Campo da Invenção

[01 ] A presente invenção se refere a um sistema de atuação compartilhada destinado a posicionar ferramentas sobre qualquer interface de válvulas submersas em uma estação de produção de petróleo localizada em uma estrutura submarina, tal como, por exemplo, um manifold.

Histórico da Invenção

[02] São conhecidos muitos sistemas de atuação remota de válvulas submarinas aplicados a manifolds submarinos. Um exemplo compreende um sistema de controle, geralmente eletro-hidráulico, para o controle de atuadores, geralmente hidráulicos, para cada válvula. O dito sistema de controle consiste de um módulo de controle submarino, uma unidade de potência hidráulica e o umbilical. O umbilical é responsável por aplicar a potência, o fluido hidráulico e por transmitir os sinais de controle à unidade de controle submarino. O módulo de controle submarino (SCM) recebe os sinais da unidade de controle mestre (MCS) localizada na superfície. A SCM é responsável por enviar os sinais para abrir e fechar as válvulas por meio do fluido hidráulico que provém de uma unidade de potência hidráulica localizada na superfície.

[03] Uma desvantagem encontrada nessa técnica é o peso e as dimensões finais dos manifolds submarinos, o que resulta em um maior peso e dimensões do manifold submarino com o crescente número de válvulas junto com maior trabalho e pressão de profundidade. Outra desvantagem da técnica é o excesso de tempo necessário para a instalação da tubulação do sistema de controle eletro-hidráulico, que implica no aumento do tempo de fabricação dos manifolds, mais o custo associado aos equipamentos necessários, tais como atuadores hidráulicos, do módulo de controle submarino, do umbilical eletro- hidráulico e da uma unidade de potência hidráulica.

[04] Uma alternativa para a técnica acima descrita, mas menos frequentemente utilizada atualmente, é o uso de atuadores elétricos submarinos. De acordo com essa técnica, cada válvula do manifold a ser controlada remotamente tem um atuador elétrico conectado a um sistema elétrico de controle. O referido sistema elétrico de controle consiste de uma grade de potência no manifold para fornecer potência e sinal aos atuadores conectados a um umbilical com acessos elétricos conectando o sistema submarino a uma unidade de potência elétrica e de controle localizada na superfície.

[05] Uma vantagem apresentada por essa segunda técnica é a redução do período de fabricação do manifold, já que a instalação do sistema hidráulico de controle no manifold não é necessária. Em contraste, apesar da redução do custo do sistema, como este elimina o custo do umbilical hidráulico, da unidade de potência de superfície e do módulo de controle submarino, o uso de um atuador elétrico pela válvula torna este sistema muito mais caro que o primeiro, já que esses atuadores são equipamentos caros no mercado.

[06] Uma terceira alternativa conhecida consiste de um sistema de atuação compartilhada (SAC). O dito sistema consiste no uso de uma estrutura localizada ao longo de um lado do manifold com uma ferramenta de atuação que é deslocada por um mecanismo para a interface de cada válvula no momento de sua atuação. Nessa alternativa, o manifold contém somente válvulas mecânicas sem atuação remota, e todo o sistema de atuação é feito pelo SAC. O mecanismo que desloca a ferramenta de atuação o faz por meio de um sistema de posicionamento cartesiano movido por pistões hidráulicos em trilhos e operados por um sistema de controle eletro-hidráulico. A posição da ferramenta de atuação é verificada pela posição e por sensores de fluxo localizados no SAC. A ferramenta de atuação consiste de um dispositivo que habilita a interface com a haste da válvula e aplica torque por meio de um sistema hidráulico de potência. O número de voltas aplicadas é verificado por meio do fluxo através da ferramenta. O sistema de controle eletro-hidráulico compreende uma tubulação hidráulica conectada ao SAC, um módulo de controle eletro-hidráulico submarino, um sistema de compensação SAC, um umbilical contendo mangueiras e acessos hidráulicos para suprir o fluido, potência e sinais elétricos, conectados à unidade de pressão hidráulica na superfície e a unidade de potência elétrica e de controle também localizada na superfície. O SAC pode ser instalado separadamente e removido do manifold para reparos, se necessário. Como é bem conhecido pelos técnicos no assunto, essa terceira alternativa foi usada somente uma vez na indústria para a atuação remota das válvulas.

