COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Interação Solo-Duto – Ensaios em Laboratório como Subsídio
para o Estabelecimento de Modelos de Comportamento
Thelma Sumie Maggi Marisa Kamiji
IPT, São Paulo, Brasil, [email protected]
Gisleine Coelho de Campos
IPT, São Paulo, Brasil, [email protected]
Carlos de Oliveira Cardoso
CENPES/Petrobras, Rio de Janeiro, Brasil, [email protected]
RESUMO: Este trabalho apresenta uma metodologia de ensaios em laboratório, empregada para o
estudo do comportamento da interação solo-duto com elevados deslocamentos, tema de grande
relevância no cenário atual, frente as recentes descobertas de novas fronteiras exploratórias no
litoral do Brasil. A cadeia de petróleo e gás natural vem demandando uma série de novas soluções
para o transporte de óleo e gás com altas pressões e temperaturas, o que exige alternativas técnica e
economicamente viáveis para a instalação de risers e dutos. No caso específico de dutos
submarinos, a ocorrência de elevados deslocamentos laterais, depende da reação que se desenvolve
entre o solo e duto, o qual é influenciado por diversos parâmetros, dentre os quais destacam-se:
resistência do solo, diâmetro e peso do duto. Estes parâmetros podem ser controlados em condições
laboratoriais, por meio do emprego de um tanque de ensaios preenchido com solo similar àquele
encontrado no campo e com segmentos de dutos que são usados em casos reais. Neste trabalho
descrevem-se os ensaios realizados em solo argiloso, no âmbito de um projeto de pesquisa e
desenvolvimento em andamento no IPT, em parceria com o CENPES (PETROBRAS), com dutos
de diferentes diâmetros em argilas sob condições diversas de adensamento. Os resultados mostram
que os modelos matemáticos atualmente em uso pela comunidade técnica mundial para a análise da
interação solo-duto com elevados deslocamentos, podem e devem ser aperfeiçoados para a sua
utilização em dutos submarinos em águas profundas.
PALAVRAS-CHAVE: Ensaios em Laboratório, Dutos, Atrito, Interação Solo-Duto, Elevados
Deslocamentos.
1
influenciado por diversos parâmetros, dentre os
quais destacam-se: resistência do solo, diâmetro
e peso do duto. Estes parâmetros podem ser
controlados em condições laboratoriais, por
meio do emprego de um tanque de ensaios
preenchido com solo similar àquele encontrado
no campo e com segmentos de dutos que são
usados em casos reais.
Paralelamente ao
desenvolvimento
de
novos
métodos
investigativos e a melhoria da precisão dos
testes experimentais, os modelos numéricos
também estão sendo aprimorados visando
aumentar a confiabilidade dos resultados.
Neste contexto, este trabalho apresenta uma
metodologia de ensaios em laboratório,
INTRODUÇÃO
Devido às recentes descobertas de novas
fronteiras exploratórias no litoral do Brasil, a
cadeia de petróleo e gás natural vem
demandando uma série de novas soluções para
o transporte de óleo e gás com altas pressões e
temperaturas, o que exige alternativas técnica e
economicamente viáveis para a instalação de
risers e dutos. No caso específico de dutos
submarinos, a interação solo-duto sempre
representou um dos maiores desafios a serem
pesquisados. A ocorrência de elevados
deslocamentos laterais, depende da reação que
se desenvolve entre o solo e duto, o qual é
1
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
empregada para o estudo do comportamento da
interação
solo-duto
com
elevados
deslocamentos. Neste trabalho descrevem-se os
ensaios realizados em solo argiloso, no âmbito
de um projeto de pesquisa e desenvolvimento
em andamento no IPT, em parceria com o
CENPES (PETROBRAS), com dutos de
diferentes diâmetros em argilas sob condições
diversas de adensamento. Os resultados
mostram que modelos matemáticos atualmente
em uso pela comunidade técnica mundial para a
análise da interação solo-duto com elevados
deslocamentos,
podem
e
devem
ser
aperfeiçoados para a sua utilização em dutos
submarinos em águas profundas.
