BR112019016069A2

BR112019016069A2 - Cabo

Info

Publication number: BR112019016069A2
Application number: BR112019016069-8A
Authority: BR
Inventors: Ray Parris Donald; Bechis Massimo
Original assignee: Prysmian S.P.A.
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2020-03-31
Also published as: AU2017398629A1; AU2017398629B2; US20190378635A1; EP3580766A1; WO2018145736A1; NZ755622A; US11107604B2

Abstract

é revelado um cabo compreendendo um elemento de tração alongado tendo uma área de seção transversal e compreendendo um núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra tendo um módulo elástico de pelo menos 70 gpa e uma cobertura pelo menos parcialmente cobrindo o núcleo de compósito, a cobertura sendo feita de metal e sendo pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração.

Description

CABO

FUNDAMENTOS [001] A presente invenção refere-se ao campo de cabos e tubos flexíveis, em particular para aplicações submarinas e mais em particular para aplicações submarinas em águas profundas. Em particular a presente invenção refere-se a um cabo ou um tubo flexível com elementos de tração melhorada. TÉCNICA ANTERIOR [002] Cabos ópticos, cabos de energia, cabos umbilicais, tubos flexíveis para aplicações submarinas são bem conhecidos na técnica. Em particular, tubos flexíveis compreendem um tubo para transportar de forma segura um fluido, tal como petróleo bruto ou gás, de uma maneira confinada.

[003] Para o propósito da presente invenção, a menos que de outra maneira especificado, os termos “cabo submarino”, “cabo para aplicações submarinas” (ou qualquer forma similar) ou simplesmente “cabo” incluirá um elemento flexível alongado configurado para transportar energia e/ou sinais de telecomunicação e/ou um ou mais fluidos. Para o propósito da presente invenção, o termo “cabo” incluirá, por exemplo, cabo de energia, cabo óptico, tubo flexível para transportar um fluido ou qualquer combinação dos mesmos. [004] A presente invenção não está limitada a cabos para aplicação submarina e pode ser aplicada a outros campos onde resistência à tração e peso leve são de importância. Por exemplo, o peso leve é interessante no caso de cabos para elevadores ou semelhantes, especialmente quando instalados em edifícios muito altos.

[005] Durante instalação e funcionamento, cabos e tubos flexíveis devem sustentar altas cargas de tração. Por exemplo, um cabo submarino ou um tubo dependura-se da embarcação de instalação a partir da superfície da água até o assoalho do oceano com uma consequente tensão de tração substancial.

[006] É conhecida a provisão de resistência à tração pelo uso de

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2/21 membros de tração de aço posicionados axialmente ou, mais frequentemente, em um arranjo entrançado em tomo do cabo ou estrutura de tubo para formar uma blindagem, conforme mostrado por exemplo, nos WO 2015/004597 e WO 2010/075873.

[007] Elementos de resistência à tração feitos de aço representam uma porção importante do peso do cabo. O peso do cabo estabelece o limite para a profundidade de deposição de um cabo submarino visto que quanto mais profunda a água, mais longa é a extensão do cabo (e, consequentemente, o peso do cabo) que fica “dependurado” da embarcação de instalação. Um dado peso do cabo pode causar um alongamento de cabo substancial (por exemplo, maior que 0,5%) susceptível de causar danos ao próprio cabo. Para cabos submarinos reforçados com aço, o limite de profundidade de deposição é cerca de 2000 metros.

[008] Além disso, o sistema de desbobinador da embarcação de instalação tem que ser comensurado ao peso do cabo a ser implantado. Quanto mais pesado é o cabo, maior precisa ser a força de preensão do sistema de desbobinador. Conforme a força de preensão aumenta, a resistência à compressão do cabo também tem que aumentar. Falha de esmagamento causada por preensão é um modo conhecido de falha.

[009] Elementos de tração feitos de material de polímero, em particular de material compósito de fibra (por exemplo, FRP), foram propostos.

[0010] Por exemplo, o WO 2012/076017 refere-se a um método de produção de elemento de polímero reforçado com fibra alongado curvo adequado para tubo flexível. O método compreende impregnar um maço de fibras com uma substância de impregnação curável moldável. O maço de fibras impregnadas é adicionalmente provido com um revestimento de material termoplástico.

[0011] A Furugen M. et al., Furukawa Review No. 21, 2002 ilustra

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3/21 um cabo submarino com dupla blindagem e a blindagem composta consistida por FRP (plástico reforçado com fibra de vidro) revestido com polietileno de alta densidade como a primeira camada.

[0012] A US 3.980.808 refere-se a um cabo elétrico tendo um membro de reforço plástico reforçado com fibra aplicado para transmitir diversas resistências mecânicas.

[0013] A requerente observou que elementos de tração feitos de um material compósito de fibra revestido com um material polimérico não pode ser deformado plasticamente sem perder ou aumentar sua funcionalidade. Eles podem ser substancialmente deformados elasticamente.

[0014] A deformação plástica é especialmente buscada quando os membros de tração são deformados plasticamente em terminações a fim de obter uma ligação forte entre a terminação e o cabo.

