BR112019027781A2 - armadura para conduto flexível que compreende um perfilado compósito unidirecional e uma fita de reforço - Google Patents

Abstract

Armadura compósita (1) para conduto flexível. A armadura 1) compreende um perfilado compósito (2) e uma fita de reforço (5). O perfilado compósito (2) é formado por fibras de reforço (4) orientadas longitudinalmente e embutidas em uma matriz feita de resina polimérica (3). A fita de reforço (5) é no que lhe diz respeito formada por uma fita tecida que compreende fibras impregnadas em um material polimérico, de tal modo que o fio de trama da fita de reforço é ortogonal à direção longitudinal do perfilado, e que o fio de urdidura da fita é paralelo à direção longitudinal do perfilado compósito.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ARMADURA PARA CONDUTO FLEXÍVEL QUE COMPREENDE UM

PERFILADO COMPÓSITO UNIDIRECIONAL E UMA FITA DE REFORÇO".

[0001] A presente invenção se refere às camadas de reforço aos esforços de tração longitudinais (chamadas geralmente de armaduras) para um conduto tubular flexível, em especial para o transporte de fluidos de petróleo. O conduto flexível pode ser utilizado no domínio da exploração de petróleo no mar.

[0002] Os condutos flexíveis visados pela presente invenção são formados por um conjunto de diferentes camadas concêntricas e superpostas, e são ditos de tipo “não ligado” (“unbonded” em inglês) pois essas camadas apresentam uma certa liberdade de deslocamento umas em relação às outras por ocasião de um esforço de flexão dos condutos flexíveis. Esses condutos 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, maio de 2014) publicados pelo American Petroleum Institute. As camadas constitutivas dos condutos flexíveis compreendem notadamente bainhas poliméricas que asseguram geralmente uma função de estanqueidade, e camadas de reforço destinadas à retomada dos esforços mecânicos e formadas por enrolamentos de folha metálica, de fios metálicos, de tiras diversas ou de perfilados feitos de materiais compósitos.

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

[0004] Quando o conduto flexível está em serviço, ele pode ser submetido a grandes cargas estáticas e dinâmicas, o que pode engendrar um fenômeno de fadiga. Os carregamentos mais severos são geralmente observados na parte superior dos condutos ascendentes (“risers” em língua inglesa) que ligam o fundo marinho à superfície. De fato, nessa zona, o conduto flexível é submetido a uma grande pressão estática em tensão ligada ao peso do conduto, à qual se adicionam pressões dinâmicas em tensão e em flexão transversa ligadas aos movimentos da unidade flutuante de produção sob o efeito da ondulação e das ondas. Tratando-se da parte do conduto flexível que se estende sobre o fundo marinho (“flow lines” em língua inglesa), as cargas aplicadas são essencialmente estáticas.

[0005] Os condutos flexíveis de tipo não ligado mais utilizados na indústria do petróleo offshore compreendem geralmente, 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 conduto flexível sob o efeito da pressão externa, uma bainha interna de estanqueidade 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 perfilados compósitos, as ditas mantas de armaduras de tração sendo destinadas a retomar os esforços longitudinais aos quais o conduto flexível é submetido, e finalmente uma bainha externa de estanqueidade 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 absoluto é próximo de 90 graus, na prática compreendido entre 79 graus e 90 graus em relação ao eixo longitudinal do conduto flexível. 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 em relação ao eixo longitudinal do conduto flexível.

[0006] A carcaça interna permite que o conduto flexível tenha uma resistência ao esmagamento (“colapse” em inglês) suficiente para permitir que ele resista a grandes pressões externas, notadamente a pressão hidrostática quando o confuto 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 conduto flexível que compreende uma carcaça interna é 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.

[0007] A abóbada de pressão tem como função principal a de permitir que a bainha interna de estanqueidade resista, sem arrebentar, à pressão exercida pelo fluido de petróleo transportado pelo conduto, a face externa da bainha 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 porque ela limita as possibilidades de deformação da carcaça interna sob o efeito da pressão hidrostática.

[0008] A função principal das mantas de armaduras de tração é a de retomar os esforços longitudinais, notadamente aqueles ligados ao peso suspenso do conduto flexível quando esse último está instalado no fundo marinho a partir de um barco de colocação situado na superfície. No caso de um conduto 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 suspenso são exercidos em permanência. Quando o conduto está imerso em grande profundidade, os esforços longitudinais ligados ao peso suspenso por ocasião da instalação e/ou em serviço podem atingir várias centenas de toneladas.

