BRPI0611228A2 - conduto tubular flexìvel para o transporte de hidrocarbonetos e processo de produção do mesmo - Google Patents

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Abstract

CONJUNTO TUBULAR FLEXìVEL PARA O TRANSPORTE DE HIDROCARBONETOS E PROCESSO DE PRODUçãO DO MESMO. A invenção refere-se a um conduto tubular flexível (2) para o transporte dos hidrocarbonetos, o referido conduto tubular flexível compreendendo pelo menos duas mantas de armaduras metálicas (18, 20) separadas por uma camada anti-desgaste (24) de material plástico, cada uma das referidas mantas sendo produzida por enrolamento helicoidal de um elemento metálico longitudinal, a referida camada anti-desgaste (24) sendo produzida por enrolamento helicoidal de uma tira do material plástico; de acordo com a invenção, o referido material plástico compreende um polímero amorfo cuja temperatura de transição vítrea está compreendida entre 175 e 255<198>C.

Description

"CONDUTO TUBULAR FLEXÍVEL PARA O TRANSPORTE DEHIDROCARBONETOS E PROCESSO DE PRODUÇÃO DO MESMO"
A presente invenção refere-se aos condutos tubulares flexíveispara o transporte dos hidrocarbonetos.
Ela refere-se mais precisamente a um conduto do tipo destedescrita nos documentos normativos publicados pelo "American PetroleumInstitute (API)" e notadamente os documentos API 17J e APIRP 17B.
Este tipo de conduto compreende camadas sucessivasindependentes umas das outras constituídas por um lado, de enrolamentoshelicoidais, de tiras e/ou de fios de forma e por outro lado, pelo menos de umabainha de material polimérica. Enquanto que as camadas metálicas têm umafunção de compensação dos esforços mecânicos, tanto internos quantoexternos, as bainhas de polímero têm, por sua vez, uma função deestanqueidade interna ou externa.
As diferentes camadas são em um certo limite móveis umasem relação às outras de maneira a permitir ao conduto fletir. Existemdiferentes estruturas para estes condutos, embora apresentem muitogeralmente um conjunto de camadas designado abóbada de pressão, destinadaa compensação dos esforços radiais, e um conjunto de camadas destinado acompensação dos esforços axiais.
Geralmente, a abóbada de pressão situada no interior doconduto, é constituída de um enrolamento helicoidal com passos curtos de umfio de forma e as camadas destinadas à compensação dos esforços axiaissituadas no exterior do conduto são constituídas geralmente de um par demantas de armaduras de fios cruzados enrolados helicoidalmente de acordocom um passo longo.
Também, a fim de evitar que pelo menos duas destas mantasde armaduras não estejam diretamente em contato uma contra a outra, o queprovocaria seu desgaste prematuro, uma camada intermediária relativamentefina em material plástico é interposta.
Poder-se-á notadamente referir-se ao documento EP 0 929767, o qual descreve um conduto equipado de tal camada intermediária anti-desgaste ("anti-wear layer" em inglês).
E conhecido produzir uma tal camada anti-desgaste porenrolamento helicoidal de uma tira anti-desgaste obtida por extrusão de ummaterial plástico à base de poliamida ou poliolefinas.
No entanto, estas camadas intermediárias se deterioramrapidamente, quando os condutos flexíveis sofrem tensões severas, tais comoaquelas encontradas para a exploração de certos campos de petróleosubmarinos, situados a grande profundidade, e onde o hidrocarboneto está auma temperatura elevada próxima de 130°C. Em tais condições, estascamadas intermediárias anti-desgaste podem sofrer temperaturas próximas de1IO0C e pressões de contato da ordem de 300 a 400 bars.
Também, um problema que se coloca e que a presenteinvenção visa resolver é então, de propor um conduto tubular flexível cujacamada intermediária anti-desgaste de material plástico não seja somenteresistente em condições severas de utilização, mas também seja suscetível deser obtida a um custo vantajoso.
Com este objetivo e de acordo com um primeiro aspecto, ainvenção propõe um conduto tubular flexível para o transporte doshidrocarbonetos, o referido conduto tubular flexível compreendendo pelomenos duas mantas de armaduras metálicas separadas por uma camada anti-desgaste de material plástico, cada uma das referidas mantas sendo produzidapor enrolamento helicoidal de um elemento metálico longitudinal, a referidacamada anti-desgaste sendo produzida por enrolamento helicoidal de uma tirade material plástico; de acordo com a invenção, o referido material plásticocompreende um polímero amorfo cuja temperatura de transição vítrea ficacompreendida entre 175 e 255°C.Assim, uma característica da invenção reside na utilização deum polímero amorfo, isoladamente ou em mistura, cuja temperatura detransição vítrea está compreendida entre 175 e 255°C, no material plásticoutilizado para formar uma camada intermediária anti-desgaste. Por exemplo, atemperatura de transição vítrea do polímero amorfo está compreendida entre210 e 240°C.