[0015] Métodos para prender uma terminação a um elemento de tração de cabo são revelados, por exemplo, na EP 1 867 906 e na US 2004/066035 onde os elementos de tração são curvados até mesmo em diâmetros de flexão muito pequenos.

[0016] Além disso, a blindagem de cabo é geralmente feita de elementos de tração alongados enrolados em torno do núcleo do cabo com um certo comprimento de passo. Se os elementos de tração alongados são feitos integralmente de material polimérico, sua falta substancial de deformação plástica pode também causar problemas nas extremidades do cabo onde, livre de restrições, o elemento pode empenar e desenrolar, causando problemas no manuseio de cabos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0017] A requerente abordou o problema de prover um cabo submarino configurado para instalações exercendo uma tensão de tração considerável no cabo, e, de maneira mais geral, o problema de ter um cabo mais leve que é adequado em instalações verticais como aquelas para cabos

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4/21 de elevador.

[0018] No caso de cabos submarinos, instalações em grandes profundidades, por exemplo, em profundidades de cerca de 2000 m ou mais são buscadas.

[0019] Em particular, a requerente voltou-se para o problema de se prover um membro de tração para um cabo submarino configurado para instalações em grandes profundidades que podería contribuir para limitar o alongamento do cabo durante instalação, prover resistência a compressão (esmagamento) suficiente, como requerido pelo equipamento de preensão usado para a implantação de cabo na profundidade oceânica desejada, e pode ser adequadamente deformado plasticamente para a conexão com terminações.

[0020] A requerente investigou projetos de elemento de tração feitos de materiais compósitos e observou que o uso de materiais poliméricos reduz o peso e/ou aumenta a resistência de um elemento de tração.

[0021] Por outro lado, metais são plasticamente deformáveis com pouca ou nenhuma diminuição de funcionalidade e, comparados a compósitos, são no geral mais duráveis e melhores de suportar manuseio, impactos e abrasões mais violentos. Eles são mais fáceis de se fabricar.

[0022] A requerente verificou que um elemento de resistência à tração adequado para acoplamento com as terminações e para aplicações de alta tração de cabos, umbilicais, tubos flexíveis) pode convenientemente ser feito de um compósito de fibra/polímero parcialmente ou integralmente revestido por uma manga de metal.

[0023] Em particular, verificou-se que um elemento de resistência à tração compreendendo uma quantidade predeterminada de metal e um compósito de fibra/polímero tendo um dado módulo elástico é efetivo para prover um cabo com deformação plástica e resistência a esmagamento adequadas para terminação e resistência à tração adequada para o cabo a ser

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5/21 implantado em grandes profundidades (ou de outro modo portando cargas significantes).

[0024] De acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção provê um cabo compreendendo um elemento de tração alongado tendo uma área de seção transversal e compreendendo um núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra tendo um módulo elástico de pelo menos 70 GPa e uma cobertura pelo menos parcialmente cobrindo o núcleo de compósito, a cobertura sendo feita de metal e sendo pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração.

[0025] Um cabo da invenção preferivelmente compreende uma pluralidade de elementos de tração alongados dispostos em uma ou mais camadas de blindagem para prover uma blindagem. A pluralidade de elementos de tração alongados é vantajosamente enrolada em tomo do eixo geométrico do cabo longitudinal. Quando a pluralidade de elementos de tração alongados é provida em mais camadas a direção de enrolamento de uma camada é preferivelmente oposta àquela da camada adjacente.

[0026] Os elementos de tração alongados da invenção podem ter uma seção transversal de qualquer formato, por exemplo, redondo, quadrado ou plano (tal como retangular ou oval) tendo um eixo geométrico menor e um eixo geométrico maior. Uma seção transversal plana é preferível como uma blindagem feita de elementos de tração alongados planos (com o eixo geométrico principal da seção transversal arranjada circunferencialmente em tomo do eixo geométrico do cabo) é mais compacta e o eixo geométrico longitudinal dos elementos individuais permanece mais próximo ao eixo geométrico principal do cabo.

[0027] Quando o elemento de tração alongado do cabo da invenção tem uma seção transversal plana, o núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra tem uma espessura de no máximo 80% da espessura do elemento de tração ao longo de seu eixo geométrico menor.

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6/21 [0028] Vantajosamente, em um elemento de tração alongado tendo uma seção transversal plana, o núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra é provido substancialmente centrado no eixo geométrico de flexão neutro do elemento de tração. Esse posicionamento do núcleo de compósito reforçado com fibra causa menos tensão no material compósito quando o elemento de tração alongado é deformado para ser conectado com terminações.

[0029] O polímero de compósito reforçado com fibra pode ser selecionado dentre fibras de carbono, fibras de aramida ou fibras de vidro ou uma combinação dos mesmos.

[0030] As fibras do polímero compósito reforçado são embutidas em uma matriz polimérica, por exemplo, uma matriz termofixa (por exemplo, uma resina epóxi tal como uma resina epóxi éster vimlica do bisfenol A; uma resina poliéster ou uma resina éster vinílica) ou uma matriz termoplástica (por exemplo, um poliéster ou uma poliamida). Embora um compósito polimérico reforçado com fibra com uma matriz termoplástica geralmente tem menor resistência a razões de peso que um compósito com matriz termofixa, um material de matriz termoplástica pode oferecer alta resistência a impacto, o que é desejável contra falha de esmagamento em algumas circunstâncias.

