BRPI0411745B1 - método para monitorar uma estrutura alongada flexível com uma superfície geralmente cilíndrica, e, aparelho para monitorar uma estrutura alongada flexível - Google Patents

Abstract

"método para monitorar uma estrutura alongada flexível com uma superfície geralmente cilíndrica, e, aparelho para monitorar uma estrutura alongada flexível". uma estrutura alongada flexível, como um tubo ascendente flexível (10), compreendendo, pelo menos, uma camada (20) de fios de aço próxima da superfície que se estende, pelo menos parcialmente, ao longo do comprimento da estrutura, pode ser monitorada por indução de um pequeno campo magnético alternado nos fios de aço usando uma bobina eletromagnética, e monitorando a densidade de fluxo magnético próxima da superfície da estrutura de modo a avaliar a tensão e, assim, detectar se quaisquer fios foram rompidos. ao usar um arranjo de sondas eletromagnéticas de medida de tensão (24) em torno da estrutura, pode-se obter alguma resolução espacial com relação à localização de qualquer ruptura nos fios.

Description

“MÉTODO PARA MONITORAR UMA ESTRUTURA ALONGADA FLEXÍVEL COM UMA SUPERFÍCIE GERALMENTE CILÍNDRICA, E, APARELHO PARA MONITORAR UMA ESTRUTURA ALONGADA FLEXÍVEL” Esta invenção refere-se a um método e aparelho para monitorar estruturas de aço flexíveis de múltiplos filamentos, como cabos ou tubos ascendentes, de modo a detectar falhas.

Os tubos ascendentes flexíveis são usados para conectar poços de óleo e gás com plataformas flutuantes de produção, o tubo ascendente flexível sendo um duto flexível reforçado com fios de aço. Tipicamente, este tubo ascendente é conectado a uma torre na plataforma flutuante, a torre fornecendo algum grau de rotação, e o tubo ascendente flexível tem tipicamente um comprimento de centenas de metros. Falhas em tal tubo ascendente flexível podem levar a extensões significantes de vazamento de óleo no meio ambiente. Verificou-se que estes tubos ascendentes tipicamente falham próximo do ponto em que o tubo ascendente é conectado à torre, esta falha sendo devido à carga sob fadiga sofrida pelo tubo ascendente no ponto onde as forças são maiores devido ao movimento das ondas e rotação da plataforma flutuante. Este modo de falha é reconhecido, mas não se dispõe de tecnologia capaz de realizar inspeção destes tubos ascendentes de modo a comunicar uma falha catastrófica, particularmente com o tubo ascendente flexível conectado in situ à torre e transportando um produto.

De acordo com a presente invenção, provê-se um método para monitorar uma estrutura flexível alongada compreendendo, pelo menos, uma camada de fios de aço próxima da superfície, os fios de aço se estendendo pelo menos parcialmente ao longo da extensão da estrutura, o método compreendendo induzir um campo magnético alternado bem menor do que saturação nos fios de aço usando uma bobina eletromagnética, e monitorar a densidade do fluxo magnético alternado próxima da superfície da estrutura, determinando, a partir dai, um parâmetro indicativo de tensão nos fios de aço e, assim, detectando se quaisquer fios se romperam.

Preferivelmente, o campo magnético está em uma direção que não é paralela aos eixos longitudinais dos fios. Com alguns aços, onde a tensão longitudinal tem um efeito significante sobre a permeabilidade magnética transversa, o campo magnético está preferivelmente em uma direção perpendicular aos fios; com outros aços, o campo magnético está preferivelmente em direção entre 30° e 60°, mais preferido cerca de 45°, à direção dos fios.

Os tubos ascendentes flexíveis incluem uma camada de fios de aço enrolados helicoidalmente de modo a fornecer uma resistência à tração próxima da superfície externa do tubo ascendente e podem, de fato, incluir duas destas camadas de fio de aço. O modo de falha tipicamente envolve fratura da fadiga de um dos fios ou filamentos externos de reforço de aço. Quando um fio falha, os fios ou filamentos intactos restantes devem absorver a carga extra, aumentando sua tensão total. Ao dispor um arranjo de sondas eletromagnéticas sensoras de tensão em tomo da circunferência do tubo ascendente, a falha de um ou mais filamentos irá resultar em uma variação da tensão medida em tomo da circunferência. Um aumento na tensão em uma região indica a falha de um filamento em uma região próxima, ou pelo menos uma falha iminente onde uma ruptura sob fadiga se propagou através de uma proporção significante da seção transversal dê um fio ou filamento.