[0009] As mantas de armaduras de tração são geralmente realizadas em metal ou em um material compósito. As armaduras de tração metálicas utilizadas tradicionalmente para o reforço axial dos condutos flexíveis apresentam um problema de peso em grande profundidade. De fato, de acordo com a aplicação visada, pode existir uma profundidade acima da qual o aumento da seção das armaduras feitas de aço aumenta o peso próprio da linha visto que ela não aumenta a resistência axial do conduto flexível. O carregamento no topo do riser em produção ou da flow line na instalação excede então sua capacidade. A instalação da linha se torna então impossível devido ao fato de que o peso suspenso é superior à capacidade limite de retomada dos esforços dos equipamentos de colocação.

[0010] Depois de alguns anos, trabalhos são conduzidos para substituir esses fios metálicos por perfilados feitos de materiais compósitos que têm a vantagem de ter uma densidade, e, portanto, uma massa, muito menor do que os metais. Esses perfilados feitos de materiais compósitos devem satisfazer entre outras às recomendações do documento normativo DNV-OS—C501 “Composite Components” (Novembro de 2013) publicado pelo Det Norske Veritas. A diminuição de massa obtida nas estruturas flexíveis tem numerosas consequências: ela permite, com o mesmo barco de instalação, instalar flexíveis em maior profundidade; ela permite também utilizar barcos de instalação de menor capacidade de colocação, com potencialmente custos de instalação reduzidos; finalmente, a diminuição da massa dos flexíveis utilizados como riser (linhas que ligam o fundo do mar à unidade de superfície flutuante) pode ter efeitos sobre o dimensionamento das unidades flutuantes. Em contrapartida, as armaduras de tração compósitas têm uma resistência em compressão menor do que as armaduras de tração metálicas, o que apresenta um problema para os carregamentos no fundo do mar, dominados por uma pressão externa grande.

[0011] Os materiais compósitos dos quais é questão para a aplicação armaduras longitudinais são constituídos por fibras de reforço contínuas (tipicamente fibras de carbono, de vidro, de aramida...) embutidas em uma resina polimérica (termorrígida, termoplástica...). Os trabalhos atuais têm como objetivo principalmente um material compósito com fibra de carbono com uma matriz termorrígida de tipo epóxido, mas isso não é exclusivo.

[0012] Mesmo se é possível considerar outros processos de fabricação para esse tipo de material, aquele que foi escolhido para a fabricação das armaduras compósitas é a pultrusão que permite produzir facilmente um produto de comprimento muito grande com as fibras orientadas no sentido longitudinal a fim de obter a resistência maior nesse sentido. Quando só há fibras orientadas no sentido longitudinal, fala-se de um compósito unidirecional.

[0013] A vantagem dos compósitos unidirecionais é a grande resistência mecânica dos mesmos no sentido das fibras, mas ao contrário, o inconveniente dos mesmos é a pequena resistência transversa deles. De fato, ainda que solicitadas principalmente no sentido longitudinal, as armaduras dos condutos flexíveis são também submetidas a esforços nas direções transversas (flexão transversa, compressão na espessura do perfilado compósito e torção do perfilado compósito) tanto no momento da fabricação do flexível por ocasião da etapa de carregamento do fio de armadura, quanto em serviço.

[0014] Os esforços transversos sofridos pelas armaduras podem se traduzir por fissuras longitudinais, notadamente por ocasião da aplicação do perfilado compósito sobre o flexível por ocasião do carregamento. De fato, os carregamentos transversos solicitam unicamente a matriz feita de resina polimérica que tem uma elongação em ruptura pequena. As figuras 1a e 1b ilustram respectivamente a configuração inicial do perfilado compósito unidirecional e a aplicação do perfilado compósito unidirecional sobre o conduto flexível por ocasião do carregamento. Nessas figuras, a referência D2 indica a direção de aplicação do fio de armadura e a referência D1, uma direção transversal. Para um tal perfilado, um início na ruptura AR pode se formar por ocasião da aplicação do perfilado sobre o conduto flexível, notadamente ao nível da superfície exterior da armadura.

[0015] A patente EP 1066485 (equivalente WO 99/49259) propõe uma solução para resolver esse risco de fissuração transversa por adição de um filme sobre pelo menos uma face do perfilado compósito que forma a armadura. Esse filme, chamado também de esteira, é uma camada de fibras não tecidas que tem a vantagem de não ter direção de reforço privilegiada assim como uma taxa volúmica de fibras baixa. A esteira é acrescentada sobre pelo menos uma das faces da armadura a fim de reforçar mecanicamente a mesma em relação às tensões em flexão e torção à quais ela é submetida no decorrer da etapa de carregamento, por ocasião da fabricação do conduto flexível. Por outro lado, a esteira permite melhorar a resistência da armadura em relação ao fenômeno de abrasão entre perfilados. Por questões de resistência à abrasão melhorada, mas também de custo, as esteiras utilizadas até agora foram fabricadas à base de fibras de aramida.