2
Materiais e Métodos
2.1
Tanque de provas
Foto 2. Vista geral da montagem do duto no sistema de
arraste.
A Foto 1 apresenta uma vista geral do tanque
desenvolvido para a execução dos ensaios de
interação solo-duto.
O tanque possui 4,90 m de comprimento,
1,10 m de largura e 1,50 m de altura. No fundo
do tanque foi colocada uma camada drenante
composta por 0,20 m de areia grossa sobre a
qual foram dispostas duas camadas de geotêxtil
não tecido.
Foto 3. Vista geral do sistema de arraste do duto.
2.3
Os deslocamentos horizontais e verticais do
duto foram monitorados por dois sensores a
laser, tendo-se instalado o primeiro em uma das
extremidades do tanque e o alvo correspondente
na parte fixa do carrinho (que não sofre
deslocamentos verticais), onde também se
instalou o segundo sensor, cujo alvo
correspondente foi fixado na extremidade de
uma barra conectada ao contraventamento dos
deslizantes.
Para monitorar a força exercida pelo duto
sobre o solo, foram empregadas duas células de
carga engastadas ao sistema de arraste
conectadas por balancins (Foto 2).
Na parede do duto, foram instalados sensores
para medida das pressões neutras e das tensões
totais. Os sensores de tensão total, identificados
como PT1 e PT2, foram instalados na seção
transversal central do duto, segundo direções no
Foto 1. Vista geral do tanque de provas.
2.2
Instrumentação utilizada
Sistema de arraste do duto
As Fotos 2 e 3 apresentam, respectivamente,
uma vista geral da montagem do duto e do
sistema de arraste utilizado.
2
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sentido descendente que formam 45º em relação
à horizontal. Os sensores de pressão neutra,
identificados como PP1, PP2, PP3, PP4, PP5 e
PP6,
foram
instalados
simetricamente
distribuídos em relação à seção transversal
central do duto, distando 17 cm da mesma, e
segundo direções no sentido descendente que
formam 45º e 90º em relação à horizontal.
Na Figura 1 mostrado o esquema de
posicionamento dos sensores no duto. Na
Figura 2 apresenta-se o posicionamento dos
sensores em relação ao tanque. A saída dos
cabos da instrumentação é efetuada pela parte
superior do duto, daí sendo conduzida para o
sistema de aquisição de dados (SAD).
O
monitoramento
intantâneo
da
instrumentação é realizada por meio de
elementos gráficos e displays digitais. A
aquisição de dados é realizada por um programa
elaborado na plataforma LabVIEW, que
permite a apresentação dos dados em tempo
real durante os ensaios e sua gravação em
arquivo, possibilitando o tratamento dos dados
por meio de programas como o Excel ou
MatLab.
Figura 2. Posicionamento dos sensores em relação ao
tanque-de-provas.
2.4 Características do solo e dos dutos
utilizados
2.4.1 Solo utilizado
Para o preenchimento do tanque foi utilizada
uma argila caulinítica, cujas principais
características são apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1. Características do solo utilizado.
Limites
Solo
Caulim
LL
(%)
LP
(%)
IP
(%)
54
34
20
ρs
(kg/m³)
2,627
Granulometria
Argila
(%)
Silte
(%)
Areia
(%)
22
72
6
2.4.2 Características dos dutos utilizados
Duas seções distintas de dutos, com 1,0 m de
comprimento cada, foram utilizadas para a
realização dos ensaios com suas principais
características são apresentadas na Tabela 2.
Figura 1. Posicionamento dos sensores instalados na
seção de duto.
3
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Tabela 2. Características dos dutos utilizados.
