MXPA99008891A - Estructuras compuestas que tienen resistencia de contención mejorada - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una estructura de plástico reforzada de fibra compuesta que tiene una porción de pared que define una porción de contención para el almacenamiento o paso de fluidos o gases bajo alta presión, la porción de pared comprende por lo menos una capa que comprende una pluralidad de fibras de vidrio de refuerzo continuas que tienen un diámetro promedio de menos de 10 micrones impregnadas en un aglutinante resinoso.

Description

"ESTRUCTURAS COMPUESTAS QUE TIENEN RESISTENCIA DE CONTENCIÓN MEJORADA" ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con tubos, tuberías y envases que tienen una estructura de pared compuesta de compuestos de polímero reforzados con fibra.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA Los compuestos de plástico reforzados con fibra (FRP) están encontrando, uso aumentado como tubería en plantas químicas así como tubería de revestimiento usada en la perforación de pozos de petróleo y gas y la tubería de revestimiento y la tubería para el transporte de poetróleo crudo y gas natural hacia arriba desde la fuente del pozo.

Estos materiales son también útiles en la construcción de envases tales como recipientes de presión y tanque de almacenamiento subterráneos y por encima del terreno. La ventaja de los compuestos de FRP en relación con las estructuras de acero al carbono en aplicaciones de petróleo/gas incluye resistencia a la corrosión superior, flexibilidad para lograr los blancos de diseño de propiedad mecánica y resistencia a la fatiga mejorada. Los compuestos de FRP son también de peso considerablemente más ligero para un espesor de pared determinado que sus duplicados de acero. Las estructuras de FRP diseñadas para usarse en tubería de alta presión o tubería de revestimiento, tales como líneas de tubería de petróleo crudo y tubería de pozo de petróleo, por lo general se preparan impregnando una mecha de filamentos de un material de alta resistencia, tal como filamentos de vidrio continuos, con una composición de resina termoendurecible, tal como una resina epoxídica y el enrollamiento de los filamentos impregnados hacia atrás y hacia adelante en un mandril bajo tensión para formar una pluralidad de enrollamientos de filamento engranados. Los filamentos pueden enrollarse a un ángulo de 90° con respecto al eje de la tubería o ángulos de 0° hasta menos de +/- 90°, v.g. + 88°) con respecto al eje de la tubería, en cuyo último caso se forma un patrón de enrollamiento de filamento helicoidal. Después de que se logra un espesor de pared de tubería deseado, la operación de enrollamiento se descontinua, la resina se cura y el mandril se extrae dando por resultado una tubería cilindrica que tiene una estructura de pared reforzada con fibra. Los tubos de FRP de este tipo y su método de producción se dan a conocer, v.g. en las Patentes Norteamericanas Números 2,843,153 y 5,330,807, las exposiciones completas de cuyas patentes se incorporan en la presente por referencia. Las estructuras de diámetro más grande tales como envases, se pueden fabricar de la misma manera usando mandriles de diámetro más grande . La tubería de FRP diseñada para usarse en recuperación de combustible fósil en la costa o fuera de la costa, debe construirse para resistir dos fuerzas básicas a las cuales se someterá. La primera fuerza es una carga radial externa que se ejerce a lo largo de un vector perpendicular a las paredes de la tubería mediante fluidos (lodos de petróleo o de perforación) que se transportan bajo presión moderada a elevada a través de la tubería, que se conoce también como la carga de aro. La segunda fuerza es una carga de tensión axial ejercida a lo largo de los vectores paralelos al eje del tubo y ocasionada mediante el peso de una cadena larga de secciones de tubo acopladas suspendidas en la tierra, en la perforación del pozo y/o entre la perforación del pozo y la plataforma superficial en operaciones de recuperación fuera de la costa. Estas cadenas frecuentemente se suspenden a de aproximadamente 850 a 2800 metros y por lo tanto, deben ser capaces de llevar un esfuerzo axial a largo plazo en exceso de aproximadamente 175.75 kilogramos por centímetro cuadrado, que se ocasiona durante la operación y cuando la cadena de tubo se inserta y se quita del proceso de recuperación del combustible fósil. Otras estructuras tales como los tanques de almacenamiento y recipientes de presión se diseñan principalmente para llevar al máximo la capacidad de contención en una dirección perpendicular al eje longitudinal del tanque o recipiente, es decir, la carga de aro. El tubo de FRP que tiene resistencia de aro máxima puede diseñarse si la fibra de refuerzos se enrolla a un ángulo cerca de 90° con respecto al eje del tubo v.g. +/- 70° hasta 90°. Por el contrario, se desarrolla una resistencia a la tensión máxima en donde la fibra de refuerzo se aplica a un ángulo cerca de 0° al eje del tubo v.g. +/- 30° hacia abajo hasta 0°. Sin embargo, el tubo enrollado en o cerca de 90° exhibe disminución seria de la resistencia a la tensión axial, mientras que el tubo enrollado en o cerca de 0° exhibe disminución seria de resistencia del aro. El tubo enrollado a ángulos intermedios del eje