Carenado de dos aletas.

Un conjunto de carenado para la reducción de la vibración inducida por vórtice,

la minimización del arrastre y laeliminación del fenómeno de vibración galopante sobre un elemento sustancialmente cilíndrico inmerso en un mediofluido, que comprende:

un elemento cilíndrico;

un carenado montado giratoriamente alrededor del elemento cilíndrico, caracterizado porque dichocarenado tiene una carcasa en forma de U con bordes opuestos que definen un hueco longitudinal y aletasparalelas que se extienden hacia afuera desde los bordes opuestos de la carcasa.

Carenado de dos aletas

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a la reducción de la vibración inducida por vórtice ("VIV") y más particularmente a un carenado utilizado para la reducción de la VIV en tuberías u otros componentes estructurales sumergidos en un fluido.

Antecedentes de la invención

La exploración de reservas de petróleo y gas natural ha conducido a los perforadores fuera de costa hace muchos años y a medida que la exploración fuera de costa continúa, los productores fuera de costa se encuentran en aguas cada vez más profundas. Aunque esas aguas pueden tener las reservas que buscan, los productores fuera de costa se enfrentan también a fuertes corrientes que amenazan la integridad estructural de sus columnas ascendentes, tuberías y otros componentes alargados y cilíndricos implicados en la producción de petróleo y gas.

Las tensiones en las tuberías u otros componentes estructurales sumergidos en un fluido, tales como columnas ascendentes de perforación, columnas ascendentes de producción, tuberías, tendones estructurales, etc. aumentan en gran medida a medida que la velocidad de la corriente aumenta y las tensiones se magnifican a medida que aumenta la profundidad del agua y la longitud de las columnas ascendentes en la ubicación del pozo. Cuando se operan plataformas en zonas de alta corriente, la columna ascendente está expuesto a corrientes que pueden causar al menos dos tipos de tensiones. La primera es causada por la vibración resultante de vórtices desprendidos de un componente cuando el fluido fluye a través de los mismos. Esa vibración, que se produce perpendicular a la corriente, se conoce como "vibración inducida por vórtice", o "VIV". Cuando el agua fluye más allá de la columna ascendente, puede hacer que los vórtices se despojen alternativamente de cada lado de la columna ascendente cuando los números de Reynolds alcanzan cierto intervalo. Si la frecuencia de esta carga armónica está cerca de la frecuencia de resonancia de la columna ascendente, se pueden producir grandes vibraciones transversales en la corriente. El segundo tipo de tensión es causado por las fuerzas de arrastre que empujan la columna ascendente en la dirección de la corriente debido a la resistencia al flujo de fluido de la columna ascendente. Las fuerzas de arrastre se amplifican significativamente por las vibraciones inducidas por vórtices de la columna ascendente, es decir, una tubería vibrante. Una tubería de columna ascendente que está vibrando debido al desprendimiento de vórtices interrumpirá el flujo de agua a su alrededor más que una columna ascendente estacionario o tubería sin vibraciones. Esto da como resultado una mayor transferencia energética de la corriente a la columna ascendente, y por tanto más arrastre.

El movimiento de exploración, desarrollo y producción de petróleo y gas en aguas profundas y ultra profundas, ha creado desafíos únicos de ingeniería que requieren soluciones innovadoras de ingeniería. Un desafío particular son las vibraciones inducidas por vórtices (VIV) , de los largos columnas ascendentes de perforación y producción. Como se ha descrito anteriormente, cuando largos elementos, tales como tuberías, columnas ascendentes, tendones, umbilicales y cables submarinos se ven afectados por corrientes relativamente fuertes en longitudes prolongadas a lo largo del elemento, las corrientes pueden hacer que los vórtices se desprendan de los lados del elemento en una forma alterna que puede inducir la VIV. La vibración resultante aumenta el arrastre, reduce la vida de fatiga y si no se controla puede conducir a la falla del elemento marino o sus soportes.

