BR112020010242B1 - Encaixe para tubo rígido de material composto, tubo rígido de material composto e método para prender um encaixe a pelo menos um tubo rígido de material composto - Google Patents

Abstract

Um encaixe é fixado a um tubo composto inserindo uma porção de origem tubular do encaixe em uma extremidade do tubo e depois tensionando os elementos de tração que se estendem longitudinalmente distribuídos ao redor do encaixe. Isso move um componente de cunha externa do encaixe longitudinalmente em relação ao tubo para forçar uma formação de cunha interna oposta radialmente para dentro em direção à porção de origem, prendendo o encaixe ao tubo. O encaixe pode ser um encaixe de extremidade para permitir que o tubo seja unido a outro tubo ou conduto, ou pode ser um encaixe em linha usado para unir dois comprimentos de ponta a ponta do tubo.

Description

[001] Essa invenção se refere aos desafios de conectar um encaixe, terminação ou junta de extremidade de metal a um tubo de material composto de polímero.

[002] Tubos rígidos convencionais usados na indústria de petróleo e gás submarina são especificados na Especificação 5L do Instituto de Petróleo Americano (API) e Prática Recomendada 1111. Um tubo rígido geralmente consiste em, ou compreende, pelo menos um tubo de aço sólido ou liga de aço. No entanto, camadas adicionais de outros materiais podem ser adicionadas, tal como uma camada de revestimento interna ou uma camada de recobrimento externa. Um tubo rígido pode também ter uma estrutura concêntrica de tubo em tubo (PiP). Juntas de tubo rígido são terminadas por um chanfro, uma rosca ou um flange, e são montadas extremidade com extremidade por sua soldagem, roscamento ou aparafusamento juntas para formar uma coluna de tubos ou tubulação.

[003] Aqueles versados na técnica sabem que tubos nominalmente rígidos têm flexibilidade significativa. No entanto, tubos rígidos não se situam dentro da definição de tubos flexíveis como entendido na técnica.

[004] Os tubos flexíveis usados na indústria são especificados na Especificação API 17J e Prática Recomendada 17B. O corpo do tubo é composto por uma estrutura composta de materiais em camadas, na qual cada camada tem sua própria função. Em particular, tubos flexíveis unidos compreendem camadas ligadas de aço, tecido e elastômero e são fabricados em comprimentos curtos na ordem de dezenas de metros. Inversamente, os tubos flexíveis não unidos podem ser fabricados em comprimentos de centenas de metros. Normalmente, os tubos e envoltórios de polímero garantem impermeabilidade e isolamento térmico, enquanto as camadas ou elementos de aço fornecem resistência mecânica.

[005] Tubos flexíveis são terminados por encaixes de extremidade, que são geralmente de aço. Tais encaixes de extremidade tipicamente compreendem um flange de metal para conexão aparafusada e um sistema para unir as camadas do tubo de forma impermeável ao flange. Um exemplo é revelado em WO 02/39003, em que um tubo flexível é conectado a um encaixe de extremidade com flange.

[006] Em anos recentes, a indústria de petróleo e gás submarina começou a adotar tubos rígidos de materiais compostos de polímero no lugar do aço. Tubos compostos têm uma estrutura tubular de suporte de carga que é principalmente de materiais compostos. Isso deve ser distinguido de tubos com uma estrutura composta, tal como as várias configurações em camadas de tubos rígidos e flexíveis mencionadas acima.

[007] Tipicamente, um tubo composto compreende uma matriz de resina de polímero reforçada por fibras, tais como fibras de vidro ou fibras de carbono. A matriz de polímero pode ser de materiais termoplásticos ou de termocura. O primeiro resulta no que é conhecido na técnica como tubo composto termoplástico ou, mais simplesmente, como tubo termocomposto (TCP). O TCP é classificado como um tubo composto unido.

[008] Com referência à Figura 1 dos desenhos, o tubo composto 10 de um TCP tem uma estrutura sólida e monolítica compreendendo um revestimento de polímero 12, uma matriz composta de polímero 14 e um recobrimento externo opcional 16 que pode também ser de polímero. O polímero do revestimento 12, da matriz 14 e/ou do recobrimento 16 pode, por exemplo, ser de polipropileno. A matriz 14 é um verdadeiro composto reforçado com fibras de reforço totalmente incorporadas.

[009] Tubos compostos tais como esses estão sendo cada vez mais usados na indústria de petróleo e gás submarina para transportar fluidos de produção ou outros fluidos. Por exemplo, esses tubos podem ser usados como linhas de escoamento marítimas, tubos ascendentes ou tubos descendentes, ou como carretéis, tubos de pontes ou conexões para conectar juntos itens de equipamentos em uma instalação submarina. Também, alguns sistemas PiP usam ambos tubos de aço e compostos em relação concêntrica, o tubo composto normalmente sendo uma linha de escoamento dentro de um tubo de aço circundante.

[0010] Uma vantagem de tubos compostos é que eles podem ser feitos continuamente em qualquer comprimento instalável, ao contrário de tubulações de aço que exigem fabricação de várias juntas de tubo mais curtas. Sob esse aspecto, tubos compostos têm um raio de curva mínimo menor do que tubos de aço equivalentes e então são particularmente aptos a serem enrolados, com deformação elástica, em um carretel ou carrossel de um navio de instalação de lançamento de carretel.

[0011] Enquanto eles possam ser de grande comprimento, por exemplo, mais longos do que 3 km, os tubos compostos de polímero devem eventualmente ser conectados ponta a ponta com outros tubos ou ao equipamento que incorpora outros tubos ou condutos tubulares e similares. Por exemplo, uma tubulação pode incorporar acessórios em linha ou de tubulação terminal, ou um tubo composto pode exigir conexão a um tipo diferente de tubo que desempenhe uma função diferente. Tais outros tubos podem ser de qualquer material adequado, mas são mais frequentemente de aço.