del tubo entre +/- 30° a +/- 70° (como se da a conocer en la Patente Norteamericana Numero 2,843,153), por lo general comprende resistencia de aro y particularmente resistencia axial. Una técnica para tratar de llevar al máximo tanto la resistencia de aro como axial, la fabricación de tubo es colocar el compuesto de fibra de refuerzo como capas de laminado separadas una sobre la otra, teniendo cada capa las fibras colocadas a ángulos axiales de tubo diferentes que se diseñan para llevar al máximo las propiedades que llevan esfuerzo de aro o axial del tubo así como para reducir al mínimo el coeficiente de expansión del tubo compuesto. Un ejemplo de esta construcción que contiene +/-20° a +/- 60° de capas de fibra que alternan con capas de 90° se da a conocer en " la Patente Norteamericana Número 5,330,807. Otros laminados en capas semejantes se dan a conocer en las Patentes Norteamericanas Números 4,728,224 y 5,385,644. Los compuestos de FRP disponibles comercialmente en la actualidad exhiben también una deficiencia seria que hace su uso no efectivo ni costo en aplicaciones que generan un esfuerzo de contención aún moderado. Por ejemplo, el microagrietamiento y deslaminación de la estructura de la pared del tubo en o cerca de las juntas del tubo, y/o a lo largo de la longitud del tubo proporcionan una trayectoria de escape para fluidos, a la cual se hace referencia comúnmente como "corrimiento" que puede ocurrir a presiones de fluido que pueden ser de 5 a 10 veces menores que la presión de reventamiento a corto plazo del tubo. La intrusión de agua en la estructura de pared del tubo a través de estas icrogrietas puede atacar las superficies de la fibra de vidrio y/o la resina aglutinante, conduciendo la deslaminación de capas de las estructuras laminadas compuestas y falla de tubo prematura. Otros dispositivos tales como los tanques de almacenamiento subterráneos de FRP también exhiben microagrieta iento prematuro, y por lo tanto, su resistencia a la corrosión no ofrece ningunas ventajas adicionales en relación con las estructuras de metal semejantes. Aún cuando el microagrietamiento puede mitigarse aumentando el espesor de pared estructural, esta solución impulsa el costo del tubo compuesto en comparación con aquél de las estructuras de acero al carbono. El costo más elevado constituye una barrera para la substitución de los tubos compuestos de FRP por acero al carbono, en aplicaciones de presión moderada a alta (inyección) . Asimismo, en aplicaciones en el fondo del pozo, el espesor de pared aumentada impide el uso de compuestos en donde el diámetro de la perforación del pozo se restringe debido a que el área en sección transversal disponible para que fluyan los fluidos es más pequeña que para el acero al carbono. El uso de compuestos en estas aplicaciones requeriría perforar agujeros con diámetro más grande, y esto da lugar a costos de perforación adicionales. Por consiguiente, un objeto principal de esta invención es proporcionar estructuras de FRP compuestas que tienen resistencia de contención mejorada y que son más resistentes al microagrietamiento y deslaminación por una parte, y también tienen espesor de pared disminuida por otra parte, de tal manera que la estructura v.g. el tubo, es más compatible con las dimensiones de una perforación de pozo/tubería de revestimiento de acero al carbono.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La invención proporciona una estructura de plástico reforzada con fibra compuesta que tiene una porción de pared que define una porción de contención para el almacenamiento o paso de fluidos o gases bajo alta presión, comprendiendo la porción de pared, por lo menos una capa que consiste de una pluralidad de fibras de fibra de vidrio reforzadas continuas que tienen un diámetro promedio de menos de aproximadamente 10 micrones que se impregnan en un aglutinante resinoso. En otra modalidad de la invención, la estructura de plástico reforzada con fibra es un tubo que comprende un cuerpo tubular hueco alargado, en donde las fibras continuas se colocan a un ángulo de 0° hasta 90° con respecto al eje del tubo longitudinal. En una modalidad especialmente preferida, la estructura de pared del tubo comprende por lo menos de dos capas reforzadas con fibra en contacto laminar fijo, una primera de las capas comprende fibras de fibra de vidrio continuas que tienen un diámetro promedio de menos de aproximadamente 10 micrones, impregnadas en un aglutinante resinoso y colocadas a un ángulo de 0° hasta 90° con respecto al eje del tubo longitudinal, y la segunda capa contiene fibras de fibra de vidrio continuas impregnadas en un aglutinante resinoso y colocadas a un ángulo con respecto al eje del tubo longitudinal que difiere del ángulo de colocación de las fibras en la primera capa. Las estructuras compuestas preparadas de conformidad con esta invención exhiben una rigidez aumentada y resistencia de contención en una dirección perpendicular al eje de la fibra de refuerzo debido al área superficial aumentada de las microfibras obtenible para ligarse a la matriz de resina, así como una resistencia mejorada al microagrietamiento después de un periodo prolongado de uso en el campo. Las estructuras compuestas, por lo general, también exhiben una resistencia al esfuerzo cortante longitudinal aumentado también debido al área superficial aumentada de las microfibras obtenibles para ligarse a la matriz de resina.