BRPI0308358B1 - Conduto tubular flexível para o transporte de fluido no domínio da exploração petrolífera off-shore - Google Patents

Description

“CONDUTO TUBULAR FLEXÍVEL PARA O TRANSPORTE DE FLUIDO NO DOMÍNIO DA EXPLORAÇÃO PETROLÍFERA OFF-SHORE” A presente invenção se refere a um conduto tubular flexível do tipo daqueles utilizados para a exploração e o transporte dos fluidos na indústria petrolífera off-shore. Ela se refere mais especialmente a certas bainhas poliméricas que são um dos elementos constitutivos desses condutos flexíveis.

Tais condutos são descritos em numerosas patentes da requerente tais como por exemplo as patentes FR 2 782 141 ou FR 2 744 511. Eles satisfazem entre outras coisas às recomendações do API17B (American Petroleum Institute Recommended Practice 17B). Esses condutos são formados por um conjunto de camadas diferentes destinadas cada uma delas a permitir que o conduto flexível suporte as tensões de serviço ou de manutenção assim como as tensões específicas ligadas à utilização off-shore dos mesmos. Essas camadas compreendem notadamente bainhas poliméricas e camadas de reforço formadas por enrolamentos de fio de forma, de fita ou de fios feitos de materiais compósitos, mas elas podem compreender também enrolamentos de tiras diversas entre as diferentes camadas de reforço. Elas compreendem mais especialmente pelo menos uma bainha de estanqueidade interna ou bainha de pressão destinada a veicular o fluido transportado. A dita bainha de estanqueidade pode ser o elemento mais interno do conduto (o conduto é nesse caso dito de tipo “smooth bore”) ou ser disposta em tomo de uma carcaça formada por exemplo pelo enrolamento com passo curto de uma fita grampeada (o conduto é nesse caso dito de tipo “rough-bore”). Camadas de reforços formados pelo enrolamento de fios metálicos ou compósitos são geralmente dispostas em tomo da bainha de pressão e podem compreender por exemplo: • Uma armadura de pressão formada por um enrolamento com passo curto de um fio de forma metálico grampeado, a dita armadura de pressão sendo disposta diretamente em tomo da bainha de estanqueidade a fim de absorver a componente radial da pressão interna. • Uma braçadeira formada por um enrolamento com passo curto de um fio de forma não grampeado situada acima da armadura de pressão para contribuir para a resistência à pressão interna, a dita braçadeira e a armadura de pressão formando o que é chamado de uma abóbada de pressão. • Lonas de armaduras de tração formadas por enrolamentos com passo longo de fios de forma metálicos ou compósitos, as ditas lonas sendo destinadas a absorver a componente axial da pressão interna assim como as solicitações longitudinais às quais é submetido o com duto, como por exemplo os esforços de colocação.

Uma bainha polimérica externa ou bainha de proteção é geralmente prevista acima das camadas de reforço precedentemente citadas. Em certos casos, uma bainha polimérica intermediária também é prevista. Essa bainha intermediária pode por exemplo ser uma bainha dita anti-esmagamento disposta em tomo da abóbada de pressão. Essa bainha anti-esmagamento tem notadamente como objetivo impedir o esmagamento (ou “collapse” em inglês) da bainha de estanqueidade e da carcaça eventual que ela circunda quando o anular (espaço situado entre a bainha de estanqueidade e a bainha externa) é submetido a uma pressão excessiva como por exemplo, quando a bainha externa é danificada ou não é mais estanque.

