ANLISE COMPARATIVA DE CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE RISERS
RGIDOS
Leile Maranho Froufe
DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS
PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS
PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA
OCENICA.
Aprovada por:
________________________________________
Prof. Theodoro Antoun Netto, Ph.D.
________________________________________
Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc.
________________________________________
Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.
________________________________________
Dr. Lus Alberto DAngelo Aguiar, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL
JUNHO DE 2006
ii
FROUFE, LEILE MARANHO
Anlise Comparativa de Critrios de Dimen-
sionamento de Risers Rgidos [Rio de Janeiro]
2006
IX, 204p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,
Engenharia Ocenica, 2006)
Dissertao Universidade Federal do Rio
de Janeiro, COPPE
1. Critrios de Dimensionamento de Risers Rgidos
2. Modos de Falha em Risers Rgidos
3. Formulaes das Normas para Risers Rgidos
I. COPPE/UFRJ II.Ttulo (Srie)
iii
Dedico este sonho....
Ao meu pai, que nunca freqentou uma faculdade, mas sempre nos incentivou a
estudar. A voc (in memorian) sempre meu carinho, admirao e agradecimento,
pelas lgrimas que eu ganhei quando voc soube que eu havia apenas passado na
primeira fase do Vestibular...era s o incio.
minha me, professora e educadora das crianas de outras mes. A voc meu
reconhecimento por ter sempre sido a melhor professora, esposa, companheira e me
do mundo, se dando de corpo e alma a todos ns filhos e alunos.
A ambos, meu reconhecimento e carinho pela forma como fomos educados.
Ao meu irmo e minha irm, que sempre celebraram minhas vitrias. Tenho certeza
de que estaro celebrando mais esta. E, afinal, porque irmos so presentes eternos.
Aos meus cunhados, sobrinha, primos, primas, tios e tias porque a vida sem famlia ,
no mnimo, sem emoo.
Aos amores da minha vida, meus presentes de Deus, as melhores coisas do mundo:
meu namorado Rodrigo e minha filha Giulia, porque vocs preenchem a minha vida,
porque aqui est dedicado o tempo que no pude dedicar a vocs e porque por vocs
e para vocs eu sempre darei o melhor de mim e sempre procurarei ser melhor a cada
dia. Amo vocs.
noite e madrugada, pois sem elas boa parte desta tese no existiria. J que, como
diz a minha filha: Mame, no que quando t na hora do Sol e voc no t
trabalhando, voc fica comigo? No mame? No ?
iv
AGRADECIMENTOS
A Deus e a Nossa Senhora, protetora das mes.
minha me e ao meu pai que me permitiram e sempre me incentivaram a estudar.
Ao Rodrigo, pelas ajudas tecnolgicas, pelo incentivo, pelo apoio, por boa parte das
referncias bibliogrficas, por me aturar e por me desestressar.
Aos amigos Pat (ABS), Deborah (Suporte), Diego (ABS), Astrid (Projemar), Theo (LTS)
e Adriana (LTS) que nunca me deixaram desistir desta tese.
amiga Chris (ABS) pelas dicas na fadiga. amiga Claudinha Claro pelas ajudas de
ltima hora.
A Tuanjie Liu do ABS Houston, quem s conheo por e-mail, por todas as dicas
fornecidas e pela ajuda nas normas do ABS.
Ao meu orientador Theodoro, que no tendo sido apenas o meu amigo Theo, me
mostrou a sua e a minha capacidade. O meu amigo no me deixou desistir e me
ajudou no meu tema e o meu orientador me mostrou o trabalho duro a ser feito e
atravs dele, me fez aprender.
Aos professores e profissionais com idias e projetos maravilhosos, Srgio Sphaier e
Tatalo, por sempre terem acreditado e confiado em mim. Embora, infelizmente, eu no
possa ter seguido a hidrodinmica de vocs.
Zlia, minha me preta e bab da Giulia, pois se em vrios momentos ela no
estivesse cuidando e brincando com a Giulia pra mim, eu nunca teria conseguido.
Aos dias nublados e chuvosos, que me ajudaram a no olhar pela janela e ter vontade
de sair correndo para a praia!
Ao meu chefe Pricles, meu casamento de quase 15 anos, meu brao direito e
exemplo profissional: a voc minha admirao pelo profissional que , sabendo manter
a tranqilidade no caos, e a voc meus agradecimentos por tudo de profissional neste
tempo todo e ainda, pessoalmente, por ajudar a minha me a tomar conta de mim.
Meu sincero muito obrigada, pois sei que para a realizao deste projeto pessoal
voc foi o maior atingido pela minha ausncia no trabalho. Eu compenso!
Ao meu irmo Lus Cludio, Engenheiro Florestal, D.Sc. em Produo Vegetal, digo
assim, um estudioso nato, pelo apoio moral nas minhas horas de maior desespero,
tentando sem dvida me acalmar: Relaxa... Se Deus tivesse tentado defender uma
tese de seu grande trabalho (a criao da humanidade), ele teria sido reprovado com
certeza: ela no tem ttulo, no tem referncias bibliogrficas, no tem ndice, no tem
sumrio e nem mesmo orientadores ou banca. Pensa assim: se Ele pode ser
reprovado, voc tambm pode sem vergonha nenhuma.
v
AGRADECIMENTO ESPECIAL
minha pequena-grande Giulia que com apenas 4 anos teve grande participao
nesta tese, seja me fazendo companhia nos fins de semana e feriados de pijama,
seja me ajudando a colorir as referncias bibliogrficas, seja me ajudando a
datilografar meu texto, seja tendo apenas curtido ou assegurado o fato de eu estar ali,
o dia todo, sentadinha ao alcance dos olhos dela, ou ainda, seja me mostrando como
a vida pode ser simples sempre.
Depois de todos esses meses tentando estudar tudo sobre colapso de dutos rgidos,
voc, em apenas alguns traos, conseguiu simplificar tudo.
A voc, Fofinha, meu agradecimento pela sua participao mais do que especial em
tudo na minha vida.
Fig.001 Colapso na verso da Giulia
vi
Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)
ANLISE COMPARATIVA DE CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE RISERS
RGIDOS
Leile Maranho Froufe
Junho/2006
Orientador: Theodoro Antoun Netto
Programa: Engenharia Ocenica
Os sistemas de risers so constitudos basicamente de tubos que conectam
uma unidade flutuante a poos no fundo do mar, rvore de natal ou manifolds, e
transportam leo, gua, gs ou misturas. Durante as fases de instalao e operao,
os mesmos esto sujeitos a diferentes carregamentos. Tendo em vista estes
carregamentos, a resistncia dos risers pode ser analisada para os modos de falha de
ruptura, colapso, propagao de colapso e fadiga. Existem diferentes formulaes em
diferentes normas para avaliao da resistncia dos risers a estes modos de falha. O
objetivo desta dissertao avaliar as expresses e os requisitos aplicveis das
normas existentes, comparando os resultados obtidos atravs das suas formulaes
com resultados experimentais, analticos e/ou numricos disponveis e com
formulaes tericas disponveis na literatura. Ao final so propostas estimativas para
os fatores de segurana e analisadas as discrepncias entre cada norma. Anlises
so realizadas de forma a avaliar comparativamente o grau de conservadorismo das
diferentes normas e as incertezas obtidas em cada estimativa proposta.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
COMPARATIVE ANALYSIS OF DESIGN CRITERIAS FOR RIGID RISERS
Leile Maranho Froufe
June/2006
Advisor: Theodoro Antoun Netto
Department: Ocean Engineering
The risers systems are basically formed by tubular elements, which connect the
floating unity to sub sea wells, christmas trees or manifolds, in order to transport oil,
water, gas or mixtures. During the installation and operation phases, the risers are
subject to different types of loads. Aiming these loadings, the riser strength can be
analyzed for different failure modes, such as collapse, propagation buckle and fatigue.
There are different formulations in different codes for the evaluation of the risers
strength with respect to these failure modes. The objective of this thesis is to evaluate
the expressions and applicable requirements from the existing codes, comparing the
obtained results with the experimental ones, as well as, the analytical and/or numeric
ones available in the literature. Additionally, at the end of this study, some safety
factors are proposed and also some discrepancies among each code are analyzed.
Analyses are performed in order to compare the conservatism degree among different
codes and the uncertainty obtained in each proposed estimate.
