BRPI0916202B1

BRPI0916202B1 - Cabo umbilical

Info

Publication number: BRPI0916202B1
Application number: BRPI0916202-0A
Authority: BR
Inventors: Alan William Deighton; Siu Kit Joe Wong
Original assignee: Technip France
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2019-04-24
Also published as: WO2010010396A1; CA2731782C; NO20110297A1; MY153588A; US20120061123A1; AU2009275328A1; BRPI0916202A2; US9934887B2; CN102160126A; CN102160126B; GB2462130B; GB2462130A; CA2731782A1; WO2010010396A9; NO346538B1; AU2009275328B2; NO20210939A1; GB0813877D0

Abstract

cabo umbilical é descrito um cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50) para uso na produção de hidrocarbonetos ao largo da costa, compreendendo um conjunto de elementos fracionais, pelo menos um dos quais é um cabo de energia elétrica (14, 22, 32, 42,52), caracterizado em que pelo menos um condutor de pelo menos um cabo de energia elétrica (14, 22, 32, 42, 52) compreende um ou mais fios de alumínio da série 6000.

Description

“CABO UMBILICAL” [0001] A presente invenção diz respeito a um cabo umbilical para uso na produção de hidrocarbonetos ao largo da costa e, em particular, a um cabo umbilical para uso em aplicações de águas profundas.

[0002] Um cabo umbilical consiste em um grupo de um ou mais tipos de elementos umbilicais ativos alongados, tais como cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos e/ou mangueiras de aço, cabeados juntos por questão de flexibilidade, superblindados e, quando aplicável, armados para resistência mecânica. Cabos umbilicais são tipicamente usados para transmitir energia, sinais e fluidos (por exemplo, para injeção de fluido, potência hidráulica, liberação de gás, etc.) em uma instalação submarina.

[0003] A seção transversal do cabo umbilical é no geral circular, os elementos alongados sendo enrolados juntos tanto em um padrão helicoidal quanto em um padrão S/Z. A fim de encher os vazios intersticiais entre os vários elementos umbilicais e obter a configuração desejada, componentes de carga podem ser incluídos nos vazios.

[0004] ISO 13628-5 “Specification for Subsea Umbilicals” fornece normas para o projeto e fabricação de tais cabos umbilicais.

[0005] Cabos umbilicais submarinos são instalados em profundidades de água cada vez maiores, normalmente mais profundas que 1.000 m. Tais cabos umbilicais têm que poder suportar condições severas de carregamento durante sua instalação e sua vida em serviço.

[0006] Os principais componentes de sustentação de carga responsáveis por suportar as cargas axiais por causa do peso e dos movimentos do cabo umbilical são tubos de aço, hastes de aço, hastes de compósito ou camadas de revestimento de aço.

[0007] Os outros elementos, isto é, cabos elétricos e óticos, as mangueiras termoplásticas, o revestimento externo polimérico e os componentes de carga polimérica não contribuem significativamente para o limite de resistência do cabo umbilical.

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2/10 [0008] Cabos elétricos usados em cabos umbilicais submarinos se enquadram em duas categorias distintas, respectivamente, conhecidas como cabos de sinal e cabos de energia.

[0009] Cabos de sinal são usados para transmitir sinais e baixa potência (< 1 kW) submarina, tal como para dispositivos elétricos no leito oceânico. Cabos de sinal são em geral classificados a uma tensão menor que 3.000 V, e tipicamente menores que 1.000 V. Cabos de sinal geralmente consistem em condutores isolados de pequena seção agrupados como pares (2), quads (4) ou, muito raramente, qualquer outro número, o feixe sendo então superblindado.

