comportamento de risers em águas profundas
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ANLISE GLOBAL DE RISER RGIDO VERTICAL TRACIONADO NO TOPO
PARA GUAS ULTRA PROFUNDAS
Vincius Ribeiro Machado da Silva
Projeto de Graduao apresentado ao Curso de
Engenharia Civil da Escola Politcnica,Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessrios obteno do
ttulo de Engenheiro.
Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger e Maria
Casco Ferreira de Almeida
Rio de Janeiro
Junho de 2011
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Silva, Vincius Ribeiro Machado da
Anlise Global de Riser Rgido Vertical
Tracionado no Topo para guas Ultra Profundas /Vincius Ribeiro Machado da Silva. Rio de
Janeiro: UFRJ/Escola Politcnica, 2011.
X, 93 p.: Il.; 29,7 cm.
Orientador: Gilberto Bruno Ellwanger e Maria
Casco Ferreira de Almeida
Projeto de Graduao UFRJ/ Escola
Politcnica/ Curso de Engenharia Civil, 2011.
Referncias Bibliogrficas: p. 84-871.RiserRgido. 2. TTR. 3.RiserEquivalente.
I. Ellwanger, Gilberto Bruno, et al. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Curso
de Engenharia Civil. III. Ttulo.
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Aos meus pais
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AGRADECIMENTOS
Agradeo, primeiramente, a Deus, por me abenoar e proteger durante essa
longa caminhada de estudos e dedicao.
Aos meus pais Jane e Isaac, exemplos da minha vida, responsveis por tudo oque sou hoje, fontes de inspirao e motivao. Agradeo pelo amor incondicional e
preocupao que sempre tiveram comigo. A concluso de mais esta etapa da minha vida
no seria possvel sem a presena de vocs.
A minha namorada Rafaela, por todo amor, dedicao, apoio, pacincia e
compreenso em todos os momentos vividos durante esses anos de graduao.
Ao professor Gilberto Bruno Ellwanger, responsvel pela minha grande
motivao em desenvolver este trabalho. Agradeo pelos ensinamentos praticados,
pacincia e orientao desde meu 5 perodo, tanto no curso de Engenharia Civil quanto
no PRH-35/ANP.
A professora Maria Casco Ferreira de Almeida, primeira professora da rea de
estruturas na qual tive o prazer de conhecer. Grande incentivadora e maior responsvel
pela realizao de meu intercmbio acadmico. Obrigado por seus ensinamentos e
conselhos.
Ao professor Slvio de Souza Lima pela ajuda concedida no final deste trabalho.
Ao engenheiro da Technip Mrio Vignoles, pela pacincia, incentivo e grande
ajuda prestada durante a realizao deste trabalho.
A Technip por disponibilizar a utilizao do software para as anlises.
A ANP (Agncia nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis) pelo
apoio financeiro atravs do programa de recursos humanos PRH-35.
Aos meus amigos e colegas de graduao, pelo apoio e ajuda.
A todos os professores e pessoas que contriburam de alguma forma para a
minha formao acadmica e pessoal.
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Resumo do Projeto de Graduao apresentado Escola Politcnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Engenheiro Civil.
ANLISE GLOBAL DERISERRGIDO VERTICAL TRACIONADO NO TOPOPARA GUAS ULTRA PROFUNDAS
Vincius Ribeiro Machado da Silva
Junho/2011
Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger e Maria Casco Ferreira de Almeida
Curso: Engenharia Civil
Este trabalho apresenta o estudo do comportamento de um riser rgido vertical
tracionado no topo (TTR) utilizado em uma plataforma do tipo TLP. Um programa
computacional, baseado no mtodo dos elementos finitos, utilizado para realizar as
anlises dinmicas no-lineares em que o problema est contido. Um riserequivalente
proposto de modo a simplificar as anlises. O ps-processamento dos resultados verifica
a possibilidade da utilizao do riserem guas ultra profundas sendo avaliado seu limite
de tenso atravs da norma API RP 2RD. Em paralelo so feitos um estudo de
estabilidade de resposta e um programa para se obter os modos e as freqncias naturais
do riserem questo.
Palavras-chave:RiserRgido, TTR,RiserEquivalente
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
GLOBAL ANALYSIS OF VERTICAL TOP TENSIONED RISER FOR ULTRADEEP WATERS
Vincius Ribeiro Machado da Silva
Junho/2011
Advisors: Gilberto Bruno Ellwanger e Maria Casco Ferreira de Almeida
Course: Civil Engineering
This work presents the study of the behavior of a vertical top tensioned riser (TTR),
used in a TLP platform type. A computational program, based on the finite element
method, is used to perform non-linear dynamic analysis in which the problem is in. An
equivalent riser is proposed to simplify the analysis. The post-processing of the results
shows the possibility of its usage in ultra deep waters, being evaluated the stress limit
through the API RP 2RD standard. In parallel, a study of response stability and a
program to obtain the modes and the natural frequencies of the riser in question are
made.
Keywords: Rigid Riser, TTR, Equivalent Riser
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ndice
1. INTRODUO
1.1 INTRODUO E MOTIVAO
1.2 OBJETIVO PRINCIPAL
2. DEFINIES BSICAS
2.1 TIPOS DE UNIDADES OFFSHOREDE EXPLOTAO
2.2 TIPOS DE COMPLETAO
2.2.1 RVORE DE NATAL
2.2.2 COMPLETAO SECA
2.2.3 COMPLETAO MOLHADA
2.3 SISTEMA DERISERS
2.3.1 CLASSIFICAO DORISERQUANTO FUNCIONALIDADE
2.3.2 CLASSIFICAO DORISERQUANTO ESTRUTURA
2.3.2.1 RISERRGIDO
2.3.2.2 RISERFLEXVEL
2.4 CLASSIFICAO DORISERQUANTO CONFIGURAO
2.4.1 RISEREM CATENRIA LIVRE
2.4.2 RISERSTRACIONADOS NO TOPO (TOP-TENSION RISERS)
2.4.3RISERS
HBRIDOS
3. REVISO DOS CONCEITOS DA TEMTICA DE ESTUDO
3.1 COMPORTAMENTO DE UMA TLP
3.2 TOP TENSIONED RISER(TTR)
3.3 CARREGAMENTOS ATUANTES SOBRE UMRISERRGIDO VERTICAL
3.3.1 CARGAS ESTTICAS
3.3.2 CARGAS DINMICAS
3.4 ANLISE GLOBAL
3.4.1
ANLISE ESTTICA
3.4.2 ANLISE DINMICA
4. APLICAO: TOP TENSIONED RISERDE PRODUO PARA GUAS ULTRAPROFUNDAS
4.1 APRESENTAO DO PROBLEMA
4.2 MODELAGEM DORISER
4.2.1 PROPRIEDADES EQUIVALENTES
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4.2.2 CARREGAMENTOS AMBIENTAIS E CARACTERSTICAS DO MODELODERISER
4.3 ESTUDO DOS PARMETROS DE ANLISE
4.3.1 FATOR DE TRAO
4.3.2 OFFSETESTTICO
4.3.3 CASOS DE ANLISE
5. APRESENTAO DOS RESULTADOS
5.1 ESTABILIDADE DA RESPOSTA
5.2 ANLISE DE TENSES DOS CASOS DE ESTUDO
5.3 ANLISE DAS FREQUNCIAS NATURAIS
6. CONCLUSES E SUGESTES
7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS
ANEXO A PLANILHA MATHCAD DE ANLISE DAS FREQUNCIAS E DOS MODOSDE VIBRAO DO TTR
NDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Hutton(1) e Magnlia(19) (OFFSHORE MAGAZINE, 2010) Figura 2 - Exemplo de TLP com TTR e seu sistema de tracionamento do tipo Pull-Style
Figura 3 Exemplo de Jaqueta
Figura 4 Troll-A
Figura 5 Exemplo de Torre Complacente
Figura 6 - Plataforma auto-elevvel no litoral do Maranho (PETRO & QUMICA, 2011) Figura 7 Exemplo de Semi-submersveis: a) Sistema convencional de ancoragem b) SistemaTaut-Leg.
Figura 8 Exemplo de FPSO
Figura 9 a) TLP e b) Mini-TLP.
Figura 10 - SPAR Perdido
Figura 11 - MONO-BR (TPN, 2011) Figura 12 - FPSO-BR (TPN, 2011)
Figura 13 rvore de natal seca Figura 14 rvore de natal molhada Figura 15 Seo transversal de umpipe-in-pipe (ALVES, 2009) Figura 16 Riserde aplicao dinmica (a); Riser de aplicao esttica:Rough bore(b) eSmooth bore(c)
Figura 17 Exemplo de IPB (Integrated Production Bundle) (TECHNIP,2011) Figura 18 Riser em catenria livre (OFFSHORE MAGAZINE, 2010) Figura 19 Flutuador integrante (esq.) e no integrante (dir.)