viii
NDICE
1 INTRODUO 1 1.1 Objetivo e Importncia da Dissertao 2 1.2 Metodologia 2 1.3 Motivao 3 1.4 Estrutura da Dissertao 4
2 REVISO BIBLIOGRFICA 5
2.1 Carregamentos e Modos de Falha 5 2.2 Ruptura 5 2.3 Colapso 9 2.4 Propagao de Colapso 14 2.5 Fadiga 20 2.6 Anlise dos Resultados 24 2.7 Normas 26
2.7.1 American Bureau of Shipping 26 2.7.2 Det Norske Veritas 29 2.7.3 American Petroleum Institute 33 2.7.4 Comparao entre as Normas 35
3 RUPTURA 36
3.1 Introduo 36 3.2 Presso de Ruptura das Normas 37 3.3 Presso de Ruptura obtida a partir de Modelo Analtico 41 3.4 Presso de Ruptura obtida a partir de Modelo Numrico 43 3.5 Presso de Ruptura obtida a partir de Testes Experimentais 43 3.6 Comparao entre Resultados Experimentais, Analticos, Numricos e Normas 44 3.7 Critrios de Dimensionamento das Normas 47 3.8 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Ruptura das Normas 50 3.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Experimentais, Numricos e Analticos 53 3.10 Anlise dos Resultados 55 3.11 Concluses e Recomendaes 57
4 COLAPSO 59
4.1 Introduo 59 4.2 Presso de Colapso obtida a partir de Testes Experimentais 61 4.3 Presso de Colapso obtida a partir de Modelo Numrico 62 4.4 Presso de Colapso obtida a partir de Modelo Analtico 63 4.5 Presso de Colapso das Normas 63 4.6 Comparao entre Resultados Experimentais, Numricos, Analticos e Normas 70 4.7 Verificao da Influncia da Ovalizao para os Casos de Presso Pura 74 4.8 Critrios de Dimensionamento das Normas 75 4.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Colapso das Normas 76
ix
4.10 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Experimentais, Numricos e Analticos 78 4.11 Anlise dos Resultados 81 4.12 Consideraes sobre os Casos Presso-Flexo 82 4.13 Concluses e Recomendaes 87
5 COLAPSO PROPAGANTE 89
5.1 Introduo 89 5.2 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Testes Experimentais 92 5.3 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Modelo Numrico 94 5.4 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Modelo Analtico 95 5.5 Presso de Propagao de Colapso Terica obtida na Literatura 95 5.6 Presso de Propagao das Normas 100 5.7 Comparao entre Resultados Experimentais, Numricos, Analticos, Literatura e Normas 103 5.8 Critrios de Dimensionamento das Normas 114 5.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Propagao de Colapso das Normas 116 5.10 Comparao entre o Colapso e a Propagao de Colapso 123 5.11 Anlise dos Resultados 127 5.12 Concluses e Recomendaes 131
6 FADIGA 132
6.1 Introduo 132 6.2 Anlise dos Fatores de Segurana das Normas 136 6.3 Anlise das Curvas S-N 138
6.3.1 Curvas S-N das Normas 138 6.3.2 Resultados Numricos e Algoritmos 143 6.3.3 Resultados Experimentais 144 6.3.4 Comparao entre as Normas e os Resultados Numricos, Algoritmos e Experimentais 145
6.4 Concluses 155 7 CONCLUSES E RECOMENDAES FINAIS 156
7.1 Comparao Geral entre as Normas 156 7.2 Ruptura 157 7.3 Colapso 158 7.4 Propagao de Colapso 159 7.5 Fadiga 159 7.6 Ordem de Grandeza dos Fatores de Segurana Estimados 160 7.7 Anlise dos Resultados 161 7.8 Recomendaes para Trabalhos Futuros 161 7.9 Notas Gerais 162
8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 164 APNDICE 172
1
1 INTRODUO
Os sistemas de risers so constitudos basicamente de tubos que conectam
uma unidade flutuante a poos no fundo do mar, rvore de natal ou manifolds, e
transportam leo, gua, gs ou misturas.
Os risers podem ser flexveis ou rgidos, ou mesmo uma combinao entre os
dois tipos e constituem uma parte considervel dos custos totais nos campos de
explorao de petrleo, os quais esto relacionados aos custos de fabricao,
instalao e manuteno, por exemplo. No caso de risers rgidos de ao, o custo do
ao em si est essencialmente relacionado s suas dimenses, ou mais
especificamente, sua espessura (para um dado material e dimetros definidos).
Assim, uma reduo na espessura reduz os custos de ao otimizando assim o projeto,
de forma que a espessura seja a mnima possvel, mas ainda assim fornea
resistncia necessria ao duto. Adicionalmente reduo de custos, linhas mais
esbeltas so mais leves e, em conseqncia disto, apresentam maior agilidade na
instalao.
Por outro lado, para um dado dimetro, que est diretamente relacionado
vazo necessria do fluido e material pr-definidos, a espessura da parede do duto
essencialmente a grandeza que define a sua resistncia, devendo ser suficientemente
otimizada. Portanto, critrios de projeto devem ser aplicados de forma a obter a
espessura tima, ou de forma genrica, a melhor relao dimetro/espessura (D/t),
que fornecer a resistncia necessria, com custos otimizados.
De forma geral, tratando-se de cargas operacionais, os dutos submarinos devem
ser projetados para satisfazer os requisitos funcionais devidos aos carregamentos
correspondentes ao meio interno (fluido sendo transportado), ao meio externo, cargas
ambientais oriundas de ondas e correntes e movimentos da unidade flutuante durante
a vida til de projeto.
A fase de instalao tambm uma fase crtica no projeto dos risers. Durante a
instalao, alm do carregamento combinado de flexo e presso externa, o duto est
sujeito trao axial exercida pela embarcao de lanamento para evitar a
flambagem prematura da linha (colapso) devida curvatura excessiva. O estado de
tenses gerado por esta condio de carregamento deve ser mantido, com fatores de
segurana adequados, abaixo do correspondente resistncia limite do duto.
Tendo em vista os carregamentos indicados acima, durante operao e
instalao, a resistncia dos risers pode ser analisada para os seguintes modos de
falha bsicos: ruptura, colapso, propagao de colapso e fadiga, os quais esto
apresentados nesta dissertao.
2
possvel encontrar na literatura critrios de dimensionamento para estes
modos de falha, bem como formulaes de diversos autores para definio das
presses crticas de ruptura, colapso e propagao de colapso. A determinao destas
presses crticas um dos passos iniciais no projeto dos risers. Avaliar a discrepncia
encontrada entre as normas neste passo assim de grande importncia para o
projeto.
1.1 Objetivo e Importncia da Dissertao
O objetivo desta dissertao avaliar a aplicao das normas existentes e suas
discrepncias, comparando os resultados obtidos atravs das formulaes
encontradas nas mesmas entre si e com resultados experimentais, analticos e/ou
numricos disponveis na literatura, no que diz respeito ruptura, ao colapso e
propagao de colapso, conforme aplicvel.
No que diz respeito fadiga, so analisadas as diferenas fundamentais entre
as curvas S-N propostas por cada norma e os fatores de segurana definidos pelas
mesmas. Alguns resultados prticos so tambm apresentados.
Diversos trabalhos anteriores a este foram desenvolvidos abrangendo o mesmo
contedo, os quais so inclusive referenciados ao longo desta dissertao. A
importncia desta dissertao est no fato da mesma ser focada na anlise crtica das
expresses, ou mais precisamente, nos critrios estabelecidos pelas normas, de forma
a verificar a adequao dos mesmos, ou at mesmo o nvel de conservadorismo
embutido.
De forma geral, as normas fornecem valores conservadores, pois levam em
considerao uma margem de segurana para o projeto. O objetivo foi identificar e
quantificar, na medida do possvel, esta margem de segurana e analisar as
expresses tericas definidas nas normas.
Ao final do trabalho possvel identificar, por exemplo, quais normas so mais
conservadoras, quais os critrios estabelecidos por cada norma e quais fatores de
segurana esto embutidos em cada formulao.
1.2 Metodologia
Primeiramente foi realizada uma pesquisa das normas disponveis para o projeto
de risers rgidos. As principais normas relacionadas com o objeto deste estudo foram:
ABS Guide for Building and Classing Subsea Riser Systems, 2005 [1], DnV Dynamic
Risers, DNV-OS-F201, 2001 [2], Design, Construction, Operation, and Maintenance
of Offshore Hydrocarbon Pipelines (Limit State Design), API RP 1111, 1999 [3] e
3
Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines, 1991, ASME
B31G-1991 [4].
Para cada uma das normas acima, os critrios de falha foram verificados entre si
e posteriormente comparados com os resultados disponveis em outros trabalhos.
1.3 Motivao
A experincia no dia-a-dia com utilizao de normas de projeto incentivou a
busca do que havia disponvel para o projeto de risers rgidos, o que levou
basicamente s normas j mencionadas do ABS [1], DnV [2], API [3] e ASME [4].
Tendo em vista a reviso das normas acima mencionadas, notou-se que
basicamente o projeto dos sistemas de risers consiste de duas fases: a fase inicial
onde so avaliados os critrios de ruptura, colapso e propagao de colapso e a fase
de detalhamento, onde uma anlise estrutural desenvolvida para determinao das
tenses atuantes nos dutos e verificao final do projeto, incluindo fadiga.
Uma vez que o processo de anlise estrutural basicamente o mesmo inclui
as mesmas consideraes de cargas e verificao das tenses atuantes optou-se
por se fazer uma comparao entre as normas no que diz respeito verificao inicial
do projeto, uma vez que cada norma apresenta suas formulaes especficas.
Pelos fluxogramas observados nas normas, apresentados no captulo 2, nota-se
que o projeto inicial o mesmo, no entanto, neste ponto que as normas diferem:
diferentes formulaes empricas so fornecidas para os diferentes modos de falha.
Portanto, optou-se por estudar as discrepncias e correlaes fornecidas por estas
formulaes e buscar as normas mais ou menos conservadoras, o que foi, portanto, a
primeira motivao para este estudo.
A reviso bibliogrfica indicou a importncia da anlise dos modos de falha
descritos acima: diversos trabalhos indicam resultados de pesquisas analticas,
numricas e experimentais sobre este assunto. De posse destes resultados, havia
assim a possibilidade de tentar realizar uma anlise crtica dos resultados obtidos
pelas expresses indicadas nas normas, ou mesmo tentar quantificar os fatores de
segurana embutidos em cada uma, comparando-os com os valores obtidos pelas
mesmas.
No caso do Brasil, o aumento cada vez maior das lminas dgua, associado
aos novos campos de explorao no Brasil, tem motivado uma atividade contnua de
pesquisa em risers rgidos de ao, no qual os modos de falha representados pelo
limite ltimo de resistncia de dutos intactos sujeitos a carregamentos combinados de
presso, flexo e trao, bem como da resistncia residual de dutos avariados, tm
4
sido largamente estudados atravs de testes experimentais e simulao numrica [5].
A procura por estes resultados no Laboratrio de Tecnologia Submarina,
COPPE/UFRJ (LTS), e em outras referncias foi uma motivao adicional para este
trabalho.
No caso de risers, sujeitos s cargas dinmicas de operao, a resistncia
fadiga um aspecto importante a ser analisado. Para a anlise de fadiga, trs fatores
bsicos so considerados: a determinao da variao de tenso, a escolha da curva
S-N aplicvel e a definio do fator de segurana aplicvel ao projeto. Uma vez que a
anlise de tenses realizada atravs da anlise global, equivalente para todas as
normas, este trabalho se concentrou em analisar os fatores de segurana aplicveis
ao projeto e as curvas S-N, j que estes so os aspectos que podem apresentar
discrepncias.
Uma motivao adicional para o trabalho consistiu na anlise de todos os
resultados obtidos. Assim, exceto para o modo de falha de fadiga, alm da
comparao dos valores entre si, uma anlise do grau de preciso dos resultados
obtidos foi elaborada para cada modo de falha estudado.