[0010] Cabos de energia são usados para transmitir alta potência elétrica (tipicamente alguns MW) no fundo do mar, tal como para equipamentos submarinos potentes, tais como bombas. Cabos de energia são geralmente classificados em média tensão, compreendida entre 6 kV e 35 kV. Um cabo de energia típico está ilustrado na figura 1 anexa. Indo da camada de dentro para a camada de fora, o cabo de energia na figura 1 compreende um condutor de cobre central 2a, camadas semicondutoras e isolantes elétricas 2b, uma tela de película metálica 2c e um revestimento polimérico 2d. O condutor central 2a geralmente tem uma construção trançada e uma grande seção transversal, tipicamente compreendida entre 50 mm²e 400 mm². Energia trifásica pode ser provida por três tais cabos agrupados na estrutura do cabo umbilical.

[0011] Um cabo umbilical compreendendo pelo menos um cabo de energia é denominado frequentemente um cabo umbilical de energia. Assim, um cabo umbilical de energia inclui um ou mais cabos de energia elétrica, formados de um ou mais condutores, cada condutor formado de um ou mais fios.

[0012] Os condutores desses cabos de energia em um cabo umbilical de energia submarino são geralmente de cobre, como especificado em ISO 13628-5. Eles não são componentes de sustentação de carga, em virtude do baixo limite de escoamento e alta gravidade específica do cobre. Além disso, esses condutores de cobre pesados aumentam consideravelmente o peso de um cabo umbilical e têm pouca capacidade de sustentação de carga, limitando assim a profundidade

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3/10 submarina na qual o cabo umbilical pode ser desdobrado. A menos que protegidos, esses condutores elétricos podem ser danificados pelo excessivo alongamento ou esmagamento, especialmente em condições severas, tais como em cabos umbilicais de águas profundas e/ou dinâmicos.

[0013] É um objetivo da presente invenção superar um ou mais dos problemas citados e prover um cabo umbilical de energia que possa ser usado em aplicações dinâmicas e de águas profundas.

[0014] De acordo com um aspecto da presente invenção, é provido um cabo umbilical para uso na produção de hidrocarbonetos ao largo da costa compreendendo um conjunto de elementos funcionais, pelo menos um dos quais é um cabo de energia elétrica, caracterizado em que pelo menos um condutor de pelo menos um cabo de energia elétrica compreende um ou mais fios de alumínio da série 6000.

[0015] Alumínio da série 6000 compreende uma série de ligas de alumínio bruto ligada com magnésio (Mg) e silício (Si). Elas são definidas na European Standard EN 573-1 “aluminium and Aluminium Alloys - Chemical composition and form of wrouht products - Part 1: Numerical designation system”. O sistema de designação numérica de quatro dígitos especificado nesta norma européia está de acordo com o International Alloy Designation System (IADS) desenvolvido pela Aluminium Association, Arlington VA 22209, USA. O primeiro dos quatro dígitos no sistema de designação EN 573 / IADS indica os principais elementos de liga do alumínio ou liga de alumínio. Quando ele for igual a um, um material correspondente pertence à “série 1000”, e é alumínio bruto praticamente puro, isto é, compreendendo 99 % ou mais de alumínio. Quando ele for igual a 6, o material correspondente é uma liga de alumínio pertencente à “série 6000”, e seus elementos de liga principais são magnésio e silício, que formam um precipitado Mg2Si para dar melhores propriedades mecânicas depois do tratamento térmico.

[0016] Fios de alumínio da série 6000 podem ser formados de alumínio da série

6000 usando as mesmas maneiras e métodos de formação de fio condutor conhecidos.

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4/10 [0017] Assim, na presente invenção, pelo menos um condutor de pelo menos um cabo de energia elétrica no cabo umbilical é um condutor de alumínio, onde um ou mais fios condutores é de alumínio da série 6000, em vez de ser cobre puro e de ser um condutor de cobre puro, tal como o condutor de cobre central mostrado no cabo de energia da figura 1 anexa. Um condutor como este pode então ser isolado similarmente ao mostrado na figura 1, com camadas semicondutoras e isolantes elétricas 2b, uma tela de película metálica 2c e uma bainha polimérica externa 2d. [0018] O uso de um ou mais fios de alumínio da série 6000 aumenta o limite de resistência e rigidez do cabo elétrico para aplicações em águas profundas.

[0019] Sabe-se que condutores de cobre têm uma condutividade elétrica muito boa, que é o principal motivo pelo qual cobre é obviamente preferido ao alumínio para aplicações de cabo de energia. Entretanto, a gravidade específica do cobre (cerca de 8.900 kg/m³) é muito mais alta que a gravidade específica do alumínio (cerca de 2.700 kg/m³), sendo uma razão de cerca de 3,3. Além disso, por causa da força de flutuação de Arquimedes, a diferença de peso relativo entre alumínio e cobre é muito mais significativa em água, o peso equivalente em água para alumínio é 1.700 kg/m³ e para cobre 7.900 kg/m³, provendo uma maior razão em água de cerca de 4,65.

[0020] Assim, embora a área seccional transversal de um condutor de alumínio possa ser praticamente o dobro de um condutor de cobre equivalente para uma dada corrente operacional e condutividade linear, o peso total em água de um condutor de alumínio como este (para a mesma corrente operacional e condutividade linear) é somente cerca de 45 % do condutor de cobre equivalente. Dado o fato de que os condutores de cabo de energia são normalmente os componentes mais pesados em um cabo umbilical, a substituição de cobre por alumínio possibilita reduzir significativamente o peso geral do cabo umbilical para a mesma corrente operacional e condutividade linear.

[0021] Além disso, em aplicações em águas profundas, cabos de cobre seriam supertensionados pelo seu próprio peso suspenso, e, portanto, teriam que ser especialmente blindados com arames de aço ou compósito. Calculou-se que a

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5/10 profundidade de água máxima possível para um condutor não reforçado verticalmente suspenso é somente cerca de 775 m para cobre recozido padrão com um limite de escoamento de cerca de 60 MPa. Em torno deste limite, o limite de resistência aplicado no condutor no ponto mais superior próximo da superfície atinge seu limite de escoamento.

[0022] A fim de aumentar a profundidade da água além desta, e especialmente além de 1.000 e 2.000 m, versados na técnica teriam que reforçar o condutor de cobre com elementos de sustentação de carga de aço ou compósito, ou selecionar graus de cobre ligado mais duros, a fim de melhorar as propriedades mecânicas do condutor de cobre. Para isto, cobre quarto-duro com um limite de escoamento de cerca de 190 MPa, por exemplo, ajudaria superdeformar o cabo por causa de seu próprio peso, mas, mesmo materiais de cobre mais duros são ainda frágeis nessas condições, e, para aplicações de águas profundas, isto é, 2.500 m ou mais, mesmo cobre de alta resistência teria que ser reforçado ou armado para evitar atingir o limite de escoamento na área do topo. Além disso, esta melhoria não reduziria o peso suspenso do cabo de energia, que permaneceria o mesmo, ou mais, se for usada armação (aço).

[0023] As ligas de alumínio bruto pertencentes à série 6000 têm algumas propriedades mecânicas (limite de escoamento em torno de 200 MPa, e limite de resistência superior a 250 MPa e uma boa condutividade elétrica, de forma que alguns desses materiais são conhecidos para uso como linhas suspensas não isoladas. Em virtude de sua baixa gravidade específica e alto limite de resistência, condutores formados desses materiais podem suportar seu peso suspenso sem nenhuma armação em águas muito mais profundas do que condutores de cobre. [0024] Certamente, o limite calculado no qual o limite de resistência no topo atinge o limite de escoamento de 200 MPa é cerca de 12.000 m para os materiais de alumínio da série 6000, isto sendo muito mais alto do que cobre. Em decorrência disto, condutores da série 6000 podem facilmente suportar seu próprio peso suspenso em águas profundas de até 4.000 m sem armação, e sua importante capacidade de suportar carga pode ser compartilhada com outros componentes do

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6/10 cabo umbilical para reduzir a carga nos ditos outros componentes.

[0025] Em uma modalidade da presente invenção, todos os fios de pelo menos um dos condutores do(s) cabo(s) de energia elétrica no cabo umbilical são fios de alumínio da série 6000. Opcionalmente, todos os fios de todos os condutores de pelo menos um, opcionalmente todos os cabos de energia elétrica no cabo umbilical são fios de alumínio da série 6000.

[0026] Preferivelmente, um, alguns ou todos os fios de alumínio da série 6000 são formados de uma ou mais ligas de alumínio designadas 6101 ou 6101-A ou 6101-B, ou uma ou mais das ligas de alumínio designadas 6201 ou 6201-A, definidas no “International Alloy Designations and Chemical Composition Limites for Wrought Aluminium and Wrought Aluminium Alloys” publicado pela Aluminium Association, Arlington VA 22209, USA. Esses materiais são aqueles da série 6000 com uma melhor condutividade elétrica.

[0027] Os condutores de alumínio de alta resistência dos graus 6101 e 6201 da série 6000 podem também ser referidos como condutores “AAAC” - Condutores todo de liga de alumínio. Existem também condutores “AACSR” - Condutor de liga de alumínio reforçado com aço - sendo graus 6201/6101 (série 60000) + aço. Esta terminologia padrão é definida na ASTM B354.

[0028] Os condutores AAAC são fabricados de uma liga de alumínio de alta resistência magnésio-silício tratada termicamente, e tornam-se condutores preferidos para linhas de energia suspensas. Eles têm alta condutividade elétrica e contêm siliceto de magnésio bastante para dar melhores propriedades mecânicas depois do tratamento. Assim como seu menor peso, não existe efeito magnético por causa do núcleo do aço e, portanto, melhor resistência AC. Também, não existe possibilidade de corrosão galvânica, que poderia ocorrer entre o alumínio e o aço, se forem usados os condutores AACSR supramencionados, ou se forem usados condutores “ACSR” - Condutor de alumínio reforçado com aço, formado de alumínio padrão 1350 da série 10000 com reforço de aço.

[0029] Tais vantagens aumentam os benefícios dos cabos umbilicais da presente invenção.

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7/10 [0030] Condutores AAAC 6201 têm uma designação de revenimento T81, ao passo que os condutores AAAC 6101 têm tanto designações T81 quanto T83. Os condutores 6201-T81 são especificados na ASTM B399 com sua composição especificada em B398. Os condutores 6101-T81 e 6101-T83 são especificados em CAN/CSA 610869. Essas normas internacionais deixam a exata composição química da liga para o fabricante, mas uma liga contendo 0,6-0,9 % magnésio e 0,50,9 % silício é especificada na ASTM B398. Existe um controle rigoroso estabelecido a respeito de todas outras impurezas, tais como Cu, Fe, Mn, Zn, Cr, B, com uma porcentagem máxima permissível de forma a não aumentar demasiadamente a resistência elétrica.

[0031] Em particular, os graus 6101, 6101-A e 6101-B compreendem 0,3 %-0,7 % Si e 0,35 %-0,9 % Mg, além de 0,1 % - 0,5 % Fe, 0,05 %-0,1 % Cu e pequenas quantidades de impurezas de Mn, Cr, Zn e B.

[0032] Os graus 6201 e 6201-A compreendem 0,5 %- 0,9 % Si e 0,6 % - 0,9 % Mg, além de 0,5 % Fe, 0,04 %-0,1 % Cu e pequenas quantidades de impurezas de Mn, Cr, Zn e B.

[0033] As ligas de alumínio 6201 e 6201-A oferecem a melhor combinação entre propriedades mecânicas, elétricas e de resistência a corrosão, e são o melhor modo da invenção.

[0034] Em uma modalidade preferida, o(s) fio(s) de alumínio da série 6000 tem(têm) um limite de escoamento superior a 200 MPa.

[0035] Preferivelmente, o(s) fio(s) de alumínio da série 6000 tem(m) uma resistividade elétrica menor que 35 nO.m (nano-ohm metro). Isto corresponde a uma condutividade nominal superior a 49,25 % (IACS (Normas Internacionais de Cobre Recozido).

[0036] Em uma outra modalidade da presente invenção, pelo menos um condutor de cabo de energia elétrica compreende um ou mais fios de alumínio da série 6000 e um ou mais fios de alumínio da série 1000. Opcionalmente, todos os fios de todos os condutores do cabo de energia elétrica são uma combinação de fios de alumínio da série 6000 e fios de alumínio da série 1000.

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8/10 [0037] O cabo umbilical da presente invenção pode incluir cabo(s) de energia elétrica capaz(es) de prover energia monofásica ou trifásica.

[0038] O(s) fio(s) de alumínio bruto da série 6000 é(são) preferivelmente revenido(s) no nível T8 definido na norma européia EN-515:1 “aluminium and aluminium alloys - Wrought products - Temper designation”. Um processo como este envolveria as seguintes etapas de processo de tratamento térmico de solução, trabalho a frio e então envelhecimento artificial.

EXEMPLOS DE PROCESSO:

1. Trefilar uma haste de liga de alumínio de 9,5 mm de diâmetro no tamanho exigido por meio de um conjunto de matrizes de redução gradual em uma máquina de trefilação de arame.

2. Colocar o material da etapa 1 em um forno para tratamento térmico a uma temperatura constante de cerca de 540 °C.

3. Depois do tratamento térmico, mergulhar a liga tratada termicamente em água fria em um tanque de têmpera. Seu limite de resistência é agora cerca de 150 N/mm².

4. Trefilar o material da etapa 3 no tamanho exigido em uma máquina de trefilação de arame.

5. Submeter o arame trefilado ao envelhecimento a 160 °C. Após a trefilação e envelhecimento, seu limite de resistência aumenta para cerca de 310 N/mm².

[0039] O material assim formado, portanto, derivou sua resistência de duas fontes, o composto intermetálico Mg2Si e o trabalho a frio introduzido pela trefilação. [0040] O recozimento a baixa temperatura tem dois efeitos:

(a) envelhecimento artificial, causando precipitação das partículas de Mg2Si e assim um aumento no limite de resistência com uma redução na resistividade elétrica; e (b) recozimento parcial ou recuperação, por meio do que o limite de resistência é reduzido e a dutilidade do metal é significativamente melhorada.

[0041] O efeito líquido é produzir um arame dútil com baixa resistividade elétrica

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9/10 e alto limite de resistência.

[0042] Modalidades da presente invenção serão agora descritas, apenas a título de exemplos, com referência aos desenhos anexos, em que:

A figura 1 é uma vista seccional de um cabo de energia da tecnologia anterior supradescrito;

A figura 2 é uma vista seccional de um primeiro cabo umbilical submarino 10 de acordo com a presente invenção contendo cabos de energia 14, cargas 16 com um revestimento polimérico externo 12;

A figura 3 é uma vista seccional de um segundo cabo umbilical submarino 20 de acordo com a presente invenção contendo cabos de energia 22, cabos de sinal, cabos de fibra óptica e mangueiras termoplásticas 24, e protegido com armações de cabo de aço 26;

A figura 4 é uma vista seccional de um terceiro cabo umbilical submarino 30 de acordo com a presente invenção contendo cabos de energia 32, cabos de sinal e tubos de aço 34 e protegido com armações de cabo de aço 36;

A figura 5 é uma vista seccional de um quarto cabo umbilical submarino 40 de acordo com a presente invenção contendo cabos de energia 42, cabos de fibra óptica e tubos de aço 44, com um revestimento polimérico geral 46; e

A figura 6 é uma vista seccional de um quinto cabo umbilical submarino 50 de acordo com a presente invenção contendo cabos de energia 52, um cabo de fibra óptica 54, cargas 56 e protegido com armações de cabo de aço.

