BRPI0801011A2 - sistema para monitoração da integridade estrutural de uma tubulação flexìvel submarina ascendente e método - Google Patents
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Abstract
SISTEMA PARA MONITORAçãO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE UMA TUBULAçãO FLEXìVEL SUBMARINA ASCENDENTE E MéTODO é descrito um sistema para monitoração da integridade estrutural de uma tubulação flexível submarina ascendente por meio de sensores do tipo extensómetros de fibra óptica instalados nos arames da camada externa de tração desse tipo de tubulação na região interna dos conectores em uma unidade marítima flutuante. Esse sistema aplicado de acordo com um método associado é capaz de detectar variações na deformação longitudinal e possíveis rupturas em cada arame da camada externa de tração de uma tubulação flexível submarina ascendente.
Description
SISTEMA PARA MONITORAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL DEUMA TUBULAÇÃO FLEXÍVEL SUBMARINA ASCENDENTE E MÉTODO
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção está inserida no campo dos sistemas paramonitoração da integridade estrutural de uma tubulação flexível submarinaascendente. Mais especificamente, a presente invenção descreve umsistema de monitoração por meio de sensores do tipo extensômetros defibra óptica instalados nos arames da camada externa de tração de umatubulação flexível submarina ascendente na região interna dos conectoresem uma unidade marítima flutuante, utilizada na produção de petróleo.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
A produção de petróleo em águas profundas utiliza em larga escalatubulação flexível submarina ascendente, conhecida pelos especialistaspela denominação na língua inglesa "riser". Esta tubulação transporta opetróleo produzido pelo poço submarino até uma unidade marítimaflutuante, também denominada plataforma, e daí para navios-tanque oudiretamente para instalações em terra.
A tubulação flexível submarina ascendente possui vantagens emrelação a outras soluções conhecidas pelos especialistas, em especial suagrande versatilidade de uso. No entanto, à medida que a produção depetróleo ocorre em águas progressivamente mais profundas, essatubulação sofre esforços crescentes na região de seus conectores com aunidade marítima flutuante. Nesta região a tubulação passa por um pontode acentuada transição quanto à rigidez - muita flexibilidade antes doconector e muita rigidez no conector. Além disso, devido à grandeprofundidade da lâmina d'água, a carga de peso próprio é muito alta nestaconexão. Devido a esses fatores, ocorrem falhas na conexão da tubulaçãoflexível submarina ascendente, as quais constituem o principal problemade integridade estrutural do sistema de produção.
A ocorrência de tais falhas, que podem levar à ruptura dessa tubula-ção, interrompe a produção e traz altos riscos de acidentes materiais ehumanos.
O principal mecanismo de falha desta conexão ocorre pelorompimento seqüencial dos arames das camadas de tração. Esserompimento é devido principalmente aos esforços cíclicos, a ação deagentes corrosivos e muitas vezes associado a problemas de montagem.Quanto maior a quantidade de arames rompidos, maior é a probabilidadede falha nesta conexão podendo, em muitos casos, levar à ruptura datubulação flexível submarina ascendente.
A monitoração da tubulação flexível submarina ascendente naregião dos conectores em uma unidade marítima flutuante é práticacomum entre os técnicos da área além de constar do padrão API 17Bestabelecida pelo American Petroleum Institute sob o título"Recommended Practice for Flexible Pipe".
O estado da técnica também é repleto de sistemas para fazer essetipo de monitoração. A patente norte-americana US 7,296,480 descreveum dispositivo para monitorar a integridade de tubulações flexíveis usadasno transporte de fluidos pressurizados próximo ao conector da unidademarítima flutuante. Esse dispositivo detecta um aumento na torção natubulação por meio da monitoração do fenômeno associado à falha dacamada de tração desse tipo de tubulação causado pela ruptura deinúmeros arames próximos aos conectores da unidade marítima flutuante.Opcionalmente, a citada patente descreve a utilização desse dispositivoem conjunto com um segundo dispositivo para detectar a liberaçãoexcessiva de gás da parte interna da tubulação flexível submarinaascendente. Tal liberação de gás ocorre em função da deterioração decamadas internas de proteção da tubulação. Neste documento ossensores são aplicados externamente ao duto, necessitando que efeitosindiretos da ruptura dos arames atuem na capa externa para que entãoseja identificado o problema de ruptura de arames. Não raro, a ruptura dosarames não gera estes efeitos indiretos, dando pouca efetividade àreferida patente.
Outro exemplo de um sistema para a monitoração de tubulações édescrito na patente norte-americana US 7,268,541. O sistema propostopor essa patente mede propriedades magnéticas dos arames da camadade tração que mudam de acordo com a variação das tensões aplicadas àtubulação flexível, gerando consequentemente um efeito de detecçãoquando ocorre a ruptura. Esse sistema é fixado externamente à tubulação,sendo susceptível a diversos problemas de manutenção, além de ter umcusto relativamente alto.
