BRPI0912152B1

BRPI0912152B1 - umbilical

Info

Publication number: BRPI0912152B1
Application number: BRPI0912152-8A
Authority: BR
Inventors: Dave Madden
Original assignee: Technip France S.A.
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2021-01-26
Also published as: EP2294587B1; EP2294587A4; BRPI0912152A2; US8829347B2; US20110147047A1; MY155589A; EP2294587A1; WO2009145906A1

Abstract

UMBILICAL. Um umbilical para uso, por exemplo, em aplicações de águas profundas inclui uma pluralidade de cabos de potência e pode incluir outros elementos enfeixados entre si e dentro de um envoltório. Um terminação extrema em cada um dos cabos de potência ou uma pluralidade de cabos de potência inclui uma virola de resina em torno do cabo na terminação extrema e provê uma conexão entre o cabo e uma instalação em que o umbilical é conectado.

Description

REFERÊNCIA A PEDIDO RELACIONADO

[0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório US No. 61/057.543, depositado em 30 de maio de 2008.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] A presente invenção refere-se a um umbilical para uso na produção offshore de hidrocarbonetos e, em particular, a um umbilical de potência para uso em aplicações em águas profundas.

[0003] Um umbilical consiste de um grupo de um ou mais tipos de elementos umbilicais ativos alongados, tais como cabos elétricos, cabos de fibra óptica, tubos de aço e/ou mangueiras, cabeados juntos para flexibilidade, sobre revestidos e, quando aplicável, blindados para resistência mecânica. Os umbilicais são tipicamente usados para transmitir energia, sinais e fluidos (por exemplo, para injeção fluida, energia hidráulica, liberação de gás etc.) para e de uma instalação submarina.

[0004] A seção transversal do umbilical é geralmente circular. Os elementos alongados do umbilical são enrolados juntos em um padrão helicoidal ou em um S/Z. A fim de preencher os vazios intersticiais entre os vários elementos umbilicais e obter a desejada configuração para os componentes umbilicais, os componentes de enchimento podem ser incluídos dentro dos vazios.

[0005] A ISO 13628-5 / API (American Petroleum Institute) 17E “Especification for Subsea Umbilicais” (Especificação para Umbilicais Submarinhos”), provê normas para o projeto e manufatura de tais umbilicais.

[0006] Os umbilicais submarinhos são instalados em profundidades de água crescentes, comumente mais profundos do que 2000 m. Tais umbilicais têm que ser capazes de suportar severas condições de carga durante sua instalação e sua vida em serviço.

[0007] Os componentes de suporte de carga principal em uso para suportar as cargas axiais devido ao peso e aos movimentos do umbilical são tubos de aço (vide US 6.472.614, WO 93/17176 e GB2316990), hastes de aço (vide US 6.472.614), hastes compósitas (vide WO 2005/124213), camadas de blindagem de tração (vide Figura 1 de US 6.472.614 ou cordas de fio de aço.

[0008] Os outros elementos de e dentro do umbilical, isto é, os cabos elétricos e ópticos, as mangueiras termoplásticas, revestimento externo polimérico e os componentes de enchimento poliméricos não contribuem significativamente para a resistência à tração do umbilical.

[0009] Os cabos elétricos usados em umbilicais submarinhos situam-se dentro de duas categorias distintas, respectivamente conhecidas como cabos de potência e cabos de sinal. Os cabos de potência são usados para transmitir elevada potência elétrica (tipicamente alguns MW) para equipamentos submarinhos potentes, como bombas. Os cabos de potência são estimados em voltagens compreendidas entre 1 kV e 200 kV e geralmente entre 6kV e 35 kV (faixa de tensão média).

[0010] Os cabos de sinal são geralmente usados para transmitir sinais e baixa energia (< 1 kW) para os dispositivos elétricos no leito do mar. Os cabos de sinal são geralmente classificados em uma tensão menor do que 3000 V e tipicamente menor do que 1000 V.

[0011] Os condutores de cobre dos cabos elétricos não são componentes contendo carga, por causa da baixa resistência à tração do cobre. Estes condutores de cobre efetivamente adicionam peso somente ao umbilical. A menos que protegidos, estes condutores elétricos podem, portanto, ser danificados por excessivo alongamento ou esmagamento, especialmente sob condições severas como em águas profundas.

