SISTEMA DE MONITORAMENTO DE ARAMES DA ARMADURA DE TRAÇÃO DE DUTOS FLEXÍVEIS E MÉTODO DE APLICAÇÃO
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um sistema de inspeção e monitoramento em tempo real dos arames das linhas flexíveis de coleta e produção, conhecidas no meio técnico como "riser". O sistema possibilita um acompanhamento constante das condições das estruturas internas de um riser, especificamente das suas armaduras de tração. A tecnologia proposta informa com precisão eventos de ruptura dos arames externos e internos da armadura de tração de dutos flexíveis, possibilitando avaliar riscos de falhas na integridade da estrutura de um riser.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
Em sistemas marítimos de produção, o petróleo produzido nos poços localizados no fundo do oceano é transportado até uma unidade estacionária de produção (UEP) por meio de tubulações. O conjunto de tubulações de linhas umbilicais eletro-hidráulicas, injeção de água e bombeamento de óleo e gás, é convencionalmente denominado linha de coleta e produção.
Este conjunto de tubulações, que constituem as linhas de coleta e produção, se subdivide basicamente em duas porções distintas:
- A primeira porção, preponderantemente horizontal denominada: trecho horizontal, sendo esta estática, e conhecida especificamente no jargão técnico por "flowline".
- A segunda porção, é constituída por uma tubulação preponderantemente vertical, conectada à extremidade do trecho horizontal e que ascende do leito do mar até o casco da plataforma onde se acoplará denominada: trecho vertical, que é conhecido e doravante denominado pelo seu jargão técnico "riser".
O termo vertical aqui empregado não deve ter uma interpretação rigorosa, uma vez que a distância entre a plataforma e o ponto de conexão
ao "flowline", aliada ao peso do próprio riser, obriga que este trecho assuma uma configuração substancialmente curva conhecida como catenária.
Existem no mercado basicamente dois tipos de risers: os rígidos e os flexíveis, ambos são afixados à plataforma por meio de estruturas de suporte especialmente projetadas para sustentar e resistir aos seus esforços, que tanto podem ser resultantes do peso próprio, como de seus movimentos.
A título ilustrativo, alguns fatores mais evidentes que atuam em um riser são: a ação da pressão interna dos fluidos e externa do meio ambiente, o atrito interno entre as suas diversas camadas constituintes, a corrosão, e a fadiga que é consequência da conformação estrutural do riser. Além destes fatores pode-se destacar todo o tipo de influência do meio em que a estrutura está montada, tais como correntes marinhas, salinidade, alteração das marés, ondas, incrustação de organismos vivos.
As marés atuam especificamente na porção preponderantemente vertical do riser, submetendo-o a grandes esforços resultantes dos deslocamentos da plataforma, que se movem continuamente no sentido vertical e horizontal.
Em síntese, o riser pode estar submetido a diversas cargas tais como: tração axial, o peso próprio da estrutura, a carga resultante das ondas, força de arrasto devido a correntes e efeitos corrosivos do meio ambiente e do fluido interno. A maioria desses esforços é cíclica, e induzem fadiga na estrutura, e por isso esta deve ser periodicamente inspecionada.
Ao se adotar o sistema de "risers flexíveis", mais algumas dificuldades são acrescidas devido a sua configuração construtiva. Estes tipos de risers são constituídos pela sobreposição de pelo menos seis camadas interdependentes e de composições totalmente diferentes: a primeira e mais interna é a carcaça interna, seguida por uma camada
polimérica de pressão. Em sequência tem-se a armadura de pressão, a camada interna de armadura de tração e a camada externa de armadura de tração compostas de arame de aço trançado. Sobrepondo-se a todas as anteriores ainda se tem uma camada polimérica externa.
Atualmente para se afixar a extremidade superior de um riser flexível ao seu respectivo suporte na UEP, a extremidade do riser tem que ser afixada a um dispositivo, o qual vai ser o meio de engate e sustentação entre o riser propriamente dito e o suporte. Este dispositivo é conhecido no meio técnico por conector.
