BRPI0516022B1 - Composite tubing having at least one metal endpiece and method of manufacturing such tubing - Google Patents

Abstract

"tubulação composta tendo pelo menos uma peça terminal metálica e método de manufaturamento de tal tubulação". uma tubulação composta tendo pelo menos uma peça terminal metálica (2, 3) com uma extremidade livre e um componente tubular não-metálico (10). o componente tubular (10) é acoplado a pelo menos uma peça terminal (2, 3) oposta da extremidade livre da peça terminal (2, 3) por meio de pelo menos uma ranhura (6, 7) que age axialmente estendendo-se perifericamente que o componente tubular não metálico (10) engata. o componente tubular não-metálico (10) compreende geralmente fibras axiais (11) que se estendem para baixo na pelo menos uma ranhura (6, 7). a ranhura (6, 7) tem um fundo (13) e um flanco (14), cujo flanco está localizado mais afastado a partir da extremidade livre da peça terminal (2, 3). entre o flanco (14) e as fibras axiais (11) é provida uma camada intermediária (15). também é descrito um método de manufaturamento de tal tubulação composta.

Description

"TUBULAÇÃO COMPOSTA TENDO PELO MENOS UMA PEÇA TERMINAL METÁLICA E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE TAL TUBULAÇÃO" [001] A presente invenção se refere a uma tubulação, tal como uma tubulação de elevação, consistindo de peças terminais metálicas e uma seção central que compreende principalmente material composto, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 em anexo.

[002] Este tipo de tubulação de elevação composta é descrito em maiores detalhes nos Pedidos de Patente dos Estados Unidos nos. US/ 2003/0106685 Al e US 2003/0107186 Al, e Patentes dos Estados Unidos 6 042 152 e 6 050 612.

[003] À medida que a exploração e produção de óleo e gás se desenvolvem em águas mais profundas, o peso, custo e confiabilidade das tubulações de elevação tornam-se aumentadamente importantes.

[004] As tubulações de elevação são usadas em plataformas de produção de óleo em mar aberto para transporte de óleo ou gás a partir do leito do mar até uma plataforma de produção. As tubulações de elevação podem ser flexíveis ou rígidas. As tubulações de elevação rígidas são também usadas como revestimentos de condutores para operações de perfuração onde a broca de perfuração e a haste de perfuração se deslocam para baixo através da tubulação de elevação de perfuração, e também para manutenção de poços de óleo (tubulação de elevação workover) .

[005] Uma tubulação de elevação composta é uma tubulação de elevação rígida para substituir as tubulações de elevação de aço de hoje. A proposta principal das tubulações de elevação compostas é reduzir o peso. As tubulações de elevação podem também serem produzidas de titânio ou alumínio. Elas são construídas como tubulações com um diâmetro de aproximadamente 4,5 polegadas a 21 polegadas, e cada seção tem um comprimento de 15 a 27 metros. Cada extremidade tem um acoplamento mecânico com um sistema de vedação. A tubulação de elevação é montada pela interconexão de uma série de seções. As tubulações de elevação são produzidas com valores de pressão de até 15000 psi (1000 bar), e comprimentos de até 10.000 pés (3.000 m).

[006] As tubulações de elevação compostas têm também resistência especifica e rigidez altas, são resistentes à corrosão, têm boas propriedades de isolamento térmico, amortecimento superior, e excelentes propriedades de fadiga.

[007] Em principio, uma tubulação de elevação composta é construída similar a uma tubulação de elevação de metal, mas a seção de tubo entre os acoplamentos é substituída totalmente ou em parte pelo composto.

[008] A presente invenção pode ser usada para todos os tipos de tubulações de elevação rígidas ou flexíveis produzidas a partir de composto de fibra de carbono com peças de terminação de metal. Contudo, a invenção é também adequada para outros tipos de componentes tubulares, nos quais o material composto é para ser acoplado a partes metálicas, tais como bocais de foguete, componentes de espaço e de aviação, palhetas de moinhos de vento, etc.

[009] O composto consiste de fibras que podem acomodar forças em uma direção somente. Conseqüentemente, materiais compostos são construídos com camadas que se alternam entre axialmente e tangencialmente orientadas. O composto é fixado ao aço em um sistema de ranhuramento de metal denominado Interface de Metal a Composto ou MCI.