[0012] Um objetivo da presente invenção é resolver este problema e prover um umbilical leve / alta resistência, compreendendo cabos de potência elétrica, que possam ser usados em aplicações de águas profundas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0013] A invenção refere-se a uma terminação suspensa de um umbilical compreendendo pelo menos um cabo de potência. O cabo de potência compreende um condutor elétrico de elevada resistência à tração. O condutor de cabo de potência da presente invenção tem duas funções, isto é, transmitir energia elétrica e parcialmente suportar a carga de tração aplicada ao umbilical. Os umbilicais compreendendo condutores de cabo de potência combinando estas duas funções não são conhecidos.

[0014] Um aspecto da invenção é substituir os condutores de cobre dos cabos de potência por condutores feitos de um material de alta resistência, por exemplo, grades de alumínio de alta resistência, compósitos de matriz metálica ou condutores reforçados por compósito de fibra de carbono. Tais condutores são usados para transmissão de potência aérea (vide US 6.180.232) e são bastante fortes e leves para serem capazes de suportar seu próprio peso suspenso em água. Além disso, estes condutores podem ser usados como elementos de suporte de carga, que parcialmente resistem às cargas aplicadas ao umbilical. Esta solução diminui as cargas de tração aplicadas aos outros componentes contendo carga (tubos de aço, cordas de aço ou compósitas, hastes de ácido ou compósitas, blindagens de aço ou compósitas) e, portanto, aumenta a resistência à tração do umbilical e/ou torna possível reduzir seu peso pela remoção de alguns dos outros elementos contendo carga.

[0015] As cargas de tração aplicadas a um riser umbilical estendendo-se do leito do mar até um navio/plataforma hospedeira são máximas na área de terminação no lado do topo (terminação suspensa). Quanto mais profunda for a água, mais longo e mais pesado é o riser umbilical e maior é a carga de tração no lado de topo. Portanto, para águas profundas, é vantajoso utilizar a resistência à tração de tais condutores de alta resistência por si próprios ou em combinação com os outros componentes de resistência à tração (blindagens, hastes ou tubos) contidos dentro do umbilical.

[0016] No presente relatório, um núcleo é definido como um condutor isolado. Às vezes, um cabo pode ser considerado ser uma coleção de condutores isolados (núcleos) ou um condutor isolado e protegido. A invenção aplica-se a quaisquer espécies e formatos de materiais condutores de alta resistência, incluindo metais, combinações metálicas, ligas de alta resistência e todos os compósitos, metálicos e/ou não metálicos. Ela também se aplica a todos os tipos de condutores que possam ser conformados, trançados, circulares, sólidos ou compósito incluindo alguns ou todos os acima.

[0017] O segundo aspecto da invenção é que, quando um núcleo e/ou cabo de energia de alta resistência são incluídos em um umbilical, é vantajoso mecanicamente conectar o condutor de alta resistência à terminação extrema do umbilical, isto é, no evento de compartilhamento de carga ou auto-suporte do cabo/núcleo. Este é um meio pelo qual a resistência à tração do condutor pode ser mecanicamente acoplada à terminação extrema, enquanto é também eletricamente isolada do potencial terra.

[0018] A terminação suspensa primária para um umbilical pode incluir as terminações das blindagens, tubos e/ou outros elementos de resistência à tração. Dentro da suspensão primária, não é esperado que a encapsulação de resina do revestimento ou camisa de cabo seja suficiente (especialmente durante o tempo) para suportar a carga do cabo. Espera-se, entretanto, que o arranjo e separação dos cabos/núcleos de potência possam ser mantidos e a carga transferida para a posição ‘secundária’ suspensa, que é o foco deste aspecto da invenção.

[0019] Esta invenção é destinada para aplicação principalmente na extremidade do navio/plataforma hospedeiro de um sistema umbilical, porém pode igualmente ser aplicada a parte de uma terminação umbilical submarinha. Este sistema pode ser usado em conjunto com umbilicais blindados ou não blindados.

[0020] A invenção utiliza o princípio de um colar de retenção isolado na forma de uma “virola conformada”, fundida em um conglomerado de resina, que tenha elevada resistência compressiva e boas propriedades isolantes elétricas. Esta virola, quando fixada ao condutor e fundida dentro da resina, oferece um sistema de suporte para o cabo de potência. O esforço de tração suportado pelo condutor de alta resistência do cabo de potência é transmitido para o corpo de terminação suspenso, através da virola e da resina. O perfil da virola é projetado para considerar as forças mecânicas exercidas sobre ele, bem como a coroa elétrica.

[0021] Métodos de fixação o condutor à virola podem ser numerosos e podem incluir engaste, estampagem, soldagem, solda forte, brasagem, soldagem CAD, ligação (usando um adesivo condutivo) ou um soquete em cesta com uma cunha(s) condutora(s).