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Figura 20 Sistemas de riserde produo para guas profundas Top-Tension (OFFSHOREMAGAZINE, 2010) Figura 21 RiserTowerutilizado em um FPSO com Turret
Figura 22 Bundle rgido do riser tower Figura 23 Canteiro de montagem do bundlergido do campo de Girassol Figura 24 Montagem do bundlergido do campo de Girassol
Figura 25 Sistema de riserscom boio Figura 26 Outras configuraes de risers(OFFSHORE MAGAZINE, 2010) Figura 27 Passeio da TLP com seu respectivo set-down(PINHO, 2001) Figura 28 a) RAO referente ao movimento de SURGEpara head seas (CHEDZOY, 2003); b)Graus de liberdade de uma unidade flutuante (GUIGON, 2011) Figura 29 RAO referente ao movimento de PITCHpara head seas (CHEDZOY, 2003)
Figura 30 RAO referente ao movimento deHEAVEpara head seas (CHEDZOY, 2003) Figura 31 Configurao do deckcom o sistema de tracionamento, juntas e ojumperflexvel(adaptado de DNV-OS-F101, 2001) Figura 32 - Configurao geral de um TTR de produo DNV-OS-F101 (2001)
Figura 33 Exemplos de: a) riserde perfurao; b) riserde produo Figura 34 Casingsimples ou duplo Figura 35 Formao de VIV em elementos cilndricos
Figura 36 Tracionador hidrulico
Figura 37 Cargas ambientais atuantes sobre a TLP e seus respectivos risers (PINHO, 2001)
Figura 38 Ilustrao dos parmetros para considerao das presses (SANTOS, 1998)
Figura 39 Perfil de correntes marinhas (ALVES et al., 2010)
Figura 40 Movimento bidimensional da onda linear (CHAKRABARTI, 2005)
Figura 41 Frmulas para teoria de onda linear (CHAKRABARTI, 2005)
Figura 42 Representao da Teoria de Onda de Stokes de Segunda Ordem Figura 43 Regies de aplicabilidade da funo Stream, Stokes 5 Ordem e teoria de onda
linear (API RP2A, 2000) Figura 44 Fluxograma simplificado de anlise desacoplada de um riser Figura 45 Configurao do TTR de estudo Figura 46 Conveno de coordenadas do DEEPLINES para a unidade flutuante (GUIGON,2011)
Figura 47 Equivalncia do riser
Figura 48 Perfil de corrente centenria Figura 49 Modelo realizado no DEEPLINES
Figura 50 Detalhe do tracionador modelado no DEEPLINES
Figura 51 Resposta da curvatura para casos FT
Figura 52 Resposta da curvatura para casos Off
Figura 53 Erro da resposta da curvatura
Figura 54 Evoluo das tenses de Von Mises no Casing,para os casos FT Figura 55 Evoluo das tenses de Von Mises no Tubing,para os casos FT
Figura 56 Evoluo das tenses de Von Mises no Casing,para os casos Off
Figura 57 Evoluo das tenses de Von Mises no Tubing,para os casos Off
Figura 58 Ampliao das tenses de Von Mises no topo do Casing,para os casos Off
Figura 59 Ampliao das tenses de Von Mises no fundo do Casing,para os casos Off
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Figura 60 Ampliao das tenses de Von Mises no topo do Tubing,para os casos Off
Figura 61 Ampliao das tenses de Von Mises no fundo do Tubing,para os casos Off Figura 62 Comparativo das mximas tenses de Von Mises no Casinge no Tubing, para oscasos FT e Offsegundo API RP 2 RD (1998) Figura 63 Critrio adotado conforme API RP 2 RD (1998) para a anlise de tenses Figura 64 Planilha Mathcad Perodos e freqncias naturais
Figura 65 Planilha Mathcad Modos de vibrao Figura 66 Planilha Mathcad Verificao quanto ortogonalidade Matriz de massa Figura 67 Planilha Mathcad Verificao quanto ortogonalidade Matriz de rigidez
Figura 68 Resultados DEEPLINES Perodos e frequncias naturais
NDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Dados da onda centenria
Tabela 2 - Caractersticas geomtricas e do material
Tabela 3 - Discretizao do modelo Tabela 4 - Fatores de Trao
Tabela 5 - Offsets Selecionados
Tabela 6 - Casos Off Tabela 7 - Casos FT
NDICE DE ABREVIAES
ANM rvore de Natal Molhada
DICAS Sistema de Ancoragem Diferenciado (Differentiated Anchoring System)
FPSO Unidade de Produo, Armazenamento e Transferncia (Floating ProductionStorage Offloading)
FSO Unidade de Armazenamento e Transferncia (Floating Storage Offloading)
MODU Unidade Mvel de Perfurao Offshore (Mobile Offshore Drilling Unit)
RAO Operador de Amplitude de Resposta (Response Amplitude Operator)
ROV Veculo Controlado Remotamente (Remote Operated Vehicle)
SCR Riserde Ao em Catenria (Steel Catenary Riser)
TLP Plataforma de Pernas Tracionadas (Tension Leg Platform)
TTR RiserTracionado no Topo (Top Tension Riser)
VIV Vibrao Induzida por Vrtice (Vortex Induced Vibration)
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1. INTRODUO
1.1INTRODUO E MOTIVAO
A necessidade de explorao do petrleo em guas cada vez mais profundas leva ao
desenvolvimento de novas tecnologias nas mais diversas reas do conhecimento
humano. Entre as diversas reas da cincia, a simulao do comportamento global dos
risers, tubos responsveis pela conduo de fluidos entre a plataforma e o leito marinho,
em condies ambientais extremas ou operacionais, se destaca por apresentar grandes
desafios computacionais e de modelagem. Qualquer falha no sistema de risers pode
causar srios danos ao ambiente marinho e provocar a interrupo da produo de leo,
incorrendo em altos custos tanto no reparo do sistema quanto na recuperao do meioambiente. Desta maneira, entende-se que o sistema de risers uma das partes mais
crticas em um projeto de estruturas offshore.
Na regio do pr-sal, no Brasil, regio na qual abriga os maiores desafios tecnolgicos
na rea offshore, diversas alternativas de sistemas de explotao do petrleo esto sendo
avaliadas para futura implantao. A explorao desta regio foi dividida em duas fases,
Fase 0 e Fase 1 (A e B). A Fase 0, que comeou em 2008 e tem previso de trmino em
2016, caracterizada pela aquisio de dados. Ela vai definir os limites das descobertas
visando desenvolver a caracterizao da rea geolgica que consiste o pr-sal. A Fase 0,ento, ir alimentar a Fase 1 que dividida em duas etapas, A e B. Durante a Fase 1A
sero utilizados conceitos de produo j dominados e adaptados para as condies do
pr-sal. Esta fase funcionar como um laboratrio para o desenvolvimento de novas
tecnologias. A Fase 1B visa completar o desenvolvimento do campo do pr-sal com o
uso intensivo de novas tecnologias. esperada a utilizao de unidades de produo
com equipamentos de perfurao dedicados e novas solues que garantam o
escoamento do fluido, a injeo alternada de gua e gs e/ou CO2 para melhorar a
recuperao de leo dos campos e o uso de sistemas de completao seca.No que se refere utilizao dos sistemas de completao seca pode-se destacar
algumas de suas vantagens, que so bem conhecidas dentro da indstria do petrleo, por
exemplo, por ter um conjunto de vlvulas mais simples que controlam a produo do
poo, ter fcil manuteno e tambm fcil acesso, minimizando os custos associados.
Como exemplo nesta reduo de custos temos a otimizao do tempo para realizar as
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tarefas de perfurao, completao e interveno (workover), onde necessitam da
plataforma de perfurao que tem uma taxa diria de aluguel bastante elevada. De forma
a reduzir os custos dessas atividades em guas ultra profundas, aumenta-se o interesse
em plataformas do tipo Spar-buoy e TLP, que tem como caracterstica baixos
movimentos de heave (movimento vertical) que permitem a utilizao de rvores denatal secas, bem como o uso de risersrgidos verticais que realizam o escoamento do
fluido do fundo do mar at a unidade flutuante.
A TLP preenche o espao entre as plataformas fixas e os sistemas flutuantes de
produo. Ela combina a reduo de custos iniciais associados com os sistemas
flutuantes de produo e os benefcios operacionais atribudos s plataformas fixas. A
primeira TLP do mundo foi construda em 1984 pela Conoco Oil Companye foi usada
para desenvolver o campo de Hutton, no mar do Norte. Localizado em uma lmina
dgua de 148 metros, o campo de Hutton poderia ser explorado facilmente usando umaplataforma fixa de ao, mas, para a empresa Conoco, as severas condies ambientais
associadas ao Mar do Norte configuravam um timo cenrio para o teste inicial do
projeto de TLPs. Muitos investimentos foram feitos em tecnologia at que pudesse ser
viabilizada a instalao de uma TLP em uma lmina dgua de 1425 metros, em 2005,
no campo de Magnlia, no Golfo do Mxico. Esta a maior profundidade de instalao
alcanada por uma TLP at o momento.
Figura 1 - Hutton(1) e Magnlia(19) (OFFSHORE MAGAZINE, 2010)
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O emprego dos TTRs (Top Tensioned Risers), risers rgidos verticais que utilizam
tracionadores no topo permite a utilizao de sistemas de completao seca. O
tracionamento provido previne a compresso do riser e ainda limita a interferncia entre
os risers. O estudo deste tipo de riser feito pela PETROBRS para viabilizar sua
futura utilizao nos campos de explorao do pr-sal.
Figura 2 - Exemplo de TLP com TTR e seu sistema de tracionamento do tipoPull-
Style
Este cenrio, com as novas descobertas do pr-sal trazendo consigo toda a sua
complexidade e impasses tecnolgicos e de altos investimentos em tecnologia e
desenvolvimento, aumenta, ainda mais, a necessidade de estudos sobre temas
relacionados a essa rea, garantindo a confiabilidade necessria para a perfeita
utilizao e funcionamento de seus sistemas estruturais.
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1.2OBJETIVO PRINCIPAL
Este trabalho tem como objetivo realizar a anlise global de um riserrgido vertical do
tipo TTR (Top Tensioned Riser Riser Tracionado no Topo) de produo, utilizado em
uma plataforma do tipo TLP (Tension Leg Platform Plataforma de Pernas
Tracionadas). Um estudo de seu comportamento ser feito considerando a variao de
alguns parmetros da anlise (fator de tracionamento e offsetesttico). A verificao das
tenses e do colapso ser feita segundo critrios da norma API RP 2RD (1998). Um
modelo ser realizado em um programa dedicado a esse tipo de anlise, DEEPLINES,
que fundamentado na teoria dos elementos finitos realizando anlises dinmicas no-
lineares, que permitir a extrao de esforos no riserpara sua verificao.
O trabalho ainda apresenta a elaborao de uma planilha Mathcad onde possibilita a
extrao das freqncias naturais e modos de vibrao do riser estudado, onde leva emconsiderao a no-linearidade do problema devido trao imposta no topo.
2. DEFINIES BSICAS
2.1 TIPOS DE UNIDADES OFFSHOREDE EXPLOTAO
As unidades offshoreutilizadas na explotao e produo de petrleo e gs situam-se
em diferentes regies do oceano, instaladas tanto em guas rasas quanto em guas ultra
profundas e, ainda, enfrentando diferentes classes de agressividade ambiental.
Dependendo desses condicionantes, o arranjo estrutural destas unidades deve ser
avaliado e definido para cada regio. Baseado na geometria e no comportamento dessas
unidades offshore, pode-se dividi-las nas seguintes categorias:
Estruturas fixas
a) Plataformas tipo jaquetas
b) Plataforma de gravidade
c) Torre Complacente
d) Plataformas auto-elevveis
Estruturas flutuantes
e) Semi-submersvel
f) FPSO
g) TLP e mini-TLP
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h) SPAR
i) MONO BR
j) FPSO BR
a) Plataformas tipo jaquetas
Comumente chamadas de jaquetas, esse tipo de plataforma constituiu o primeiro tipo de
estrutura utilizado na explotao do petrleo. So estruturas treliadas em ao fixadas
por estacas cravadas no solo marinho e instaladas em lminas dgua de at 500 m.