[0016] Duas limitações existem na utilização de camadas de esteira para reforçar nas direções transversas os compósitos unidirecionais: – a taxa de fibras sendo pequena e essas últimas estando aleatoriamente orientadas, o efeito de reforço por essa camada é pequeno, e quanto maior for a espessura do perfilado, menor ela é, e – as fibras de aramida sendo higroscópicas, o ambiente do anular dos flexíveis (presença de água, de gás, de temperaturas elevadas) pode levar a uma degradação das propriedades dessa camada em serviço.

[0017] A fim de corrigir esses inconvenientes, a presente invenção se refere a uma armadura compósita para conduto flexível. A armadura compreende um perfilado compósito e uma fita de reforço. O perfilado compósito é formado por fibras de reforço orientadas longitudinalmente e embutidas em uma matriz feita de resina polimérica. A fita de reforço é no que lhe diz respeito formada por uma fita tecida que compreende fibras impregnadas em um material polimérico, de tal modo que o fio de trama da fita de reforço é ortogonal à direção longitudinal do perfilado. Assim, a fita de reforço que compreende fibras de acordo com essas direções permite melhorar o comportamento transverso da armadura e evitar os inícios de ruptura, ao esmo tempo em que garante propriedades mecânicas (notadamente a resistência longitudinal e a resistência transversal), um volume e uma massa adaptados para as tensões de fabricação e de utilização de um conduto flexível. O dispositivo de acordo com a invenção

[0018] A invenção se refere a uma armadura para conduto flexível que compreende um perfilado compósito e pelo menos uma fita de reforço, o dito perfilado compósito sendo constituído por fibras de reforço contínuas embutidas em uma resina polimérica, o dito perfilado compósito tendo uma seção substancialmente retangular, e a dita fita de reforço sendo solidarizada sobre pelo menos uma face do dito perfilado compósito. A dita fita de reforço é uma fita tecida que compreende fibras impregnadas em um material polimérico, a dita fita de reforço sendo formada de tal modo que o fio de trama da dita fita de reforço é substancialmente perpendicular à direção longitudinal do dito perfilado compósito, e de tal modo que o fio de urdidura da dita fita de reforço é substancialmente paralelo à direção longitudinal do dito perfilado compósito.

[0019] Vantajosamente, de 50 a 90%, e de preferência de 60 a 80%, das ditas fibras da dita fita de reforço são incluídas no dito fio de urdidura da dita fita de reforço.

[0020] De maneira vantajosa, a taxa volúmica de fibras da dita fita de reforço é superior a 40%, e vale de preferência 60%.

[0021] De acordo com um modo de realização, as ditas fibras da dita fita de reforço são fibras de carbono.

[0022] De acordo com uma execução, a espessura da dita fita de reforço é compreendida entre 5 e 50% da espessura da dita armadura, de preferência entre 10 e 30% da espessura da dita armadura.

[0023] De acordo com um aspecto, a dita armadura compreende uma fita de reforço disposta sobre a face superior do dito perfilado compósito.

[0024] De acordo com uma característica, a dita armadura compreende duas fitas de reforço dispostas sobre as faces superior e inferior do dito perfilado compósito.

[0025] De acordo com uma opção de realização, a dita fita de reforço é solidarizada sobre o dito perfilado compósito por revestimento, por colagem, ou por estratificação simultânea com a dita resina polimérica do dito perfilado por ocasião da fabricação do dito perfilado compósito.

[0026] De acordo com uma execução, a dita armadura possui uma rigidez longitudinal superior a 70% daquela da armadura unidirecional de referência e de preferência superior a 80%.

[0027] De preferência, a taxa volúmica de fibras do dito perfilado compósito é compreendida entre 50 e 80%.

[0028] De acordo com um modo de realização, as ditas fibras do dito perfilado compósito são orientadas unicamente de acordo com a direção longitudinal do dito perfilado compósito.

[0029] Por outro lado, a invenção se refere a um conduto flexível para transportar um efluente de petróleo, o dito conduto flexível compreendendo pelo menos uma bainha de pressão e pelo menos uma manta de armaduras de tração que compreende armaduras de acordo com uma das características precedentes, a dita manta de armaduras sendo colocada no exterior da dita bainha de pressão. Apresentação sucinta das figuras

[0030] Outras características e vantagens da armadura compósita 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.

[0031] As figuras 1a e 1b, já descritas, ilustram respectivamente a configuração inicial do perfilado compósito unidirecional e a aplicação do perfilado compósito unidirecional sobre um conduto flexível por ocasião do carregamento.

[0032] A figura 2 ilustra uma armadura de acordo com um modo de realização da invenção.