Assim, temos um cenário específico em que os esforços resultantes do peso e movimento de um riser se concentram nesta região. Esta região é representada por três componentes de uma linha de coleta e produção, a saber: um suporte, um conector e a extremidade livre de um riser flexível.
Os três componentes interagem diferentemente entre si. Enquanto o suporte apresenta uma restrita liberdade de movimento em relação ao respectivo conector, este deve interagir fixamente em relação aos seis componentes que formam o riser flexível.
O histórico de dissecações de conectores de risers que estavam em operação ou que foram submetidos a testes de qualificação evidencia que há uma seção crítica de falha do riser principalmente localizada no interior do conector, e esta é justamente a seção na qual as duas armaduras de tração sofrem suas maiores cargas de esforços cíclicos de fadiga.
As concentrações de tração combinada com torção que ocorre nessa região aceleram o processo de fadiga dos arames.
Em virtude de o riser ser um elemento tão crítico para a continuidade da produção, bem como para a segurança do meio ambiente, e ao mesmo tempo ser um elemento submetido aos mais diversos esforços que podem atuar simultaneamente sobre sua estrutura, é necessário que o riser seja submetido à rigorosa inspeção periódica, e se
possível, a um monitoramento contínuo, a fim de que se possam detectar sinais precoces de fadiga, e assim tomar as providências para mitigar ou eliminar os esforços causadores do problema. Ou até mesmo providências no sentido de substituir o trecho como prevenção de um vazamento ou acidente de maior proporção.
Os risers flexíveis vinham sendo usualmente monitorados por meio de inspeções visuais. Estas verificações são realizadas por mergulhadores e/ou veículos de operação remota. Depois foram adotados robôs de inspeção externos e internos, providos com os mais variados dispositivos de análise não destrutiva, comumente aplicados, tais como: equipamentos de ultrassom ou técnicas baseadas em campos magnéticos induzidos ou raio X.
Atualmente existem métodos que permitem realizar remotamente um trabalho de monitoramento mais intrínseco, com o uso de fibras ópticas. Trata-se de uma das tecnologias mais recentes, revelada pelo documento de patente brasileira PI 0801011-0 para realizar o monitoramento especificamente da armadura externa de tração do riser.
O referido método consiste em prover sensores de fibra óptica aderidos aos arames que compõem a camada externa da armadura de tração dos risers. O sistema de monitoração proposto oferece informações contínuas sobre as tensões que atuam em cada arame da camada externa da armadura.
No entanto, esta técnica, a partir das informações fornecidas, não permite ao operador inferir com certeza as condições da integridade das camadas internas de arames estruturais.
Por meio do referido sistema de monitoração é possível formar um histórico das tensões individuais da armadura externa, realizando comparações com o histórico de cenários padrões, e assim avaliar uma possível falha por ruptura. O nível de incerteza quanto ao real risco de cada caso é proporcional ao desconhecimento do verdadeiro estado de
integridade das camadas inferiores da armadura de tração.
O pedido de patente brasileiro PI 1 100228-0, versa sobre um dispositivo que, além de possibilitar a inspeção visual da camada externa de armadura de tração do riser, permite também abrigar diversos meios de monitoramento, com o intuito de verificar a integridade dos arames da armadura de tração do riser. As técnicas disponíveis no mercado, entretanto, não provêm informações sobre a integridade das camadas internas de arames estruturais do riser.
Por maior que sejam as informações disponibilizadas sobre a integridade dos arames da camada externa de um duto flexível, a falta de dados precisos sobre as camadas internas de arames da armadura de tração, não permite uma avaliação estrutural real do riser. As variáveis envolvidas neste cenário tornam-se imprecisas para permitir uma estimativa segura quanto à capacidade de resistência do riser à condições normais ou eventuais de operação que possam vir a ocorrer durante sua vida útil, visto que dependendo da quantidade e/ou da disposição de arames comprometidos das camadas internas da armadura de tração, a situação de segurança do referido riser pode ser considerada sob risco, mesmo que sua camada externa se apresente íntegra.
Até o momento, não há na técnica disponível, ou procedimento, instrumento capaz de realizar uma análise integral, precisa e constante, referente à integridade dos arames das camadas de armadura de tração do riser, de forma a definir as variáveis, e auferir confiabilidade às análises de risco.
