Tubo Compósito Termoplástico Prestes a Revolucionar Operações em Alto Mar

Visite as páginas de notícias da Airborne Oil & Gas (AOG, IJmuiden, Holanda) e Magma Global Ltd. (Portsmouth, Reino Unido) e você terá a impressão de que 2018 foi um ano divisor de águas para estes dois fabricantes líderes de tubo compósito termoplástico (TCP) para aplicações em alto mar. Mas não se surpreenda se notícias de 2019 sobre este mercado nascente para compostos eclipsem a do ano anterior.

Conquistas de 2018

Algumas conquistas notáveis de 2018 para a AOG: Em junho, a empresa iniciou um programa de qualificação para risers (tubos conectando sistemas de produção subsea e navios de produção de superfície) de fibra de carbono/polivinilideno difluoreto (PVDF) para um grande operador na América do Sul. AOG trabalhou em colaboração com Subsea 7 (Luxemburgo), um grande contratante de instalação offshore, neste projeto. Em agosto, após um extenso programa de qualificação de cinco anos seguido pela primeira instalação piloto mundial em serviço de hidrocarboneto (poço completo) de uma linha de fluxo (tubo que conecta a cabeça do poço a equipamentos de processamento adicional) de fibra de vidro/polietileno de alta densidade (HDPE), a Petronas (Kuala Lumpur, Malásia) reconheceu a linha de fluxo TCP da AOG como tendo alcançado nível de prontidão tecnológica 6 (verificação de protótipo beta). "E esperamos atingir TRL 7 [demonstração de sistema piloto] em 2019", relata Martin Van Onna, CCO da AOG. Junto com estas qualificações e programas piloto bem-sucedidos, a AOG relata um histórico comercial crescente, especialmente com seu TCP de fibra de vidro/HDPE.

Quanto à Magma, 2018 foi igualmente eventful. Em março, a Tullow Ghana concedeu um contrato à Magma para uma linha de fluxo de 2,5 km para seu desenvolvimento dos campos offshore Tweneboa, Enyenra, Ntomme (TEN). Em maio, trabalhando com a Ocyan (Rio de Janeiro, Brasil), uma empresa de serviços offshore, a Magma completou e recebeu validação de terceiros de um design de Riser Híbrido Multi-Furo Composto (CMHR) que emprega o m-pipe de fibra de carbono/polietéteretercetona (PEEK) da Magma. Magma e Ocyan estão licitando o CMHR para desenvolvimentos em águas profundas no Brasil. A Magma anunciou em agosto que uma iniciativa conjunta com a Equinor (Stavanger, Noruega) garantiu £10,5 milhões em financiamento do Innovate UK, uma fonte de financiamento governamental, para qualificar uma solução totalmente Magma para jumpers (tubos que conectam linhas de fluxo e/ou instalações subsea). Finalmente, em novembro, o Energy Institute (Londres, Reino Unido) concedeu seu Prêmio de Inovação 2018 à Magma por seu m-pipe, citando a capacidade do tubo de resolver desafios de produção de petróleo e gás em reservatórios de águas profundas, bem como sua capacidade de ser reutilizado.

Em 2019, AOG e Magma têm grandes planos para capacidade de produção aumentada à medida que servem o florescente mercado de compostos. "Especialmente na segunda metade do ano passado", Van Onna afirma, "a demanda está crescendo tão rápido que realmente precisamos crescer muito, muito rapidamente."

Apelo do TCP

Sobressaindo este crescimento rápido está a história relativamente breve da implantação de TCP em aplicações de petróleo e gás em alto mar. Note que TCP é distinto de tubo termoplástico reforçado — RTP — que existe desde os anos 1990. RTP consiste de um revestimento termoplástico sobrescrito com compósitos de fibra de aramida ou vidro não ligados, então revestido com termoplástico. É usado em aplicações de menor pressão e menos exigentes em temperatura comparado ao TCP totalmente ligado. Embora TCP consista de um conjunto similar de materiais, é adequado a pressões mais altas e uma faixa de temperatura maior por duas razões. Primeiro, alguns TCP usam resinas termoplásticas de desempenho mais alto, como PEEK, e/ou reforço de maior resistência como fibra de carbono. Segundo, as camadas de TCP são ligadas umas às outras através de um processo de fabricação por fusão, que rende propriedades de desempenho mais altas que RTP feito dos mesmos materiais.

