ES2282522T3 - Turbinas superpuestas para aguas ultra-profundas. - Google Patents

Abstract

Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas compuesta por un sistema compuesto con tres o más capas superpuestas, caracterizada por una capa interna y una capa externa hecha de aleaciones metálicas, tales como acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, titanio, etc., y una capa intermedia hecha de cemento, polipropileno, materiales cerámicos, polímeros o materiales compuestos con baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica y buena adherencia con las tuberías interna y externa.

Description

Tuberías superpuestas para aguas ultra-profundas.

Aplicación técnica

La concepción innovadora es básicamente una tubería rígida superpuesta diseñada especialmente para el transporte de hidrocarburos calientes o fluidos generales en aguas ultra-profundas, véase el documento WO-A-96/02 785 de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Revisión técnica

Las concepciones de una tubería dentro de otra tubería para el transporte de hidrocarburos se han empleado en la industria petrolera en alta mar. En general, dichas estructuras se seleccionan con el objetivo de aumentar la capacidad de aislamiento respecto a tuberías o haces de tuberías de pared única. El material de la corona circular se dimensiona para reducir la transferencia térmica entre el fluido exportado y el entorno mientras que las tuberías externa e interna se diseñan para soportar la combinación de presión interna y externa, tensión y cargas de torsión. Este proyecto de investigación estudió diferentes concepciones de tuberías superpuestas, que satisfacían conjuntamente tanto los requisitos de resistencia mecánica como de aislamiento térmico.

Justificación de la invención

La concepción de la tubería superpuesta (SP) estudiada está compuesta por dos tuberías de acero concéntricas en las que la corona circular está rellena con un material aislante alternativo. Su geometría se muestra esquemáticamente en la Figura 1 (b), en la que D_{i} es el diámetro interno de la tubería interna, t_{i} es el espesor de la tubería interna, t_{a} es el espesor de la corona circular y t_{e} es el espesor de la tubería externa.

Las estructuras superpuestas compuestas por un material intermedio con baja densidad, baja conductividad térmica y mala resistencia mecánica respecto a las capas externa e interna, son concepciones alternativas factibles a las estructuras convencionales. Puede obtenerse combinando una capa intermedia gruesa y capas adyacentes más finas con una buena adherencia entre ellas. Las capas interna y externa están diseñadas para proporcionar rigidez axial y de flexión, mientras que la capa intermedia debe proporcionar el aislamiento térmico adecuado, evitando el deslizamiento entre capas adyacentes y manteniendo la capa interna lejos de la externa durante la carga.

Por lo tanto, se seleccionaron tres materiales diferentes para evaluar, a través de diferentes geometrías, la viabilidad de las tuberías superpuestas: acero de alta resistencia para las capas interna y externa, y cemento o polipropileno para la corona circular. Debido a sus propiedades mecánicas, la aplicación extensiva en la industria y las instalaciones en alta mar proporcionó la producción a gran escala en la industria brasileña, el acero de alta resistencia se consideró naturalmente para los análisis. El cemento se seleccionó porque puede fabricarse fácilmente a bajo coste, presenta una conductividad térmica relativamente baja y una alta resistencia a compresión. Sin embargo, es un material frágil, propicio para la nucleación de defectos y propagación de grietas durante el proceso de fabricación o principalmente cuando se somete a cargas de tensión. Por otro lado, la adición de los componentes químicos apropiados puede aumentar su dureza. El polipropileno es un material hiperelástico (alargamiento de aproximadamente el 300%) con una baja conductividad térmica, pero una mala resistencia a compresión respecto al cemento. Adicionalmente, es una materia prima cara y requiere un proceso de fabricación de SP sofisticado.

Sin duda alguna, hay muchas combinaciones de materiales y geometrías que pueden satisfacer los requisitos térmicos y estructurales. El peso sumergido global, la disponibilidad de la materia prima, el coste de fabricación, el montaje e instalación de la SP son algunos de los factores de decisión principales para la elección optimizada de material y dimensiones. Aunque estos factores han afectado a la selección de los casos estudiados, los resultados presentados en el alcance de este proyecto han querido demostrar, en teoría, la viabilidad técnica de la concepción para aguas profundas y ultra-profundas, sin preocuparse de la optimización de una configuración específica (que conduciría a una interpretación muy peculiar de los resultados obtenidos).

Inicialmente, el estudio comprendía la evaluación numérica de la envoltura de colapso bajo una presión externa y carga de torsión combinadas (momento de torsión y curvatura) para diferentes configuraciones SP. Las simulaciones numéricas se realizaron con la ayuda de un modelo de elemento finito no lineal que incorpora plasticidad finita y grandes rotaciones. Los modelos a pequeña escala de SP rellenos con cemento y polipropileno se fabricaron y ensayaron a presión hidrostática para determinar la presión de colapso y la presión de propagación. Los resultados obtenidos (véase la Tabla 1), en la que \sigma_{oi}, \sigma_{oe} significan las tensiones de deformación de las tuberías interna y externa y P_{co} la presión de colapso, donde es útil calibrar el modelo numérico desarrollado que puede usarse en el futuro como una herramienta de diseño de tuberías superpuestas para aguas ultra-profundas. Finalmente, un estudio comparativo simplificado del rendimiento estructural bajo carga combinada se realizó implicando seis configuraciones diferentes de SP y tuberías de pared única correspondientes (véase la Figura 2), donde la tabla (a) representa las presiones de colapso, el gráfico (b) las envolturas de colapso y la tabla (c) los pesos estructurales.

