WO2016172772A1 - Conexão em material de liga de memória de forma e seus usos - Google Patents

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WO2016172772A1
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pipe
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layer
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Alan ZARAGOZA LABES
Ana Maria GUIMARÃES GUERREIRO
Thiago Simões CASTANHEIRA FRANCIS CHEHUAN
Raquel SILVEIRA BORGES
Sandro Eugenio DA SILVA
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Fmc Technologies Do Brasil Ltda
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    • F16B2200/77—Use of a shape-memory material

Definitions

  • the present invention relates to a connection for hydraulic pipelines using memory alloy material in a manner employed, notably in subsea equipment.
  • SMA Silicon Memory Alloy
  • SMA is an alloy that, when deformed, returns to its original shape if heated, "remembering" its original shape.
  • the shape memory alloy When the shape memory alloy is in its cold state, the metal may be bent or stretched differently, which will be held until heated above the transition temperature. After heating, the shape changes back to its original.
  • This alloy has been used as a pipe connection for coupling or joining in underwater environments, replacing the orbital welding process that is commonly used.
  • Underwater Christmas trees are used in oil and gas fields. An underwater Christmas tree monitors and controls a well's output, managing injected fluids and gas into the well. Underwater Christmas trees have multiple pipe connectors, and the connections are required to be efficient enough to prevent leakage.
  • the orbital welding process is often used for the connection of hydraulic pipes, but there are some problems during this process, including, for example, special pipe preparation, use of specific machines to be used for orbital welding, skilled professionals, complex welding procedure, post-welding preparation, visual X-ray inspection including your entire preparation process, ample workspace and a huge time to perform the operation, among others.
  • connection voltage is not affected by vibration or impact
  • EP0632224B1 discloses a solution for subsea couplings or connections effected through a configuration comprising an anti-corrosive material around the pipe, and then the memory alloy is coated with the same pipe material to prevent corrosion. galvanic and hydrogen embrittlement.
  • This solution although employing shape memory alloy, has a drawback related to the need to deposit the material on top of the shape memory alloy, which material must necessarily be of the same composition as the tube, as otherwise it will occur. galvanic corrosion and any deposition failure will make the material susceptible to corrosion. Also, special attention should be given to the thickness of the deposition on the memory alloy material so that the flexibility of movement of the relaxation material and its contraction are not compromised and thus impair the connection.
  • connection has been developed using shape memory alloy material in accordance with the present invention which is used in underwater Christmas trees or any other equipment. submarine requiring coupling between pipes, even in the presence of corrosive water and various hydraulic fluids and chemicals, both inside and outside the pipes.
  • connection with memory alloy material of a form especially suitable for use in coupling of subsea equipment pipelines which require greater security with respect to coupling firmness and seal tightness.
  • they are applied under adverse conditions with respect to the performance of the coupling itself as well as the precautions to be taken regarding the corrosive effects of these environments where such pipes work and the fluids carried by them.
  • Another object of the present invention is to provide a connection with memory alloy material such that it is resistant to hydrogen embrittlement.
  • a further object of the present invention is to provide a connection with shape memory alloy material onto which a more corrosion resistant metal material may be deposited, depending upon the application and working environment.
  • Yet another object of the present invention is to provide a connection with memory alloy material such that it is not hydrogen embrittled as it has cathodic shielding isolation, for example a dielectric material between the anti-corrosive material and the memory alloy material.
  • connection object of the present invention as well as its preferred embodiment, will be described below with reference to the accompanying illustrative figures, which in a schematic and non-limiting manner represent:
  • Figure 4 is a perspective view of a fitting and its pipe assembled in accordance with an embodiment of the invention.
  • a glove-like connection of shape memory alloy material (1) originally manufactured with its internal diameter (D1) is provided. ) smaller than the outside diameter (D4) of said pipe (4).