[07] Apesar de esta terceira técnica alternativa visar minimizar as desvantagens da primeira e da segunda técnicas pelo sistema de atuação compartilhada, sempre estarão presentes os custos do módulo de controle submarino, do umbilical hidráulico e da unidade de potência hidráulica de superfície. Outra desvantagem apresentada por essa técnica consiste na característica construtiva do posicionamento cartesiano do sistema, que exige que o equipamento tenha as mesmas dimensões do plano em que estão contidas as válvulas. Esse requisito torna o equipamento pesado e de difícil instalação e remoção no caso de falha ou de manutenção. Além disso, o grande tamanho do equipamento compromete a integração do sistema de atuação compartilhada com o manifold, tornando complexa e difícil ou quase impossível promover a intercambiabilidade.

[08] Outros sistemas de controle de dispositivos submarinos são descritos na técnica anterior. O pedido de patente norte-americana US 2010042357 revela um sistema e método para a determinação da posição de um membro articulado relativo a um plano, e o dito sistema pode ser adaptado para uso submarino. O pedido de patente norte-americana US 2008109108 revela um sistema de controle para um braço manipulador para ser usado em veículos submarinos de operação remota (ROVs). A patente norte-americana US 6644410 revela um sistema modular de controle composto por segmentos independentes para uso no equipamento submarino, incluindo manifolds. O pedido de patente norte-americana US 2009050328 revela um sistema para instalação submarina de isolação em linhas de fluxo, conectores e outros equipamentos submarinos a partir de um veículo de operação remota. O pedido de patente EP 1070573 descreve um sistema para a aplicação e monitoramento de instalações submarinas, como válvulas de manifolds. Entretanto, nenhum dos documentos supramencionados revela a matéria da presente invenção, que vantajosamente soluciona as desvantagens dos sistemas de atuação remota das válvulas submarinas descritas pela técnica anterior até o presente, isto é, o excesso de peso e o grande tamanho do sistema, altos custos, longo tempo de fabricação, e restrições para reparos e substituição de peças e/ou do próprio equipamento.

[09] Portanto, é o objetivo da presente invenção eliminar ou pelo menos minimizar os ditos problemas da técnica anterior usando um sistema compreendendo um mecanismo articulado capaz de posicionar sobre qualquer interface de válvula manifold uma ferramenta para sua operação.

[010] De acordo com a presente invenção, é provido um sistema de atuação compartilhada para o posicionamento de ferramentas em qualquer interface de válvula submersa em uma estação de produção de petróleo localizada na estrutura submarina. O sistema de atuação compartilhada compreende uma ferramenta de atuação que se desloca através de juntas rotativas e elementos estruturais que têm um perfil hidrodinâmico e se conectam a um elemento vélico adequado para o movimento no ambiente submarino.

[01 1 ] A ferramenta de atuação serve para interação com as interfaces de válvula e pode, por exemplo, ser uma ferramenta rotativa para a abertura e o fechamento das válvulas. A ferramenta de atuação pode ser posicionada em uma parte distai de um conjunto de elementos estruturais, sob a forma de braços, conectados entre si por juntas rotativas. O grau de liberdade da parte com a ferramenta é, portanto, dependente do número de braços e juntas e do tipo de juntas no conjunto. Os elementos estruturais, ou pelo menos um dos elementos estruturais, tem um perfil hidrodinâmico que quando é movido na água a borda de ataque do elemento que se move faceando a água quando movida tem uma seção transversal relativamente mais delgada quando comparada à parte de fuga do mesmo elemento estrutural. Como um elemento estrutural longitudinal pode ser operado normalmente em um plano relativo, o elemento estrutural é ligado, girando à volta de um eixo na junta rotativa que é perpendicular à direção longitudinal do elemento estrutural, o elemento estrutural podendo ser formado com uma seção transversal relativamente mais delgada nas duas bordas de ataque opostas entre si quando comparadas à parte de fuga do elemento estrutural nas direções do movimento. O elemento estrutural distai pode estar em uma configuração junto a outros elementos estruturais e juntas adicionais, sendo montado para girar nos dois eixos paralelos e possivelmente também em um eixo perpendicular a esses dois eixos. Esses são somente exemplos ou possíveis graus de liberdade dos diferentes elementos e de como podem ser feitos com um perfil hidrodinâmico. O elemento vélico pode ser ligado ao conjunto de elementos estruturais e juntas em uma direção oposta quando comparada à ferramenta de atuação. O elemento vélico tem a função de prover estabilidade ao conjunto de elementos estruturais e juntas, quando este é girado e estendido para interagir com diferentes interfaces de válvula. O elemento vélico possui duas unidades (uma em linha e a outra de reposição) que contêm os elementos eletrônicos tais como a unidade robótica de movimento e a unidade de acionamento robótico responsáveis pelo movimento autónomo do braço.