Enquanto que os polímeros amorfos de alto desempenho nãosão recomendados nas aplicações ou qualidades tribológicas são procuradas enotadamente a resistência ao desgaste, revela-se que de maneiracompletamente surpreendente, tais materiais conservam suas propriedades portoda a duração de vida do conduto tubular flexível. Outros materiais,poderiam ser vantajosamente considerados, dentre os materiais semi-cristalinos de alto desempenho, no entanto, por um lado, eles são difíceis deempregar por extrusão sob a forma de tira de grande comprimento, o que seriaabsolutamente necessário para poder recobrir os condutos, e por outro ladosão extremamente caros.
De acordo com um primeiro modo de realização da invençãoparticularmente vantajoso, o referido polímero amorfo é um polímero quecompreende um grupamento sulfonado ou mais precisamente um grupamentosulfona («sulfone group» em língua inglesa). Ou seja, um grupamento quecompreende um átomo de enxofre e dois átomos de oxigênio ligados aoátomo de enxofre por duas duplas ligações. Tais polímeros são utilizadosgeralmente no domínio da injeção de plástico mas de modo algum no domínioda extrusão onde polímeros de peso molecular elevado devem ser utilizados.
Assim, graças à utilização de polímeros com grupamentossulfonados relativamente pouco caros, cuja temperatura de transição vítreaestá em média próxima de 220° Celsius, a camada intermediária anti-desgasteé relativamente resistente, e não flui entre os elementos enrolados de cadauma das mantas de armaduras cujo espaçamento pode atingir algunsmilímetros. Ela não flui notadamente quando é levada a temperaturas daordem de 110° e quando ela é submetida a uma pressão próxima de 400 bars.
Estas condições podem ser reunidas no caso de uma exploração petrolífera degrandes profundidades. Além disso, estes polímeros com grupamentossulfonados conferem ao material plástico uma grande resistência à hidrólise, oque retarda o seu envelhecimento.
De preferência, o referido polímero amorfo é umapolifenilsulfona (PPSU), que apresenta todas as características mecânicas,térmicas e de envelhecimento requisitadas.
Além disso, o referido material plástico comporta pelo menos60% em peso do referido polímero amorfo, o complemento constituído dediferentes aditivos, notadamente de cargas, sendo, consequentemente inferiora 40%.
Vantajosamente, o referido material plástico comporta alémdisso uma carga destinada a reduzir o coeficiente de atrito do referido materialplástico de modo que as mantas de armaduras possam atuar umas em relaçãoàs outras quando o conduto flexiona, a camada intermediária de materialplástico autorizando então o atrito das armaduras contra ela, apesar daspressões elevadas que são exercidas. De acordo com um modo preferido derealização, o referido material plástico apresenta uma proporção em massainferior a 20%, o que permite conferir um bom coeficiente de atrito dacamada intermediária contra as mantas de armaduras, conservando ao mesmotempo desempenhos mecânicos suficientes para a aplicação.
Por exemplo, a referida carga é um material sintético do tipode polímeros fluorado ou perfluorado de massa molecular adaptada àutilização sob a forma de óleo, de pasta ou de pó. A carga pode ser constituídaigualmente de bissulfeto de molibdênio ou ainda compostos com cadeia graxaalifática, halogenados ou não.
Além disso, o material plástico assim obtido, confere àscamadas anti-desgaste uma resistência à fluência nos condutos tubularesflexíveis que não apresentavam os materiais plásticos anteriormenteutilizados. A fluência das camadas anti-desgaste entre as espiras dasarmaduras de uma estrutura flexível é um fenômeno complexo difícil demodelar e que impõe um número enorme de testes nas condições de serviçodos condutos flexíveis. Além disso, as notas técnicas dos polímerosdisponíveis no mercado, não fornecem nenhuma informação nemcaracterística que permitam fazer uma escolha racionalizada de polímero quepermita resolver este problema técnico da fluência.
De acordo com um outro modo de realização da invenção, oreferido material plástico comporta além disso um polímero semi-cristalino,por exemplo uma polieteretercetona (PEEK) misturada com o polímeroamorfo em uma proporção em massa inferior a 20%, por exemplo entre 5 e15% de polieteretercetona, de forma a se beneficiar ao mesmo tempo daspropriedades do polímero amorfo e do polímero semi-cristalino que apresentaem geral boas propriedades tribológicas.