Podem operar sozinhas (mandando leo diretamente para terra atravs de tubulao) ou
com navio acoplado plataforma.
Figura 3 Exemplo de Jaqueta
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b) Plataforma de gravidade
mais frequentemente usada onde a viabilidade de instalao de estacas remota. ,
basicamente, estrutura construda em concreto (mais comum) e/ou ao na qual se
apiam no fundo do mar por gravidade. O nome plataforma de gravidade vem da grande
estabilidade horizontal que essa estrutura tem contra as foras ambientais que nela
atuam, onde essa estabilidade se d pelo seu elevado peso. So instaladas em lminas
dgua de at 400 m. Logo abaixo, como exemplo, tem-se a plataforma Troll-A, o mais
alto e mais pesado objeto mvel j construdo pelo homem.
Ela est localizada a 43 milhas (69,2 km) da Noruega, no conturbado mar do norte. Sua
maior parte fica embaixo da gua, e foi construda para suportar as piores condies do
ambiente marinho, podendo ser atingida por ondas de 100 ps (30,5 m) de altura.
c) Torre Complacente
O custo das jaquetas aumenta significativamente com a profundidade devido ao
aumento do tamanho de sua base e do aumento necessrio de espessura dos
componentes tubulares da estrutura para resistir presso externa. Consequentemente,
as jaquetas so geralmente consideradas no econmicas para lminas dgua alm de
460 metros. Ento, uma alternativa para esta configurao a plataforma do tipo torre
complacente (Compliant Tower CT). Ela, conforme mostra a figura abaixo, consiste,
Figura 4 Troll-A
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essencialmente, de uma torre estreita e flexvel fixada a uma fundao com pilares
capazes de suportar uma superestrutura convencional para operaes de perfurao e
produo. Geralmente, so utilizadas em lminas dgua entre 300 e 600 metros e
possuem capacidade de suportar grandes foras laterais.
Figura 5 Exemplo de Torre Complacente
d) Plataformas auto-elevveis
So dotadas de balsas equipadas com trs (s vezes quatro) pernas, de seo transversal
triangular (s vezes retangular), que acionadas mecnica ou hidraulicamente podem
movimentar-se, permitindo uma maior flexibilidade com relao profundidade e
posio de operao. So plataformas mveis, sendo transportadas por rebocadores ou
com propulso prpria. Essas plataformas ainda continuam limitadas a pequenas
profundidades para sua instalao.
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Figura 6 - Plataforma auto-elevvel no litoral do Maranho (PETRO &
QUMICA, 2011)
e) Semi-submersvel
parte integrante dos sistemas de explotao flutuante, a qual proporciona a
possibilidade de explorao de poos de petrleo em guas profundas. Alavancou de
forma significativa a indstria de explorao de petrleo, principalmente no Brasil.
Consiste em dois flutuadores compartimentados em tanques com finalidades de
oferecer lastro e flutuao plataforma. Estes flutuadores so denominados pontes,
ou em ingls pontoons. Sobre estes flutuadores se apoiam as colunas, tambm
chamadas de pernas, que sustentam os conveses. A plataforma mantida na locaoatravs de linhas de ancoragem que podem ser do tipo convencional, instaladas em
catenria, ou do tipo Taut-Leg, na qual a linha de ancoragem fica esticada. Ela
tambm pode manter a posio, atravs de propulsores controlados por um sistema
de posicionamento dinmico por satlite, e normalmente usado durante a fase de
perfurao ou completao (sonda de perfurao MODU Mobile Offshore Drilling
Unit).
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(a) (b)
Figura 7 Exemplo de Semi-submersveis: a) Sistema convencional de ancoragem
b) Sistema Taut-Leg.
f) FPSO
Os FPSOs (Floating, Production, Storage and Offloading) so navios com capacidade
de processar e armazenar petrleo ou gs natural sendo o tipo de sistema de explotao
flutuante mais completo atualmente. Tem as mesmas caractersticas de operao e
projeto das semi-submersveis, mas com a vantagem do armazenamento do leo
produzido. O posicionamento mais crtico, pois a rea atingida pelas ondas maior.
Os navios so muitas vezes utilizados como suporte de outras unidades (plataformas)
para armazenar o leo; neste caso adquire o nome de FSO (Floating Storage and
Offloading).
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Figura 8 Exemplo de FPSO
g) TLP e mini-TLP
A TLP , basicamente, uma unidade flutuante de produo ancorada no fundo do mar
por cabos tracionados (pernas). Uma das pontas dessas pernas conectada um sistema
de fundao com estacas no fundo do mar, enquanto a outra ponta conectada
plataforma. A flutuao dessa plataforma maior que o peso, o que faz com que essas
pernas estejam sempre tracionadas. O projeto de fundao da TLP pode parecer
complicado quando comparado com os sistemas de ancoragem tradicional de navios
adotados pelos sistemas flutuantes de produo, mas as vantagens so considerveis. A
restrio do movimento de heave(vertical) permite plataforma utilizar um sistema de
completao seca em conjunto com um sistema de risersrgidos verticais, utilizados porplataformas fixas. Assim, as operaes de perfurao e completao so semelhantes s
das plataformas fixas. Existem tambm, derivadas das TLPs, as mini-TLPs, que como
seu prprio nome insinua, so pequenas TLPs de custo relativamente baixo
desenvolvidas para pequenos campos de produo de leo em guas profundas. Ela
pode ser utilizada como uma plataforma satlite ou como uma plataforma de produo
antecipada para maiores descobertas em guas ultra-profundas. A primeira mini-TLP foi
instalada no Golfo do Mxico em 1998.
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(a) (b)
Figura 9 a) TLP e b) Mini-TLP.
h) SPAR
As plataformas SPAR so constitudas de um nico cilindro de grande dimetro que d
suporte ao deck. Elas tm um topside (superfcie do deck onde se localizam
equipamentos de perfurao e produo) tpico de uma plataforma fixa, trs tipos de
risers(produo, perfurao e exportao), e um casco no qual ancorado superfcie
do solo marinho utilizando um sistema de seis a vinte linhas de ancoragem. Devido
sua forma possuem baixo movimento vertical (heave), possibilitando, assim, operaes
que so restritivas no sentido vertical como a utilizao de risersrgidos e a utilizao
de poo equipado por completao seca.
A primeira SPAR, chamada Neptune, foi instalada em 1997 em uma profundidade de558 metros. O desenvolvimento tecnolgico foi to acelerado que em menos de quinze
anos a SPAR Perdido bateu o recorde de profundidade de instalao em 2010, chegando
aos seus 2383 metros de lmina dgua. A Figura 10 apresenta a foto da SPAR Perdido
sendo rebocada para sua instalao no Golfo do Mxico, em guas ultra profundas.
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Figura 10 - SPAR Perdido
i) MONO-BR
A plataforma mono-coluna adaptada s condies brasileiras, conhecida como Mono-
BR, dever atender s especificaes de movimentos reduzidos em ondas, permitindo o
uso de SCRs (Steel Catenary Risers).De fato, estes movimentos so inferiores aos de
uma plataforma semi-submersvel, com capacidade de carga equivalente. Para alcanar
este objetivo, utilizou-se uma saia externa, que aumenta a massa adicional e o
amortecimento da unidade, alm de um tanque do tipo moon-pull, interno estrutura. O
moon-pulltem a sua altura e abertura inferior projetadas com o objetivo de sintonizar o
perodo natural do movimento vertical fora da faixa dos perodos mais crticos de onda,
reduzindo o movimento vertical da unidade. Nesta concepo, os SCRs sero
conectados unidade pela saia externa do casco. Outro aspecto importante a reduo
do risco de alagamento progressivo da unidade em situao de avaria. Os elementos
estruturais do casco desta unidade esto sendo projetados para serem construdos em
pequenos mdulos, aproveitando sua forma axissimtrica.
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Figura 11 - MONO-BR (TPN, 2011)
j) FPSO-BR
No projeto do FPSO-BR busca-se um casco otimizado para a reduo de seusmovimentos durante a operao e que permita a estocagem de leo em seus tanques
internos para ser empregada em regies onde no existam oleodutos ou para locais em
que interessante manter esta alternativa em razo de um possvel contingenciamento.
Existem duas verses para este projeto, uma para a aplicao com um sistema de
ancoragem DICAS (Differentiated Anchoring System), que permite mudanas restritas
no aproamento da unidade, e outra com a utilizao do sistema Turret, em que a
mudana do aproamento ilimitada, mas na qual os SCRs so conectados estrutura
do Turret. Estas unidades so projetadas para se movimentarem menos que naviosconvencionais, principalmente com relao ao movimento de jogo (roll), com a
utilizao de tanques laterais elevados. Os movimentos de heave e pitch podem ser
reduzidos, utilizando o princpio dos tanques do tipo moon-pull para permitir a
utilizao de SCRs. O projeto do FPSO-BR tambm apresenta como vantagem a
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facilidade de construo, a adequao estrutural de arranjo com a planta a ser instalada e
seu menor custo.
Figura 12 - FPSO-BR (TPN, 2011)
2.2TIPOS DE COMPLETAO
Logo aps o trmino da perfurao de um poo, necessrio deix-lo em condies de
operar, de forma segura, durante toda a sua vida de produo ou injeo. O termo
completao refere-se ao conjunto de operaes destinadas a equipar o poo para
produzir leo ou gs, ou ainda injetar fluidos nos reservatrios.
A completao de um poo de petrleo permite que o reservatrio seja conectado de
maneira segura e controlada plataforma de produo.
2.2.1 RVORE DE NATAL
A rvore de natal um equipamento constitudo por um conjunto de vlvulas, cuja
principal funo permitir o controle do poo de produo ou injeo. Conforme o tipo
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de completao usada, a rvore de natal pode ser do tipo molhada ou seca. A molhada
instalada na cabea do poo no fundo do mar e a seca instalada no topo do riserna
plataforma. Figuras ilustrativas destes dois tipos sero apresentadas nos tpicos
subsequentes.