[012] De acordo com outro aspecto da invenção, o sistema de atuação compartilhada pode compreender uma interface simples com o equipamento submarino (por exemplo, um manifold) a partir de um único elemento no sistema de operação, e um único elemento no equipamento em uma realização em que o dito elemento no sistema de atuação é um pino e o elemento no manifold é um funil. É também possível ter diferentes interfaces simples, ou ter o funil e o pino montados em peças opostas do sistema de operação e do equipamento, respectivamente.

[013] De acordo com outro aspecto da invenção, as ditas juntas rotativas são elementos selados para o ambiente externo e deslocados pelo óleo lubrificante que o protege no ambiente submarino. Isso significa que a peça móvel das juntas rotativas não são expostas ao ambiente submarino. As juntas podem, por exemplo, ser montadas dentro de uma carcaça flexível que é fixada às duas peças conectadas à junta. Em outra realização, a carcaça pode não ser flexível, mas montada de maneira a proteger a junta. A carcaça também pode ser preenchida com um lubrificante, e esta pode ser colocada sob pressão evitando que a água circundante entre na carcaça.

[014] De acordo com outro aspecto da invenção, pelo menos uma parte dos elementos estruturais pode compreender materiais compósitos em seus elementos estruturais. Outra possibilidade é ter o sistema dotado de elementos flutuantes integrais e ou anexados ao sistema.

[015] De acordo com ainda outro aspecto, o sistema é configurado de maneira que o peso submerso da unidade é, em média, inferior a 100 kg.

[016] De acordo com outro aspecto, é provido um sistema de atuação compartilhada para o posicionamento de uma ferramenta relativa a várias interfaces de válvula em uma estrutura submarina, tal como um manifold. De acordo com a invenção, ela compreende um dispositivo para conexão de ligação da estrutura submarina. Durante a operação normal, o sistema de atuação compartilhada é fixado à estrutura submarina. Ele pode ser montado para ser recuperado separadamente da estrutura submarina e pode ter meios de recuperação em, por exemplo, um dispositivo de fixação para um ROV ou linha proveniente de um barco. Anexo ao dispositivo para conexão há pelo menos um elemento estrutural, possivelmente dois, três ou quatros elementos estruturais, todos conectados entre si por meio de juntas rotativas, provendo pelo menos dois graus de liberdade para uma extremidade distai dos elementos da estrutura onde está posicionada uma ferramenta de atuação. O conjunto de elementos estruturais e juntas rotativas pode, por exemplo, prover três graus de liberdade para a extremidade distai do conjunto. A ferramenta lá está para a interação com as interfaces de válvulas ou com outros equipamentos na estrutura submarina. Os elementos estruturais ainda estão ligados a um elemento vélico. O elemento vélico é projetado para reter o movimento robótico e as unidades de acionamento responsáveis pelo controle dos movimentos do braço robótico e compensar o peso. Os elementos estruturais montados podem ser de diferentes tipos e/ou alguns podem ser similares. Em uma realização possível, os elementos estruturais podem ser com uma coluna girando à volta de seu próprio eixo, um elemento de ligação disposto de forma articulada em relação à coluna, em um eixo perpendicular ao eixo de rotação da coluna, e um elemento de braço fixado ao elemento de ligação, formando um elemento distai no conjunto. O elemento de braço sendo rotativo fixado ao elemento de ligação com um eixo de rotação principalmente paralelo ao eixo de rotação da coluna.

[017] De acordo com outro aspecto, o dispositivo para conexão pode compreender uma interface simples que compreende um pino ou funil para interação com elementos complementares na estrutura submarina. A interface simples pode ter outros elementos além do pino e do funil e/ou também pode ter vários deles. Pode também ser, em um exemplo, somente um pino e um funil. Esses podem ser dotados de uma guia interna provendo uma dada posição relativa dos elementos quando conectados. Podem também ser, alternativamente, por exemplo, um pino longo e um pino curto, para guia da interface em conjunto com o sistema na estrutura submarina.