Além disso, o referido material plástico apresentavantajosamente um módulo de elasticidade em tração («tensile modulus» emlíngua inglesa), medido de acordo com a norma ASTM D 638, a umatemperatura de 20°C, compreendido entre 1800 e 3200 MPa. Isto confere àtira do referido material plástico uma rigidez em flexão que permite umenrolamento helicoidal em torno do conduto sem nenhuma dificuldade. Porexemplo, este módulo de elasticidade é compreendido entre 2100 e 2700MPa.
De preferência, o referido material plástico da camadaintermediária, apresenta, no limite do limiar de escoamento em tração(«tensile strength yield» em língua inglesa), uma tensão superior a 40 MPa evantajosamente 60 MPa, de maneira a poder resistir durante a instalação emtorno de uma manta de armaduras, no curso da qual uma tira de materialplástico pode sofrer tensões da ordem de algumas dezenas de MPa.
Além disso, e de maneira particularmente vantajosa, o referidomaterial plástico, no limite do limiar de escoamento em tração, apresenta umalongamento superior a 5% e preferivelmente superior a 7%, de maneira a sersuficientemente elástico para seguir os movimentos do conduto flexível emserviço.
Além disso, e de maneira preferida, o material plásticoapresenta um alongamento na ruptura em tração («elongation at break» emlíngua inglesa) superior a 20% e de preferência superior a 50%.
De acordo com um segundo aspecto a invenção propõe umprocesso de produção de um conduto tubular flexível para o transporte dehidrocarbonetos, o referido processo sendo do tipo que segundo o qual enrola-se helicoidalmente em seqüência pelo menos dois elementos metálicoslongitudinais para formar duas mantas de armaduras, tiras de material plásticosendo enroladas helicoidalmente entre as referidas mantas de armaduras paraformar uma camada anti-desgaste; de acordo com a invenção, utiliza-se ummaterial plástico que compreende um polímero amorfo cuja temperatura detransição vítrea está compreendida entre 175 e 255°C, para formar as referidastiras. Além disso, e de maneira particularmente vantajosa, o referido materialplástico é extrudado, o que permite simplificar o emprego do material enotadamente para formar folhas de baixa espessura e de grande comprimento.
Preferencialmente, fende-se as referidas folhas para obter asreferidas tiras de maneira a condicioná-las para instalá-las sobre umdispositivo de produção dos condutos. Além disso, as referidas tiras sãounidas de topo vantajosamente por soldagem por ultra-sons.
Outras particularidades e vantagens da invenção surgirão naleitura da descrição dada a seguir de modos de realização particulares dainvenção, dados a título indicativo mas não limitativo, com referência aodesenho anexo em que:- a única figura é uma vista esquemática parcial emperspectiva de um conduto tubular flexível de acordo com a invenção.
A única figura mostra parcialmente assim uma porção deconduto flexível 2 que compreende, do interior 4 para o exterior 6: um tubometálico flexível ou carcaça 7, produzido por enrolamento helicoidal compasso curto de fitas ou de fios metálicos; uma bainha de impermeabilidadeinterna ou de pressão 8 disposta em redor da carcaça 7; uma camada decobrança 10 entre a carcaça 7 e a bainha de pressão 8; uma abóbada depressão 16 formada de um enrolamento com passo curto em torno da bainhade pressão 8, um fio de forma metálica intertravado e destinado a compensaros esforços de pressão interna; uma primeira manta de armaduras de tração 18e, uma segunda manta de armaduras de tração de 20. Estas mantas dearmaduras são formadas por fios enrolados com passos longos e destinadas acompensar os esforços longitudinais de tração aos quais pode ser submetido oconduto flexível 2.
Além disso, e em conformidade com a invenção, o conduto 2apresenta um primeiro enrolamento helicoidal 22 de uma tira de materialplástico para formar uma primeira camada anti-desgaste entre a abóbada depressão 16 e a primeira manta de armaduras 18, e um segundo enrolamentohelicoidal 24 de uma tira do mesmo material plástico para formar umasegunda camada anti-desgaste entre as duas mantas de armaduras de tração18, 20 e a abóbada de pressão 16 não estão respectivamente e diretamente emcontato uns com os outros, de modo que, durante a curvatura do condutoflexível 2, não há um desgaste devido aos atritos das armaduras metálicasumas contra as outras.
Estas tiras em material plástico compreendem um polímeroamorfo cuja temperatura de transição vítrea está compreendida entre 175 e2550C e vantajosamente entre 210 e 240°C, e são obtidas por extrusão.