[0010] No modo destas tubulações serem construídas hoje, uma peça terminal de metal é conectada a cada extremidade de uma tubulação de metal delgada. Esta é uma tubulação de metal de resistência relativamente baixa e principalmente pretendida para servir como uma barreira entre o fluido a ser transportado através da tubulação e o exterior do material composto. Em seguida, fibras de carbono axiais são assentadas a partir de uma respectiva ranhura em uma peça terminal de metal a uma ranhura respectiva na outra peça terminal de metal. Se existem várias ranhuras em cada peça terminal, as fibras de carbono axiais primeiro serão assentadas entre os fundos destas ranhuras nas duas peças terminais que estão localizadas mais perto uma da outra. As fibras de carbono serão em seguida assentadas na direção periférica destas ranhuras até que elas tenham sido preenchidas. Em seguida, as fibras de carbono axiais serão assentadas entre estas ranhuras em cada peça terminal que estão localizadas afastadas uma da outra, preenchendo estas na direção periférica. Isto é continuado até que todas as ranhuras tenham sido preenchidas com material composto. As fibras de carbono que são assentadas na direção axial podem, antes da aplicação, ser molhadas com epóxi ou outra resina de modo a formar uma assim denominada prepeg. As fibras de carbono que são assentadas na direção periférica nas ranhuras efetuam um travamento das fibras de carbono axiais, impedindo, desse modo, estas de deslizarem para fora das ranhuras durante manufatura.

[0011] Tal tubulação composta pode suportar grandes forças axiais. Não obstante, existe um desejo de aumentar a resistência à ruptura axial de tais tubulações, particularmente se a resistência pode ser aumentada sem causar qualquer aumento significante no peso e/ou na espessura de parede da tubulação. A presente invenção proporciona um aumento considerável na resistência à ruptura sem necessitar de qualquer aumento no peso ou dimensões. A presente invenção também proporciona uma oportunidade de reduzir o peso e/ou a espessura de parede, enquanto mantém a resistência à ruptura.

[0012] A invenção agora será explanada em maiores detalhes com referência aos desenhos acompanhantes, nos quais: A Figura 1 mostra uma tubulação composta construída de acordo com a técnica anterior; A Figura 2 mostra uma tubulação composta construída de acordo com a presente invenção; A Figura 3 mostra um detalhe da tubulação conhecida na Figura 1; A Figura 4 mostra um detalhe da tubulação da invenção na Figura 2; A Figura 5 mostra a distribuição de carga em uma seção da tubulação conhecida na Figura 1; e A Figura 6 mostra a distribuição de carga em uma seção da tubulação da invenção na Figura 2.

[0013] A tubulação conhecida na Figura 1 compreende uma tubulação metálica interna 1, a primeira extremidade da qual sendo acoplada a uma peça terminal de metal 2, e a segunda extremidade da qual sendo acoplada a uma peça terminal de metal 3. Cada peça terminal compreende porções roscadas 4 e 5, respectivamente, que permitem acoplamento adicional às peças roscadas para conexão a outras tubulações ou a um equipamento. As porções roscadas 4, 5 mostradas são ambas roscas fêmeas. Isto é porque a tubulação é produzida para a proposta de teste (que também se aplica à tubulação na Figura 2) . Uma tubulação pretendida para uso em uma tubulação de elevação terá uma rosca fêmea em uma extremidade e uma rosca macho na outra.

[0014] Cada peça terminal 2, 3 tem pelo menos uma ranhura 6, 7, respectivamente. As partes das peças terminais 2, 3 mais próximas à tubulação interna 1 exibem uma conicidade 8 e 9, respectivamente. Do lado externo da tubulação interna 1, na direção radial, é construída uma tubulação externa 10 compreendendo fibras de carbono em um molde de epóxi ou outra resina. A tubulação externa 10 geralmente tem fibras de carbono longitudinais 11 e fibras de carbono 12 geralmente dispostas na direção periférica da tubulação 10.

[0015] Referência é feita agora à Figura 3, que mostra um detalhe da tubulação na Figura 1 na primeira peça terminal 2. Conforme pode ser visto a partir da Figura, as fibras de carbono longitudinais 11 foram assentadas, estendendo-se a partir do fundo 13 da ranhura 6, para cima ao longo do flanco 14 da ranhura 6 e abaixo ao longo da tubulação interna 1. Estas fibras de carbono se estendem para o fundo da ranhura correspondente 7 na outra peça terminal 2, onde elas são assentadas em uma maneira similar. A ranhura é em seguida preenchida com fibras de carbono 12 estendendo-se na direção periférica da tubulação, desse modo, travando as fibras de carbono longitudinais 11 na ranhura 6. Vantajosamente, estas fibras periféricas são também enroladas ao redor do lado externo da tubulação externa 10 ao longo do comprimento total desta. Adicionalmente, uma membrana delgada produzida de, por exemplo, borracha, pode ser provida entre as partes de metal, isto é, a tubulação interna 1, e as peças terminais 2, 3. Esta age como uma barreira de vapor.