[018] De acordo com um aspecto da invenção, as juntas rotativas podem ser vedadas em relação ao ambiente externo, protegendo assim as superfícies móveis das juntas contra a água circundante. Isso pode ser feito de várias maneiras como acima mencionado. Em outro aspecto, pelo menos uma parte dos elementos estruturais pode ser feita de materiais compósitos como acima mencionado. De acordo com outro aspecto, o sistema pode compreender elementos flutuantes integrais e ou anexados ao sistema.

[019] De acordo com outro aspecto, o sistema compreende um sistema de controle montado para operar como um braço. A operação consiste no movimento das juntas rotativas de maneira a posicionar a ferramenta com relação à interface da válvula para interação com esta. Um sistema de controle pode ser provido integral com o sistema, fixo aos elementos estruturais do sistema. O sistema opera de forma autónoma, conhecendo os movimentos necessários para atingir a posição desejada. Esse sistema de controle é provido a partir do elemento vélico, que retém o sistema eletrônico necessário para operar o sistema. O sistema eletrônico é composto pela unidade de acionamento robótico e pela unidade de movimento robótico. A unidade de movimento robótico tem um sistema de placa eletrônica controladora de movimento, placas para fornecimento de potência, com acopladores de linha e memórias. A unidade de acionamento robótico tem o suprimento para o acionamento e potência do motor. O sistema de controle pode compreender uma unidade de comunicações para a comunicação com um operador remotamente localizado. Isso pode ser feito com ou sem cabo. As juntas rotativas são operadas pelo sinal que vem da unidade eletrônica e de um sinal remoto de uma unidade de controle fixada na estrutura submarina ou um transmissor ou unidade de comunicações montado na estrutura submarina que recebe sinais de operação de um operador remoto.

[020] De acordo com um aspecto da invenção, pode haver três elementos estruturais principais, conectados por juntas rotativas, sendo o elemento vélico conectado aos elementos estruturais em uma posição oposta à ferramenta de atuação.

[021 ] De acordo com a presente invenção, é também provido um sistema submarino compreendendo uma estrutura submarina e sistema de atuação compartilhada de acordo com o acima descrito, onde o sistema de atuação compartilhada está conectado à estrutura submarina em uma posição fixa, e havendo uma junta rotativa entre o dispositivo para conexão e os elementos estruturais, e havendo pelo menos dois elementos estruturais conectados por uma junta rotativa, montada de maneira que a ferramenta na extremidade distai dos elementos estruturais possa ser operada para interagir com várias interfaces de válvula montadas à volta dessa posição fixa e em diferentes distâncias radiais da posição fixa.

Breve Descrição dos Desenhos

[022] A presente invenção será a seguir descrita com referência aos desenhos em anexo, que representam uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, nas quais:

- A Figura 1 é um sistema de atuação compartilhada de acordo com a presente invenção;

- A Figura 2 é uma vista esquemática da interface do sistema de atuação compartilhada com um manifold àe acordo com a presente invenção; - A Figura 3 é uma vista esquemática do mecanismo de redução de peso do sistema de atuação compartilhada de acordo com a presente invenção.

- A Figura 4 é uma segunda realização do sistema de atuação compartilhada de acordo com a presente invenção;

- A Figura 5 é uma vista esquemática da interface da segunda realização do sistema de atuação compartilhada com um manifold àe acordo com a presente invenção;

- A Figura 6 é uma vista esquemática do mecanismo de redução de peso da segunda realização do sistema de atuação compartilhada de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[023] A invenção será descrita em relação a uma aplicação em um equipamento submarino tal como um manifold. Nas Figuras 4-6, os componentes são referenciados pelo mesmo número de identificação das Figuras 1 -3.

[024] De acordo com as citadas Figuras, o sistema de atuação compartilhada (1 ) de acordo com a presente invenção compreende uma ferramenta de atuação (2), que se desloca pelas juntas rotativas (3, 4, 5) e elementos estruturais (6, 7). Os ditos elementos estruturais (6, 7) têm um perfil hidrodinâmico, sendo conectados a um elemento vélico (8) que auxilia o movimento no ambiente submarino. O perfil hidrodinâmico foi desenvolvido para facilitar o movimento dentro do ambiente submarino, onde as forças para o movimento do braço podem ser minimizadas. O elemento vélico (8) retém duas unidades (17, 18 - Figura 5) (uma em linha e a outra de reposição) que contêm os elementos eletrônicos tais como a unidade de movimento robótico (17) e a unidade de acionamento robótico (18), responsáveis pelo movimento autónomo do braço. O sistema de atuação compartilhada articulado para mover a ferramenta de acordo com a presente invenção fornece características que o permitem ter somente uma interface de fixação ao sistema, diferente do mecanismo cartesiano proposta pela configuração prevista anteriormente para o sistema de atuação compartilhada da técnica anterior.