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en elevación en sección parcial de una modalidad de un elemento de tubo laminado compuesto de esta invención. La Figura 2 es un dibujo esquemático en sección transversal de otra modalidad de un elemento de tubo laminado compuesto de esta invención. La Figura 3 es una gráfica que traza la resistencia transversal del compuesto como una función del diámetro de la fibra de vidrio, tal y como se predice mediante un modelo de computadora de mecánica microestructural en comparación con un valor medido, para una fracción de volumen de fibra de 60 por ciento. La Figura 4 es una gráfica que muestra un envolvente de falla al corto plazo medido para un tubo compuesto que tiene +/- 55° de fibra colocada y las predicciones de una metodología de computadora teórica. La Figura 5 es una gráfica que muestra una resistencia de diseño de aro a largo plazo para un tubo compuesto que tiene +/- 55° de fibra, colocada sujeta a presión cíclica a 200 ciclos por minuto. La Figura 6 es una gráfica que muestra el envolvente de falla a largo plazo de un tubo compuesto convencional que tiene +/- 55° de fibras colocadas, que tienen un diámetro de 14 micrones versus el tubo de la invención que contiene fibras de diámetro de 7 micrones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con la utilización de micro-fibras (diámetro menor de 10 micrómetros) en laminados compuestos de polímero de tal manera, que la resistencia y longevidad de los dispositivos que contienen la presión fabricados de .estos laminados se aumenta en una aplicación de producción de petróleo y gas/transmisión. Los dispositivos que contienen presión incluyen: tubos, tubulares en el fondo del pozo, tubería de revestimiento, líneas de tubería, recipientes de presión, tanques de almacenamiento subterráneos, envolturas compuestas y estructuras semejantes. El ejemplo del tubo compuesto reforzado con fibra de vidrio se muestra a continuación, en donde la presión de contención puede duplicarse (para diámetro de fibra de menos de 4 micrómetros) de los niveles comercialmente obtenibles en la actualidad. Esto se basa en el hecho de que el funcionamiento de los dispositivos que contienen presión se limita mediante propiedades mecánicas deficientes de los laminados individuales, en la dirección perpendicular al eje de la fibra. La modificación involucra substituir las microfibras de vidrio (de diámetro menor de 10 micrómetros) por fibras de vidrio que actualmente están en uso (diámetro de entre 14 y 24 micrómetros) . Esta substitución se muestra mediante metodología de computadora de mecánica microestructural para aumentar la rigidez y resistencia en la dirección perpendicular al eje de la fibra, debido al área superficial aumentada de las microfibras obtenibles para ligarse con la matriz. El uso de micro-fibras por lo tanto, da por resultado un aumento considerable (hasta un factor de dos para el diámetro de fibra de menos de 4 micrómetros) en capcidad de contención del dispositivo, particularmente para aplicaciones de tubería en el fondo del pozo y de tubería de revestimiento. Debido al área superficial más grande que se proporciona mediante las microfibras en comparación con las fibras comerciales obtenibles para tubos compuestos/tubería para aplicaciones de petróleo/gas, se obtiene también una mejora semejante (hasta un factor de dos) en las propiedades de esfuerzo cortante compuestas, que es de esperarse que conduzca a un aumento considerable (hasta un factor de dos) en la capacidad de contención del dispositivo, particularmente para aplicaciones de tubería superficial y enterrada. Dos modalidades de la presente invención, en donde el dispositivo que contiene la presión es un tubo que se muestra en las Figuras 1 y 2. La Figura 1 ilustra una construcción de tubo simple de una estructura de tubo laminado de dos capas que tiene una capa interna (a) que comprende fibras incrustadas colocadas a un ángulo de 90° con respecto al eje del tubo longitudinal en contacto fijo con una capa externa (b) que comprende fibras incrustadas colocadas a un ángulo diferente v.g. de aproximadamente +/-40° con respecto al eje del tubo longitudinal. La Figura 2 ilustra un tubo de FRP laminado diseñado específicamente para sostener las fuerzas de esfuerzo de carga axial y de aro separadamente, y es la materia objeto de la Solicitud de Patente Copendiente [96CL058], presentada en la Oficina de Patentes y Marcas de los Estados Unidos en la misma fecha que la presente. En una modalidad preferida de la invención, en donde la estructura de pared del tubo comprende una sola capa reforzada con fibra, la fibra puede colocarse a un ángulo de 0° hasta 90°, de manera especialmente preferida de aproximadamente +/- 15° hasta +/- 75°, con respecto al eje del tubo longitudinal. Cuando la pared del tubo comprende dos o más capas laminadas reforzadas con fibra, como se muestra en las Figuras 1 y 2, la fibra en una capa, de preferencia se coloca a un ángulo mayor de +/- 60° hasta 90°, y las fibras en la capa adyacente, de preferencia se colocan a un ángulo mayor de aproximadamente +/- 30° hasta +/- 60°, cada uno con respecto al eje del tubo longitudinal .

