Comportamento de risers em águas profundas

7/25/2019 Comportamento de risers em guas profundas

1/105

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


2/105


3/105

i

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.


4/105

ii

Aos meus pais


5/105

iii

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.


6/105

iv

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


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


7/105

v

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


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


8/105

vi

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


9/105

vii

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.)


10/105

viii

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


11/105

ix

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)


12/105

x


13/105

1

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


14/105

2

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)


15/105

3

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.


16/105

4

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


17/105

5

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


18/105

6

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


19/105

7

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.


20/105

8

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).


21/105

9

(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).


22/105

10

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.


23/105

11

(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.


24/105

12

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.


25/105

13

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


26/105

14

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


27/105

15

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


28/105

16

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


29/105

17

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


30/105

18

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.


31/105

19

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.


32/105

20

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).


33/105

21

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


34/105

22

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.


35/105

23

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)


36/105

24

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


37/105

25

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.


38/105

26

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


39/105

27

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.


40/105

28

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).


41/105

29

Figura 26 Outras configuraes derisers(OFFSHORE MAGAZINE, 2010)


42/105

30

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


43/105

31

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)


44/105

32

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


45/105

33

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)


46/105

34

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.


47/105

35

(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).


48/105

36

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


49/105

37

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.


50/105

38

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;


51/105

39

- 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)


52/105

40

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;


53/105

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.


54/105

42

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


55/105

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,


56/105

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)


57/105

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.


58/105

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.


59/105

47

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.


60/105

48

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


61/105

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 ( )


62/105

50

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


63/105

51

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


64/105

52

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.


65/105

53

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.


66/105

54

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


67/105

55

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


68/105

56

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.


69/105

57

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


70/105

58

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


71/105

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


72/105

()

()

()

Tabela 3 - Discretizao do modelo


73/105

61

Presso de projeto: 34 MPa

Propriedades hidrodinmicas:

Cd = 1,2 (coeficiente de arrasto)

Cm = 2 (coeficiente de inrcia)

Figura 49 Modelo realizado no DEEPLINES


74/105

62

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


75/105

63

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.


76/105

64

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.


77/105

65

% ()

%

%

%

%

%

() ()

Tabela 6 - Casos Off

*LDA = Lmina Dgua

() ()

Tabela 7 - Casos FT


78/105

66

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


79/105

67

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


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

Documents

Comportamento de risers em águas profundas