2.2.2 COMPLETAO SECA
Quando a rvore de natal fica instalada na plataforma de produo, ou seja, fora da
gua, este sistema denominado de completao seca. O conjunto de vlvulas que
controla a produo do poo simples e de fcil manuteno, bem como o acesso ao
poo. Este tipo de completao limitado utilizao de plataformas fixas e s
unidades flutuantes que tenham movimentos verticais extremamente reduzidos, assim,no comprometem a integridade dos risersrgidos que conectam a rvore de natal, na
plataforma, cabea do poo, no fundo do mar.
Figura 13 rvore de natal seca
2.2.3 COMPLETAO MOLHADA
Quando a rvore de natal fica instalada no fundo do mar (ANM rvore de Natal
Molhada), este sistema denominado de completao molhada. O conjunto de vlvulas
que controla a produo do poo bem mais sofisticado em relao ao de completao
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seca, sendo a manuteno do equipamento e o acesso ao poo mais complicados. A
ANM instalada com o auxlio de um ROV (Remote Operated Vehicle Veculo
Operado Remotamente), uma vez que no vivel que mergulhadores ultrapassem a
linha dos 300 metros de profundidade, onde graves problemas de sade poderiam ser
desencadeados devidos presso. Este sistema de completao utilizado em conjuntotanto com risers rgidos (na forma de SCRs Steel Catenary Risers) ou com risers
flexveis, havendo, ento, a possibilidade de utilizao de plataformas do tipo Semi-
submersveis e FPSOs.
Figura 14 rvore de natal molhada
2.3SISTEMA DERISERS
Chama-se de risero trecho suspenso do duto que conecta a unidade de explotao e
produo a um equipamento no fundo do leito marinho. O riserdesempenha um papel
fundamental dentro do sistema de explorao e produo de leo e gs, devendo-se
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garantir sua integridade e confiabilidade em suas diferentes aplicaes. Como requisitos
mnimos, o riserdeve ser estanque para o transporte de fluido, deve resistir a todos os
carregamentos e combinaes dos mesmos, deve executar sua funo pelo tempo de
servio e seu material deve ser compatvel com o fluido, o ambiente e com os requisitos
de controle de corroso.
2.3.1 CLASSIFICAO DORISERQUANTO FUNCIONALIDADE
RISERDE PRODUO: utilizado para transferir os fluidos produzidos (leo e gs)
da cabea do poo at a plataforma.
RISER DE INJEO: pode injetar gua no reservatrio para ajudar a manter sua
presso, ou pode injetar gs para aumentar o diferencial de presso entre a rvore de
natal molhada e o topo do riser.
RISERDE EXPORTAO: transfere fluido processado da plataforma at a terra ou
outra unidade.
RISERDE PERFURAO: tem como principal funo proteger a coluna da broca de
perfurao do poo, bem como conduzir o influxo de fluidos indesejveis originados na
perfurao para que sejam eliminados. Tambm conduz lama especial para estabilizar o
poo perfurado e manter uma presso maior que a do reservatrio, evitando assim uma
possvel elevao do leo durante a perfurao, ou, como mais conhecido, um blow
out.
2.3.2 CLASSIFICAO DORISERQUANTO ESTRUTURA
2.3.2.1RISERRGIDO
Os risers rgidos so tubos de ao formados por uma srie de juntas que podem ser
soldadas ou mesmo rosqueadas. Pode estar envolvido por flutuadores para diminuir o
seu peso, quando em lminas dgua profundas. Essas estruturas possuem usualmente
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grande rigidez e resistncia a cargas axiais, radiais e de flexo. Podem ser dispostos
verticalmente (Top Tensioned Riser - TTR) ou em catenria (Steel Catenary Riser -
SCR).
Os dutos do tipo TTR sero amplamente estudados, deixando sua apresentao para o
item 4.2.
Os dutos rgidos em catenria (SCR) podero ser do tipo pipe-in-pipe, que consistem
basicamente de dois tubos de ao concntricos com um espaamento anular entre eles.
Este anular contm algum material de propriedade isolante (exemplo: gs inerte,
espuma polimrica, etc.) para impedir a perda de calor do fluido de produo para o
meio externo. O duto de ao mais interno, ou inner pipe, tem como funo escoar a
produo de leo ou gs. O duto mais externo, outer pipe, tem como funo proteger o
anular e o inner pipedo meio externo. A parte que garante resistncia mecnica dopipe-in-pipe caracterizada pelos seus tubos interno e externo, uma vez que o material
contido no anular no exerce nenhuma funo estrutural.
Figura 15 Seo transversal de umpipe-in-pipe (ALVES, 2009)
2.3.2.2RISERFLEXVEL
Os risers flexveis so dutos especiais compostos por uma superposio de camadas
plsticas, que fornecem estanqueidade interna e externa, e de camadas metlicas
espiraladas, responsveis pela resistncia ao dos diversos carregamentos mecnicos
aos quais as linhas flexveis esto submetidas ao longo da sua vida til. Sua principal
caracterstica a baixa rigidez flexo.
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O flexvel, dependendo de sua funo, poder ser do tipo:
Rough bore (duto de parede rugosa): riser flexvel, com carcaa, destinado ao
transporte de fluido contendo gs (utilizado na produo de leo e gs);
Smooth bore(duto de parede lisa): riserflexvel, sem carcaa, destinado ao transporte
de fluido sem gs (utilizado como linhas injetoras de gua).
(a) (b) (c)
Figura 16 Riserde aplicao dinmica (a); Riser de aplicao esttica:Roughbore(b) e Smooth bore(c)
A seguir, so apresentadas as camadas que compem um riserflexvel, bem como suas
respectivas funes, referentes Figura 16. Importante observar que nem todas as
camadas apresentadas abaixo iro compor uma nica linha flexvel, tudo ir depender
da funo prevista em projeto ao longo de sua vida til.
Carcaa: resiste ao colapso hidrosttico e s compresses mecnicas radiais.
Camada de presso: assegura a estanqueidade interna e transmite o esforo da presso
interna.
Tubo interno: tem a mesma funo da camada de presso.
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Armadura de presso: tem a funo de resistir presso interna, s compresses
mecnicas radiais e ao colapso hidrosttico (no caso de estrutura smooth bore). Como
efeito secundrio proporciona o confinamento da carcaa para aumentar a resistncia ao
colapso hidrosttico (no caso de estrutura rough bore).
Espiral: auxilia a armadura de presso, sendo uma camada formada por fios de ao
espiralados.
Camada anti-colapso: transmite a presso externa para a armadura de presso.
Armadura de trao: resiste aos esforos axiais.
Capa externa: garante a estanqueidade, protegendo as camadas internas.
Um novo conceito de riser flexvel, patenteado pela TECHNIP, fruto do
desenvolvimento tecnolgico, pode ser visto com os IPBs (Integrated Production
Bundle). Pode ser, por exemplo, um tubo flexvel com um sistema de aquecimento
eltrico para aumentar a temperatura do fluido interno. Esta soluo ser utilizada no
campo de Papa-Terra para aumentar a temperatura do fluido produzido aps longas
paradas, a fim de reduzir a sua viscosidade, permitindo assim que a produo de leo
seja reiniciada mais rapidamente (TECHNIP, 2011).
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Figura 17 Exemplo de IPB (Integrated Production Bundle) (TECHNIP,2011)
2.4CLASSIFICAO DORISERQUANTO CONFIGURAO
Os risers podem estar dispostos em diferentes configuraes. A configurao a ser
utilizada depende de alguns fatores como custo de manuteno, viabilidade de
instalao e at mesmo atendimento aos critrios de projeto, no que diz respeito aos
esforos solicitantes gerados. Algumas das principais configuraes encontradas na
literatura sero apresentadas a seguir.
2.4.1 RISEREM CATENRIA LIVRE
A configurao mais comum encontrada no Brasil a catenria livre, conforme
mostrado na Figura 18. Tanto o riserflexvel quanto o riserrgido podem ser utilizados
neste tipo de configurao, tendo como diferena principal o ngulo de sada da
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catenria, podendo variar de 5 a 7 graus para o flexvel e para o rgido ficando em torno
de 20 graus.
Figura 18 Riser em catenria livre (OFFSHORE MAGAZINE, 2010)
2.4.2 RISERSTRACIONADOS NO TOPO (TOP-TENSION RISERS)
Neste tipo de configurao geralmente so utilizados risersrgidos de ao tracionados
no topo por flutuadores ou por tracionadores hidrulicos. A configurao que utiliza
tracionadores hidrulicos ser abordada em detalhes no item 3.2.
A utilizao de flutuadores no riser exerce a mesma funo dos tracionadores
hidrulicos. Eles mantm uma trao constante no riser, de forma a evitar a flambagem
e limitar sua movimentao. Este tipo de dispositivo flutuante bastante empregado em
risers que sero utilizados em plataformas do tipo SPAR. O flutuador pode ser
integrante ao no, conforme CHAKRABARTI (2005). O flutuador integrante fixado
diretamente na junta de riser, enquanto que o no integrante consiste de um duto interno
chamado de stem(haste) o qual fixa os flutuadores.
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Figura 19 Flutuador integrante (esq.) e no integrante (dir.)
O quadro da Figura 20 apresenta os principais tipos de TTR utilizados para guas ultra
profundas (OFFSHORE MAGAZINE, 2010).
Figura 20 Sistemas deriserde produo para guas profundas Top-Tension
(OFFSHORE MAGAZINE, 2010)
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2.4.3 RISERSHBRIDOS
Os risers hbridos esto sendo bastante estudados para aplicaes atuais e futuras.
Recebe esse nome de hbrido por misturar dois tipos de riserscom estruturas diferentes:
os rgidos e os flexveis. Dentro desse conjunto destacam-se os seguintes tipos:
a) RiserTower
b) Risercom bia de sub-superfcie Boio
a)RiserTower
Este sistema formado por um riserrgido que se estende desde o fundo do mar at 100
metros abaixo do nvel dgua, e que em seu topo ligado a um tanque flutuante que
promove a auto-sustentao do riservertical. A ligao deste risercom a plataforma se
d atravs de linhas flexveis.