Ressalta-se que este estudo voltado para anlise de risers rgidos, uma vez
que existe a tendncia ao seu desenvolvimento e aplicao cada vez maior na
indstria offshore.
1.4 Estrutura da Dissertao
Esta dissertao est apresentada da forma descrita a seguir.
No captulo 2 feita uma reviso bibliogrfica dos principais trabalhos utilizados
e uma descrio geral das principais normas utilizadas.
No captulo 3 analisado o modo de falha de ruptura, no captulo 4, o modo de
falha de colapso, no captulo 5, a propagao de colapso e no captulo 6, o modo de
falha de fadiga. Cada um destes captulos contm uma reviso bibliogrfica especfica
de cada um destes modos de falha, no indicada propositalmente no captulo 2 para
uma melhor organizao de cada modo de falha.
No captulo 7 apresentada uma concluso geral do trabalho realizado.
No captulo 8 so apresentadas as referncias bibliogrficas utilizadas para o
desenvolvimento desta dissertao.
No Apndice so apresentados alguns conceitos gerais sobre os sistemas de
risers.
5
2 REVISO BIBLIOGRFICA
2.1 Carregamentos e Modos de Falha
Diversas atividades de pesquisa vm sendo desenvolvidas abrangendo o estudo
da integridade estrutural de sistemas de risers. No caso especfico do Brasil, estas
atividades esto, na sua maioria, relacionadas ao desafio proveniente do processo de
instalao de risers rgidos na Bacia de Campos, incluindo estudos relacionados
resistncia ltima de dutos intactos e a resistncia residual de dutos com defeitos,
atravs de testes experimentais e modelos numricos e/ou analticos [5].
Adicionalmente s cargas cclicas as quais os risers esto sujeitos, s cargas de
flexo e trao, durante sua instalao e operao e s cargas trmicas, dois aspectos
bsicos devem ser considerados no projeto: a presso do fluido no interior do riser
presso interna e a presso do meio externo ao riser presso externa.
Sob o aspecto da presso atuante, um duto sujeito presso interna est sujeito
falha por ruptura (burst) e no caso da presso externa, o duto est sujeito falha por
colapso (buckling) e por propagao de colapso (propagation buckle).
Considerando os efeitos de todos os carregamentos aos quais o riser est
sujeito, durante a sua vida til e incluindo os carregamentos provenientes do processo
de instalao, a resistncia fadiga tambm um modo de falha importante a ser
verificado.
Cada um desses modos de falha - a ruptura, o colapso, a propagao de
colapso e a fadiga - foi estudado nesta dissertao e uma reviso das principais
referncias utilizadas est apresentada a seguir. Ressalta-se que uma reviso mais
abrangente de cada modo de falha especificamente apresentada em cada captulo
correspondente.
2.2 Ruptura
Os dutos, terrestres ou submarinos, esto sujeitos a defeitos que podem afetar
diretamente sua integridade estrutural ao longo de sua vida til. Dentre estes defeitos,
a perda de espessura causada pela corroso um dos que afetam a sua resistncia
ao das cargas operacionais e ambientais, reduzindo sua integridade estrutural, o
que pode levar a uma possvel falha. Com o envelhecimento das linhas de transporte
de leo e gs em todo o mundo, e tendo em vista a constante preocupao com as
instalaes atuais e futuras, a avaliao da resistncia limite de dutos com defeitos de
6
corroso passou a ter grande importncia, sendo necessrio evitar que os dutos
corrodos eventualmente sofram rupturas (ou tambm colapso) que impliquem em
interrupes na operao e vazamentos de produtos com conseqentes danos
ambientais, por exemplo. Para evitar o risco de perda ou queda na produo, as linhas
devem ser submetidas a inspees peridicas, para detectar os defeitos, e uma
posterior avaliao da resistncia do duto nos trechos onde os mesmos foram
localizados. Ressalta-se assim a importncia da avaliao da integridade estrutural de
linhas corrodas. Muitas linhas so mantidas em operao mesmo depois de sinais de
corroso terem sido observados nas mesmas. Para tal, so recalculadas e reavaliadas
as presses mximas internas admissveis dos produtos que esto sendo
transportados, considerando a nova situao dos dutos corrodos. Mtodos para
avaliao de defeitos causados por corroso esto disponveis h dcadas, porm,
com o passar dos anos, algumas modificaes foram propostas e, nos ltimos anos
tm sido desenvolvidos mtodos alternativos baseados na anlise de estudos
paramtricos por elementos finitos. Resultados experimentais de dutos com defeitos e
dutos intactos so comparados a resultados numricos obtidos atravs de modelaes
por elementos finitos, como o objetivo de investigar a ruptura nos dutos [6], [7].
Para esta dissertao foram buscados na literatura resultados disponveis
relativos anlise da presso interna e da ruptura em dutos e notou-se que estes
efeitos foram analisados em diversos trabalhos, atravs principalmente, da
comparao de resultados de dutos intactos e dutos com pequenos defeitos de
corroso.
Ressalta-se, contudo, que os efeitos de corroso nos dutos no foram
analisados nesta dissertao, pois os mesmos no so considerados nas principais
normas objeto deste estudo ABS, DnV e API, nas referncias utilizadas [1], [2] e [3].
Nestas referncias, considera-se que mecanismos para preveno da corroso sero
instalados nos dutos e, portanto, as mesmas no consideram a corroso diretamente
em suas formulaes de projeto. Assim, destaca-se em cada trabalho analisado, os
quais esto descritos a seguir, os resultados obtidos para dutos intactos que esto
apresentados ao longo do captulo 3.
Com o objetivo de avaliar a presso de ruptura de dutos intactos e dutos com
defeitos axi-simtricos, 5 modelos de dutos intactos e 8 modelos de dutos com
defeitos, em ao carbono e em ao inox, foram analisados na referncia [8]. Partindo-
se das equaes bsicas de tenso circunferencial, axial e radial para um duto sujeito
presso interna e dos conceitos e formulaes obtidos a partir da teoria da
plasticidade, foi elaborado um modelo analtico para anlise estrutural de dutos
7
sujeitos presso interna. Adicionalmente ao modelo analtico, foi elaborado um
modelo numrico e modelos experimentais para validao dos resultados obtidos. No
modelo numrico, os dutos foram modelados utilizando-se o mtodo dos elementos
finitos, com espessura uniforme e comprimento longitudinal superior a 10 vezes o seu
dimetro externo, utilizando-se um modelo bidimensional axi-simtrico e o programa
computacional ABAQUS. O carregamento de presso foi aplicado de maneira
uniforme em toda extenso interna do modelo.
Adicionalmente aos modelos acima, foram ainda realizados testes experimentais
nos modelos. Antes da realizao do experimento os modelos tiveram suas superfcies
externas mapeadas cuidadosamente para que os valores geomtricos medidos
fossem comparados com os valores nominais e, posteriormente, na correlao dos
modelos numricos e analticos com os resultados dos testes experimentais. Todos os
modelos testados foram instrumentados com extensmetros eltricos (strain-gages)
e com transdutores lineares de deslocamento (lvdts), de modo a se monitorar
deformaes e deslocamentos radiais em diversos pontos do modelo durante o
experimento. A presso interna aplicada aos modelos foi medida com o auxlio de um
transdutor eletrnico de alta preciso, completando assim a instrumentao do
modelo. Os testes foram realizados no LTS em um aparato especialmente
desenvolvido para simulao do processo de carregamento sob presso interna.
As anlises realizadas nesta referncia, atravs das comparaes entre os
resultados numricos, analticos e experimentais para os modelos intactos e modelos
com defeito, indicaram que existe uma relao para o decrscimo na presso de
ruptura que depende muito mais do defeito (corroso) do que do material utilizado.
A influncia da corroso na resistncia dos dutos foi tambm analisada nas
referncias [6], [7] e [9]. No estudo foi proposto estabelecer um procedimento simples,
obtido a partir de resultados experimentais e da realizao de um estudo paramtrico,
que pudesse capacitar o inspetor submarino uma rpida avaliao do efeito
detrimental de um dano simples, decidindo posteriormente quais anlises e/ou aes
seriam mais adequadas em cada caso.
Na srie de experimentos, 7 modelos em escala reduzida foram testados sob
cuidadosas condies de controle. Um dos modelos era intacto, enquanto nos 6 outros
modelos foram simulados defeitos de corroso.
Antes de serem submetidos aos ensaios, os modelos tambm tiveram suas
superfcies mapeadas para que se pudesse comparar com os valores nominais, uma
vez que a interpretao dos resultados experimentais, e posterior comparao com os
resultados numricos, implica no conhecimento das distribuies das imperfeies
8
geomtricas iniciais dos modelos testados, visto terem influncia na resistncia dos
dutos. Todos os modelos testados foram instrumentados com strain-gages de modo a
se determinar a carga de ruptura, como no caso anteriormente descrito. Os testes
foram tambm realizados no interior de cmara hiperbrica horizontal do LTS, em um
aparato especialmente desenvolvido para simulao do processo de carregamento
sob presso interna.
Em paralelo aos testes experimentais, foi elaborado um modelo numrico
baseado no mtodo dos elementos finitos para simulao computacional da presso
interna em dutos corrodos e intactos. Os dutos foram modelados com espessura
uniforme e comprimento longitudinal igual a 10 vezes o seu dimetro externo. Para
modelao utilizou-se o programa ABAQUS e foi adotado um modelo tridimensional
com representao de meia geometria de duto.
Com base nos resultados obtidos, e em requisitos especficos de formulaes
que avaliam a integridade estrutural de dutos corrodos, foi realizado um estudo
paramtrico para obter a perda de capacidade da linha corroda. Este estudou resultou
num ajuste linear para avaliao da integridade estrutural que depende basicamente
das caractersticas do duto e do defeito de corroso.
Os estudos paramtricos realizados nesta referncia, atravs da variao do
material e dos parmetros geomtricos, indicaram ainda que o parmetro do defeito
que gera o efeito mais prejudicial na presso de ruptura do duto a profundidade do
mesmo.
