BRPI0411214B1 - duto tubular flexível para o transporte de fluídos e notadamente de hidrocarbonetos gasosos - Google Patents

Abstract

"duto tubular flexível para o transporte de fluídos e notadamente de hidrocarbonetos gasosos". neste duto tubular flexível para o transporte de hidrocarbonetos, notadamente gasosos, o duto é do tipo compreendendo, pelo menos, uma carcaça (2), uma luva de pressão interna (3) e uma ou várias camadas de reforço e cuja carcaça (2), formando o elemento de estrutura o mais interno do duto, é constituído por um enrolamento em espiras guarnecidas com orla de um elemento perfilado (7) ou um fio conformado; as espiras da carcaça (2) são recobertas internamente com uma luva perfurada, destinada a se opor às turbulências do hidrocarboneto circulando dentro do duto e para evitar fenômenos de ressonância associados.

Description

“DUTO TUBULAR FLEXÍVEL PARA O TRANSPORTE DE FLUÍDOS E NOTADAMENTE DE HIDROCARBONETOS GASOSOS” A presente invenção refere-se a um duto tubular flexível de tipo não ligado para o transporte de fluido utilizado no domínio de exploração petrolífera marítima. Ela se refere mais particularmente a um aperfeiçoamento dos dutos de tipo “rough bore” (com passagem irregular) destinados à produção ou ao transporte de hidrocarbonetos, notadamente gasosos.

Os dutos flexíveis os mais usados na exploração petrolífera são geralmente do tipo não ligados (“unbonded”, em inglês) em que as diferentes camadas sucessivas e distintas apresentam uma certa liberdade de se deslocar um com relação ao outro, e eles compreendem, do interior para o exterior, uma carcaça constituída, por exemplo, de um elemento perfilado com espiras guarnecidas com orla que serve para impedir o esmagamento do duto sob pressão externa, uma luva de estanqueidade interna de polímero, uma abóbada de pressão constituída por, pelo menos, um fio de forma espiralada guarnecida com orla e enrolado segundo uma espiral de passo pequeno, os reforços ditos de tração d tem um ângulo de reforço, medido no eixo longitudinal do duto, é inferior a 55° e uma luva externa de estanqueidade de polímero. Um tal duto flexível é designado como sendo flexível cujo elemento o mais interno é constituído por uma carcaça que forma uma passagem irregular (“rough bore” em inglês) devido a desencaixes nas espiras da carcaça.

Quando um duto flexível compreende do interior para o exterior, uma luva de estanqueidade polimérica interna, uma abóbada de pressão constituída pelos fios conformados enrolados em passo curto e destinada a suportar as tensões radiais provocadas pela circulação dos efluentes no duto flexível, uma luva anti-colapso, um ou vários reforços de tração e de pressão enrolados em tomo da luva anti-colapso e uma luva de estanqueidade externa de polímero; ela é chamada de “smooth-bore” porque o elemento o mais interno é uma luva estanque com parede regular.

Em uma variante, o duto flexível não compreende abóbada de pressão e as camadas de reforço são espiraladas em passo invertido com ângulos de reforço próximos de 55°. Neste caso, as pressões interna e externa assim como os esforços de tração são exercidos ou são retidos por estas camadas de reforços; um tal duto flexível é dito equilibrado.