- La Figura 2 muestra de manera específica una vista en elevación en sección parcial de una sección de extremo roscada macho construida de conformidad con otra modalidad de esta invención. Como se muestra, el tubo consiste de un cuerpo 1 tubular hueco alargado construido de tres capas de polímero reforzadas con fibra laminada, que se muestran en 2, 3 y 4, respectivamente y una cuarta capa protectora o de envoltura opcional, que se muestra en 5. La sección de extremo del tubo mostrado en 6 comprende una sección de junta ahusada roscada macho cortada o moldeada en la capa 4 reforzada externa. Las fibras de refuerzo mostradas forman patrones helicoidales en 2 y 3 y un patrón horizontal en 4. Los patrones de fibra en la Figura 1 y en la Figura 2 se trazan para ilustrar los patrones de enrollamiento de fibra y no se estiran a escala para mostrar la densidad de enrollamiento de la fibra. La capa 4 de la Figura 2 es una capa de apoyo de carga axial del tubo y se diseña para llevar esencialmente toda la carga axial ejercida en el tubo cuando se acoplan un número de segmentos de tubo para formar cadenas y la cadena se coloca vertica'lmente debajo del agua y/o hacia las perforaciones del pozo. La carga axial es transmitida a lo largo de la capa 4 a través de los conectores o acopladores roscados hembra (no mostrados) que están adaptados para coincidir con dos extremos del tubo que van a unirse durante la construcción de la cadena del tubo. El ahusado y corte de la sección 6 de junta roscada macho se extiende hacia la capa 4 de apoyo de carga axial, de preferencia hasta un grado antes de alcanzar la capa 3 subyacente. Las fibras presentes en la capa aglutinante 4 en la Figura 2 se colocan a un ángulo con respecto al eje de tubo longitudinal diseñado para llevar al máximo las propiedades de portadoras de carga de tensión axial de esta capa v.g. a un ángulo que varía de 0° hasta +/- 30°, de mayor preferencia hasta aproximadamente +/- 15° y de manera especialmente preferida a aproximadamente 0°. Las fibras en 4 en la Figura 2 se muestran colocadas a un ángulo de 0° con respecto al eje de tubo, pero se comprenderá que este ángulo puede variar hasta e incluyendo +/- 30°. La capa 3 mostrada en la Figura 2 es una capa portadora de carga de aro del tubo y comprende una segunda capa en contacto fijo con la capa 4 y se coloca radialmente hacia adentro de la capa 4. Las fibras de refuerzo presentes en la capa 3 se colocan a un ángulo mayor de +/-30° con respecto al eje del tubo longitudinal, de mayor preferencia mayor de +/- 40° y hasta 90° con respecto al eje del tubo. Cuando la capa 3 es la única capa portadora de la carga de aro, las fibras de preferencia se colocan a un ángulo de por lo menos +/- 55°, de mayor preferencia de aproximadamente +/- 70° con respecto al eje del tubo. La capa 3 mostrada en la Figura 2 puede ser una capa portadora de carga de aro única o esfuerzo de aro que puede además acomodarse mediante una o más capas adicionales opcionales tales como la capa 2, que se coloca radialmente hacia adentro de la capa 3 y en contacto fijo con la misma. La capa 2 contiene fibras de refuerzo colocadas de preferencia a un ángulo mayor que el ángulo de colocación de las fibras en la capa 3 y hasta un ángulo de 90° con respecto al eje del tubo longitudinal. De mayor preferencia, las fibras en la capa 2 se colocan a un ángulo de por lo menos +/- 60° con respecto al eje del tubo. En una modalidad preferida de la invención en donde el tubo comprende tres capas de refuerzo compuestas, las fibras en la capa 4 se colocan a an ángulo de aproximadamente 0°, las fibras en la capa 3 se colocan a un ángulo de +/- 40° a +/- 60° y de preferencia de aproximadamente +/- 55°, y las fibras en la capa 2 se colocan a un ángulo mayor de +/- 60°, de preferencia de aproximadamente +/- 70°, cada una con respecto al eje del tubo longitudinal. La capa 5 mostrada en la Figura 2 es una capa opcional que puede aplicarse como una capa protectora o como una capa de enrollamiento de refuerzo de fibra para asegurar que las fibras en la capa 4 se liguen apretadamente en el aglutinante de resina. La capa 5 no se diseña como una capa portadora de carga axial, sino simplemente como una capa protectora y se corta alejada de los extremos del tubo antes de formar la sección 6 de junta roscada macho ahusada. Las estructuras fabricadas de conformidad con esta invención pueden comprender una porción de pared que contiene una sola capa de fibras impregnadas con resina (capa a en la Figura 1 o- capa 2 en la Figura 2), o dos o más capas en contacto fijo, como se ilustra en las Figuras 1 y 2. Las microfibras de vidrio usadas en la presente invención son extremadamente delgadas, teniendo un diámetro promedio de menos de 10 micrones, de mayor preferencia de aproximadamente 3 a 9 micrones, que distingue las mismas de las fibras de vidrio convencionales que tienen un diámetro promedio de por lo menos aproximadamente 14 micrones. Cuando la estructura de pared del dispositivo de contención comprende una sola capa de fibras impregnadas con resina, las microfibras se usan en esa capa. Cuando la estructura de pared es un laminado de dos o más capas diferentes, las microfibras se pueden usar en todas las capas o solamente en las capas seleccionadas, con las fibras de vidrio o poliméricas convencionales, siendo usadas en una o más de - - las otras capas. Por lo tanto, en la Figura 1 la capa (a) puede comprender microfibras de vidrio y la capa (b) puede comprender fibras de vidrio convencionales u otras fibras tales como de grafito, aramida o fibras de Kevlar™. De manera semejante en la Figura 2, todas las capas 2, 3 y 4 pueden comprender microfibras de vidrio o solamente las capas seleccionadas pueden comprender las microfibras de vidrio. Las estructuras de FRP compuestas de esta invención v.g. los tubos o cilindros pueden fabricarse mediante un proceso de enrollamiento de filamento en húmedo bien conocido, tal como se da a conocer en la Patente Norteamericana Numero 2,843,153, mencionada anteriormente. Mediante este método, un manojo de filamentos de refuerzo continuo se impregna con una solución de resina o fusión de resina fluida, de preferencia, una resina termoendurecible no curada, y se alimenta bajo tensión a través de una lanzadera que atraviesa hacia atrás y hacia adelante por encima del mandril rotatorio. De manera alternativa, el mandril rotatorio mismo puede atravesar hacia atrás y hacia adelante y la lanzadera puede estar en posición fija. Los manojos de fibra impregnados se construyen a lo largo del mandril en proximidad estrecha o topando uno contra el otro y pueden formar patrones cruzados (helicoidales) si se construye una capa encima de la otra hasta que se logre el espesor de capa deseado. El ángulo de colocación de las fibras con respecto al eje longitudinal del mandril puede controlarse principalmente con una función de la velocidad lateral de la lanzadera a medida que atraviesa el mandril. Después de haberse logrado el espesor deseado de la capa inicial v.g. la capa (a) en la Figura 1 o la capa 2 en la Figura 2, el proceso de colocación se descontinua y la estructura de una sola capa se cura y se remueve del mandril. Cuando las estructuras de pared de dos o más capas van a fabricarse, el proceso se ajusta para colocar una segunda capa de fibras impregnadas con resina a un ángulo diferente que aquél de la capa inicial y así sucesivamente. La capa 4 de apoyo de carga axial en la Figura 2 puede también aplicarse usando la técnica de enrollamiento de filamento con la excepción de las fibras se colocan a un ángulo de 0° con repsecto al eje del mandril. En este último caso, la capa portadora de la carga axial de espesor deseado se aplica como una cinta saturada de resina o un manguito que puede colocarse a mano. De manera alternativa, un método de colocación longitudinal se puede usar en donde las fibras de 0° se colocan sobre la capa 3 por encima del mandril, mientras que se capturan mediante una envoltura externa de 90°, tal como se ilustra en 5 en la Figura 2.