Destaca-se que vrios trabalhos j foram desenvolvidos envolvendo a anlise da
influncia de defeitos/corroso na resistncia ruptura de dutos. Alm dos
anteriormente citados foram analisados os trabalhos desenvolvidos em [10], [11], [12],
[13] e [14]. Estes trabalhos no apresentam resultados de dutos intactos, apenas
dutos com defeitos. Cada trabalho apresentou estudos em diferentes dutos (dimetro,
espessura e material), com diferentes defeitos (uniformes, no-uniformes), diferentes
profundidades e comprimentos de defeito, e ainda com diferentes carregamentos
(presso interna pura ou combinao de presso interna e flexo). Os resultados
obtidos nestes trabalhos, atravs da comparao com resultados experimentais,
indicaram que a norma ASME B31G-1991, Manual for Determining the Remaining
Strength of Corroded Pipelines, 1991 [4] a que fornece melhores resultados para
dutos corrodos embora tenha se mostrado conservadora [10], [12]. As demais
referncias [11], [13] e [14] tratam basicamente do estudo elaborado para o
desenvolvimento da norma DNV-RP-F101, Corroded Pipelines [15], atravs da anlise
de resultados experimentais.
9
Uma vez que, durante o projeto dos risers, as normas consideram que
mecanismos sero providos para prevenir a corroso dos dutos (nas referncias
utilizadas [1], [2] e [3]), a anlise de dutos com defeitos de corroso no foi realizada
nesta dissertao, conforme j mencionado. Portanto, as referncias acima
mencionadas foram utilizadas apenas como base terica nesta dissertao. No
entanto, atravs do estudo destas referncias, verificou-se a utilizao da norma
ASME B31G [4]. Sendo assim, em adio s normas j anteriormente citadas ABS
[1], DnV [2] e API [3] para o caso especfico da presso de ruptura foram analisados
os critrios includos na norma ASME B31G [4]. Esta norma estabelece critrios para
avaliao da presso de ruptura de dutos com corroso. Nesta dissertao, para
comparao com as normas acima, a formulao aplicada considerando-se que o
duto no possui corroso, ou seja, considerando que o tamanho e a profundidade da
corroso so nulos, nas expresses propostas por esta norma.
2.3 Colapso
Os primeiros estudos de cascas cilndricas sujeitas variadas combinaes de
carregamento foram realizados por diversos pesquisadores utilizando teoria linear
clssica. No incio dos anos 10, novos estudos foram realizados considerando
pequenos deslocamentos, linearidade do material e geometria inicial perfeita e foram
assim estabelecidas formulaes para presso radial crtica. Mais tarde, novos
estudos foram realizados considerando o efeito da presso hidrosttica em cascas
cilndricas esbeltas. O colapso de dutos submetidos flexo pura foi inicialmente
investigado no incio dos anos 20. Assumindo-se que as sees transversais de um
duto longo se ovalizam gradualmente medida que fletido, com conseqente perda
de rigidez, foi assim proposta uma formulao para determinao da presso crtica de
flambagem elstica introduzindo o conceito de carregamento limite. A discrepncia
que foi posteriormente observada entre resultados experimentais e os resultados
obtidos atravs das formulaes analticas foi bastante discutida e, assim, foram
sugeridas novas equaes no-linerares de equilbrio de cascas, levando em
considerao grandes deslocamentos em substituio teoria linear clssica. A
importncia das imperfeies geomtricas iniciais na obteno da carga de colapso de
cascas cilndricas submetidas compresso axial foi observada no incio dos anos 50
e termos adicionais foram includos nas equaes no-lineares de equilbrio. O efeito
destas imperfeies foi novamente estudado para o caso de cascas cilndricas
esbeltas sujeitas presso externa e observou-se que a carga de colapso nestes
10
casos era significativamente menor carga terica proposta para estruturas perfeitas.
Teoria no-linear de cascas esbeltas, considerando grandes deslocamentos,
assumindo pequenas deformaes na superfcie mdia da casca e moderadas
rotaes, foi desenvolvida, o que levou introduo de alguns termos ligeiramente
diferentes, e outros ainda no propostos, nas equaes sugeridas anteriormente. No
incio dos anos 70, um grupo de pesquisadores desenvolveu durante 6 anos o primeiro
estudo especfico do comportamento pr e ps colapso de dutos submarinos sujeitos
flexo e presso. Foram propostas novas equaes linearizadas considerando, dentre
outros efeitos, as caractersticas elasto-plsticas do material. O advento do
computador e da tecnologia, principalmente na dcada de 80, influenciou de maneira
significativa a pesquisa cientfica e tecnolgica e, assim, equaes no-lineares
desenvolvidas desde os anos 30 foram implementadas em programas numricos. O
problema da cascas cilndricas, anteriormente enfocado de maneira geral, passou
ento a ser estudado de forma mais especfica por diversos pesquisadores.
Paralelamente, os estudos experimentais foram conduzidos de forma cada vez mais
criteriosa, demonstrando uma preocupao crescente dos pesquisadores em
determinar parmetros considerados anteriormente de pequena influncia na
determinao da resistncia limite de cascas cilndricas - tais como imperfeies
geomtricas iniciais, caractersticas elasto-plsticas e anisotropia do material, tenses
residuais devido ao processo de fabricao e histria de carregamento, dentre outros -
para diferentes carregamentos - como presso pura, flexo pura e combinao destes
carregamentos [16].
Alguns dos trabalhos mais recentes sobre este tema foram includos nesta
dissertao, no captulo 4. Uma reviso dos mesmos descrita a seguir.
Um modelo terico, desenvolvido a partir da mecnica dos slidos, foi
implantado em um programa computacional para clculo da presso de colapso em
dutos submarinos, atravs da formulao terica de cascas cilndricas circulares, nas
referncias [17] e [18]. As equaes de governo incorporam grandes deslocamentos e
o comportamento elasto-plstico do material.
Como forma de validao dos resultados numricos obtidos, os mesmos foram
comparados a resultados obtidos experimentalmente, atravs de testes realizados no
LTS, em modelos de ao. As propriedades mecnicas dos modelos foram obtidas
atravs de corpos de prova circunferenciais e longitudinais, retirados dos dutos de
origem, para serem testados em ensaios de trao uniaxial. A qualidade dos testes
experimentais em laboratrios fator essencial para a realizao de uma boa
11
correlao numrico-experimental. Sendo assim, os dados da geometria e das
propriedades de material dos modelos testados foram obtidos de forma a no
comprometer a validade do estudo.
Os modelos foram vedados em suas extremidades e testados em cmara
hiperbrica pressurizada com gua, onde incrementos de presso foram aplicados at
o colapso, que foi caracterizado por um forte estampido e repentina queda de presso
no interior da cmara.
O objetivo principal do trabalho desenvolvido nestas referncias, incluindo as
concluses relativas aos resultados implantados no programa computacional, se
concentra na avaliao da presso de propagao de colapso, portanto ser objeto do
item 2.4. Com relao presso de colapso, observou-se atravs dos resultados
numricos e experimentais apresentados, que a presso de colapso depende
fundamentalmente da relao D/t (relao dimetro-espessura), das imperfeies
geomtricas iniciais e da tenso de escoamento do material.
Um programa foi desenvolvido (COLPIPE), a partir de um programa j existente,
para clculo da presso de colapso em dutos, na referncia [19]. No programa
proposto, o duto foi modelado matematicamente utilizando a teoria de casca fina,
incorporando grandes deformaes e deflexes e considerando o comportamento
elasto-plstico do material do duto. O duto foi modelado como uma casca cilndrica
longa, sujeito ao de presso externa, trao e flexo. A casca cilndrica foi suposta
suficientemente longa para ser possvel desprezar os efeitos gerados pelas condies
de contorno. Alm disso, assumiu-se que o carregamento era uniforme ao longo do
duto, ou seja, todas as sees apresentavam o mesmo comportamento e, na situao
limite, todo o duto iria colapsar. Os resultados obtidos pelo programa proposto foram
ento comparados com resultados numricos obtidos atravs de dois outros
programas, BEPTICO da PETROBRAS/CENPES e RINGBUCK do LTS, e com
resultados experimentais. O programa RINGBUCK [20] um programa computacional
de diferenas finitas para o colapso de cascas finas sob presso externa combinada
com carga axial, no qual posteriormente, foi introduzido o carregamento de flexo. O
programa realiza anlise no-linear de cascas cilndricas imperfeitas, considerando
grandes deslocamentos e comportamento elasto-plstico do material. O programa
BEPTICO analisa dutos longos (anlise bidimensional) sob carregamentos
combinados de presso externa, trao e flexo. O procedimento de clculo
incremental e baseado no princpio do trabalho virtual mnimo.
12
Os resultados dos testes experimentais foram obtidos atravs do LTS em
modelos de ao e em alumnio. Os modelos em ao so os mesmos das referncias
[17] e [18].
As concluses mais significativas desta referncia referem-se ao programa
proposto COLPIPE: foi verificado atravs das comparaes com os resultados
experimentais e com os demais programas, que o programa proposto fornecia
resultados confiveis.
Adicionalmente, este trabalho inclui resultados que indicam o efeito na variao
da presso de colapso, dependendo do tipo de carregamento e das caractersticas
geomtricas e materiais dos dutos. Parmetros como a espessura do duto, tenso de
proporcionalidade do material e o encruamento do material foram amplamente
estudados para anlise do momento de colapso e da curvatura de colapso, para
diversos tipos de carregamento presso externa pura, presso externa e flexo e
flexo pura. A principal concluso observada, que est diretamente relacionada a esta
dissertao foi que, para um mesmo material e mesma ovalizao inicial, a presso de
colapso depende da relao D/t do duto, independentemente dos valores de D e de t.
A operao em guas profundas resulta normalmente na utilizao de dutos com
relaes D/t pequenas e, sempre que possvel, no uso de materiais de alta tenso.