Em razão da aplicação específica desses condutos para o transporte de fluido e notadamente de hidrocarbonetos em meio marinho, o conjunto das camadas constitutivas desses condutos e em especial as bainhas poliméricas são submetidas a condições excessivamente severas que elas devem ser capazes de suportar. Assim para as bainhas poliméricas, vários problemas são encontrados em função da posição da bainha no interior do conduto (bainha de estanqueidade, bainha anti-esmagamento, bainha de proteção externa). • As bainhas de estanqueidade ou bainhas de pressão, são submetidas a temperaturas elevadas e estão em contato com o fluido transportado. Elas devem resistir aos ataques químicos potenciais do fluido combinados com tensões ligadas à pressão e à temperatura. • As bainhas externas e intermediárias podem ser também submetidas a temperaturas que permanecem relativamente elevadas (até 100°C) devido à condução térmica interna. As bainhas exteriores podem também ser submetidas a temperaturas muito baixas devidas à utilização das mesmas em mares frios por um lado mas também, para as linhas ditas Riser dinâmico, às condições atmosféricas geográficas locais (até -25 °C) assim como à agressão dos chuviscos marítimos provocados pelas ondas, dos UV para a parte que emerge e está situada entre a superfície do mar e a conexão sob ou sobre o suporte flutuante (splash zone em inglês). Os condutos podem também ser confrontados a problemas de rasgamento ou de abrasão ligados notadamente à manipulação dos mesmos por ocasião da colocação no lugar dos condutos por exemplo. Por outro lado o contato direto dos mesmos com o meio marinho suscita para alguns polímeros utilizados como as poliamidas, os poliésteres ou as copoliamidas também problemas de resistência à hidrólise. A duração de vida dos condutos tubulares off-shore sendo calculada para uma duração de campos de até vinte anos por exemplo, é necessário assegurar que as bainhas externas são capazes de resistir às solicitações precitadas durante esse período. A combinação de todas essas tensões fez com que a escolha do material que forma a bainha externa tenha incidido sobre materiais que apresentam uma resistência suficiente em relação às tensões precitadas. • As bainhas ditas intermediárias (ou bainhas anti-esmagamento) são, elas também, submetidas a condições severas (pressão, temperatura, atritos, hidrólise...) que também necessitam que seja assegurada a resistência das mesmas no período de vida calculado do conduto.

Hoje, a maior parte das bainhas externas e intermediárias são realizadas em termoplástico tal como o polietileno ou as poliamidas. Esses materiais apresentam características mecânicas e propriedades químicas que permitem que eles obtenham resultados satisfatórios no conjunto. Eles apresentam no entanto um inconveniente maior ligado a seu custo que é muito elevado por um lado, mas por outro lado eles apresentam, para o polietileno, uma resistência em fadiga limitada, uma resistência à propagação de fissura ruim e um alongamento no limite convencional baixo (10 % a 23 %). No que diz respeito às poliamidas, modificadas ou não elastoméricas, elas apresentam uma resistência à hidrólise limitada. As características desses materiais são julgadas negativas e prejudiciais em relação às tensões enunciadas acima, e isso notadamente nas aplicações ditas dinâmicas quer dizer os condutos montantes (“Risers” em inglês) que ligam uma instalação submarina a um equipamento de superfície. Por outro lado, uma outra tensão pode ser exercida sobre essas bainhas externas devida à difusão de gás dentro do anular para o transporte de certos fluidos. Uma tal difusão é bem conhecida e sistemas de drenagem são previstos para permitir controlar a pressão que reina dentro do anular. No entanto esses sistemas de expulsão do gás só podem funcionar para gradientes de pressão determinados entre a pressão dentro do anular e a pressão externa, o que obriga a bainha externa a resistir a essa diferença. São conhecidos em outros domínios materiais sensivelmente menos onerosos tais como certos termoplásticos elastoméricos que são utilizados como por exemplo para formar juntas ou diversas peças e que são bem conhecidos notadamente na indústria automobilística. Esses termoplásticos elastoméricos são por exemplo TPU, SBS/SEBS, copolieterésteres, copoliéster-amida, EPDM/PP, TPO ou TPOVD.