Uma disposição de sensor alternativa consiste em usar uma bobina única que envolve a estrutura alongada, assim monitorando, simultaneamente, as mudanças na tensão em todos os fios de reforço. Prefere-se isto para tubos ascendentes de diâmetro menor, ou para cabos ou cordas de aço. A falha de um ou mais filamentos irá diminuir as tensões nos filamentos danificados, mas aumenta as tensões nos filamentos intactos restantes, porque a carga total permanece inalterada. No entanto, devido à não linearidade das mudanças nas propriedades magnéticas de materiais ferromagnéticos com tensão, a ocorrência desta falha pode ser mesmo assim detectada. O método preferido utiliza um arranjo de sondas sensoras da tensão eletromagnética dispostas em tomo da circunferência da estrutura. Isto permite a detecção de falhas de um filamento ou fio, e também oferece alguma resolução espacial como com relação à localização da falha. Uma resolução maior pode ser obtida por uso de sondas menores, mas sondas menores são mais afetados ao se levantar da superfície. Uma disposição preferida utiliza sondas que tem um diâmetro entre 30 mm e 90 mm, preferivelmente cerca de 60 mm, pois estas sondas não são excessivamente afetadas pelo levantamento e, mesmo assim, provêem uma resolução espacial adequada. O tamanho ótimo depende do lado do tubo ascendente ou cabo.

No método preferido de medida de tensão, a ou cada sonda compreende um meio de eletroímã, meio para gerar um campo magnético alternado no meio de eletroímã e, consequentemente, na estrutura, e um sensor magnético disposto para sentir um campo magnético devido ao meio de eletroímã; e o método compreende a resolução de sinais a partir do sensor magnético em um componente em fase e um componente quadratura; a dedução dos componentes em fase e quadratura de um parâmetro dependente da tensão que é independente do levantamento; e a dedução da tensão do parâmetro dependente da tensão assim determinado.

Isto requer uma calibragem preliminar, com uma amostra do material, para determinar como os componentes em fase e quadratura do sinal variam com levantamento e tensão. O mapeamento pode ser representado no plano da impedância (isto é, em um gráfico do componente de quadratura contra componente em fase) como dois conjuntos de contornos representando variação de sinal com levantamento (para diferentes valores de tensão) e variação de sinal com tensão (para diferentes valores de levantamento), os contornos de ambos os conjuntos sendo encurvados. De modo surpreendente, verificou-se que todos os contornos da tensão constante podem ser representados por funções quadráticas do componente de quadratura; os coeficientes destas funções estão linearmente relacionados a um parâmetro, digamos D, que é independente do levantamento, e depende somente da tensão. Aqui, as medidas de calibragem tomadas ao longo de não mais do que dois contornos diferentes de tensão constante (com valores conhecidos de tensão) permitem que valor deste parâmetro D seja calculado para qualquer medida subseqüente, eliminando, assim, o efeito do levantamento.

Surpreendentemente, este cálculo simples foi encontrado para oferecer um modo básico de distinguir variações na propriedade de material (particularmente, tensão) de variações provenientes do levantamento ou outras variações geométricas como a curvatura ou textura da superfície.

Preferivelmente, os meios de eletroímã compreendem um núcleo eletromagnético e dois pólos eletromagnéticos afastados, espaçados, e o sensor magnético é preferivelmente disposto para sentir a relutância (ou ligação de fluxo) desta parte do circuito magnético entre os pólos dos meios de eletroímã. A sonda, ou pelo menos algumas das sondas, também podem incluir um segundo sensor magnético (um sensor de vazamento de fluxo) entre os pólos dispostos para sentir a densidade do fluxo magnético paralelo ao campo magnético de espaço livre. Este segundo sensor detecta o vazamento do fluxo, que é influenciado por mudanças nas propriedades de material, levantamento, e rupturas. O sinal de relutância (ou ligação de fluxo) de ou cada sonda é preferivelmente recuado, isto é processado primeiro subtraindo-se um sinal igual ao sinal deste sensor com a sonda adjacente a um local isento de tensão. O sinal recuado é então amplificado de modo que mudanças pequenas devido à tensão são mais fáceis de detectar. Este recuo é realizado após a resolução em componentes em fase e quadratura mas antes de deduzir a tensão. Preferivelmente, os sinais de ou cada sonda são digitalizados inicialmente, e o recuo e a resolução são realizados por análise dos sinais digitais.