[0022] A conexão do condutor à virola requer que o isolamento do condutor a ser reinstalado de um lado (ou seja, interno em direção ao cabo / núcleo umbilical). No lado externo, o condutor também pode ser reinstalado ou, alternativamente, possa ser projetado para adequar-se a uma terminação feita sob medida, que possa ser conectada a acessórios e equipamento comercialmente disponíveis.

[0023] Outros aspectos e vantagens da presente invenção tornar-se-ão evidentes pela seguinte descrição da invenção, que se refere aos desenhos acompanhantes.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0024] A Fig. 1 é uma vista em perspectiva e a Fig. 1a é uma vista extrema de um cabo de potência conhecido;

[0025] A Fig. 2 é uma vista em perspectiva e a Fig. 2a é uma vista extrema de um cabo de sinal conhecido.

[0026] A Fig. 3 é uma vista em seção transversal de um exemplo de um umbilical;

[0027] A Fig. 4 mostra exemplos de virolas que são usadas para a presente invenção;

[0028] A Fig. 5 é uma vista em seção transversal lateral de uma terminação de acordo com a presente invenção; e

[0029] A Fig. 6 é uma vista em perspectiva da terminação.

DESCRIÇÃO DE CABOS E DE FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS DA INVENÇÃO

[0030] A Figura 1 provê um exemplo de um cabo de potência típico. De dentro para fora, ele compreende um condutor de cobre central 2a, semi-condutor e camadas de isolamento elétrico 2b, uma tela de folha metálica 2c e um revestimento polimérico externo 2d. O condutor central 2a tem geralmente uma construção torcida e uma grande seção tipicamente mais elevada do que 16 mm2 e geralmente compreendida entre 50 mm2 e 400 mm2. Energia trifásica é provida por três de tais cabos enfeixados juntos dentro da estrutura umbilical.

[0031] Os cabos de sinal geralmente compreendem condutores isolados de pequena seção, enfeixados juntos como pares (2), quadras (4) ou muito raramente, qualquer outro número, dito feixe sendo ainda sobre revestido. Um exemplo de cabo de sinal quadra é ilustrado na Figura 2.

[0032] Um umbilical compreendendo pelo menos um cabo de energia elétrica é chamado um umbilical de potência. Um exemplo de uma seção transversal de umbilical de potência é ilustrado na Fig. 3. Este umbilical de potência 1 compreende uma montagem de elementos funcionais incluindo tubos de aço ou mangueiras termoplásticas 4, cabos de fibra óptica 6, aço reforçado, cordas de fio de aço ou hastes de carbono 5, cabos de energia elétrica 2 e cabos de sinal elétricos 3 enfeixados juntos com material de enchimento 7 e sobre revestidos por um revestimento externo polimérico 8. Neste exemplo, os três cabos de potência 2 são enfeixados juntos próximo ao eixo-geométrico central do umbilical. Entretanto, em alguns casos eles podem ser posicionados em direção ao lado externo do feixe umbilical.

[0033] Embora não representado no exemplo da Fig. 3, um umbilical pode também compreender camadas adicionais de blindagens de aço helicoidalmente enroladas, tais como aquelas descritas na US 6.472.614. Tal umbilical é chamado um umbilical blindado.

[0034] Exemplos de virolas 20, adequadas para a presente invenção, são ilustrados na Fig. 4. As virolas ilustradas diferem quanto a seus respectivos comprimentos.

[0035] A virola especial é pré-fabricada em uma tal extensão que somente união/revestimento de campo serão requeridos para estabelecer as propriedades de isolamento total final, isto é, será uma base metálica revestida com material de isolamento, que é aplicada em um processo de laboratório ou fábrica. A base metálica da virola tem preferivelmente uma geometria tubular e é diretamente fixada em torno e sobre o condutor por engaste, , estampagem, soldagem, solda forte, brasagem. A camada de isolamento da virola é preferivelmente uma camada tubular espessa, fortemente fixada em torno da base metálica e feita de materiais de alta resistência e alto isolamento, tais como vidro, cerâmica e PEEK. A primeira função desta camada de isolamento é garantir um isolamento elétrico seguro entre o condutor e o corpo de terminação de aço. Na verdade, o isolamento de cabo de potência tem que ser localmente removido antes da fixação da virola. Além disso, a resina epóxi que é fundida na terminação pode conter umidade e pode não ser bastante isolante, especialmente para aplicações de alta tensão. A camada de isolamento integrada da virola resolve estes problemas e provê um isolamento seguro na área de conexão. A segunda função desta camada isolante é transmitir tensões mecânicas resistidas pelo condutor da base metálica para a resina da terminação dentro da qual ela é ancorada, que é a razão pela qual esta camada de isolamento tem que ser feita com materiais de alta resistência e tem que ser fortemente fixada à base metálica.