Para relaes D/t menores do que 20, o colapso predominantemente plstico, torna-
se mais importante a avaliao das caractersticas anisotrpicas do material na
presso de colapso. Adicionalmente, outros efeitos, como as imperfeies geomtricas
inicias na seo transversal do duto, a ovalizao inicial e a variao da espessura da
parede, devem ser tambm investigados. Sendo assim, a partir de estudos
paramtricos baseados em resultados numricos e experimentais, foi desenvolvido na
referncia [21] um estudo sobre a influncia destes diversos fatores na presso de
colapso. O colapso de dutos com relaes D/t baixas, essencialmente dutos de
grandes espessuras, foi estudado experimentalmente e analiticamente. Analiticamente
foi proposta uma equao bidimensional no linear, que leva em considerao os
parmetros acima descritos. O estudo analtico foi realizado considerando o material
isotrpico e considerando ainda as caractersticas anisotrpicas do material. Notou-se
atravs dos resultados, que o modelo contemplando as caractersticas anisotrpicas
do material fornecia resultados bem mais prximos dos resultados experimentais. Os
testes experimentais foram conduzidos utilizando-se ao inox (SS304), com dimetros
entre 25 e 38mm e comprimento variando entre 20 a 30 vezes o dimetro. Os tubos
foram vedados em suas extremidades e submetidos a carregamento de presso
externa. A presso foi ento aumentada gradativamente e monitorada at que
13
ocorresse o colapso do tubo, momento este definido por uma queda repentina de
presso. Os resultados experimentais e analticos dos modelos foram utilizados nesta
dissertao. Atravs dos resultados dos estudos paramtricos desenvolvidos foi
possvel concluir nesta referncia que a ovalizao inicial de extrema importncia na
determinao da presso de colapso e, por outro lado, observou-se que a influncia
da variao na espessura no significativa. Com relao a anisotropia do material,
observou-se que sua considerao importante para relaes D/t inferiores a 20,
quando o colapso predominantemente plstico.
Com o objetivo de determinar a presso de colapso em dutos sob carregamento
de presso externa e flexo, foi desenvolvido na referncia [16] um programa
computacional de diferenas finitas considerando o comportamento elasto-plstico do
material e imperfeies geomtricas inicias nos dutos. Para validao dos resultados
foram executados testes experimentais no LTS, em modelos de alumnio, devido
limitao da cmara hiperbrica empregada nos testes. Foram realizados testes de
presso pura, flexo pura e flexo-pressurizao nos modelos. Os resultados obtidos
atravs da modelao pelo mtodo de diferenas finitas foram comparados aos
resultados experimentais e foram considerados bem satisfatrios, indicando que a
formulao numrica proposta era considerada satisfatria. Ressalta-se que a
preciso dos resultados se mostrava fortemente dependente da malha utilizada no
modelo e dos incrementos de carregamento impostos na simulao numrica.
Observou-se, ainda, que as condies de contorno adotadas no modelo bordos
engastados ou apoiados no exerciam nenhuma influncia na obteno da carga
crtica, para os tubos testados. No entanto, mais uma vez observou-se a importncia
da ovalizao inicial do duto na determinao da presso de colapso. O colapso dos
modelos sob presso pura ocorreu no regime elasto-plstico do material, com apenas
alguns pontos de plastificao. Por outro lado, para os casos de flexo pura e flexo-
pressurizao, a falha se deu preponderantemente no regime plstico do material. Os
resultados obtidos para os casos de presso pura foram utilizados nesta dissertao.
O modo de falha de colapso em dutos com diferentes caractersticas de defeitos
de corroso foi ainda analisado na referncia [22], atravs da modelao de dutos no
programa ABAQUS, utilizando-se as propriedades materiais do ao API X77. As
diferentes caractersticas dos defeitos foram representadas atravs de diferentes
relaes d/t, ou seja, relaes entre a reduo na espessura (d) e a espessura original
do tubo (t) e diferentes ngulos de extenso do defeito. Os resultados apresentados
nesta referncia so apenas para dutos com defeito, sem nenhuma comparao com
14
dutos intactos ou apresentao de resultados para dutos intactos. As referncias
utilizadas no incluem em suas formulaes de projeto consideraes sobre corroso,
conforme mencionado anteriormente, assim no h sentido em se comparar estes
resultados com os resultados obtidos pelas normas. O principal objetivo desta
referncia se focava na anlise da presso de propagao de colapso, sendo assim as
principais concluses observadas so indicadas no prximo item (2.4).
Uma pesquisa mais abrangente do comportamento de tubos sujeitos a
carregamentos combinados de presso e curvatura foi desenvolvido na referncia [23].
Tubos extrudados de ao inox com relaes D/t de 24.5 e 34.7 foram utilizados em
testes experimentais. As propriedades materiais dos tubos testados foram obtidas de
testes de trao uniaxiais realizados em corpos de prova retirados dos modelos. As
imperfeies geomtricas iniciais foram determinadas para cada modelo. Os testes
experimentais foram realizados para diferentes histrias de carregamento: flexo at
um determinado valor de curvatura e posterior aplicao de presso externa at o
colapso, presso externa e posterior flexo at o colapso e ainda, incrementos de
curvatura e presso aplicados alternadamente at o colapso (carregamento radial).
Atravs dos resultados deste trabalho, observou-se que a histria de carregamento
um fator importante na definio da carga de colapso. Os resultados indicaram que os
casos mais desfavorveis, ou seja, que apresentaram valores de carga crtica
menores, foram os de carregamento radial, seguidos do caso pressocurvatura (P-
>k) e seguidos do caso curvaturapresso (k->P). Os resultados experimentais obtidos
nesta referncia foram utilizados nesta dissertao para uma avaliao dos critrios
contidos nas normas para os casos de carregamento combinado de presso e
momento.
2.4 Propagao de Colapso
No incio da dcada de 70, devido principalmente crescente demanda por
instalao de linhas de explorao e a idia da possibilidade de perda de linhas
submersas devido propagao de um eventual dano local, surgiram as primeiras
pesquisas sobre o fenmeno do colapso propagante em dutos submarinos para guas
profundas. O fenmeno foi ento observado e estudado por pesquisadores durante
testes experimentais em modelos em escala reduzida de dutos submarinos sob
carregamento combinado, com o objetivo de conhecer os principais parmetros que o
regem e buscar mecanismos para deter a propagao da falha. Em conjunto com os
15
resultados dos testes experimentais foram propostas equaes na literatura e nas
normas para estimativa da presso de propagao de colapso [17], [24].
Alguns estudos e resultados a respeito dos efeitos de propagao de colapso
foram includos nesta dissertao e esto descritos a seguir. Os resultados esto
apresentados no captulo 5.
Um modelo terico foi desenvolvido a partir da mecnica dos slidos e foi
implementado em um programa computacional, para clculo da presso de colapso e
presso de propagao em dutos submarinos nas referncias [17] e [18]. O modelo
terico tridimensional foi elaborado a partir da teoria de casca fina assumindo
pequenas deformaes e grandes rotaes. Na soluo numrica do problema foi
implementado um programa computacional de diferenas finitas baseado na tcnica
de relaxao dinmica.
Adicionalmente, um modelo numrico tridimensional, com imperfeies
geomtricas na forma de ovalizao inicial, foi desenvolvido para determinao da
presso de propagao de colapso, utilizando-se um programa comercial (ABAQUS)
na referncia [25].
De forma simplificada, pode-se dizer que a diferena entre os modelos
numricos de [17] / [18] e [25] que, diferentemente do que foi realizado em [17] e
[18], em [25] foi gerado um modelo tridimensional, com imperfeies geomtricas na
forma de ovalizao inicial, e este modelo foi analisado utilizando-se um programa
comercial ABAQUS sem nenhuma implementao no programa. Por outro lado,
alteraes foram implementadas em um programa existente, gerando um programa
novo com melhores resultados em [17] e [18].
Como forma de validao dos resultados numricos obtidos em [17], [18] e [25],
foram realizados testes experimentais no LTS. Foram selecionados 6 testes de
presso de propagao onde as propriedades mecnicas dos modelos foram obtidas
atravs de corpos de prova circunferenciais e longitudinais, retirados dos tubos de
origem, para serem testados em ensaios de trao uniaxial. Para a localizao da
falha sob presso externa e posterior controle da presso de propagao, os modelos
foram inicialmente avariados em prensa hidrulica, como o auxlio de cunha para
denteamento. Os modelos foram vedados em suas extremidades e testados em
cmara hiperbrica pressurizada com gua. Os testes foram conduzidos nos moldes
dos testes de presso pura. Inicialmente, o procedimento de teste consistia na
pressurizao gradual da cmara hiperbrica at o colapso do modelo (presso de
iniciao), resultando em queda da presso interna para um nvel inferior presso de
16
propagao. Posteriormente os incrementos de presso foram aplicados lentamente
de modo a manter um patamar de presso constante, definindo assim a propagao
do colapso.
Os resultados obtidos nas referncias [17] e [18] indicaram que as anlises de
colapso propagante realizadas pelo programa proposto validaram a teoria e o mtodo
numrico que foram empregados e desenvolvidos nestes trabalhos. Os resultados
obtidos apresentaram boa correlao com os testes experimentais. A completa
descrio das curvas de tenso versus deformao dos modelos analisados se
mostrou essencial para a obteno de bons resultados. Os trabalhos desenvolvidos
nestas referncias tambm foram encontrados na referncia [26]. Esta ltima foi
utilizada para obteno de alguns dados no indicados claramente nas referncias
anteriores, como descrito no captulo 5.
Os resultados obtidos na referncia [25] indicaram que a presso de colapso
bastante sensvel relao D/t, sendo menos influenciada pela tenso de escoamento
do material. Das expresses disponveis na literatura para estimativa da presso de
propagao de colapso, os resultados obtidos indicaram que a expresso de
AGA/Shell (indicada no captulo 5) se mostrou a mais adequada.