[0012] A estrutura e a composição de um tubo determinam como são feitas as conexões mecânicas e de fluido entre os comprimentos sucessivos do tubo para completar uma tubulação. Para tubos de aço, por exemplo, as abordagens convencionais são para soldar no perímetro os tubos de ponta a ponta ou para aparafusar flanges forjados. Analogamente à soldagem, a eletrofusão é conhecida para unir tubos de polímero sólido. No entanto, sistemas de conexão especiais têm que ser usados onde o material do tubo não é homogêneo, como em um tubo composto. Por exemplo, várias camadas de resina fibrosa curada não podem ser unidas por eletrofusão, pois isso criaria pontos de fraqueza.

[0013] Embora outras soluções, tal como acopladores, sejam conhecidas, a união de tubulações compostas unidas de polímeros tipicamente exige encaixes de extremidade. É um desafio técnico prender os encaixes de extremidade ao tubo composto em uma maneira estanque.

[0014] US 2015/027720 ensina o uso de ranhuras em um encaixe de extremidade para fixar as fibras do tubo composto. No entanto, esse método de conexão não propicia uma estanqueidade perfeita.

[0015] WO 2007/027089 revela a utilização de uma luva de acoplamento que desliza em torno de uma extremidade afilada de um tubo composto e fixa um encaixe de extremidade nele.

[0016] GB 2258899 mostra como encaixe de tubo e uma luva de travamento troncônica podem ser aparafusados juntos. Do mesmo modo, em WO 2017/163021, vários pinos travam as partes juntas. Além disso, o EP 2440738 mostra um arranjo de formações de intertravamento para um tubo de perfuração, no qual roscas são usadas para travar as formações após a montagem. Todos esses arranjos requerem a inserção e o aperto de parafusos, pinos ou roscas. Além disso, a técnica anterior relativa a tubos de perfuração está relacionada com a resistência à torção, ao passo que as conexões de tubulação têm que resistir a tensão longitudinal e a pressão de compressão e radial.

[0017] Em WO 01/98701, uma luva interna metálica é expandida radialmente para pressionar um tubo composto em castelações voltadas para dentro de um encaixe de tubo circundante. No entanto, este arranjo reduz substancialmente o diâmetro do furo interno da tubulação, o que é prejudicial para a taxa de fluxo e para a circulação de "pigs" de tubulação para limpeza e inspeção.

[0018] Em WO 2014/023943, a parte metálica de um encaixe de tubo é fixada em um tubo composto por um arranjo rosqueado. Inversamente, WO 2012/095631 ensina a colagem de um encaixe em um tubo composto injetando material adesivo dentro de um recesso.

[0019] FR 1236595 mostra um encaixe de tubo para unir tubos adjacentes. O encaixe usa componentes da cunha interna e externa montados nos tubos adjacentes. Os componentes de anel são subsequentemente deslizados sobre os componentes da cunha interna e externa e conectados por uma fixação longitudinal para impulsionar a cunha externa em direção à cunha interna para unir os tubos adjacentes.

[0020] DE 1263417 revela um método de união de dois tubos usando um arranjo do tipo de "tampão e soquete". A porção do tubo que age como o soquete compreende um flange anular e a porção do tubo que atua como o tampão compreende uma luva anular. O flange e a luva são fixados por uma fixação, dessa forma unindo os tubos.

[0021] WO 2012/115350 revela um método para unir um tubo sem um flange de extremidade a um tubo com um flange de extremidade. Esse documento mostra o uso de um componente de flange adicional fixado ao tubo via um ajuste por pressão.

[0022] US 2007/272417 mostra um dispositivo para unir dois tubos que têm tolerâncias de fabricação relativamente grandes. O dispositivo usa um cone e uma cunha que podem ser movidos um em relação ao outro por um pistão para segurar o tubo e levar em conta quaisquer tolerâncias no diâmetro externo do tubo que está sendo preso.

[0023] A DE 1163620 descreve um dispositivo de fixação para prender uma mangueira de alta pressão a um bico. Uma luva de aperto é usada para prender a mangueira ao bico. A FR 2398249 descreve um acoplamento de mangueira para conectar uma mangueira a uma luva tubular.

[0024] Os arranjos descritos acima têm várias desvantagens. Por exemplo, a montagem completa tem um grande diâmetro e/ou comprimento, o que é prejudicial para a possibilidade da instalação de lançamento de tambor. Também, sua resistência ao estresse mecânico e vazamento de fluido podem não ser suficientes para uso em alto-mar, sob altas pressões interna e externa e quando transportando fluidos em alta temperatura. Finalmente, em pelo menos alguns casos, a extremidade do tubo composto requer uma forma especial. Isso significa que o ajuste de comprimento não pode ser efetuado simplesmente cortando o tubo e conectando o encaixe de ponta a ponta cortada.

[0025] A Figura 2 dos desenhos mostra uma porção de extremidade de um tubo composto 18 que compreende um encaixe de extremidade de aço 20 para um tubo composto 10 como também conhecido na técnica anterior. Isso aborda pelo menos algumas das desvantagens dos arranjos da técnica anterior identificados anteriormente.

[0026] O encaixe de extremidade 20 compreende uma haste tubular alongada 22, um sistema de cunha 24 e uma luva tubular 26 que coopera com o sistema de cunha 24, como será descrito.

[0027] A haste 22 é um forjamento de aço integral que é simetricamente rotacional em torno de um eixo longitudinal central 28 e que tem um diâmetro interno substancialmente constante ao longo de todo o seu comprimento.

[0028] Mais especificamente, a haste 22 se estende no sentido distal a partir de uma porção de origem 30 em uma extremidade proximal para um flange de acoplamento personalizado 32 em uma extremidade distal. A porção de origem 30 é para engatar o tubo 10 para fixar o encaixe de extremidade 20 ao tubo 10, enquanto que o flange de acoplamento 32 é para prender o tubo 18 no próximo tubo sucessivo 18 em série. Para esse fim, o flange de acoplamento 32 é penetrado por orifícios de extensão axial 34 para conexão aparafusada a um flange complementar 32. O flange complementar 32 é um exemplo de uma formação de junta; outras formações de juntas, como um gargalo de solda ou um fio, seriam possíveis no lugar disso.