[0036] Idealmente, o ‘pote’ de resina fundida contendo a virola de conexão será posicionado e mecanicamente conectado fora de bordo da terminação umbilical primária. O pote de resina pode conter um único condutor isolado ou combinação de um ou mais cabos ou núcleos. Cada fundição de resina será eletricamente isolada do recinto de suporte secundário metálico.

[0037] Um exemplo de uma terminação suspensa umbilical de acordo com a presente invenção é ilustrado na Fig. 5. A terminação suspensa primária 10 do umbilical 1 inclui a terminação de tubos de aço, blindagens de aço e/ou outros elementos de resistência à tração. Esses elementos são ancorados dentro da terminação suspensa primária, de acordo com soluções da arte anterior bem conhecidas. A terminação suspensa primária pode ser enchida com um composto de cura dura, tal como uma resina epóxi, como descrito no WO 08037962.

[0038] Os cabos de energia 2 estendem-se através da terminação suspensa primária 10, sem serem totalmente ancorados nela. A extremidade superior de cada núcleo de cada cabo de potência 2 é totalmente ancorada a uma terminação suspensa secundária 12 aqui mostrada. Cada núcleo de cabo de potência é fortemente fixado a uma respectiva virola 14. As virolas 14 são ancoradas na terminação secundária 12, via uma câmara 13, enchida com um composto de cura dura, tal como uma resina.

[0039] Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a suas formas de realização particulares, muitas outras variações e modificações e outros usos tornar-se-ão evidentes para aqueles hábeis na arte. Prefere-se, portanto, que a presente invenção seja limitada não pela descrição específica aqui, porém somente pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Umbilical (1) compreendendo: pelo menos um cabo de potência elétrica (2) incluído em um envoltório circundando e definindo o umbilical (1), dito pelo menos um cabo de potência elétrica (2) compreendendo um condutor elétrico de alta resistência à tração, que consiste de tal material e tem uma tal seção transversal que dito pelo menos um cabo de potência elétrica elétrica (2) é operável para transmitir potência elétrica ao longo dele e é também de suficiente resistência para parcialmente suportar carga de tração aplicada ao umbilical (1); e uma terminação suspensa do umbilical (1), posicionada e configurada para ser operável para conectar o umbilical (1) a uma instalação, em que a terminação suspensa é de suficiente resistência para suportar a carga de tração aplicada ao umbilical (1) e aplicada à terminação suspensa, em que a terminação suspensa compreende uma terminação suspensa primária (10), através da qual o dito pelo menos um cabo de potência elétrica (2) estende-se sem estar totalmente ancorado, o umbilical sendo caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma terminação suspensa secundária (12) através da qual uma extremidade do dito condutor elétrico de alta resistência à tração é totalmente ancorada, dito condutor elétrico de alta resistência à tração sendo fortemente fixado a uma virola (14) ancorada na terminação suspensa secundária via uma câmara (13) enchida com um composto de cura dura, tal como uma resina, em que o dito pelo menos um cabo de potência elétrica (2) tem uma tensão nominal situada na faixa de 6kV a 35kV.

2. Umbilical de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade dos cabos de potência dentro do umbilical e incluídos dentro da cobertura do umbilical e cada um conectado à terminação suspensa.

3. Umbilical de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a terminação suspensa compreende uma respectiva virola (14) em cada um dos cabos de potência, a virola estendendo-se em torno do respectivo cabo de potência e a virola sendo operável para prover um sistema de suporte para o respectivo condutor.

4. Umbilical de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a virola (14) é composta de um conglomerado de resina com alta resistência à compressão e propriedades de isolamento elétrico de fio; cada condutor que recebe uma respectiva virola é isolado e a virola com propriedades isolantes é aplicada a um exterior do respectivo condutor.

5. Umbilical de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda elementos adicionais dentro e estendendo-se através do umbilical, os elementos sendo selecionados do grupo consistindo de cabos elétricos, cabos ópticos, cabos de fibra óptica, tubos e mangueiras.

6. Umbilical de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os elementos estendendo-se através e ao longo do umbilical sao enfeixados juntos; o material de enchimento (7) fica em torno dos elementos enfeixados juntos e um revestimento externo (8) é disposto sobre o material de enchimento e os elementos enfeixados juntos.