ES2246237T3 - Conjunto tubular de material composite y metodo para formar el mismo. - Google Patents

Abstract

Un método de fabricación de un conjunto tubular de material composite, que comprende: La superposición de un primer conjunto de una pluralidad de tiras flexibles delgadas (15) de material esencialmente coextensivas las unas con las otras; la aplicación de un adhesivo entre las tiras (15) para adherir las tiras entre si; el posicionamiento de dicho primer conjunto de tiras adheridas (15) sobre un primer núcleo tubular (c) de conducción de fluidos, de material flexible en una relación de no-adherencia con dicho núcleo (c) para proporcionar un movimiento de deslizamiento relativo entre ellos con la flexión de dicho núcleo tubular (c).

Description

Conjunto tubular de material composite y método para formar el mismo.

Esta solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional U.S. Nº de Serie 60/132,207 presentada el 3 de Mayo de 1999, y la Solicitud de Patente U.S. Nº de Serie ______ presentada el 24 de Abril de 2000, titulada “Conjunto tubular de material composite y metodo de fabricacion del mismo”.

El campo de la invención es tubería flexible para la conducción de petróleo u otros fluidos bajo el nivel del mar o por tierra y el método de fabricación de la misma.

La tubería flexible aglomerada convencional se describe en el documento API American Petroleum Institute Especificación 17J. Estos tipos de tuberías normalmente se emplean tanto para la producción de servicios "dulces" como "agrios", incluyendo servicios de exportación y de inyección. Los fluidos transportados incluyen petróleo, gas, agua e inyección de productos químicos y gas. Una construcción típica se compone de una pluralidad de capas tubulares empezando por una carcasa metálica de acoplamiento y seguida de un tubo de revestimiento de plástico para retener el fluido en el interior de la tubería. El refuerzo de la armadura de resistencia circunferencial en la dirección circunferencial se provee mediante hilos metálicos helicoidales los cuales pueden ir en varias capas y arrollados en direcciones helicoidales opuestas. También pueden emplearse capas adicionales, con una extrusión de la envoltura final para completar el conjunto, con un material tenaz resistente al desgaste.

Los números de patentes U.S. 5,261,462 y 5,435 867, ambas publicadas por Donald H. Wolfe, y otros., son ejemplos de canalizaciones tubulares composite del estado de la técnica. Dichas patentes se refieren a estructuras tubulares que incluyen un tubo de plástico para el conductor del fluido, el cual tiene una capa exterior formada por tiras alternativas arrolladas en forma de espiral de material composite o elastómero. Se cree que las canalizaciones te material composite del estado de la técnica, tales como las divulgadas en las patentes antedichas, han sido limitadas a longitudes comerciales relativamente cortas, por razones del método mediante el cual han sido fabricadas dichas estructuras tubulares. La Patente U.S. 3,604,461 revela una tubería flexible composite con las características del preámbulo de la reivindicación 10.

Normalmente, las tuberías flexibles, composite se fabrican mediante devanado de filamentos, lo cual implica el giro de la tubería a la vez que desde las bobinas se alimentan y desplazan fibras de resina impregnadas, con movimiento de avance y retroceso a lo largo de la tubería. Esta técnica limita la longitud de la tubería flexible reforzada que puede fabricarse debido al número de bobinas requeridas, dado el gran número de fibras que se emplean en cada paso. Como una cuestión práctica, no era conocido cómo fabricar longitudes relativamente largas de tuberías composite suficientes para su uso bajo el nivel del mar debido a tal problema.

En máquinas de una única bobina, el tiempo de carga y descarga esta en función del tiempo empleado para enhebrar cada extremo de las fibras, el número de bobinas, y el tiempo requerido para reemplazar cada bobina. Además, debido a las exigencias de carga útil del material, una máquina del tipo de bobina única requerirá que cada extremo recorra cierta distancia desde su bobina sobre rodillos, poleas, ojetes, etc. a través de la máquina hasta el punto de cierre de la tubería, creando así una tarea que lleva mucho tiempo. Debido a los cientos, e incluso miles de bobinas, se requerirían máquinas extremadamente grandes para fabricar tuberías composite reforzadas de grandes longitudes mediante tales técnicas del estado de la técnica, por consiguiente, la industria no ha tenido a su disposición tuberías flexibles de material composite de grandes longitudes para operaciones de producción y sondeo bajo el nivel del mar. Para grandes longitudes de tubería tampoco resultan prácticos los haces de fibras múltiples debido a los tiempos requeridos de carga de fibras.