[0033] A figura 3 ilustra um conduto flexível que compreende uma armadura de acordo com a invenção. Descrição detalhada da invenção

[0034] A presente invenção se refere a uma armadura para conduto flexível, notadamente uma armadura de resistência aos esforços de tração ou armaduras de tração. A armadura compreende um perfilado compósito e pelo menos uma fita de reforço. É chamado de armadura um elemento plano do qual o comprimento é muito grande em relação às outras dimensões: largura e espessura. A armadura pode ter uma seção substancialmente retangular. O perfilado compósito é também um elemento plano do qual o comprimento é muito grande em relação às outras dimensões. O perfilado compósito pode ter uma seção substancialmente retangular. De acordo com a invenção, o perfilado compósito pode ser um perfilado compósito unidirecional: o perfilado compósito é constituído por fios ou mechas que compreendem um conjunto de fibras de reforço contínuas embutidas em uma resina polimérica, as mechas de fibras de reforço sendo orientadas unicamente de acordo com a direção longitudinal do perfilado. Graças ao compósito unidirecional, o perfilado compósito, e a fortiori a armadura, possui uma grande resistência mecânica no sentido das fibras, quer dizer na direção longitudinal da armadura.

[0035] De acordo com a invenção, a fita de reforço é solidarizada sobre pelo menos uma face do perfilado compósito. Vantajosamente, a fita de reforço pode também ser um elemento plano do qual o comprimento é muito grande em relação às outras dimensões. A fita de reforço pode ter uma seção substancialmente retangular. A fita de reforço é uma fita tecida que compreende fibras contínuas unidas em fios ou mechas, impregnadas em um material polimérico. De acordo com a invenção, a fita de reforço é formada de tal modo que o fio de trama da fita de reforço é substancialmente perpendicular à direção longitudinal do perfilado compósito (em outros termos, o fio de trama da fita de reforço é paralelo à largura da armadura), e de tal modo que o fio de urdidura da fita de reforço é substancialmente paralelo à direção longitudinal do perfilado compósito (em outros termos, o fio de urdidura é paralelo ao comprimento da armadura). O fio de trama é um fio de um tecido orientado no sentido da largura do tecido (e, portanto, da fita de reforço). Seu oposto é o fio de urdidura orientado no sentido do comprimento do tecido (e, portanto, da fita de reforço). É o entrecruzamento desses dois fios que forma um tecido. Uma tal concepção da fita de reforço permite que se tenha fibras na direção longitudinal e na direção transversa, o que permite melhorar o comportamento transverso da armadura, e evitar os inícios de ruptura, ao mesmo tempo em que conserva uma grande resistência mecânica de acordo com a direção longitudinal da armadura. A fita de reforço recobre de preferência toda a largura do perfilado compósito. Por outro lado, a fita de reforço pode se estender sobre substancialmente todo o comprimento do perfilado compósito.

[0036] A fim de otimizar a resistência transversal da armadura, a distribuição das fibras na fita de reforço pode ser a seguinte: – de 50 a 90%, e de preferência de 60 a 80% das fibras da fita de reforço estão incluídas no fio de urdidura da fita de reforço, e – de 10 a 50%, e de preferência de 20 a 40% das fibras da fita de reforço estão incluídas no fio de trama da fita de reforço.

[0037] Um pequeno valor de distribuição das fibras no fio de urdidura da fita de reforço é mais eficaz em termos de reforço transversal da armadura. No entanto, a tecedura da fita é mais difícil e mais longa a realizar, e se torna, portanto, pouco econômica.

[0038] A espessura da fita de reforço pode variar até quase a espessura total da armadura se for escolhido reforçar a integralidade da armadura no sentido transverso, mas é possível escolher preferencialmente colocar uma fita sobre uma parte somente da espessura da armadura. De acordo com um modo de realização, a espessura da fita de reforço pode representar de 5 a 50% da espessura total da armadura, e de preferência, a espessura da fita de reforço representa de 10 a 30% da espessura total da armadura, a fim de otimizar a utilização de fita unidirecional, notadamente para a resistência longitudinal e por questões de custo da armadura. Em um outro modo de realização da invenção, a espessura total da fita de reforço é substancialmente igual à espessura da armadura e é formada pela superposição de várias camadas de espessura inferior à espessura total da dita fita, de modo que a soma das espessuras das ditas camadas seja substancialmente igual à espessura da armadura. Essa superposição de camadas pode ser vista como uma superposição de várias fitas de reforço de pequena espessura, por exemplo de alguns micrometros. Por exemplo, a superposição compreende entre uma e dez camadas, de preferência entre duas e cinco camadas.

[0039] De acordo com uma característica da invenção, a armadura reforçada por uma fita de reforço pode possuir uma rigidez longitudinal superior a 70% daquela da armadura unidirecional de referência e de preferência superior a 80%, para obter boas propriedades mecânicas na direção longitudinal da armadura. É chamada de rigidez a característica que indica a resistência à deformação elástica de um corpo. Para isso, a espessura da fita de reforço e a distribuição das fibras de acordo com a direção do fio de urdidura podem ser escolhidas a fim de otimizar as propriedades mecânicas na direção longitudinal da armadura, ao mesmo tempo em que a reforça significativamente na direção transversa.