Esses termoplásticos elastoméricos são geralmente procurados por sua capacidade a serem executados por métodos similares aos métodos utilizados para os termoplásticos (extrusão, injeção, moldagem) combinada com suas propriedades de elasticidade ou sua capacidade para se deformar que são conferidas a eles pelo elastômero que eles contêm. No entanto, esses termoplásticos elastoméricos apresentam características que tendem a impedir a utilização dos mesmos no domínio dos condutos petrolíferos off-shore e mais especialmente para as estruturas ditas dinâmicas. Assim, eles resistem geralmente mal à exposição aos UV e apresentam problemas de envelhecimento sob as condições de ambiente exterior encontradas na aplicação específica off-shore. Em suas formas comerciais correntes, eles apresentam também uma capacidade de deformação grande demais devida a sua formulação com uma quantidade, geralmente grande, de expansores. Essas formulações ricas em expansores, são inutilizáveis no contexto de uma bainha externa de pipeline notadamente em razão da grande deformação das mesmas sob uma solicitação combinada de pressões locais grandes e de tensões axiais geradas pelos tensores e/ou pelo peso suspenso do conduto flexível por ocasião das operações de colocação. É por todas essas razoes que o profissional foi levado a abandonar essa categoria de material em benefício dos materiais termoplásticos que apresentas características que estão em adequação comas exigências devidas à exploração petrolífera em meio marinho. No entanto, foi descoberto de maneira surpreendente pela requerente ao contrário do conjunto desses preconceitos, que alguns termoplásticos elastoméricos podiam em certas condições ser utilizados para formar bainhas poliméricas de conduto flexível para aplicações petrolíferas off-shore e mais especialmente dentro do âmbito das estruturas flexíveis ditas dinâmicas. O objetivo da invenção é portanto propor um conduto flexível de transporte de fluido do tipo utilizado na exploração petrolífera off-shore do qual pelo menos a bainha externa ou a bainha intermediária é realizada em termoplástico elastomérico apesar dos obstáculos redibitórios precedentemente assinalados e dos preconceitos do profissional.

De acordo com uma outra característica da invenção, o termoplástico elastomérico é vantajosamente realizado com base em uma poliolefina tal como o polipropileno associada a um elastômero escolhido dentre os elastômeros seguintes: - SBS (Estireno butadieno estireno) - SEBS (Estireno etileno butadieno estireno) - EPDM (Etileno propileno dieno monômero) - Polibutadieno - Poliisopreno - Polietileno-butileno A bainha feita de termoplástico elastomérico obtida apresenta preferencialmente uma tensão no limite as superior a 20 MPa a 23°C, uma resistência à termo-oxidação OIT superior a 40 minutos a 210°C e uma resistência aos UV superior a 1500 horas (Xenotest ou water -0- meter ou equivalente). Além disso, o elastômero utilizado é vantajosamente reticulado.

Outras características e vantagens da invenção se desprenderão da descrição que vai se seguir em referência aos desenhos anexos que só são dados a título de exemplos não limitativos. • A figura 1 representa esquematicamente em perspectiva um conduto flexível da invenção de tipo “rough-bore” e suas diferentes camadas. • A figura 2 representa esquematicamente em perspectiva um conduto flexível de tipo “smooth-bore”. O conduto tubular flexível 1 da invenção é do tipo destinado à exploração petrolífera off-shore tal como aqueles definidos pelas recomendações do API 17B. Ele é constituído por um conjunto de camadas constitutivas que compreende bainhas poliméricas e camadas de reforço ou armaduras, as ditas camadas podendo se for o caso ser separadas por enrolamentos de tiras diversas destinadas a evitar a fluência das bainhas ou destinadas a formar um isolamento térmico por exemplo. Ele pode além disso ser de tipo ligado, não ligado ou semi-ligado de acordo com que as diferentes camadas estão inteiramente, parcialmente ou não estão ligadas entre si por uma matriz plástica. O conduto tubular flexível 1 da invenção é vantajosamente um conduto do tipo conduto montante (“Riser” em inglês) que liga uma instalação submarina a uma instalação de superfície (bóia, plataforma, FPSO,...).