Figura 21 RiserTowerutilizado em um FPSO com Turret
Os movimentos impostos pela plataforma no so transmitidos diretamente ao longo do
duto flexvel para a extremidade do duto vertical. Desta forma, diz-se que as
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extremidades do duto esto desacopladas. A resposta quase-esttica boa no que diz
respeito fadiga e ainda h a possibilidade de instalao do sistema submarino e dos
risersantes da chegada da plataforma. Os problemas atrelados a este sistema ficam por
conta da instalao e interferncia entre as linhas e a dificuldade de acomodar futuros
risers.
O bundlergido permite a montagem dos dutos que compem determinada interligao
submarina em um nico tubo condutor.
Figura 22 Bundle rgido doriser tower
Este tipo de torre tem sido desenvolvido e implantado, por exemplo, no campo Girassol
(Angola). Material isolante na forma de blocos de espuma sinttica circunda o ncleo e
separa os tubos e condutos de fluidos quentes e frios, protegendo-os quanto a trocas
trmicas e funcionando tambm como um sistema de flutuao. A torre se liga a
aparelhos flutuantes no seu topo promovendo o tracionamento da mesma. O
tracionamento garante que a estrutura no sofra grandes excurses, com relao a sua
posio vertical inicial, que ultrapassariam seus limites aceitveis. Deve sempre haver
trao suficiente para assegurar a estabilidade, no importa o peso da estrutura e o peso
dos dutos/riserspendurados na estrutura.
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O riser towerrecebe baixos carregamentos advindos da embarcao flutuante, alm de
prover alta proteo trmica e ser pouco sensvel fadiga. Por outro lado, seu projeto
bastante complexo, e tambm deve ser avaliado se existem canteiros disponveis para a
fabricao e montagem do bundle rgido e se h embarcaes capazes de operar este
tipo de duto.
Figura 23 Canteiro de montagem dobundlergido do campo de Girassol
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Figura 24 Montagem dobundlergido do campo de Girassol
c)Risercom bia de superfcie Boio
Este sistema, segundo GRAVINA (2011), consiste de uma grande bia submersa,
ancorada abaixo da superfcie dgua, suportando risersde ao em catenria (SCRs)
entre o fundo do mar e a bia, e jumpers flexveis conectando os SCRs unidade
flutuante. A bia deste sistema ancorada no fundo do mar por quatro tendes e estacas
de fundao adequadas.
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Figura 25 Sistema deriserscom boio
Este sistema resolve os principais problemas encontrados na utilizao de um nico tipo
de riserem guas profundas: a necessidade de maiores dimetros para linhas flexveis, o
que inviabiliza o transporte e produo, e para os risersrgidos em catenria (SCR), a
presena de esforos concentrados na regio de topo e em contato com o solo, com o
desacoplamento dos movimentos do topo. Este sistema tambm permite a instalao dos
risers antes da chegada da plataforma, possibilitando, assim, um ganho no prazo de
interligao dos poos plataforma, e consequentemente, a antecipao da produo docampo.
2.4.4 OUTRAS CONFIGURAES DERISERS
Outras configuraes, no mencionadas acima, que fazem uso de bias, arcos e tendes,
podem ser vistas no quadro da Figura 26 (OFFSHORE MAGAZINE, 2010).
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Figura 26 Outras configuraes derisers(OFFSHORE MAGAZINE, 2010)
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3. REVISO DOS CONCEITOS DA TEMTICA DE ESTUDO
3.1COMPORTAMENTO DE UMA TLP
Cada unidade de explotao tem seus prprios requisitos para o projeto do sistema de
risers. Cada uma tem suas peculiaridades como seus movimentos caractersticos,
maneiras de guiar e suportar os risers, bem como a aplicao do tracionamento
necessrio.
Os movimentos mais significativos para a TLP so surge e sway, e um fenmeno de
assentamento que ocorre durante o passeio da plataforma, causado pelo movimento de
pndulo invertido caracterstico da mesma, chamado de set-down.
Figura 27 Passeio da TLP com seu respectivoset-down(PINHO, 2001)
Uma unidade flutuante apresenta 6 graus de liberdade, caracterizados por 3 translaes
(arremesso, desvio e afundamento ou em ingls, surge, sway e heave) e 3 rotaes
(jogo, arfagem e guinada, ou em ingls, roll, pitch e yaw). O RAO (Response Amplitude
Operator) representa a resposta da plataforma, nos seus 6 graus de liberdade, de acordo
com a altura de onda e o ngulo de incidncia, para diferentes perodos de onda. As
Figuras 28 a 30 ilustram RAOs para head seas (onda incidente com direo de proa
para popa) de diferentes plataformas flutuantes: barcaa tipo navio (Barge type Vessel),
SPAR e TLP. Pode-se observar que o movimento de heave da TLP, bem como seu
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movimento de pitch, so praticamente zero, fator muito importante para viabilizar a
utilizao de um sistema de completao seca.
(a) (b)
Figura 28 a) RAO referente ao movimento de SURGEparahead seas
(CHEDZOY, 2003); b) Graus de liberdade de uma unidade flutuante (GUIGON,
2011)
Figura 29 RAO referente ao movimento dePITCHparahead seas (CHEDZOY,
2003)
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Figura 30 RAO referente ao movimento deHEAVEparahead seas (CHEDZOY,
2003)
A forma mais comum de casco para uma plataforma do tipo TLP consiste em quatro
colunas verticais ligadas por pontes (pontoons) horizontais formando um quadrado no
nvel da quilha. Tendes verticais fixados ao fundo e conectados a cada coluna fazem a
ancoragem do casco no fundo do mar. Essas colunas e pontes circundam o local de
acomodao dos TTRs, mas no oferecem qualquer proteo aos risers contra as
condies ambientais naquele local.
Um componente crtico de uma TLP seu sistema de tendes, o qual atua como um
sistema de ancoragem vertical, sendo tracionado a todo o momento por uma parcela da
fora de empuxo. A configurao do tendo sensvel profundidade e ao tamanho da
plataforma. H pouco tempo atrs, as TLPs tinham uma limitao de lmina dgua de
1500 metros devido ao desafio de prover uma rigidez axial de seus tendes adequada
para atender aos critrios caractersticos de movimento da plataforma. No entanto,
estudos e desenvolvimentos esto sendo realizados para encontrar solues para este
problema. Hoje, j existe tecnologia para contornar este fato (Alves et al., 2010),
permitindo o projeto de TLPs para lminas dgua ultra profundas.
Para acomodar os movimentos relativos entre o risere a plataforma, jumpersflexveis
so utilizados para conectar a rvore de natal e a cabea do tubo de produo no deck.
Os risers so tracionados individualmente por tracionadores hidropneumticos
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posicionados no deck. As linhas de riser se movem livremente entre o ponto de
tracionamento e a cabea do poo no fundo do mar, onde esto fixados. A interface
entre risere plataforma pode variar bastante dependendo do tipo de unidade flutuante.
Em uma plataforma SPAR, por exemplo, devido ao seu grande calado, o riserrequer
uma junta de quilha (keel joint) para controlar as altas tenses nessa regio devido agrandes curvaturas, geradas por grandes offsetse movimentos dinmicos depitch. Essa
keel jointno necessria na TLP, pois seu calado e suas excurses laterais (devido a
seu sistema de ancoragem com tendes) so bem menores. A nica interface entre riser
e a plataforma ocorre no tracionador que normalmente incorpora um centralizador, no
qual atravs deste que os movimentos de surgee swayso transmitidos ao riser.
Figura 31 Configurao dodeckcom o sistema de tracionamento, juntas e o
jumperflexvel (adaptado de DNV-OS-F101, 2001)
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3.2TOP TENSIONED RISER(TTR)
Top Tensioned Risers, ou em portugus risers tracionados no topo, so usados como
dutos que conectam as plataformas de produo e os equipamentos utilizados no fundo
do mar, permitindo a utilizao do sistema de produo com completao seca (rvore
de natal seca), sendo utilizados tanto em SPARS como em TLPs.
Figura 32 - Configurao geral de um TTR de produo DNV-OS-F101 (2001)
Este tipo de riser utilizado como riser de perfurao e completao em MODUs
(Mobile Offshore Drilling Unit) ou como risersde produo em SPARs e TLPs.
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(a) (b)
Figura 33 Exemplos de: a)riserde perfurao; b)riserde produo
A configurao TTR depende da funo do riser (perfurao, produo, etc.) e donmero de tubos selecionados (casingsimples ou duplo). No caso de casingsimples a
seo do riser constituda por um tubo de produo chamado de tubinge protegido
externamente por um tubo externo chamado de casing. O casing duplo formado
quando a seo transversal apresenta dois casingsconcntricos. O grande problema em
utilizar casings duplos no significativo aumento de peso do riser. Isso implica na
limitao do sistema de tracionamento, pois, para lminas dgua ultra profundas o riser
pode ficar to pesado que no seria possvel encontrar no mercado um tracionador que
suportasse toda essa carga. Isso implicaria tambm no tamanho desses tracionadores,demandando uma maior rea para o posicionamento dos mesmos na plataforma, alm
de aumentar os custos do riser (THOMAS et al.,2004).
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Figura 34 Casingsimples ou duplo
O corpo principal montado com segmentos rgidos conhecidos como juntas. Essas
juntas podem ser de ao, titnio, alumnio ou materiais compsitos, embora o ao seja o
mais usado. Sucessivas juntas so ligadas por conectores como: roscas, flanges,
grampos e pinos.
O passeio (offset) da plataforma induz tenses na base do risere no seu topo. medida
que a profundidade aumenta, a influncia do movimento da embarcao nas sees do
riser perto do fundo do mar ser menor. No entanto, sob certas condies locais, as
correntes em guas profundas podem induzir significantes deflexes e tenses na parte
do riserjunto ao fundo do mar.
Ondas induzem danos por fadiga e interferncia de risers, e isso um dos parmetros
que rege o dimensionamento no projeto de risersem guas ultra profundas. O fenmeno
do desprendimento de vrtices resulta em uma fora oscilatria transversal ao fluxo,
denominada de fora de sustentao aplicada sobre o riser, que oscila com uma
determinada freqncia. Se uma das freqncias naturais do riser estiver perto da
freqncia de desprendimento dos vrtices, ento esta fora far com que ele comece avibrar podendo entrar em ressonncia. Este fenmeno chamado de Vibrao Induzida
por Vrtice (VIV), ou do ingls Vortex Induced Vibration. Este um fenmeno que
deve ser tratado com muito cuidado, pois chave na determinao de danos causados
por fadiga, e consequentemente, na determinao da vida til do riser. Este trabalho no
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entrar em detalhes com relao a este fenmeno, deixando para consulta os trabalhos
referenciados em SANTOS (1998) e LIMA (2007).