A atual invenção foi desenvolvida a partir da filosofia de possibilitar uma verificação integral e contínua do riser flexível, principalmente das camadas internas de arames.
Neste sentido foi desenvolvido um sistema capaz de verificar a integridade dos arames de ambas armaduras de tração, preferencialmente na área crítica do riser.
A invenção descrita a seguir decorre da contínua pesquisa neste segmento, objetivando disponibilizar mais um meio de inspeção e análise. Também visa prover um novo conceito de inspeção, que pode ser adotado como base para novos parâmetros de certificação.
Outros objetivos que o sistema de monitoramento de arames da armadura de tração de dutos flexíveis e método de aplicação, objeto da presente invenção, se propõem alcançar são a seguir elencados:
1 ) informar as condições de cada armadura de tração do riser;
2) permitir especificar e quantificar o estado de cada arame das armaduras de tração internas e externa;
3) gerar um histórico de informações para posterior análise e pesquisas;
4) possibilitar adquirir os dados mesmo com o riser em operação;
5) ser aplicável a qualquer segmento do riser, novo ou já em operação;
6) reduzir os riscos de acidentes inesperados;
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em um primeiro aspecto, a invenção compreende um sistema aplicável ao monitoramento contínuo das armaduras de tração de um riser, constituído por um conjunto de componentes arranjados sistematicamente do seguinte modo:
Uma cápsula de inspeção visual, que é disposta em torno do corpo de um riser. A referida cápsula é capaz de abrigar: (i) um arranjo de sensores do tipo extensômetro, os quais são afixados diretamente sobre cada arame da armadura externa, e (ii) pelo menos um sensor do tipo acelerômetro, ambos instalados em um mesmo trecho de um riser.
Os dados gerados pelos sensores extensômetros e acelerômetros são enviados de maneira ininterrupta a um módulo de processamento de dados na superfície, por meio de um cabo de transmissão de dados.
O referido módulo de processamento de dados é capaz de realizar a
recepção e o tratamento dos dados captados pelos sensores extensômetros e acelerômetros, sincronizando-os em uma mesma linha de tempo, sendo programado para confrontar os dados captados em cada intervalo de tempo.
O módulo de processamento de dados também é capaz de acumular um histórico das informações instantâneas sobre cada arame das armaduras de tração.
Em um segundo aspecto a invenção compreende um método, que resumidamente compreende as seguintes etapas:
- gerar sinais por uma série de sensores tipo extensômetro e tipo acelerômetro, instalados no interior da capsula de inspeção visual;
- enviar os referidos sinais de maneira ininterrupta a um módulo de processamento de dados na superfície por meio de um cabo de transmissão de dados;
- tratar os sinais, modular e sincronizar em uma mesma linha de tempo por meio de um módulo de processamento de dados.
- confrontar os dados do sensor tipo extensômetro com os dados do sensor tipo acelerômetro, para um mesmo intervalo de tempo.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, em conjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente a título de exemplo, acompanham o presente relatório, do qual é parte integrante, e nos quais:
A Figura 1 retrata uma vista em perspectiva da configuração preferida da atual invenção, e detalhamento específico.
A Figura 2 apresenta um gráfico que retrata a variação dos valores de deformação ao longo do tempo.
A Figura 3 apresenta um gráfico onde se retrata a variação dos valores de aceleração ao longo do tempo.
A Figura 4A apresenta um gráfico onde se retrata a variação dos
valores de deformação e aceleração conjugados ao longo do tempo para um evento de rompimento do arame externo.
A Figura 4B apresenta um gráfico onde se retrata a variação dos valores de deformação e aceleração conjugados ao longo do tempo para um evento de rompimento do arame interno.
A Figura 4C apresenta um gráfico onde se retrata a variação dos valores de deformação e aceleração conjugados ao longo do tempo para um evento em que não houve rompimento de arames.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
O sistema de monitoração de arames da armadura de tração de dutos flexíveis, objeto da presente invenção, foi desenvolvido a partir de pesquisas que visam principalmente fornecer com precisão informações sobre as condições estruturais dos arames de todas as camadas de armadura de tração de um riser.
