PT2049805E - Carenagem de estabilizadores verticais duplos - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "CARENAGEM DE ESTABILIZADORES VERTICAIS DUPLOS"

CAMPO TÉCNICO A presente invenção é referente genericamente à redução da vibração induzida por vórtices ("VIV") e mais particularmente a uma carenagem utilizada para a redução da VIV nas tubagens ou em outros componentes estruturais imersos num fluido.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A exploração de óleo e de reservas de gás natural conduziu há muitos anos a perfuradores no alto mar e, visto que a exploração em alto mar continua, os produtores em alto mar encontram-se em águas cada vez mais profundas. Apesar de aquelas águas poderem trazer as reservas que eles procuram, os produtores de alto mar são também confrontados com correntes mais fortes que ameaçam a integridade estrutural das suas sondas, condutas, e de outros componentes alongados e cilíndricos envolvidos na produção de óleo e de gás.

Os esforços nas tubagens ou em outros componentes estruturais imersos em fluido, tais como sondas de perfuração, sondas de produção, tubagens, tirantes estruturais, etc. aumentam extremamente conforme a velocidade da corrente aumenta e os esforços são amplificados conforme a profundidade da água e o comprimento das sondas na posição de poço aumentam. Ao operar equipamentos em zonas de correntes fortes, a sonda é exposta a correntes que podem causar pelo menos dois tipos de esforços. O primeiro é causado pela vibração resultante de vórtices que irradiam de um componente quando o fluido 2 flui através do mesmo. Essa vibração, que ocorre perpendicularmente à corrente, é referida como "vibração induzida por vórtices" ou "VIV". Quando os fluxos de água passam a sonda, podem fazer com que os vórtices sejam irradiados alternativamente de cada lado da sonda quando os Números de Reynolds alcançam uma certa gama. Se a frequência desta carga harmónica estiver próxima da frequência de ressonância da sonda, podem ocorrer grandes vibrações transversais à corrente. 0 segundo tipo de esforço é causado pelas forças de arrasto que empurram a sonda no sentido da corrente devido à resistência da sonda ao fluxo do fluido. As forças de arrasto são significativamente amplificadas pelas vibrações induzidas por vórtices da sonda, isto é, uma pela vibração da tubagem. Uma tubagem da sonda que esteja a vibrar devido à irradiação de vórtices interrompe o fluxo de água em torno dela, mais do que uma sonda estacionária ou uma tubagem que não vibra. Isto conduz a uma maior transferência de energia da corrente à sonda e, por isso, a um maior arrasto. 0 movimento de exploração de óleo e de gás, do desenvolvimento e da produção em águas profundas e ultra profundas, criou desafios únicos de engenharia que exigem soluções de engenharia inovadoras. Um desafio particular são as vibrações induzidas por vórtices (VIV) de sondas de perfuração e de produção longas. Conforme discutido acima, quando os elementos longos tais como tubagens, sondas, tirantes, umbilicais e cabos são afetados pelas correntes relativamente fortes sobre extensões consideráveis ao longo do elemento, as correntes podem fazer com que os vórtices sejam irradiados dos lados do elemento de uma forma alternativa que pode induzir VIV. A vibração resultante aumenta o arrasto, reduz a vida à fadiga e se não for verificada pode conduzir à falha do elemento marinho ou dos seus suportes.

As blindagens, fiadas de chapas e as carenagens têm 3 sido tradicionalmente acrescentados às sondas e a outras tubagens submersas no intuito de minimizar os esforços induzidos pela corrente nestas tubagens. As fiadas de chapas e as blindagens podem ser eficazes não obstante a orientação da corrente, mas tendem a aumentar o arrasto que atua na sonda. De forma contrastante, as carenagens são geralmente mais eficientes a reduzir o arrasto e o VIV. As carenagens compreendem geralmente corpos com formas aerodinâmicas (tais como as asas de um avião) que se movem com a maré ou rodam sobre a sonda, mantendo posições substancialmente alinhadas com a corrente da água. As carenagens geralmente reduzem as forças induzidas por vórtices e minimizam o arrasto na sonda, reduzindo ou eliminando as áreas de baixa pressão que existem a favor da corrente na sonda.

Um exemplo de uma carenagem é encontrado na patente dos E.U. N.° 4,474,129, que divulga uma carenagem removível aplicável em sondas equipadas com módulos de flutuabilidade que têm uma cauda que se estreita à ré e um estabilizador vertical posicionado depois da cauda. Esta carenagem rodeia completamente a sonda e é presa conjuntamente na porção traseira da carenagem. Um outro exemplo de uma carenagem é encontrado na patente dos E.U. N.° 4,398,487 que descreve uma estrutura simétrica aerodinâmica que tem uma fração do nariz, uma porção da cauda e duas porções laterais opostas. Esta carenagem é formada por duas metades de carcaça que rodeiam completamente a sonda e são conectadas na parte frontal do nariz por parafusos de desaperto rápido e na extremidade da porção da cauda por dobradiças. A patente dos E.U. N.° 5, 410, 979 descreve uma carenagem com a forma de lágrima pequena fixa que rodeia uma sonda e é fixa a esta para não rodar. A patente dos E.U. N.° 6, 048, 136 descreve uma carenagem que é instalada numa sonda de perfuração em combinação com um módulo de flutuabilidade de espuma sintética. Esta carenagem é formada por duas metades 4 de carcaça que rodeiam a sonda e são montadas nas porções dianteira e traseira carenagem. É descrita na patente dos E.U. N.° 6.067.922, uma carenagem de rotação, que compreende um elemento de cobre montado na região anelar da carenagem para desincentivar o crescimento marinho. Esta carenagem é formada como uma peça única que rodeia completamente a sonda e montada na porção da cauda ou da flange com parafusos. É mostrada na Fig. 2 uma carenagem ultra curta descrita na patente dos E.U. N.° 6,223,672. Esta carenagem 2 tem um par de lados formados 4A e 4B com início no perfil circular de uma sonda marítima e que converge para uma borda de arrasto 6. Deve-se ter em atenção que todas as carenagens acima descritas são construídas com comprimentos predeterminados e uma pluralidade de carenagens está posicionada ao longo do comprimento de qualquer sonda particular. A patente dos E.U. N.° 6,517,289 que é considerada o documento do estado da técnica anterior mais próximo, descreve uma carenagem flexível que é expandida e mantida numa configuração de forma aerodinâmica pela pressão dinâmica transferida internamente. São utilizados diversos meios para promover o estabelecimento da forma aerodinâmica, tais como hastes rígidas e o posicionamento de defletores flexíveis separados dentro do material flexível da blindagem da carenagem com relação espaçada entre eles.