Figura 35 Formao de VIV em elementos cilndricos
A trao requerida dos tracionadores aumenta medida que se caminha para guas mais
profundas. Isso implica na necessidade de tracionadores que suportem o peso do riser,
prevenindo a compresso no fundo e diminuindo a interferncia entre os risers. A
necessidade de traes mais elevadas vai afetar o tamanho do sistema de tracionamento.
O riser suportado por sistemas de tracionamento como: tracionadores hidrulicos,
tracionadores RAM-style e contrapesos.
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Figura 36 Tracionador hidrulico
A trao de topo no riserse torna significante para profundidades que ultrapassam os
1500-2000m, onde sistemas de risers compsitos podem ter alguma vantagem se
comparado aos risersmetlicos. Em certas profundidades a arquitetura do TTR deve ser
otimizada para reduzir as tenses de topo, como por exemplo, usar riserscom casings
simples ao invs de duplos.
Outra caracterstica presente e limitante do projeto de risers em TLPs o stroke. O
stroke o movimento do riser em relao plataforma podendo ser para cima (up-
stroke) ou para baixo (down-stroke) em relao plataforma. O clculo do stroke
mximo do riser relativo ao deck da plataforma importante para que se avalie a
capacidade de strokedo tracionador.
Para uma TLP, o up-stroke e o down-stroke so considerados baseando-se nas
contribuies da expanso trmica, tolerncias de fabricao e instalao, posio
inicial do casco da plataforma com relao ao poo e no passeio da plataforma.
Para um projeto de TTR, podemos citar alguns de seus principais critrios de projeto,
por exemplo:
- Movimentos limites da unidade flutuante;
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- Strokemximo e mnimo permitido do sistema de tracionamento;
- Mxima tenso no topo do riser;
- Tamanho do stress joint (enrijecedor);
- Crescimento do comprimento das juntas dos risers;
- Interface da corrente com o arranjo e a VIV.
3.3CARREGAMENTOS ATUANTES SOBRE UMRISERRGIDO VERTICAL
Um riser recebe diferentes tipos de carregamentos, diretos ou indiretos, devido ao
ambiente marinho no qual ele est inserido, alm de cargas como seu peso prprio e
empuxo. Ele deve resistir a estas solicitaes garantindo sua integridade estruturaldurante toda sua vida til. Logo abaixo pode ser vista uma ilustrao de alguns
carregamentos atuantes no riser, que sero discutidos em maiores detalhes nos itens
posteriores.
Figura 37 Cargas ambientais atuantes sobre a TLP e seus respectivosrisers
(PINHO, 2001)
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3.3.1 CARGAS ESTTICAS
I) PESO PRPRIO, EMPUXO E PR-TRAO
O peso prprio do riser dado por unidade de comprimento, levando em conta todos os
tubos que compreendem sua seo transversal. de suma importncia que ele seja bem
definido, pois pode impactar bastante nos resultados da esttica e ainda mais nos da
dinmica, uma vez que nesta ltima realizada a montagem da matriz de massa que
levada em conta na equao de equilbrio dinmica.
O empuxo definido como uma fora, aplicada no centro de gravidade de um corpo,
que se ope ao sentido do peso prprio, e igual ao volume de fluido deslocado pelo
corpo vezes a densidade do fluido no qual est imerso.
=
A pr-trao, aplicada pelos tracionadores, tem bastante influncia no comportamento
do TTR, tanto que um dos parmetros de estudo deste trabalho. Ela faz com que o
risertrabalhe sempre tracionado, evitando sua flambagem.
II) PRESSO NO TOPO E PRESSO EXTERNA
No topo do riser(Figura 38) pode atuar uma presso esttica e independente do peso
especfico do fluido interno, a qual somada presso interna.
= + ( )
onde:
Pi- presso interna na cota z;
Pt- presso no topo;
fluido- peso especfico do fluido interno;
-
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41
z - cota.
Figura 38 Ilustrao dos parmetros para considerao das presses (SANTOS,
1998)
III) CORRENTE
As correntes marinhas podem ser geradas por diversos fatores, tais como: mars, ventos,
quedas de presso baromtrica e diferenas de densidade entre diferentes regies do
mar. Na verdade, o que realmente interessa para o clculo de um riser o perfil de
corrente no local de instalao. A velocidade da corrente e sua direo podem variar
com a profundidade. Normalmente o maior valor de velocidade se d na superfcie. O
perfil de corrente fornecido ao longo da profundidade formando uma poligonal, e
aplicado estaticamente durante as anlises.
-
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Figura 39 Perfil de correntes marinhas (ALVES et al., 2010)
IV) INDUO DE ESFOROS PELO MOVIMENTO IMPOSTO
CORRESPONDENTE AO OFFSETESTTICO DA PLATAFORMA
Ainda na anlise esttica, considera-se que a plataforma tenha um deslocamento lateral
devido ao de vento, onda e corrente, que pode ser chamado de passeio ou
simplesmente de offset. Geralmente o passeio, seja ela em condies normais, extremas
ou anormais (caso de amarra rompida) obtido como sendo uma porcentagem da
lmina dgua em questo. Existem programas que realizam o clculo do offsetmximo
de uma plataforma, o que no foi o caso deste trabalho. Foram considerados, ento,
valores de offsetscomo porcentagens referentes lmina dgua em questo, conforme
encontrado em TLP DESIGN (1992).
Esse deslocamento lateral transmitido ao riserno ponto de conexo com a plataforma,
induzindo esforos no mesmo. No caso da TLP, para cada deslocamento horizontal,
haver um deslocamento vertical associado. A componente vertical do deslocamento
no ir induzir esforos no TTR, uma vez que o mecanismo do sistema de
-
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43
tracionamento mantm constante a trao no riser, sendo, ento, importante na
avaliao do strokemximo.
3.3.2 CARGAS DINMICAS
I) ONDA
As ondas irregulares em alto mar geralmente so geradas pelos ventos, e podem, de uma
forma aproximada, ser representadas por ondas regulares descritas por uma teoria
determinstica. As elevaes da superfcie do mar so representadas geralmente por:
Onda regular, determinstica ou monocromtica: tenta representar, de uma formaaproximada, a elevao da superfcie do mar caracterizada, geralmente, apenas por um
nico harmnico, representado por uma altura e um perodo. Neste caso, a elevao do
mar pode ser representada por um seno (teoria de Airy) ou por uma forma mais
complexa (teoria no-linear);
Onda Irregular ou Onda Aleatria: representada por um somatrio de ondas
regulares lineares com diferentes amplitudes, frequncias e fases.
Este trabalho est fundamentado na teoria de onda determinstica, deixando ao leitor aconsulta em CHAKRABARTI (2005) para a obteno de maiores informaes sobre a
considerao da aleatoriedade da elevao da superfcie do mar.
A onda regular no representa fielmente a realidade, uma vez que a superfcie do mar
aleatria, porm toma um tempo muito menor nas anlises realizadas. O volume de
anlises dinmicas para um projeto de risersgeralmente grande. Vrias condies de
carregamento so consideradas para os casos de operao, instalao e fadiga. Valendo-
se de onda regular, normalmente, utilizado um tempo de anlise igual a cinco vezes operodo da onda adotada; em contra partida, no caso de utilizar onda irregular, deve ser
considerado um tempo maior de simulao, de tal forma a garantir que as diferentes
ondas tenham sido geradas a partir de um espectro de mar (JONSWAP, OCHI-
HUBBLE, etc. encontrados em CHAKRABARTI, 2005). Esta forma mais realista,
-
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44
porm, pode ser utilizada na validao dos resultados para o caso onde foram obtidos os
maiores esforos solicitantes segundo a anlise baseada na teoria de onda regular.
Conforme citado anteriormente, a onda determinstica pode ser linear ou no-linear. A
teoria linear, mais conhecida como Teoria de Airy, representa a onda como uma
senoide, e seu perfil de superfcie livre dado segundo a seguinte equao bi-
dimensional, com propagao na direo x:
= ( )
onde a, e k so constantes e:
a amplitude da onda
freqncia de oscilao da onda
k nmero da onda definido por 2/L
L comprimento de onda
As equaes para as propriedades de onda regular podem ser vistas na tabela
apresentada na Figura 41, obtida em CHAKRABARTI (2005).
Figura 40 Movimento bidimensional da onda linear (CHAKRABARTI, 2005)
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45
Figura 41 Frmulas para teoria de onda linear (CHAKRABARTI, 2005)
Uma teoria no-linear para uma onda monocromtica procura representar a superfcie
do mar de uma forma mais realista onde a crista e o cavado tm diferentes amplitudes,
ao contrrio da representao simplificada da teoria linear de Airy. Durante vrios anos
surgiram vrias aproximaes: Stokes de 2 ordem, Stokes de 3 ordem, Stokes de 5
ordem, Cnoidal, Solitria, Stream Function, etc. Por exemplo, o perfil da onda de
segunda ordem dado ao longo de componentes individuais. Tem-se a primeira onda
com certa freqncia e altura (primeira ordem). A segunda onda menor em magnitude
e tem uma freqncia que a metade da especificada na primeira (segunda ordem).
Estas ondas so ento combinadas, fazendo com que se tenha uma crista mais acentuada
e um vale mais prolongado, conforme pode ser observado na Figura 42.
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46
0 1 2 32
1
0
1
2
3
1 Ordem2 Ordem1 + 2 OrdemNvel mdio do mar
Stokes Segunda Ordem
Perodo (s)
Ampli
tude(m)
Figura 42 Representao da Teoria de Onda de Stokes de Segunda Ordem
O mesmo acontece para Stokes de Quinta Ordem. Esta teoria aplicada para grandes
ondas em guas profundas. A onda formada pela soma de cinco ordens de onda que
tem sempre uma magnitude menor e metade da freqncia da onda de ordem anterior.
A onda no-linear de Stokes tem um efeito significante em estruturas que esto perto da
superfcie. Para um ponto mais distante do nvel mdio dgua, as ondas tm um
comportamento mais parecido com a onda linear, e por causa desse efeito que muitos
componentes estruturais em guas profundas podem ser projetados considerando esse
tipo de onda linear. No entanto, para a escolha do tipo de onda deve ser seguido o
critrio indicado na Figura 43 e proposto em API RP2A (2000).
importante salientar:
1) Neste projeto final foi sempre adotada a teoria no-linear de Stokes de 5 ordem;
2) As ondas do tipo no-linear no podem ser somadas para representar um mar
irregular.