[0040] De acordo com um modo de realização da invenção, a taxa volúmica de fibras da fita de reforço pode ser superior a 40%, de preferência pode estar compreendida entre 55 e 65%, e pode ser de maneira mais preferida substancialmente igual a 60%. É chamada de taxa volúmica de fibras a relação do volume ocupado pelas fibras sobre o volume total da fita de reforço. Uma tal taxa volúmica de fibras na fita de reforço permite obter boas propriedades mecânicas e permite que a fita de reforço conserve uma função protetora e de transferência de carga. Em especial, para uma taxa volúmica de fibras igual a 60%, um bom compromisso entre as propriedades mecânicas e a função protetora da fita de reforço é obtido.

[0041] De acordo com uma realização da invenção, as fibras da fita de reforço podem ser fibras de vidro, de aramida, de carbono, de polietileno de alto módulo, etc. Por exemplo, a fibra de vidro permite isolar o carbono, e evitar o acoplamento com os aços, e, portanto, a corrosão galvânica. A fibra de aramida permite também o isolamento elétrico, e dá à armadura propriedades tribológicas elevadas. De preferência, as fibras da fita de reforço podem ser fibras de carbono por razões de inércia química, notadamente na aplicação para os condutos flexíveis, por suas boas razões econômicas. Além disso, as fibras de carbono permitem evitar os problemas de degradação que podem existir para as fibras de aramida, notadamente de degradação higrotérmica.

[0042] De preferência, as mechas (ou fios) formadas pela união de fibras, da fita de reforço, têm diâmetros diferentes. O diâmetro da mecha depende do número de fibras que a compõe. Tipicamente, uma mecha compreende vários milhares de fibras, esse número de fibras sendo simbolizado pelo número de K. Por exemplo, uma mecha composta por 12000 fibras é dita “12K”.

[0043] Na presente invenção, o diâmetro das mechas pode por exemplo variar entre 1K e 48K, de preferência entre 3K e 12K. Assim, os diferentes pares “fios de urdidura / fios de trama” (ou “fios de trama / fios de urdidura”) que podem ser considerados para a realização da fita de reforço são por exemplo do tipo “3K / 3K”, “3K / 6K”, “3K / 12K”, “6K / 6K”, “6K / 12K” e “12K / 12K”.

[0044] Vantajosamente, é escolhido um fio de trama de diâmetro máximo igual a 6K a fim de facilitar a tecedura da fita de reforço.

[0045] O material polimérico da fita de reforço, no qual são impregnadas as fibras pode ser escolhido entre um material polimérico termoplástico ou termorrígido. De acordo com um exemplo de realização, o material polimérico pode ser uma resina de tipo termorrígida como uma resina epóxido, viniléster, cianeto, etc. ou uma resina de tipo termoplástica como uma poliolefina, uma poliamida, um polímero fluorado, um poliarietercetona (PAEK), um polissulfeto de fenileno (PPS), etc. De maneira privilegiada, o material polimérico escolhido para a fita de reforço pode ser o mesmo que aquele da resina polimérica do perfilado compósito unidirecional, o que melhora a coesão do conjunto. Vantajosamente, no modo de realização escolhido de uma fita de reforço formada pela superposição de várias camadas, é escolhido o mesmo material polimérico para cada uma das camadas a fim de melhorar a coesão entre elas.

[0046] O perfilado compósito pode ser constituído por fibras de reforço contínuas escolhidas entre as fibras de carbono, de vidro, de aramida, embutidas em uma resina polimérica, notadamente termorrígida ou termoplástica, em especial uma resina epóxido, viniléster, cianeto, etc. ou uma resina de tipo termoplástica como uma poliolefina, uma poliamida, um polímero fluorado, um poliarietercetona (PAEK), um polissulfeto de fenileno (PPS), etc.

[0047] A taxa volúmica de fibras dentro do perfilado compósito pode ser compreendida entre 50 e 80%. Essa taxa volúmica de fibras dentro do perfilado compósito permite responder às tensões impostas pelos condutos flexíveis, em especial em termos de resistência longitudinal.

[0048] De acordo com um modo de realização da invenção, a armadura de tração compreende duas fitas de reforço solidarizadas sobre as faces superior e inferior do perfilado compósito. Assim, uma armadura tricamadas é formada, essa armadura tricamadas assegura uma simetria da armadura, e não necessita de precaução especial por ocasião da colocação para se assegurar que a armadura esteja no sentido correto.

[0049] Quando a armadura compreende uma só fita de reforço (armadura bicamadas), a fita de reforço é solidarizada sobre a face superior do perfilado compósito. Essa realização com uma só fita de reforço permite uma realização simplificada da armadura e permite reforçar unicamente a face do perfilado compósito que é suscetível de apresentar um início de ruptura (cf. figura 1b).