[0031] Vantajosamente, o núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra tem eixos longitudinais e fibras embutidas em uma matriz polimérica com eixos longitudinais substancialmente paralelos ao eixo longitudinal do núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra.

[0032] Quando o compósito polimérico reforçado com fibra compreende um componente condutor (por exemplo, fibras de carbono) uma película de revestimento termofixo ou termoplástico pode provida cerca do polímero de compósito reforçado com fibra como camada eletricamente isolante adequada para evitar qualquer acoplamento galvânico potencial entre a cobertura metálica e um componente condutor do polímero compósito.

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Acoplamento galvânico podería causar corrosão na cobertura metálica.

[0033] Na presente descrição e reivindicações, como “módulo elástico” quer dizer uma medida da rigidez de um material sólido, em particular a razão da tensão (força por área de unidade) ao longo de um eixo geométrico à deformação (razão de deformação ao longo do comprimento inicial). E também conhecido como módulo de Young.

[0034] O módulo elástico do compósito de polímero reforçado com fibra para o elemento de tração alongado da invenção é preferivelmente de pelo menos 100 GPa, mais preferivelmente até 300 GPa. Um maior módulo elástico podería resultar em um retomo elástico ou recuperação elástica após uma deformação muito forte ser retida pela cobertura de metal, especialmente quando um diâmetro de flexão muito pequeno (de 100 mm ou menos) é requerido.

[0035] A cobertura da invenção é preferivelmente feita de aço. Aço adequado para a presente invenção tem um módulo elástico de 150 a 250 GPa.

[0036] A cobertura de metal vantajosamente se estende substancialmente ao longo de todo o comprimento do elemento de tração alongado.

[0037] Preferivelmente, a cobertura de metal cobre continuamente o núcleo de compósito em todo seu comprimento.

[0038] A cobertura de metal dos elementos de tração alongados para o cabo da invenção representa pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração. Tal porcentagem pode variar dependendo do módulo elástico do compósito polimérico reforçado com fibra usado no núcleo do elemento e do diâmetro de flexão requerido para o elemento de tração alongado a ser terminado.

[0039] A cobertura de metal dos elementos de tração alongados para o cabo da invenção podem representar até 85% da área de seção transversal do

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8/21 elemento de tração. Esse limite superior é selecionado em vista da profundidade de implantação buscada do cabo e, consequentemente, do peso geral do cabo (onde quanto menor é a quantidade de metal no elemento de tração alongado, melhor) e da deformação plástica e resistência a esmagamento exercida na terminação (onde quanto maior a quantidade de metal no elemento de tração alongado melhor).

[0040] O núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra e uma cobertura de metal estão em contato direto um com o outro ou, preferivelmente, uma camada adesiva é interposta.

[0041] A cobertura e o núcleo são preferivelmente ligados por uma ligação adesiva ou mecânica (pressão).

[0042] O cabo pode ser um cabo óptico, um cabo de energia, um cabo umbilical ou um tubo flexível. Preferivelmente, o cabo é para aplicação submarina ou para implantação vertical longa, como cabos para elevadores.

[0043] Vantajosamente, a cobertura de metal dos elementos de tração alongados tem uma costura soldada longitudinal.

[0044] Preferivelmente, a cobertura de metal é feita de uma lâmina conformada para formar um alojamento aberto com bordas soldadas entre si após o núcleo ter sido inserido no alojamento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0045] A presente invenção tomar-se-á totalmente clara pela leitura da seguinte descrição detalhada, a ser lida por referência aos desenhos anexos, em que:

a Figura 1 é uma vista axonométrica de um tubo flexível para transportar petróleo bruto compreendendo uma estrutura de blindagem compreendendo uma pluralidade de elementos de tração alongados;

a Figura 2 é uma vista axonométrica de um cabo de energia de três núcleos blindados;

a Figura 3 é uma seção transversal de um cabo umbilical

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9/21 as Figuras 4a a 4f são seções transversais diagramáticas de elementos de tração alongados de acordo com algumas modalidades da presente invenção; e a Figura 5 mostra um exemplo de terminação conhecida na técnica.

DESCRIÇÃO DE EXEMPLOS [0046] Na presente descrição e reivindicações, a menos que especificado de outra maneira, todos os números e valores devem ser concebidos como precedidos pelo termo “cerca de”.

[0047] A presente invenção refere-se a um elemento de tração alongado para um cabo e um cabo compreendendo tal membro de tração alongado. Mais especificamente, o elemento de tração alongado é configurado para produzir uma blindagem de qualquer um dentre um cabo óptico, um cabo de energia, um cabo umbilical, um tubo flexível ou objeto alongado similar requerendo um elemento de resistência à tração, em particular, mas não somente, para aplicações submarinas. A presente invenção também inclui um cabo óptico, cabo de energia, cabo umbilical, tubo flexível (ou semelhantes) em particular, mas não somente, para aplicações submarinas compreendendo um ou mais elementos de tração alongados. Os elementos de tração alongados podem formar uma blindagem de cabo.