Uma característica comum aos documentos citados anteriormente éa forma indireta de identificar a ruptura de arames da camada de tração,isto é, esses sistemas são capazes de identificar apenas os efeitoscausados pela ruptura dos arames, e não a ruptura em si. Em muitoscasos, este tipo de solução é pouco eficaz, pois efeitos como a torção sósão identificados após a ruptura de diversos arames da camada de tração.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
O sistema para monitoração da integridade estrutural de umatubulação flexível submarina ascendente, objeto da presente invenção,capaz de detectar variações na deformação longitudinal e possíveisrupturas em cada arame da camada externa de tração desse tipo detubulação, na região interna dos conectores em uma unidade marítimaflutuante, compreende:
a) um arranjo de sensores com pelo menos um sensor fixado emcada arame da camada externa de tração;
b) um módulo de processamento de dados para a emissão desinais ao arranjo de sensores, e para a recepção e o tratamentodos sinais captados pelo arranjo de sensores;
c) um meio para transmitir os sinais emitidos pelo módulo deprocessamento de dados até o arranjo de sensores, e parareceber os sinais captados pelo arranjo de sensores até omódulo de processamento de dados.
O sistema descrito na presente invenção tem como vantagem a altasensibilidade, uma vez que monitora individualmente todos os arames dacamada externa de tração de tubulações flexíveis submarinasascendentes. O sistema quantifica com extrema exatidão o número dearames rompidos, além de indicar o momento do rompimento de cada umdesses arames, facilitando o planejamento e os procedimentos demanutenção. Como a maior parte do sistema está imerso no interior doconector, seus componentes são protegidos, diminuindo os problemascom manutenção da instrumentação de medição.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
As características do sistema para monitoração da integridadeestrutural de uma tubulação flexível submarina ascendente, objeto dapresente invenção, serão melhor percebidas a partir da descriçãodetalhada que se fará a seguir, a mero título de exemplo, associada aosdesenhos abaixo referenciados, os quais são parte integrante do presenterelatório.
A FIGURA 1 anexa ilustra a representação de uma concretizaçãopreferida para o sistema para monitoração da integridade estrutural deuma tubulação flexível submarina ascendente.
A FIGURA 2A anexa ilustra a representação ampliada da Região Ada FIGURA 1, evidenciando em detalhe sensores fixados e dispostos deforma longitudinal em cada arame da camada externa de tração de umatubulação flexível submarina ascendente.
A FIGURA 2B anexa ilustra a representação ampliada da Região Ada FIGURA 1, evidenciando em detalhe sensores fixados e dispostos deforma transversal em cada arame da camada externa de tração de umatubulação flexível submarina ascendente.
A FIGURA 3 anexa ilustra a representação de uma concretizaçãoalternativa para o sistema para monitoração da integridade estrutural deuma tubulação flexível submarina ascendente.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Tubulações flexíveis submarinas ascendentes têm suasextremidades conectadas a uma unidade marítima flutuante na superfície,por meio de conectores específicos. Quando em operação, os arames dascamadas de tração estão submetidos a um carregamento de tração eestão atuando conforme projeto e dando sustentabilidade a essatubulação. Mas, com a ação de fatores como esforços cíclicos e aexposição a agentes corrosivos, eventualmente esses arames se rompem.A probabilidade da ocorrência desse tipo de falha é maior na regiãodesses conectores.
Atualmente, as técnicas utilizadas para a monitoração da rupturados arames da camada de tração de tubulações flexíveis submarinasascendentes se baseiam na detecção de efeitos indiretos como a torçãodesse tipo de tubulação. O sistema proposto na presente invençãoapresenta uma evolução na monitoração da integridade estrutural dessetipo de tubulação, pois mede diretamente o estado de tensão longitudinalde cada arame da camada externa de tração. Dessa forma, esse sistemapermite identificar a ocorrência de rupturas em cada arame da camadaexterna de tração de uma tubulação flexível submarina ascendente.
Em referência à Figura 1, o sistema da presente invençãocompreende um arranjo (1) de sensores com pelo menos um sensor fixadoem cada arame (2) da camada externa de tração de uma tubulação flexívelascendente submarina (3) na região interna de um conector (4) em umaunidade marítima flutuante (5); um módulo de processamento de dados (6)para a emissão de sinais ao arranjo (1) de sensores, e para a recepção e otratamento dos sinais captados pelo arranjo (1) de sensores; e um meio (7)para transmitir os sinais emitidos pelo módulo de processamento de dados(6) até o arranjo (1) de sensores, e para receber os sinais captados peloarranjo (1) de sensores até o módulo de processamento de dados (6).