[0029] A porção de origem 30 da haste 22 é um ajuste de interferência dentro de uma porção de extremidade distal do tubo 10 e é vedada ao tubo circundante 10 por uma série de gaxetas circunferenciais 36. O restante da haste 22 se estende no sentido distal além da extremidade distal do tubo 10.

[0030] Um flange de travamento 38, que convenientemente encosta com a extremidade distal do tubo 10 como mostrado, é espaçado no sentido proximal do flange de acoplamento 32 para possibilitar que os parafusos sejam inseridos através dos furos 34 do flange de acoplamento 32.

[0031] O flange de acoplamento 32 e o flange de travamento 38 situam-se em respectivos planos longitudinalmente espaçados que são ortogonais ao eixo longitudinal central 28. Seus diâmetros externos excedem o diâmetro externo do tubo 10.

[0032] O sistema de cunha 24 compreende um arranjo circunferencial de, tipicamente, entre quatro e doze cunhas de metal que são presas ao redor, e juntas circulam, a porção de extremidade do tubo 10 no lado proximal do flange de travamento 38. As cunhas reagem em atrito com a superfície externa do tubo 10, como pode ser definido por um recobrimento externo 16 quando presente.

[0033] Coletivamente, as cunhas do sistema de cunha 24 definem uma formação de rampa troncônica distalmente aberta. A formação de rampa termina distalmente dentro do diâmetro radialmente externo do flange de travamento 38.

[0034] A luva 26 circunda o sistema de cunha 24 e tem um corpo troncônico 40. O corpo 40 define uma superfície interna inclinada 42, que complementa a superfície externa similarmente inclinada 44 da formação de rampa.

[0035] Quando a luva 26 é forçada distalmente sobre o sistema de cunha 24, a superfície interna inclinada 42 da luva 26 desliza sobre a superfície externa complementar 44 da formação de rampa. A ação de cunha resultante força as cunhas do sistema de cunha 24 radialmente para dentro. Isto comprime a porção de extremidade do tubo 10 para um encaixe mais apertado com a porção de origem 30 da haste 22 no interior.

[0036] Um anel de extremidade distal 46 da luva 26 sobrepõe a borda radialmente externa do flange de travamento 38. O anel de extremidade 46 pode ter uma rosca fêmea que engata uma rosca macho complementar no flange de travamento 38. Como alternativa, como mostrado, prendedores como parafusos 48 estendem-se em eixos radiais espaçados angularmente através de orifícios no anel de extremidade 46 e para dentro de orifícios roscados no flange de travamento 38. Isso trava a luva 26 em uma posição distalmente avançada que, por sua vez, trava as cunhas do sistema de cunha 24 para pressionar radialmente para dentro contra a parte externa do tubo 10. Assim, a porção de origem 30 da haste 22 dentro do tubo 10, e, portanto, o restante do encaixe de extremidade 20, são fixados seguramente em relação ao tubo 10.

[0037] Uma desvantagem do arranjo mostrado na Figura 2 é que o anel de extremidade 46 da luva 26 acrescenta ao diâmetro da montagem onde existe uma sobreposição entre a luva 26 e o flange de travamento 38. Onde usados, os parafusos 48 adicionam ainda mais ao diâmetro da montagem. O volume radial resultante do encaixe de extremidade 20 prejudica o uso do tubo 18 como a linha de escoamento interna de um sistema de tubo em tubo (PiP). Além disso, um sistema atuador secundário deve ser usado para forçar a luva 26 distalmente sobre o sistema de cunha 24 antes que o anel de extremidade 46 da luva 26 possa ser engatado com o flange de travamento 38.

[0038] Neste contexto, um aspecto da invenção fornece um encaixe para um tubo composto. O encaixe compreende: pelo menos uma porção de origem tubular; um componente de cunha externa, tal como uma luva que circula a porção de origem, que é móvel longitudinalmente em relação à porção de origem para forçar uma formação de cunha interna oposta radialmente para dentro em direção à porção de origem para prender o tubo composto entre a formação de cunha interna e a porção de origem; e um ou mais elementos de tração de extensão longitudinal que agem em tensão no componente de cunha externa para efetuar o dito movimento longitudinal.

[0039] O número e a disposição dos elementos de tração são selecionados para aplicar uma força longitudinal suficiente no componente de cunha externa. Em algumas modalidades, um elemento de tração pode ser suficiente, mas uma aplicação equilibrada de força longitudinal ao componente de cunha externa pode requerer mais elementos de tração. Por exemplo, podem existir dois ou mais elementos de tração que se estendem longitudinalmente distribuídos ao redor da porção de origem em um arranjo circunferencial.

[0040] Em uma abordagem, a formação de cunha interna pode se estender circunferencialmente em torno e ser espaçada radialmente de, a porção de origem para definir um vão de aperto anular que, em uso, acomoda uma parede do tubo. Em outra abordagem, a formação de cunha interna pode ser integral com ou presa ao tubo.

[0041] Os elementos de tração podem compreender uma ou mais hastes, parafusos, pernos ou correias, cujos elementos podem ser usados em qualquer combinação. Um elemento de tração pode compreender um tensionador ou fixação que é deslocada proximalmente em relação a e localizada em um lado externo de conicidade proximal do componente de cunha externa.

[0042] O ou cada elemento de tração estende-se ao longo de uma respectiva passagem que se estende longitudinalmente através do componente de cunha externa e a formação de cunha interna. Uma ou mais de tais passagens também podem estender-se longitudinalmente através de um flange que se estende radialmente em um plano deslocado longitudinalmente da porção de origem.

[0043] Em algumas modalidades, o encaixe pode ser um encaixe de extremidade com uma formação de junta que é disposta distalmente com relação à porção de origem. Nesse caso, o ou cada elemento de tração pode agir entre ancoragens dispostas respectivamente no componente de cunha externa e em uma porção de haste que se estende distalmente da porção de origem.

[0044] Um componente de haste tubular integral pode definir a porção de origem em uma extremidade proximal, a formação de junta em uma extremidade distal e um flange se estendendo radialmente para fora entre essas extremidades. Convenientemente, o flange pode localizar a formação de cunha interna contra o movimento longitudinal. O ou cada elemento de tração pode se estender entre o componente de cunha externa e o flange.