Detalhar-se-á a seguir as composições de material plásticoutilizáveis e mais particularmente o tipo de polímero amorfo adaptado.
Os polímeros amorfos, que não são reputados por seusdesempenhos tribológicos, ou seja sua resistência ao desgaste por atrito, serevelaram como sendo excelentes materiais nesta aplicação anti-desgaste dascamadas de armaduras.
Os polímeros amorfos revelados como sendo bons candidatosna aplicação pré-citada são a polissulfona (PSU), a polietersulfona (PES), apolifenilsulfona (PPSU) e a polieterimida (PEI) cujas temperaturas detransição vítrea estão compreendidas entre 185 e 250°C. Dentre estespolímeros, os polímeros que compreendem um grupamento sulfonado (PSU,PES e PPSU) aparecem como sendo os mais resistentes.
Com efeito, eles apresentam um módulo de elasticidade emtração próximo de 2500 MPa e um alongamento na ruptura, em tração,superior a 60%. Além disso, eles apresentam um alongamento no limiar deescoamento em tração superior a 5%, e uma tensão no limiar de escoamentoem tração superior a 60 MPa.
Além disso, a mistura com compostos fluorados ouperfluorados do tipo politetrafluoroetileno (PTFE) ou perfluoropolieter(PFPE) ou ainda com o bissulfeto de molibdênio, permite não somenteaumentar a ductilidade do material plástico mas sobretudo, melhorar seucoeficiente de atrito com as armaduras metálicas.
Além disso, a resistência à hidrólise e a resistência químicados materiais amorfos pré-citados, é muito claramente superior àquelas daspoliamidas por exemplo, anteriormente utilizadas para realizar camadas anti-desgaste.
Além disso, os materiais amorfos adotados apresentam umatemperatura de transição vítrea bem superior à temperatura de serviço à qual omaterial plástico está submetido, no máximo de 110°C, de tal modo que aspropriedades mecânicas em serviço são pouco afetadas.Conseqüentemente, os materiais que conservam suascaracterísticas anti-desgaste por um lado, e por outro lado, não se deterioramao longo do tempo e dos movimentos do conduto tubular flexível enquantoque as tensões, e notadamente as tensões de pressão, são extremamentegrandes, de aproximadamente 300 a 400 bars.
Outros polímeros, esses semi-cristalinos, poderiam convirlevando em conta suas propriedades e notadamente as suas característicastribológicas. Trata-se notadamente, da polieteretercetona (PEEK), a poliimida(PI), os polímeros de cristais líquidos (LCP), a poliftalamida (PPA), ou opolissulfeto de fenileno (PPS). No entanto, eles apresentam o inconvenientede serem caros e de um emprego pouco facilitado, notadamente para obterfolhas por extrusão. Além disso, cargas de reforço do tipo fibra de vidro oufibra de carbono por exemplo, devem ser acrescentados a eles para aumentarsua capacidade de deformação sob carga.
Em contrapartida, eles podem ser misturados aos polímerosamorfos pré-citados, em um limite de 20% em peso, de preferência entre 5 e15 %, de maneira a conferir propriedades tribológicas intrínsecas aospolímeros semi-cristalinos ao material plástico pré-citado.
A invenção refere-se igualmente a um processo de produçãodos condutos tubulares flexíveis para o transporte dos hidrocarbonetos.
A proporção em peso do polímero amorfo no material plásticoé superior a 60% e vantajosamente é superior a 80%. De acordo com ummodo de realização particular da invenção, a polifenilsulfona (PPSU) émisturada com 15% de politetrafluoroetileno (PTFE) e extrudada através deuma fieira plana de grande amplitude, por exemplo 1,00 metro, de modo aobter uma folha de grande comprimento de 1,5 mm de espessura esensivelmente 1,00 metro de largura.
De acordo com um outro modo de realização da invenção, amistura comporta 80% de polifenilsulfona (PPSU), 10% de polieteretercetona(PEEK) e 10% de politetrafluoroetileno (PTFE).
Simultaneamente, após resfriamento, a folha é enrolada paraobter realizar uma bobina mãe de algumas centenas de metros.
Em seguida, a folha é fendida para se obter tiras de 50 a 100mm de largura que são enroladas sobre bobinas filhas para ser instaladassobre um dispositivo de recobrimento de fita clássico montado em linha comuma espiraladora ou uma armação de instalação dos fios metálicos dearmaduras. Conseqüentemente, não na nenhuma necessidade de modificar ouadaptar o referido dispositivo e recobrimento de fita existente, para ali instalarestas tiras de material plástico.