Como pode ser visto em detalhe nas Figuras 2A e 2B,representações ampliadas da Região A da Figura 1, o meio (7) paratransmitir e receber os sinais interliga em série todos os sensores (8) até omódulo de processamento de dados (6). Na modalidade preferida dosistema, esse meio (7) é um cabo de fibra óptica.
Os sensores (8) utilizados são do tipo extensômetros, sendo queesses extensômetros podem ser do tipo óptico ou do tipo resistivo.Preferencialmente, o sistema utiliza extensômetros ópticos dotados deredes de Bragg que possuem tamanho reduzido, prescindem de energiaelétrica e possibilitam que vários sensores (8) sejam montados em ummesmo cabo de fibra óptica. Essas características viabilizam a instalaçãode sensores (8) em uma área tão restrita como o interior de um conector(4).
As redes de Bragg em fibras ópticas são componentes ópticospassivos obtidos a partir de uma modulação local, longitudinal e periódica,do índice de refração do núcleo da fibra óptica. Devido à variação local doíndice de refração, qualquer luz que se propague ao longo do núcleo dafibra sofre reflexão parcial em cada uma das camadas da rede.
Devido a carregamentos mecânicos aplicados ou gradientes detemperatura, o comprimento de onda da luz refletida pela rede de Braggsofre alteração que pode ser relacionada à variação da grandeza medida.Os diferentes comprimentos de onda refletidos indicam as deformaçõesabsorvidas pelos arames (2), proporcionalmente às tensões a elesaplicadas.
Os sensores (8) são fixados em cada arame (2) da camada externade tração por um meio conveniente como, por exemplo, um adesivo, e sãodispostos de forma longitudinal ao arame (2) da camada externa de tração,como visto na Figura 2A, ou de forma transversal ao arame (2) da camadaexterna de tração, como visto na Figura 2B.O arranjo (1) de sensores compreende adicionalmente pelo menosum sensor (não mostrado nas figuras) não fixado a qualquer um dosarames (2) da camada externa de tração para corrigir o efeito datemperatura na medição das deformações.
O módulo de processamento de dados (6) compreende uminterrogador de fibra óptica (9) baseado no espectro (comprimento deonda) responsável pela emissão e recepção dos sinais para a medição dadeformação dos arames (2) da camada externa de tração; e umcomputador (10) para tratar os sinais captados pelos sensores (8) e paracalcular a deformação e detectar possíveis rupturas dos arames (2) dacamada externa de tração.
Para aumentar a segurança e a confiabilidade da monitoração daintegridade estrutural de tubulações flexíveis ascendentes submarinas (3),o sistema pode compreender adicionalmente um arranjo secundário (11)de sensores com pelo menos um sensor (8) fixado em cada arame (2) dacamada externa de tração; e um meio secundário (12) para transmitir ereceber os sinais que é ligado ao módulo de processamento de dados (6)como pode ser visto na Figura 3.
A instalação do sistema da presente invenção é feita durante umprocesso usual de montagem de uma tubulação flexível submarinaascendente (3) em um conector (4). Após a etapa de realinhamento finaldos arames (2) no conector (4), o arranjo (1) de sensores é instalado deforma que pelo menos um sensor (8) seja fixado em cada arame (2) dacamada externa de tração; considerando também a necessidade de haverpelo menos um sensor adicional (não mostrado nas figuras) não fixado aqualquer um dos referidos arames (2). Uma vez instalado o arranjo (1) desensores, o meio (7) para transmitir e receber os sinais (preferencialmenteum cabo de fibra óptica) é passado pelo interior de um conduíte (13) até oexterior do conector (4). Nesse ponto é feita uma conexão óptica com omódulo de processamento de dados (6) na unidade marítima flutuante (5).Depois que a conexão óptica é conferida, o conector (4) é preenchido comresina finalizando assim o processo de montagem.
O sistema proposto na presente invenção pode ser utilizado namonitoração da integridade estrutural de tubulações flexíveis ascendentessubmarinas de acordo com um método que compreende as seguintesetapas:
a) emitir um sinal luminoso com determinado comprimento de ondapor meio de um cabo de fibra óptica a partir de um módulo deprocessamento de dados;
b) passar o sinal luminoso por cada um dos sensores do tipoextensômetro de fibra óptica que utiliza Redes de Bragg fixados (enão fixados) em cada um dos arames da camada externa de traçãode uma tubulação flexível submarina ascendente na região internados conectores em uma unidade marítima flutuante;
c) receber o sinal luminoso de retorno dos sensores transmitidospelo cabo de fibra óptica até o módulo de processamento de dados;
d) medir a variação no comprimento de onda do sinal luminosoproporcional à deformação de cada arame da camada externa detração por meio do módulo de processamento de dados
desconsiderando a variação causada pelo efeito da temperatura;
e) calcular a deformação longitudinal baseado na variação nocomprimento de onda do sinal luminoso, e detectar possíveisrupturas em cada arame da camada externa de tração por meio domódulo de processamento de dados.