Considerando o sistema de medida de tensão descrito em WO 03/034054, é desejável obter medidas com cada sonda em uma ampla variedade de diferentes orientações, no presente contexto medidas em diferentes orientações não são necessárias porque as tensões nos fios ocorrem quase que exclusivamente ao longo de seu comprimento. Uma outra complicação neste caso refere-se ao fato de ser muito difícil obter medidas significativas por aplicação do campo magnético paralelo à direção dos fios, porque isto gera contra-correntes que fluem em tomo da circunferência dos fios individuais, de modo que mudanças na permeabilidade magnética paralela aos fios são geralmente dominadas pelo efeito destas contra-correntes. Assim, é improvável obter qualquer benefício da tomada de medidas em uma faixa de diferentes orientações do campo magnético. A invenção será agora ainda e mais particularmente descrita, a título de exemplo apenas, e com referência aos desenhos anexos; em que: Figura 1 mostra uma vista em corte em perspectiva de parte de um tubo ascendente (riser), para mostrar sua estrutura interna;

Figura 2 mostra uma vista terminal de um arranjo de sondas para monitorar um tubo ascendente, como mostrado na figura 1, ao tomar medidas de tensão;

Figura 3 mostra uma vista em seção longitudinal de uma sonda para uso no arranjo da figura 2.

Com referência à figura 1, um tubo ascendente flexível 10, que atua como um duto para transportar um fluido pressurizado, tem várias camadas concêntricas. Uma camada mais interna 12 de tira de aço dobrada enrolada helicoidalmente provê resistência contra pressões externas, e uma camada 14 de tira de aço enrolada helicoidalmente similar fornece resistência ao arco, e entre estas camadas está posicionada uma camada 16 de barreira a fluido de material polimérico. Estes são circundados por duas camadas 18 e 20 de tiras de aço enroladas helicoidalmente para prover resistência à tração, separadas da camada 14 de tira de aço e de cada outra por camadas anti-desgaste 17 e 19 respectivas. Uma camada polimérica 22 provê uma luva externa e barreira a fluidos. Como discutido acima, o modo de falha com este tubo ascendente 10 é tipicamente a falha de um ou mais filamentos na camada mais externa 20 dos filamentos de aço. Mas será notado que estes filamentos não podem ser observados diretamente, porque eles estão encerrados dentro da camada externa 22.

Com referência agora à figura 2, as tensões na camada mais externa 20 dos filamentos de aço de um tubo ascendente 10, como mostrado na figura 1, podem ser monitoradas usando um arranjo de sondas de medida 24 da tensão eletromagnética em uma armação anular 25. Á armação 25 se encontra em duas metades geralmente semicirculares que são articuladas juntas em um pino 26 de pivô e travadas em uma forma anular por um pino de fixação 28. Assim em uso, a armação 25 pode ser presa de modo a circundar o tubo ascendente 10, existindo ai uma folga de não mais do que 2 mm entre o interior da armação 25 e a superfície externa do tubo ascendente 10. A armação 25 é mostrada como transportando somente seis sondas eletromagnéticas 24, apesar de ser notado que ela pode suportar um número diferente e, de fato, deve ser preferível dispor de uma separação entre as sondas adjacentes 24 similar à largura de cada sonda 24. (Se as sondas estiverem próximas umas das outras, elas não devem ser energizadas ao mesmo tempo). Se se requerer uma resolução espacial maior, pode-se ter um segundo destes arranjos de sondas 24 axialmente deslocados e escalonados em posição relativa às mostradas.