De acordo com o processo, enrola-se helicoidalmente deinício, e com passos curtos, um fio de forma para realizar a abóbada depressão 16. Em seguida, uma tira de material plástico, do tipo pré-citado quecontém um polímero amorfo, é enrolada helicoidalmente para realizar oprimeiro enrolamento 22 sobre a abóbada de pressão 16. Esta tira em materialplástico é aplicada geralmente com uma tensão da ordem de 100 a 150 daN, oque induz uma tensão média sobre a tira da ordem de 10 a 20 MPa.
Além disso, e de acordo com uma característica da invençãoparticularmente vantajosa, as tiras de material plástico são unidas de topo,quando é necessário, por soldagem ultra-sônica por pontos. Para assim fazer,as duas extremidades de tira a unir de topo são levadas uma acima da outra eum sonotrodo adaptado é aplicado sobre as duas extremidades.
E depois, a primeira armadura de tração 18 é formada sobre oprimeiro enrolamento 22 e uma tira de material plástico de novamenteenrolada helicoidalmente sobre a armadura de tração 18 para formar osegundo enrolamento 24.
Por fim, a segunda armadura de tração 20 é aplicada sobre osegundo enrolamento 24 e depois é recoberta por uma bainha de proteção 26.
Entretanto, outras camadas, sintéticas ou metálicas sãosuscetível de serem incorporadas ao conduto flexível 2 a montante da abóbadade pressão 16 ou a jusante da segunda armadura de tração 20.

Claims (16)

1. Conduto tubular flexível (2) para o transporte dehidrocarbonetos, o referido conduto tubular flexível compreendendo pelomenos duas mantas de armaduras metálicas (18, 20) separadas por umacamada anti-desgaste (24) de material plástico, cada uma das referidas mantassendo produzida por enrolamento helicoidal de um elemento metálicolongitudinal, a referida camada anti-desgaste (24) sendo produzida porenrolamento helicoidal de uma tira do referido material plástico; caracterizadopelo fato de que o referido material plástico compreende um polímero amorfocuja temperatura de transição vítrea está compreendida entre 175 e 255°C.
2. Conduto tubular flexível de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o referido polímero amorfo é um polímero quecompreende um grupamento sulfonado.
3. Conduto tubular flexível de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que o referido polímero amorfo é umapolifenilsulfona.
4. Conduto tubular flexível de acordo com uma qualquer dasreivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico comporta pelo menos 60% em peso do polímero amorfo.
5. Conduto tubular flexível de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico comporta além disso uma carga destinada a reduzir o coeficiente deatrito do material plástico.
6. Conduto tubular flexível de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de que o referido material plástico apresenta umaproporção em massa inferior a 20%.
7. Conduto tubular flexível de acordo com a reivindicação 5 ou-6, caracterizado pelo fato de que a referida carga é um material sintéticofluorado ou perfluorado.
8. Conduto tubular flexível de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico comporta além disso um polímero semi-cristalino.
9. Conduto tubular flexível de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que o referido material plástico apresenta umaproporção em massa em polímero semi-cristalino inferior a 20%.
10. Conduto tubular flexível de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico apresenta um módulo de elasticidade em tração compreendido entre- 1800 e 3200 MPa.
11. Conduto tubular flexível de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico apresenta, no limite do limiar de escoamento em tração, uma tensãosuperior a 40 MPa.
12. Conduto tubular flexível de acordo com uma qualquer dasreivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o referido materialplástico, no limite do limiar de escoamento em tração, apresenta umalongamento superior a 5%.
13. Processo de produção de um conduto tubular flexível (2)para o transporte dos hidrocarbonetos, o referido processo sendo do tipo queenrola helicoidalmente em seqüência pelo menos dois elementos metálicoslongitudinais para formar duas mantas de armaduras (18, 20), tiras de materialplástico sendo enroladas helicoidalmente entre as referidas mantas dearmaduras para formar uma camada anti-desgaste (24); caracterizado pelofato de que se utiliza um material plástico que compreende um polímeroamorfo cuja temperatura de transição está compreendida entre 175 e 255°C,para formar as referidas tiras.
14. Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizadopelo fato de que o referido material plástico é extrudado sob a forma de folhasde grande comprimento.
15. Processo de acordo com a reivindicação 13 ou 14,caracterizado pelo fato de que se fende as referidas folhas para obter asreferidas tiras.
16. Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizadopelo fato de que as referidas tiras são unidas de topo por soldagem por ultra-sons.
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B06A Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette]
B09A Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette]
B16A Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette]
B25A Requested transfer of rights approved