Embora as carenagens possam ser eficazes para reduzir a VIV, existe ainda uma quantidade de problemas com as carenagens do estado da técnica anterior. Como ilustrado no estado da técnica anterior, as carenagens têm-se tornado cada vez mais complexas na sua conceção, exigindo frequentemente um grande número peças, e como tal, tornando-se mais caras no que respeita à sua produção e manutenção. Geralmente, as carenagens devem ser fixas ao componente alongado através de cintas, parafusos ou outros materiais de fixação que podem fracassar. Além disso, a 5 utilização destes fixadores aumenta o custo e o trabalho associados com a utilização da carenagem. Adicionalmente, a corrosão e o crescimento marinho fazem frequentemente com que os elementos rotativos de uma carenagem gripem, de modo que deixam de poder rodar e alinhar corretamente com a corrente. Esta preocupação tem resultado frequentemente na utilização de carenagens apenas em sondas ou outros componentes que permanecem nas sondas somente um curto período de tempo, deixando os mesmos na indústria para dar confiança aos meios de redução de VIV menos eficazes, como as fiadas de chapas para vórtices de estabilizadores verticais fixos, para componentes fixos mais permanentes.

Embora as fiadas de chapas com estabilizadores verticais de determinadas alturas e intervalos possam reduzir a amplitude do movimento induzido pela VIV em mais de 90% e ter-se provado serem ferramentas eficazes, é desejável uma solução com menor arrasto. Apesar de as carenagens convencionais em forma de lágrima serem eficazes na diminuição do arrasto e da VIV, os utilizadores referem que estes dispositivos são sujeitos a um movimento de "galope". As causas deste movimento de galope permanecem por clarificar. Consequentemente, permanece uma necessidade de um dispositivo melhorado para eliminação da VIV que reduza a vibração, que não aumente o arrasto e seja resistente aos movimentos de galope.

As carenagens são tipicamente aplicadas a sondas de perfuração e / ou de produção numa de duas maneiras. Num método de instalação, as carenagens são colocadas na sonda depois de esta estar colocada, suspensa entre a plataforma e o fundo do oceano, em que são utilizados mergulhadores ou veículos submersíveis (referidos como ROVs) para prender as carenagens múltiplas em torno da sonda. Um segundo método de instalação é seguido enquanto a sonda está a ser montada numa embarcação e instalada. Neste método as carenagens são presas à tubagem enquanto as secções das tubagens são 6 unidas para formar a sonda. Este método de instalação é executado normalmente numa embarcação especialmente concebida para este efeito, denominada por barcaça de S-Lay, barcaça de J-Lay ou barcaça de Reel Lay. Uma barcaça de S-Lay tem uma rampa inclinada, posicionada ao longo de um dos lados ou de uma parte traseira da embarcação e que desce abaixo da superfície do oceano, a qual é equipada com rolos (à qual se refere como '"ferrão") . Enquanto as secções da tubagem são unidas, as carenagens são presas às secções conectadas da tubagem antes que a mesma role pela rampa e entre no oceano. Um dos problemas de instalar carenagens desta forma é que quando os estabilizadores verticais da carenagem rodam sobre os rolos na rampa, são frequentemente danificados pelos rolos. Neste método de instalação, quando a sonda completa é colocada no fundo do oceano, é então levantada para uma posição vertical quando alcança o comprimento apropriado e unida à plataforma de superfície e à cabeça do poço no fundo do oceano.

Seria vantajoso providenciar uma carenagem de relativamente pouco peso, resiliente, que pudesse facilmente ser colocada numa sonda em vez de ter que ser presa em torno da totalidade da circunferência.

Seria vantajoso providenciar uma carenagem que reduza a vibração, que não aumente o arrasto e seja resistente aos movimentos de galope.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO A invenção em assunto é dirigida a uma carenagem para a redução da vibração induzida por vórtices, a minimização do arrasto e a eliminação do galope sobre um elemento aproximadamente cilíndrico imerso num meio fluido. A carenagem tem uma carcaça em forma de U com bordas opostas que definem uma abertura longitudinal e estabilizadores verticais paralelos que se estendem exteriormente das 7 bordas opostas da carcaça. A carenagem tem uma relação comprimento / diâmetro de 1,5 a 2,50 e preferencialmente uma relação de 1,75 a 2,0 onde o comprimento é medido da parte mais dianteira do corpo da carenagem à extremidade dos estabilizadores verticais, e o diâmetro é o diâmetro do centro do circulo que define a carcaça. A carcaça tem um diâmetro exterior D e os estabilizadores verticais paralelos têm uma distância W entre as suas bordas opostas. A relação de W para D é de W = D até W = 75% de D. Os estabilizadores verticais da carenagem podem estreitar-se para dentro. A carenagem inclui ainda uma chumaceira configurada para encaixar na abertura da carcaça entre as suas bordas opostas e os estabilizadores verticais paralelos. A chumaceira tem uma superfície interior curvada e superfícies laterais em alinhamento paralelo com cada um dos estabilizadores verticais. Cada carenagem inclui uma pluralidade de chumaceiras para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico. A carenagem inclui ainda pelo menos um conjunto de conectores opostos para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico, sendo cada conector posicionado sobre uma superfície interior de cada estabilizador vertical paralelo. Os estabilizadores verticais podem incluir três conjuntos de conectores opostos. Cada conector inclui uma abertura configurada para receber meios de fixação para fixar os conectores opostos conjuntamente. A carenagem inclui ainda uma flange numa borda superior e inferior da carenagem, a qual se estende em torno da circunferência da carcaça e exteriormente à mesma. A flange pode incluir um ou mais entalhes em forma de V para a criação de dobradiças de abertura.