Com referência agora à figura 3, cada sonda 24 inclui um núcleo 32 em U de ferro silício que define dois pólos retangulares 34 em um plano comum, cada pólo tendo 60 mm por 15 mm, e o espaço entre os pólos sendo de 60 mm por 25 mm. As faces dos pólos 34 são levemente encurvadas para se igualar com a curvatura da superfície externa do tubo ascendente 10. Em tomo da extremidade superior do núcleo em U 32, está um padrão sobre o qual são enroladas duas bobinas superpostas 36 e 36a. Uma bobina 36 tem 250 voltas e, em uso, é suprida com uma corrente alternada de 0,1 A, a uma freqüência de 70 Hz; esta é a bobina energizante 36. Quando energizada, esta gera um campo magnético alternado no núcleo em U 32 e nos filamentos de aço adjacentes da camada 20 no tubo ascendente 10, este campo magnético sendo pequeno comparado com o campo de saturação para o aço. A orientação das sondas 24 é tal que o campo magnético do espaço livre está em direção a 45° à orientação dos filamentos de aço na camada 20. A outra bobina 36a está em uma bobina sensora que provê os sinais de relutância.

As sondas 24 também podem incluir outros sensores magnéticos, por exemplo pode-se ter uma bobina 40 entre os pólos, cujo eixo longitudinal é paralelo à direção do campo magnético de espaço livre, suportada em uma placa não magnética 38 fixada entre os braços do núcleo em U. Esta bobina 40 detecta o fluxo de vazamento, sendo afetada de modo significante pelo levantamento. Também pode ser usada para medir a tensão. Os sinais da bobina sensora 36a e da bobina 40 de fluxo de vazamento (se presente) são amplificados por um amplificador de cabeça antes de outro processamento. Outro sensor possível é uma bobina plana entre os pólos cujo eixo longitudinal é normal à superfície do tubo ascendente 10; esta bobina pode ser usada na localização dos filamentos se eles estiverem distanciados.

Em operação, com as sondas 24 presas em tomo do tubo ascendente 10, a corrente alternada é suprida às bobinas 36 de acionamento. Os componentes em fase e de quadratura do sinal de ligação de fluxo (isto é, o componente em fase com a corrente de acionamento, e o componente diferindo em fase em 90°) recebido da bobina sensora 36a são, cada um, recuados a zero, e os valores de recuo são então fixados. Durante todas as medidas subseqüentes, os componentes de ligação de fluxo são recuados por estas mesmas quantidades (isto é, subtraindo um sinal igual ao componente observado em um local isento de tensão ou em qualquer taxa de uma localização de tensão uniforme). O valor da tensão na camada 20 na direção longitudinal pode ser determinado a partir das medidas experimentais da ligação de fluxo, uma vez que as medidas foram compensadas para levantamento. Isto requer a calibragem da sonda 24, tomando-se medidas em uma amostra de material do mesmo tipo que dos filamentos de aço 20, enquanto submetendo-se a mesma a uma variedade de tensões diferentes. Isto pode ser feito com uma amostra de tira retangular em um equipamento de teste, as medidas de ligação de fluxo sendo feitas no centro da amostra onde a direção de tensão principal é alinhada com o eixo do equipamento de teste.

Como explicado em WO 03/034054, os componentes em fase e quadratura recuados do sinal de relutância da bobina 36a podem ser traçados em um gráfico. Um primeiro conjunto de medidas é feito em valores progressivamente maiores de levantamento mas sem tensão. Isto oferece um contorno de mudança-levantamento. Os contornos de levantamento similares podem ser obtidos para outros valores fixos de tensão. As medidas são então feitas em uma faixa de diferentes valores fixos de levantamento com tensões variadas (tanto compressão como tração), provendo contornos de mudança-tensão. Esta exibição gráfica permite que as mudanças no levantamento sejam distintas das mudanças na tensão. Esta calibragem deve ser realizada para, pelo menos, uma das sondas 24, adjacente a uma amostra de material do mesmo tipo que a dos fios de aço 20.

Apesar desta abordagem gráfica permitir, de fato, que as mudanças devido à levantamento sejam prontamente distintas de mudanças devido à tensão, verificou-se que o efeito do levantamento pode ser altemativamente eliminado por um simples cálculo. Isto requer que as medidas de calibragem obtenham dois contornos de levantamento diferentes, como descrito acima, em dois valores diferentes de tensão, digamos 0 e 200 MPa. Verificou-se que todos os contornos da tensão constante para um tipo particular de aço podem ser representados (se o componente em fase for i e o componente quadratura for q) por equações da forma: i = a q + bq + c em que os coeficientes a, b e c dependem, cada, linearmente em um parâmetro D que é independente do levantamento e dependente apenas da tensão. Se os valores de D para as tensões de calibragem forem fixados a 0 e 1, o parâmetro D para qualquer posição intermediária no plano de impedância representa que a proporção está no trajeto entre um contorno e o outro. Por exemplo, se uma posição tem o valor de D = 0,5, isto indica que está na metade do trajeto entre os dois contornos de calibragem. Assim, as medidas de calibragem tomadas ao longo de não mais do que dois diferentes contornos de tensão - constante (com valores conhecidos de tensão) permitem que o valor deste parâmetro D seja calculado para qualquer medida subseqüente, de modo que o efeito do levantamento pode ser eliminado.