Otras estructuras tales como recipientes de presión y tanques también pueden elaborarse usando el proceso de enrollamiento de filamentos anteriormente citado, utilizando un mandril de diámetro más grande o mediante la colocación de fibras de resina por encima de una estructura formadora o molde. El material resinoso que sirve como un aglutinante para las fibras de refuerzo, de preferencia es una resina termoendurecible tal como epóxido. La resinas epóxido preferidas para llevar a cabo la invención incluyen bisphenol - éster de diglicidilo A, bisphenol - éter de glicidilo, éter de glicidilo de resina novolaca y poliepóxido alifático aún cuando se pueden usar otras resinas epoxídicas apropiadas. Además de las resinas epoxídicas, otros polímeros termoendurecibles apropiados incluyen las resinas fenólicas, poliésteres no saturados y polimidas. El grado de condensación de estas resinas se selecciona de manera que la viscosidad del producto de resina esté adaptado a las condiciones de trabajo necesarias para la formación del cuerpo tubular. Los polímeros termoendurecibles se mezclan con endurecedores apropiados tales como poliaminas aromáticas, poliamidas, poliaminas alifáticas, poliácidos, polianhídridos, diciandiamidas, aminas primaria o secunbdaria, mezclas de éstas o cualesquiera de los otros endurecedores usados típicamente para reticular las resinas termoendurecibles. Las resinas termoplásticas tales como los éteres de polifenileno, polisulfonas, resinas de ABS y semejantes también se pueden usar, pero estas se prefieren menos. La cantidad de resina aplicada a las microfibras de vidrio para formar la estructura debe ser suficiente de tal manera que la fracción en volumen de la fibra presente en el producto curado sea menor de aproximadamente 40 por ciento, de mayor preferencia por lo menos de aproximadamente 50 por ciento y de manera especialmente preferida dentro de la escala de aproximadamente 60 por ciento a 70 por ciento con el resto siendo la composición de resina. Las fibras de refuerzo de microvidrio o de vidrio convencional, usadas en la presente se suministran en la forma de filamentos o manojos de filamentos. De mayor preferencia, las fibras individuales se revisten con un material que mejorará la adhesión y capacidad de humedecimiento de la superficie de la fibra de vidrio con respecto a la resina específica usada como un aglutinante. Los materiales de a inopolisiloxano son particularmente apropiados para este objeto. Después de que la estructura compuesta humedecida con resinas se ensambla en el mandril, la resina termoendurecible v.g. la resina epoxídica se cura - - calentando la estructura hasta una temperatura suficiente para curar la resina v.g. de 100°C a 170° durante un periodo de tiempo que varía de aproximadamente 30 minutos hasta 12 horas después de lo cual el conjunto se quita del mandril. Las resinas termoplásticas no necesitan curarse sino enfriarse simplemente en el mandril antes de su remoción. El espesor de la pared de las estructuras de FRP compuestas elaboradas de conformidad con esta invención, por lo general puede variar de .254 centímetro hasta aproximadamente 5.08 centímetros. Los diámetros del tubo pueden variar de aproximadamente 2.54 centímetros a 91.44 centímetros. Las dimensiones de tubo comunes consisten de un diámetro interno de 10.16 centímetros y un espesor de pared de 1.59 milímetros. Las dimensiones de la tubería común comprenden de un diámetro interno de 5.08 centímetros y un espesor de pared de 10.16 milímetros. Cuando las estructuras de pared se fabrican de conformidad con esta invención usando dos o más capas laminadas de FRP, se prefiere que la capa(s) que contiene las microfibras de vidrio de esta invención constituya por lo menos el 30 por ciento, de mayor preferencia por lo menos el 50 por ciento del espesor de pared total. Un material aglutinante de resina epoxídica usado en la construcción del tubo de FRP tiene una naturaleza viscoelástica y en consecuencia, las propiedades mecánicas del tubo/tubería tales como resistencia disminuyen como una función de tiempo. Existen procedimientos de clasificación bien establecidos para determinar la resistencia del diseño a largo plazo (aro) de un tubo compuesto. Esto involucra someter un tubo compuesto a presión cíclica (a 66°C) que es apropiado para aplicaciones con presión menor que o igual a 70.30 kilogramos por centímetro cuadrado o a presión constante, que se considera apropiada para aplicaciones con presión mayor de 70.30 kilogramos por centímetro cuadrado. El valor del esfuerzo de aro al cual se observa la pérdida de integridad de contención de tubería se registra. El dato se somete a extrapolación desde un periodo de prueba de aproximadamente 1 año a servicio de 10 o 20 años, tal y como sea necesario. Los dispositivos que contienen presión del compuesto convencional sometidos a este procedimiento exhiben un esfuerzo de diseño de aro a largo plazo (aproximadamente 20 años) de K.703 a K.844 kilogramo por centímetro cuadrado para aplicaciones de tubería compuesta y esfuerzo de diseño axial y de aro a largo plazo de K.422 a K.492 kilogramo por centímetro cuadrado para aplicaciones de tubería en el fondo del pozo del compuesto y tubería de revestimiento . A fin de demostrar la resistencia del compuesto mejorada en una dirección perpendicular a las fibras de vidrio impregnadas, un segmento de tubo que tiene fibras de refuerzo colocadas a un ángulo de 90° con respecto al eje del tubo longitudinal en donde las fibras tienen un diámetro promedio de 7 micrones se preparó mediante el procedimiento de enrollamiento que se describe en lo que antecede. Un tubo semejante que contiene fibras enrolladas convencionales de +/- 55° que tienen un diámetro de fibra