[0048] Um tubo flexível é mostrado na Figura 1. A Figura 1 é uma vista axonométrica de um tubo flexível submarino 100 para transportar um fluido tal como petróleo bruto. O tubo 100 compreende, em uma posição radialmente interna do mesmo, uma carcaça flexível de metal 10, configurada para operar em contato com o petróleo bruto (ou outro fluido) a ser transportado. A carcaça 10 compreende um enrolamento helicoidal 11 de um elemento alongado de aço inoxidável.

[0049] O tubo 100 compreende adicionalmente, em uma posição radialmente externa em relação à carcaça 10, uma camisa interna polimérica

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10/21 configurada para evitar vazamentos do fluido para fora da carcaça 10. O material polimérico do revestimento interno 20 é preferivelmente selecionado a partir do grupo que compreende: poliamida, fluoreto de polivinilideno, polietileno, polietileno reticulado.

[0050] O tubo 100 compreende adicionalmente, em uma posição radialmente externa em relação ao revestimento interno polimérico 20, uma estrutura de blindagem mecânica que é potencialmente exposta ao contato com água. A estrutura de blindagem mecânica compreende uma blindagem resistente à pressão 30 configurada para suporte a cargas radiais e uma blindagem de tração 40. A blindagem resistente à pressão 30 é formada a partir de um ou mais enrolamentos helicoidais de passo curto 31 de um elemento alongado de aço carbono com perfil intertravado 32. Uma camada 50 de material plástico é arranjada entre a blindagem resistente à pressão 30 e a blindagem de tração 40.

[0051] Conforme mostrado na Figura 1, a blindagem de tração 40 é arranjada em uma posição radialmente externa em relação à blindagem resistente à pressão 30. A blindagem de tração 40 é configurada para suporte às forças de tração longitudinais às quais o tubo 100 pode ser submetido em operação. A blindagem de tração 40 compreende uma primeira camada de blindagem de tração 41 e uma segunda camada de blindagem de tração 42 de enrolamentos helicoidais de longo passo de elementos de tração alongados 400 que se estendem paralelos entre si em uma hélice coaxial com o eixo geométrico longitudinal de tubulação X-X.

[0052] Os enrolamento helicoidais da segunda blindagem de tração 42 se estende ao longo de uma direção de enrolamento que é oposta à direção de enrolamento dos enrolamento helicoidais da primeira camada de blindagem de tração 41 com relação ao eixo longitudinal X-X, de modo a definir uma configuração cruzada. Preferivelmente, os enrolamentos helicoidais das primeira e segunda camadas de blindagem de tração 41 e 42 são depositados

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11/21 com substancialmente o mesmo passo, em direções opostas, de modo a evitar rotação do tubo sob carga axial. Os elementos de tração alongados 400 são depositados, preferivelmente, com passo de enrolamento compreendido entre 25 cm e 200 cm.

[0053] Os elementos de tração alongados 400 da blindagem de tração 40 são arranjados lado a lado e têm uma seção transversal substancialmente retangular, como será detalhado em qualquer uma das seguintes Figuras 4a-4f. [0054] Uma camada 70 de material polimérico é arranjada entre a primeira camada de blindagem de tração 41 e a segunda camada de blindagem de tração 42.

[0055] O tubo 100 compreende adicionalmente, em uma posição radialmente externa em relação à radialmente segunda camada de blindagem de tração 42, uma cobertura externa polimérica protetora 80 destinada a ser à prova d'água.

[0056] A Figura 2 mostra um cabo de energia de três núcleos blindados 200 adequado para implantação submarina. O cabo 200 compreende três núcleos condutores isolados entrançados 22 envolvidos por um sistema de acolchoamento/cobertura 21. Uma camada de amortecimento 25 (feita, por exemplo, de fios de polipropileno) envolve o sistema de acolchoamento/cobertura 21. Em torno da camada de amortecimento 25, é provida uma blindagem de tração 26, compreendendo pelo menos uma camada de elementos de tração alongados 400 de acordo com a invenção. Uma cobertura externa polimérica protetora 23 envolve a blindagem 26. A blindagem de tração 26 é configurada para suporte às forças de tração longitudinais as quais o cabo de energia 200 pode ser submetido em operação. Os elementos de tração alongados 400 preferivelmente se estendem paralelos entre si em uma hélice coaxial com o eixo geométrico longitudinal do cabo XX. Embora os elementos de tração 400 da Figura 2 tenham uma seção transversal circular, eles podem também ter uma seção transversal

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12/21 substancialmente retangular, como será detalhado em qualquer uma das seguintes Figuras 4a-4f.