Aparte del aumente de la rigidez de flexión, obtenida mediante la división de una tubería de pared única en dos carcasas cilíndricas rellenas con un material alternativo, las configuraciones de tubería superpuesta son soluciones potenciales para instalaciones submarinas donde el aislamiento térmico es un parámetro de diseño crítico. La utilización de materiales de núcleo adecuado, que dan como resultado coeficientes de transferencia de calor equivalentes capaces de reducir la pérdida térmica entre la mezcla petróleo-gas-agua y el entorno, puede hacer a esta concepción técnicamente muy atractiva.

Independientemente, la evaluación de la capacidad térmica de aislamiento requerida de una tubería depende en gran medida de la instalación submarina estudiada (las distancias de flujo, el flujo del pozo, la presión, la temperatura, etc.). Además, cuando los requisitos de aislamiento térmico están establecidos, las propiedades físicas del fluido exportado (densidad, viscosidad, capacidad térmica, conductividad térmica, etc.) deben determinarse correctamente. Los costes asociados para fabricación, instalación, seguridad y operación son también parámetros importantes a considerar durante el proceso de diseño.

En el proyecto de investigación, el problema se analizó de una manera simplificada con dos enfoques diferentes. Inicialmente, se desarrolló un estudio paramétrico para analizar el efecto de diferentes espesores y la conductividad térmica del material de núcleo en el coeficiente de transferencia de calor global obtenido analíticamente. Suponiendo que el coeficiente de transferencia de calor global requerido para evitar la refrigeración del fluido sea conocido, los resultados obtenidos hacen posible identificar las configuraciones PIP que puede ayudar en los requisitos de diseño de aislamiento térmico. A continuación, se realizó un análisis teórico que implicaba la convección térmica de la mezcla petróleo-gas-agua y la conductividad térmica en la estructura sólida de la tubería superpuesta. A partir de la solución numérica de las ecuaciones de estado, fue posible obtener el perfil de temperatura longitudinal y cuantificar los parámetros de diseño principales para mantener las temperaturas apropiadas de la mezcla a lo largo de la tubería.

Como se ha hecho hincapié anteriormente, el estudio realizado no estaba comprometido con una instalación específica de tubería superpuesta, ya que diversas combinaciones de material y parámetros geométricos pueden servir para los mismos requisitos estructurales y térmicos. Independientemente, los resultados obtenidos mostraron claramente un gran potencial para el empleo de sistemas de tuberías superpuestas para aguas profundas y ultra-profundas, ya que se verificó su capacidad para servir eficazmente y conjuntamente a ambos requisitos de diseño térmicos y estructurales, sin problemas importantes relacionados con el proceso operativo o de fabricación, cuando se compara con tuberías convencionales.

Sumario de la invención

Finalmente, esta invención se refiere a una tubería superpuesta (SP), que consiste en un sistema rígido tubular multi-capa, con la capacidad de aislamiento térmico y resistencia estructural requeridas para usarlo para el transporte de hidrocarburos calientes en aguas ultra-profundas.

Descripción detallada de la invención

Esta invención describe un sistema rígido de forma cilíndrica, con funciones térmicas y resistencia mecánica adecuada para instalarlo en aguas ultra-profundas (más allá de 1500 metros) y emplearlo en el transporte de hidrocarburos calientes u otros fluidos. La invención comprende un sistema compuesto por tres capas superpuestas, como se describe en la Figura 1 (a), una vista en perspectiva del sistema, donde A representa la capa externa, B la capa intermedia y C la capa interna. Las capas externa e interna son tuberías hechas de aleaciones metálicas, tales como acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, titanio, etc. con o sin costura (soldadura longitudinal). Para la capa intermedia se consideraron cemento o polipropileno, aunque pueden usarse también materiales cerámicos, polímeros o materiales compuestos con baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica y buena adherencia con las tuberías interna y externa.

Los dibujos, tablas y los datos mencionados anteriormente, no pueden considerarse como limitaciones al alcance de esta invención, porque puede representarse con más capas y/o diferentes dimensiones, dependiendo de las condiciones de utilización.

Claims (6)

1. Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas compuesta por un sistema compuesto con tres o más capas superpuestas, caracterizada por una capa interna y una capa externa hecha de aleaciones metálicas, tales como acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, titanio, etc., y una capa intermedia hecha de cemento, polipropileno, materiales cerámicos, polímeros o materiales compuestos con baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica y buena adherencia con las tuberías interna y externa.

2. Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por la utilización de acero al carbono, preferiblemente, en la fabricación de las capas externa e interna.

3. Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por la utilización de cemento, preferiblemente, en la fabricación de la capa intermedia.

4. Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por la utilización de polipropileno, preferiblemente, en la fabricación de la capa intermedia.

5. Tuberías Superpuestas para Aguas Ultra-Profundas, caracterizadas por la utilización para el transporte de hidrocarburos calientes o fluidos en aguas ultra-profundas.

6. Tubería Superpuesta para Aguas Ultra-Profundas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por servir conjuntamente a ambos requisitos de diseño básico de resistencia mecánica y aislamiento térmico.