Campo da Invenção

[01 ] A presente invenção trata de uma conexão para tubulações hidráulicas utilizando material de liga de memória de forma empregada, notadamente, em equipamentos submarinos.

Histórico da Invenção

[02] SMA (Shaped Memory Alloy) é uma liga que, quando deformada, regressa à sua forma original se aquecida, "lembrando-se" da sua forma original. Quando a liga de memória de forma está no seu estado frio, o metal pode ser dobrado ou esticado em forma diversa, que será mantida até que seja aquecido acima da temperatura de transição. Após o aquecimento, a forma muda retornando ao seu original. Essa liga tem sido utilizada como conexão em tubos para acoplamentos ou junção em ambientes submarinos, substituindo o processo de soldagem orbital que é utilizado habitualmente.

[03] O efeito memória de forma em ligas de Níquel-Titânio foi revelado pela primeira vez por Naval Ordenance Laboratory, em 1962. Em 1963, um acoplamento para 6000 psi de pressão foi projetado e qualificou-se para os navios de superfície da Marinha Real. Em 1969, tem-se notícia de aplicação para acoplamento em pressão de 3000 psi, apropriado para caça a jato F14 da Marinha dos EUA. Em 1975, o sistema foi estendido para a classe Trafalgar de submarinos nucleares. Hoje, acoplamentos baseados em liga de memória de forma são utilizados por empresas da indústria aeroespacial em aeronaves (Boeing®, Airbus®, Cessna®, Learjet®, Bell® Helicopter, e muito outras), tubulações, indústria automotiva, telecomunicações, robótica, medicina e motores.

[04] As árvores de natal submarinas são usadas em campos de petróleo e gás. Uma árvore de natal submarina monitora e controla as produções de um poço, gerenciando fluidos e gás injetados no poço. As árvores de natal submarinas possuem vários conectores de tubos, sendo exigido que as conexões sejam eficientes o suficiente para evitar vazamento. Na linha de produção, o processo de soldagem orbital é frequentemente utilizado para a conexão de tubos hidráulicos, mas existem alguns problemas durante esse processo, incluindo, por exemplo, preparação especial da tubulação, emprego de máquinas específicas a serem utilizadas para a soldagem orbital, profissionais qualificados, procedimento de soldagem complexo, preparação do pós-soldagem, inspeção visual de raios-X incluindo todo seu processo de preparação, amplo espaço de trabalho e um enorme tempo para execução da operação, dentre outros.

[05] Assim, considerando o fato de que o processo de soldagem orbital representa cerca de 50% do cronograma de instrumentação hidráulica da montagem de uma árvore de natal e observando-se as agendas de trabalho que em geral estão sempre lotadas, soluções que envolvam uma melhor utilização do tempo e menor custo devem ser especialmente preferidas.

[06] Nesse sentido, apesar da soldagem orbital de tubos "subsea" ainda ser atualmente utilizada, a liga de memória de forma vem representar uma nova solução para acoplamentos de tubulações submersas, uma vez que, além de atenuar os problemas acima apontados, proporciona vantagens do tipo:

- a tensão da conexão não é afetada por vibrações ou impactos,

- tempo de montagem é insignificante em comparação com a soldagem orbital, pois requer apenas alguns minutos,

- aumento na segurança do trabalho,

- dispensa de trabalho com inspeção por raios-X,

- dispensa de mão de obra altamente qualificada,

- dispensa constantes treinamentos de pessoal técnico para qualificação no serviço, e

- redução de cerca de 1/3 do custo total da operação.

[07] A patente EP0632224B1 apresenta uma solução para acoplamentos ou conexões submarinas efetivada através de uma configuração que compreende um material anti-corrosivo em torno do tubo, sendo em seguida a liga de memória de forma recoberta pelo mesmo material do tubo para evitar a corrosão galvânica e a fragilização por hidrogénio. Essa solução, apesar de empregar liga de memória de forma, possui um inconveniente relacionado com a necessidade de se realizar a deposição do material em cima da liga de memória de forma, devendo esse material ser necessariamente da mesma composição do tubo, pois sendo diferente ocorrerá a corrosão galvânica e qualquer falha na deposição deixará o material suscetível à corrosão. Ainda, atenção especial deve ser dada à espessura da deposição sobre o material da liga de memória de forma para que a flexibilidade do movimento do material de relaxamento e sua contração não sejam comprometidas e, assim, prejudique a conexão. [08] Portanto, com o propósito de solucionar definitivamente todos os problemas acima apontados, desenvolveu-se a conexão utilizando material de liga de memória de forma de acordo com a presente invenção, a qual é utilizada em árvores de natal submarinas ou qualquer outro equipamento submarino que requisite acoplamento entre tubos, mesmo estando em presença de água corrosiva e os mais diversos fluidos hidráulicos e produtos químicos, tanto no ambiente interno como no externo dos tubos.