Cada estabilizador vertical na carenagem não se estende para além do diâmetro exterior da carcaça. A carenagem é construída num material não metálico, de 8 baixa corrosão, selecionado de um grupo que consiste em polietileno, poliuretano, resina de viniléster, policloreto de vinilo e fibra de vidro. A invenção inclui também um sistema de carenagem para a redução da vibração induzida por vórtices e a minimização do arrasto sobre um elemento substancialmente cilíndrico imerso num meio fluido. 0 sistema de carenagem tem uma pluralidade de carenagens com carcaças em forma de U, tendo cada carcaça bordas opostas que definem uma abertura longitudinal. Tem estabilizadores verticais paralelos que se estendem exteriormente das bordas opostas de cada uma das carcaças, as quais se posicionam para reduzir a vibração induzida por vórtices, minimizar o arrasto e eliminar o galope no elemento cilíndrico. A carenagem inclui meios para fixar cada uma das carcaças em torno do elemento cilíndrico. 0 colar inclui uma pluralidade de espaçadores anelares compatíveis que se estendem exteriormente de uma superfície interior do colar, sendo os espaçadores configurados para induzir a interação de atrito entre o colar e o elemento cilíndrico.

Os meios para fixar as carenagens em torno do elemento cilíndrico incluem uma chumaceira configurada para encaixar na abertura de cada carcaça entre as bordas opostas da carcaça e os estabilizadores verticais paralelos. A chumaceira tem uma superfície interior curvada e superfícies laterais em alinhamento paralelo com cada um dos estabilizadores verticais. Cada carenagem inclui uma pluralidade de chumaceiras para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico.

Um meio alternativo para fixar as carenagens em torno do elemento cilíndrico inclui pelo menos um conjunto de conectores opostos, sendo cada conector posicionado sobre uma superfície interior de cada estabilizador vertical paralelo. Os estabilizadores verticais podem incluir uma 9 pluralidade de conectores opostos. Cada conector inclui uma abertura configurada para receber meios de fixação para fixar os conectores opostos conjuntamente. A carenagem inclui ainda uma flange numa borda superior e inferior da carenagem, a qual se estende em torno da circunferência da carcaça e exteriormente à mesma. A flange pode incluir pelo menos um entalhe em forma de V. As flanges em cada carenagem são configuradas de forma a permitirem que cada uma delas rode livremente numa carenagem adjacente.

Pode ser posicionado um colar circular entre um grupo ou entre cada uma da pluralidade de carenagens, sendo o colar configurado de forma a permitir que cada carenagem rode livremente no colar. 0 colar é constituído por duas secções mantidas unidas por meios que o fixam em torno do elemento cilíndrico. 0 colar é fixo à sonda e não roda.

Foram esboçadas anteriormente de forma ampla as caraterísticas e as vantagens técnicas da presente invenção, de forma a que a descrição detalhada da invenção apresentada de seguida possa ser melhor compreendida. Serão descritas em seguida as características e as vantagens adicionais da invenção, que formam o conteúdo das reivindicações da invenção. Deve ser apreciado pelas pessoas habilitadas neste assunto, que a conceção e a incorporação específica divulgadas podem ser utilizadas de imediato como uma base para modificar ou projetar outras estruturas com as mesmas finalidades da presente invenção. Deve igualmente ser tido em consideração pelas pessoas habilitadas neste assunto, que essas construções equivalentes não saem do espírito e do âmbito da invenção conforme determinada nas reivindicações apensas. As especificações novas que se acredita serem caraterísticas da invenção, tanto na sua organização como no método de operação, juntamente com outros objetos e vantagens adicionais serão melhor compreendidas a partir da descrição 10 seguinte, quando consideradas em conjugação com as figuras de acompanhamento. Deve ser expressamente compreendido, no entanto, que cada uma das figuras é apresentada apenas com finalidade meramente ilustrativa e descritiva e não com a intenção de definir os limites da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para uma compreensão mais completa da presente invenção, é feita agora referência às descrições seguintes conjuntamente com os desenhos de acompanhamento, em que: A FIG. 1 é uma vista lateral de uma embarcação de perfuração que ilustra a utilização das carenagens da invenção num dos ambientes em que a mesma é utilizada; A FIG. 2 é uma vista em corte de uma carenagem do estado da técnica anterior; A FIG. 3 é uma vista em perspetiva de uma incorporação da carenagem da presente invenção; A FIG. 4 é uma vista em corte da carenagem da invenção ao longo das linhas de eixo 4-4 da Fig. 3; A FIG. 5 é uma vista em perspetiva da carenagem da Fig. 3 com chumaceiras instaladas; é uma vista em corte da carenagem ao longo das linhas de eixo 6-6 da Fig. 5;