[0057] A Figura 3 é uma seção transversal de um cabo umbilical 300. Esse cabo umbilical 300 compreende um núcleo central 33. O núcleo central 33 pode ser feito de aço para transportar um fluido. Dispostos cerca do núcleo central 33 estão três tubos de aço 34 para transportar um fluido; dois cabos de fibra óptica 35; dois cabos de energia elétrica blindados s36; dois enchedores termoplásticos 37; e uma cobertura 38. Cerca da cobertura 38 são providas duas camadas de elementos de tração alongados enrolados em sentido contrahelical 400 de acordo com a invenção. As duas camadas de elementos de tração alongados 400 constituem a blindagem de tração 39 do cabo umbilical 300. Uma cobertura externa 3 envolve a blindagem de tração 39. A cobertura externa 3 pode ser feita, por exemplo, de material polimérico. Embora os elementos de tração 400 mostrados na Figura 3 tenham uma seção transversal circular, eles podem ter também uma seção transversal substancialmente retangular, como será detalhado em qualquer uma das seguintes Figuras 4a-4f. [0058] O elemento de tração alongado da presente invenção é projetado para substituir os elementos alongados conhecidos feitos, por exemplo, de aço carbono, a fim de prover desempenho de instalação melhorada enquanto mantém as características benéficas de membros de tração de aço carbono.

[0059] Os elementos de tração alongados da presente invenção podem ser adotados no tubo flexível da Figura 1, em qualquer um dos cabos das Figuras 2 e 3 ou em qualquer outro projeto diferente onde resistência à tração é uma questão.

[0060] De acordo com modalidades da presente invenção, é provido um cabo compreendendo uma estrutura de reforço com um ou mais elementos de tração alongados, em que cada elemento de tração alongado compreende um núcleo e uma cobertura de metal pelo menos parcialmente revestindo dito

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13/21 núcleo, em que o núcleo compreende um material compósito polimérico reforçado com fibra.

[0061] A Figura 5 mostra um exemplo de terminação, em particular uma porção de terminação é esquematicamente ilustrada. A terminação 500 compreende um corpo cilíndrico 51 onde uma porção 52 - especificamente a porção subjacente à blindagem - de um cabo é inserida através de um flange 54. Antes da inserção, os elementos de tração alongados 53 da blindagem de cabo são desenrolados, desviados da porção de cabo subjacente 52 e passados através dos furos 54a do flange 54. Uma vez posicionada dentro do corpo cilíndrico 51, a porção terminal dos elementos de tração alongados 53 é adequadamente flexionada, e uma resina termofixa 55 é injetada para encher o corpo cilíndrico 51.

[0062] A possibilidade de deformar plasticamente os elementos de tração alongados 53 é vantajosa tanto na etapa de desviá-los da porção de cabo 52 e na etapa de injetar a resina termofixa 55 para incorporar a porção terminal flexionada dos elementos de tração alongados 53.

[0063] De acordo com modalidades da presente invenção, o elemento de tração alongado tem um núcleo de material compósito e é pelo menos parcialmente coberto por uma cobertura de metal sendo pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração. As Figuras 4a a 4f esquematicamente mostram algumas construções diferentes de elementos de tração alongados da invenção através de seções transversais. Embora as Figuras mostrem somente elementos de tração substancialmente planos 10 tendo uma seção transversal substancialmente retangular, a presente invenção não está limitada a tais projetos.

[0064] As Figuras 4a a 4c mostram elementos de tração alongados 10 com o núcleo de material compósito totalmente (Figura 4a) ou parcialmente (Figuras 4b e 4c) cobertos por uma cobertura de metal. Em particular, na Figura 4a o núcleo de compósito 12 é completamente encerrado em uma

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14/21 cobertura de metal tubular 14 cobrindo ambas as faces maiores e as faces menores do núcleo retangular 12.

[0065] A cobertura de metal tubular fechada 14 pode ser conectada ao núcleo 12 por qualquer meio conhecido, seja mecânico ou químico (por exemplo, respectivamente, por compressão da cobertura de metal contra o núcleo de compósito ou por um adesivo ou semelhantes interpostos entre a cobertura de metal e o núcleo de compósito). Exemplos de adesivos adequados para a presente invenção incluem adesivo à base de solvente, adesivo termoplástico, cianoacrilatos, poliuretanos, epóxis, adesivos de contato, adesivos sensíveis à pressão. A conexão adesiva é preferível também porque ela pode ser implementada em um processo contínuo. Além disso, as forças de cisalhamento criadas por um adesivo acoplariam melhor os dois componentes de elemento (a camada de metal e o núcleo de compósito) juntos para prover desempenho de tração confiável.

[0066] De acordo com a modalidade da Figura 4b, o núcleo de compósito 12 do elemento de tração 400 é ensanduichado entre uma primeira camada de metal 14a uma segunda camada de metal 14b substancialmente cobrindo as faces maiores do núcleo 12.

[0067] Os elementos de tração alongados 400 podem ter uma seção transversal substancialmente circular ou plana (retangular ou oval). No caso de uma seção transversal plana, o eixo geométrico maior de seção transversal é preferivelmente orientado tangencialmente com relação à circunferência do cabo. Por exemplo, o eixo geométrico maior de seção transversal pode ter de 5 mm a 20 mm de comprimento, e o eixo geométrico menor de seção transversal pode ter de 2 mm a 5 mm de comprimento. No caso da seção transversal circular, os elementos de tração alongados 400 podem ter um diâmetro de 2 a 20 mm.

[0068] A espessura da cobertura 14 é pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração.

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15/21 [0069] Um elemento de tração alongado 400 de acordo com a Figura 4b pode ser formado por formar rolos ou por qualquer outro método de formação contínua. A primeira camada de metal 14a e a segunda camada de metal 14b podem ser feitas de aço carbono tendo um módulo elástico de 200 GPa, e podem ter a espessura já mencionada para a cobertura 14.

[0070] As primeira e segunda camadas de aço 14a e 14b podem ser conectadas ao núcleo 12 por qualquer meio conhecido, seja mecânico ou químico, conforme já mencionado acima (por exemplo, através de um adesivo ou semelhantes). Além disso, as forças de cisalhamento criadas por um adesivo acoplariam os dois elementos (as duas camadas 14a e 14b de aço e o núcleo de compósito 12) juntos para prover desempenho de tração confiável.

[0071] De acordo com a modalidade da Figura 4c, o núcleo de compósito 12 é parcialmente coberto por uma cobertura 14 de aço conformada em “C”. Portanto, além das faces maiores do núcleo 12 que se tomam cobertas por uma camada de aço, uma das faces menores também se toma revestida com aço. Um lado permanece aberto. A partir de tal abertura, é possível inserir o núcleo de compósito 12 seja durante ou após a etapa de formação da cobertura conformada em C.

[0072] As Figuras 4d a 4f mostram alguns métodos para fabricar um elemento de tração alongado 400 com o núcleo de compósito 12 completamente encerrado em uma cobertura de metal 14, de acordo com Figura 4a.

[0073] Em uma modalidade, a cobertura de aço 14 é formada dobrando uma folha (por exemplo, por formação por laminação) para prover um tubo com seção transversal retangular e com bordas substancialmente em contato ao longo de um dos lados menores ou ao longo do limite entre um lado menor e um lado maior. Durante fabricação as bordas da cobertura são elasticamente partidas; o núcleo de compósito 12 é inserido dentro das bordas partidas as quais são então colocadas em contato uma com a outra novamente.

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Um estágio de compressão segue, realizado sobre a cobertura de aço 14 e, consequentemente, sobre o núcleo 12 de material compósito encerrado no mesmo. A costura resultante do contato entre as bordas pode ser soldada.

[0074] A modalidade de fabricação da Figura 4d pode ser usado para fazer um elemento de tração alongado como um da Figura 4a. Segmentos de meio lado 141 são providos em cada uma das extremidades livres de uma cobertura conformada em “C” 14. Dessa forma, após o núcleo 12 ser inserido na cobertura 14 em suas configuração aberta, a cobertura 14 fecha-se por ação de mola e encerra integralmente o núcleo de compósito 12. Os dois segmentos de meio lado 141 formam um lado da cobertura de aço 14. Preferivelmente, a costura dos dois segmentos de meio lado 141 podem ser soldadas uma à outra. [0075] A cobertura 14 da Figura 4e compreende uma folha configurada para formar um alojamento 143 para o núcleo de compósito 12 e uma tampa acionada por mola 144. Durante a inserção de núcleo de compósito, a tampa 144 é mantida aberta contra a força de mola tendendo a fechar o alojamento 143. Uma vez que o núcleo tenha sido alojado no alojamento 143, a tampa 144 é deixada livre de forma que ela encoste elasticamente contra o núcleo de compósito 12 de modo a encerrá-lo completamente.

[0076] Preferivelmente, a costura da tampa 144 é finalmente soldada à borda do alojamento 143 para encerrar o núcleo de compósito 12 de maneira estável. Um adesivo pode ser empregado para conectar um ou mais lados do núcleo 12 a um ou mais lados correspondentes da cobertura 14. Como alternativa, meios mecânicos podem ser usados para prover uma conexão mecânica entre o núcleo 12 e a cobertura 14. Por exemplo, tais meios mecânicos podem compreender pequenas projeções na cobertura de aço penetrando o núcleo de compósito.

[0077] A modalidade de fabricação da Figura 4f é similar àquela mostrada na Figura 4e. A diferença é que na modalidade da Figura 4e o lado

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17/21 do alojamento 143 é nivelado com o núcleo 12, enquanto que na modalidade da Figura 4d, o lado do alojamento 143 está se projetando sobre o núcleo 12. O comprimento da tampa 144 acomoda as duas modalidades, de forma que, a tampa da Figura 4c seja mais longa que a tampa da Figura 4d.

[0078] Quanto ao elemento de tração alongado da Figura 4c, um processo de fabricação adequado análogo àquele do elemento da Figura 4a pode ser realizado. Por exemplo, uma cobertura 14 das Figuras 4d faltando os segmentos de meio lado 141 pode ser usada.

[0079] Com relação aos elementos de tração conhecidos feitos de metal somente, o elemento de tração alongado de acordo com a presente invenção tem dimensões reduzidas e/ou peso reduzido e/ou resistência aumentada embora retenha as vantagens de facilidade de fabricação e facilidade de terminação de um elemento de metal.

EXEMPLO 1 [0080] Um elemento de tração alongado (elemento de referência) feito de aço somente foi tomado como elemento comparativo. Esse elemento de tração tem uma seção transversal substancialmente retangular com dimensões de 2 mm x 7 mm, um módulo elástico de 191 GPa e uma densidade de 7,8 g/cm³.

[0081] Quando um comprimento de 1.430 m de todo esse elemento de tração alongado de aço foi suspendido verticalmente, seu próprio peso (156 kg) causou um alongamento do próprio elemento de tração de aço de 0,05 %.

[0082] Um primeiro elemento de tração alongado de acordo com modalidades da presente invenção foi testado. Esse elemento de tração tinha uma seção transversal substancialmente retangular e dimensões de 2 mm x 7 mm, um núcleo feito de resina epóxi reforçada com fibras de carbono tendo um módulo elástico de 150 GPa e uma densidade de 1,6 g/cm³, e cobertura de aço tendo um módulo elástico de 191 GPa e uma densidade de 7,8 g/cm³. O núcleo tinha uma seção transversal substancialmente retangular com

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18/21 dimensões de 0,75 mm x 6 mm, e foi totalmente coberto pela manga de aço representando cerca de 68% da área de seção transversal do elemento de tração alongado.

[0083] Quando um comprimento de 1.800 m do primeiro elemento de tração alongado de acordo com a invenção foi suspendido verticalmente, seu próprio peso (146 kg) causou um alongamento do próprio elemento de tração de 0,05 %.

[0084] Um segundo elemento de tração alongado de acordo com modalidades da presente invenção foi testado. Esse elemento de tração tinha uma seção transversal substancialmente retangular e dimensões de 2 mm x 7 mm, um núcleo feito de uma matriz termoplástica reforçada com fibras de aramida tendo um módulo elástico de 100 GPa e uma densidade de 1,45 g/cm³, e cobertura de aço tendo um módulo elástico de 191 GPa e uma densidade de 7,8 g/cm³. O núcleo tinha uma seção transversal substancialmente retangular com dimensões de 1 mm x 6 mm, e foi totalmente coberto pela cobertura de aço representando cerca de 57 % da área de seção transversal do elemento de tração alongado.

[0085] Quando um comprimento de 1.830 m do segundo elemento de tração alongado de acordo com a invenção foi suspendido verticalmente, seu próprio peso (130 kg) causou um alongamento do próprio elemento de tração de 0,05 %.

[0086] Um terceiro elemento de tração alongado de acordo com modalidades da presente invenção foi testado. Esse elemento de tração tinha uma seção transversal substancialmente retangular e dimensões de 2 mm x 7 mm, um núcleo feito de uma matriz termofixa reforçada com fibras de vidro tendo um módulo elástico de 70 GPa e uma densidade de 2,4 g/cm³, e cobertura de aço tendo um módulo elástico de 191 GPa e uma densidade de 7,8 g/cm³. O núcleo tinha uma seção transversal substancialmente retangular com dimensões de 1 mm x 6 mm, e foi totalmente coberto pela cobertura de

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19/21 aço representando cerca de 57% da área de seção transversal do elemento de tração alongado.

[0087] Quando um comprimento de 1570 m do segundo elemento de tração alongado de acordo com a invenção foi suspendido verticalmente, seu próprio peso (121 kg) causou um alongamento do próprio elemento de tração de 0,05 %.

[0088] Os valores acima são resumidos na Tabela 1 abaixo.

Tabela 1

Elemento de tração alongado	Módulo Elástico [GPa]	Densidade [g/cm³]	Comprimento de amostra provendo 0,05% de alongamento [m]	Peso de comprimento provendo 0,05% de alongamento [kg]
Referência	191	7,80	1430	156
1° elemento	150	1,6	1800	146
2^o elemento	100	1,45	1830	130
3^o elemento	70	2,4	1570	121

[0089] Graças ao compósito polimérico reforçado com fibra, os elementos alongados da invenção alcançaram um dado percentual de alongamento com um maior comprimento que um elemento alongado comparativo feito de metal (aço) somente. Consequentemente, um cabo compreendendo elementos alongados da invenção pode ser implantado em maior profundidade sem experimentar percentual de alongamento possivelmente prejudicando a estrutura geral do cabo.

[0090] Também, um comprimento dos elementos alongados da invenção é mais leve que o mesmo ou até mesmo mais curto que o comprimento de um elemento alongado comparativo feito de metal (aço). Isso tem um impacto vantajoso, por exemplo, quando o cabo é implantado por suspensão a partir de uma embarcação.

EXEMPLO 2 [0091] Elementos de tração alongados compreendendo um núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra, uma cobertura de metal cobrindo totalmente o núcleo de compósito, uma seção transversal substancialmente retangular e dimensões de 2 mm x 7 mm foram flexionados para obter uma

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20/21 deformação com um diâmetro de flexão final de 60 mm no máximo.

[0092] A deformação aplicada a cada elemento levou em consideração o alongamento em ruptura. Tal deformação foi significantemente menor que o alongamento de fibra em ruptura para preservar a integridade do núcleo de elemento alongado.

Tabela 2

N°	Fibras compósitas	Tamanho de núcleo (mm)	Módulo elástico da fibra (GPa)	Aço %	Deformação aplicada (raio de flexão)	Raio de flexão final
1	Carbono	0,5x6	150	78,5	1,2% (20,8 mm)	27,1 mm
2	Carbono	0,75x6	150	68	1,7% (22,1 mm)	29,6 mm
3	Carbono	1x6	150	57	1,7% (29,4 mm)	45,1 mm
4	Aramida	0,5x6	100	78,5	1,2% (20,8 mm)	27 mm
5	Aramida	1x6	100	57	2,3% (21,7 mm)	29,4 mm
6	Vidro	1x6	70	57	2,3% (21,7 mm)	28,9 mm
7	Vidro	1.5x6	70	36	2,8% (26,8 mm)	42,7 mm

[0093] Dentre os elementos de tração alongados testados, os No. 3 e No. 7 não puderam ser flexionados com um diâmetro de flexão final de 60 mm até mesmo aplicando uma deformação próximo a seu alongamento em ruptura (1,8% para as fibras de carbono de No. 3 e 3% para as fibras de vidro de No. 7). Isso significa que os elementos de tração alongados No. 3 e No. 7 podem encontrar uma aplicação quando um diâmetro de flexão maior que 60 mm é requerido na terminação. Por outro lado, os elementos de tração alongados No. 3 e No. 7, quando avaliados no teste de exemplo 1, alcançaram um alongamento de 0,05%, respectivamente, 2.010 m e 1.680 m, comprimentos maiores que, por exemplo, aqueles de elementos de tração alongados com um núcleo feito do mesmo compósito polimérico reforçado com fibra, mas compreendendo uma maior quantidade de aço, por exemplo, os elementos de tração alongados No. 1 (0,05% de alongamento em 1.660 m) e No. 6 (0,05% de alongamento em 1.570 m), respectivamente.

[0094] A seleção da quantidade de metal (expressa como % de área de

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21/21 seção transversal dos elementos de tração alongados) dentro do limite apresentado pela invenção e o módulo elástico do compósito polimérico reforçado com fibra pode ser selecionado pelo versado na técnica em vista de requisitos de implementação, tal como profundidades de deposição e tipo de terminações.

[0095] Os elementos de tração descritos acima proveem menor peso e melhores características mecânicas que os membros de tração conhecidos feitos integralmente de aço. Como consequência, um cabo submarino tendo uma blindagem compreendendo elementos de tração de acordo com a presente invenção podem ser instalados em águas mais profundas que cabos com blindagem conhecidos compreendendo membros de tração alongados feitos integralmente de aço, resultando no mesmo alongamento. Além disso, o peso menor do cabo melhora o manuseio e transporte dos mesmos.

[0096] Notavelmente, a cobertura de metal das modalidades descritas acima permite manter o uso de técnicas e dispositivos conhecidos para conectar cabos e/ou para realizar emendas ou terminações de cabo. Tais técnicas e dispositivos compreendem substancialmente submeter a blindagem a uma deformação plástica. Embora uma deformação plástica não podería ser obtida se um elemento de tração integralmente compósito fosse adotado, vantajosamente pode ser alcançada com a presente invenção tendo uma cobertura de aço pelo menos parcialmente cobrindo o núcleo. Esse comportamento é vantajoso no que a cobertura metálica do elemento de tração pode ser deformada plasticamente nas terminações a fim de obter uma ligação forte entre a terminação e o cabo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cabo (100, 200, 300), caracterizado pelo fato de que compreende um elemento de tração alongado (400) tendo uma área de seção transversal e compreendendo um núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra (12) tendo um módulo elástico de pelo menos 70 GPa e uma cobertura (14) pelo menos parcialmente cobrindo o núcleo de compósito (12), a cobertura (14) sendo feita de metal e sendo pelo menos 30% da área de seção transversal do elemento de tração (400).
2. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de elementos de tração alongados (400) dispostos em uma ou mais camadas de blindagem (41, 42) para prover uma blindagem (40, 26, 39).
3. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento de tração alongado (400) tem uma seção transversal plana.
4. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra (12) tem uma espessura de no máximo 80% da espessura do elemento de tração alongado (400).
5. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o núcleo de compósito polimérico reforçado com fibra (12) é provido substancialmente centrado em um eixo de flexão neutro do elemento de tração alongado (400).
6. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compósito de polímero reforçado com fibra compreende fibras de carbono, fibras de aramida, fibras de vidro ou uma combinação dos mesmos.
7. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o compósito de polímero reforçado com fibra

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2/2 compreende uma matriz selecionada dentre uma matriz epóxi ou uma matriz termoplástica.
8. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra (12) tem eixos longitudinais e fibras embutidas em uma matriz polimérica com eixos longitudinais substancialmente paralelos ao eixo longitudinal do núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra (12).
9. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o elemento de tração alongado (400) compreende um núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra de carbono (12) envolvido por uma camada eletricamente isolante.
10. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o núcleo de compósito de polímero reforçado com fibra (12) tem um módulo elástico de pelo menos 100 GPa
11. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cobertura de metal (14) é feita de aço.
12. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cobertura (14) e o núcleo (12) são unidos por uma ligação adesiva e/ou mecânica.
13. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cobertura (14) é feita de metal e tem no máximo 85 30% da área de seção transversal do elemento de tração (400).
14. Cabo (100, 200, 300) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ser para aplicações submarinas.