Isolamento Térmico

2.2.1. Isolamento Térmico

O desempenho térmico de sistemas de produção submarina é uma das partes mais importantes na avaliação de projetos de linhas de produção. Ele impacta indiretamente no projeto hidráulico através da influência da temperatura sobre as propriedades do fluido, tais como massa específica e viscosidade. A fim de manter uma temperatura mínima do fluido durante o escoamento para prevenir a deposição de sólidos, camadas de materiais de isolamento térmico são comumente adicionadas à linha de produção e ou equipamentos submarinos [54].

O isolamento térmico tem como objetivo manter a temperatura do fluido de produção acima de uma temperatura crítica durante operação normal. Se em condições de escoamento ocorrer alguma parada de produção, ele também deve proporcionar um tempo mínimo de resfriamento, capacitando o operador a realizar todas as medidas preventivas relacionados à garantia de escoamento. Alves et al. [55] apresentaram um modelo geral e unificado para estimar a distribuição de temperatura do escoamento em oleodutos e poços produtores e injetores.

Uma extensa revisão bibliográfica sobre o estado da arte em isolamento térmico de equipamentos submarinos foi realizado por Grealish e Roddy [56]. Eles analisaram os sistemas de isolamento térmico e os classificaram da seguinte maneira:

(i) sistemas de isolantes com adesão ao equipamento;

(ii) sistemas com isolante enrolados externamente ao equipamento; (iii)sistemas pipe-in-pipe.

Os materiais isolantes mais comumente usados são polímeros, como poliuretano, epóxi e polipropileno. Para aplicações em águas profundas, estes isolantes são usados basicamente em duas formas: espuma sintética e espuma sintética composta. As limitações associadas às instalações atuais isoladas termicamente incluem a falta de experiência no desempenho destes sistemas durante longos períodos de utilização e os baixos limites de temperatura quando expostos a condições de alta temperatura e alta umidade. O isolamento do sistema pipe-in-pipe apresenta os menores valores do coeficiente global de transferência de calor (0,1 a 1,5 W/m²K), sendo inferior apenas ao isolamento envolvendo vácuo no espaço entre os tubos. Neste mesmo trabalho, Grealish e Roddy [56] comentaram que um ponto importante a ser definido normalmente é sobre os testes de longa duração, que envolvem a simulação das condições de operação o mais próximo possível da realidade. Eles recomendam que a simulação experimental deva

22

envolver a circulação de óleo quente em um duto de diâmetro igual ao da instalação. O duto deve ser imerso em um vaso de pressão com água salgada, que permita a aplicação de temperaturas e pressões como as encontradas no fundo do mar. O envelhecimento do sistema de proteção térmica, que pode ser causado devido à presença de água salgada e a alta temperatura, deve ser cuidadosamente avaliado. As propriedades do material isolante se degradam pela absorção de água.

Para prescrever o desempenho mecânico e térmico de sistemas de isolamento térmico multicamadas durante longo período de utilização, Harte et al. [57] utilizaram modelos analíticos. Basicamente, a performance destes sistemas foi descrita em termos do coeficiente global de transferência de calor. A distribuição de temperatura e a distribuição da massa específica dos materiais que compõem o sistema foram requeridas a fim de determinar o valor correto da condutividade térmica para cada camada. Esta informação foi gerada pela análise termo-mecânica, a qual fornece a distribuição de temperatura, deslocamento radial e distribuição de tensão sobre o tempo de vida do material. Os resultados a partir destes modelos apresentaram boa concordância com os dos modelos do software ANSYS^®.

Janoff et al. [58] apresentaram uma revisão de processos de teste, seleção e projeto do isolamento térmico em equipamentos de produção de petróleo e gás em águas profundas. Os testes foram classificados em pequena e de largas escalas. Os testes do isolante térmico em pequena escala discutidos no artigo são:

(i) envelhecimento em água salgada;

(ii) absorção de água e mudança da condutividade térmica.