Descrição Resumida da Invenção

[09] É, portanto, objetivo da presente invenção proporcionar uma conexão de material de liga de memória de forma que minimiza todos os inconvenientes acima citados, além de prover redução de custos, de tempo de montagem e de manutenção.

[010] Também é objetivo da presente invenção proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma especialmente adequada para ser utilizada no acoplamento de tubulações de equipamentos submarinos, as quais requerem maior segurança no que diz respeito à firmeza do acoplamento e estanqueidade da vedação, além serem aplicadas em condições adversas no que se refere à execução do acoplamento em si como nos cuidados a serem tomados quanto aos efeitos corrosivos destes ambientes onde tais tubulações trabalham e os fluidos por elas transportados.

[011] Outro objetivo da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma que seja resistente à fragilização por hidrogénio.

[012] Um objetivo adicional da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma sobre a qual pode se depositar um material metálico mais resistente à corrosão, dependendo da aplicação e ambiente de trabalho.

[013] Ainda, outro objetivo da presente invenção é proporcionar uma conexão com material de liga de memória de forma que não se fragiliza por hidrogénio uma vez que possui isolamento da proteção catódica, por exemplo, um material dielétrico entre o material anti-corrosivo e o material de liga de memória.

Breve Descrição das Figuras

[014] A conexão objeto da presente invenção, assim e seu modo preferencial de execução, será descrita a seguir com referência às figuras ilustrativas em anexo, que de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo, representam:

- Figura 1 - vista em corte longitudinal da conexão acoplada à tubulação de acordo com a presente invenção;

- Figura 2 - vista da conexão ilustrando seu diâmetro interno menor que o diâmetro externo da tubulação;

- Figura 3 - vista da conexão e respectiva tubulação ilustrando o estado expandido; e

- Figura 4 - vista em perspectiva de uma conexão e respectiva tubulação montada de acordo com um modo de realização da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[015] Assim, de acordo com as figuras acima citadas, observa-se que em uma tubulação (4) submersa se provê uma conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1 ), fabricada originalmente com seu diâmetro interno (D1 ) menor que o diâmetro externo (D4) da dita tubulação (4). Referida conexão tipo luva de material de liga de memória de forma (1 ) possui internamente uma camada de revestimento de material dielétrico (2) e, mais internamente, uma luva ou camada (3) de material anti-corrosivo, por exemplo Inconel®, que é uma liga de níquel-cromo com adição de molibdênio e nióbio. Essa camada (3) de material anti-corrosivo é instalada contígua à face externa da dita tubulação (4) e possui internamente porções proeminentes (5) projetadas para agarrar a superfície externa da tubulação (4), formando ali raias (6).

[016] A camada de material dielétrico (2) evita que o acoplamento seja associado à proteção catódica. Assim, a conexão segundo a presente invenção não irá sofrer com a fragilização por hidrogénio. Nesta configuração, a conexão de material de liga de memória de forma (1 ) de acordo com a presente invenção não necessitará ser recoberta ou revestida por qualquer tipo de material resistente à corrosão, posto que não existirá qualquer problema associado ao contato com a água do mar. É também importante observar que a camada de material dielétrico (2) deve ter uma espessura adequada apenas para evitar problemas de ruptura da conexão por esforços mecânicos sobre o tubo. Tipicamente, a espessura da camada de material dielétrico (3) pode variar de 0,05 a 1 ,00 mm. Ainda, em algumas aplicações, pode-se considerar um revestimento a ser aplicado sobre a conexão de material de memória de forma (1 ) para proporcionar proteção da conexão contra um possível aumento de potencial (voltagem) não previsto, por exemplo, promovido pela deposição de bactérias criando uma película/camada de biofilme. Revestimentos típicos para essa proteção adicional são aqueles baseados em poliolefina, ou similar.

[017] A Figura 4 ilustra conexão de material de liga de memória de forma (1 ) e tubulação (4) montada de acordo com um modo de realização da invenção e quando da volta da temperatura normal de trabalho, observando-se o retorno à sua forma original e consequente a compressão na tubulação (4).

[018] Deve ainda ser observado que a temperatura de trabalho da conexão segundo a presente invenção irá depender do tipo do material do isolamento. Por exemplo, se o material for o Nomex®, qualifica-se uma conexão para trabalhar a uma temperatura de cerca de 0 ^e C até 60 ^e C, por 25 anos em ambiente submarino.