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Figura 43 Regies de aplicabilidade da funo Stream, Stokes 5 Ordem e teoria
de onda linear (API RP2A, 2000)
A ao direta da onda sobre o riser considerada atravs do clculo das velocidades e
aceleraes da partcula do fluido, e posterior determinao da carga aplicada no riser.
Mas a principal contribuio da onda a sua ao sobre o casco, causando movimentos
em diferentes faixas de freqncia, afetando diretamente o comportamento do riser.
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A equao de Morison uma frmula emprica para a determinao das foras devidas
a onda e corrente por unidade de comprimento em corpos esbeltos, que leva em
considerao os efeitos viscosos. A fora calculada pela equao de Morison (1950) para um
cilindro vertical, sem considerar as velocidades e aceleraes do mesmo, dada pela seguinte
expresso:
=
4 +
1
2
onde:
f fora exercida pela onda
densidade do fluido
CM
coeficiente de inrcia
CD coeficiente de arrasto
D dimetro da estrutura
a acelerao da onda
v velocidade da onda
Se a estrutura se move, ela ir oscilar devido s cargas dinmicas do sistema. Uma
forma modificada da equao de Morison escrita para descrever a fora por unidade
de comprimento experimentada pela estrutura unicamente devido ao seu movimento:
= +
4 +
1
2
onde:
f fora gerada devido ao movimento
densidade do fluido
CA coeficiente de massa adicionada
CD coeficiente de arrasto
D dimetro da estrutura
-
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49
acelerao da estrutura
velocidade da estrutura
m massa da estrutura por unidade de comprimento
O primeiro termo na parte direita da equao representa a inrcia do cilindro, enquantoque os ltimos dois termos so a fora de inrcia hidrodinmica e a fora de arrasto
devido ao movimento da estrutura.
Os deslocamentos de uma estrutura submetida ao movimento oscilatrio do fluido
devem ser incorporados ao clculo das cargas de onda. A equao de Morison original
foi modificada de modo a levar em considerao as velocidades e as aceleraes
relativas entre o fluido e a estrutura, resultando em:
F = Fd+ Fi
Nesta equao Fd a fora de arrasto obtida como
=1
2 ( )
e Fi a fora de inrcia dada por
=
4 (
)
A parcela da fora
C normalmente transferida para o lado esquerdo da
equao sendo que o coeficiente
C diretamente incorporado massa da
estrutura sob a denominao de massa adicional (MA) resultando:
Mtotal= M + MA
Assim, a fora dinmica na estrutura se d da seguinte forma:
=
4 +
1
2 ( )
-
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II) INDUO DE ESFOROS PELO MOVIMENTO IMPOSTO NO TOPO
DEVIDO MOVIMENTAO DA PLATAFORMA
Conforme a onda incide sobre a plataforma, esta ltima se movimenta, transferindoesses movimentos ao riser atravs do seu ponto de conexo com a plataforma. A
resposta da plataforma quando uma onda incide sobre ela determinada pelo seu RAO
(conforme j visto em tpicos anteriores) uma vez sendo feita uma anlise desacoplada,
ou seja, as linhas de ancoragem no so modeladas, mas apenas o risere a plataforma.
O ponto chave desta anlise encontrar alturas e perodos de onda que fornecero as
respostas que induziro aos maiores esforos no riser.
3.4ANLISE GLOBAL
A anlise global simula o comportamento do riser representando todo o seu
comprimento, desde a conexo na plataforma at a regio do solo marinho. Neste caso,
usualmente, no so representados muitos detalhes, pois, se busca a resposta do riser
como um todo. Na anlise global necessrio que sejam definidas as caractersticas
geomtricas e fsicas do riser, bem como as caractersticas do ambiente em que est
contido.
A anlise das linhas, ento, pode ser feita de duas maneiras: anlise acoplada ou
desacoplada.
Na anlise acoplada o modelo completo. Todo o sistema modelado de uma vez,
plataforma, riserse linhas de ancoragem, representando todas as interaes existentes
entre as estruturas modeladas, no que implica em um custo computacional bem maior.
A prtica comum no projeto de risers a realizao de uma anlise desacoplada,
conforme adotada neste trabalho.
A anlise desacoplada trata os movimentos do casco da plataforma separadamente do
comportamento estrutural dinmico no-linear das linhas de ancoragem e risers. Os
movimentos do casco podem, por exemplo, ser obtidos atravs de programas como
DYNASIM ou WAMIT, referenciados em COELHO (2011) e WAMIT (2011)
respectivamente, onde as linhas so representadas por um modelo simplificado
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composto por coeficientes escalares de massa, rigidez, amortecimento e carregamento
que so introduzidos na equao de movimento do flutuante. Como resultado obtm-se
o RAO, que ser utilizado como dado de entrada em programas como ANFLEX,
ORCAFLEX, FLEXCOM, ou no caso deste trabalho, DEEPLINES, referenciados
respectivamente em ANFLEX (1996), ORCINA (2011), MCS (2011) e PRINCIPIA(2009). Assim, pode ser feita a modelagem do riserem elementos finitos, levando em
conta todos os tipos de cargas estticas e dinmicas pertencentes anlise.
Figura 44 Fluxograma simplificado de anlise desacoplada de umriser
3.4.1 ANLISE ESTTICA
Inicialmente, seja qual for o programa utilizado para anlise de riser, feita uma anlise
no-linear quase-esttica para a determinao da configurao de equilbrio sob ao
das parcelas estticas do carregamento, conforme j descritas (peso prprio e empuxo,
corrente, pr-trao e offset esttico da plataforma). As fontes de no-linearidade em
problemas de engenharia offshore se apresentam principalmente nos grandes
deslocamentos das unidades flutuantes ancoradas. importante perceber que a anlise
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deve ser no-linear, descrevendo melhor o comportamento e os resultados quando
comparado com o que acontece de fato na realidade. A anlise feita de forma
incremental sendo obtido o equilbrio a cada passo de iterao, ou seja, sempre referente
posio deformada da estrutura, muito diferente de uma anlise linear que leva em
conta apenas a posio indeformada da estrutura.
3.4.2 ANLISE DINMICA
A partir da configurao esttica final, aps obter xito no equilbrio em todos os
passos, feita uma anlise no-linear dinmica no domnio do tempo, que se inicia a
partir dos resultados obtidos no ltimo passo da anlise esttica. Esta anlise inclui
todas as parcelas estticas do carregamento e acrescenta a parcela dinmica devido
ao das ondas.
A equao diferencial que governa o movimento de um sistema com muitos graus de
liberdade pode ser encontrada abaixo. A resposta dinmica da estrutura requer a
integrao desse sistema de equaes.
+ + = ()
onde:
M a matriz de massa;
K a matriz de rigidez onde esto includas a rigidez geomtrica e a rigidez
elstica;
C a matriz de amortecimento;
F(t) o vetor de carga;
, so os vetores de aceleraes, velocidades e deslocamentos.
Os vetores so determinados para cada grau de liberdade dos ns da malha de elementos
finitos empregada na discretizao espacial.
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Para determinar a soluo da equao dinmica, muitos mtodos de integrao numrica
podem ser utilizados. Mtodos de integrao no tempo tm como caracterstica
fundamental aproximar as derivadas que aparecem no sistema de equaes do
movimento, e gerar uma soluo passo a passo com intervalo de tempo t. A soluo
dos deslocamentos, no final de cada intervalo, fornece as condies para o comeo dointervalo seguinte. Um dos mtodos de integrao numrica comumente utilizado para
determinar a resposta das estruturas o Mtodo de Newmark. Este mtodo o utilizado
no programa DEEPLINES para resolver a equao diferencial de equilbrio dinmico,
fornecendo aproximaes das aceleraes, velocidades e deslocamentos nos instantes
seguintes, a partir das aproximaes obtidas nos instantes anteriores.
Para garantir o equilbrio dinmico, ao fim de cada intervalo de tempo, utiliza-se uma
formulao incremental-iterativa, o Mtodo de Newton-Raphson, que resolve o
problema no-linear considerado. Este mtodo tambm utilizado na anlise esttica.
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4. APLICAO: TOP TENSIONED RISER DE PRODUO
PARA GUAS ULTRA PROFUNDAS
4.1 APRESENTAO DO PROBLEMA
O estudo aqui apresentado trata do projeto de um riser utilizado em guas ultra
profundas, aproveitando toda a ateno que est sendo dada regio do pr-sal e todo o
desenvolvimento tecnolgico que est sendo mobilizado em torno da mesma.
O problema apresenta a anlise do comportamento global de um riser tracionado no
topo (TTR Top Tensioned Riser), aplicado em uma TLP utilizada para explotao de
petrleo em guas ultra profundas, com 2200 metros de profundidade. A Figura 45
apresenta um esquema do riserem questo.
Figura 45 Configurao do TTR de estudo
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O riser constitudo por vrias juntas, que so unidas por flanges, formando uma
grande coluna de produo, que trabalha sempre tracionada para evitar sua compresso.
No topo h um tracionador, onde aplicada uma trao que permanece constante
independente da movimentao do riser e do prprio movimento que imposto pela
plataforma. Este tracionador se conecta a dois pontos: plataforma e ao riser. O nico
ponto de conexo do risercom a plataforma no centralizador, onde os movimentos da
unidade flutuante so transmitidos a ele. Deve-se perceber que o movimento vertical do
riser liberado, ou seja, a possvel movimentao vertical sofrida pela plataforma, que
neste caso ser praticamente nula por se tratar de uma TLP, no transmitida ao riser.
No fundo tem-se um enrijecedor, que minimiza as curvaturas sofridas pela coluna. O
acrscimo de espessura e de dimetro se d apenas no casing, permanecendo o tubing
com suas dimenses originais.
A seo transversal do riser composta de dois cilindros metlicos. O interno
chamado de tubing, destinando-se produo de leo, e o mais externo chamado de
casing, que protege o tubingdo contato direto com a gua do mar, suportando toda a
presso externa exercida pela coluna dgua. Entre os cilindros existe um espao
chamado de anular, que preenchido por um isolante trmico, que minimiza a perda de
temperatura do leo quente que passa pelo tubing. Um gs, como o hidrognio, foi
considerado neste trabalho para a realizao das anlises. A troca trmica entre o leo e
o meio externo um problema que deve ser estudado com bastante cautela, para que se
possa garantir o perfeito escoamento do leo impedindo a formao de parafina, e a
consequente parada de produo deste riser. Este assunto no ser abordado neste
trabalho, e ser assumido que a troca trmica atende aos critrios de projeto.