[0045] Em outras modalidades, o encaixe pode ser um encaixe de junta para acoplar dois tubos de ponta a ponta. Nesse caso, o encaixe pode compreender: um par de porções de origem que se estendem em direções longitudinais mutuamente opostas, e um componente de cunha externa disposto radialmente para fora de cada um do par de porções de origem, esses componentes de cunha externa sendo móveis pelo ou cada elemento de tração em direções longitudinais opostas para forçar o movimento radialmente para dentro das respectivas formações de cunha interna.

[0046] Um componente de haste tubular integral pode definir as porções de origem em extremidades opostas e ter um flange que se estende radialmente para fora entre essas extremidades. De novo, o flange localiza convenientemente as formações de cunha interna contra o movimento longitudinal, e o ou cada elemento de tração pode atuar entre um componente de cunha externa e o flange. Alternativamente, o ou cada elemento de tração pode conectar e atuar entre os componentes de cunha externa opostamente móveis.

[0047] O conceito inventivo abrange um tubo composto adaptado com pelo menos um encaixe da invenção. O conceito inventivo também abrange um método correspondente de fixação de um encaixe em pelo menos um tubo composto, o método compreendendo: inserir uma porção de origem tubular do encaixe em uma extremidade do ou de cada tubo e pela tração de um ou mais elementos de tração que se estendem longitudinalmente do encaixe, mover um componente de cunha externa do encaixe longitudinalmente em relação ao tubo para forçar uma formação de cunha interna oposta radialmente para dentro em direção à porção de origem, com isso prendendo a extremidade do ou cada tubo entre a formação da cunha interna e a porção de origem. De novo, pode existir uma pluralidade de elementos de tração distribuídos em torno do tubo.

[0048] Onde a formação da cunha interna faz parte do encaixe, uma parede do tubo pode ser presa entre a formação da cunha interna e a porção de origem. Na alternativa, onde a formação da cunha interna é integral ou presa ao tubo, a formação da cunha interna pode ser presa entre o componente da cunha externa e a porção de origem.

[0049] Força é aplicada ao componente da cunha externa através de um ou mais elementos de tração estendendo-se através da formação da cunha interna.

[0050] Forças de tração podem ser aplicadas entre o componente da cunha externa e uma parte do encaixe, tal como uma porção de flange ou haste, que está em relação fixa com a porção de origem.

[0051] Onde a invenção é usada para afixar um encaixe de extremidade ao tubo, o método adequadamente compreende ainda prender o tubo a outro tubo ou conduto através do encaixe de extremidade. Alternativamente, onde a invenção é usada para acoplar dois tubos de ponta a ponta, o método compreende adequadamente: inserir porções de origem tubular que se estendem opostas do encaixe em extremidades mutuamente opostas dos tubos respectivos; e tracionar o ou cada elemento de tração para puxar os componentes da cunha externa do encaixe um em direção ao outro em direções longitudinais opostas, esses componentes da cunha externa sendo dispostos radialmente para fora de cada uma das porções de origem para forçar o movimento radialmente para dentro das respectivas formações de cunha interna. Nesse caso, o ou cada elemento de tração pode atuar entre os componentes de cunha externa opostamente móveis.

[0052] A invenção objetiva reduzir o diâmetro externo geral de um encaixe de tubo, tal como uma montagem de encaixe de extremidade. A redução no diâmetro externo pode excluir um flange personalizado usado para unir um encaixe de extremidade a outro. Os mesmos princípios podem ser usados para uma única terminação TCP e para uma conexão TCP para TCP, ou seja, uma conexão em linha. No caso de uma conexão em linha, o encaixe pode ser modificado para remover completamente o flange.

[0053] Uma modificação ao projeto da técnica anterior mostrada na Figura 2 é mudar o caminho de carga entre as cunhas e a haste, observando que o caminho de carga se estende apenas através da luva no projeto da técnica anterior. Na invenção, a carga, ao invés disso, passa através de alguns fixadores, tais como parafusos, hastes ou correias. Tais correias podem ser, por exemplo, de Kevlar ou titânio. Isso permite que o formato da luva seja modificado, tornando-a mais compacta em termos de seu diâmetro externo geral.

[0054] A invenção oferece a possibilidade de reduzir o diâmetro externo geral do encaixe e reduzir o comprimento geral de uma montagem de conexão. Além da economia geométrica, isso também economiza tempo e custos associados a uma conexão flangeada ou soldada.

[0055] A invenção facilita particularmente o uso de TCP como o tubo interno de um sistema de PiP, no qual o TCP pode deslizar dentro do tubo externo, ou para outras aplicações com restrições geométricas. A este respeito, ao reduzir o tamanho total, e especialmente o diâmetro externo dos encaixes de extremidade de TCP conhecidos, a invenção estende a aplicação de TCP não apenas a sistemas de PiP, mas também a puxadores de tubos ascendentes em tubos J ou I de pequeno diâmetro.

[0056] Além de remover a necessidade de flange em uma conexão em linha, a invenção permite uma montagem muito mais curta. Isso mitiga beneficamente a concentração de estresse causada por um aumento local na rigidez da curva.

[0057] Algumas modalidades da invenção fornecem um encaixe de extremidade para tubo composto, o encaixe de extremidade compreendendo: uma peça de extremidade com pelo menos um tubo inserido na extremidade do tubo composto e um colar de extremidade em torno do tubo; um anel de cunha que comprime o tubo composto no tubo da peça de extremidade e que encosta no colar de extremidade e uma montagem de fixação para pressionar e fixar o anel de cunha no tubo composto e na peça de extremidade, em que a montagem de fixação compreende uma luva capaz de deslizar no anel de cunha e pelo menos um fixador para tensionar longitudinalmente a luva no anel de cunha e prender a luva na peça de extremidade.

[0058] O tubo composto pode ser de composto unido com polímero e a peça de extremidade pode ser de aço. A peça de extremidade pode compreender um flange para conectar dois encaixes de extremidade juntos.