As FIG. 6A e B ilustram um fixador para fixar as chumaceiras à carenagem na Fig. 5A; A FIG. 7 é uma vista em perspetiva de uma chumaceira da Fig. 5; A FIG. 8 é uma vista de cima da chumaceira da Fig. 7; A FIG. 9 é uma vista em perspetiva de uma incorporação alternativa da carenagem da presente invenção; A FIG. 10 é uma vista lateral da carenagem da Fig. 9; A FIG. 11 é uma vista de frente da carenagem da Fig. 9; A FIG. 12 é uma vista de corte da carenagem ao longo das linhas de eixo 12-12 da Fig. 11; A FIG. 13 é uma vista de cima da carenagem da Fig. 9; A FIG. 14 é uma vista de corte da carenagem da Fig. 9; 11

As FIG. 15A e B são uma vista lateral de um fixador para fixar a carenagem da Fig. 9 a uma sonda; A FIG. 16 é uma vista em perspetiva de uma série de segmentos da carenagem da Fig. 9; A FIG. 17 é uma incorporação alternativa de uma série de segmentos da carenagem da Fig. 9; A FIG. 18 é uma vista em perspetiva de um dos colares que separam os segmentos da carenagem da Fig. 17; A FIG. 19 é uma vista de baixo do colar da Fig. 18; A FIG. 20 é uma vista superior de um espaçador anelar que está introduzido na superfície interior do colar da Fig. 18; A FIG. 21 é um gráfico do coeficiente de arrasto (Cd) para uma tubagem desprotegida e a carenagem da invenção em função do número de Reynolds (Re); A FIG. 22 é um gráfico de A* em função da velocidade nominal reduzida (Vm) para uma tubagem desprotegida e para a carenagem da invenção; A FIG. 23 é uma vista em corte de uma incorporação alternativa da carenagem da Fig. 9; A FIG. 24 é uma vista de cima da carenagem da Fig. 23; e A FIG. 25 é um gráfico do coeficiente de arrasto (Cd) em função da velocidade (V) em que cada linha no gráfico representa uma diferente relação W:D.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A presente invenção é dirigida a carenagens rotativas que incluem estabilizadores verticais especificamente colocados para a redução da vibração induzida por vórtices ("VIV") nas tubagens ou em outros componentes estruturais imersos em fluido. Como discutido acima, quando um objeto sólido é exposto a fluxos de fluidos, surge vibração resultante dos vórtices irradiados do objeto quando o 12 fluido flui através do mesmo. 0 padrão de fluxo em torno de um cilindro pode ser caraterizado em função do número de Reynolds (Re) do fluxo incidente e da posição onde o fluxo se separa da superfície do cilindro, que depende da camada limite ser turbulenta ou laminar. No intervalo subcrítico, o intervalo do número de Reynolds é 300 < Re < 1,5χ10Λ5, as camadas limite laminar separam-se aproximadamente 80 graus à ré da borda de ataque do cilindro e a irradiação do vórtice é forte e periódica. O intervalo 1,5χ10Λ5 < Re < 3,5χ10Λ6 é denominado região de transição. Nestas regiões a camada limite torna-se turbulenta e os pontos de separação movem-se à ré para 140 graus e o coeficiente de arrasto do cilindro cai abruptamente. É descrita na patente dos E.U. N.° 6,401,646 uma carenagem que inclui um carcaça cilíndrica que tem bordas opostas que definem uma abertura longitudinal e um par de estabilizadores verticais correspondentes que se estendem exteriormente numa direção vertical. Os estabilizadores verticais são colocados geralmente num ângulo de 120° relativamente à circunferência da carcaça. Durante o teste hidrodinâmico, descobriu-se que uma carenagem em forma de U que tem estabilizadores verticais duplos paralelos causa uma redução substancial na VIV e nas forças de arrasto e a carcaça da invenção não é afetada por um movimento de galope. A presente invenção é direcionada a um sistema de carenagem em forma de U rotativo, que tem estabilizadores verticais gémeos paralelos para a redução da VIV nas tubagens ou em outros componentes estruturais imersos no fluido. Numa incorporação, a carenagem da invenção é instalada nas sondas de perfuração e de produção utilizadas na exploração de óleo em alto mar e na exploração de gás natural. A Fig. 1 ilustra um ambiente em que a carenagem da invenção é utilizada. Uma embarcação ou uma plataforma de perfuração 10 disponibilizam as instalações de superfície 13 12. A sonda 14 desce abaixo da plataforma das instalações de superfície 12 e é instalada com grandes módulos de flutuabilidade OD que são colocados com as carenagens duplas 16 do estabilizador vertical abaixo da superfície do oceano 18. Uma pluralidade de carenagens 16 é instalada ao longo da sonda 14 para reduzir a VIV e minimizar o arrasto na sonda longa sem suporte 14. Esta incorporação ilustrativa mostra o sistema de carenagem instalado numa sonda de perfuração ou de produção. No entanto, as tubagens cilíndricas são empregadas numa variedade de outras aplicações tais como tubagens submersas, sondas de perfuração, de importação e de exportação, tirantes para plataformas flutuantes de pernas tensionadas, pernas para plataformas tradicionais fixas e para plataformas compatíveis, outros elementos de amarração para as plataformas de águas profundas e assim por diante. As pessoas que têm as competências mínimas na arte podem aplicar imediatamente estas indicações a outras aplicações do género. A carenagem 16 é formada por uma carcaça em forma de U 20 que tem bordas opostas 24 e 26 que definem uma abertura longitudinal G e um par de estabilizadores verticais correspondentes 22 que se estendem exteriormente das bordas 24 e 26 numa direção vertical (Figs. 3 e 4) . Os estabilizadores verticais separados espaçados 22 são paralelos e estendem-se exteriormente numa direção paralela à corrente do fluido de forma a mover os redemoinhos do vórtice da camada limite para longe da sonda 14 sem aumentar significativamente o arrasto (Fig. 4). Os estabilizadores verticais 22 podem ser de qualquer comprimento, no entanto, não obstante o comprimento, os estabilizadores verticais 22 não se estendem para além do diâmetro exterior nominal da carcaça 20. Preferencialmente, a carenagem 16 tem dimensões do comprimento L ao diâmetro D (diâmetro da carcaça) tais que a relação entre o 14 comprimento L e o diâmetro D (proporção) está no intervalo de 1,5 a 2,50, preferencialmente no intervalo de 1,75 a 2,0. A forma U da carcaça prevê uma abertura longitudinal G na carcaça 20 que permite a colocação da carcaça 20 em torno de um objeto cilíndrico tal como uma sonda (Fig. 5A) . A carenagem 16 é fixa à sonda 14 com chumaceiras 32 que são configuradas para encaixar na abertura G na carcaça 20 entre os estabilizadores verticais 22 (Figs. 5 e 5A) . Cada chumaceira 32 tem uma superfície interior curvada 34, as secções de extremidade 36 e as superfícies laterais 38. A superfície interior 34 tem uma curva que completa o círculo da circunferência da carcaça. As secções de extremidade 36 são configuradas para encaixarem no espaço entre as bordas opostas 24 e 26 e a sonda 14 e as superfícies laterais 38 são configuradas para alinhar com os estabilizadores verticais 22 (Fig. 5). Numa incorporação preferencial, a porção posterior 40 da superfície interior 34 é aberta (Figs. 5, 5A e 7). As chumaceiras 32 podem ser fixas à carcaça 20 por qualquer número de meios conhecidos de quem tem competências na arte. Um exemplo de meio de fixação é um parafuso sem rosca 42 (Fig. 6A) com uma anilha e uma gopilha 44 (Fig. 6B) no qual o parafuso é colocado através de um par de aberturas alinhadas 46 nos estabilizadores verticais 22 e nas superfícies laterais 38 da chumaceira 32 (Fig. 5A). O número de chumaceiras 32 requeridas para fixar a carenagem 16 a uma sonda 14 dependerá do comprimento da carenagem e da quantidade de forças externas que vão ser aplicadas na sonda. Por exemplo, se uma carenagem tem um comprimento de aproximadamente 4 pés (1,4 m) , três chumaceiras 32 espaçadas aproximadamente com 23 polegadas (0,6 m) de distância, poderiam ser utilizadas para fixar a carenagem 16 a uma secção da sonda 14 como ilustrado na Fig. 5.