De acordo com o modo de realização ilustrado na figura 1, o conduto flexível que leva a referência geral 1 é do tipo não ligado (“unbonded” em inglês) e de tipo “rough-bore”, o elemento mais interno sendo formado por uma carcaça metálica. A carcaça 2 é formada por um enrolamento com passo curto de uma fita grampeada e tem como função sustentar a bainha de estanqueidade 3 para evitar um esmagamento potencial dessa última. Uma bainha de estanqueidade 3 chamada também de bainha interna ou bainha de pressão está situada acima da carcaça 2. Ela é geralmente obtida por extrusão e tem como função realizar a estanqueidade do “bore” no qual circula o fluido e resistir à componente radial da pressão interna exercida pelo dito fluido com o auxílio de uma armadura de pressão 4 que a recobre. O conduto ilustrado na figura 1 compreende também uma armadura ou abóbada de pressão 4 formada por um enrolamento com passo curto de um fio de forma metálico grampeado e destinado a absorver a pressão interna com a bainha de pressão que ela recobre, assim como lonas de armaduras ditas de tração 5, 6 enroladas com passo longo e destinadas a absorver os esforços longitudinais aos quais pode ser submetido o conduto (componente longitudinal da pressão ou esforços de colocação por exemplo). É evidente que a abóbada de pressão podería também compreender uma braçadeira. Do mesmo modo, não se sairía do campo de aplicação da presente invenção realizando-se condutos que compreendem lonas de armaduras de tração enroladas com um ângulo próximo de 55° diretamente acima da bainha de pressão e que teriam como função absorver ao mesmo tempo as componentes radial e axial da pressão interna. O conduto flexível 1 compreende também uma bainha de proteção externa 7 destinada a proteger as camadas de reforço 4, 5, 6 situadas dentro do espaço anular que ela forma com a bainha interna.

De acordo com uma variante de execução do conduto 1 ilustrada na figura 2, esse último compreende uma bainha intermediária 8 sob a forma de uma bainha anti-esmagamento situada entre a abóbada de pressão 4 e as armaduras de tração 5, 6. Essa bainha é notadamente destinada a reduzir os riscos de esmagamento da bainha de estanqueidade 3 quando a bainha externa é danificada e que o anular se encontra submetido à pressão hidrostática por exemplo. Ela é desse modo destinada a suportar essa pressão com o auxílio da abóbada sobre a qual ela se apóia, impedindo que a pressão hidrostática venha se aplicar diretamente sobre a dita bainha de estanqueidade.

De acordo com a invenção, a bainha externa 7 e/ou a bainha intermediária 8 do conduto flexível é realizada em polímero termoplástico elastomérico (TPE). A seqüência termoplástica utilizada para formar o polímero termoplástico elastomérico é escolhida na família das poliolefinas e é vantajosamente um polipropileno (PP), polipropileno esse que pode ser da família dos homopolímeros (PPH) ou copolímeros (PPC). O elastômero utilizado para se associar ao termoplástico é escolhido nas famílias dos butila, EPDM (etileno propileno dieno monômero), SEBS (Estireno etileno butadieno estireno), SBS (Estireno butadieno estireno), poliisopreno, polietileno-butileno e polibutadieno. A proporção em massa de cada um dos componentes na mistura de partida está compreendida entre 30 % e 70 %.

Em um modo de realização da invenção, o elastômero é vantajosamente reticulado. No entanto, pode ser considerado realizar bainhas feitas de polímero termoplástico elastomérico cujo elastômero não fosse reticulado.

De acordo com um dos modos de realização preferido da invenção, a seqüência termoplástica utilizada para formar o polímero termoplástico elastomérico (TPE) é uma olefrna enxertada que pode ser reticulado em pós-processo (depois de extrusão). Essa olefina ode ser enxertada com silano por exemplo para permitir uma reticulação por hidrólise tal como aquela descrita na patente EP 0 487 691 da requerente. No entanto, o processo de reticulação descrito na patente da requerente, não é exaustivo e outros processos de reticulação podem ser aplicados de acordo com a formulação de polímero termoplástico elastomérico empregada; como por exemplo, a reticulação peroxídica e a reticulação ionizante. A bainha 7, 8 é vantajosamente realizada em um polímero termoplástico elastomérico que apresenta uma tensão no limite as superior a 10 MPa. De preferência, essa tensão no limite será escolhida superior a 20 MPa. Essa tensão no limite depende principalmente da razão entre a seqüência termoplástica e o elastômero assim como da taxa de expansor presente na formulação do polímero termoplástico elastomérico. Essas diferentes razões serão assim otimizadas para obter a tensão no limite mínima exigida. O polímero termoplástico elastomérico utilizado compreende por outro lado aditivos meticulosamente escolhidos de maneira a conferir características físicas intrínsecas à bainha (7, 8) realizada que a tomam compatíveis com sua utilização em aplicações petrolíferas off-shore e mais especialmente aplicações dinâmicas.

