Comentários sobre tubos flexíveis

Estima-se que no ano 2000 mais de 70% da produção nacional de petróleo seja obtida a partir de poços situados em águas profundas, devendo-se utilizar plantas de processo com base em sistemas flutuantes de produção. O sucesso desta concepção se deve principalmente à utilização de dutos flexíveis capazes de acompanhar seus grandes deslocamentos. Outra vantagem da utilização de dutos flexíveis sobre dutos rígidos de aço, é a simplificação das operações de transporte e instalação, pela pré-fabricação destes dutos em comprimentos longos e armazenagem em carretéis. 

A complexidade da estrutura dos dutos flexíveis dificulta estabelecer analiticamente as relações entre os esforços atuantes e as tensões e deformações resultantes, devido, principalmente, às não-linearidades geométricas introduzidas pelas camadas de armaduras helicoidais. Além disso, deve ser considerado o problema de contato e escorregamento entre as camadas da estrutura.

Todos os trabalhos pesquisados na literatura especializada apresentam somente equações analíticas aproximadas referentes ao colapso dos dutos flexíveis sob pressão externa, não oferecendo, entretanto, uma descrição do mecanismo de colapso. Como nos últimos anos os dutos flexíveis vêm sendo muito utilizados no Brasil, em águas profundas, surge então a necessidade de se conhecer melhor o comportamento desta estrutura sob carregamento de pressão externa até o colapso. 

A estrutura do duto flexível, inicialmente proposta pelo Instituto Francês de Petróleo (IFP) em 1960, foi introduzida pela primeira vez no mercado em 1972 e até 1991 foram instalados cerca de 2 300 km destes dutos em todo o mundo. A PETROBRAS é a maior usuária mundial, com cerca de 2 100 km de dutos de aplicação offshore, instalados nos campos produtores nacionais. A estrutura de um duto flexível varia de acordo com o fabricante e a finalidade de sua utilização, mas ela é basicamente composta de camadas de aço enroladas helicoidalmente e de camadas homogêneas de termoplásticos com diferentes geometria e materiais. 

A camada interna de termoplástico assegura que o fluido transportado (óleo bruto, gás e água) não vaze, ao passo que a externa oferece proteção contra corrosão, abrasão e proteção mecânica. As camadas helicoidais de aço provêem a resistência mecânica. Os dutos flexíveis podem ser classificados em não-aderentes (unbonded) e aderentes (bonded). Cada componente da estrutura não-aderente (unbonded), forma uma camada cilíndrica onde os elementos de armação podem escorregar em relação aos componentes de vedação.

Uma estrutura típica de um duto flexível não-aderente, como está apresentada na figura, é composta de:

Carcaça Intertravada: camada que tem como objetivo evitar o colapso da camada interna de polímero no caso de uma queda rápida na pressão interna. Ela é feita pelo intertravamento de uma ou duas fitas de aço com pequeno passo (grande ângulo de enrolamento) e com folgas no intertravamento que lhe conferem alta flexibilidade. Por ser construída sobre um mandril, a carcaça intertravada apresenta boa precisão do tamanho do diâmetro interno e da ovalização inicial. Os aços selecionados para esta estrutura têm boa resistência à corrosão para poder transportar hidrocarbonetos. São, geralmente, utilizados os aços inoxidáveis austeníticos, como o AISI 304/304L e AISI 316/316L.

Camada Interna de Termoplástico. Esta camada, geralmente extrudada sobre a carcaça intertravada, é a camada de vedação que deve resistir à corrosão, abrasão e ataque químico dos fluidos conduzidos. Ela transmite os esforços, como pressão de contato, entre as camadas metálicas adjacentes e o ambiente interno.

Armadura de Pressão. Camada opcional para sustentar cargas devido à pressão interna, além de prover resistência contra pressão externa e efeitos de esmagamento da armação de tração. É feita, geralmente, com um número par de arames de aço (geralmente dois) enrolados helicoidalmente em sentidos opostos e em espiral de pequeno passo. A seção transversal destas camadas pode ter diferentes geometrias. Nos dutos fabricados pela Wellstream (WS) e pela Coflexip (CSO), estas camadas são feitas de um arame em forma de Z, sendo denominada de camada Zeta (CSO) e Flexlok (WS). São utilizados aços de liga de baixo carbono como FM-15 e FM-35.

Camada intermediária de termoplástico. Em risers dinâmicos é aplicada uma camada intermediária de termoplástico para diminuir a fricção entre as camadas resistentes a pressão e a armadura de tração.

Camada de armação de tração dupla. Camada que provê a resistência às cargas axiais e à torção. São feitas com número par de camadas, geralmente duas, com arames de seção retangular enrolados helicoidalmente em sentidos opostos com ângulo de inclinação variando entre 15 e 55 °, o qual determina o balanço axissimétrico do duto.

Dependendo da aplicação do duto, este ângulo pode variar entre 15° e 55°. Para reduzir a fricção e o desgaste, é inserida uma camada de lubrificação ou, mais recentemente, uma camada de termoplástico entre as camadas de tração. Os fios da armadura de tração são fabricados com aço de liga de baixo carbono FM-72. Para instalar dutos flexíveis de grande diâmetro em lâminas d’água maiores que 1 000 m, foram desenvolvidas armaduras de materiais compostos a partir de resinas plásticas reforçadas com fibras sintéticas. Esta inovação permite atender aos requisitos de alta resistência e pouco peso, necessários às operações de instalação.

Camada de termoplástico externa. Protege as camadas de metal contra corrosão e abrasão e une a armação adjacente. Como geralmente é extrudada sobre a armadura de tração externa, ela ajuda a manter os arames das armaduras na posição correta.