[0059] O anel de cunha ou cunha interna pode ser integral com ou unido ao tubo composto. Alternativamente, a interface entre o anel de cunha e o tubo composto pode ter um alto coeficiente de atrito. De preferência, o diâmetro externo da montagem da luva e do anel de cunha é menor do que o diâmetro externo do colar de extremidade.

[0060] O fixador pode ser um conjunto de porca e parafuso ou uma correia. Assim, a tração da montagem da luva e do anel de cunha pode ser feita tensionando o parafuso ou a correia.

[0061] Algumas modalidades da invenção também implementam um método para montar um encaixe de extremidade em um tubo composto. Esse método compreende: inserir o tubo composto em um recesso de uma peça de extremidade em forma de anel que compreende um colar de extremidade externo; encostar um anel da cunha localizado em torno do tubo composto no colar de extremidade; deslizar uma luva de uma montagem de fixação em torno do anel de cunha para comprimir o anel de cunha e o tubo composto radialmente na peça de extremidade e tracionar longitudinalmente um fixador da montagem de fixação para deslizar a luva para comprimir o anel de cunha e para travar a luva no anel de cunha.

[0062] Outras modalidades da invenção implementam um método para conectar dois tubos compostos. Este método compreende: proporcionar dois tubos compostos com os respectivos encaixes de extremidade, cada um compreendendo, pelo menos, uma peça de extremidade e um anel de cunha, em que cada peça de extremidade compreende apenas um tubo de extremidade e um colar de extremidade, deslizar uma luva de fixação em torno de cada anel de cunha, e longitudinalmente tracionar pelo menos um fixador que conecta as respectivas luvas de fixação de cada tubo. Como acima, o tracionamento pode, por exemplo, ser alcançado tracionando uma porca e parafuso ou uma correia.

[0063] A invenção facilita a adoção de uma geometria padrão para encaixes de tubulação que reduz os custos de engenharia em terra e os custos de fabricação e flutuabilidade; de fato, nenhuma flutuabilidade será necessária em muitos casos. A geometria simples dos encaixes os torna fáceis de soldar e isolar.

[0064] Os encaixes da invenção reduzem os custos de transporte porque eles podem ser enrolados e podem ser transportados em tambores, o que permite que mais tubos possam ser transportados em uma única operação. A compacidade dos encaixes permite reduzir os custos de instalação, exigindo um navio de instalação de especificação mais baixa e a possibilidade de vários métodos de implantação.

[0065] Em resumo, a invenção proporciona um encaixe a ser fixado a um tubo composto inserindo uma porção de origem tubular do encaixe em uma extremidade do tubo e depois tensionando os elementos de tração que se estendem longitudinalmente distribuídos ao redor do encaixe. Isso move um componente de cunha externa do encaixe longitudinalmente em relação ao tubo para forçar uma formação de cunha interna oposta radialmente para dentro em direção à porção de origem, prendendo o encaixe ao tubo. Os elementos de tração do encaixe são usados tanto para aplicar força longitudinal para mover o componente da cunha externa quanto para travar o sistema quando o encaixe tiver sido preso ao tubo.

[0066] O encaixe pode ser um encaixe de extremidade para permitir que o tubo seja unido a outro tubo ou conduto, ou pode ser um encaixe em linha usado para unir dois comprimentos de ponta a ponta do tubo.

[0067] Para explicar os antecedentes da técnica anterior, já foi feita referência às Figuras 1 e 2 dos desenhos, nas quais:

[0068] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um tubo composto para uma tubulação composta, como conhecido na técnica anterior e

[0069] A Figura 2 é uma vista lateral em corte longitudinal de um encaixe de extremidade unido a um tubo composto, como também conhecido na técnica anterior.

[0070] Para que a invenção possa ser mais facilmente compreendida, será agora feita referência, a título de exemplo, ao restante dos desenhos anexos, nos quais:

[0071] A Figura 3 é uma vista lateral em corte longitudinal de um encaixe de extremidade unido a um tubo composto em uma primeira modalidade da invenção;

[0072] A Figura 4 é uma vista lateral em corte longitudinal de um encaixe de extremidade unido a um tubo composto em uma segunda modalidade da invenção;

[0073] A Figura 5 é uma vista lateral em corte longitudinal de um encaixe de junta que une dois tubos compostos em uma terceira modalidade da invenção e

[0074] A Figura 6 é uma vista lateral em corte longitudinal de um encaixe de junta que une dois tubos compostos em uma quarta modalidade da invenção.

[0075] A Figura 3 mostra uma primeira modalidade da invenção na forma de um encaixe de extremidade de aço 50 para um tubo composto 52. O tubo 52 mostrado na Figura 3 compreende ainda um tubo composto 54.

[0076] Como no arranjo da técnica anterior mostrado na Figura 2, o encaixe de extremidade 50 compreende uma haste tubular alongada 56, um sistema de cunha 58 que serve como uma formação de cunha interna e uma luva tubular troncônica 60 que serve como um componente de cunha externa. Assim, a luva 60 envolve e coopera com o sistema de cunha 58 para travar o encaixe de extremidade 50 no tubo 54.

[0077] Novamente, a haste 56 é um forjamento de aço integral que é rotativamente simétrico em torno de um eixo longitudinal central 28 e que tem um diâmetro interno substancialmente constante ao longo de todo o seu comprimento. Neste exemplo, no entanto, uma formação de junta exemplificada pelo flange de acoplamento 32 da Figura 2 foi omitida da haste 56.

[0078] Da mesma forma, a haste 56 tem uma porção de origem tubular 62 em uma extremidade proximal para engatar o tubo composto 54 para fixar o encaixe de extremidade 50 ao tubo 54. A porção de origem 62 é um ajuste de interferência dentro de uma porção de extremidade distal do tubo 54. A porção de origem 62 pode ser vedada ao tubo circundante 54 por uma série de gaxetas circunferenciais, como mostrado na Figura 2, embora tais gaxetas tenham sido omitidas da Figura 3.

[0079] A haste 56 se estende distalmente da porção de origem 62 para se projetar distalmente além da extremidade distal do tubo 54. Aqui, como o flange de travamento da Figura 2, um flange de tensão 64 se estende radialmente a partir da extremidade saliente da haste 56 e excede o diâmetro externo do tubo 54. Da mesma forma, o flange de tensão 64 encosta-se com a extremidade distal do tubo 54.