Assim, este método de cálculo provê um parâmetro dependente de tensão, D, que é independente do levantamento. Também é independente do ganho do amplificador e tamanho da sonda, de modo que a calibragem pode ser realizada com uma sonda menor, se isto for mais conveniente.

Será também notado que, no presente contexto, é desnecessário calcular a tensão em termos numéricos (por exemplo em MPa), pois isto é apenas necessário para detectar uma posição em tomo da circunferência do tubo ascendente 10, em que o valor medido de tensão nos filamentos é significativamente menor do que em outras posições. Por exemplo, se o método gráfico (contorno) for usado para distinguir os efeitos de tensão do levantamento, então o valor da tensão pode ser simplesmente indicado pela grandeza do sinal de relutância em levantamento zero. E, caso se use o método de cálculo, o parâmetro D pode ser usado como uma indicação da tensão.

Em alguns casos, pode ser preferível determinar o valor real da tensão, por exemplo em MPa, particularmente onde o conhecimento da grandeza da tensão com relação à tensão sob elasticidade do material é requerido a fim de avaliar a integridade da estrutura. Este pode ser o caso, por exemplo, com uma corda de fios, se o risco de ruptura precisar ser avaliado.

Com um tubo ascendente 10, uma ruptura em um filamento dentro da camada 20 reduz localmente a tensão no filamento a quase zero e aumenta ligeiramente as tensões em todos os outros filamentos. Em uma extensão de vários metros, as não uniformidades resultantes na tensão são igualadas, pois as tensões são transmitidas entre filamentos adjacentes. No entanto, verificou-se que esta ruptura em um filamento de aço quase sempre ocorre próximo a uma extremidade do tubo ascendente 10 (dentro da conexão em um encaixe da extremidade). Assim, desde que o arranjo de sondas 24 é disposto para monitorar tensões em alguns metros de uma extremidade do tubo ascendente 10, a falha do filamento pode ser detectada a partir de diferenças de tensão conseqüentes. As medidas são feitas preferivelmente em não mais do que 0,5 m do encaixe da extremidade e, mais preferido, em não mais do que 0,2 m do encaixe da extremidade.

REIVINDICAÇÕES

Claims (6)

1. Método para monitorar uma estrutura alongada flexível com uma superfície geralmente cilíndrica, a estrutura compreendendo, pelo menos, uma camada de fios de aço próxima da superfície cilíndrica, os fios de aço se estendendo pelo menos parcialmente ao longo do comprimento da estrutura, o método caracterizado pelo fato de compreender induzir um campo magnético alternado bem menor do que saturação nos fios de aço usando, pelo menos, uma sonda eletromagnética adjacente à superfície cilíndrica da estrutura, a ou cada sonda incorporando uma bobina eletromagnética para induzir o referido campo magnético alternado, e monitorar a densidade de fluxo magnético alternado próxima da superfície cilíndrica da estrutura na proximidade da referida sonda, determinado, a partir da densidade de fluxo monitorada, um parâmetro correspondente indicativo de tensões nos fios de aço, detectar uma posição em que a tensão nos fios é significativamente menor do que em outras posições e, assim, detectar se quaisquer fios foram rompidos.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o campo magnético está em uma direção em um ângulo não zero para o eixo longitudinal dos fios.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o meio de monitoração do fluxo magnético forma parte da sonda.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as medidas são feitas usando um arranjo de referidas sondas eletromagnéticas em tomo da circunferência da estrutura.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o método compreende a resolução de sinais de cada meio de monitoração magnética em um componente em fase e um componente quadratura e a dedução dos componentes em fase e quadratura de um parâmetro dependente de tensão que é independente de levantamento.

6. Aparelho para monitorar uma estrutura alongada flexível caracterizado pelo fato de que é pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.