promedio de aproximadamente 14 micrones (tubo actual) también se proporcionó. Cada tubo tenía una fracción de volumen de vidrio de 60 por ciento, un diámetro interno de 10.16 centímetros y un espesor de pared de 1.59 milímetros. Se usa una metodología de computadora de mecánica microestructural para predecir la resistencia de laminado en la dirección perpendicular al eje de la fibra como una función del diámetro de la fibra. El modelo es válido mediante comparación con el valor de resistencia compuesto deducido de la tubería enrollada a un grado de +/- 55 grados con fibras de diámetro (es decir de 11.2 ksi, sin2 55° = 7.5 ksi) . La Figura 3 muestra las predicciones del modelo de computadora que se obtienen para una matriz epoxídica típica con una fracción de volumen de fibra de 60 por ciento. La Figura 4 presenta un envolvente de falla multiaxial a corto plazo medido (círculos abiertos) para la tubería compuesta de +/- 55° (módulo de Young epoxídico de 430 ksi, y una resistencia a la tensión de 10 ksi) que se somete a condiciones de servicio petroquímicas diferentes. 1. es para el esfuero axial, 2. es el esfuerzo axial igual al esfuerzo del aro, 3. es para el esfuerzo del aro del doble del esfuerzo axial y 4. es solamente para el esfuerzo del aro puro. Las condiciones 1 y 2 están relacionadas con aplicaciones en el fondo del pozo (tubería, tubería de revestimiento y tubería de inyección) mientras que 3. está relacionado con la tubería de superficie y 4. con aplicaciones de tubería enterrada, respectivamente. Usando un tratamiento de mecánica sólida que incorpora las propiedades de laminado de epoxi de vidrio, que se mide directamente del tubo enrollado a 90 grados las curvas de esfuerzo cortante tranversales laminadas/esfuerzo, el envolvente de falla experimental a corto plazo se hace coincidir con 10 por ciento de error mediante los resultados (triángulos completos) obtenidos mediante la metodología teórica anteriormente citada. A fin de determinar el envolvente de falla a largo plazo, la resistencia de aro de diseño a largo plazo del tubo enrollado de +/- 55 grados mencionado anteriormente debe obtenerse de acuerdo con el procedimiento de clasificación API 15LR (presión de servicios cíclica menor de 70.30 kilogramos por centímetro cuadrado) como se ilustra mediante la Figura 5. Una prueba de presión pura es equivalente a la condición 3 de carga en la Figura 4. Después de la extrapolación del dato hasta aproximadamente una duración de servicio de 20 años, un nivel de confianza más bajo (LCL) del esfuerzo de aro a largo plazo (LTHS) es de aproximadamente 2540 kilogramos por centímetro cuadrado. La resistencia transversal y de esfuerzo cortante del compuesto a largo plazo se obtiene ajusfando los parámetros del esfuerzo compuesto en la metodología teórica hasta que la resistencia de aro pronosticada para la condición 3 sea de 10 ksi, como se mide en la Figura 5. La resistencia compuesta transversal a largo plazo ahora es de 1.8 ksi en comparación con el valor a corto plazo de 7.5 ksi. De manera semejante, la resistencia de esfuerzo cortante compuesta a largo plazo es de 2.6 ksi en comparación con un valor a corto plazo de 10.7 ksi. El resultado de este procedimiento se muestra en la Figura 6 (círculos abiertos) . La condición 3 representa el dato medido de manera experimental de la Figura 5, mientras que las otras condiciones representan predicciones de modelo basados en las propiedades del compuesto a largo plazo que se derivan del punto 3 experimental. El funcionamiento proyectado de la invención se obtiene mediante predicción teórica del envolvente de falla a largo plazo basándose en las propiedades mecánicas a largo plazo de una laminado compuesto fabricado de una fibra cuyo diámetro es de 7 micrómetros. La Figura 3 muestra que la resistencia del compuesto transversal a corto plazo de un tubo fabricado con fibra de vidrio de 7 micrómetros es más o menos 1.5 veces mayor que aquélla de un laminado compuesto fabricado de fibra de vidrio de 14 micrómetros. La suposición es que hay un aumento en la resistencia de esfuerzo cortante compuesta a corto plazo semejante. Se supone que. la resistencia transversal y de esfuerzo cortante del compuesto de fibra de vidrio a largo plazo de 7 micrómetros también es 1.5 veces mayor que los compuestos de fibra de vidrio convencionales de 14 micrómetros. La razón es el módulo de esfuerzo cortante y de Young transversal de un compuesto de fibra de vidrio de 7 micrómetros son iguales (o mayores) que para un compuesto de fibra de vidrio de 14 micrómetros. Esto implica que el comportamiento de fatiga o el comportamiento de rotura de corrimiento de un compuesto de microfibra es igual (si no mejor) que aquél de los compuestos de fibra convencionales. El comportamiento de fatiga (cargas cíclicas) o el comportamiento de rotura de corrimiento (cargas estáticas) determina la magnitud de la resistencia del compuesto a largo plazo. El envolvente de falla pronosticado a largo plazo para la invención se muestra en la Figura 6 (triángulos completos) . Los puntos 1, 2 y 3 para la invención son 1.5 veces mayores que aquéllos de los tubos - - compuestos de fibra de 14 micrómetros convencionales, mientras que el punto 4 es 1.2 veces mayor que aquél para los mismos compuestos convencionales. Obsérvese que si la resistencia al esfuerzo cortante permanece constante, el punto 3 para la invención es 40 por ciento mayor, el punto 2 es 30 por ciento mayor, el punto 1 es 15 por cierto mayor y el punto 4 no se aumenta en comparación con los compuestos de fibra de 14 micrómetros convencionales. La mejora es la resistencia compuesta transversal del tubo de FRP fabricado de conformidad con esta invención, como se demuestra en el Ejemplo 1.