Anillos, chapas estabilizadoras y carenados se han añadido tradicionalmente a las columnas ascendentes y a otras tuberías sumergidas con el fin de minimizar las tensiones inducidas por corrientes en estas tuberías. Las chapas estabilizadoras y los anillos pueden ser eficaces independientemente de la orientación de la corriente, pero tienden a aumentar el arrastre que actúa sobre la columna ascendente. Por el contrario, los carenados son generalmente más eficientes en la reducción de la resistencia y de la VIV. Los carenados comprenden generalmente cuerpos en forma aerodinámica (tales como, las alas del avión) que se mueven como veletas o giran alrededor de la columna ascendente manteniendo posiciones sustancialmente alineadas con la corriente de agua. Los carenados reducen por lo general las fuerzas inducidas por vórtices y minimizan el arrastre en la columna ascendente reduciendo o rompiendo las áreas de baja presión que existen corriente abajo de la columna ascendente.

Un ejemplo de un carenado se encuentra en la Patente de Estados Unidos N° 4.474.129 que desvela un carenado montable de forma que se pueda separar en columnas ascendentes equipados con módulos de flotabilidad que tienen una popa cónica de cola y una aleta situada después de la cola. Este carenado rodea completamente la columna ascendente y se unen entre sí en la porción posterior del carenado. Otro ejemplo de un carenado se encuentra en la Patente de Estados Unidos N° 4.398.4 87 que describe una estructura simétrica aerodinámica que tiene una porción de nariz, una porción de cola y dos porciones laterales opuestas. Este carenado se forma como dos mitades de carcasa que rodean completamente la columna ascendente y están conectadas en el extremo frontal de la nariz por sujetadores de liberación rápida y al final de la porción de cola por bisagras. La Patente de Estados Unidos N° 5.410.979 describe un pequeño carenado fijo en forma de lágrima que rodea a una columna ascendente y se fija a la columna ascendente para no girar. La Patente de Estados Unidos N° 6.048.136 describe un car enado que está instalado en una columna ascendente de perforación en combinación con un módulo de flotabilidad de

espuma sintética. Este carenado se forma como dos mitades de carcasa que rodean a la columna ascendente y se unen en las porciones frontal y posterior del carenado. Un carenado giratorio se describe en la Patente de Estados Unidos N° 6.067.922 incluyendo un elemento de cobre montado en la región anular del carenado para disuadir el crecimiento marino. Este carenado está formado como una sola pieza que rodea completamente la columna ascendente y se une a la porción de cola o de brida con pernos. Un carenado ultracorto que se describe en la Patente de Estados Unidos N° 6.223.672 se muestra en la Figura 2. Este carenado 2 tiene un par de lados conformados 4A, 4B que parten desde el perfil circular de una columna ascendente marino y convergen en un borde de salida 6. Cabe señalar que todos los carenados descritos anteriormente se construyen en longitudes predeterminadas y una pluralidad de carenados se posiciona a lo largo de la longitud de cualquier columna ascendente particular. La Patente de Estados Unidos Nº 6.517.289, que se considera el documento de la técnica anterior más cercano, describe un carenado flexible que se expande y mantiene en una configuración en forma aerodinámica por presión dinámica portada internamente. Se utilizan varios medios para mejorar el establecimiento de la forma aerodinámica, tales como varillas de refuerzo y deflectores flexibles separados colocados dentro del material de protección flexible del carenado en una relación espaciada entre sí.

Aunque los carenados pueden ser eficaces para reducir las VIV, sigue existiendo una serie de problemas con los carenados de la técnica anterior. Como se ha representado en la técnica anterior, los carenados se han hecho cada vez más complejos en diseño, a menudo requieren un gran número de piezas, y como tal, se han vuelto más costosos de producir y mantener. Generalmente, los carenados se deben asegurar al componente alargado mediante bandas, pernos u otros sujetadores que pueden fallar. Además, el uso de tales sujetadores se suma al coste y al trabajo asociado con el uso del carenado. Adicionalmente, la corrosión y el crecimiento marino hacen frecuente que los elementos de giro de un carenado aumenten en tamaño de modo que ya no puede girar ni alinearse apropiadamente con la corriente. Tal preocupación a menudo ha resultado en carenados que sólo están siendo utilizados en las columnas ascendentes u otros componentes que permanecen en las columnas ascendentes durante sólo un corto período de tiempo, dejando a los de la industria a depender de medios de reducción de VIV menos eficaces, tales como, chapas estabilizadoras de vórtices con aletas fijas para los componentes fijados más permanentemente.