Os polímeros termoplásticos elastoméricos comerciais compreendem de modo corrente estabilizantes térmicos e UV escolhidos na família dos sulfitos e dos fenóis. Os estabilizantes, tais como aqueles utilizados nos polímeros termoplásticos elastoméricos reivindicados, são conhecidos sob os nomes comerciais Irganox e mais especialmente Irganox ΗΡ 136 de CIBA (Marcas depositadas) que podem ser associados a co-estabilizantes tipo Irganox 1010 ou 1076 (marcas depositadas). A natureza e a quantidade desses antioxidantes são escolhidas de maneira a que o polímero termoplástico elastomérico obtido apresente uma grande resistência à termo-oxidação. O antioxidante será desse modo escolhido de maneira a obter uma OIT a 210°C superior a 20 minutos e preferencialmente superior a 40 minutos.

Além disso, o polímero termoplástico elastomérico compreenderá também aditivos destinados a reforçar a resistência aos UV da bainha 7, 8. Esses aditivos anti-UV serão vantajosamente escolhidos a fim de confiar ao material uma resistência superior a 1500 horas (Xenotest ou water-O-meter procedimento Renault 1380 ou equivalente). Serão escolhidos preferencialmente estabilizantes UV na família dos HALS (hindered Amine Light stabilizers) devido ao fato de que esses estabilizantes tiram sua eficácia do fato de que eles não absorvem os UV e não são consumidos durante o processo de estabilização mas sim são regenerados. Esses estabilizantes são conhecidos comercialmente sob o nome de Chimassorb (Marca Depositada) e podem ser associados a absorsores de UV conhecidos sob o nome de Tinuvin da sociedade CIBA (Marca depositada). É possível citar a título de exemplo o Tinuvin 783 constituído por chimassorb 944 e por tinuvin 622.

De acordo com uma outra característica do material termoplástico utilizado, esse último compreende expansores destinados a facilitar o emprego do material. No entanto, a fim de evitar os inconvenientes devidos às solicitações por ocasião da colocação, o teor em extensor será escolhido para permitir a obtenção de uma tensão no limite superior a 10 MPa.

Claims (10)

1. Conduto tubular flexível (1) para o transporte de fluido no domínio da exploração petrolífera off-shore, do tipo que compreende pelo menos uma bainha polimérica interna de estanqueídade (3), uma ou mais camadas de reforços formadas por enrolamentos de fios de reforço ou de tiras metálicas ou de elementos alongados compósitos (4, 5, 6), pelo menos uma segunda bainha polimérica tal como uma bainha de proteção externa (7) ou uma bainha intermediária (8), caracterizado pelo fato de que a dita segunda bainha polimérica é feita em polímero termo plástico elastomérico (TPE) compreendendo aditivos anti-UV escolhidos para que sua estabilidade seja superior a 1500 horas (Xenotest).

2. Conduto tubular flexível (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os aditivos anti-UV são escolhidos na família de HA1 ,S.

3. Conduto tubular flexível (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o bloco termoplãstico do polímero termop lãs tico elastomérico (TPE) é uma olefina.

4. Conduto tubular flexível (1) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo talo de que o bloco termoplãstico do polímero termoplãstico elastomérico (TPE) é uma olefina enxertada reticulãvel.

5. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o bloco termoplãstico utilizado para formar o polímero termo plástico elastomérico (TPE) é um polipropileno.

6. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o elastômero utilizado para formar o polímero termoplãstico elastomérico (TPE) é escolhido dentre os elastômeros seguintes: - SBS (es tire no butadieno es tire no) - SEBS (estireno etileno butadieno estireno) - EPDM (etileno propileno dieno monômero) - polibutadieno - poliisopreno - polietileno-butileno.

7. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o polímero termoplástico elastomérico utilizado para formar a segunda bainha polimérica apresenta uma tensão no limite elástico σ8 superior a 10 MPa.

8. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o termoplástico elastomérico utilizado para formar a segunda bainha polimérica apresenta uma resistência à termo-oxidação OIT superior a 210°C superior a 20 minutos.

9. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a segunda bainha feita em termoplástico elastomérico é formada pela bainha externa de proteção (7) do conduto (1).

10. Conduto tubular flexível (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a segunda bainha feita em termoplástico elastomérico é formada por uma bainha intermediária (8).