[025] A interface do manifold com o sistema de atuação compartilhada da presente invenção é feita por meio do contato de um único elemento no sistema de atuação e de um único elemento no manifold. Em uma concretização da presente invenção, o dito elemento no sistema de atuação consiste de um pino (9) e o dito elemento no manifold constitui um funil (10). A dita característica dá ao sistema a vantagem de permitir sua integração ao manifold somente na extremidade de seu conjunto, como também a intercambiabilidade entre sistemas e manifolds. Essa dita característica é importante em situações de fabricação em escala e na substituição de unidades com defeitos. O equipamento é normalmente projetado para ser usado em águas profundas (por exemplo, 1000 - 2000m) por muitos anos (por exemplo, 25 anos), tendo a manutenção e a instalação desse equipamento que serem feitas remotamente, de maneira que seja desejada uma conexão mais simples que possa ser para instalar e remover facilmente a ferramenta.

[026] Além disso, a simplificação da interface com o manifold proporciona vantagens óbvias durante a operação de reposição do sistema no leito marinho pelos veículos de operação remota (ROVs). Essa vantagem se deve ao uso de uma interface de conexão simples, ao invés de serem múltiplas, permitindo a fácil instalação e remoção do sistema. Também, para facilitar a operação de substituição, os elementos estruturais do sistema são construídos de um material compósito leve (1 1 ), e preenchido com elementos flutuantes (12), de maneira a que o peso submerso da unidade seja, em média, inferior a 100 kg, com esse peso sendo o limite aceitável pela maior parte dos operadores ROV para que seja levantado por manoplas (13 e/ou 14).

[027] A Figura 4 mostra dois conectores elétricos (15, 16) para o ROV poder conectar os jumpers às linhas submarinas, um para a unidade de potência e o outro para a comunicação com a unidade flutuante {top-side).

[028] Outras vantagens oferecidas pelo sistema articulado de acordo com a presente invenção se referem à proteção dos mecanismos responsáveis pelo movimento contra a corrosão, crescimento de depósitos de calcário e de magnésio devidos aos sistemas catódicos de proteção e ao crescimento da vida marinha. No sistema da presente invenção, o movimento é feito por meio de juntas rotativas motorizadas e elementos estruturais que transformam o movimento rotativo das juntas na translação da extremidade onde a ferramenta está operando. Assim, todos os componentes que compõem o mecanismo possuem partes móveis deslizantes e são contidos em juntas rotativas. As ditas juntas são elementos selados para o ambiente externo e deslocados pelo óleo lubrificante que protege os elementos contra os efeitos acima descritos. Deve ser notado que essa proteção não é possível ou de utilização prática em mecanismos deslizantes de longo percurso que exijam trilhos expostos à água marinha para o deslocamento do mecanismo, como visto pela técnica anterior.

[029] A estratégia do uso de juntas rotativas para a realização dos movimentos de translação pode ser observada tanto para a obtenção do movimento horizontal como para a obtenção do movimento vertical, por meio do uso de um mecanismo de quatro barras.

[030] Outra vantagem apresentada pelo sistema de atuação compartilhada da presente invenção consiste na minimização da energia necessária para o movimento do mecanismo. A dita redução é uma consequência da geometria hidrodinâmica dos elementos estruturais do sistema e do uso da estrutura com o formato de vela (elemento vélico 8), oposta aos elementos estruturais, de maneira a ser neutralizado o momento imposto pelas correntes marinhas que atuam no sistema.

[031 ] Nesse sentido, o sistema de atuação compartilhada objeto da presente invenção pode ser aplicado com vantagem à execução de outras tarefas em adição à operação de válvulas, pela inclusão das ferramentas adequadas na estrutura, como sistemas de detecção de vazamentos, câmeras, leitores de sensor, transdutores, entre outros. Além disso, o dito sistema pode ser expandido para realizar tarefas em outro equipamento submarino, tais como Árvores de Natal, PLEMs (Manifold de Extremidade de Tubulação), PLETs (Terminais de Tubulação), Sistemas de Separação Submarina e outros. O dito equipamento submarino pode compreender um ou mais sistemas de atuação compartilhada da presente invenção.