Numa incorporação alternativa, a carenagem 16A é 15 formada por uma carcaça cilíndrica 20N que tem estabilizadores verticais opostos 22N, que se estendem exteriormente numa direção vertical e que definem uma abertura longitudinal G (Figs. 9 e 13) . Os estabilizadores verticais separados espaçados 22N são paralelos entre si relativamente ao centro do círculo que define a carcaça e desse modo a circunferência da carcaça 20N (Fig. 13). A abertura G na carcaça 20N disponibiliza uma abertura que permite a colocação da carcaça 20N em torno de um objeto cilíndrico, tal como uma sonda. A carenagem 16A inclui também uma flange 24 nas suas bordas superior 26 e inferior 28, criando uma superfície de rolamento superior 26N e uma superfície de rolamento inferior 28N para a carenagem 16A (Figs .9 a 13) . A flange 24 estende-se em torno da circunferência da carcaça 20N e estende-se exteriormente à carcaça 20N aproximadamente 3 a 4 polegadas (7,6 a 10,2 cm). Opcionalmente, a flange 24 inclui pelo menos um entalhe em forma de V 70 para atuar como dobradiça de abertura para a carenagem 16A. Numa incorporação preferencial, o entalhe em forma de V pode ser posicionado às 12:00 h, 3:00 h e 9:00 h da carcaça 20N relativamente à abertura G na posição 6:00 h. Alternativamente, o entalhe em forma de V pode ser colocado em qualquer lugar na flange 24. As bordas superiores e inferiores 26F e 28F dos estabilizadores verticais 22N, incluem cada uma uma secção de cauda 72 que se estende exteriormente à flange 24 na abertura G. A borda interna 74 de cada secção de cauda 72 faz um ângulo da borda da abertura G à borda exterior 76 de cada estabilizador vertical 22N. O ângulo depende do comprimento do estabilizador vertical.

Os estabilizadores verticais 22N incluem também um primeiro e segundo conectores 78a e b que formam um conjunto de conectores opostos 78. Cada estabilizador vertical 22N inclui pelo menos dois conjuntos de 16 conectores, preferivelmente três conjuntos, para fixar os estabilizadores verticais 22N conjuntamente, de forma a uni-los em torno de uma sonda 14 (Figs. 9 a 14) . Cada conector 78 estende-se internamente da superfície exterior 80 de cada estabilizador vertical 22N, criando uma cavidade 82 que inclui uma abertura 84 para receber meios de fixação. As paredes de cada conector 78 estreitam em direção ao interior e a abertura 84 é deslocada do centro do conector 78 para a borda exterior 76 do estabilizador vertical 22N. A cavidade 82 de cada conector 78a e b forma uma caixa de forma retangular 86 que se estende da superfície interior 88 da estabilizador vertical 22N e está alinhada horizontalmente com cada secção de cauda 72. Numa incorporação preferencial, uma placa de cobertura (não mostrada) pode ser fixa sobre cada uma das aberturas da cavidade. Cada conector 78a e b do conjunto está em alinhamento paralelo com os outros. Os meios de fixação para fixar os estabilizadores verticais 22N conjuntamente podem incluir conectores macho / fêmea 90 e 92 ou pernos, parafusos e anilhas (não mostrados). Numa incorporação preferencial, os meios de fixação são um conector macho e fêmea 90 e 92 formados de poliuretano 70 Shore D, 90 a 95 de um poliuretano Shore A ou polietileno reforçado com vidro (Figs. 15 e 15B). Alternativamente, podem ser utilizados pernos, porcas e anilhas de fibra de vidro / Inconel. O conector macho 90 é colocado num 78a do conjunto dos conectores 78 e o conector fêmea 92 é colocado no segundo 78b do conjunto dos conectores 78 e os fixadores 90 e 92 são fixados conjuntamente, extraindo os estabilizadores verticais 22N conjuntamente e assim a carenagem 16N, em torno da sonda 14. Os conectores 78 incluem furos manuais 94 para alcançar os meios de fixação (Figs. 9, 11, 6 e 17). A carcaça 20 e 20N tem um diâmetro exterior de D e os estabilizadores verticais 22 e 22N têm uma distância entre 17 as suas extremidades de W. Quando W é igual a D os estabilizadores verticais estão paralelos (Fig. 4). Descobriu-se que se W diminui relativamente a D, isto é se os estabilizadores verticais 22 e 22N estão estreitados, o arrasto é reduzido. Numa incorporação alternativa, a carenagem 16B é formada por uma carcaça cilíndrica 20P que tem os estabilizadores verticais opostos 22P, estendendo-se exteriormente numa direção vertical, que define uma abertura longitudinal G. No entanto, mais do que estarem paralelos, os estabilizadores verticais 22P estreitam e assim, a distância de W é diminuída entre as bordas opostas 23 dos estabilizadores verticais 22P (Figs. 23 a 24) . A colocação dos estabilizadores verticais 22P pode ser de W = D (paralelos) a W = 75% de D (a estreitar). Qualquer diminuição de W relativamente a D conduzirá ao estreitamento dos estabilizadores verticais 22P. Uma relação preferencial é W = 25% de D, que é aproximadamente uma redução de 12,5% para cada estabilizador vertical 22P, tendo por resultado uma diminuição de 25% em W relativamente a D.

Os estabilizadores verticais são colocados numa direção paralela à corrente do fluido, para mover os redemoinhos do vórtice da camada limite para mais longe da sonda 14 sem aumentar significativamente o arrasto (Fig. 13). Os estabilizadores verticais 22N e 22P podem ser de qualquer comprimento, no entanto, não obstante o comprimento, os estabilizadores verticais 22N e 22P não se estendem para além do diâmetro exterior nominal da carcaça 20. Preferencialmente, a carenagem 16A e 16B tem dimensões do comprimento ao diâmetro (diâmetro da carcaça) tais que a razão ou proporção entre o comprimento e o diâmetro está no intervalo de 1,50 a 2,50, preferencialmente igual ou maior do que 1,75 a 2,0.

As carenagens 16, 16A e 16B variam tipicamente em altura cerca de 2 a 12 pés e têm tipicamente um diâmetro de 18 aproximadamente 6 a 48 polegadas (15 a 122 cm) . As carcaças 20, 20N e 20P são montadas com liberdade de rotação sobre um elemento aproximadamente cilíndrico, tal como a sonda 14, e rodam em torno da sonda 14 para conciliar os estabilizadores verticais 22, 22N e 22P com o sentido da corrente.

As carcaças 20, 20N e 20P são configuradas para encaixar em torno da sonda 14 de forma a que proporcionem a equalização da pressão, permitam ao fluido alcançar a face de rolamento da carcaça 20 e 20N para lubrificar a face de rolamento com fluido e para permitir ao fluxo de fluido retardar o crescimento marinho. A configuração da carcaça ajuda também à rotação direcional das carcaças 20, 20N e 20P em torno da sonda 14, para alinhar a carenagem 16, 16N e 16P com a corrente.

Conforme apresentado nas Figs. 16 e 17, é contemplado um sistema de carenagem em que pode ser instalado na sonda 14 um número de segmentos da carenagem 16, 16A e 16B para rodar independente ao longo de um elemento alongado mais longo. Com os segmentos da carenagem 16A e 16B, as superfícies de rolamento superior e inferior 26N e 28N das flanges 24 permitem que cada segmento de carenagem 16A e 16B rode livremente nas flanges adjacentes 24 (Fig. 16). Numa incorporação alternativa, cada segmento de carenagem 16, 16A e 16B pode ser separado por um colar de duas secções 48 configurado de forma a permitir que cada segmento de carenagem 16, 16A e 16B rode livremente no colar 48 (Fig. 17). Numa incorporação, o colar circular 48 tem uma superfície exterior 50, uma superfície superior 52, uma superfície interior 54 e secções de extremidade 56a e b (Figs. 18 e 19). O colar 48 pode ter qualquer altura, por exemplo numa incorporação pode ser de aproximadamente 3 polegadas (7,6 cm) . O diâmetro do colar 48 dependerá do diâmetro da sonda 14 a rodear. O colar 48 inclui também uma pluralidade de espaçadores anelares 62 colocados em torno 19 da superfície interior 54 do colar 48. Os espaçadores anelares 62 fixam o colar 48 à sonda 14 e reduzem o movimento rotativo e axial deste colar induzindo esforço de aperto e proporcionando uma superfície de atrito na sonda 14. Os espaçadores 62 estendem-se exteriormente a partir da superfície interior 54 de modo que o Dl dos espaçadores anelares 62 é menor do que o Dl do colar 48. 0 número de espaçadores 62 em cada colar dependerá da circunferência do colar. Numa incorporação, serão utilizados pelo menos seis espaçadores 62.

Cada espaçador anelar 62 tem uma face do espaçador 64, uma porção intermédia 66 e um retentor do espaçador 68 (Fig. 20). O retentor do espaçador 68 é introduzido através de um furo do espaçador (não mostrado) na superfície interior 54 do colar 48. O retentor do espaçador 68 é suficientemente flexível para poder ser deformado elasticamente e passar através do furo do espaçador na superfície interior do colar 48, enquanto que a face do espaçador 64 é feita sob medida para impedir a passagem através do furo do espaçador quando uma determinada força é exercida de encontro à face do espaçador 64. Os espaçadores anelares 62 são construídos de material apropriado para induzir a interação de atrito entre o colar 48 e a sonda 14. Por exemplo, os espaçadores 62 podem ser formados por um material de poliuretano que permita que quando as duas secções do colar 48a e 48b são fixas em torno da sonda 14 haja uma compressão radial da superfície interior 54 do colar 48 na sonda 14, comprimindo assim o poliuretano e provocando atrito. As duas secções do colar 48a e 48b são colocadas em torno da sonda 14 e fixas na parte inferior do colar 58 com meios de fixação tais como um parafuso, uma porca e uma anilha roscados através de uma abertura em cada uma das secções de extremidade 56a e b. Numa incorporação preferencial, o colar incluirá uma pluralidade de furos reguladores de pressão 60 (Figs. 14 a 15). 20

As carenagens 16, 16A e 16B e o colar 48 podem ser construídos de qualquer material não metálico, de baixa corrosão, tal como o polietileno de alta ou baixa densidade, poliuretano, resina de viniléster, policloreto de vinilo (PVC) ou de outros materiais com propriedades de flexibilidade e de durabilidade semelhantes, ou placas de fibra de vidro multicamada. Estes materiais proporcionam carenagens 16, 16A e 16B e colares 48 com resistência para permanecerem na sonda 14, mas suficientemente flexíveis para permitir que sejam colocados em torno da sonda 14 durante a instalação. A utilização deste tipo de materiais elimina a possibilidade de corrosão, que pode fazer com que a carcaça da carenagem gripe em torno do elemento alongado que rodeia.

As Figs. 21 e 22 apresentam os resultados da análise que demonstram a eficácia surpreendente da carenagem 16 da invenção. A Fig. 21 é um gráfico do coeficiente de arrasto para uma tubagem desprotegida e o ADFS em função do número de Reynolds (Re) e a Fig. 22 é um gráfico de A* em função da velocidade nominal reduzida (Vrn), que é definida como Vrn = U / (fn * D) onde U é a velocidade do reboque, D o diâmetro do cilindro e fn a frequência natural do sistema. A* é a amplitude da vibração normalizada que é definida como A* = A / D. Para referência, a amplitude da vibração normalizada de uma tubagem desprotegida seria esperado estar no intervalo de 0,9 a 1,0 de modo a que esta carenagem diminuísse a amplitude da vibração significativamente mais do que 90%.

Estes testes foram conduzidos num tanque de reboque com o elemento marinho rebocado para desenvolver o movimento relativo entre a amostra de teste e a água. A amostra de teste tinha permissão para vibrar livremente no sentido transversal. A Fig. 21 ilustra o coeficiente de arrasto (Cd) para um cilindro desprotegido e para um cilindro protegido pela carenagem 16. A Fig. 22 ilustra a 21 velocidade de um cilindro desprotegido e de um cilindro protegido pela carenagem 16. Em ambos os casos, a amostra de teste tinha permissão para vibrar livremente no sentido transversal. São também apresentadas as curvas publicadas do Cd em função do número de Reynolds para uma tubagem desprotegida fixa. A vibração transversal provocada pela VIV causa um aumento considerável no Cd. Com a carenagem 16 instalada, os coeficientes de arrasto são significativamente reduzidos, relativamente à tubagem fixa de oscilação livre para 0,4 ou menos. Além disso, a instalação da carenagem 16, faz com gue a vibração seja reduzida pelo menos 90% e até 95 a 99%. A Fig. 22 ilustra também o desempenho surpreendentemente superior, na supressão da VIV da carenagem da invenção 16 e 16A, mostrando gue a eficiência da carenagem 16 e 16A é de aproximadamente 95%. A* para uma tubagem desprotegida é acima de 0,8, enquanto que uma tubagem equipada com a carenagem da invenção possui um A* de aproximadamente 0,01. O gráfico ilustra que as vibrações laterais causadas pela VIV são quase totalmente eliminadas.

Os resultados dos testes mostraram, como ilustrado na Fig. 25, que conforme W diminui relativamente a D, o coeficiente de arrasto é reduzido. O gráfico da Fig. 25 mostra o Coeficiente de Arrasto (Cd) comparado com a Velocidade do Vento "V", onde cada linha no gráfico representa uma diferente razão W:D. As linhas AI e A2 representam uma montagem de estabilizadores verticais paralelos onde W = D, a linha B representa o arrasto para uma estabilizador vertical estreitado onde W = 75% de D (W = 0, 75 de D) , a linha C representa o arrasto para um estabilizador vertical estreitado onde W = 50% de D (W = 0,50 de D) e a linha D representa o arrasto para um estabilizador vertical estreitado onde W = 5% de D (W = 0, 05 de D) (quase em contacto) . Inicialmente conforme a distância de W se afasta do valor de D, há uma grande 22 alteração no Cd. Conforme a distância de W vai diminuindo ainda mais a redução no Cd é menor do que inicialmente. Como pode ser verificado no gráfico da Fig. 25, uma redução em 25% da distância de W em relação a D mostra no inicio que ocorre uma grande queda no Cd (diferença entre as linhas Al, A2 e a linha B), enquanto que uma redução de 50% a 75% da distância W em relação a D apresenta uma mudança menor no Cd (diferença entre as linhas Ce D). Esta tendência continua até ao ponto onde a distância de W é reduzida a 0 e os estabilizadores verticais 22P estão em contacto.

Embora a presente invenção e as suas vantagens tenham sido descritas em detalhe, deve ser compreendido que podem ser feitas diversas mudanças, substituições e alterações sem sair do espirito e do âmbito da invenção como definida pelas reivindicações apensas. Além disso, o âmbito da aplicação atual não pretende ficar limitado às incorporações particulares do processo, da máquina, do fabrico, da composição da matéria, dos meios, dos métodos e das etapas descritos na especificação. Assim que a partir da divulgação da presente invenção, uma das competências normais no estado da técnica seja prontamente apreciada, processos, máquinas, fabrico, composições da matéria, meios, métodos ou etapas, presentemente existentes ou a serem desenvolvidos mais tarde que executem sensivelmente a mesma função ou consigam praticamente o mesmo resultado que as incorporações correspondentes aqui descritas, pode ser utilizada de acordo com a presente invenção. Consequentemente, as reivindicações apensas pretendem incluir dentro do seu âmbito estes processos, máquinas, fabrico, composições da matéria, meios, métodos ou etapas. 23

REFERENCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente Europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente citados na descrição us 4474129 A [0006] us 4398487 A [0006] us 5410979 A [0006] us 6048136 A [0006] us 6067922 A [0006] us 6223672 B [0006] us 6517289 B [0006] us 6401646 B [0053]

Claims (17)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um conjunto de carenagem para a redução da vibração induzida por vórtices, minimização do arrasto e eliminação do fenómeno de galope sobre um elemento aproximadamente cilíndrico imerso num meio fluido, compreendendo: um elemento cilíndrico; uma carenagem montada com liberdade de rotação sobre o elemento cilíndrico, caraterizada pelo facto de que a referida carenagem tem uma carcaça em forma de U com bordas opostas que definem uma abertura longitudinal e estabilizadores verticais paralelos que se estendem exteriormente a partir das bordas opostas da carcaça.

2. Um conjunto de carenagem de acordo com a reivindicação 1 que compreende uma pluralidade das referidas carenagens, montadas com liberdade de rotação em torno do elemento cilíndrico. 3. 0 conjunto de carenagem da reivindicação 2, incluindo também uma flange nas bordas superior e inferior de cada carenagem, estendendo-se cada flange em torno da circunferência da carcaça e exteriormente a partir da carcaça, onde as flanges em cada carenagem são configuradas de forma a que permitam que cada carenagem rode livremente numa carenagem adjacente. 4. 0 conjunto de carenagem da reivindicação 2, onde um colar circular é posicionado entre cada uma das pluralidades de carenagens, sendo o colar configurado de forma a que permite que cada carenagem rode livremente no colar. 2 5. 0 conjunto de carenagem da reivindicação 4, onde o colar está em duas secções mantidas unidas por meios de fixação para fixar o colar em torno do elemento cilíndrico. 6. 0 conjunto de carenagem da reivindicação 4, onde o colar inclui uma pluralidade de espaçadores anelares compatíveis que se estendem exteriormente a partir de uma superfície interior do colar, sendo os espaçadores configurados para induzir a interação de atrito entre o colar e o elemento cilíndrico.

7. Uma carenagem que tem uma carcaça em forma de U com bordas opostas que definem uma abertura longitudinal e estabilizadores verticais paralelos que se estendem exteriormente das bordas opostas da carcaça, para utilização num conjunto de carenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes.

8. A carenagem da reivindicação 7, compreendendo ainda uma chumaceira configurada para encaixar na abertura da carcaça entre as bordas opostas da carcaça e os estabilizadores verticais paralelos.

9. A carenagem da reivindicação 8, onde a chumaceira tem uma superfície interior curvada e superfícies laterais em alinhamento paralelo com cada um dos estabilizadores verticais.

10. A carenagem da reivindicação 8, onde cada carenagem inclui pelo menos uma chumaceira para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico.

11. A carenagem da reivindicação 10, onde cada carenagem inclui uma pluralidade de chumaceiras para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico. 3

12. A carenagem da reivindicação 7, incluindo ainda pelo menos um conjunto de conectores opostos para fixar a carenagem a um elemento cilíndrico, sendo cada conector posicionado sobre uma superfície interior de cada estabilizador vertical paralelo.

13. A carenagem da reivindicação 12, onde os estabilizadores verticais incluem uma pluralidade de conectores opostos.

14. A carenagem da reivindicação 12, onde cada conector inclui uma abertura configurada para receber meios de fixação para fixar os conectores opostos conjuntamente.

15. A carenagem da reivindicação 12, incluindo ainda uma flange nas bordas superior e inferior da carenagem, que se estende em torno da circunferência da carcaça e exteriormente à mesma.

16. A carenagem da reivindicação 15, onde a flange inclui pelo menos um entalhe em forma de V.

17. A carenagem da reivindicação 7, onde cada estabilizador vertical não se estende para além do diâmetro exterior da carcaça.

18. A carenagem da reivindicação 7, onde a carenagem é construída de um material não metálico, de baixa corrosão, selecionado de um grupo que consiste em polietileno, poliuretano, resina de viniléster, policloreto de vinilo e fibra de vidro.

19. A carenagem da reivindicação 7, onde a carcaça tem um diâmetro exterior D e os estabilizadores verticais têm uma distância W entre as bordas opostas dos 4 estabilizadores verticais.

20. A carenagem da reivindicação 19, onde a razão de W para D é desde W = D a W = 75% de D.

21. A carenagem da reivindicação 7, onde os estabilizadores verticais paralelos se estreitam para dentro.