Os dutos ditos de “smooth bore” (com passagem regular) são utilizados para veicular os fluidos não tendo fase gasosa (e portanto, principalmente para os dutos de injeção de água); com efeito, para os fluidos bifásicos, a difusão, no curso do escoamento, dos gases através da luva polimérica de estanqueidade interna provoca um aumento da pressão existente no anular situado em tomo da luva interna. Quando a pressão no anular se toma superior à pressão interna reinando no duto como, por exemplo, quando de uma descompressão, após uma parada de produção (em inglês “shut-down”), a diferença de pressão pode conduzir ao desmoronamento da luva de estanqueidade polimérica interna sobre ela mesma (“colapso”). Entre outros aspectos, é para evitar este risco que se prefere dispor, neste caso, de uma carcaça anti-desmoronamento na luva polimérica interna e, portanto, usar um conduto “rough bore” (com passagem irregular). A carcaça é, como descrito na norma API 17J do American Petroleum Institute”, uma camada tubular, em princípio interna, formada de um enrolamento metálico guarnecido com orla e destinado essencialmente a impedir o esmagamento ou o desmoronamento (“colapso”) da luva de estanqueidade interna ou do duto na ausência de pressão interna no duto sob o efeito da pressão externa. A carcaça é realizada de modo mais tradicional em um elemento perfilado resistente à corrosão, perfilada geralmente de acordo com uma forma em seção próxima de um S acomodado e enrolado de modo a realizar as espiras guarnecidas com orla umas sobre as outras. A fim de melhorar os desempenhos de uma carcaça, diversas proposições já foram feitas. Pode-se fazer referência assim ao documento EP 0 429 357 da requerente, mostrando uma carcaça cujo elemento perfilado constitutivo compreende uma onda formando uma estrutura de apoio que aumenta a altura da seção e portanto a inércia, melhorando a resistência ao esmagamento da carcaça.

Existe também na arte anterior carcaças realizadas em fio de forma espiralada. A requerente propôs, igualmente, no pedido FR 01 13 748, um duto com carcaça mista constituído por um enrolamento de, pelo menos, um elemento alongado metálico como um fio e guarnecido por um elemento perfilado.

Em todos os casos considerados e aos quais a invenção se destina, a carcaça compreende, portanto, pelo menos, em parte um elemento perfilado ou um fio de forma espiralada.

Um problema apareceu nos dutos flexíveis de produção e de exportação de hidrocarbonetos gasosos. Este problema é ligado ao escoamento do gás no duto “rough bore” e mais precisamente aos fenômenos de formação de turbilhões que aparecem ao contato das conexões entre as espiras da carcaça. Com efeito, a descontinuidade de superfície encontrada ao nível destas conexões acarreta a formação de turbilhões (em inglês “vortex shedding”) que perturbam o escoamento do gás no duto. Estes turbilhões induzem as variações de pressão cíclicas que podem conduzir a problemas de ressonância (vibrações, ruídos) no duto e ao nível do equipamento e tubulações situadas sobre a plataforma (ou o FPSO “Floating producing storage and offloading”) e geralmente chamados “topsides” e igualmente nos equipamentos imersos. Estas flutuações de pressão e sobretudo estas vibrações resultantes podem se tomar muito elevadas e conduzir a problemas de fadiga, notadamente nos referidos equipamentos e nas extremidades dos dutos que sofrem, então, as solicitações maiores do que as para as quais foram projetados. Estes problemas podem acarretar numerosos falhas técnicas como, por exemplo, fugas ao nível dos equipamentos e tubulações conectadas ao conduto, devidos à fadiga.

Uma solução a estes problemas podería consistir em modificar as regulagens ao nível dos equipamentos da plataforma ou dos poços, modificando, assim, as condições de utilização dos dutos para evitar estes fenômenos de ressonância (redução da pressão, da vazão, etc). Todavia, se estas modificações das condições de utilização do duto permitem reduzir os efeitos destes turbilhões ao diminuírem os problemas de ressonância, elas não permitem otimizar a utilização do duto nem resolver realmente o problema colocado por estes turbilhões.

Constata-se, além disso, um problema de perda de carga dos escoamentos de líquido ou de gás nos dutos “rough-bore” (com passagem irregular) em razão das turbulências criadas ao nível das conexões. O fim da invenção é encontrar uma solução aos problemas de turbilhões e propor um duto de tipo estrutural “rough bore” permitindo escoamentos gasosos não apresentando mais turbulências nefastas nem os fenômenos de ressonância associados.

Este fim é atingido de acordo com a invenção graças a um duto tubular flexível para o transporte de fluidos, notadamente hidrocarbonetos gasosos, o duto sendo do tipo não ligado compreendendo, pelo menos, uma carcaça, uma luva polimérica de estanqueidade interna assegurando a estanqueidade para o fluido transportado e uma ou várias camadas de reforço e portanto a carcaça, situada no interior da luva de estanqueidade interna, é constituída por um enrolamento em espiras guarnecidas com orla de um elemento perfilado, caracterizado em que as espiras da carcaça são recobertas intemamente por uma luva perfurada destinada a se opor às turbulências do fluido circulando dentro do duto. A luva permite mascarar as conexões e, portanto, se opor às turbulências e seus efeitos, tanto ao nível das perdas de carga quanto ao nível das vibrações induzidas. Os orifícios da luva permitem evitar os problemas acima citados de desmoronamento da luva anti-turbulência (como por exemplo em caso de parada de produção). Assim, a este efeito, os orifícios da luva perfurada estão situados em parte (preferivelmente pelo menos 30% dos mesmos) ao nível das conexões internas entre as espiras. É vantajoso que a luva perfura seja inserida parcialmente ao nível das conexões internas entre as espiras, a fim de favorecer uma fixação mecânica longitudinal da luva anti-turbulência na carcaça, o que é oportuno notadamente para a utilização do duto em coluna montante (“riser” em inglês). Uma tal inserção parcial pode ser obtida quando da fabricação, por exemplo se a luva anti-turbulência é obtida sob a forma de luva expansível disposta no interior da carcaça e levada ao diâmetro interno da carcaça de acordo com as técnicas de revestimento protetor conhecidas.

Com vantagem, os orifícios da luva perfurada, muito numerosos, são oblongos. Seu diâmetro médio (relacionado estatisticamente aos orifícios circulares) está compreendido entre 1 e 8 mm, por exemplo 5 mm. Eles são dispostos longitudinalmente de modo defasado, por exemplo em espiral. Preferivelmente, os orifícios são dispostos com um passo compreendido entre 5 e 100 mm, por exemplo a cada 20 mm.

Outras vantagens e características serão evidenciadas na leitura da descrição seguinte, com referência aos desenhos esquemáticos anexos, em que: A figura 1 é uma vista em perspectiva de um duto de tipo “rough bore” em que se aplica a invenção; A figura 2 é uma vista esquemática aumentada de uma seção longitudinal de carcaça da arte anterior, realizada por enrolamento do elemento perfilado em S, A figura 3 é uma vista esquemática aumentada de uma seção longitudinal de carcaça de acordo com uma forma de realização da invenção. O duto flexível 1 representado figura 1 compreende do interior para o exterior: - uma carcaça 2 constituída de um enrolamento metálico guarnecido com orla que serve para impedir o esmagamento do duto sob a pressão externa, - uma luva estanque de pressão interna 3, realizada de material plástico geralmente polímero, resistente à ação química do fluido a transportar, - uma abóbada estanque de pressão interna 3, realizada de material plástico, geralmente polímero, resistente à ação química do fluido a transportar, - uma abóbada de pressão 4 resistente principalmente à pressão desenvolvida pelo fluido na luva de pressão e constituída pelo enrolamento em hélice de passo curto (isto é, com um ângulo de enrolamento próximo de 90°) em tomo da luva interna, de um ou vários fios metálicos de forma guarnecida com orla (auto-guamecíveis ou não); os fios conformados tem uma seção em Z ou em T ou seus derivados (teta ou zeta), em U ou em I. - pelo menos uma camada 5 ( e geralmente pelo menos duas camadas cruzadas) de reforços de tração enroladas em passo longo; o ângulo de reforço medido sobre o eixo longitudinal do duto é, por exemplo, sensivelmente igual a 55°, e - uma luva 6 de proteção e de estanqueidade externa de polímero. A abóbada de pressão, destinada essencialmente a resistir à pressão interna, não é necessária em todas as situações e, levando-se em conta o custo extra que ela acarreta, prefere-se usar um duto sem abóbada de pressão cada vez que as circunstâncias assim permitirem. A invenção se aplica tanto a um caso como ao outro.

Ela compreende, além disso, a luva anti-turbulência 30 que será melhor descrita abaixo. A figura 2 mostra a constituição de uma carcaça 2 como pelo documento EP 0 429 357, feita do enrolamento helicoidal em tomo de um eixo XX de um elemento perfilado 7 formada em S achatado, muito de uma ondulação de apoio 8. As conexões internas 9 aparecem entre as espiras adjacentes formando um reservatório fechado e são a causa dos turbilhões simbolizados pelas linhas 10 ao nível do escoamento de fluido gasoso no duto, cujo fluxo geral é simbolizado pela seta 11. As conexões externas 12 são obturadas pela camada plástica da luva 3 que envolve a carcaça e flui levemente nas conexões 11 formando indentações 13.

De acordo com a invenção, nas figuras 1 e 3, a carcaça 2 é recoberta intemamente com uma luva anti-turbulência 30 disposta com vantagem de modo a formar leves depressões 33 ao nível das conexões internas 9. A luva 30 é dotada de numerosos orifícios 31, por exemplo três orifícios 31 de cerca de 5 mm de diâmetro em todos os 10 mm e defasados de 120°, a serie seguinte sendo defasada em 10° para evitar acumular perturbações aerodinâmicas, de modo que se forma três espirais 32 de orifícios 31, dos quais pelo menos uma parte substancial (preferivelmente pelo menos 30%) irá se encontrar acima de conexões 9 de modo a impedir o desmoronamento da luva anti-turbulência quando de uma descompressão no interior do duto.

Como evidente, estes exemplos numéricos, do mesmo modo que a forma, o número e as dimensões dos orifícios são susceptíveis de variar em função de cada aplicação e não são nulamente limitativos. Com efeito, a espessura da luva, a pressão e a natureza de fluido transportado são, por exemplo, fatores que são susceptíveis de modificar o controle dos furos na luva anti-turbulência.

Naturalmente, a luva anti-turbulência 30 da invenção, além de ter diminuído as vibrações induzidas, é igualmente eficaz para reduzir as perdas de carga de escoamento ao suprimir as turbulências ao nível das conexões: esta redução de perda de carga compensa muito a perda induzida pela redução de diâmetro de passagem que acarreta a presença da luva 30 no interior da carcaça 2. A luva 30 é polimérica e pode ser reforçada com fibra ou uma treliça de modo a aumentar sua resistência ao desmoronamento. O aumento desta resistência ao desmoronamento pode permitir notadamente a redução do número de orifícios ao aumentar o passo que podería então passar de 100 mm a vários metros.

Pode-se igualmente notar que podería ser interessante usar uma luva anti-turbulência compreendendo várias ranhuras externas ligando vários orifícios entre si. Isto favorecería, assim, o retomo dos gases para o interior da luva anti-turbulência em caso de descompressão.

REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Duto tubular flexível para o transporte de fluídos e notadamente de hidrocarbonetos gasosos, o duto sendo de tipo não ligado comportando, pelo menos, uma carcaça (2), uma luva polimérica de estanqueidade interna (3) assegurando a estanqueidade pelo fluido transportado e uma ou várias camadas de reforço (5) e cuja carcaça (2) situada no interior da luva de estanqueidade interna (3), é constituída pelo enrolamento em espiras guarnecidas com orla de um elemento perfilado (7), caracterizado pelo fato de que as espiras da carcaça (2) são recobertas intemamente por uma luva (30) perfurada de orifícios (31), destinados a se opor às turbulências do fluido circulante no duto.

2. Duto de acordo com a reivindicação 1, cujas espiras da carcaça (2) formam, entre si, conexões internas (9), caracterizado pelo fato de que os orifícios (31) da luva perfurada (30) estão situados em parte ao nível das conexões internas (9) entre as espiras e impedem o desmoronamento da luva anti-turbulência (30) quando de uma descompressão no interior do duto.

3. Duto de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos 30% dos furos estão situados em parte ao nível das conexões internas (9) entre as espiras.

4. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que a luva perfurada entra parcialmente ao nível das conexões internas (9) entre as espiras,

5. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os orifícios são oblongos.

6. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os orifícios (31) tem um diâmetro médio compreendido entre 1 e 8 mm.

7. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os orifícios (31) são dispostos longitudinalmente de modo defasado.

8. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os orifícios (31) são dispostos com um passo compreendido entre 5 e 100 mm.

9. Duto de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a luva polimérica anti-turbulência (30) é reforçada com fibra ou uma treliça.