Con la presente invención en primer lugar se forman cintas discretas a partir de de las fibras y resina o similares, de manera que las cintas vayan enrolladas en carretes lo cual reduce el número de bobinas requeridas comparado con el número de bobinas requeridas en el caso de filamentos de fibra única, con lo cual es posible fabricar grandes longitudes de tuberías flexibles composite. Las cintas se forman inicialmente y luego son alimentadas a partir de carretes de cintas en vez de a partir de las bobinas de fibras del estado de la técnica. Además, cada cinta está compuesta de una pluralidad de tiras de cinta delgada superpuestas formadas predominantemente de fibras unidireccionales, las cuales van impregnadas con una epoxy u otra resina adhesiva apropiada la cual se cura con calor, frío, ultravioleta (UV) u otros métodos de curación. Las cintas multi-capa se envuelven con un polietileno o plástico similar o tira metálica delgada o se cubren mediante extrusión termoplástica para confinarlas juntas como una unidad, con adhesivo aglutinante entre las tiras de cinta evitándose que escapen del arrollamiento. Cada cinta fabricada de este modo es alimentada desde un carrete de cinta hasta un núcleo tubular mientras el núcleo tubular es girado, o mientras que los carretes son girados con respecto al núcleo, lo cual produce arrollamientos helicoidales de cada una de las cintas sobre el núcleo tubular en la misma dirección o en dirección helicoidal opuesta para refuerzo del núcleo.

La Fig. 1 es una vista isométrica de una disposición de fibra típica de la cinta de esta invención;

La Fig. 2 es una vista de las fibras de La Fig. 1 embebidas en una resina tal como una resina epoxy;

La Fig. 3 es una vista en sección transversal de la cinta final la cual posee una pluralidad de cintas de fibra laminadas junto con un material termoplástico o elastomérico para formar una cinta composite como una unidad;

La Fig. 4 es una ilustración esquemática de un método de la invención mostrando el método y el aparato para fabricar las cintas de fibra impregnadas de resina de esta invención; y

La Fig. 5 es una vista isométrica de una tubería fabricada de conformidad con esta invención, mostrando la disposición de las cintas arrolladas en espiral sobre el núcleo de conducción del fluido o tubo.

Haciendo referencia ahora a la Fig. 1, se muestra una tira de cinta de fibra remontada la cual está formada por una pluralidad de fibras 11 las cuales se extienden paralelas entre ellas en la dirección de la urdimbre que es la dirección principal de la cinta. Dichas fibras se fabrican de fibra de vidrio, Kevlar, carbón o materiales similares. Las Fibras 12 van dispuestas perpendiculares a las fibras 11 y se extienden por debajo de ellas y normalmente van unidas con una puntada durante el proceso de fabricación y montaje. Tales fibras 12 van en la dirección de la trama a través de la tira de cinta. Preferentemente, la resistencia mayoritaria de la tira de cinta va dispuesta en la dirección de las fibras 11, y en algunos casos cada tira de cinta puede estar formada únicamente por fibras de urdimbre 11. Además, entre o fuera de las tiras de fibra de cada lámina 15 pueden emplearse tiras de metal delgado de acero, de aluminio u otro metal, siendo algunas perforadas.

La matriz de fibra formada por las fibras 11 y 12 puede formarse separadamente e impregnarse después con una resina tal como una resina epoxy, o la matriz de fibra puede fabricarse en la misma máquina que impregna tales fibras con la resina.

La Fig. 2 es una ilustración de la tira de cinta T de esta invención, una forma de la cual se fabrica impregnando las fibras 11 y 12 con una resina epoxy o similar para formar una única lámina 15. Las láminas necesitan ser tan delgadas como sea posible para reducir la tensión de las mismas al ser plegadas sobre la superficie de una tubería. Normalmente, el espesor de cada capa laminar va desde alrededor de 0,25 mm (0.010'') hasta alrededor de 0,75 mm (0.030''). Esto es de algún modo un equilibrio entre (a) una cinta muy delgada la cual resulta ser muy eficiente pero requiere un proceso de fabricación largo, y (b) una cinta más gruesa la cual es menos eficiente (más tensión) pero requiere un tiempo de fabricación más corto.

Cada lámina 15 que se forma mediante esta invención es una cinta separada T. Tal como se muestra en la Fig. 3 una pluralidad de dichas cintas T van superpuestas las unas sobre las otras y, tal como se explicará van adheridas mediante un adhesivo el cual puede ser inicialmente una epoxy o resina incurada entre las cintas T la cual es curada más tarde mientras o una vez que las cintas A son envueltas sobre el núcleo C. Una vez que el adhesivo entre las cintas se cura, el producto laminar completo A asume el radio con el que fue curvado. Esto ocurre debido a que las cintas 15 se deslizan las unas sobre las otras, y luego cuando el adhesivo se cura dichas cintas no pueden deslizarse.