As informações sobre a deformação longitudinal ou as possíveisrupturas dos arames da camada externa de tração, obtidas com o sistemada presente invenção de acordo com o método descrito acima, podem serutilizadas na própria unidade marítima flutuante ou podem ser transmitidasem tempo real até uma central de controle terrestre.
A descrição que se fez até aqui do sistema para monitoração daintegridade estrutural de uma tubulação flexível submarina ascendente,objeto da presente invenção, deve ser considerado apenas como umapossível concretização, e quaisquer características particulares neleintroduzidas devem ser entendidas apenas como algo que foi escrito parafacilitar a compreensão. Desta forma, não podem de forma alguma serconsideradas como Iimitantes da invenção, a qual está limitada ao escopodas reivindicações que seguem.
Claims (11)
1. Sistema para monitoração da integridade estrutural de umatubulação flexível submarina ascendente, caracterizado pordetectar variações na deformação longitudinal e possíveis rupturas emcada arame da camada externa de tração desse tipo de tubulação naregião interna dos conectores em uma unidade marítima flutuante,sistema esse que compreende:a) um arranjo de sensores com pelo menos um sensor fixadoem cada arame da camada externa de tração;b) um módulo de processamento de dados para a emissão desinais ao arranjo de sensores, e para a recepção e otratamento dos sinais captados pelo arranjo de sensores;c) um meio para transmitir os sinais emitidos pelo módulo deprocessamento de dados até o arranjo de sensores, e parareceber os sinais captados pelo arranjo de sensores até omódulo de processamento de dados.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o arranjode sensores compreender adicionalmente pelo menos um sensor nãofixado a qualquer um dos arames da camada externa de tração paracorrigir o efeito da temperatura na medição das deformações.
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ossensores serem fixados em uma das seguintes formas:a) longitudinalmente ao arame da camada externa de tração;b) transversalmente ao arame da camada externa de tração.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ossensores serem de um dos seguintes tipos:a) extensômetros ópticos;b) extensômetros resistivos.
5. Sistema de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por osextensômetros ópticos utilizarem redes de Bragg.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulode processamento de dados compreender:a) um interrogador de fibra óptica baseado no espectro(comprimento de onda) responsável pela emissão e recepçãodos sinais para a medição da deformação dos arames dacamada externa de tração;b) um computador responsável pelo tratamento dos sinaiscaptados pelos sensores e pelo cálculo da deformação edetecção de possíveis rupturas dos arames da camadaexterna de tração.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o meiopara transmitir e receber os sinais interligar em série todos os sensoresaté o módulo de processamento de dados.
8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o meiopara transmitir e receber os sinais ser um cabo de fibra óptica.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado porcompreender adicionalmente:a) um arranjo secundário de sensores com pelo menos umsensor fixado em cada arame da camada externa de tração;b) um meio secundário para transmitir e receber os sinaisligado ao módulo de processamento de dados dareivindicação 1 em paralelo com o arranjo de sensores e omeio para transmitir e receber os sinais da reivindicação 1.
10. Método para monitoração da integridade estrutural de umatubulação flexível submarina ascendente que utiliza o sistema dareivindicação 1, caracterizado por compreender as seguintes etapas:a) emitir um sinal luminoso com determinado comprimento deonda por meio de um cabo de fibra óptica a partir de ummódulo de processamento de dados;b) passar o sinal luminoso por cada um dos sensores do tipoextensômetro de fibra óptica que utiliza Redes de Braggfixados (e não fixados) em cada um dos arames da camadaexterna de tração de uma tubulação flexível submarinaascendente na região interna dos conectores em uma unidademarítima flutuante;c) receber o sinal luminoso de retorno dos sensorestransmitidos pelo cabo de fibra óptica até o módulo deprocessamento de dados;d) medir a variação no comprimento de onda do sinalluminoso proporcional à deformação de cada arame dacamada externa de tração por meio do módulo deprocessamento de dados desconsiderando a variaçãocausada pelo efeito da temperatura;e) calcular a deformação longitudinal baseado na variação nocomprimento de onda do sinal luminoso, e detectar possíveisrupturas em cada arame da camada externa de tração pormeio do módulo de processamento de dados.
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por ainformação sobre a deformação longitudinal e as possíveis rupturas dosarames da camada externa de tração poder ser utilizada na própriaunidade marítima flutuante ou ser transmitida em tempo real até umacentral de controle terrestre.
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