O sistema proposto acumula um histórico de uma série de informações instantâneas sobre cada arame das armaduras de tração. Estas informações, por serem cadastradas ao longo de uma linha de tempo, permitem a análise de integridade estrutural instantânea do riser, como também a associação do momento de um evento crítico às condições externas ou esforços atuantes na estrutura durante o mesmo período de tempo. Estas informações não só apresentam importância para as decisões referentes às ações de manutenção e reparo, mas posteriormente, também servirão para análise de projetos futuros.
A Figura 1 mostra uma representação esquemática em que é possível visualizar um arranjo da invenção proposta (100).
O sistema de monitoramento de arames da armadura de dutos flexíveis (100) basicamente compreende: (i) um arranjo de sensores (10) do tipo extensômetro, e (ii) pelo menos um sensor do tipo acelerômetro (20) instalado preferencialmente sobre os arames (1 ) da armadura externa (2) de um riser (4). Os referidos sensores são instalados utilizando-se uma
cápsula de inspeção visual (30) em torno do corpo do riser (4), que seja capaz de abrigar os dois tipos de sensores em um mesmo trecho de um riser (4).
Estes componentes são amplamente conhecidos no mercado e já utilizados como sensores de inspeção remota de risers. Assim, para um melhor entendimento da invenção proposta, algumas técnicas de monitoramento disponíveis, que utilizam os componentes acima citados e necessários à realização do sistema (100) proposto, serão resumidamente comentadas a seguir.
Atualmente é possível utilizar sensores do tipo extensômetro com fins de detectar as condições de integridade dos arames de um riser (4). O método conhecido da técnica é capaz de coletar dados em intervalos de tempo pré-determinados, com os quais é possível montar um quadro informativo sobre o histórico de variações de deformações (Δε) detectadas. A aplicação da técnica permite gerar um gráfico tal qual o exemplificado na Figura 2, onde são plotadas as informações de deformações (Δε) de vários arames ao longo de uma linha de tempo. Com estas informações é possível determinar o estado dos arames nos quais os sensores do tipo extensômetro são instalados. Quando a amplitude de variação do valor da deformação (Δε) atingida ultrapassa um patamar pré- determinado, caracteriza-se um evento crítico.
No entanto, a técnica em questão só permite a instalação de sensores do tipo extensômetro nos arames da armadura externa de tração dos risers (4), pois não há como realizar a referida instalação também nos arames das armaduras internas de tração. Assim sendo, as informações do gráfico são principalmente referentes à integridade estrutural dos arames da armadura externa do riser (4).
Já foram detectadas alterações por esta técnica com valores de deformação (Δε') menos significativos, tal qual o exemplificado pela referida Figura 2, cuja amplitude não apresenta grandeza suficiente para
indicar ruptura do arame monitorado. Estas leituras, na prática, não puderam ser associadas com convicção ao estado de integridade dos arames da armadura imediatamente inferior a que estava sendo originalmente monitorada pelos sensores do tipo extensômetro.
Em relação aos sensores tipo acelerômetro, são atualmente utilizados de modo a detectar as condições de aceleração do corpo de um riser (4). A técnica conhecida necessita coletar dados em intervalo de tempo contínuo, com os quais é possível montar um quadro informativo sobre o histórico de acelerações detectadas na estrutura como um todo.
Resumidamente, a técnica gera um gráfico tal qual o exemplificado na Figura 3, onde são plotadas as informações de acelerações ao longo de uma linha de tempo. Com estas informações da leitura dos valores de aceleração da estrutura é possível determinar que em um determinado momento ocorreu um breve desequilíbrio, de amplitude significativa. A amplitude dessa alteração representa uma ruptura de um dos arames de uma das armaduras de tração do riser.
Assim ao longo do monitoramento é possível determinar apenas a quantidade de arames que sofreram ruptura em um riser. Por outro lado, os diferentes eventos com valores alterados, que são registrados por um acelerômetro, não podem ser associados especificamente a uma das armaduras de tração do riser.