Um estudo sobre a dinmica da propagao do colapso em dutos longos
sujeitos presso externa foi realizado na referncia [27]. Vrios trabalhos so
publicados relacionados propagao de colapso em dutos com defeitos ou em dutos
intactos com o objetivo de quantificar a presso de propagao de colapso, seja
numericamente, analiticamente ou experimentalmente. A diferena nesta referncia
est na determinao do efeito dinmico da propagao de colapso, sendo na mesma
analisada a velocidade de propagao do colapso. Para tal, foram realizados testes
experimentais em modelos sujeitos presso externa no ar e na gua e, ainda,
elaborado um modelo numrico no ABAQUS. O modelo numrico foi utilizado para
avaliar a velocidade de propagao da falha, comparando os resultados obtidos
numericamente com os resultados obtidos experimentalmente. Os testes
experimentais foram realizados numa srie de tubos de ao inox SS-304, com relao
D/t de 27.9. Alguns aspectos interessantes da propagao de colapso so destacados
neste trabalho como o modo flip-flop de propagao, ou seja, o colapso se inicia e
percorre uma distncia ao longo do duto, posteriormente a direo do colapso
rotaciona de um ngulo de 90 e percorre uma nova distncia at voltar a direo
original. Observou-se com este estudo que, para uma dada presso, a velocidade de
propagao no ar superior velocidade de propagao na gua, confirmando a
importncia do meio fluido na presso de propagao. Este trabalho foi selecionado
17
para esta dissertao por apresentar resultados experimentais, em modelos de ao
inox SS-304, obtidos para a presso de propagao.
Observa-se na prtica que alguns dutos so envolvidos por uma camada externa
para selagem ou para proteo dos mesmos, ou seja, observa-se que os mesmos se
encontram em espaos confinados. Este dado prtico motivou os estudos realizados
na referncia [28], relativo avaliao quantitativa da presso de colapso propagante
de dutos em espao confinado. Sendo assim, resultados obtidos atravs de modelos
numricos e testes experimentais em dutos de ao inox SS-304 foram utilizados para
o desenvolvimento de expresses analticas, relacionando a presso de colapso
propagante em espao confinado s caractersticas geomtricas e mecnicas dos
dutos. Os resultados obtidos para os dutos no confinados esto apresentados no
captulo 5 para comparao com as normas. Observou-se nesta referncia que a
presso de propagao em espaos confinados superior presso de propagao
em espaos no confinados e, ainda, que a mesma depende da tenso de
escoamento do material, da relao D/t e das caractersticas de dureza do material.
O modo de falha do colapso propagante e sua preveno atravs da instalao
de enrijecedores do tipo buckle arrestors foi analisado na referncia [29]. Nesta
referncia no foram realizados experimentos prticos, no entanto, a mesma utilizou
resultados disponveis na literatura para testes em dutos realizados com material
APIX65 e APIX42 para o desenvolvimento do estudo proposto. Os resultados
encontram-se sob a forma normalizada Ppx1000/Escoamento e foram includos nesta
dissertao. Com este trabalho foi proposta uma equao de projeto para o fenmeno
de propagao de colapso, considerando a instalao de buckle arrestors, atravs das
anlises numricas independentes e comparaes com as informaes disponveis na
literatura.
Um estudo paramtrico tambm foi desenvolvido na referncia [30] atravs da
comparao entre resultados experimentais e numricos envolvendo a presso de
propagao de colapso em dutos longos. Neste trabalho foram realizadas anlises
numricas e foi proposta uma anlise tridimensional do problema, a qual, combinada
com resultados experimentais, foi utilizada para demonstrar a propagao de colapso
em dutos longos. Foram realizados testes experimentais em alumnio Al-6061-T6 e em
ao inox SS-304. Os testes foram realizados com dutos com comprimento
correspondente a mais do que 50 vezes o seu dimetro e que foram colocados em
cmara pressurizada com gua. O aumento de presso foi dado de forma
18
relativamente lenta, numa razo constante, atravs do bombeamento de gua no
sistema. Os resultados numricos obtidos atravs dos modelos indicaram que o
modelo 3-D proposto era o que mais se aproximava dos resultados experimentais,
sendo estes resultados numricos (adicionalmente aos experimentais) utilizados nesta
dissertao.
Estudos envolvendo comparaes entre resultados experimentais e modelos
analticos para determinao da presso de propagao foram desenvolvidos na
referncia [31]. O estudo analtico foi realizado atravs de um estudo de balano de
energia, ou seja, uma avaliao entre o trabalho externo realizado pela atuao da
presso externa no duto e o trabalho interno realizado durante a deformao do
mesmo. Os resultados obtidos foram comparados a resultados experimentais
realizados em modelos de alumnio e ao inox. Os resultados experimentais e
analticos indicados nesta referncia foram utilizados nesta dissertao. Atravs
destes estudos foram propostas equaes, atravs do ajuste dos dados obtidos pelo
mtodo dos mnimos quadrados, para estimativa da presso de propagao de
colapso para dutos em ao e dutos em alumnio.
Utilizando resultados experimentais de testes de presso de propagao em
tubos de ao inox e alumnio, uma expresso analtica para estimativa da presso de
propagao foi proposta na referncia [32]. De acordo com os resultados
experimentais, observou-se que a presso de propagao era dependente das
caractersticas ps-escoamento do material (mdulo tangente do material) e da
relao D/t. Tanto os resultados experimentais, como a expresso analtica proposta,
como ser visto a seguir, foram utilizados nesta dissertao.
Alm dos resultados numricos, experimentais e analticos, foram buscadas na
literatura as formulaes mais utilizadas para estimativa da presso de propagao de
colapso, para futura comparao.
Desde os anos 70 o fenmeno de propagao de colapso vem sendo bastante
discutido por diferentes grupos de pesquisadores [5], [17], [24]. Testes experimentais e
resultados tericos tm sido utilizados para validao de expresses utilizadas para
determinao da presso de propagao de colapso. Sendo assim, algumas destas
expresses tambm foram utilizadas nesta dissertao para fins de comparao dos
resultados obtidos. As formulaes utilizadas foram obtidas atravs das referncias
[17], [25], [32] e [33].
19
Uma srie de testes experimentais foram realizados utilizando tubos de ao em
escala reduzida com relaes D/t tpicas para determinao da presso de
propagao, na referncia [24]. Os resultados obtidos foram comparados com diversas
formulaes disponveis na literatura atravs de uma avaliao que utilizou parmetros
estatsticos. Atravs deste trabalho, observou-se que, para a faixa de D/t analisada
12 a 16 as formulaes mais adequadas foram as de Mesloh et al, Kyriakides &
Babcock e Langner. Todas estas formulaes e os resultados experimentais foram
includos nesta dissertao.
Uma nova expresso proposta pela Petrobras para determinao da presso de
propagao de colapso de dutos, provenientes de projetos conduzidos pelo
CENPES/TMEC, foi analisada na referncia [34], sendo parte dos testes experimentais
conduzidos pela COPPE/UFRJ. Os resultados obtidos por esta formulao foram
comparados aos resultados obtidos atravs de expresses disponveis na literatura e a
resultados obtidos experimentalmente, realizando-se uma anlise de confiabilidade
dos resultados obtidos para diversas faixas de D/t. Este trabalho apresenta apenas os
resultados finais para presso de propagao, obtidos para os modelos. No entanto,
at o momento, os dados sobre os modelos empregados (material, tenso de
escoamento, dimetro e espessura, por exemplo) e mesmo a prpria expresso
proposta pela Petrobras no esto disponveis na literatura. Sendo assim, os
resultados deste trabalho no puderam ser includos nesta dissertao, uma vez que
no foi possvel dispor dos dados bsicos de entrada para utilizao das expresses
das normas. Mas, destaca-se que este trabalho indicou que a expresso proposta pela
Petrobras fornece resultados bem confiveis para dutos com relao D/t entre 9 e 24.
Para dutos com relao D/t entre 24 e 37, a expresso de AGA/Shell foi a que melhor
se aproximou dos resultados experimentais. Para dutos com D/t entre 37 e 42, a
formulao de Steel & Spencer se mostrou a mais adequada. Estas expresses foram
includas nesta dissertao.
O modo de falha de propagao de colapso em dutos com diferentes
caractersticas de defeitos de corroso foi analisado na referncia [22]. Os dutos foram
modelados no programa ABAQUS, utilizando-se as propriedades materiais do ao API
X77. As diferentes caractersticas dos defeitos foram representadas atravs de
diferentes relaes d/t, ou seja, relaes entre a reduo na espessura (d) e a
espessura original do tubo (t), e diferentes ngulos de extenso do defeito. Os
resultados apresentados nesta referncia so apenas para dutos com defeito, sem
nenhuma comparao com dutos intactos ou apresentao de resultados para dutos
20
intactos. As normas no incluem em suas formulaes de projeto consideraes sobre
corroso uma vez que as mesmas partem do princpio de que mecanismos contra a
corroso sero providos para o duto, conforme j mencionado anteriormente, assim
no h sentido em se comparar estes resultados com os resultados nas normas. No
entanto, uma comparao rpida entre os valores numricos obtidos nesta referncia
e os valores obtidos pelas normas para a mesma relao D/t analisada e mesmas
caractersticas materiais do ao X77, indicou que os valores das normas so bem
superiores aos valores obtidos, j que a corroso no considerada nas suas
formulaes. Os resultados desta referncia no foram utilizados nesta dissertao,
sendo a referncia tendo sido utilizada apenas como base terica de estudo. Notou-
se, atravs dos resultados apresentados, que a propagao de colapso depende da
quantidade de corroso do duto. A mesma diminui com o aumento da profundidade da
corroso e o aumento do ngulo de extenso do defeito. Nota-se ainda que o colapso
localizado quando a profundidade do defeito de corroso superior a 10% da
espessura da parede do duto. Por outro lado, percebe-se que existe um colapso total
do duto quando a profundidade da corroso inferior a 10% da espessura original do
duto.
2.5 Fadiga
Os critrios de projetos primrios para risers esto relacionados aos requisitos
relativos presso externa e presso interna e, adicionalmente, vida til fadiga,
a qual deve exceder a vida requerida considerando-se um determinado fator de
segurana de projeto. Os danos de fadiga so causados pelo carregamento cclico no
riser, induzido pela combinao dos carregamentos provenientes do movimento da
unidade e carregamentos de onda e corrente, incluindo vrtice induzido. Os danos
relacionados fadiga ocorrem principalmente nas juntas soldadas no topo e na regio
do TDP do riser [35].
Historicamente, no que diz respeito resistncia fadiga, desde que a
explorao de petrleo comeou no Mar do Norte nos anos 60, ficou evidente que as
estruturas ocenicas projetadas para operao no Golfo do Mxico, por exemplo, no
eram adequadas para operao no Mar do Norte, em condies ambientais bem mais
severas. As estruturas passaram a apresentar danos que foram atribudos aos
resultados da ao das ondas durante as tempestades de inverno. Danos estes que
representavam a falta de resistncia das estruturas fadiga, devida s condies
ambientais mais severas. Tornou-se assim evidente, a necessidade de um melhor
entendimento do fenmeno de fadiga em estruturas offshore e de como evit-la [36].