  • Said glove-like connection of shape memory alloy material (1) internally has a dielectric material coating layer (2) and, more internally, a glove or layer (3) of anti-corrosive material, for example Inconel®, which is a nickel-chrome alloy with molybdenum and niobium addition.
  • This layer (3) of anti-corrosive material is installed adjoining the outer face of said pipe (4) and internally has prominent portions (5) designed to grasp the outer surface of the pipe (4), forming ridges (6).
  • the dielectric material layer (2) prevents the coupling from being associated with cathodic protection.
  • the connection according to the present invention will not suffer from hydrogen embrittlement.
  • the shape memory alloy material connection (1) according to the present invention need not be covered or lined with any type of corrosion resistant material as there will be no problem associated with water contact of the sea.
  • the dielectric material layer (2) should be of adequate thickness only to avoid problems of connection rupture by mechanical stresses on the pipe.
  • the thickness of the dielectric material layer (3) may range from 0.05 to 1.00 mm.
  • a coating may be considered to be applied over the shape memory material connection (1) to provide protection of the connection against possible unforeseen potential increase (voltage), for example promoted by deposition. of bacteria creating a biofilm film / layer. Typical coatings for this additional protection are those based on polyolefin or the like.
  • Figure 4 illustrates connection of shape memory alloy material (1) and assembled tubing (4) according to an embodiment of the invention and when return to normal working temperature, observing the return to its original form and consequent compression in the piping (4).
  • connection will depend on the type of insulation material.
  • the material is Nomex® qualifies a connection to work at a temperature of about 0 C to 60 C and for 25 years in the undersea environment.
  • connection only The connection for hydraulic piping employed in subsea equipment using shape memory alloy material according to the present invention, hereinafter referred to as connection only, has undergone several tests such as gas sealing, pneumatic, hydrostatic explosion, hyperbaric. , rotation and bending, tension, high impact, thermal cycle and high temperature, proving efficient and qualifying for applications in control of hydraulic lines of subsea equipment.
  • the present test consisted of placing the tubes with the fitting immersed in a 3.5% NaCl solution at two distinct temperatures, 140 ° C and 160 ° C and total pressure of 3200 psi.
  • the tubes were first placed inside an 8 liter solution autoclave. A piece of loose Nomex® paper was also placed, the same used to isolate the pipe connection. [024] Then, the autoclave was filled with the test solution.
  • the autoclaves were closed, heated to the test temperature ( ⁇ 40 ° C and ⁇ ⁇ ' ⁇ ) and pressurized to 3200 psi with N 2 .
  • the test lasted 15 days and after that time the samples were taken from the autoclaves to be evaluated.
  • the cathodic protection test consisted of cathodically polarizing the connection + tube assemblies at -1 .4V E cs after they were removed from the aging test to verify the absence of hydrogen bubbles on the connection.
  • the test was performed using a 3.5% NaCI solution and an IVIUM® potentiostat to apply the desired voltage.
  • a graphite electrode was used as counter electrode and saturated calomel electrode as reference electrode.
  • this new connection for subsea equipment hydraulic pipelines object of the present invention, provides a memory tube coupling in a manner resistant to hydrogen embrittlement and corrosion. Still, they get Substantial reduction in costs and complexity of deployment, operation, assembly, maintenance, time and logistics, as well as better reliability of said shape memory alloy material connection in subsea piping systems.

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Abstract

A presente invenção trata de uma conexão para conectar tubulações hidráulicas empregadas em equipamentos submarinos utilizando material de liga de memória de forma. A conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1) é fabricada originalmente com seu diâmetro interno (D1) menor que o diâmetro externo (D4) da tubulação (4), possuindo internamente uma camada de revestimento de material dielétrico (2) e, mais internamente, uma camada de material anti-corrosivo (3) contígua à face externa da dita tubulação (4), sendo que dita camada de material anti-corrosivo (3) possui internamente porções proeminentes (5) projetadas para agarrar a superfície externa da tubulação (4) formando ali raias (6).