Deve-se salientar que o monitoramento realizado por um acelerômetro deve ocorrer de maneira contínua, pois se os intervalos de captação de dados forem muito grandes, podem ser registradas medições antes ou após o momento da ruptura, deixando de indicar o momento exato da ocorrência do referido evento.
Voltando a Figura 1 , a qual mostra uma representação esquemática preferida do arranjo da invenção agora proposta, pode-se perceber que o sistema de monitoramento de arames da armadura de dutos flexíveis (100) dispõe os referidos sensores em um mesmo trecho do riser (4), e
consequentemente utiliza uma combinação de dados concentrados e sequenciais, que são processados sob um critério de análise distinto, capaz de revelar a quantidade e a localização dos arames rompidos.
Um histórico de dissecações de risers (4) que estavam em operação, ou que foram submetidos a testes de qualificação, evidenciaram que há uma seção crítica de falha do riser, principalmente localizada no interior de conectores (3). Esta é justamente a seção na qual as armaduras de tração sofrem suas maiores cargas de esforços cíclicos de fadiga. A concentração de cargas de tração que ocorre nessa região acelera o processo de fadiga dos arames.
A atual invenção foi desenvolvida a partir da filosofia de alojar o sistema de monitoramento de arames da armadura de dutos flexíveis (100), preferencialmente nesta área do riser (4).
Assim, uma cápsula de inspeção visual (30) é afixada na região do conector (3), na extremidade superior de, um riser (4). Preferencialmente pode-se utilizar como cápsula de inspeção visual (30), um equipamento do tipo escotilha para monitoramento e inspeção de riser flexível, descrito no documento PI 1 100228-0, o qual é capaz de abrigar todos os sensores, inclusive os que necessitam de serem dispostos diretamente sobre a armadura externa (2), mantendo toda a região abrigada das intempéries do meio ambiente.
A armadura externa (2) de tração do riser (4) localizado no interior da cápsula de inspeção visual (30) é provida com um arranjo de sensores (10) do tipo extensômetro, com pelo menos um sensor afixado em cada um dos seus arames (1 ).
Os sensores (10) extensômetros podem ser do tipo óptico ou do tipo resistivo. Preferencialmente, o sistema de monitoramento de arames da armadura de dutos flexíveis (100) utiliza sensores (10) extensômetros do tipo óptico.
Ainda dentro da cápsula de inspeção visual (30), pelo menos um
sensor (20) acelerometro é afixado diretamente sobre a armadura externa (2) do riser (4) ou sobre a parede interna da cápsula de inspeção visual (30).
Os dados gerados pelos sensores extensômetros (10) e pelos sensores acelerômetros (20) são enviados a um módulo de processamento de dados (50), por meio de um cabo de transmissão de dados (60).
O referido módulo de processamento de dados (50) é capaz de realizar a recepção e o tratamento dos dados captados pelos sensores tipo extensômetros (10) e tipo acelerômetros (20), sincronizando-os em uma mesma linha de tempo, sendo programado para confrontar os dados captados em cada intervalo de tempo.
Assim o processamento obedecerá a um método básico de comparação das informações, resultando como resposta a confirmação de uma ruptura de arame (1 ), bem como a determinação exata da camada de armadura de tração em que ocorreu o evento.
O princípio de aplicação do método de processamento das informações, programado no módulo de processamento de dados (50), pode ser mais bem compreendido por meio dos gráficos mostrados na série de Figuras 4A, 4B, 4C.
O método de análise de processamento pode ser representado por uma simulação esquemática segundo a qual em um mesmo gráfico são dispostos paralelamente os diversos dados provenientes dos sensores tipo extensômetro (10) e tipo acelerometro (20), capazes de gerar eventos na armadura externa (2) ou internas (2') de tração de um riser (4).
O gráfico mostrado na Figura 4A revela uma situação em que os dados fornecidos pelo sensor tipo extensômetro (10) gerou um sinal indicativo de uma alteração de valor significativo em um dado período de tempo. No mesmo período de tempo o sensor tipo acelerometro (20) também fornece dados com alterações de valores já conhecidos para um
evento de rompimento. Os dois dados apresentam amplitudes de alterações de valores significativos em um mesmo período de tempo. Esta combinação de informações representa a confirmação de uma ocorrência de ruptura de arame (1 ) da armadura externa (2) de um riser (4).