[0080] A luva 60 é adaptada em relação à luva da técnica anterior da Figura 2. Em particular, o anel de extremidade distal 46 da luva 26 da Figura 2 é omitido e há pelo menos um ressalto 66 na extremidade proximal da luva 60. Preferencialmente, como mostrado, a extensão radial do ressalto 66 não excede a extensão radial da extremidade distal da luva 60.

[0081] O flange de tensão 64, o sistema de cunha 58 e a luva 60 são penetrados por orifícios mutuamente alinhados que juntos definem passagens que se estendem longitudinalmente 68. Cada passagem 68 se estende a partir de uma extremidade proximal na face proximal do ressalto 66 até uma extremidade distal na face distal do flange de tensão 64.

[0082] Uma dessas passagens 68 é mostrada no lado superior do tubo 54 na Figura 3. Será evidente que as passagens 68 se estendem substancialmente paralelas ao eixo longitudinal central 28 do tubo 54. As passagens 68 são espaçadas igualmente de maneira angular em torno desse eixo 28.

[0083] Como mostrado no lado inferior do tubo 54 na Figura 3, cada passagem 68 acomoda um parafuso longo, perno ou haste roscada 70. A haste 70 se projeta longitudinalmente além da face proximal do ressalto 66 e da face distal do flange de tensão 64. A haste 70 é então fixada e tensionada apertando as porcas 72 em suas extremidades salientes.

[0084] Existe uma folga radial entre cada haste 70 e as paredes circundantes da passagem associada 68. Essa folga é suficiente para que a luva 60 e o sistema de cunha 58 se movam levemente em direções radiais opostas com sua interação de cunha à medida que são puxados juntos pela haste tensionada 70. Assim, devido à tensão na haste 70, a luva 60 força o sistema de cunha 58 radialmente para dentro contra a superfície radialmente externa do tubo 54 para apertar a parede do tubo 54 contra a porção de origem 62 da haste 56 no interior. Isso trava o encaixe de extremidade 50 ao tubo 54 como o arranjo da técnica anterior mostrado na Figura 2.

[0085] Será evidente na Figura 3 que, à medida que as hastes 70 atuam longitudinalmente em tensão, elas podem se estender longitudinalmente através do flange de tensão 64. Isso mantém o sistema de travamento, compactamente, dentro do diâmetro externo do flange de tensão 64 e, assim, evita adicionar ao diâmetro total do encaixe de extremidade 50, diferente dos parafusos 48 que se estendem através do anel de extremidade 46 do arranjo da técnica anterior da Figura 2.

[0086] Outros elementos alongados que não as hastes 70 podem atuar longitudinalmente em tensão para travar a luva 60 em torno do sistema de cunha 58. Por exemplo, as correias 74 espaçadas de maneira equidistante angularmente em torno do eixo longitudinal central 28 do tubo 54 poderiam ser usadas no lugar disso, como no encaixe de extremidade 76 que é mostrado na Figura 4 como uma segunda modalidade da invenção. Aqui, números iguais são usados para recursos semelhantes.

[0087] No encaixe de extremidade 76 da Figura 4, o flange de tensão 64 da Figura 3 é substituído por um flange de suporte 78 que suporta e guia as correias em laço 74 para manter as correias 74 afastadas do sistema de cunha 58. A seção fina e plana das correias 74 torna possível que as correias 74 se estendam ao redor do lado radialmente externo do flange de suporte 78 sem adicionar substancialmente ao diâmetro externo do encaixe de extremidade 78.

[0088] Para permitir isso, as extremidades opostas de cada correia 74 são fixadas, respectivamente, à luva 60 e à parte da haste 56 que se projeta distalmente do tubo 54. Neste exemplo, uma extremidade distal da correia 74 é enrolada em torno de uma formação de âncora 80 na haste 56, em um lado distal do flange de suporte 78. A formação de âncora 80 se situa dentro da extensão radial do flange de suporte 78.

[0089] Por outro lado, uma extremidade proximal da correia 74 é engatada com um tensionador 82 que é preso à luva 60. Mais especificamente, o tensionador 82 é recebido em um furo 84 que se estende através de um ressalto 66 na extremidade proximal da luva 60, como mostrado no lado superior do tubo 54 na Figura 4.

[0090] O tensionador 82 compreende uma haste roscada 86 que tem uma formação de âncora 88 na sua extremidade distal para engatar na extremidade proximal em laço da correia 74. A correia 74 é tensionada apertando uma porca 90 na extremidade proximal da haste 86, que se projeta proximalmente além do ressalto 66.

[0091] Seria possível que um tensionador 82 ficasse na extremidade distal da correia 74, em vez de ficar na extremidade proximal da correia 74, ou mesmo ficasse em um local intermediário ao longo da correia 744. No entanto, posicionar o tensionador 82 em ou próximo a uma extremidade proximal da correia 74 é vantajosamente compacto porque a forma externa que se afunila proximalmente da luva 60 acomoda o tensionador 82 sem aumentar o diâmetro geral do encaixe de extremidade 78.

[0092] Em outra variante da segunda modalidade, as correias 74 podem se estender ao longo das passagens através do flange de suporte 78, do sistema de cunha 58 e da luva 60, como as passagens 68 mostradas na Figura 3. Em outra variante, o flange de suporte 78 pode ser omitido do arranjo mostrado na Figura 4.

[0093] Prosseguindo agora para a terceira e quarta modalidades da invenção mostradas nas Figuras 5 e 6, essas modalidades mostram como os princípios de tensionamento e travamento da primeira e da segunda modalidades podem ser aplicados aos encaixes de junta 92, 94, respectivamente. Os encaixes de junta 92, 94 ficam entre sucessivos tubos compostos 54 de uma tubulação para efetuar os acoplamentos mecânico e de fluido entre eles. Novamente, números iguais são usados para recursos semelhantes.