Apenas 11 anos atrás, Van Onna reconta, nenhum TCP tinha sido implantado em aplicações de alto mar. Então em 2009, a AOG desenvolveu e implantou o primeiro downline TCP offshore (usado para bombear fluidos para o leito marinho para injeção em dutos subsea ou cabeças de poço subsea). A empresa construiu um local de produção TCP em escala total em 2012. Em 2018, a AOG tinha aumentado a capacidade de produção para incluir três linhas de produção, bem como capacidade de fabricação que inclui fibra de vidro/HDPE para aplicações até 65°C/150°F e 5 ksi; fibra de carbono/poliamida 12 para aplicações até 80°C/180°F e 10 ksi; e fibra de carbono/PVDF para aplicações até 121°C/250°F e 15 ksi.

Enquanto isso, a Magma foi fundada em 2009 e começou a implantar seu m-pipe em 2012, abrindo seu local de produção em Portsmouth, Reino Unido em 2016. Na celebração de quinto aniversário da empresa, o CEO Martin Jones comentou: "A indústria da aviação é um bom precedente onde o uso de fibra de carbono agora é padrão. Agora também está acontecendo em petróleo e gás. Estamos atualmente engajados com todos os grandes operadores."

A crescente adoção de TCP decorre de suas numerosas vantagens de economia de custo sobre tubo convencional. Por exemplo, apesar do custo mais alto de materiais, o TCP de fibra de carbono/PVDF de maior desempenho da AOG em uma aplicação de linha de fluxo gera uma economia relatada de 30% no custo como instalado comparado a linhas de fluxo de metal. Similarmente, uma revisão comercial da Calash (Londres, Reino Unido) de m-pipe versus aço em uma aplicação de riser de linha única offset (SLOR) estimou uma economia de custo como instalado de 11%. Estas economias resultam de várias propriedades do TCP que tornam transporte, preparação (por exemplo, terminação de tubos com conexões finais), e instalação consideravelmente menos caros que realizar estas tarefas com tubos feitos de outros materiais.

Como é frequentemente o caso com compostos, a primeira tal propriedade é leveza — TCP pesa tão pouco quanto um décimo do peso de tubo de aço — mas a combinação de leveza e flexibilidade do tubo faz uma vantagem crítica: o tubo pode ser enrolado em tambores e paletes subsea relativamente pequenos. Por causa disso, embarcações menores podem transportar e instalar longos vãos de TCP — um benefício logístico e econômico em locais offshore mais remotos (por exemplo, costa da África Ocidental), onde a implantação de embarcações convencionais de elevação pesada é uma proposta cara. Outra vantagem de economia de custo criada pela capacidade de fusão do TCP é que o tubo pode ser terminado e conexões finais instaladas no local.

TCP oferece uma combinação de alta resistência, flexibilidade e facilidade de terminação, dando-lhe as melhores qualidades de tubo metálico convencional (forte mas rígido) e tubo flexível feito de camadas não ligadas de fios metálicos aplicados helicoidalmente e termoplásticos extrudados (flexível mas pesado, e muito caro para terminar no local). TCP é totalmente capaz de lidar eficientemente com as pressões e temperaturas exigentes de aplicações subsea — tanto de condições externas quanto das condições internas criadas pelos fluidos movendo-se através deles. O revestimento termoplástico do TCP também oferece altas taxas de fluxo devido ao seu baixo coeficiente de atrito. Finalmente, duas outras propriedades-chave do TCP — resistência à corrosão e fadiga — tornam TCPs altamente duráveis, mesmo enquanto empresas de energia bombeiam cada vez mais petróleo sour (isto é, ácido) encontrado mais profundo no subsolo.