[0050] De acordo com um modo de realização da invenção, uma fita de reforço pode ser solidarizada sobre pelo menos uma face lateral (ou as duas faces laterais0 do perfilado compósito. Essa estrutura permite uma proteção mecânica do perfilado compósito em relação ao fenômeno de desgaste que pode ocorrer entre os diferentes perfilados compósitos que formam a manta de armadura de tração.

[0051] De acordo com uma execução da invenção, a fita de reforço é solidarizada sobre o perfilado compósito por revestimento, por colagem ou por estratificação simultânea com a resina polimérica do perfilado compósito por ocasião da fabricação do perfilado compósito. De preferência, a solidarização entre a fita de reforço e o perfilado compósito é realizada por estratificação simultânea das diferentes camadas constitutivas a fim de otimizar a coesão das diferentes camadas.

[0052] Vantajosamente, no modo de realização da invenção de acordo com o qual a fita de reforço é formada pela superposição de várias camadas, a execução da fita é também realizada por estratificação simultânea.

[0053] A figura 2 ilustra, de maneira esquemática e não limitativa, uma armadura de tração de acordo com um modo de realização da invenção. A figura 2 é uma vista tridimensional e parcial (pois todo o comprimento da armadura não está representado) de uma armadura 1. A armadura 1 possui uma seção substancialmente retangular. A armadura 1 compreende um perfilado compósito 2 e uma fita de reforço

5. O perfilado compósito 2 e a fita de reforço 5 têm seções substancialmente retangulares. O perfilado compósito 2 é um perfilado compósito unidirecional, do qual as fibras 4 são orientadas unicamente longitudinalmente, quer dizer de acordo com a direção longitudinal L da armadura 1. As fibras 4 são embutidas em uma resina polimérica 3. A fita de reforço 5 é solidarizada sobre a face superior do perfilado compósito 2. A fita de reforço 5 compreende fibras impregnadas em um material polimérico. A fita de reforço 5 é formada de tal modo que o fio de trama da fita de reforço 5 é substancialmente perpendicular à direção longitudinal L do perfilado compósito 2, e de tal modo que o fio de urdidura da fita de reforço 5 é paralelo à direção longitudinal do perfilado compósito 2. A fita de reforço 5 recobre todo o comprimento e a largura do perfilado compósito 2.

[0054] Outras alternativas de realização podem ser previstas. Por exemplo, a armadura 1 pode compreender uma segunda fita de reforço 5solidarizada sobre a face inferior do perfilado compósito 2.

[0055] Um conduto flexível de acordo com a arte anterior é representado, de maneira esquemática e não limitativa, pela figura 3. Esse conduto é constituído por várias camadas descritas abaixo de dentro para o exterior do conduto. O conduto flexível é de tipo não ligado (“unbonded“ em inglês) e responde às especificações definidas no documento normativo API 17J.

[0056] A carcaça interna 6 é constituída por uma folha metálica enrolada em hélice com passo curto. Ela é destinada à resistência ao esmagamento sob o efeito da pressão externa aplicada ao conduto.

[0057] A bainha interna de estanqueidade 7 é realizada por extrusão de um material polimérico, em geral escolhido entre as poliolefinas, as poliamidas e os polímeros fluorados.

[0058] A abóbada de pressão 8 realizada em fios metálicos grampeados ou encaixáveis assegura a resistência à pressão interna dentro do conduto.

[0059] De acordo com a ilustração da figura 3, as mantas de armaduras de tração 9 são constituídas por fios (armaduras) enrolados em hélice de acordo com ângulos dos quais o valor absoluto em relação ao eixo longitudinal do conduto flexível é compreendido entre 20 graus e 55 graus. O conduto compreende vantajosamente duas mantas superpostas e cruzadas de armaduras de tração 9, como representado na figura 3. Por exemplo, se a manta interna de armaduras de tração é enrolada com um ângulo de hélice igual a 30 graus, a manta externa de armaduras de tração é enrolada com um ângulo de hélice igual a -30 graus. Essa simetria angular permite equilibrar o conduto em torção, de modo a reduzir sua tendência a girar sob o efeito de um esforço de tração.

[0060] Quando as duas mantas superpostas e cruzadas de armadura 9 são enroladas com um grande ângulo de hélice substancialmente igual a 55 graus, a abóbada de pressão 3 pode opcionalmente ser suprimida pois o ângulo de hélice de 55 graus confere às mantas de armadura de tração 4 uma boa resistência à pressão interna.

[0061] A bainha externa de estanqueidade 10 também realizada por extrusão de um material polimérico forma uma proteção externa do conduto.

[0062] O conduto representado pela figura 3 é do tipo “rough bore”, quer dizer que o fluido em circulação dentro do conduto está em contato com a carcaça interna 6.

[0063] Alternativamente, o conduto pode ser do tipo “smooth bore”. Nesse caso, o conduto representado pela figura 3 não compreende uma carcaça interna 6. A bainha polimérica 7 está diretamente em contato com o fluido em circulação dentro do conduto. A bainha polimérica 10 é estanque. Os esforços de pressão externa são suportados pela abóbada 8.

[0064] A invenção se refere por outro lado a um conduto flexível, que compreende pelo menos uma bainha de pressão e pelo menos um elemento de reforço mecânico. No presente pedido, o termo “elemento de reforço mecânico” designa o conjunto das mantas de armaduras utilizadas para retomar os esforços longitudinais do conduto flexível. De acordo com a invenção, o conduto flexível compreende pelo menos uma manta de armaduras que compreende armaduras compósitas tais como descritas precedentemente. Além disso, o conduto flexível de acordo com a invenção pode vantajosamente compreender pelo menos uma das outras camadas do conduto flexível descritas em referência à figura 3, notadamente uma carcaça interna, uma bainha externa de estanqueidade, uma abóbada de pressão e/ou outras camadas suplementares. De preferência, o conduto flexível de acordo com a invenção é de tipo não ligado (“unbonded” inglês) e responde às especificações definidas no documento normativo API 17J.

[0065] A utilização de armaduras compósitas de acordo com a invenção permite tornar mais leve o conduto flexível em relação às armaduras metálicas. Por outro lado, a resistência longitudinal e transversa das armaduras compósitas de acordo com a invenção, permitem evitar a ruptura e a degradação das armaduras por ocasião da utilização das mesmas.

[0066] A presente invenção é adaptada para os condutos flexíveis de tipo “riser”, para os condutos flexíveis de tipo “flow line” assim como para os condutos flexíveis de tipo “oil offloading line” (OOL) que permitem o descarregamento de fluidos de petróleo entre uma unidade flutuante de estocagem, produção, descarregamento (FPSO para “Floating Production Storage & Offloading”) e uma boia de descarregamento.

[0067] A invenção é especialmente adaptada a um conduto flexível para as grandes profundidades, para o qual a tensão no topo do conduto é o carregamento mais severo para o dimensionamento das armaduras. Exemplo de aplicação

[0068] As características e vantagens da armadura de acordo com a invenção aparecerão mais claramente com a leitura do exemplo de aplicação abaixo.

[0069] A principal aplicação visada para a invenção é uma armadura para conduto flexível destinado ao transporte do efluente de petróleo. Esse conduto flexível pode atravessar uma espessura de água, ligando assim instalações de fundo (poço) e uma plataforma de superfície (um tal conduto é chamado de “riser”). No mar profundo, esse conduto é submetido a grandes tensões mecânicas, devido a seu peso e aos movimentos da plataforma que é nesse caso sempre flutuante. Tornar mais leve esse conduto permite reduzir as tensões que a plataforma deve suportar. Há casos nos quais as dimensões do conduto flexível e a profundidade de água são tais que só um conduto flexível com armaduras compósitas pode ser considerado, por exemplo o “top riser” (quer dizer a porção superior do conduto flexível). Para esse exemplo, trata-se de um conduto flexível com diâmetro interno de 9” (cerca de 228,6 mm) dimensionado para uma pressão interna em funcionamento de 553 bars (cerca de 55,3 MPa) e de uma espessura de água de 2140 m.

[0070] Os carregamentos críticos que o “top riser” deve suportar correspondem ao carregamento no topo (conexão com a plataforma e o carregamento no pé (conexão com o “bottom riser”, quer dizer a porção inferior do conduto flexível). O carregamento no topo adiciona a pressão interna (linha em produção), a tensão devida ao peso suspenso e a flexão devida ao movimento da plataforma, essas duas últimas não sendo constantes. O carregamento no pé adiciona a pressão externa (linha despressurizada0 e a tensão devida ao peso do “bottom riser”, a soma das duas colocando as armaduras em compressão, por causa do efeito de fundo inverso.

[0071] A solução proposta pela arte anterior para esse caso de flexível com 4 mantas de armaduras compósitas unidirecionais de seção 14 a 1.65 mm, com uma taxa volúmica de fibras Vf = 68%. Duas novas estruturas de armaduras de acordo com a invenção são aqui propostas (seção 14 x 2.08 mm, Vf =60% para a fita de reforço e o perfilado compósito): – exemplo 1 (não de acordo com a invenção): uma fita de reforço, com uma distribuição das fibras no fio de urdidura k = 0.89 (89%), – exemplo 2 (de acordo com a invenção): uma tricamadas composto sucessivamente por uma primeira fita de reforço com k = 0.7, por um perfilado compósito, e por uma segunda fita de reforço com k =

0.7, as espessuras respectivas das três camadas sendo 0.39, 1.30 e

0.39 mm, – exemplo 3 (de acordo com a invenção): uma bicamadas composta sucessivamente por um perfilado compósito, e por uma fita de reforço com k = 0.7, as espessuras respectivas sendo de 1.30 e 0.78 mm, e a fita de reforço sendo posicionada sobre a superfície exterior do perfilado compósito.

[0072] Essas soluções foram dimensionadas para trazer a mesma rigidez axial ao conduto flexível. Para cada solução, as tensões e o fator de ruptura R das armaduras são calculados para os carregamentos no topo e no pé do conduto flexível, com o auxílio de um modelo digital que permite levar em consideração completamente o caráter multiaxial dos carregamentos.

[0073] O valor máximo do fator de ruptura R é dado para as diferentes soluções na Tabela 1. O fio é considerado rompido para R ≥

1. O fator R é calculado a partir do estado de tensões e dos limites em ruptura em cada direção do fio.

[0074] Tabela 1 – fator de ruptura máximo para as diferentes estruturas de armadura

Armadura Rmax Arte anterior: armadura unidirecional com Vf = 68% 1,33 Exemplo 1 1,13 Exemplo 2 0,86 Exemplo 3 0,80

[0075] A redução da taxa de fibras reduz amplamente o valor de Rmax comparativamente ao exemplo da armadura da arte anterior, mas ele permanece próximo de 1. No entanto, a utilização de uma tricamadas, e sobretudo de uma bicamada, permite reduzir ainda mais o valor de Rmax e de passar sob 0,9, e em consequência disso evitar a ruptura da armadura.

[0076] Assim, o reforço do perfilado compósito unidirecional atual com fitas tecidas ou mais geralmente tecidos permite melhorar a resistência transversa da armadura ao mesmo tempo em que conserva propriedades longitudinais satisfatórias. Notadamente, é possível reforçar suficientemente a armadura para evitar as fissuras longitudinais.

Claims (12)

REIVINDICAÇÕES

1. Armadura para conduto flexível que compreende um perfilado compósito (2) e pelo menos uma fita de reforço (5), o dito perfilado compósito (2) sendo constituído por fibras de reforço (4) contínuas embutidas em uma resina polimérica (3), o dito perfilado compósito (2) tendo uma seção substancialmente retangular, e a dita fita de reforço (5) sendo solidarizada sobre pelo menos uma face do dito perfilado compósito (2), caracterizada pelo fato de que a dita fita de reforço (5) é uma fita tecida que compreende fibras impregnadas em um material polimérico, a dita fita de reforço (5) sendo formada de tal modo que o fio de trama da dita fita de reforço (5) é substancialmente perpendicular à direção longitudinal (L) do dito perfilado compósito (2), e de tal modo que o fio de urdidura da dita fita de reforço (5) é substancialmente paralelo à direção longitudinal (L) do dito perfilado compósito (2).

2. Armadura de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que de 50 a 90%, e de preferência de 60 a 80%, das ditas fibras da dita fita de reforço (5) são incluídas no dito fio de urdidura da dita fita de reforço (5).

3. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a taxa volúmica de fibras da dita fita de reforço (5) é superior a 40%, e vale de preferência 60%.

4. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as ditas fibras da dita fita de reforço (5) são fibras de carbono.

5. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a espessura da dita fita de reforço (5) é compreendida entre 5 e 50% da espessura da dita armadura (1), de preferência entre 10 e 30% da espessura da dita armadura (1).

6. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita armadura (1) compreende uma fita de reforço (5) disposta sobre a face superior do dito perfilado compósito (2).

7. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita armadura (1) compreende duas fitas de reforço (5) dispostas sobre as faces superior e inferior do dito perfilado compósito (2).

8. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita fita de reforço (5) é solidarizada sobre o dito perfilado compósito (2) por revestimento, por colagem, ou por estratificação simultânea com a dita resina polimérica do dito perfilado por ocasião da fabricação do dito perfilado compósito (2).

9. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a dita armadura (1) possui uma rigidez longitudinal superior a 70% daquela da armadura unidirecional de referência e de preferência superior a 80%.

10. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a taxa volúmica de fibras do dito perfilado compósito (2) é compreendida entre 50 e 80%.

11. Armadura de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as ditas fibras (4) do dito perfilado compósito (2) são orientadas unicamente de acordo com a direção longitudinal (L) do dito perfilado compósito (2).

12. Conduto flexível para transportar um efluente de petróleo, caracterizado pelo fato de que o dito conduto flexível compreende pelo menos uma bainha de pressão (7) e pelo menos uma manta de armaduras de tração (9) que compreende armaduras (1) como definidas em uma das reivindicações precedentes, a dita manta de armaduras (9) sendo colocada no exterior da dita bainha de pressão (7).