[0094] Como os encaixes de junta 92, 94 mostrados nas Figuras 5 e 6 definem a junta entre os tubos adjacentes 54, não há necessidade de uma formação de junta específica, tais como um gargalo de solda, uma rosca ou o flange de acoplamento, como mostrado na Figura 2. Em vez disso, uma haste tubular 96 se estende continuamente entre os tubos adjacentes 54 e define porções de origem mutuamente opostas que são um ajuste de interferência dentro das porções de extremidade mutuamente opostas dos respectivos tubos 54. Novamente, a haste 96 pode ser vedada aos tubos circundantes 54 por uma série de gaxetas circunferenciais como as mostradas na Figura 2, embora tais gaxetas tenham sido omitidas nas Figuras 5 e 6.

[0095] A porção de extremidade de cada tubo 54 é cercada por um respectivo sistema de cunha 58 e luva 60. Os sistemas de cunha 58 e luvas 60 dos tubos adjacentes 54 ficam em relação espelhada sobre a interface entre os tubos 54.

[0096] Será evidente que o sistema de cunha 58 e a luva 60 da Figura 5 correspondem aos mesmos recursos na Figura 3. Da mesma forma, o sistema de cunha 58 e a luva 60 da Figura 6 correspondem aos mesmos recursos da Figura 4.

[0097] Os encaixes de junta 92, 94 mostrados nas Figuras 5 e 6 também têm um flange 98 que se estende radialmente a partir da haste 96 em um local longitudinalmente intermediário. O flange 98 fica entre as extremidades mutuamente opostas dos respectivos tubos 54, que encostam contra e imprensam o flange 98 entre eles. O flange 98 também fica entre os sistemas de cunha espelhados 58 dos respectivos tubos 54.

[0098] A Figura 5 mostra duas variantes da terceira modalidade, uma no lado superior dos tubos 54 e uma no lado inferior dos tubos 54. Ambas as variantes efetuam a interação da cunha e o travamento entre os sistemas de cunha 58 e as luvas circundantes 60 em virtude de hastes roscadas 100, 102 que atuam longitudinalmente em tensão. Como as hastes 70 da Figura 3, as hastes 100, 102 se estendem através de passagens definidas por orifícios alinhados no sistema de cunha 58, na luva 60 e no flange 98.

[0099] Na variante mostrada no lado superior da Figura 5, as hastes separadas 100 são engatadas em orifícios cegos rosqueados opostos no flange 98. O flange 98 atua, portanto, como o flange de tensão 64 da Figura 3, reagindo contra as forças de tração nas hastes 100 que puxam as luvas espelhadas 60 uma em direção à outra sobre os respectivos sistemas de cunha 58.

[00100] Na variante mostrada no lado inferior da Figura 5, uma única haste 102 se estende através de um orifício vazado no flange 98 para cooperar com as luvas 60 em ambos os lados do flange 98. Assim, as passagens nos sistemas de cunha espelhados 58 e as luvas 60 se alinham entre si e com o orifício vazado no flange 98, que simplesmente suporta o meio da haste 102. Em princípio, pode ser possível omitir o flange 98 nesta variante se a haste 102 e os sistemas de cunha opostos 58 podem ser suportados adequadamente sem ele.

[00101] Com referência finalmente à quarta modalidade mostrada na Figura 6, essa mostra como a interação e o travamento da cunha entre os sistemas de cunha espelhados 58 e as luvas circundantes 60 são efetuados pelas correias 104 que atuam longitudinalmente em tensão como as correias 74 da Figura 4. Diferentemente das correias 74 da Figura 4, no entanto, as correias 104 se estendem ao redor do flange 98 para cooperar com as luvas 60 em ambos os lados do flange 98.

[00102] Assim, ambas as extremidades das correias 104 são engatadas com tensionadores 82 como aqueles mostrados na Figura 4, os quais são ancorados de forma semelhante aos ressaltos 66 das luvas 60 para apertar e tensionar as correias 104.

[00103] Novamente, em princípio, as correias 104 poderiam se estender através de passagens longitudinais definidas por orifícios alinhados no flange 98, nos sistemas de cunha 58 e nas luvas 60. No entanto, o flange 98 poderia ser omitido da quarta modalidade se as correias 104 e os sistemas de cunha opostos 58 pudessem ser suportados adequadamente sem ele. Além disso, seria possível tensionar as correias 104 usando um tensionador 82 em apenas uma extremidade, sendo a outra extremidade simplesmente ancorada diretamente à luva associada 60. Alternativamente, um tensionador 82 poderia ser disposto centralmente em uma correia 104 com as extremidades da correia 104 sendo ambas ancoradas diretamente nas respectivas luvas 60.

[00104] Além das variantes descritas acima, muitas outras variações são possíveis dentro do conceito inventivo. Por exemplo, os encaixes de extremidade ou encaixes de junta da invenção podem ser feitos de vários materiais, tais como aço ao carbono, aço inoxidável Super Duplex ou Inconel. Além disso, as correias poderiam ser tensionadas por um aparelho de tensionamento separado, caso em que as correias podem incluir fixações que mantêm as correias travadas em um estado tensionado.

[00105] Também seria possível que a parede do tubo fosse modelada para desempenhar a função do sistema de cunha que serve como uma formação de cunha interna, tendo assim uma forma distalmente alargada que proporciona a interação da cunha com a luva circundante. Com efeito, isso integra o sistema de cunha ao tubo. Uma tal forma pode ser formada integralmente espessando localmente a parede do tubo para aumentar progressivamente o seu diâmetro externo, ou poderia, em vez disso, ser definida por uma parte troncônica fixada ao tubo.

Claims (25)

1. Encaixe (50, 92) para um tubo rígido (54) de material composto, o encaixe (50, 92) caracterizado pelo fato de que compreende: pelo menos uma porção de origem tubular (62, 96); um componente de cunha externa (60) que é móvel longitudinalmente em relação à porção de origem (62, 96) para forçar uma formação de cunha interna oposta (58) radialmente para dentro em direção à porção de origem (62, 96) para prender o tubo composto (54) entre a formação de cunha interna (58) e a porção de origem (62, 96); e pelo menos dois elementos de tração que se estendem longitudinalmente (70, 100, 102) que atuam em tensão no componente de cunha externa (60) para efetuar o dito movimento longitudinal; em que os elementos de tração (70, 100, 102) se estendem ao longo de passagens respectivas (68) que se estendem longitudinalmente através do componente de cunha externa (60) e da formação de cunha interna (58).