21
No que diz respeito operao, conforme acima mencionado, durante a vida til
do riser, o mesmo est sujeito s cargas cclicas (onda, corrente e movimento da
unidade qual o mesmo est acoplado) que induzem danos a estrutura do risers, os
quais se acumulam ao longo da sua vida til.
Adicionalmente, durante a instalao, os risers podem sofrer deformaes
plsticas que diminuem a sua resistncia fadiga, devido s mudanas nas
caractersticas materiais e geomtricas dos mesmos. A ocorrncia de danos locais
durante a instalao, operao ou fabricao, assim defeitos materiais ou defeitos nas
junes soldadas (falta de fuso ou falta de penetrao, por exemplo) tambm
contribuem para diminuio da resistncia fadiga. Os fenmenos descritos esto
ainda associados concentrao de tenso nas reas afetadas.
O mtodo mais utilizado para avaliao do dano fadiga, ou determinao da
vida til, o mtodo da curva S-N.
Por este mtodo, os seguintes passos bsicos so considerados na anlise de
fadiga:
Estimativa da distribuio de variao de longo prazo das cargas no riser e das tenses associadas;
Seleo da curva S-N apropriada ao projeto; Determinao do fator de concentrao de tenso; Estimativa do dano acumulado de fadiga atravs da Regra de Palmgren-Miner.
Adicionalmente, fatores de segurana apropriados so considerados para
determinao da vida fadiga para uma determinada vida til requerida.
Portanto, tendo em vista a avaliao do dano fadiga, ou determinao da vida
til, atravs do mtodo da curva S-N, de acordo com os diferentes passos acima
destacados, foi analisado nas normas os pontos onde as mesmas poderiam ser
distintas. Assim, foram analisadas as diferenas entre as curvas S-N e os fatores de
segurana estabelecidos por cada norma, pois estes so os pontos que podem variar
nos passos bsicos indicados acima. A estimativa das cargas, para o clculo das
variaes de tenso, segue o mesmo procedimento e realizada atravs da
modelao do sistema por elementos finitos: para as cargas cclicas consideradas no
projeto so determinadas as variaes de tenso no sistema em considerao. A
determinao do fator de concentrao de tenso e o clculo do dano acumulado
tambm podem ser equivalentes para as normas.
22
Foram ainda pesquisados na literatura dados disponveis para comparao com
aqueles estabelecidos pelas normas, principalmente no que diz respeito s curvas S-N
utilizadas.
Atravs do desenvolvimento de modelos numricos utilizando o mtodo de
elementos finitos e modelos analticos computacionais, o fenmeno da fadiga foi
estudado nas referncias [37] e [38], atravs da anlise de juntas soldados de risers
rgidos contendo defeitos planares. Os modelos utilizados baseiam-se na teoria da
mecnica da fratura e englobam os efeitos causados nos risers rgidos, quando da
instalao atravs do mtodo carretel. Foram ainda realizados nesta referncia, testes
experimentais em escala real em dutos de 8 polegadas contendo defeitos em sua
solda devidos falta de fuso ou falta de penetrao. Os resultados obtidos foram
expressos em forma de curvas S-N e comparados com curvas utilizadas em projetos
de risers rgidos. Somente os resultados numricos e os resultados analticos, obtidos
atravs de um algoritmo desenvolvido, se encontram disponveis para estas
referncias. Os resultados experimentais no foram disponibilizados. Sendo assim, os
resultados numricos e do algoritmo so utilizados nesta dissertao para comparao
com os parmetros fornecidos pelas normas estudadas. Nesta referncia, foi
observado que, mesmo com as simplificaes adotadas, o algoritmo desenvolvido
mostrou-se uma ferramenta gil e vivel. Os resultados obtidos pelo algoritmo se
mostraram mais conservadores do que os modelos numricos, podendo assim ser
utilizados como ferramenta de projeto. Adicionalmente, o algoritmo apresenta
facilidade de uso pois dispensa o uso de outros programas, como elementos finitos e
uso de modelos numricos que so mais complexos e mais demorados.
A influncia das deformaes plsticas induzidas pelo processo de lanamento
das linhas em J-lay e carretel foi estudada na referncia [39]. Foram realizados testes
experimentais em dutos API X65, de 12 polegadas de dimetro, 17.5mm de
espessura, que antes dos testes foram sujeitos deformaes que simulavam as
deformaes sofridas pelos dutos durante o seu lanamento. Os dutos foram soldados
utilizando processo de solda manual e processo de solda automtico. Os resultados
dos testes foram comparados a resultados obtidos atravs de curvas S-N utilizadas no
projeto de risers e observou-se que, em todos os casos, a vida til nos testes se
mostrava superior vida til obtida atravs das curvas S-N, indicando que, mesmo
com as deformaes induzidas, as curvas de projeto podem ser utilizadas, pois ainda
se mostram mais conservadoras. Nesta dissertao, os resultados dos testes
realizados foram comparados s curvas estabelecidas pelas normas.
23
A anlise de fadiga em risers de ao em catenria, atravs de uma anlise no
linear no domnio do tempo tem sido considerada um mtodo que fornece resultados
com uma boa acurcia. No entanto, o esforo computacional envolvido um fator
impactante no projeto, uma vez que diversas condies de carregamento devem ser
consideradas de forma que o tempo de simulao seja suficiente para garantir bons
resultados.
Tendo em vista a observao acima, um estudo paramtrico focado no
comportamento dos risers, na regio prxima ao topo, relativo aos danos de fadiga
devidos aos movimentos de primeira e segunda ordem, foi realizado na referncia [40],
utilizando-se modelos simplificados, no domnio da freqncia. Os resultados
indicaram que esta simplificao pode ser adotada numa fase inicial de projeto, pois
os mesmos se mostraram bem confiveis quando comparados aos resultados obtidos
atravs de uma anlise no linear no domnio do tempo, que requer um tempo muito
maior de execuo. Nesta referncia foram obtidos resultados numricos para a vida
til dos risers, dependendo do nvel de pr-tenso no mesmo durante instalao e da
flexibilidade da junta de flexo do topo. Os mesmos indicaram que a fadiga pode ser
um grande problema dependendo do nvel de pr-tenso adotada e da flexibilidade da
junta de topo. Os resultados expressos nesta referncia so em forma de vida til e
fadiga acumulada. Uma vez que clculos de vida til e dano no foram desenvolvidos
nesta dissertao, estes resultados no foram apresentados. Assim esta referncia foi
utilizada como base terica no estudo.
Adicionalmente ao trabalho descrito acima, foram realizados estudos de
sensibilidade na referncia [41], de forma a verificar que tipos de simplificaes podem
ser realizadas durante o clculo de fadiga atravs de uma anlise simplificada no
domnio da freqncia, sem que ocorra perda da qualidade dos resultados, ao menos
durante um estgio preliminar de projeto. Os estudos foram realizados em unidades
ancoradas atravs de sistema taut-leg e sistema em catenria e os resultados
mostraram que o comportamento em relao fadiga muito sensvel a diversos
fatores, dentre eles, a posio do riser na unidade, o aproamento da unidade, o tipo de
configurao e a lmina dgua. Desta forma, adicionalmente s observaes
indicadas acima para o estudo desenvolvido na referncia [40], este estudo
comprovou que uma aplicao genrica das simplificaes propostas no estudo, como
a excluso dos estados de mar com baixa probabilidade de ocorrncia, no sempre
possvel. Os resultados indicados neste estudo so expressos em forma de vida til,
24
como na referncia anterior e, portanto, tambm no foram utilizados nesta
dissertao, tendo sido a mesma utilizada como base terica de estudo.
Observa-se no projeto de risers que existe uma grande disparidade de dados
para estimativa do dano obtido considerando-se as vibraes induzidas por vrtice e,
geralmente a correlao entre os danos obtidos atravs de modelos computacionais e
o dano observado considerando os efeitos de vrtice induzido no boa. O resultado
destas observaes no projeto de risers para guas ultra-profundas a adoo de
fatores de segurana elevados na estimativa da vida til e o uso de supressores de
vrtices, que encarecem o projeto. Assim, existe um constante incentivo na pesquisa e
na busca de resultados para diferentes configuraes e arranjos de supressores em
diferentes modelos de risers (o que inclui diferentes relaes comprimento/dimetro,
por exemplo). Estudos como estes determinam as melhores configuraes dos
supressores de vrtice, por exemplo, para um dado perfil de corrente e podem ser
encontrados na referncia [42]. Os resultados obtidos indicam que a resposta de um
riser sem supressores bem distinta da resposta do risers com os supressores, como
de se esperar, no entanto, estas respostas dependem do tipo de supressores e de
sua geometria. Mais uma vez, observa-se que os resultados foram indicados nesta
referncia como a vida til obtida para cada teste e, portanto, no foram apresentados
nesta dissertao.
2.6 Anlise dos Resultados
Em alguma fase de seu trabalho, o pesquisador se v as voltas com o problema
de analisar e entender uma massa de dados relevante ao seu objeto particular de
estudo [43]. Nesta dissertao, o objeto de estudo em questo foram as normas, ou
mais especificamente uma avaliao de suas formulaes e dos resultados obtidos
atravs das mesmas. Avaliao esta realizada atravs de uma comparao entre os
resultados tericos das normas e os resultados experimentais, numricos e/ou
analticos obtidos na literatura ou de uma comparao das normas entre si.
Sendo assim, foram pesquisadas na literatura medidas que indicassem o grau
de confiabilidade ou o grau de incerteza dos resultados utilizados (disponveis) e
obtidos nesta dissertao.
De forma simplificada, no caso particular desta dissertao, as incertezas esto
relacionadas s formulaes propostas pelas normas e o parmetro para quantificar
25
estas incertezas ou a confiabilidade dos resultados obtidos esto relacionados aos
resultados disponveis que foram utilizados nesta dissertao.