En La Fig. 3, se muestra esquemáticamente en sección transversal la cinta A terminada con las fibras de urdimbre 11 expuestas en los extremos, y la epoxy impregnando y adhiriendo las múltiples cintas a la cinta final T. En la Fig.3 no se muestran las fibras de la trama debido a que las mismas se extienden a través de la Fig.3 justamente detrás de la línea de corte de la fig.3.

Una envoltura protectora exterior 20 de nylon, polietileno, o termoplástico flexible similar o material elastomérico rodea las cintas superpuestas T y encierra al adhesivo entre dichas tapas T de manera que nada del adhesivo incurado escape de la envoltura 20 durante el curado.

Una disposición típica para formar la cinta final A mostrada en la Fig. 3 se ilustra mediante el equipo mostrado esquemáticamente en la Fig. 4.

A modo de ejemplo, las láminas 15 o cintas T van dispuestas en una relación de superpuestas y son alimentadas a través de rodillos alimentadores 25. Antes de alcanzar los rodillos alimentadores 25, las cintas T van separadas de manera que el adhesivo en forma de una resina o similar sea aplicado entre las cintas T con cualquier tipo apropiado de aplicador 27 o pulverizador el cual suministra adhesivo o resina desde un inyector 28 y un cabezal 29 convenientemente acoplado al aplicador 27.

Los rodillos y 35 sirven para mantener las cintas T en alineación superpuestas las unas con las otras.

Finalmente, una bobina rotativa 37 que lleva sobre la misma una tira de envolver 39 de polietileno, nylon o termoplástico flexible similar o material elastomérico va posicionada para alimentar un arrollamiento helicoidal de la tira 39 para formar una envoltura protectora 20 haciendo girar el cabezal de la bobina 37. De este modo se forma dicha envoltura protectora 20 mediante la cinta 39 al ser envuelta alrededor de las cintas T para formar el producto final multi-cinta A mostrado en sección transversal en la Fig. 3. En vez de los arrollamientos helicoidales 39, puede formarse un arrollamiento de "cigarrillo" mediante una tira longitudinal que se extienda a lo largo de la cinta T y cuya tira va plegada para extenderse parcial o totalmente alrededor o esencialmente alrededor de la cinta T. El arrollamiento helicoidal 39 preferentemente puede ser envuelto después exteriormente al arrollamiento de cigarrillo para completar el producto A.

Haciendo Referencia ahora a La Fig. 5, se ilustra una construcción sencilla de tubería para mostrar el uso de la cinta A para reforzar un núcleo interior o tubo C el cual está formado de un material flexible de conducción del fluido tal como polietileno flexible o metálico que sea suficientemente grueso para que presente cierta rigidez pero suficientemente delgado para que siga siendo flexible sin sufrir deformación o aplastamiento significativo. Entre los tres arrollamientos helicoidales de las cintas A va dispuesta preferentemente una capa B anti-abrasiva relativamente delgada de polietileno o similar para proporcionar anti-abrasión entre dos capas de los arrollamientos helicoidales. A. Si bien los arrollamientos de las cintas A se muestran como arrollamientos helicoidales opuestos, la invención no se limita a estos. Por ejemplo, la construcción puede tener dos o más arrollamientos con una orientación hacia la izquierda, y dos o más con una orientación hacia la derecha, y luego dos o más con una orientación hacia la izquierda.

Se observa que las cintas A se hallan en una relación de no adherencia con el núcleo o tubo C y entre ellas de manera que en cuando el núcleo o tubo C flexa durante el uso, las cintas A pueden deslizarse en una extensión limitada con respecto al núcleo o tubo C y entre ellas para permitir la flexión de todo el conjunto. Adicionalmente, se observa que hay pequeñas separaciones o espacios helicoidales 40 entre cada una de las cintas A para proporcionar un movimiento relativo limitado de las cintas A con respecto al núcleo o tubo C y entre ellas para la flexibilidad cuando el núcleo o tubo C es flexado.

La exposición y descripción precedentes de la invención son ilustrativas y aclaratorias de la misma, pueden llevarse a cabo diversos cambios en los detalles del aparato y la construcción y el método de funcionamiento sin salirse del ámbito de la invención, tal como se ha definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

1. Un método de fabricación de un conjunto tubular de material composite, que comprende:

La superposición de un primer conjunto de una pluralidad de tiras flexibles delgadas (15) de material esencialmente coextensivas las unas con las otras;

la aplicación de un adhesivo entre las tiras (15) para adherir las tiras entre si;

el posicionamiento de dicho primer conjunto de tiras adheridas (15) sobre un primer núcleo tubular (c) de conducción de fluidos, de material flexible en una relación de no-adherencia con dicho núcleo (c) para proporcionar un movimiento de deslizamiento relativo entre ellos con la flexión de dicho núcleo tubular (c).

2. El método de la reivindicación 1, que incluye envolver una primera lámina flexible (39) esencialmente alrededor de dicho primer conjunto de tiras (15) para mantener dicho conjunto de tiras (15) en la relación de superposición; y

envolver dicha primera lámina (39) y dicho primer conjunto de tiras (15) cubierto con la misma helicoidalmente alrededor del núcleo tubular (c) en dicha relación de no adherencia.

3. El método de la reivindicación 1 o reivindicación 2, que incluye la formación de un conjunto tubular de material composite, que comprende:

Superponer dicho primer conjunto y dicho segundo conjunto con ángulos helicoidales opuestos sobre dicho núcleo tubular (c) sin adherencia ya sea de dichos grupos entre ellos o con dicho núcleo tubular (c) de manera que proporcione un movimiento de deslizamiento relativo limitado de dichas tiras con respecto a las mismas o a dicho núcleo (c).

4. El método de la reivindicación 3, en el que:

cada envoltura está formada como una capa con una separación entre bordes adyacentes de cada tira que sea suficiente para permitir la flexibilidad del arrollamiento y permitir la flexión del núcleo tubu-
lar.

5. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que:

las tiras (15) de material flexible van colocadas sobre el núcleo tubular (c) mientras que el adhesivo no está aún totalmente curado y por lo tanto lo bastante flexible para asegurar la conformación esencial a la curvatura del núcleo tubular (c); y

el calentamiento del adhesivo para curarlo en el cuerpo de conformación.

6. El método de cualquier reivindicación precedente, en el que:

el adhesivo es una epoxy o resina de curado rápido.

7. El método de cualquier reivindicación precedente, cada uno de dichas tiras no es metálica.

8. El método de cualquier reivindicación precedente, cada una de dichas tiras es un tejido de material fibroso no-metálico ligado con una resina para formar una cinta.

9. El método de la reivindicación 5, en el que:

el material fibroso está compuesto de fibras básicamente unixiales que se extienden longitudinalmente en una resina.

10. Un conjunto tubular composite, que comprende:

un núcleo tubular (c) de material flexible de conducción de fluidos que tiene una superficie exterior curvada; que incluye un primer conjunto de tiras adheridas que están en contacto sin adherencia con dicho núcleo (c) para proporcionar un movimiento limitado de deslizamiento relativo con la flexión de dicho núcleo;

caracterizado en que, dicho primer conjunto está hecho de una pluralidad de tiras coextensivas (15) esencialmente superpuestas de material adheridas mediante un adhesivo, en donde dicho primer conjunto es delgado y lo bastante flexible para plegarse hasta conformarse esencialmente a la superficie exterior curvada de dicho núcleo (c).

11. Un conjunto tubular composite según la reivindicación 10, que incluye una primera lámina flexible (39) esencialmente alrededor de dicho primer conjunto de tiras para confinar juntas a dichas tiras en la relación de superpuestas.

12. Un conjunto tubular composite según la reivindicación 10 o la reivindicación 11, que comprende un segundo conjunto de una pluralidad de tiras coextensivas (15) esencialmente superpuestas de material adheridas mediante un adhesivo cuyo citado segundo conjunto es delgado y lo bastante flexible para plegarse hasta conformarse esencialmente a la superficie exterior curvada de dicho núcleo (c); y

en donde dicho primer conjunto está al menos parcialmente en contacto sin adherencia con dicho segundo conjunto para proporcionar un movimiento limitado de deslizamiento relativo entre ellos con la flexión de dicho núcleo tubular (c).

13. Un conjunto tubular composite según la reivindicación 12, en el que, una segunda lámina flexible (39) arrollada separada de dicha primera lámina (39) va envuelta esencialmente alrededor de dicho segundo conjunto de tiras (15) para confinar juntas a dichas tiras (15) en dicho segundo conjunto en una relación de superpuestas, cuya citada segunda lámina (39) está al menos parcialmente en contacto sin adherencia con dicha primera lámina (39) para proporcionar un movimiento limitado de deslizamiento relativo entre ellas con la flexión de dicho núcleo tubular (c).

14. Un conjunto tubular composite según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que, dichas tiras (15) no son metálicas.

15. Un conjunto tubular composite según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que, cada una de dichas tiras es un tejido de material fibroso no metálico, adheridas con una resina para formar una cinta.

16. Un conjunto tubular composite según la reivindicación 15, en el que, el material fibroso está compuesto de fibras principalmente unixiales que se extienden longitudinalmente en una resina.

17. Un conjunto tubular composite según cualquiera de la reivindicaciones 10 a 16, que comprende una pluralidad de dichos conjuntos de tiras adheridas (15) envueltos alrededor de dicho núcleo tubular con una separación entre bordes adyacentes de tiras adyacentes la cual es suficiente para permitir la flexión del arrollamiento y del núcleo tubular (c).