[0043] Um cabo umbilical de acordo com uma modalidade da presente invenção compreende um conjunto de elementos funcionais, tais elementos incluindo tubos de aço e/ou mangueiras termoplásticas, cabos de fibra óptica, hastes de aço ou carbono de reforço, cabos de energia elétrica e cabos de sinal elétrico agrupados com o material de carga e superrevestidos por um revestimento externo polimérico. [0044] Exemplos de vários arranjos de montagem de acordo com a presente invenção estão mostrados nas figuras 2-6. Cada uma dessas modalidades inclui pelo menos um cabo de energia elétrica, geralmente em um arranjo simétrico, e pelo menos um condutor de um dos cabos de energia elétrica compreende um ou mais

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10/10 fios condutores de alumínio da série 600 aqui descritos. O(s) fio(s) pode(m) ser formado(s) da maneira supradescrita.

[0045] A presente invenção aplica-se a condutores de energia individuais e a condutores de energia em feixe (tal como o feixe trefoil para uma fonte de alimentação trifásica).

[0046] Os cabos umbilicais de energia e cabos de energia de acordo com a presente invenção podem também ser usados para transferir a energia elétrica gerada pelos moinhos de vento ao largo da costa, dos ditos moinhos de vento para um terminal em terra.

[0047] Os fios de alumínio da série 6000 podem também ser usados em condutor(es) de cabo de sinal, ou como este(s).

[0048] Várias modificações e variações nas modalidades descritas da invenção ficarão aparentes aos versados na técnica sem fugir do escopo da invenção, definido aqui ou nas reivindicações anexas. Embora a invenção tenha sido descrita com relação a modalidades específicas, deve-se entender que a invenção reivindicada não deve ser indevidamente limitada a tais modalidades específicas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50) para uso na produção de hidrocarbonetos ao largo da costa, compreendendo um conjunto de elementos funcionais, pelo menos um dos quais é um cabo de energia elétrica (14, 22, 32, 42, 52) com uma classificação de tensão maior ou igual a 6 kV, caracterizado pelo fato de que o cabo de energia elétrica (14, 22, 32, 42, 52) compreende um ou mais fios de alumínio da série 6000, cada fio tendo uma seção transversal selecionada para fornecer ao dito fio uma corrente de operação e condutividade linear que sejam as mesmas de um fio de cobre com uma seção transversal, em que o dito alumínio da série 6000 compreende alumínio, silício e magnésio, em que o dito alumínio da série 6000 compreende ainda precipitados de Mg2Si, em que a seção transversal do dito fio é maior do que a seção transversal do dito fio de cobre, mas o dito fio pesa menos do que o dito fio de cobre, em que os fios de alumínio da série 6000 possuem um limite de escoamento superior a 200 MPa.
2. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todos os fios de pelo menos um dos condutores do cabo de energia elétrica são de alumínio da série 6000.
3. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um, alguns ou todos os fios de alumínio da série 6000 são formados de uma ou mais de ligas de alumínio compreendendo pelo menos 0,30,7% de silício, 0,35-0,9% de magnésio, 0,1-0,5% de ferro e 0,05%-0,1% de cobre.
4. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um, alguns ou todos os fios de alumínio da série 6000 são formados de uma ou mais ligas de alumínio compreendendo 0,5-0,9% de silício, 0,6-0,9% de magnésio e 0,04-0,1% de cobre.
5. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os fios de alumínio da série 6000 têm uma resistividade elétrica menor do que 35 nO.m (nano-ohm metro).
6. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todos os fios de todos os condutores do cabo de

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2/2 energia elétrica são fios de alumínio da série 6000.
7. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um condutor do cabo de energia elétrica compreende um ou mais fios de alumínio da série 6000 e um ou mais fios de liga de alumínio da série 1000, que compreende pelo menos 99%.
8. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que todos os fios de todos os condutores do cabo de energia elétrica são uma combinação de fios de alumínio da série 6000 e fios de alumínio da série 1000.
9. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabo de energia elétrica é capaz de fornecer energia monofásica ou trifásica.
10. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabo de energia é classificado para 6 kV ou mais e é capaz de transmitir 1 MW ou mais de potência.
11. Cabo umbilical (10, 20, 30, 40, 50), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada fio é trabalhado a frio e envelhecido.