. A vazão de um gás através dessa união, Q, é comparada com a vazão do mesmo gás na mesma espessura de polímero, Q0, sem as folhas metálicas. A razão Q/Q0 representa o fator de redução da permeabilidade da união, e permite diretamente quantificar o efeito barreira de uma união. Quanto menor for essa razão, maiores são a redução de permeabilidade e o efeito barreira. Os cálculos realizados nessa geometria permitiram determinar a evolução da propriedade de barreira de acordo com a largura da folha e a espessura da tortuosidade, para uma taxa de recobrimento dada. É também possível fazer a taxa de recobrimento variar, e foi mostrado pelo cálculo que uma taxa de recobrimento de cerca de 50% é próxima do ótimo para maximizar a propriedade de barreira, com por outro lado todas as coisas iguais. No entanto, considerando outras limitações, mecânicas, de fabricação, ou de custos, é possível considerar que para uma aplicação flexível petrolífera, uma largura L de tira metálica compreendida entre 25 mm e cerca de 150 mm convém e que o recobrimento pode ser compreendido entre 35% e 75%, de preferência superior a 40%, ainda que 50% seja de preferência o melhor compromisso.

[0072] Os resultados principais dos cálculos se referem à colocação de uma barreira de difusão que compreende várias tiras bimetais (tira metálica revestida de polímero se acordo com o primeiro modo de realização da invenção), com largura de 100 mm, colocadas na horizontal ou em S sobre uma camada de pressão feita de polímero (poliamida, PA) com espessura de 5 mm. Os cálculos de vazão Q sobre essas uniões foram comparados com a vazão Q0 em uma camada de pressão feita de polímero (PA) de mesma espessura total (e sem barreira de di-fusão de acordo com a invenção), ou seja, 7 mm ou 9 mm de acordo com a espessura de barreira considerada. Por exemplo, uma barreira de difusão de acordo com a invenção composta por HNBR (borracha acrilonitrila butadieno hidrogenada) e por inox colocada na horizontal sob a forma de 2 camadas de 1 mm sobre uma camada de pressão com 5 mm de PA (polímero) possui uma vazão 40 vezes menor do que a mesma espessura total de PA (7 mm nesse caso).

[0073] Várias informações podem ser deduzidas dos cálculos: - a colocação na horizontal parece mais eficaz de um ponto de vista barreira do que a colocação em S, com por outro lado todas as coisas iguais; - a colocação de 4 tiras de 1 mm parece mais eficaz do que a colocação de 2 tiras de 2 mm, com por outro lado todas as coisas iguais; - As propriedades do material que preenche a tortuosidade impactam bastante o fator de redução da vazão. Se a HNBR (elastô- mero) for substituída por PA (termoplástico), o fator de redução passa de 22 para 165. Nos cálculos, a permeabilidade do PA é 14 vezes inferior a aquela da HNBR.

[0074] O conjunto dos cálculos coloca em evidência a importância da seleção do material presente na tortuosidade. Esse material deverá ter a menor permeabilidade possível ao mesmo tempo em que é capaz de se deformar elasticamente de maneira importante a cada ciclo de fadiga. É por essa razão que os materiais serão preferencialmente es- colhidos entre os elastômeros. Além disso, um critério de escolha do material polimérico pode ser sua compatibilidade com o material a camada polimérica.

[0075] De fato, as flexões repetidas do tubo flexível, no caso nota- damente em que esse último é utilizado como coluna ascendente ("riser") e é devido a isso submetido a numerosos ciclos de flexão, não podem, de preferência, gerar deformações notáveis nas tiras metálicas. As deformações deverão permanecer inferiores a 0.2%, de preferência 0.1%, para não plastificar o metal e, portanto, reduzir bastante sua duração de vida. Em certos casos as riras metálicas podem acomodar a flexão do tubo flexível "deslizando" para isso sem se deformar, ou quase. As tiras são então escolhidas bastante espessas para terem a rigidez suficiente. O deslizamento pode ser ou um verdadeiro deslizamento, mas isso pode gerar desgaste e necessitar de uma lubrificação, ou ser acomodado por uma camada intermediária flexível constituída por um material polimérico próprio para se cisalhar sem gerar grandes esforços na tira metálica ou no substrato. Essa função é realizada pelo material polimérico intercalado no recobrimento metálico proporcionado pelo enrolamento da tira metálica.

[0076] Por outro lado, pode ser considerado que uma camada elastomérica seja intercalada entre a camada de pressão e a tira metálica para evitar um deslizamento direto entre os dois elementos. Em outros casos, se a tira metálica for constituída por um material metálico do tipo superelástico, esse "deslizamento" é limitado e mesmo evitado.

[0077] O material polimérico pode preferencialmente também su portar as aberturas e fechamentos entre duas tiras metálicas, o que vai gerar deformações localizadas grandes no elastômero.

[0078] Um cálculo de mecânica permite definir as espessuras óti mas das tiras metálicas e elastômero e a folga entre duas tiras. Ele permitirá também orientar a escolha do elastômero.

[0079] A aplicação visada se situa de preferência aos tubos de transporte do efluente de petróleo produzido ("flowlines" e "risers"). As cargas a levar em consideração sobre o tubo são: - As cargas em fabricação e instalação, caracterizadas por grandes curvaturas, pequenas pressões de contato, temperatura ambiente (-15°C a +50°C), um pequeno número de ciclos de flexão (alguns milhares). - A carga em produção. Ela é limitada a grandes pressões de contato, temperaturas elevadas com pequenas variações das pressões de contato e de temperatura com o passar do tempo.

[0080] No caso da aplicação estendida aos "risers’, é possível le var em consideração as cargas dinâmicas em produção específicas aos "risers" que podem ser pequenas curvaturas, grandes pressões de conato, grande número de ciclos de flexão (alguns milhões).

[0081] O material polimérico presente na tortuosidade pode apre sentar características precisas em termos de: - Permeabilidade; - Dilatação sob o efeito da solubilidade dos gases e da água; - Propriedades mecânicas (dureza, deformação elástica, fadiga, fluência); - Durabilidade em presença dos compostos químicos presentes no anular.

[0082] Os métodos de determinação dessas características são para o conjunto bastante clássicos: testes de permeabilidade aos diferentes gases e líquidos, envelhecimentos em atmosferas representativas, ensaios mecânicos (tração, compressão, fluência, fadiga, dureza, ...).

[0083] É lembrado que o polímero da barreira de difusão pode ser um elastômero ou um polímero termoplástico. Por exemplo, a caracte- rização da permeabilidade de várias famílias de elastômeros mostra que os Viton® (The Chemours Company, USA) e os Butyl fazem parte dos graus menos permeáveis, e, portanto, são adaptados à barreira de difusão de acordo com a invenção. É constatado que a permeabilidade decresce com o aumento da dureza. Existe, portanto, certamente um compromisso a encontrar entre permeabilidade (a menor possível) e propriedades mecânicas (flexibilidade suficiente em cisalhamento, resistência em fadiga). O preço desses materiais podem ser também um fator de escolha. É possível citar entre outros: HNBR 80 ou 90 Shore, AFLAS 80 Shore ® (Seal and design, USA), VITON 75 ou 80 Shore ® (The Chemours Company, USA, HYPALON 60 Shore ® (DuPont, USA), BUTYL 60 Shore, COFLON ® (TECHNIP, França).

[0084] Por outro lado, o material polimérico da barreira de difusão pode ser escolhido entre os graus seguintes: NBR (copolímeros buta- dieno-acrilonitrila), CR (Policloropreno, Neopreno), EPDM (etileno- propileno-dieno monômero), CO (Policlorometiloxirano), TFE (tetrafluo- retileno), PU (Poliuretano), Silicone, PE (polietileno), PA (poliamida), PVDF (Polifluoreto de vinilideno).

[0085] De acordo com um primeiro exemplo de realização da in venção, o material polimérico utilizado para realizar a barreira de difusão de um tubo flexível ascendente ("riser") tipicamente submetido a tensões estáticas e dinâmicas pode ser escolhido entre os elastôme- ros, em razão de suas boas propriedades mecânicas para o cisalha- mento.

[0086] De acordo com uma segunda execução da invenção, o ma terial polimérico utilizado para realizar a barreira de difusão de um tubo flexível que se estende sobre o fundo marinho ("flowline") tipicamente submetido a tensões estáticas pode ser escolhido entre as poliamidas, que são mais rígidas, permitem limitar o deslizamento, e são pouco onerosas.

[0087] A especificação da folha metálica (tira metálica da barreira de difusão) pode levar em consideração a corrosividade do meio anular, e a utilização de um aço inoxidável pode não ser suficiente. A resistência à corrosão de numerosos materiais metálicos (aços inoxidáveis e ligas de Níquel / de Titânio / de Alumínio, ...) é estudada e a determinação do melhor grau de aço a utilizar em função das condições de funcionamento pode ser escolhida dentre os aços Inox, os aços carbono, Duplex, Super-Duplex, Monel, Inconel ® (Special Metals Corporation, USA), Hastelloy, ou equivalente. De maneira vantajosa, a tira metálica pode ser realizada em aços carbono de baixas características que apresentam uma boa resistência à corrosão. De fato, a corrosão desse tipo de aço se apresenta sob a forma de uma corrosão generalizada, geralmente mais lenta, do que a corrosão por pontos de corro-são formada em certos aços.

Claims (13)

1. Tubo flexível para transportar um efluente de petróleo que compreende água e pelo menos um composto ácido dentre dióxido de carbono CO2 e sulfeto de hidrogênio H2S, o dito tubo compreendendo pelo menos um elemento metálico de reforço mecânico (3, 5) e uma camada de pressão (2), o dito elemento metálico (3, 5) sendo disposto no exterior da dita camada de pressão (2), uma barreira de difusão (B) sendo disposta entre a dita camada de resistência à pressão (2) e o dito elemento metálico de reforço mecânico (3, 5), caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) compreende pelo menos uma tira metálica (F) enrolada em torno da dita camada de resistência à pressão (2) de modo a proporcionar um recobrimento metálico em uma distância compreendida entre 35 e 75% da largura da dita tira metálica (F) e pelo fato de que um material polimérico (P) é intercalado nesse recobrimento, o material polimérico sendo um polímero termoplástico ou um elastômero.

2. Tubo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita tira metálica (F) é recoberta pelo menos parcialmente por uma camada do dito material polimérico (P) em pelo menos uma face.

3. Tubo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) é formada pela dita tira metálica (F) e por uma tira do dito material polimérico (P).

4. Tubo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dita tira do dito material polimérico (P) tem uma largura igual à largura da dita tira metálica (F).

5. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a dita tira metálica (F) é feita de aço inox, feita de aço carbono, feita de liga de Níquel, de Titânio, ou de Alumínio.

6. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dito material polimérico (P) da dita barreira de difusão (B) é um elastômero ou um polímero termoplástico escolhido dentre os seguintes graus: NBR (copolímero butadi- eno-acrilonitrila), CR (Policloropreno, Neopreno), EPDM (etileno- propileno-dieno monômero), CO (Policlorometiloxirano), TFE (tetrafluo- retileno), PU (Poliuretano), Silicone, PE (polietileno), PA (poliamida), ou PVDF (Polifluoreto de vinilideno).

7. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) compreende pelo menos duas camadas de tira metálica (F) enroladas na horizontal, a segunda camada de tira metálica (F) formando o dito re- cobrimento.

8. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) compreende pelo menos uma camada de tira metálica (F) enrolada em S para formar o dito recobrimento.

9. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) compreende pelo menos uma camada de tira metálica (F) enrolada em "duplo S" para formar o dito recobrimento.

10. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a dita barreira de difusão (B) tem uma largura compreendida entre 25 e 150 mm.

11. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a camada do dito material polimé- rico (P) da dita barreira de difusão tem uma espessura compreendida entre 0,5 mm e 4 mm.

12. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a dita tira metálica (F) da dita barreira de difusão (B) tem uma espessura compreendida entre 0,2 mm e 2 mm.

13. Tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que uma camada de elastômero é intercalada entre a dita barreira de difusão (B) e o dito elemento metálico de reforço mecânico (3,5).

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