DESACOPLAMENTO”

Campo da Invenção

[0001] A presente invenção trata de um componente de interligação de riser rígido ou flexível a ser utilizado em tubo suporte e terminação de topo do riser com geometria modificada, aplicado na área de extração/exploração de petróleo, principalmente em unidades flutuantes de produção e armazenamento (FPSO: Floating Production Storage and Offloading), com a função primordial de suportação de risers rígidos.

Descrição do Estado da Técnica

[0002] A possibilidade de fabricação em série de cascos de FPSOs para o polo pré-sal (replicantes), evidenciou a necessidade de tornar adequados os sistemas de suportação dos risers e das plantas de produção com projetos presentes adaptados a uma realidade futura. A generalização do contexto estrutural e operacional, de tal forma a permitir que uma Unidade Estacionária de Produção (UEP) pudesse ser fabricada antes mesmo da definição completa do arranjo de fundo de um campo de produção, levou ao desenvolvimento de um tipo de tubo suporte denominado Boca de Sino Multifuncional (BSMF). [0003] Quanto aos tipos de risers, nota-se que o riser flexível é fabricado fazendo uso de camadas sobrepostas de perfis de aço intertravados, intercalados com camadas de materiais elastoméricos, de modo que tal conformação confira relativa flexibilidade ao riser se comparado com aqueles em cuja fabricação se faz uso de tubos metálicos rígidos.

[0004] Já o riser rígido é fabricado em tubos de aço rígido, que na interligação entre a linha de produção e a Unidade Estacionária de Produção (UEP) assume a conformação de uma catenária livre. Tais risers podem ser apoiados diretamente na Boia de Sustentação de Risers (BSR), chamados então de Steel Catenary Riser (SCR) ou risers do tipo SCR, que empregam tubos de aço carbono revestidos internamente com liner metálico resistente à corrosão. [0005] O conceito base estabelecido para este novo dispositivo de suportação de risers foi que o mesmo deveria apresentar a versatilidade de permitir a utilização de risers flexíveis ou rígidos com alguma variação em seus diâmetros internos, e que a interligação pudesse ser realizada por bombordo ou boreste. A interface da BSMF com a terminação de topo do riser depende da tecnologia adotada ( riser rígido ou flexível), sendo que o travamento dos risers rígidos é feito pela parte superior e a dos flexíveis, pela inferior.

[0006] No caso de suportação de risers flexíveis, o travamento do bend stiffener é realizado de maneira idêntica à boca de sino da série BSN300 (US 005947642A), sendo o capacete do bend stiffener travado por dogs e a tração do riser ancorada pelo hang-off no upper balcony do FPSO.

[0007] No caso de suportação de risers rígidos, foi desenvolvido um novo conceito de Terminação de Topo do Riser (TTR). A terminação de topo do riser já foi nomeada de diversas maneiras diferentes, como “Hang-off adapto , utilizado no FPSO cidade llhabela ou como “Espiga” pela requerente durante um projeto de uma boca de sino multifuncional, na qual a terminação do riser contém uma Flexjoint (Junta Flexível) ou Stressjoint em sua parte inferior e a tração do riser é ancorada no cone superior da BSMF, sendo este esforço transmitido por cunhas que, no estágio de desenvolvimento inicial do conceito da BSMF, seriam instaladas por mergulho raso.

[0008] A primeira experiência do requerente com a suportação de risers rígidos em bocas de sino multifuncionais ocorreu com a interligação no FPSO cidade de llhabela. Apesar desta UEP não possuir bocas de sino multifuncionais, a mesma utilizava um tubo suporte com o mesmo perfil de uma BSMF.

[0009] Durante o detalhamento do hang-off adaptor para o FPSO cidade de llhabela, foram observados alguns complicativos ao projeto que não foram identificados durante a fase conceituai de desenvolvimento da BSMF. A primeira questão proibitiva, sendo exigida modificação da invenção, foi a constatação de que, por questões de segurança, o mergulhador não poderia instalar as cunhas, pois a sua mão ficaria posicionada entre a BSMF e o riser tensionado pelo cabo de pull-in, situação esta considerada de risco inaceitável. [0010] A solução encontrada para este problema foi o desenvolvimento de cunhas articuladas pelo afretador do FPSO cidade de llhabela (SBM - WO201 7/034409 A1). Porém, esta solução não pode ser aplicada efetivamente nos FPSOs replicantes, pois este dispositivo, além de ser protegido por patente da SBM, possui dimensões incompatíveis com balcão de suportação de risers dos replicantes, possuindo este um espaço bastante restrito para instalação da BSMF.

[0011] Outro ponto importante, observado durante a interligação de risers rígidos ao FPSO Cidade de llhabela, foi que o sistema de gap compensator, que correspondente ao “anel de travamento” no conceito original da BSMF, apesar de ser capaz de realizar o travamento lateral do hang-off adaptor, permitindo assim a transmissão do esforço cortante proveniente do riser, não garante a supressão completa do desalinhamento de instalação do riser.

[0012] Analisando-se todas as restrições observadas durante o detalhamento do hang-off adaptor para o FPSO cidade de llhabela, a requerente desenvolveu um novo conceito de terminação. Para tanto, as cunhas de suportação foram consideradas como elementos integrantes do hang-off adaptor (FIOA-BR), evitando-se assim a utilização de mergulho para sua instalação. Foi previsto também um sistema de cunhas Inferiores de travamento, em substituição ao “anel de travamento” do conceito original.

[0013] Embora considerado uma solução viável, o conceito do FIOA-BR foi descontinuado porque possuía muitas partes móveis e demandaria muita engenharia de detalhamento, como, por exemplo, a definição do sistema hidráulico de acionamento das cunhas superiores. Com base no exposto, identificou-se a necessidade de adequar o projeto do dispositivo tipo tubo suporte para tornar este equipamento mais propício a operações de pull-in de risers rígidos. [0014] O documento PI0902469B1 divulga um sistema de suportação multiangular de conexão de riser no flanco de unidades de produção de petróleo o qual compreende pelo menos um suporte capaz de fixar um riser ao costado de uma unidade estacionária de produção (UEP), e mais especialmente nos FPSO’s, em um ângulo determinado de chegada, e também oferecer a possibilidade de combinações alternativas de arranjos que conferem a possibilidade de dispor de uma variação de ângulos de chegada do riser, flexível ou rígido, em qualquer situação de fixação que possa vir a ocorrer durante a vida útil de uma UEP. O documento difere da presente invenção por não mostrar mudanças significativas no tubo suporte e não revela modificações geométricas na terminação de topo do riser que simplifique o equipamento. [0015] O documento SG10201601701 A1 divulga um aparelho para acoplar um riser a uma linha de fluxo, especialmente quando acoplado ao lado ou a uma torre de um navio de armazenagem ou de produção flutuante (FPSO). Em particular, a presente invenção diz respeito a uma boca de sino que pode ser utilizada para vários tipos de risers. O documento não faz referência as modificações geométricas na terminação de topo do riser e nem ao mecanismo de suporte de riser rígido ser parte integrante do cone superior.

[0016] O documento W02017034409A1 divulga um sistema de travamento superior para um r/serem suporte para plataformas flutuantes (FPSO). O tubo de elevação é inserido no tubo de suporte e é montado em um tubo de suporte suspenso. O sistema de travamento superior inclui uma pluralidade de cunhas articuladas dispostas, onde cada cunha de dobradiça do sistema de travamento superior é rotativamente móvel de uma posição aberta para uma posição fechada. As cunhas articuladas ficam na Terminação de Topo do Riser, porém, na presente invenção as cunhas articuladas são parte integrante do cone superior da boca de sino, eliminando-se assim a necessidade de instalação de cunhas pelo mergulho raso. [0017] A presente invenção trata de um suporte para riser rígido com características diferentes que proporcionam vantagens sobre o que é revelado pelos documentos do estado da técnica.

Descrição Resumida da Invenção

[0018] A presente invenção trata de um componente de interligação de riser a ser utilizado em um dispositivo tipo Tubo Suporte, focada na substituição/inovação da parte superior, componente este com função primordial de suportação do riser rígido. Apesar de a presente invenção ser direcionada à suportação de risers rígidos, a mesma poderia ser facilmente adaptada para suportar também risers flexíveis, sendo a presente invenção também adaptável a qualquer dispositivo do tipo Tubo Suporte.

[0019] Diferentemente do conceito original de dispositivo Tubo Suporte tipo BSMF, aqui foi adotada a premissa de que o mecanismo de suportação do riser rígido é parte integrante do cone superior, eliminando-se assim a necessidade de instalação de cunhas pelo mergulho raso e evitando-se, também, que o mecanismo de travamento seja parte integrante da Terminação de Topo do Riser (TTR). Outro ponto importante é que há uma quantidade mínima de peças móveis, o que favorece a manutenibilidade do sistema. Além disso, caso haja necessidade de manutenção, o tamanho e o peso dos componentes são compatíveis com as operações de mergulho.

[0020] Para as operações pull-in, é previsto que as cunhas retornarão para a sua posição de trabalho apenas pela atuação da força da gravidade. Além disso, todos os componentes do mecanismo são compatíveis com o esforço de contato previsto com cabo de pull-in.

[0021] No caso do pull-out, foi desenvolvido o conceito de mecanismo de retração automatizada das cunhas. O fundamento deste conceito está nas barras de mecanismo que interligam todas as cunhas do cone superior, fazendo com que o mecanismo montado tenha apenas um grau de liberdade: o de retração conjunta de todas as cunhas. Cabe ressaltar que não há nenhum impedimento para que este mecanismo de retração automatizada seja utilizado também nas operações de pull-in.

[0022] Ressalta-se ainda que o mecanismo de retração automatizada das cunhas pode ser utilizado como uma opção alternativa ao efeito da gravidade. Caso seja identificado algum efeito que coloque em dúvida a descrição funcional já apresentada (ex: corrosão ou crescimento de vida marinha), o mecanismo poderá ser adotado como uma garantia de que as cunhas irão se movimentar para as posições desejadas - retração e extensão - durante a operação de pull-in.

[0023] É proposta também uma nova geometria de Terminação de Topo do Riser (TTR) visando a sua simplificação, em que além de considerar o mecanismo de travamento como parte integrante do cone superior do dispositivo tipo Tubo Suporte, há a eliminação de componentes móveis para estabilização do seu movimento lateral (função antes executada pelo anel de travamento ou pelo gap compensator).

Objetivos

[0024] A presente invenção tem como objetivo a suportação de risers.

[0025] A presente invenção tem como objetivo eliminar a necessidade de instalação de cunhas pelo mergulho raso.

[0026] A presente invenção tem como objetivo fornecer uma nova geometria de Terminação de Topo do Riser (TTR) visando a sua simplificação. [0027] A presente invenção tem como objetivo evitar que o mecanismo de travamento seja parte integrante da TTR.

[0028] A presente invenção tem como objetivo reduzir a quantidade de peças móveis para favorecer a manutenibilidade do sistema.

[0029] A presente invenção tem como objetivo garantir que o tamanho e o peso dos componentes sejam compatíveis com as operações de mergulho. [0030] Esses e outros objetivos, tal qual suportação de riser flexível, serão alcançados pelo objeto da presente invenção. Breve Descrição dos Desenhos

[0031] A presente invenção será descrita com mais detalhes a seguir, com referência às figuras em anexo que, de uma forma esquemática e não limitativa do escopo inventivo, representam exemplos da mesma. Nos desenhos, têm-se:

- A Figura 1 ilustrando uma visão geral do cone superior e dos componentes de suportação de riser rígido;

- A Figura 2 ilustrando a vista em corte do cone superior;

- A Figura 3 ilustrando o detalhe da ranhura da cunha, utilizada como guia secundária;

- A Figura 4 ilustrando o conjunto eixo (1), garfo (2) e cunha (3) e detalhe do chanfro no eixo;

- A Figura 5 ilustrando o detalhe do pino de união para o acoplamento entre o eixo, garfo e cunha;

- A Figura 6 ilustrando o mecanismo de retração automatizada das cunhas;

- A Figura 7 ilustrando o mecanismo de retração automatizada das cunhas;

- A Figura 8 ilustrando a geometria da TTR;

- A Figura 9 ilustrando a geometria da TTR adaptada para suportação de risers flexíveis;

- A Figura 10 ilustrando o início do movimento ascendente dos conjuntos cunha/garfo/eixo;

- A Figura 11 ilustrando o fim do movimento descendente do conjunto cunha/garfo/eixo;

- A Figura 12 ilustrando a TTR após ser puxado, perdendo contato com as cunhas;

- A Figura 13 ilustrando a retração total das cunhas e consequente retirada do TTR;

- A Figura 14 ilustrando o mecanismo de retração automatizada das cunhas. Descrição Detalhada da Invenção

[0032] O suporte para riser rígido possui os seguintes componentes:

• Eixo (1);

• Garfo (2);

• Cunha (3);

• Bucha de desgaste (4);

• Suporte para câmera (5);

• Olhai do cone (6);

• Pinos anti-incrustantes (7);

• Pino de união (8);

• Trilho (9);

• Pino para barra de retração (10);

• Grampo (11);

• Alternativamente poderá ter uma barra de mecanismo de retração das cunhas (12), extensor de eixo (14) e ferramenta de retração das cunhas (15) instalados para a etapa de pull-out (ou se necessário, para o pull-in)

• Olhai para ferramenta de mecanismo de retração das cunhas (13);

• Olhai backup para retração das cunhas (16).

[0033] O eixo (1) é o componente com função de guia primário para retração e extensão das cunhas (3) durante as operações de pull-in/pull-out. Observando sua geometria, nota-se que sua parte mais espessa define sua posição fim de curso. Um olhai (16) foi adicionado nesta região mais espessa para servir de ponto de puxada para retração das cunhas (3). O eixo possui uma ranhura, facilmente visualizada por câmeras instaladas no suporte (5) ou ROV que indica uma retração suficiente da cunha (3) para a liberação da TTR (L) em uma operação de pull-out.

[0034] A cunha (3) é um componente efetivo de suportação de carga de tração do riser rígido. Durante as operações de pull-in acontece o contato entre o cabo de pull-in e as cunhas (3), sendo que estas se retraem sem resistência. De forma a evitar danos ao cabo de pull-in ou à própria cunha (3) neste contato, as superfícies voltadas para a direção axial do sistema são abauladas/adoçadas.

[0035] Para que não ocorram cargas laterais, o trilho (9) exerce a função de guia secundário durante o contato do cabo de pull-in, pois atua em conjunto com a ranhura da cunha (Figura 3) como superfície de reação para cargas laterais, evitando empenamento do eixo (1) e consequente travamento do sistema.

[0036] O garfo (2), item necessário apenas para a instalação da ferramenta de retração, está localizado entre o eixo (1) e a cunha (3) e possui um furo para instalação de ferramenta de retração (10 e 12) (pino e barra) para retração conjunta das cunhas (3).

[0037] O pino de união (8) é o componente responsável pelo acoplamento entre o eixo (1), a cunha (3) e o garfo (2).

[0038] O olhai do cone (6) é o componente utilizado para o içamento do cone superior (k).

[0039] Os pinos anti-incrustantes (7) são os componentes utilizados para a proteção contra incrustação dos furos no garfo onde entrarão os pinos para ferramenta de retração (10) e os respectivos grampos (11).

[0040] A bucha de desgaste (4) é o componente responsável por mitigar o desgaste no cone superior (k). Durante a instalação do riser rígido, haverá contato do cabo de pull-in com o cone superior (k), o que poderia ocasionar danos no cone superior (k). A bucha de desgaste (4) é um componente cuja geometria se apresenta como um ponto preferencial de contato com o cabo de pull-in, sendo que seu desgaste é previsto em projeto e não impacta na resistência estrutural e no funcionamento dos mecanismos.

[0041] O olhai backup para retração das cunhas (16) é o olhai do eixo (1) que pode ser utilizado para sua movimentação em caso de falha do sistema de destravamento principal e a ferramenta de retração das cunhas (15) é acoplada no olhai de mecanismo de retração das cunhas (13), que, por sua vez, é conectado ao extensor de eixo (14).

[0042] Visando a simplificação, foi desenvolvida uma nova geometria para a TTR (L) como pode ser observado na Figura 8, que além de considerar o mecanismo de travamento como parte integrante do cone superior do tubo suporte (k), há a eliminação de componentes móveis para estabilização do seu movimento lateral. A nova configuração é composta pelas seguintes regiões:

• Perfil de pré-alinhamento do riser (a);

• Região de suportação por cunhas (b);

• Geometria esférica (c) para entrada inicial da TTR (L);

• Forma de ampulheta (d) para minimização dos esforços de pull-in;

• Superfície cónica para supressão de folga & alinhamento final (e);

• Superfície cilíndrica (f) para transmissão de esforço cortante para o Tubo Suporte;

• Dispositivo de transição de rigidez entre o riser e a TTR (L), tal qual uma Flexjoint (exemplo ilustrativo da figura), Stressjoint, etc (g);

• Extensão do riser conectado à Flexjoint (h).

[0043] As regiões descritas acima descrevem a solução do TTR (L) para suportação de riser rígido. A TTR (L) pode ser facilmente adaptada para suportação de riser flexível substituindo os componentes (g) e (h) por um enrijecedor de curvatura (i), componente tipicamente utilizado para prover proteção de risers flexíveis, como pode ser observado na figura 9.

[0044] O Perfil de pré-alinhamento do riser (a) é a região de transição entre o pequeno diâmetro do flange da TTR (L) conectado à cabeça de tração para pull-in do riser e a região de suportação das cunhas (b), sendo necessário para efetuar um pré-alinhamento suave do riser no Tubo Suporte, eliminando o risco de sobrecargas no sistema de pull-in.

[0045] A região de suportação por cunhas (b) contém a superfície que efetivamente suporta a carga de tração do riser, apresentando o ângulo compatível com as cunhas (3) do cone superior (k). A premissa fundamental é que, seja qual for a solicitação provinda do riser, a pressão de contato entre a TTR (L) e as cunhas (3) do cone superior (k) pode até ser abrandada, mas não suprimida a ponto de que seja cessado o contato entre a terminação de topo do riser (L) e seu sistema de suportação.

[0046] A geometria esférica (c) para entrada da TTR (L), embora a primeira região de contato da TTR (L) com o tubo suporte seja justamente a borda da região de suportação por cunhas (b), apresenta um diâmetro maior, sendo assim a superfície principal de contato inicial entre a terminação de topo do riser (L) e o suporte. Por ser esférica, seja qual for o desalinhamento de instalação, a condição de contato da TTR (L) com o tubo suporte é bastante homogénea, atuando assim como uma “rótula” para a entrada inicial do riser. [0047] A região com forma de ampulheta (d) permite uma inserção desalinhada da TTR (L) em quase toda sua extensão, possibilitando ainda que a região esférica (c) atue efetivamente como uma rótula, evitando assim o surgimento de grandes esforços resistivos à operação de pull-in. Está localizada abaixo da região esférica (c), onde existe uma parcela da TTR (L) com diâmetro significativamente menor do que o diâmetro interno do tubo suporte.

[0048] Após a entrada quase que completa da TTR (L) no tubo suporte, a folga proporcionada pela região com forma de ampulheta (d) precisa ser suprimida nessa região chamada de Superfície Cónica para Supressão de folga (e), para alinhar a região de suportação da TTR (L) com as cunhas (3) de suportação do cone superior (k) e promover o alinhamento efetivo entre a TTR (L) e o Tubo Suporte.

[0049] A superfície cilíndrica para transmissão do esforço cortante (f) é o último elemento da TTR (L) a entrar em contato com o Tubo Suporte, finalizando assim a operação de pull-in. Como a geometria esférica (c) e a superfície cilíndrica (f) apresentam uma tolerância justa em relação ao diâmetro interno do Tubo Suporte, a combinação de tais requisitos de fabricação estabelecem uma elevada capacidade de auto alinhamento da TTR (L). Uma grande vantagem da tolerância justa desta superfície cilíndrica é a eliminação da necessidade de inclusão de um componente móvel para supressão de folga e para transmissão do esforço cortante oriundo do riser.

[0050] O método de acoplamento ( pull-in ) se inicia com a entrada da TTR (L) no Tubo Suporte, onde o mesmo é pré-alinhado. Inicia-se então o contato da geometria esférica (c) da TTR (L), criando o primeiro binário resistente à entrada da TTR (L) no Tubo Suporte. A partir daí, observa-se o contato da superfície cónica da TTR (L) com o Tubo Suporte, de modo a suprimir a folga entre os dois e consequente alinhamento e centralização da TTR (L) no interior do Tubo Suporte. Com a TTR (L) já centralizada no Tubo Suporte, aproxima- se do contato com as cunhas (3). A TTR (L) inicia o toque nas cunhas (3), empurrando-as para cima juntamente com o conjunto cunha (3)/garfo (2)/eixo

(1). Após o fim do movimento ascendente dos conjuntos cunha (3)/garfo

(2)/eixo (1), o mesmo desce devido ao efeito da aceleração da gravidade após perder o contato com a TTR (L) e as cunhas (3) se movimentam para baixo. Após completar o movimento descendente, a TTR (L) é baixada e fica completamente apoiada nas cunhas (3).

[0051] Alternativamente, o mecanismo de retração (12) das cunhas (3) pode ser utilizado para a etapa final do pull-in descrita no parágrafo anterior. Isto é, a etapa de toque do TTR (L) nas cunhas (3) é substituída por uma prévia retração das cunhas (3) utilizando o mecanismo de retração (12). Após o término do movimento ascendente do TTR (L), a ferramenta de retração (15) é acionada em sentido inverso para estender as cunhas (3) e permitir o assentamento final da TTR (L).

[0052] Para o método de desacoplamento ( pull-out ) é necessária à instalação do mecanismo de retração automatizada das cunhas (3), cujos componentes principais são: barras de mecanismo de retração das cunhas (12), extensor do eixo (14) e ferramenta de retração das cunhas (15), como pode ser observado nas Figuras 6, 7 e 13. Após a instalação do Mecanismo de Retração Automatizada, é necessário elevar a TTR (L) de modo que a mesma não fique mais apoiada nas cunhas (3), posição de over-pull, Figura 12. O próximo passo é a ferramenta de retração (15) das cunhas (3) atuar no extensor do eixo (14) de modo que o conjunto eixo (1)/cunha (3)/garfo (2), no qual o extensor (14) está acoplado, comece a ser recolhido. Com esse movimento todas as Barras de retração (12) das cunhas começam a se movimentar devido às restrições cinemáticas, recolhendo assim os demais conjuntos cunha (3)/garfo (2)/eixo (1). A seguir a TTR (L) pode ser rebaixada e retirada do cone superior (k), Figura 13.

[0053] Deve ser notado que, apesar de a presente invenção ter sido descrita com relação aos desenhos em anexo, esta poderá sofrer modificações e adaptações pelos técnicos versados no assunto, dependendo da situação específica, mas desde que dentro do escopo inventivo aqui definido.