Ejemplo 1 Se construyeron tres tubos compuestos reforzados con fibras diferentes mediante el proceso de enrollamiento de fibra que se describe en lo que antecede para proporcionar estructuras de tubo que tienen un diámetro interno nominal de 5.08 centímetros y un espesor de pared nominal de .254 centímetro. Cada tubo se enrolló a un ángulo de fibra de 90° con respecto al eje del tubo longitudinal que contenía una fracción de volumen de fibra de aproximadamente 46 por ciento. El tubo A, B y C se construyeron usando fibras de vidrio que tiene un diámetro promedio de aproximadamente 7, 14 y 24 micrómetros, - respectivamente. La resistencia transversal compuesta relativa de cada tubo sé evaluó sujetando un segmento de cada muestra en las mordazas de la máquina de prueba Instron™ y aplicando un esfuerzo transversal (de tracción) a las muestras. El esfuerzo aproximado y la tensión a la rotura para cada tubo evaluado bajo condiciones de prueba idénticas se registró y se muestra en el Cuadro 1.

CUADRO 1 Diámetro de fibra Esfuerzo a la rotura Tensión a la rotura (micrómetros) (psi) (pulgada/pulgada) A - 7 4.6 x 103 4.25 x 10"3 B - 14 3.6 x 103 3.0 x 10"3 C - 24 3.2 x 103 2.75 x 10"3 Como es evidente del Cuadro 1, el compuesto de fibra de 7 micrómetros supera al compuesto de fibra de 14 y 24 micrómetros en aproximadamente 30 por ciento y 40 por ciento respectivamente, lo cual es un convenio con predicciones del modelo de aproximadamente un aumento de resistencia del 50 por ciento que se logra con fibras de 7 versus 14 micrómetros para una fracción de volumen de fibra de 60 por ciento, como se muestra en la Figura 3.