Bouchonneau et al. [59] avaliaram os testes de sistemas de isolamento de larga escala que envolvem a utilização de dutos de diâmetro externo real (6” ou 8”) e comprimento de 2 metros. Os dutos foram testados dentro de câmaras hiperbáricas com água a baixa temperatura, a fim de simular experimentalmente as condições no fundo do mar. Nos testes em larga escala, óleo escoava dentro do duto em alta temperatura, semelhante àquela encontrada na produção. Os principais parâmetros medidos nos testes de larga escala foram:

(i) fluxo de calor radial através do isolamento; (ii) temperatura da superfície externa do duto; (iii)temperatura da água resfriada e pressurizada; (iv)temperatura interna do duto;

23

Das medidas de temperatura e fluxo de calor foi possível determinar o coeficiente global de transferência de calor. Das medidas da variação da dimensão radial do duto foi possível avaliar a estabilidade dimensional e fluência do duto. Com o exame minucioso do duto após o teste foi possível avaliar a resistência e estabilidade do isolamento.

Haldane et al. [60] apresentaram um programa de pesquisa de longa duração, o qual resultou no desenvolvimento de facilidades de teste para simular condições reais durante um processo de qualificação de linhas isoladas. Um sistema de medição direta, por meios de sensores de fluxo de calor, foi utilizado para confirmar as características térmicas do sistema de isolamento sob condições normais de operação.

Azevedo et al. [61] descreveram uma metodologia de teste para determinar o coeficiente global de troca de calor, conhecido pela sigla TEC, para linhas flexíveis submarinas isoladas termicamente até um nível de pressão de 200 bar. Neste trabalho, o sistema de aquecimento interno controlado foi empregado junto com sensores de temperatura instalados nas superfícies interna e externa a linha. A amostra de linha instrumentada foi colocada em uma câmara hiperbárica preenchida com água para simular as condições em águas profundas. Dois métodos foram empregados em paralelo para determinar o TEC da linha. No primeiro método, o valor do TEC foi determinado por medidas diretas de fluxo de calor radial pelo uso de sensores de fluxo de calor. As leituras destes sensores, associadas com os valores das temperaturas interna e externa e parâmetros geométricos da amostra de linha testada, resultaram no valor do TEC. No segundo método, o fluxo de calor radial foi determinado de forma indireta (sem utilização de sensores de fluxo de calor), a partir da diferença entre a energia total gerada pelos aquecedores elétricos instalados internamente na amostra e as perdas de calor através das extremidades dos conectores. Os valores do TEC foram obtidos sob um nível de incertezas de 5%.

Taxy e Lebreton [62] utilizaram a dinâmica dos fluidos computacional como uma ferramenta de projeto para avaliar o impacto de pontos frios no sistema submarino utilizado no campo de produção de petróleo na costa oeste da África.

Rubel e Broussard [63] desenvolveram dados necessários para avaliar a qualidade de isolamentos térmicos em linhas de produção para manter a temperatura do fluido acima da temperatura de formação de hidrato em típicos campos de petróleo do Golfo do México. Neste estudo, eles investigaram as propriedades térmicas de vários materiais utilizados como isolantes térmicos em linhas flexíveis e dutos e mostraram como tais

24

informações podem ser usadas para avaliar o coeficiente global de transferência de calor requerido em linhas de grandes comprimentos, a fim de evitar a formação de cristais de hidratos.

Hansen et al. [64] descreveram o desenvolvimento e a qualificação de um novo sistema de isolamento térmico, baseado em material polipropileno, para aplicação em equipamentos instalados em águas profundas. Este trabalho foi focado no desenvolvimento de materiais, metodologia de projeto, métodos de teste e testes de qualificação.