Exemplos de Realização, Testes e Ensaios da Invenção

[019] A conexão para tubulações hidráulicas empregadas em equipamentos submarinos utilizando material de liga de memória de forma segundo a presente invenção, a seguir referenciada apenas como conexão, foi submetida a diversos testes, tais como vedação a gás, pneumático, explosão hidrostática, hiperbárico, rotação e flexão, tensão, alto impacto, ciclo térmico e em alta temperatura, mostrando- se eficiente e qualificando-se para aplicações em controle de linhas hidráulicas de equipamentos submarinos.

[020] Nos laboratórios da Universidade Federal do Rio de Janeiro - Brasil (PEMM/DMM-COPPE-EP-UFRJ), foram realizados testes de envelhecimento com a conexão segundo a presente invenção, a qual foi submetida à pressão de 3200 psi, em solução de NaCI 3,5% e temperaturas de 140 ^e C e 160 ^e C. Os resultados desses testes demonstraram a capacidade do material dielétrico de não perder as suas propriedades isolantes.

Teste de Continuidade:

[021] Antes das amostras serem colocadas na autoclave para o teste de envelhecimento, foi realizado um teste de continuidade com o multímetro para verificar a ausência de contato entre o tubo e a conexão.

[022] Nesse teste, foi observado o mesmo comportamento para todas as amostras, sendo constatada uma resistência da ordem de 0,3 Ω quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta ("overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo.

Teste de Envelhecimento:

[023] O presente teste consistiu em colocar os tubos com a conexão imersos em uma solução de NaCI 3,5% em duas temperaturas distintas, 140°C e 160°C e pressão total de3200 psi. Primeiramente colocaram-se os tubos no interior de uma autoclave com capacidade para 8 litros de solução. Foi colocado também, um pedaço do papel Nomex® solto, o mesmo usado para isolar a conexão do tubo. [024] Prosseguiu-se então, com o preenchimento da autoclave com a solução de teste.

[025] As autoclaves foram fechadas, aquecidas até a temperatura do teste { ^~ \ 40 °C e Ι ΘΟ 'Ό) e pressurizadas até 3200 psi com N ₂ . O teste teve duração de 15 dias e após esse tempo as amostras foram retiradas das autoclaves para serem avaliadas.

[026] Pôde-se verificar que o papel Nomex® no teste a 140 °C não foi deteriorado, porém nos testes a 160^ o papel degradou por completo. A conexão ficou com uma metade mais escura que a outra para o teste a ^~ \ 40 °C, porém também não foi observada deterioração do papel Nomex® entre a conexão e o tubo. A 160 °C, embora o papel Nomex® que estava solto na autoclave tenha sido degradado, não foi verificado contato entre a conexão e o tubo. Isso foi comprovado fazendo-se a medida de continuidade com o multímetro, onde se observou uma resistência bem baixa, da ordem de 0,6 Ω, quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta { "overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo, demonstrando que não havia contato da conexão com o tubo, ou seja, estavam isolados.

Teste de Proteção Catódica:

[027] O teste de proteção catódica consistiu em polarizar catodicamente os conjuntos conexão + tubo em -1 .4V _E cs após estes serem retirados do teste de envelhecimento, como objetivo de comprovar a ausência de bolhas de hidrogénio sobre a conexão. O teste foi realizado utilizando uma solução de NaCI 3,5% e um potenciostato da marca IVIUM® para aplicar a tensão desejada. Utilizou-se um eletrodo de grafite como contra eletrodo e o eletrodo de calomelano saturado como eletrodo de referência.

[028] Nesse teste foi observado bolhas de hidrogénio saindo apenas do tubo. Ao final de4 dias os conjuntos forma retirados da solução e novamente foi realizado o teste de continuidade com o multímetro. Observou-se mais uma vez uma resistência bem baixa, da ordem de 0,4 Ω, quando o contato do aparelho foi feito somente nas extremidades do tubo e uma resistência extremamente alta { "overload" no aparelho) quando o contato é feito na conexão e no tubo, demonstrando que não havia contato da conexão com o tubo, ou seja, estavam isolados.

[029] Assim, como poderá ser apreciada por aqueles versados na arte, a utilização e aplicação dessa nova conexão para tubulações hidráulicas de equipamentos submarinos, objeto da presente invenção, proporciona um acoplamento de tubo de memória de forma resistente à fragilização por hidrogénio e à corrosão. Ainda, obtêm- se uma diminuição substancial de custos e complexidade de implantação, operação, montagem, manutenção, tempo e logística, além de se garantir melhor confiabilidade da referida conexão de material de liga de memória de forma em sistemas de tubulações de equipamentos submarinos.