Com o objetivo de estimar incertezas em modelos analticos propostos, vrios
autores adotaram parmetros de medidas de incerteza, tais como o fator BIAS e o
coeficiente de variao (COV) [25], [44].
O fator BIAS definido como a razo entre o valor real medido atravs de teste
experimental ou atravs de anlise de elementos finitos calibrada e refinada e o valor
previsto em projeto (formulao analtica) [25], ou seja, ele define o quanto o valor
proposto e o real se distanciam.
O coeficiente de variao COV definido como o quociente entre o desvio
padro e a mdia, freqentemente expresso em porcentagem. Sua vantagem
caracterizar a disperso dos resultados em termos relativos de seu valor mdio. Por
ser adimensional, este coeficiente fornece uma maneira de se comparar amostras de
tamanhos diferentes [25], [34], [45] o que ser especificamente valioso nesta
dissertao uma vez que a mesma apresenta nmero de amostras variveis, como
ser visto adiante.
Sendo assim, com o objetivo de avaliar a confiabilidade dos resultados das
expresses fornecidas pelas normas utilizadas nesta dissertao bem como dos
resultados disponveis na literatura, que tambm foram utilizados nesta dissertao,
para cada modo de falha foram determinados os fatores BIAS e, na medida do
possvel, os fatores COV.
Quanto mais prximo a unidade o fator BIAS e quanto menor o coeficiente
de variao COV, menos incertos e mais confiveis so os resultados obtidos. Um
fator BIAS igual a 1 significa que a estimativa perfeita, ou seja, o valor previsto
idntico ao valor medido. Um fator BIAS inferior a 1 representa um super-estimativa,
enquanto um fator superior a 1 significa uma sub-estimativa [12]. Para o coeficiente de
variao no existe um valor pr-definido aceitvel ou mximo para sua avaliao,
para o conjunto de resultados analisados.
No caso do fator BIAS, foi definido um fator para cada modelo disponvel e uma
mdia final para todos os resultados. Nesta dissertao, obter um fator BIAS para as
expresses das normas maior do que 1 esperado, pois existem os fatores de
segurana embutidos nas formulaes, assim, os valores das normas devem ser
inferiores aos valores disponveis, sejam eles experimentais, analticos ou numricos.
No caso do fator COV, ressalta-se que o mesmo foi avaliado na medida do
possvel dependendo dos resultados disponveis. Para cada modo de falha foram
coletados diversos resultados disponveis na literatura, os quais foram agrupados em
26
funo da relao D/t. Para a estimativa do fator COV, adotou-se que seria necessrio
no mnimo um conjunto de 2 resultados disponveis (2 amostras), de forma que
pudesse ser avaliado o desvio padro e a mdia entre estes valores. Assim, para cada
modo de falha este fator foi determinado em funo dos resultados disponveis.
Ressalta-se aqui que a aplicao dos fatores acima foi utilizada com o objetivo
de estimar incertezas com base em parmetros disponveis na literatura. Contudo,
vale notar que o objetivo desta dissertao no est em determinar fatores de
segurana baseados em tcnicas de confiabilidade, pois este processo demandaria
uma anlise bem mais refinada do que a anlise includa nesta dissertao [44]. Estes
fatores foram apenas includos como medidas de incertezas, para se avaliar
primariamente os resultados obtidos e utilizados ao longo desta dissertao.
2.7 Normas
A seguir esto apresentados os termos gerais e a aplicao das principais
normas utilizadas nesta dissertao: ABS, DnV e API. Destaca-se que as descries
de cada norma foram transcritas basicamente, na maneira como so indicadas em
cada norma, a fim de ser possvel mostrar de que forma cada norma se apresenta
para o leitor.
2.7.1 American Bureau of Shipping
A aplicao das normas do American Bureau of Shipping, ABS, utilizadas como
referncia nesta dissertao, est voltada ao fornecimento de dados tcnicos para o
projeto, fabricao, instalao e manuteno dos risers metlicos (rgidos)
submarinos. O principal objetivo das normas estabelecer os requisitos mnimos para
a classificao, manuteno da classificao, certificao e verificao dos sistemas
de risers pelo ABS. Sendo assim, so estabelecidos critrios para a reviso do projeto
e classificao de risers rgidos submarinos encontrados em Unidades Flutuantes de
Produo, como FPSOs, Spars, TLPs e Semi-submersveis. Os critrios abrangem
apenas os dutos, no abrangendo flanges ou outras conexes utilizadas, as quais
podem ser projetadas de acordo com padres reconhecidos como a ASME (The
American Society of Mechanical Engineers).
As normas do ABS abrangem tanto risers de produo quanto de perfurao.
A figura 2.1 ilustra o fluxograma de projeto considerado pelas normas do ABS
para o projeto e certificao de risers rgidos submarinos. Nota-se atravs do mesmo
27
que o projeto como um todo do riser submarino engloba todas as verificaes locais e
globais do riser, abrangendo ainda sua interface com a unidade qual o mesmo est
interligado. Sendo assim, para estas anlises os requisitos gerais de projeto e
carregamento devem ser cuidadosamente definidos para o projeto.
Incio do Projeto
Base de Projeto
Anlises e ProjetoPreliminar
Conf igurao Inicial do Riser;Seleo de Material;Seleo da Espessura da parede;Projeto do Componente do Riser.
AnliseGlobal
Anlises de Interf erncia
Anlise Local
Anlises da Instalao
Projeto de Proteo Catdica
Requisitos Funcionais;Dimetro do Riser;Vida til de Projeto;Dados do Fluido Interno;Dados da Embarcao;Dados Ambientais;Requisitos Operacionais;Condies de Carregamento de Projeto;Matriz de Projeto;Metodologias de Projeto.
Verif icao de Ruptura,Colapso e Propagao de
Colapso
Conf igurao do Riser;Tenses Extremas;Carregamento na Interf ace.
Dano Fadiga Combinado
Verif icao deResistncia do Riser
Verif icao daInterf ace Riser-
Embarcao
Supressor de VIV
Verif icao de Vida Fadiga do Riser
Verif icao deColiso
Verif icao de Fadigae Resistncia
Verif icao daViabilidade de Instalao
Projeto Global Ok?
Modif icar Projeto
Projeto Finalizado
Anlise Esttica
Anlise Dinmica
Anlise de Fadiga porVrtice Induzido
Anlise de Fadigadev ida aos
Mov imentos dePrimeira e Segunda
Ordem
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Sim
No
Fig.2.1 Fluxograma de projeto do ABS
28
A fim de prover uma viso geral desta norma, so apresentados a seguir,
resumidamente, alguns detalhes da metodologia de clculo e das bases de projeto
adotadas pela mesma.
1) Bases de projeto e combinaes de carregamento:
Os risers devem ser projetados para satisfazer aos requisitos funcionais estando
os mesmos sujeitos aos carregamentos do meio interno, do meio externo, requisitos
bsicos do projeto (dimetro, por exemplo) e vida til de servio, levando-se em
considerao todas as possveis combinaes de carregamento que levem s
condies mais desfavorveis de tenso, incluindo sobreposio de acontecimentos,
caso haja possibilidade de ocorrncia. Eventos extremos, que possuem baixa
probabilidade de ocorrncia simultnea, no necessitam ser levados em conta, de
forma a no serem estudadas e consideradas situaes irreais de carregamentos.
Adicionalmente, leva-se em considerao no projeto, a probabilidade de durao de
um determinado evento, como por exemplo a instalao, que dura um perodo menor
de tempo.
Os casos de carregamento a serem considerados devem refletir os processos de
manufatura, estocagem, transporte, teste, instalao, operao, recuperao e cargas
acidentais. O carregamento deve ser classificado como funcional, ambiental ou
construtivo e deve ser contnuo ou temporrio, cclico ou no. As cargas acidentais
devem ser consideradas separadamente levando-se em conta os fatores de risco de
cada evento em separado. O projeto dos risers deve estar baseado em condies de
projeto pr-determinadas que devero ser definidas durante a fase de projeto bsico
do mesmo.
2) Critrios de projeto:
Os critrios de projeto considerados nas normas incluem:
Ruptura; Colapso; Propagao de colapso; Fadiga. Por estes critrios so verificadas e levadas em considerao as possibilidades
de escoamento dos dutos, a ovalizao, a corroso ou o vazamento, por exemplo.
3) Espessura da parede:
A espessura da parede dos risers deve ser verificada para as condies de
transporte, instalao, servio e teste.
29
4) Anlise global:
A anlise global do riser engloba uma anlise esttica no linear, uma anlise
dinmica no domnio do tempo ou no domnio da freqncia e uma anlise de fadiga,
considerando a possibilidade de fadiga por vrtice induzido e fadiga devida aos
movimentos de primeira (onda) e segunda (baixa freqncia) ordens.
5) Anlise de interferncia:
Possveis interferncias devem ser analisadas, como por exemplo:
Riser de produo com riser de produo; Riser de produo com riser de perfurao; Risers e linhas de ancoragem; Risers e umbilicais; Risers e as unidades flutuantes; Risers e quaisquer outras obstrues.
6) Definio das cargas de projeto:
O carregamento nos risers pode ser divido em: ambiental, funcional e acidental.
As cargas ambientais so definidas como sendo as cargas impostas direta ou
indiretamente pelos fenmenos ambientais como onda, corrente e vento. Em geral,
so cargas variveis com o tempo e incluem componentes dinmicas e estticas.
As cargas funcionais so basicamente as cargas de peso, as sobrecargas que
podem variar durante a operao e as cargas de deformao que so impostas aos
risers atravs das condies de contorno, como o leito marinho e a unidade flutuante.
As cargas acidentais esto relacionadas condies anormais de operao,
falhas tcnicas ou falhas humanas. Exemplos tpicos so: terremotos, rompimento de
linhas de ancoragem e queda de objetos nas linhas, dentre outros.
2.7.2 Det Norske Veritas
Os padres estabelecidos pelo Det Norske Veritas, DnV, estabelecem critrios,
requisitos e um guia geral para o projeto estrutural e para anlise de risers sujeitos a
carregamentos estticos e dinmicos.
Os objetivos principais destas normas so:
Prover padres internacionais para a segurana de risers rgidos utilizados em unidades de perfurao