Description

"CONEXÃO EM MATERIAL DE LIGA DE MEMÓRIA DE FORMA E SEUS USOS"
Campo da Invenção
[01 ] A presente invenção trata de uma conexão para tubulações hidráulicas utilizando material de liga de memória de forma empregada, notadamente, em equipamentos submarinos.
Histórico da Invenção
[02] SMA (Shaped Memory Alloy) é uma liga que, quando deformada, regressa à sua forma original se aquecida, "lembrando-se" da sua forma original. Quando a liga de memória de forma está no seu estado frio, o metal pode ser dobrado ou esticado em forma diversa, que será mantida até que seja aquecido acima da temperatura de transição. Após o aquecimento, a forma muda retornando ao seu original. Essa liga tem sido utilizada como conexão em tubos para acoplamentos ou junção em ambientes submarinos, substituindo o processo de soldagem orbital que é utilizado habitualmente.
[03] O efeito memória de forma em ligas de Níquel-Titânio foi revelado pela primeira vez por Naval Ordenance Laboratory, em 1962. Em 1963, um acoplamento para 6000 psi de pressão foi projetado e qualificou-se para os navios de superfície da Marinha Real. Em 1969, tem-se notícia de aplicação para acoplamento em pressão de 3000 psi, apropriado para caça a jato F14 da Marinha dos EUA. Em 1975, o sistema foi estendido para a classe Trafalgar de submarinos nucleares. Hoje, acoplamentos baseados em liga de memória de forma são utilizados por empresas da indústria aeroespacial em aeronaves (Boeing®, Airbus®, Cessna®, Learjet®, Bell® Helicopter, e muito outras), tubulações, indústria automotiva, telecomunicações, robótica, medicina e motores.
[04] As árvores de natal submarinas são usadas em campos de petróleo e gás. Uma árvore de natal submarina monitora e controla as produções de um poço, gerenciando fluidos e gás injetados no poço. As árvores de natal submarinas possuem vários conectores de tubos, sendo exigido que as conexões sejam eficientes o suficiente para evitar vazamento. Na linha de produção, o processo de soldagem orbital é frequentemente utilizado para a conexão de tubos hidráulicos, mas existem alguns problemas durante esse processo, incluindo, por exemplo, preparação especial da tubulação, emprego de máquinas específicas a serem utilizadas para a soldagem orbital, profissionais qualificados, procedimento de soldagem complexo, preparação do pós-soldagem, inspeção visual de raios-X incluindo todo seu processo de preparação, amplo espaço de trabalho e um enorme tempo para execução da operação, dentre outros.
[05] Assim, considerando o fato de que o processo de soldagem orbital representa cerca de 50% do cronograma de instrumentação hidráulica da montagem de uma árvore de natal e observando-se as agendas de trabalho que em geral estão sempre lotadas, soluções que envolvam uma melhor utilização do tempo e menor custo devem ser especialmente preferidas.
[06] Nesse sentido, apesar da soldagem orbital de tubos "subsea" ainda ser atualmente utilizada, a liga de memória de forma vem representar uma nova solução para acoplamentos de tubulações submersas, uma vez que, além de atenuar os problemas acima apontados, proporciona vantagens do tipo:
- a tensão da conexão não é afetada por vibrações ou impactos,
- tempo de montagem é insignificante em comparação com a soldagem orbital, pois requer apenas alguns minutos,
- aumento na segurança do trabalho,
- dispensa de trabalho com inspeção por raios-X,
- dispensa de mão de obra altamente qualificada,
- dispensa constantes treinamentos de pessoal técnico para qualificação no serviço, e
- redução de cerca de 1/3 do custo total da operação.
[07] A patente EP0632224B1 apresenta uma solução para acoplamentos ou conexões submarinas efetivada através de uma configuração que compreende um material anti-corrosivo em torno do tubo, sendo em seguida a liga de memória de forma recoberta pelo mesmo material do tubo para evitar a corrosão galvânica e a fragilização por hidrogénio. Essa solução, apesar de empregar liga de memória de forma, possui um inconveniente relacionado com a necessidade de se realizar a deposição do material em cima da liga de memória de forma, devendo esse material ser necessariamente da mesma composição do tubo, pois sendo diferente ocorrerá a corrosão galvânica e qualquer falha na deposição deixará o material suscetível à corrosão. Ainda, atenção especial deve ser dada à espessura da deposição sobre o material da liga de memória de forma para que a flexibilidade do movimento do material de relaxamento e sua contração não sejam comprometidas e, assim, prejudique a conexão. [08] Portanto, com o propósito de solucionar definitivamente todos os problemas acima apontados, desenvolveu-se a conexão utilizando material de liga de memória de forma de acordo com a presente invenção, a qual é utilizada em árvores de natal submarinas ou qualquer outro equipamento submarino que requisite acoplamento entre tubos, mesmo estando em presença de água corrosiva e os mais diversos fluidos hidráulicos e produtos químicos, tanto no ambiente interno como no externo dos tubos.
Descrição Resumida da Invenção
[09] É, portanto, objetivo da presente invenção proporcionar uma conexão de material de liga de memória de forma que minimiza todos os inconvenientes acima citados, além de prover redução de custos, de tempo de montagem e de manutenção.
[010] Também é objetivo da presente invenção proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma especialmente adequada para ser utilizada no acoplamento de tubulações de equipamentos submarinos, as quais requerem maior segurança no que diz respeito à firmeza do acoplamento e estanqueidade da vedação, além serem aplicadas em condições adversas no que se refere à execução do acoplamento em si como nos cuidados a serem tomados quanto aos efeitos corrosivos destes ambientes onde tais tubulações trabalham e os fluidos por elas transportados.
[011] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma que seja resistente à fragilização por hidrogénio.
[012] Um objetivo adicional da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma sobre a qual pode se depositar um material metálico mais resistente à corrosão, dependendo da aplicação e ambiente de trabalho.
[013] Ainda, outro objetivo da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma que não se fragiliza por hidrogénio uma vez que possui isolamento da proteção catódica, por exemplo, um material dielétrico entre o material anti-corrosivo e o material de liga de memória.
Breve Descrição das Figuras
[014] A conexão objeto da presente invenção, assim e seu modo preferencial de execução, será descrita a seguir com referência às figuras ilustrativas em anexo, que de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo, representam:
- Figura 1 - vista em corte longitudinal da conexão acoplada à tubulação de acordo com a presente invenção;
- Figura 2 - vista da conexão ilustrando seu diâmetro interno menor que o diâmetro externo da tubulação;
- Figura 3 - vista da conexão e respectiva tubulação ilustrando o estado expandido; e
- Figura 4 - vista em perspectiva de uma conexão e respectiva tubulação montada de acordo com um modo de realização da invenção.
Descrição Detalhada da Invenção
[015] Assim, de acordo com as figuras acima citadas, observa-se que em uma tubulação (4) submersa se provê uma conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1 ), fabricada originalmente com seu diâmetro interno (D1 ) menor que o diâmetro externo (D4) da dita tubulação (4). Referida conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1 ) possui internamente uma camada de revestimento de material dielétrico (2) e, mais internamente, uma luva ou camada (3) de material anti-corrosivo, por exemplo Inconel®, que é uma liga de níquel-cromo com adição de molibdênio e nióbio. Essa camada (3) de material anti-corrosivo é instalada contígua à face externa da dita tubulação (4) e possui internamente porções proeminentes (5) projetadas para agarrar a superfície externa da tubulação (4), formando ali raias (6).