Acelerando a Produção de Tubos

Preparando-se para atender demanda acelerada, a AOG está um ano em um programa de três anos projetado para aumentar a capacidade de produção da empresa por um fator de cinco. "Estamos implementando mais de 10 medidas individuais que todas levam a aumento de capacidade de produção", diz Van Onna.

TCP é produzido na AOG em três etapas contínuas. Primeiro, um revestimento termoplástico é extrudado. Em seguida, colocação automatizada de fita (ATL) com consolidação in-situ enrola de algumas a 100 camadas de fita termoplástica reforçada com fibra, com cada camada fundida sobre as camadas precedentes. Por fim, o tubo é passado por uma matriz de extrusão de revestimento. Esta não é coextrusão regular, explica Van Onna. "Derretemos a camada composta externa e formamos o revestimento sob pressão sobre o laminado. O resultado é um tubo com alta resistência ao cisalhamento entre o revestimento e laminado, que permite a nossos clientes terminar nosso TCP em qualquer lugar, mantendo um revestimento de alta resistência, durável e protetor."

A AOG está adicionando estações de enrolamento, uma maneira óbvia de aumentar capacidade, mas também está aumentando velocidades de extrusão e enrolamento. A empresa integrou um sistema de inspeção automático proprietário na linha de produção, que garante características e propriedades consistentes mesmo com velocidade de produção aumentada.

O processo de produção da Magma se assemelha ao da AOG. O m-pipe da Magma consiste de cerca de 25% fibra de carbono, 25% fibra de vidro S2 e 50% PEEK. A Magma refere-se a seu processo de fabricação como um "processo de impressão 3D a laser robótico totalmente automatizado". Consiste em extrusão de um precursor de tubo interno liso feito de PEEK sobre o qual um processo ATL usa um laser para fundir camadas alternadas de fitas de fibra de vidro/PEEK e fibra de carbono/PEEK. A Magma selecionou PEEK, que a empresa adquire da Victrex (Lancashire, Reino Unido), por causa de sua capacidade de fadiga muito alta. A Toray Industries (Tóquio, Japão) fornece os reforços usados no m-pipe. A Magma está acompanhando demandas de produção não apenas com sua linha de produção interna em Portsmouth, Reino Unido, mas com módulos de fabricação em país móveis (ICMM), o primeiro dos quais também está operando em Portsmouth. A Magma antecipa implantar mais ICMMs, já que a empresa favorece produção local, tanto logística quanto financeiramente, especialmente para aplicações de riser.

Sucesso Comercial em Breve

Importante, o desenvolvimento de TCP foi acompanhado pela criação de um padrão formal para design e qualificação de TCP em aplicações subsea. O caminho para este padrão foi meticuloso, diz Van Onna, mas o resultado é um documento e diretriz que engendra entre profissionais de energia uma grande confiança no desempenho de longo prazo do produto, bem como seu custo esperado em uso. Tal confiança, pode-se imaginar, é crítica em uma indústria altamente regulada e de perto observada como produção offshore de petróleo e gás, onde falha de tubo é simplesmente inaceitável. O padrão, explica Van Onna, cobre a qualificação dos materiais base, bem como o método de design e, claro, a tecnologia de produção. AOG tem sido capaz de demonstrar que seus materiais base TCP e qualidade de produção são iguais aos do benchmark, estruturas compostas curadas em autoclave como as usadas em aeroespacial.

A abordagem da AOG para qualificação, continua Van Onna, foi "executar qualificação separada para todos nossos materiais base. Então projetamos e fabricamos tubo de qualquer tamanho usando aqueles materiais qualificados." Alcançando qualificação e subindo através de níveis TRL, TCP está agora pronto para um volume massivo de produtos começando em 2019, acredita Van Onna.