[0016] A Figura 2 ilustra uma tubulação de acordo com a presente invenção. Esta tubulação também compreende uma tubulação interna 1, duas peças terminais 2 e 3 tendo respectivas ranhuras 6 e 7. Aqui existem também fibras de carbono longitudinais 11 e fibras periféricas 12 assentadas fora da tubulação interna 1, e parcialmente fora das peças terminais 2 e 3. Existe apenas uma pequena diferença entre esta tubulação e a tubulação conhecida na Figura 1, e esta diferença é melhor vista na Figura 4, que mostra uma seção da tubulação na primeira peça terminal 2. Aqui as fibras longitudinais 11 são também assentadas no fundo da ranhura 6. Contudo, elas não são assentadas acima ao longo do flanco 14. Ao invés, existe uma camada intermediária 15 no flanco, preferivelmente compreendendo fibras de carbono periféricas em um epóxi ou outro molde de resina. Isto resulta nas fibras longitudinais 11 serem espaçadas a partir do flanco 14. Esta camada intermediária requer um requerimento reduzido das fibras periféricas 12 fora das fibras longitudinais 11, não causando, desse modo, mudança no consumo total de materiais. Neste exemplo, a espessura da camada intermediária 15 foi de 10 mm. A espessura apropriada dependerá da dimensão das ranhuras, desse modo ranhuras maiores requererão uma camada intermediária mais espessa. A espessura apropriada estará provavelmente na faixa de 2 mm a 25 mm, mais provavelmente na faixa de 5 a 20 mm.

[0017] Esta camada intermediária no flanco 14 tem comprovado ter um efeito significante na resistência à ruptura axial. Uma tubulação tendo um diâmetro interno de 10 polegadas (aproximadamente 25 cm), e sendo construída de acordo com a Figura 1, e uma tubulação com as mesmas dimensões construída de acordo com a Figura 2, suportaram teste comparativo através das tubulações sendo estiradas na direção axial até que a ruptura ocorresse. Ambas as tubulações tinham a mesma quantidade de fibras de carbono longitudinais e a mesma quantidade de fibras periféricas. A única diferença era que algumas das fibras periféricas eram dispostas no interior das fibras longitudinais no flanco 14 na ranhura 6, e similarmente na ranhura 7, ao invés de no exterior das fibras longitudinais.

[0018] Os resultados foram conforme se segue: Tubulações de construção convencional de acordo com a Figura 1: Ruptura em uma força de 2215 kN.

Tubulações construídas de acordo com a presente invenção, com uma camada intermediária de acordo com a Figura 2: Ruptura em uma força de 3131 kN.

[0019] Ambas as tubulações tinham um gradiente de força linear aproximadamente acima até ruptura. Contudo, a diferença na resistência à ruptura foi até 41%.

[0020] A Figura 5 mostra um diagrama de tensão de cisalhamento representado em isóbaras. Ela mostra uma situação típica para uma tubulação da construção convencional de acordo com a Figura 1 colocada sob tensão. 0 fundo 13 e o flanco 14 da ranhura 6 podem ser vistos na Figura. As isóbaras podem ser vistas estarem muito proximamente espaçadas em uma área 16 na transição a partir do fundo 13 para o flanco 14, e em uma área 17 próxima ao topo do flanco 14. Isto indica uma alta concentração de tensão nestas áreas, devido a gradientes abruptos na pressão constante entre o aço e o material composto no ponto de engajamento inicial entre estes materiais. As fibras longitudinais passam através destas áreas 16 e 17 (o arranjo das fibras 11 pode ser visto a partir de uma concentração de tensão um tanto mais alta ao longo das fibras 11), e são, desse modo, submetidas a tensões muito altas.

[0021] A Figura 6 mostra um diagrama de tensão representado por isóbaras, em uma situação típica para uma tubulação de acordo com a presente invenção, tal como mostrada na Figura 2, colocada sob tensão. 0 fundo 13 e o flanco 14 da ranhura 6 são também visíveis aqui. 0 arranjo das fibras longitudinais 11 pode ser discernido a partir de uma concentração de tensão um tanto mais alta em uma área 18. Contudo, esta área 18 está fora das áreas 16 e 17, que definitivamente têm as concentrações de tensão mais altas. Conseqüentemente, as fibras longitudinais 11 não são submetidas a estas tensões altas. À medida que a tensão na tubulação aumenta a extensão e intensidade das áreas 16 e 17 aumentarão também. Contudo, tomará muito mais tempo antes que estas áreas de tensão alcancem uma extensão e intensidade que sobrecarregará as fibras longitudinais.

[0022] A camada intermediária 15 pode ser composta pelo assentamento de tramas de tramas de fibra molhadas de resina (assim denominadas prepeg) no flanco 14 na direção periférica da tubulação. Como um resultado do pré-molhamento, as tramas se fixam juntas, aderindo à peça terminal 2, 3 a uma certa extensão. Vantajosamente, a aplicação ocorre durante rotação da tubulação. Após a camada intermediária 15 tiver sido composta, as fibras longitudinais 12 são aplicadas. Neste caso, a tubulação pode ser girada muito vagarosamente enquanto o alimentador de fibra se desloca rapidamente na direção longitudinal. Alternativamente, as fibras axiais podem ser aplicadas na forma de tramas de prepeg. Em seguida, mais fibras são assentadas na direção periférica, ambas nas ranhuras 6 e 7, e no restante da tubulação entre as ranhuras 6 e 7.