Aunque las chapas estabilizadoras... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de carenado para la reducción de la vibración inducida por vórtice, la minimización del arrastre y la eliminación del fenómeno de vibración galopante sobre un elemento sustancialmente cilíndrico inmerso en un medio fluido, que comprende:

un elemento cilíndrico; un carenado montado giratoriamente alrededor del elemento cilíndrico, caracterizado porque dicho carenado tiene una carcasa en forma de U con bordes opuestos que definen un hueco longitudinal y aletas paralelas que se extienden hacia afuera desde los bordes opuestos de la carcasa,

2. Un conjunto de carenado de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende una pluralidad de dichos carenados montados giratoriamente alrededor del elemento cilíndrico.

3. El conjunto de carenado de acuerdo con la reivindicación 2, que incluye además una brida en un borde superior e inferior del carenado, extendiéndose la brida alrededor de la circunferencia de la carcasa y hacia fuera desde la carcasa, en el que las bridas en cada carenado están configuradas de tal manera que permiten que cada carenado gire libremente sobre un carenado contiguo.

4. El conjunto de carenado de acuerdo con la reivindicación 2, en el que un collarín circular está posicionado entre cada uno de la pluralidad de carenados, estando configurado el collarín de tal manera que permite que cada carenado gire libremente sobre el collarín.

5. El sistema de carenado de la reivindicación 4, en el que el collarín tiene dos secciones que se mantienen unidas por medios de fijación para sujetar el collarín alrededor del elemento cilíndrico.

6. El sistema de carenado de la reivindicación 4, en el que el collarín incluye una pluralidad de espaciadores anulares coincidentes que se extienden hacia fuera desde una superficie interior del collarín, estando los espaciadores configurados para inducir la interacción por fricción entre el collarín y el elemento cilíndrico.

7. Un carenado que tiene una carcasa en forma de U con bordes opuestos que definen un hueco longitudinal y aletas paralelas que se extienden hacia fuera de los bordes opuestos de la carcasa, para su uso en un sistema de carenado de acuerdo con cualquier reivindicación anterior.

8. El carenado de la reivindicación 7, que incluye además un asiento de cojinetes configurado para encajar en el hueco de la carcasa entre los bordes opuestos de la carcasa y las aletas paralelas.

9. El carenado de la reivindicación 8, en el que el asiento de cojinetes tiene una superficie interior curva y superficies laterales en alineación paralela con cada una de las aletas.

10. El carenado de la reivindicación 8, en el que cada carenado incluye al menos un asiento de cojinetes para asegurar el carenado a un elemento cilíndrico.

11. El carenado de la reivindicación 10, en el que cada carenado incluye una pluralidad de asientos de cojinetes para asegurar el carenado a un elemento cilíndrico.

12. El carenado de la reivindicación 7, que incluye además al menos un conjunto de conectores opuestos para asegurar el carenado a un elemento cilíndrico, posicionándose cada conector sobre una superficie interior de cada aleta paralela.

13. El carenado de la reivindicación 12, en el que las aletas incluyen una pluralidad de conectores opuestos.

14. El carenado de la reivindicación 12, en el que cada conector incluye una abertura configurada para recibir un medio de sujeción para asegurar los conectores opuestos entre sí.

15. El carenado de la reivindicación 12, que incluye además una brida en un borde superior e inferior del carenado, extendiéndose la brida alrededor de la circunferencia de la carcasa y hacia fuera de la carcasa.

16. El carenado de la reivindicación 15, en el que la brida incluye al menos un recorte en forma de V.

17. El carenado de la reivindicación 7, en el que cada aleta no se extiende más allá del diámetro exterior de la carcasa.

18. El carenado de la reivindicación 7, en el que el carenado está construido de un material no-metálico de bajo nivel corrosivo seleccionado de un grupo que consiste en polietileno, poliuretano, resina de éster vinílico, policloruro de vinilo y fibra de vidrio.

19. El carenado de la reivindicación 7, en el que la carcasa tiene un diámetro exterior D y las aletas tienen una distancia W entre los bordes opuestos de las aletas.

20. El carenado de la reivindicación 19, en el que la relación de W a D es de W = D a W = 75% de D.

21. El carenado de la reivindicación 7, en el que las aletas paralelas están ahusadas hacia dentro.