2. Encaixe, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a formação de cunha interna (58) se estende circunferencialmente em torno, e é espaçada radialmente, da porção de origem (62, 69) para definir um vão de aperto anular que, em uso, acomoda uma parede do tubo (54).

3. Encaixe, de acordo com a reivindicação 1 em combinação com um tubo rígido (54) de material composto, caracterizado pelo fato de que a formação de cunha interna (58) é integral com ou fixada ao tubo (54).

4. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os elementos de tração (70, 100, 102) compreendem uma ou mais hastes, parafusos, pernos ou correias, ou qualquer combinação dos mesmos.

5. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos elementos de tração (70, 100, 102) compreende um tensionador ou fixação (72) que é deslocado proximalmente em relação a, e localizado em um lado externo proximalmente afilado do componente de cunha externa (60).

6. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as passagens (68) também se estendem longitudinalmente através de um flange (64) que se estende radialmente em um plano deslocado longitudinalmente da porção de origem (62, 96).

7. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o componente de cunha externa (60) é uma luva que circunda a porção de origem (62, 96).

8. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser um encaixe de extremidade (50, 76) que tem uma formação de junta que é disposta distalmente em relação à porção de origem (62, 96).

9. Encaixe, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que cada elemento de tração (70, 100, 102) atua entre ancoragens (80, 88) dispostas respectivamente no componente de cunha externa (60) e em uma porção de haste (56) que se estende distalmente da porção de origem (62, 96).

10. Encaixe, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, quando dependente da reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende um componente de haste tubular integral (96) que define a porção de origem em uma extremidade proximal, a formação de junta em uma extremidade distal e o flange se estendendo radialmente para fora entre essas extremidades.

11. Encaixe, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o flange localiza a formação de cunha interna (58) contra o movimento longitudinal.

12. Encaixe, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que cada elemento de tração (70, 100, 102) se estende entre o componente de cunha externa (60) e o flange.

13. Encaixe, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que é um encaixe de junta (92, 94) para acoplar dois tubos (54) de ponta a ponta e compreendendo: um par de porções de origem (96) que se estendem em direções longitudinais mutuamente opostas; e um componente de cunha externa (60) disposto radialmente para fora de cada um do par de porções de origem (96), sendo esses componentes de cunha externa (60) móveis pelos elementos de tração (70, 100, 102) em direções longitudinais opostas para forçar o movimento radialmente para dentro das respectivas formações de cunha interna (58).

14. Encaixe (92, 94), de acordo com a reivindicação 13, quando dependente da reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende um componente de haste tubular integral (96) que define as porções de origem nas extremidades opostas e o flange que se estende radialmente para fora entre essas extremidades.

15. Encaixe (92, 94), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o flange localiza as formações de cunha interna (58) contra o movimento longitudinal.

16. Encaixe (92, 94), de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que cada elemento de tração (70, 100, 102) atua entre um componente de cunha externa (60) e o flange.

17. Encaixe (92, 94), de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que cada elemento de tração se conecta e atua entre os componentes da cunha externa móveis de maneira oposta (60).

18. Tubo rígido (54) de material composto, caracterizado pelo fato de ser equipado com pelo menos um encaixe como descrito em qualquer uma das reivindicações anteriores.

19. Método para prender um encaixe (50, 76, 92, 94) a pelo menos um tubo rígido (54) de material composto, o método caracterizado pelo fato de que compreende: inserir uma porção de origem tubular (62, 96) do encaixe (50, 76, 92, 94) em uma extremidade do ou de cada tubo (54); e pelo tensionamento dos elementos de tração que se estendem longitudinalmente (70, 74, 82, 100, 102, 104) do encaixe distribuídos ao redor do tubo (54), mover um componente de cunha externa (60) do encaixe (50, 76, 92, 94) longitudinalmente em relação ao tubo (54) para forçar uma formação de cunha interna oposta (58) radialmente para dentro em direção à porção de origem (62, 96) pela aplicação de forças de tração ao componente de cunha externa (60) via os elementos de tração (70, 74, 82, 100, 102, 104) que se estendem através da formação de cunha interna (58), fixando assim a extremidade do, ou de cada, tubo (54) entre a formação da cunha interna (58) e a porção de origem (62, 96).

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a formação de cunha interna (58) é uma parte do encaixe (50, 76, 92, 94), de modo que uma parede do tubo (54) fica presa entre a formação de cunha interna (58) e a porção de origem (62, 96).

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a formação de cunha interna (58) é integral ou fixada ao tubo (54), de modo que a formação de cunha interna (58) fica presa entre o componente de cunha externa (60) e a porção de origem (62, 96).

22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 21, caracterizado pelo fato de que compreende aplicar forças de tração entre o componente de cunha externa (60) e uma parte do encaixe (50, 76, 92, 94) que está em relação fixa com a porção de origem (62, 96).

23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 22, quando utilizado para afixar um encaixe de extremidade (50, 76) ao tubo (54), o método caracterizado pelo fato de que compreende ainda fixar o tubo (54) a outro tubo (54) ou conduto através do encaixe de extremidade (50, 76).

24. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 19 a 23, quando utilizado para acoplar dois tubos de ponta a ponta, o método caracterizado pelo fato de que compreende: inserir porções de origem tubulares de extensão oposta (96) do encaixe (50, 76, 92, 94) em extremidades mutuamente opostas dos respectivos tubos (54); e tensionar os elementos de tração (70, 74, 82, 100, 102, 104) para puxar componentes da cunha externa (60) do encaixe (50, 76, 92, 94) em direção um ao outro em direções longitudinais opostas, esses componentes da cunha externa (60) sendo dispostos radialmente para fora de cada uma das porções de origem (96) para forçar o movimento radialmente para dentro das respectivas formações de cunha interna (58).

25. Método, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que os elementos de tração (70, 74, 82, 100, 102, 104) atuam entre os componentes da cunha externa móveis de maneira oposta (60).

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