O gráfico mostrado na Figura 4B revela uma situação em que os dados fornecidos pelo sensor tipo extensômetro (10) gerou um sinal de uma alteração de valor pouco significativo em um dado período de tempo. No entanto no mesmo período de tempo o sensor acelerômetro (20) também fornece dados com alterações de valores já conhecidos para um evento de rompimento.
Apesar dos dados gerados pelo sensor tipo extensômetro (10) não caracterizarem um rompimento da armadura externa (2), a combinação das duas informações em um mesmo período de tempo pode representar uma ocorrência de ruptura de arame (1 ) da armadura interna (2') de um riser (4). Não havendo dano na superfície da armadura externa (2), confirma-se o rompimento do arame (1 ) localizado na armadura de tração interna (2') imediatamente abaixo ao ponto de captação dos dados do respectivo sensor extensômetro (10).
O gráfico mostrado na Figura 4C revela uma situação em que os dados fornecidos pelo sensor tipo extensômetro (10) gerou um sinal de uma alteração de valor pouco significativa em um dado período de tempo. Em outro período de tempo próximo, mas não coincidente, o sensor acelerômetro (20) também fornece dados com alterações de baixa ou moderada amplitude.
Os dois dados apresentam amplitudes de alterações de valores pouco significativas em período de tempo próximo. Esta combinação de informações representa a confirmação da inexistência de ocorrência de ruptura de arame (1 ) em qualquer das armaduras de tração.
Nas situações exemplificadas pelos gráficos das Figuras 4A e 4B, o módulo de processamento de dados (50) reconhecerá e indicará a
combinação de informações como a confirmação de uma ocorrência de ruptura de arame (1 ) da armadura externa (2) ou interna (2') de um riser (4), respectivamente.
O potencial de uso das informações armazenadas módulo de processamento de dados (50) ao longo de um período de monitoração, não se restringem às combinações acima apresentadas, as quais apenas representam o princípio de aplicação do método de processamento das informações programado no módulo de processamento de dados (50).
O método de aplicação imediata do sistema de monitoramento de arames da armadura de dutos flexíveis (100), dentro do conceito acima explicado, compreende basicamente as seguintes etapas:
1 o - gerar sinais simultânea e ininterruptamente por uma série de sensores tipo extensômetro (10), dispostos diretamente sobre os arames (1 ) da armadura externa (2) de um riser (4), e por pelo menos um sensor tipo acelerômetro (20), instalado no interior de uma cápsula de inspeção visual (30);
2o - enviar os referidos sinais de maneira ininterrupta a um módulo de processamento de dados (50), instalados na superfície, por meio de um cabo de transmissão de dados (60);
3o - tratar os sinais, modular e sincronizar em uma mesma linha de tempo por meio do módulo de processamento de dados (50); 4o - confrontar os dados do sensor tipo extensômetro (10) com os dados do sensor tipo acelerômetro (20), para o mesmo intervalo de tempo;
5o - identificar a ocorrência de ruptura de arame (1 ) em qualquer das armaduras de tração, a cada alteração simultânea de valores detectada nos dados gerados por qualquer dos sensores, seja do tipo extensômetro (10) ou do tipo acelerômetro (20). O sistema para análise de arames da armadura de dutos flexíveis (100), não só aumenta a precisão das informações referentes ao estado
da integridade estrutural das camadas de armadura de tração de um riser, como também fornece informações preciosas sobre as reações geradas na armadura de tração perante eventos externos, detectados durante a vida útil de um riser.
Outras vantagens inquestionáveis da aplicação do sistema para análise de arames da armadura de dutos flexíveis (100) são:
- a redução do risco de acidentes com consequências danosas ao meio ambiente, e
- a garantia de uma manutenção preventiva sempre dentro dos parâmetros de segurança.
A invenção foi aqui descrita com referência sendo feita à suas concretizações preferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada a essas concretizações, e aqueles com habilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações e substituições podem ser feitas dentro deste conceito inventivo aqui descrito: