BRPI0314401B1 - Meios para conectar tubulações compreendendo uma superfície axial fina para obter uma compressão axial proveniente de uma ferramenta de pré-compressão - Google Patents

Description

MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO

UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO.

Esta invenção refere-se a um meio para conectar tubulações, particularmente por meio de uma operação remota e execução mecanizada.

Em particular na produção de petróleo, muitas e exigentes operações de acoplamento de tubulações são realizadas no litoral e sob a água. Tradicionalmente os trabalhos sob água em oleodutos são realizados por mergulhadores, entretanto a industria tem avançado até o ponto onde as linhas de tubulações são assentadas em profundidades as quais não podem ser alcançadas pelos mergulhadores.

Conseqüentemente, o trabalho tem que ser realizado através de robôs operados remotamente. Articulações de junções de tubulações realizadas por robôs são freqüentemente muito caras.

No caso das junções de tubulações realizadas em terra, as articulações das tubulações são acessíveis muito facilmente, porém o processo é ainda exigente.

Os principais elementos de qualquer articulação de tubulação são: Conexões de tubulações para suportar e distribuir as forças de compressão causadas pelo ambiente, como a compressão da água a grandes profundidades e/ou o peso dos materiais de cobertura e também as cargas axiais causadas pelo estiramento e dobramento das tubulações durante e depois de serem assentadas; -Elementos de acoplamento para manter as conexões das tubulações juntam; - Vedações para manter a conexão à prova de um vazamento; - Meios de pré-compressão das articulações de tubulação onde a carga aplicada é maior que a combinação da energia de compressão adquirida pela vedação, pela compressão de líquido ou de gás na tubulação, e a tensão do meio ambiente.

Quando se conectam tubulações, é importante manter controle do nível de pré-tensão. Se a pré-tensão é muito baixa, a articulação pode abrir e ter vazamento, quando esta sujeita a uma compressão de tubulação interna alta. Se a pré-tensão é fixo muito alta, a articulação da tubulação pode ser sobrecarregada.

Tradicionalmente são construídas articulações de tubulações com flanges de ajuste, onde vários parafusos são rosqueados e distribuídos ao redor da flange, e uma vedação mantêm a conexão apertada. Os parafusos são apertados ao nível desejado conforme a carga a ser considerada. Quando o parafuso que aperta aumenta o torque, as forças de fricção durante a rotação da porca tomam-se consideráveis.

Por isso, sistemas de levantamento hidráulicos são até certo ponto usados com grandes flanges no sentido de pré-comprimir alguns elementos da articulação da tubulação através da colocação de uma braçadeira em cima de cada tranca dos flanges aplicando a compressão especificada. As porcas são fixados no flange. A braçadeira é re-ajustada e a carga é transferida aos parafusos. Este método é preferido porque permite a possibilidade de controlar a carga aplicada no flange.

Na publicação US 4 150 477 é conhecido um meio no qual uma carga de pré-tensão é aplicada ponto a ponto através dos flanges da tubulação por meio de macacos hidráulicos, antes dos parafusos serem postos a apertados. A desvantagem deste método de pré-compressão é que o comprimento da tubulação, fica sujeito à deformação elástica axial que é muito pequena. Além disso, a carga de compressão aplicada ponto a ponto provoca uma deformação desigual ao longo do círculo de divisão dos furos dos parafusos. A maior desvantagem da maioria dos tipos de conexões de flange é que elas incluem muitas partes e são difíceis de trabalhar utilizando uma a ferramenta operada remotamente. Além disso, um espaço livre para a ferramenta de pré- compressão, é requerido ao redor dos parafusos, fazendo-se necessária para que os parafusos sejam posicionados a uma distância da tubulação. Assim os flanges devem ser relativamente grossos para absorver as forças de flexão dos flanges.

Outros meios de conectar tubulações utilizam colarinhos e braçadeira. O colarinho é soldado nas terminações da tubulação. A braçadeira é um dispositivo articulado grande que é colocado em cima dos colarinhos para forçar estes a se juntarem para o funcionamento das vedações. A pré-tensão é aplicada por um ou dois parafusos grandes posicionados em determinados ângulos do eixo longitudinal da tubulação sendo tracionados para que os elementos da braçadeira fiquem juntos na direção radial.

Superfícies corrediças entre as braçadeiras e os colarinhos asseguram que os extremos da tubulação sejam mantidos juntos e apertados.Este sistema é mais fácil de operar usando uma ferramenta remotamente operada, mas os componentes são relativamente pesados e caros. O objeto desta invenção é superar as desvantagens do estado da arte. O objetivo é alcançado conforme a invenção pelas características dadas na descrição abaixo e nas reivindicações anexas.

Uma articulação de tubulação de acordo com a invenção é construída com os seguintes componentes principais: a) Cada extremidade da tubulação compreende superfícies de entrosamento e vedação que asseguram o guiamento das extremidades da tubulação durante a operação de conexão e determinam uma conexão apertada. b) Um dos extremos da tubulação tem uma porção com uma parte macho, preferencialmente em forma de um colarinho com rosca giratório, localizada atrás de um flange, e preferencialmente projetado para ser forçado contra o flange por meio de uma ferramenta de pré-compressão. c) A extremidade oposta da tubulação possui a flange. d) Uma porca é colocada atrás do flange da extremidade oposta da tubulação. A parte posterior da porca possui uma superfície interna de contato de tal forma que até certo ponto, quando a porca é colocada sobre o flange, o ledge interno à extremidade traseira da porca limita a face traseira radial do flange. Um flange externo é colocado preferencialmente no extremo oposto da porca e preferencialmente projetada para forçar a flange através de uma ferramenta de pré-compressão. A dimensão das linhas de rosca da porca corresponde à parte macho da extremidade da tubulação adjacente. O diâmetro das linhas de rosca é maior que os flanges das extremidades da tubulação. e) Cada extremidade da tubulação é projetada para receber uma ferramenta de pré-compressão para comprimir as extremidades das tubulações agarrando-se ao redor das extremidades das tubulações aplicando um movimento axial direto. Isto preferencialmente inclui uma superfície fina concêntrica disposta em uma ou ambas extremidades da tubulação imediatamente próxima às partes de acoplamento das tubulações e imediatamente em tomo da periferia da tubulação. Estas superfícies finas são projetadas para estabelecer contato um com as faces da ferramenta de pré- compressão.

Os elementos a), b), c) e e) podem ser construídos diretamente no material da tubulação utilizando-se a tecnologia apropriada, ou eles podem ser formados em partes separadas acopláveis que são colocadas nas extremidades da tubulação utilizando a tecnologia apropriada para cada. A invenção compreende a aplicação de uma carga axial imediatamente próxima à periferia da tubulação dirigida para fora da área da conexão, de forma que as vedações intermediárias das extremidades da tubulação estão sujeitas à deformação elástica. As tubulações são unidas com uma porca de acoplamento que absorve uma porção das forças de deformação aplicadas. As extremidades da tubulação e as vedações são comprimidas, e a porca de acoplamento é tensionada com uma combinação de grampos ou uma ferramenta de união.

Uma ferramenta de pré-compressão compreende duas seções terminais moveis projetadas para agarrar as respectivas tubulações, e um atuador projetado para apertar axialmente cada seção terminal contra as superfícies finas da tubulação, um flange da porca ou a parte posterior de um colarinho com rosca que aperta as extremidades da tubulação uma contra a outra.

Dispositivos de fechamento, por si, já conhecidos, são integrados nas seções terminais, mantendo a ferramenta de pré-compressão unida quando a ferramenta inclui a articulação da tubulação. Ao se colocar as fechaduras, a ferramenta pode ser aberta e pode ser conduzida radialmente longe da tubulação.

Preferencialmente, a ferramenta de pré-compressão compreende uma porca deslizante provida preferencialmente de meios motrizes hidráulicos e uma cremalheira que, quando a ferramenta é posicionada ao redor da articulação da tubulação, captura as ranhuras externas da porca ou do colarinho com rosca da articulação da tubulação. A ferramenta de pré-compressão é conectada a um sistema hidráulico, por si já conhecido, que compreende uma bomba, tanque, válvulas operacionais, dispositivos de controle de pressão e mais.

Quando se conectam duas tubulações, prontas para serem instaladas, duas extremidades opostas da tubulação são colocadas juntas usando um equipamento de manipulação apropriado. A ferramenta de pré-compressão é posicionada em cima da articulação da tubulação e fechada. Então as seções terminais da ferramenta são reunidas para apertar contra a superfície fina de um dos extremos das tubulações, e então contra os flanges da porca ou da parte posterior colarinho com rosca. Então é aplicada a carga especificada para o tipo de tubulação em questão à vedação e à seção da tubulação disposta entre as duas superfícies finas. A compressão elástica da área de pré-compressão consiste de: 1) A compressão elástica especificada da vedação para a carga nominal de trabalho. 2) Compressão adicional na vedação durante a fase de pré-compressão. 3) Compressão nas extremidades da tubulação entre as superfícies finas da ferramenta de pré-compressão durante a fase de pré-compressão.

Além disso, altemativamente uma extensão elástica da porca, uma compressão elástica das ranhuras macho (localizadas nas extremidades da tubulação ou no colarinho) é aplicada.

Na extensão da porca, o colarinho é rosqueado dentro da porca até o limite entre o fim dianteiro do colarinho e a face radial do flange da tubulação correspondente. Na utilização de compressão alternativa da seção macho rosqueada, a porca é atarraxada sobre as ranhuras macho até o limite entre a carga interna que a superfície da porca agüenta, e a face radial do flange da tubulação correspondente. O acoplamento da porca com as ranhuras macho é preferencialmente realizado mecanicamente; através da ativação de uma porca deslizante conectada ou integrada na ferramenta de pré-compressão, fazendo a junção com o torque especificado. Então a ferramenta de pré-compressão é aliviada para transferir parcialmente a carga para a porca. No alívio, a deformação elástica é reduzida na vedação e nos extremos da tubulação. A rigidez da porca de acoplamento deve para ser comparável à elasticidade da vedação, de tal forma que a compressão da vedação permaneça depois do alívio como a carga de trabalho nominal especificada (ref. 1 na seção anterior).

Para que a vedação mantenha sua compressão na carga de trabalho nominal especificada, a extensão da porca de acoplamento na condição de trabalho não deve exceder: 4) A compressão elástica adicional aplicada à vedação durante a fase de pré-compressão, (= ao ponto 2 anterior), mais 5) A Compressão elástica naquela porção das extremidades da tubulação a qual esta localizada entre as faces de funcionamento da porca de acoplamento contra os flanges da tubulação. E ainda a qualidade e as dimensões dos materiais da porca devem ser comparáveis com a elasticidade da vedação.

Também ainda é preferível estender a porca e/ou comprimir a parte rosqueada antes da junção, isto significa que a porca de acoplamento é previamente pré- comprimida e tensionada antes de assumir a carga de trabalho.

Com a utilização de uma porca pré-comprimida a extensão da articulação é provida de compressão pela seção de ranhuras macho. Devido à distância pequena do flange da tubulação a extensão total da articulação será relativamente pequena.

Com o uso de uma seção pré-comprimida das ranhuras de macho a extensão da articulação é basicamente causada pela extensão do aperto da porca. A porca é comparada relativamente comprida, comparada com a seção de ranhuras macho, assim, resultando em uma extensão maior da articulação.

Depois que a carga de trabalho tenha sido transferida para a porca de acoplamento, a ferramenta de pré-compressão é aberto e é retirada da junção.

No caso de trabalho de submarino, a ferramenta de pré-compressão está tipicamente montado em um Veículo de Operação Remota (VOP). Em terra, pode ser integrada em um equipamento de extensão tubulação, suspensa em um equipamento de levantamento, sendo instalada em um braço de alavanca hidraulicamente operado, ou semelhante. O seguir se descreve um exemplo no limitando de uma configuração preferida ilustrada nas figuras em anexo, na qual: A Figura 1 mostra uma junção do acoplamento da tubulação. A Figura 2 mostra uma articulação da tubulação pronta para ser unido, na qual a ferramenta de pré-compressão esta colocada perto da junção (o desenho só mostra uma metade da ferramenta de pré-compressão); A Figura 3 mostra a ferramenta de pré-compressão fechada ao redor de uma junção de uma tubulação; A Figura 4 mostra um corte longitudinal através de uma junção de uma tubulação com uma ferramenta de pré-compressão antes de pré-comprimir e do acoplamento (a porca deslizante de não é mostrada); A Figura 5 mostra um corte longitudinal através de uma junção de tubulação acoplada com a ferramenta de pré-compressão na posição contraída (a porca deslizante porca não é mostrada); A Figura 6 mostra um corte transversal através de uma junção d de uma tubulação e a ferramenta de pré-compressão; A Figura 7 mostra um corte longitudinal fita através da porca deslizante da ferramenta de pré-compressão; A Figura 8 mostra um corte transversal através da porca deslizante da ferramenta de pré-compressão; A Figura 9 mostra um corte longitudinal através de uma junção de uma tubulação com a ferramenta de pré-compressão parcialmente retraída do acoplamento; e A Figura 10 mostra um corte transversal através de uma junção de uma tubulação com a ferramenta de pré-compressão parcialmente retraída da do acoplamento da tubulação.

Nas figuras, as referências número 1, Γ designam as extremidades de duas tubulações. Entre as extremidades da tubulação 1, Γ, é colocada uma vedação 2 em um entalhe apropriado. Uma das extremidades 1 é provida com um flange 3 e uma porca 5. A porca 5 compreende uma parte posterior 7 com uma superfície interna 9 de sustentação de carga, correspondente ao flange 3. A porca 5 é provida com um flange externo 10. Interiormente, a porca 5 é provida de uma parte com rosca 13. A outra extremidade 1'esta provida com um flange 3’ e um colarinho com rosca 15 com a parte das ranhuras macho 17, correspondendo à parte rosqueada 13 da porca 5. A parte posterior 19 do colarinho com rosca possui dentes 21 externos.

As extremidades 1, 1 'estão providas com uma superfície fina concêntrica, predominantemente radial 23. A ferramenta de pré-compressão 25 compreende uma primeira seção terminal 27. Sendo composta por duas partes separadas 29, 29'. A segunda seção terminal 31 é composta duas partes separadas 33, 33'. Duas ou mais barras 35 com cilindros hidráulicos 37 associados, pistão 39 e vedações (não mostradas) conectam as partes separadas 29, 33 e 29', 33'. O cilindro é provido com uma válvula 41 destacável e vedações (não mostradas).

Preferencialmente, as partes separadas 33, 33' são providas com um perfil fixador 43 substituível, 43', correspondendo ao perfil da superfície fina 23.

As partes separadas 29, 33, e respectivamente 29', 33',unidos pelas barras 35, são conectados separadamente a um dispositivo (não mostrado), o qual através de um meio, por exemplo de força hidráulica, pode abrir ou fechar a ferramenta de pré-compressão, principalmente, através de um movimento radial relativo à tubulação 1,1'.

Na posição fechada ao redor da tubulação 1, Γ, a de ferramenta de pré- compressão 25 pode ser mantida fechada utilizando-se um dispositivo de fechamento apropriado (não mostrado).

Preferencialmente, a ferramenta de pré-compressão 25 compreende uma ou mais porcas deslizante 45 providas com meios de guiamento 47, como por exemplo um motor hidráulico, e uma cremalheira 49 correspondendo aos dentes 21 colarinho com rosca 15.

Os cilindros hidráulicos 37 da ferramenta de pré-compressão 25 são conectados até um sistema hidráulico (não mostrado) com uma bomba associada, tanque, válvulas e dispositivos de controle. O acoplamento das tubulações pode ser realizado através de uma operação remota da ferramenta de pré-compressão 25. Quando duas tubulações foram colocadas junto com suas extremidades correspondentes 1, 1' suficientemente perto uma da outra utilizando meios adequados, e a ferramenta de pré-compressão for guiada em cima das extremidades 1, Γ. A ferramenta de pré-compressão 25 é fechada ao redor das extremidades 1, 1' através das partes separadas 29, 29', 33, 33 ' sendo movidas radialmente em tomo das extremidades 1, 1'. A seção terminal 27 é apertada contra o externo flange 10 e a seção terminal 31 é apertada contra a extremidade 1de tal forma que a superfície fina 23 coincida com o perfil fixador 43, 43' através de dispositivos de operação e controle do sistema hidráulico (não mostrado) movimentam-se os cilindros hidráulicos 37 na direção correta com uma compressão ajustada de acordo com a dimensão da junção em questão.

Quando as extremidades 1, Γ, a vedação 2 e a porca 5 estiverem submetidos à compressão especificada para a dimensão da junção da tubulação, a extremidade 1, 1 'será mantida unida ao o colarinho com rosca colarinho 15 enquanto é mantido o torque especificado. O que colarinho com rosca 15 é preferencialmente apertado com a porca deslizante 45. Isto acontece através da cremalheira 49 que limita os dentes 21 correspondentes do colarinho com rosca 15 sendo dirigido com um torque especificado pelos meios 47 motrizes da porca deslizante 45.

Quando o colarinho com rosca 15 for apertado, a compressão na ferramenta de pré-compressão 25 é aliviada, para transferir a carga para a porca 5 e o colarinho com rosca 15. A ferramenta de pré-compressão 25 é aberta, se retraído da junção da tubulação completada, e se preparando para uma próxima junção.

Claims (9)

1 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios para conectar tubulações, compreendendo uma vedação (2), flanges (3,3’), uma seção com rosca (17) e uma porca (5), caracterizado pela parte final da tubulação (Ι,Γ) ser provida com uma superfície concêntrica fina (23) disposta imediatamente próxima à periferia da tubulação (Ι,Γ) e projetada para ser capaz de obter uma compressão axial proveniente de uma ferramenta de pré-compressão (25), onde a compressão dirige a compressibilidade sobre a parte final da tubulação (Ι,Γ), cuja compressão é distribuída igualmente ou ponto a ponto ao redor da periferia da tubulação sendo suficiente para pré-comprimir a vedação (2), com a pré-compressão da vedação (2) principalmente sendo retido pela porca correspondente (5) e pelo colarinho (15) depois da remoção da ferramenta de pré-compressão (25).

2 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela porca (5) possuir um flange (10) projetado para ser capaz para obter uma compressão axial proveniente da ferramenta de pré-compressão (25), cuja compressão é distribuída igualmente ou ponto a ponto ao redor da periferia da porca (5) e dirigida sobre o flange da tubulação (3).

3 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela parte posterior (19) da rosca do colarinho (15) ser projetada para ser capaz de obter uma compressão axial proveniente da ferramenta de pré-compressão (25), cuja compressão é distribuída igualmente ou ponto a ponto ao redor da periferia do colarinho (15) e dirigida sobre o flange da tubulação (3’)..

4 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios de acordo com uma ou mais reivindicações anteriores, caracterizado pela parte posterior (19) da rosca do colarinho (15) possuir ranhuras periféricas.

5 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios de acordo com uma ou mais reivindicações anteriores, caracterizado pela parte posterior (7) da porca (5) possuir ranhuras periféricas.

6 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios para apertar acoplamentos de tubulações compreendendo duas superfícies finas concêntricas (10,23) projetadas para serem capazes de suportar uma compressão axial suficiente para pré-comprimir a vedação (2), caracterizado pela ferramenta de pré-compressão (25) ser projetada para apertar as partes fins das tubulações (1,1’) também compreendendo duas seções terminais (27,31) conectadas a duas ou mais hastes (35), cada haste (35) sendo provida com um cilindro hidráulico (37), onde a pré-compressão da vedação (2) principalmente sendo retida pela correspondente rosca da porca (5) e do colarinho (15) depois da remoção da ferramenta de pré-compressão (25).

7 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela ferramenta de pré-compressão (25) compreender uma porca deslizante (45).

8 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela porca deslizante (45) ser provida com uma cremalheira (49) fixada pela rotação da rosca do colarinho (15) com as ranhuras periféricas da parte posterior (19).

9 - MEIOS PARA CONECTAR TUBULAÇÕES COMPREENDENDO UMA SUPERFÍCIE AXIAL FINA PARA OBTER UMA COMPRESSÃO AXIAL PROVENIENTE DE UMA FERRAMENTA DE PRÉ-COMPRESSÃO, meios, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela porca deslizante (45) ser provida com uma cremalheira (49) fixada pela rotação da porca (5) com as ranhuras periféricas da parte posterior (7).