[016] A camada de material dielétrico (2) evita que o acoplamento seja associado à proteção catódica. Assim, a conexão segundo a presente invenção não irá sofrer com a fragilização por hidrogénio. Nesta configuração, a conexão de material de liga de memória de forma (1 ) de acordo com a presente invenção não necessitará ser recoberta ou revestida por qualquer tipo de material resistente à corrosão, posto que não existirá qualquer problema associado ao contato com a água do mar. É também importante observar que a camada de material dielétrico (2) deve ter uma espessura adequada apenas para evitar problemas de ruptura da conexão por esforços mecânicos sobre o tubo. Tipicamente, a espessura da camada de material dielétrico (3) pode variar de 0,05 a 1 ,00 mm. Ainda, em algumas aplicações, pode-se considerar um revestimento a ser aplicado sobre a conexão de material de memória de forma (1 ) para proporcionar proteção da conexão contra um possível aumento de potencial (voltagem) não previsto, por exemplo, promovido pela deposição de bactérias criando uma película/camada de biofilme. Revestimentos típicos para essa proteção adicional são aqueles baseados em poliolefina, ou similar.
[017] A Figura 4 ilustra conexão de material de liga de memória de forma (1 ) e tubulação (4) montada de acordo com um modo de realização da invenção e quando da volta da temperatura normal de trabalho, observando-se o retorno à sua forma original e consequente a compressão na tubulação (4).
[018] Deve ainda ser observado que a temperatura de trabalho da conexão segundo a presente invenção irá depender do tipo do material do isolamento. Por exemplo, se o material for o Nomex®, qualifica-se uma conexão para trabalhar a uma temperatura de cerca de 0eC até 60eC, por 25 anos em ambiente submarino.
Exemplos de Realização, Testes e Ensaios da Invenção
[019] A conexão para tubulações hidráulicas empregadas em equipamentos submarinos utilizando material de liga de memória de forma segundo a presente invenção, a seguir referenciada apenas como conexão, foi submetida a diversos testes, tais como vedação a gás, pneumático, explosão hidrostática, hiperbárico, rotação e flexão, tensão, alto impacto, ciclo térmico e em alta temperatura, mostrando- se eficiente e qualificando-se para aplicações em controle de linhas hidráulicas de equipamentos submarinos.
[020] Nos laboratórios da Universidade Federal do Rio de Janeiro - Brasil (PEMM/DMM-COPPE-EP-UFRJ), foram realizados testes de envelhecimento com a conexão segundo a presente invenção, a qual foi submetida à pressão de 3200 psi, em solução de NaCI 3,5% e temperaturas de 140eC e 160eC. Os resultados desses testes demonstraram a capacidade do material dielétrico de não perder as suas propriedades isolantes.
Teste de Continuidade:
[021] Antes das amostras serem colocadas na autoclave para o teste de envelhecimento, foi realizado um teste de continuidade com o multímetro para verificar a ausência de contato entre o tubo e a conexão.
[022] Nesse teste, foi observado o mesmo comportamento para todas as amostras, sendo constatada uma resistência da ordem de 0,3 Ω quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta ("overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo.
Teste de Envelhecimento:
[023] O presente teste consistiu em colocar os tubos com a conexão imersos em uma solução de NaCI 3,5% em duas temperaturas distintas, 140°C e 160°C e pressão total de3200 psi. Primeiramente colocaram-se os tubos no interior de uma autoclave com capacidade para 8 litros de solução. Foi colocado também, um pedaço do papel Nomex® solto, o mesmo usado para isolar a conexão do tubo. [024] Prosseguiu-se então, com o preenchimento da autoclave com a solução de teste.
[025] As autoclaves foram fechadas, aquecidas até a temperatura do teste {~\ 40 °C e Ι ΘΟ 'Ό) e pressurizadas até 3200 psi com N2. O teste teve duração de 15 dias e após esse tempo as amostras foram retiradas das autoclaves para serem avaliadas.