[0023] As Figuras e o texto se referem a uma ranhura em cada peça terminal. Naturalmente, é possível usar-se várias ranhuras. Por enquanto, até 6 ranhuras foram usadas para cada peça terminal. Neste caso, as fibras primeiro serão assentadas na ranhura localizada mais afastada da extremidade livre da peça terminal, em seguida na penúltima ranhura mais afastada, etc. Embora seja altamente vantajoso aplicar-se uma camada intermediária em todos os flancos das ranhuras situadas mais afastadas da extremidade livre da peça terminal, a colocação de tal camada intermediária nos flancos de somente um ou um pouco dos flancos também ajudará a alcançar um aumento na resistência à ruptura.

[0024] 0 acima se refere ao uso de fibras de carbono para construção de tubulações compostas. Contudo, um aumento na resistência à ruptura pode também ser encontrado em tubulações construídas de outros tipos de fibras, tais como fibra de vidro e fibras de aramida. Desse modo, a invenção pode também ser aplicada naqueles casos onde é considerado desejável ou apropriado manufaturar-se uma tubulação ou componente tubular produzido totalmente ou em parte de outros tipos de fibras.

REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Tubulação composta tendo pelo menos uma peça terminal metálica, com uma extremidade livre e um componente tubular não-metálico, no qual o componente tubular é acoplado o pelo menos uma peça terminal (2, 3) , oposto da extremidade livre da peça terminal, por meio de pelo menos uma ranhura (6, 7) que age axialmente estendendo-se perifericamente, que o componente tubular não-metálico engata, o componente tubular não-metálico compreendendo fibras (11, 12) direcionadas geralmente axiais, que se estendem para baixo na pelo menos uma ranhura, cuja ranhura tem um fundo (13) e um flanco (14), e cujo flanco está localizado mais afastado a partir da extremidade livre da peça terminal, caracterizada pelo fato de que uma camada intermediária (15) é provida entre o flanco e as fibras axiais, tendo uma espessura que transpõe as fibras axiais distantes de uma ou várias áreas (16, 17) perto do flanco que, quando a tubulação é colocada sob tensão, são submetidas a concentrações de tensão particularmente altas, e que a camada intermediária tem uma espessura entre 2 e 25 mm, preferivelmente entre 5 e 20 mm.

2. Tubulação composta, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a camada intermediária (15) compreende um material mais macio do que da peça terminal metálica (2, 3).

3. Tubulação composta, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a camada intermediária (15) compreende fibras (11, 12) que se estendem geralmente na direção periférica da tubulação.

4. Tubulação composta, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que as fibras (11, 12) axiais, e possivelmente também a camada intermediária (15), compreendem fibras de carbono, e que as fibras são opcionalmente molhadas em um epóxi ou outro molde de resina.

5. Tubulação composta, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que existem fibras fora das fibras axiais, cujas fibras se estendem geralmente na direção periférica da tubulação, e que fazem com que as fibras axiais na pelo menos uma ranhura sejam travadas no local.

6. Método de fabricação de uma tubulação composta tendo pelo menos uma peça terminal metálica, com uma extremidade livre e um componente tubular não-metálico, onde o componente tubular é acoplado a pelo menos uma peça terminal (2, 3) oposta à extremidade livre da peça terminal, por meio de pelo menos uma ranhura (6, 7) que age axialmente estendendo-se perifericamente, que o componente tubular não-metálico engata, cuja ranhura tem um fundo (13) e um flanco (14), e cujo flanco está localizado mais afastado a partir da extremidade livre da peça terminal, caracterizado pelo fato de que uma camada intermediária (15) é aplicada no flanco, tendo uma espessura que transpõe as fibras (11, 12) axiais distantes de uma ou várias áreas (16, 17) perto do flanco que, quando a tubulação é colocada sob tensão, são submetidas a concentrações de tensão particularmente altas, a camada intermediária tendo uma espessura de pelo menos 2 mm, as fibras axiais sendo subseqüentemente assentadas ao longo do fundo da ranhura e ao longo da camada intermediária, e que as fibras são, em seguida, enroladas na parte externa das fibras axiais na direção periférica da tubulação.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a camada intermediária (15) é provida pelo enrolamento de fibras ao longo da periferia do flanco (14) .

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que as fibras (11, 12) são fibras de carbono que, antes da aplicação, foram molhadas em um epóxi ou outro molde de resina.