Quando o cenário de aplicação é caracterizado pela necessidade de um sistema com alto poder de isolamento térmico para águas profundas e ultraprofundas, sistemas de dutos com múltiplas camadas (da sigla inglesa PIP – Pipe-in-Pipe) são desenvolvidos e implementados [65]. Este tipo de sistema de dutos é composto por dois tubos de aços concêntricos com um espaçamento anular entre eles, normalmente preenchido com materiais isolantes de baixa condutividade térmica. Esta concepção pode ser interpretada como uma combinação de resistência estrutural e isolamento térmico. Diversos estudos numéricos e experimentais, no que diz respeito à resistência estrutural e às características de isolamento térmico dos dutos de multicamadas foram recentemente conduzidas [66-69].

O trabalho desenvolvido por Escobedo [12] analisou o transiente térmico num processo de resfriamento durante uma parada de produção da linha, levando em consideração a capacidade térmica do fluido produzido e das diversas camadas que compõem a parede da tubulação. A parada de produção foi simulada depois do fechamento de uma hipotética válvula na entrada da tubulação. As equações de conservação do fluido acopladas com a equação de condução de calor transiente na parede do duto são resolvidas utilizando o método de volumes finitos. Foi analisada também uma análise adimensional das equações que governam o transiente térmico no fluido e na parede de um duto exposto ao mar, contendo fluido estagnado inicialmente quente. Os resultados obtidos das simulações foram comparados com os softwares comerciais Olga, Stoner e Pipeline Studio.

Alves [70] desenvolveu uma ferramenta numérica para análise de transferência de calor no regime transiente de escoamento em dutos. Essa ferramenta numérica foi associada a um modelo estrutural baseado no método dos elementos finitos, que permitiu uma melhor compreensão do fenômeno de walking em dutos rígidos através da realização de um estudo paramétrico. Nesse estudo, o efeito do atrito entre o duto e o

25

solo, do gradiente térmico aplicado e da presença de molas de extremidade foram avaliados.

Em seu trabalho sobre transferência de calor conjugada estacionária em dutos, Cerqueira [71] apresentou soluções analíticas aproximadas da transferência de calor conjugada de convecção laminar e turbulenta em dutos circulares e canais de placas planas com condução axial nas paredes do duto e condição de contorno convectiva externa. A abordagem de parâmetros concentrados baseada na aproximação de Hermite de dois pontos para integrais foi aplicada para reduzir a equação de condução de calor no sólido a uma equação diferencial ordinária de segunda ordem para a temperatura média do sólido na direção radial. A equação de energia no fluido foi resolvida através da técnica da transformada integral generalizada (GITT). O problema de autovalor de

Sturm-Liouville para a equação de energia do fluido foi resolvida pelo método de

contagem de sinal. O sistema truncado de N equações diferenciais ordinárias para os potenciais transformados da temperatura do fluido e a equação diferencial ordinária de segunda ordem para a temperatura média do sólido formam um sistema homogêneo de

N+2 equações diferencias ordinárias de primeira ordem que foram resolvidas

analiticamente. Os efeitos da razão entre as condutividades térmicas do fluido e do sólido, o número de Peclet, a espessura da parede, o número de Biot, o número de Nusselt, a temperatura média do fluido e do sólido e a temperatura interfacial sólido-fluido foram investigadas.

Queiroz [72] apresentou um trabalho sobre o processo de transferência de calor após a parada de bombeio, considerando os efeitos de convecção natural no resfriamento do produto, assim como a influência da capacitância térmica da parede do duto e das camadas de revestimento no transiente térmico. Inicialmente, considerou-se que o escoamento axial foi rapidamente levado ao repouso. Os campos de velocidade e temperatura foram obtidos numericamente a partir do software FLUENT^®. A taxa de resfriamento obtida é comparada com um modelo unidimensional na direção axial, que utiliza correlações empíricas para avaliar a transferência de calor entre o fluido e a parede da tubulação, em função do regime de escoamento. Boa concordância entre as simulações foram obtidas.

Castello et al. [73] apresentaram um novo conceito para sistema de dutos de multicamadas, chamado de dutos Sandwich. Este sistema é basicamente formado com as mesmas características físicas de um sistema PIP, porém seu espaço anular é