Claims (13)

R E I V I N D I C A C I O N E S:

1. Una estructura de plástico reforzada de fibra compuesta que tiene una porción de pared que define una porción de contención para el almacenamiento o paso de fluidos o gases bajo alta presión, la porción de pared comprende por lo menos una capa que consiste de una pluralidad de fibras de fibra de vidrio de refuerzo continuas que tienen un diámetro promedio de menos de aproximadamente 10 micrones impregnadas con un aglutinante resinoso.

2. El artículo de la reivindicación 1, en donde la estructura es un tubo que comprende un cuerpo tubular hueco alargado y en donde las fibras continuas se colocan a un ángulo de 0° hasta 90° con respecto al eje del tubo longitudinal .

3. El tubo de la reivindicación 2, en donde las figuras continuas se colocan para formar un patrón de enrollamiento de filamento helicoidal que forma un ángulo de entre aproximadamente +/- 15° hasta aproximadamente +/-75° con respecto al eje del tubo longitudinal.

4. La estructura de la reivindicación 1, en donde las fibras comprenden por lo menos aproximadamente 40 por ciento de la fracción de volumen de la porción de pared.

5. La estructura de la reivindicación 4, en donde las fibras comprenden por lo menos aproximadamente el 60 por ciento de la fracción de volumen de la porción de pared.

6. La estructura de la reivindicación 1, en donde el aglutinante resinoso es una resina termoendurecible .

7. La estructura de la reivindicación 6, en donde la resina termoendurecible es una resina epoxi.

8. La estructura de la reivindicación 1, en donde las fibras tienen un diámetro promedio de entre aproximadamente 3 y 9 micrones.

9. El tubo de. la reivindicación 2, en donde la estructura de pared comprende por lo menos dos capas de refuerzo de fibra en contacto laminar fijo, una primera de las capas comprende las fibras de fibra de vidrio continuas que tienen un diámetro promedio de menos de aproximadamente 10 micrones impregnadas en un aglutinante resinoso y colocadas a un ángulo de 0° hasta 90° con respecto al eje del tubo longitudinal, y la segunda capa contiene fibras de fibra de vidrio continuas impregnadas en un aglutinante resinoso y colocadas a un ángulo con respecto al eje de tubo longitudinal que difiere del ángulo de colocación de las fibras en la primera capa.

10. El tubo de la reivindicación 9, en donde las fibras en la primera capa se colocan a un ángulo mayor de +/- 60° hasta 90° con respecto al eje del tubo longitudinal, y las fibras en la segunda capa se colocan a un ángulo mayor de aproximadamente +/- 30° hasta +/- 60° con respecto al eje del tubo longitudinal.

11. El tubo de la reivindicación 9, en donde las fibras presentes en la segunda capa tienen un diámetro promedio de menos de aproximadamente 10 micrones.

12. El tubo de la reivindicación 9, en donde la primera capa del tubo es una capa portadora de carga axial externa.

13. El tubo de la reivindicación 9, en donde la primera capa del tubo es una capa portadora de carga de aro interna.