[026] Pôde-se verificar que o papel Nomex® no teste a 140 °C não foi deteriorado, porém nos testes a 160^ o papel degradou por completo. A conexão ficou com uma metade mais escura que a outra para o teste a ~\ 40 °C, porém também não foi observada deterioração do papel Nomex® entre a conexão e o tubo. A 160 °C, embora o papel Nomex® que estava solto na autoclave tenha sido degradado, não foi verificado contato entre a conexão e o tubo. Isso foi comprovado fazendo-se a medida de continuidade com o multímetro, onde se observou uma resistência bem baixa, da ordem de 0,6 Ω, quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta { "overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo, demonstrando que não havia contato da conexão com o tubo, ou seja, estavam isolados.
Teste de Proteção Catódica:
[027] O teste de proteção catódica consistiu em polarizar catodicamente os conjuntos conexão + tubo em -1 .4VEcs após estes serem retirados do teste de envelhecimento, como objetivo de comprovar a ausência de bolhas de hidrogénio sobre a conexão. O teste foi realizado utilizando uma solução de NaCI 3,5% e um potenciostato da marca IVIUM® para aplicar a tensão desejada. Utilizou-se um eletrodo de grafite como contra eletrodo e o eletrodo de calomelano saturado como eletrodo de referência.
[028] Nesse teste foi observado bolhas de hidrogénio saindo apenas do tubo. Ao final de4 dias os conjuntos forma retirados da solução e novamente foi realizado o teste de continuidade com o multímetro. Observou-se mais uma vez uma resistência bem baixa, da ordem de 0,4 Ω, quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta { "overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo, demonstrando que não havia contato da conexão com o tubo, ou seja, estavam isolados.
[029] Assim, como poderá ser apreciada por aqueles versados na arte, a utilização e aplicação dessa nova conexão para tubulações hidráulicas de equipamentos submarinos, objeto da presente invenção, proporciona um acoplamento de tubo de memória de forma resistente à fragilização por hidrogénio e à corrosão. Ainda, obtêm- se uma diminuição substancial de custos e complexidade de implantação, operação, montagem, manutenção, tempo e logística, além de se garantir melhor confiabilidade da referida conexão de material de liga de memória de forma em sistemas de tubulações de equipamentos submarinos.

Claims

Reivindicações
1 . CONEXÃO EM MATERIAL DE LIGA DE MEMÓRIA, caracterizada pelo fato de ser uma conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1 ), fabricada originalmente com seu diâmetro interno (D1 ) menor que o diâmetro externo (D4) da tubulação (4), possuindo internamente uma camada de revestimento de material dielétrico (2) e, mais internamente, uma camada de material anti-corrosivo (3) contígua à face externa da dita tubulação (4), dita camada de material anti-corrosivo (3) possuindo internamente porções proeminentes (5) projetadas para agarrar a superfície externa da tubulação (4) formando ali raias (6).
2. CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo fato de que o revestimento interno de material dielétrico (2) compreende material de papel para isolamento elétrico tipo aramida, de marca Nomex®, ou composto a base de revestimento de cerâmico.
3. CONEXÃO, de acordo com a reivindicação 1 , caracterizada pelo fato de que o material anti-corrosivo (3) compreende material de liga tipo Inconel®, sendo selecionado dependendo do material do tubo e aplicação de pressão de trabalho.
4. CONEXÃO; de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que a espessura da camada de material dielétrico (3) varia tipicamente de 0,05 a 1 ,00 mm.
5. CONEXÃO; de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que dita conexão de material de memória de forma (1 ) é revestida por um material de proteção contra aumento de potencial (voltagem).
6. CONEXÃO; de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que o revestimento é elaborado em poliolefina.
7. USO DA CONEXÃO, conforme definida nas reivindicações 1 a 6, caracterizada por ser em árvores de natal submarinas ou qualquer outro equipamento submarino que requisite acoplamento entre tubos.
8. USO DA CONEXÃO, conforme a reivindicação 7, caracterizada por ser em ambientes com a presença de água corrosiva e fluidos hidráulicos e produtos químicos, tanto no ambiente interno como no externo da dita tubulação (4).
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