4.2 MODELAGEM DORISER
O programa utilizado neste trabalho foi o DEEPLINES. Ele um programa comercial
desenvolvido pela PRINCIPIA e pelo IFP (Institut Franais du Ptrole Instituto
Francs do Petrleo). um programa dedicado a realizar anlises de estruturas
marinhas esbeltas, ou seja, estruturas em que uma de suas dimenses muito maior do
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que as outras (por exemplo: risers flexveis, risers rgidos, umbilicais, linhas de
ancoragem, etc.).
Deve-se tomar conhecimento de algumas convenes adotadas pelo programa para que
a modelagem seja feita de maneira correta e coerente. No que se refere unidade
flutuante, adota-se a conveno de coordenadas indicadas na Figura 46.
Figura 46 Conveno de coordenadas do DEEPLINES para a unidade flutuante(GUIGON, 2011)
Quando os dados de um RAO so recebidos, de extrema importncia verificar o
comportamento da unidade flutuante frente a uma incidncia de onda advinda de
diferentes direes. A no uniformidade de convenes entre os diferentes programas,
bem como possveis erros na obteno do RAO, podem fazer com que a movimentao
da embarcao no represente muito bem o que de fato acontece na realidade.
Para a modelagem do riserfoi escolhido um elemento de barra, contendo seis graus de
liberdade em cada n, onde se levam em conta as rigidezes axial, flexional e de toro
da estrutura.
-
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Um recurso bastante interessante e que foi muito til na modelagem e nas anlises foi o
dispositivo de tracionamento do riser. Ele funciona aplicando certo valor de trao em
um ponto definido no riser. Essa trao se mantm constante com a movimentao da
embarcao, devido relaxao ou alongamento dos cabos que compe o sistema de
tracionamento definido no programa. Esse dispositivo representa muito bem ocomportamento de um tracionador hidrulico utilizado em TTRs.
4.2.1 PROPRIEDADES EQUIVALENTES
As propriedades fsicas e mecnicas do riser foram inseridas no programa de forma
equivalente. O DEEPLINES, bem como alguns outros programas com a mesma
finalidade, ainda no tem um tipo de elemento que consiga levar em considerao as
propriedades fsicas e mecnicas do tubing e do casing juntos. Frente a isso, essas
propriedades so tratadas de forma equivalente no programa.
Figura 47 Equivalncia doriser
A equivalncia nada mais do que tratar um riserque contem vrias camadas de forma
equivalente, assim como feito em anlises globais realizadas em risersflexveis. As
propriedades equivalentes devem ser utilizadas de forma cautelosa, necessitando sempre
-
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de verificao para avaliar se a equivalncia vlida ou no. Abaixo, mostrado como
algumas propriedades foram tratadas de forma a obter a equivalncia desejada:
Rigidez axial: = +
Rigidez flexional: = +
Rigidez torcional: = +
Massa do riser: = +
importante destacar que no riserequivalente no existir um dimetro externo e uma
espessura que iro corresponder a todas as rijezas equivalentes calculadas; estas devem
ser inseridas separadamente no programa. Deve-se tomar cuidado quanto insero dos
dados do riserconsiderado, sabendo exatamente como o programa os utilizar, de formaa bem representar o caso estudado.
4.2.2 CARREGAMENTOS AMBIENTAIS E CARACTERSTICAS DO
MODELO DERISER
A caracterizao do problema para um caso extremo, bem como parte dos dados, foi
extrado de ALVES et al.(2010). O restante das informaes foi obtido dentro dos
estudos realizados anteriormente. Os dados ambientais extremos podem ser vistos logo
abaixo.
Dados da onda centenria:
() ()
Tabela 1 - Dados da onda centenria
-
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59
Dados da corrente centenria:
0 0.5 1 1.5 2
2.3 103
1.725 103
1.15 103
575
Corrente centenria
Velocidade (m/s)
Profundidade(m)
Figura 48 Perfil de corrente centenria
Deve-se observar que o carregamento de vento ser considerado dentro dos offsets
aplicados plataforma.
A seguir, so apresentadas as caractersticas geomtricas e do material do riser em
questo, e tambm sua discretizao para a realizao do modelo.
()
()
()
Tabela 2 - Caractersticas geomtricas e do material
-
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()
()
()
Tabela 3 - Discretizao do modelo
-
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Presso de projeto: 34 MPa
Propriedades hidrodinmicas:
Cd = 1,2 (coeficiente de arrasto)
Cm = 2 (coeficiente de inrcia)
Figura 49 Modelo realizado no DEEPLINES
-
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Figura 50 Detalhe do tracionador modelado no DEEPLINES
Algumas hipteses foram adotadas para a realizao das anlises:
- A movimentao do tubingem relao ao casing solidria.
- A modelagem da cabea do poo no foi realizada, sendo o modelo truncado no
enrijecedor (limite inferior do modelo).
- O limite superior do modelo foi considerado o nico ponto de contato entre o risere a
plataforma, o centralizador.
4.3ESTUDO DOS PARMETROS DE ANLISE
4.3.1 FATOR DE TRAO
A trao no topo do riser uma componente chave das anlises para avaliar sua
resposta global. A trao a ser aplicada sobre o riser obtida avaliando-se o peso total
da coluna de riser situada abaixo do ponto de aplicao da trao, pelo sistema de
tracionamento, e ento se aplica o chamado fator de trao (FT) sobre este peso, que
agora corresponder ao valor de trao desejado. A coluna de riserque se situa acima
do ponto de tracionamento no deve ser levada em conta no peso total onde ser
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aplicado o FT. A equao que relaciona os pesos da coluna com o FT pode ser vista
abaixo:
Fator de trao: =
onde:
T - Trao
W2 Peso da coluna de riseracima do sistema tracionamento (trecho comprimido)
W1 Peso da coluna de riserabaixo do sistema de tracionamento (trecho totalmente
tracionado)
Valores tpicos de fator de trao ficam entre 1,2 e 1,6.
Neste trabalho, ser avaliada a resposta do risercom relao aos seguintes fatores de
trao previamente selecionados, baseado no que foi encontrado em livros, artigos e
prticas de projeto:
()
Tabela 4 - Fatores de Trao
4.3.2 OFFSETESTTICO
O offsetesttico, ou passeio, caracterizado pelo deslocamento sofrido por uma unidade
flutuante, no qual depende das cargas ambientais atuantes na mesma, do sistema de
ancoragem, da geometria do casco abaixo da linha dgua, e da parte do casco emersa e
sujeita ao dos ventos.
-
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Este trabalho abordar o estudo do comportamento do TTR para diferentes valores de
offsets estticos aplicados TLP. Os valores selecionados foram baseados segundo
bibliografia consultada como visto em TLP DESIGN (1992) e ALVES et al.(2010).
(% )
Tabela 5 - Offsets Selecionados
*LDA = Lmina Dgua
4.3.3 CASOS DE ANLISE
Foram realizadas anlises quase-estticas e dinmicas no domnio do tempo,
considerando os efeitos de no-linearidade contidos no problema. Em cada caso
estudado foram utilizados a mesma onda e perfil de corrente centenrios, ambos
apresentados no item 4.2.2. Foi considerado o carregamento colinear de corrente e onda.
A direo e o sentido da onda considerada foi a que incide na plataforma pela proa
(headseas), direo na qual esta plataforma tem suas maiores respostas (movimentao
de surge). O mesmo foi feito com a corrente, e ainda, para ser mais conservador, todo o
seu perfil, ao longo da profundidade, foi orientado na mesma direo e sentido da onda.
Como j mencionado em itens anteriores, a teoria de onda adotada foi a teoria de Stokes
5 ordem.
Com o intuito de avaliar a sensibilidade do riser, os casos indicados nas Tabelas 6 e 7
foram avaliados. Deve-se observar que o offset dado na mesma direo de incidncia
da onda sobre a plataforma.
-
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% ()
%
%
%
%
%
() ()
Tabela 6 - Casos Off
*LDA = Lmina Dgua
() ()
Tabela 7 - Casos FT
-
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5. APRESENTAO DOS RESULTADOS
5.1 ESTABILIDADE DA RESPOSTA
Como hiptese de projeto, o tempo de simulao da anlise foi considerado como cincovezes o perodo de onda utilizado. No helpdo programa DEEPLINES, o mesmo valor
do tempo de simulao recomendado nesta situao. Este valor de tempo garante que
a resposta dinmica j tenha sado de sua fase transiente, no entanto, pode ainda no
garantir sua total estabilizao.
Para o conjunto de casos apresentados anteriormente, foi realizado um estudo para
avaliar em que tempo a resposta do riser poderia ser considerada estvel, e assim
validar ou no a hiptese de cinco vezes o perodo de onda. Os dados obtidos e
apresentados nas Figuras 51 e 52 so referentes ao histrico da curvatura desenvolvida
na base do enrijecedor.
Figura 51 Resposta da curvatura para casos FT
-
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Figura 52 Resposta da curvatura para casos Off
A anlise foi levada at 240 segundos (praticamente 21 vezes o perodo de onda) para
garantir a total estabilidade da resposta. Nas Figuras 51 e 52 a linha verde tracejadacorresponde ao valor de cinco vezes o perodo de onda utilizado (57,5 segundos) e a
linha pontilhada azul, ao valor da curvatura considerada estvel. Nota-se que h uma
diferena entre a resposta estvel e a resposta no tempo recomendado, para ambos os
tipos de casos apresentados. Visualmente, esta diferena parece ser significativa, mas a
escala do grfico que pode confundir a princpio. Para que se faa uma melhor
avaliao destes resultados, os erros das respostas para os casos FT e Off so
apresentados no grfico abaixo.
Figura 53 Erro da resposta da curvatura
-
7/25/2019 Comportamento de risers em guas profundas
80/105
68
Para os casos FT a abscissa do grfico foi normalizada com relao ao fator de 1.4, e
para os casos Offo mesmo foi feito, porm a normalizao agora feita com relao
6%. Com a realizao desta no