Características
Duto 1
Duto 2
Sem revestimento
(pol)
8,625
12,75
Sem revestimento
(cm)
21,91
32,39
Com revestimento
(cm)
22,79
33,27
Diâmetro interno (cm)
19,71
22,59
Espessura total da parede (cm)
1,54
2,34
Diâmetro externo
2.5
2.6
Comprimento (cm)
100
100
Massa (kg)
62,6
143,0
Duto com água
(kg)
52,4
120,2
Duto vazio e
fechado (kg)
22,1
56,4
Massa submersa
(kg)
como pela verificação de vazões nulas,
removeu-se a sobrecarga e, a seguir, foram
realizados ensaios Barra T para determinação
da resistência da camada de solo.
Ensaios Barra T
Para a determinação da resistência não-drenada
do solo no tanque, foram executados cinco
ensaios Barra T até a profundidade de 50 cm.
Os ensaios foram realizados a 1/4, 3/8, no meio,
a 5/8 e a 3/4 do comprimento do tanque, de
forma a mapear variações significativas de
resistência.
Foram realizados dois ensaios barra T, em
cada posição do tanque, com barra horizontal de
mesma seção transversal e comprimentos
distintos. Nessas condições, para uma dada
profundidade, o valor de Su é dado pela
Equação (1):
Adensamento da camada de solo
Durante a fase de preparação de cada ensaio,
efetuou-se a mistura da lama com água, de
modo que o teor de umidade resultasse igual a
1,5 vezes o limite de liquidez. A mistura foi
realizada empregando-se um misturador (Foto
4). Posteriormente, foi aplicada sobrecarga
entre 10 e 27 kPa, para se obter a resistência
não-drenada do solo entre 2 e 6 kPa, obtida por
intermédio de blocos de concreto dispostos
sobre um tablado de madeira, posicionado sobre
a camada de solo.
Su =
∆F
∆A B × N t
(1)
Em que Nt é o fator de barra tomado igual a
10,5 (Stewart and Randolph, 1994), ∆F = F1 –
F2 e ∆AB = AB1 - AB2 , sendo F1 e F2 as forças
medidas na haste vertical, e AB1 e AB2 as áreas
(em projeção) da barra T.
Assim procedendo, anulam-se o atrito
atuante na haste vertical e o efeito de borda nas
barras horizontais, os quais são comuns aos
ensaios realizados com as duas sapatas. Em
outras palavras, o valor de ∆F corresponde a um
ensaio executado com uma sapata de área ∆AB,
isento dos fatores mencionados, prescindindose assim de efetuar uma estimativa do fator f
(fator de influência do atrito).
Para a campanha de investigação,
confeccionou-se uma sapata adicional de
comprimento igual a 1/3 da original. Os pares
de ensaios foram realizados distantes entre si
(eixo a eixo) cerca de 10 cm, tendo-se tomado o
cuidado de impor penetração nas duas sapatas
no solo através de planos paralelos.
Deve ser enfatizado que todos os ensaios
foram executados em duplicata, com a primeira
cravação correspondendo ao estado natural ou
indeformado e a segunda, ao estado amolgado,
possibilitando assim a determinação da
Foto 4. Processo de mistura da camada de solo no tanque.
O adensamento do solo levou em torno de 15
dias. Durante todo o processo de adensamento,
mediram-se os recalques da camada de solo e os
volumes de água drenados pela parte inferior do
tanque. Constatado o final do adensamento
primário, tanto pela estabilização dos recalques,
4
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sensitividade do solo em cada profundidade
ensaiada.
Com os resultados obtidos nos cinco ensaios
Barra T realizados no estado natural, foram
determinados os valores médios de Su para cada
profundidade.
3
ENSAIOS REALIZADOS
Uma série de 28 ensaios foi realizada, com as
principais características de cada ensaio
apresentadas na Tabela 3.
19
12,75
3,89
485
Peso próprio
(1,0 cm)
20
12,75
6,15
1179
Peso próprio
(3,0 cm)
21
12,75
5,92
405
Peso próprio
(2,0 cm)
22
12,75
6,53
1882
Peso próprio
(5,0 cm)
23
8,625
5,22
1690
Peso próprio
(7,0 cm)
24
8,625
5,04
1246
Peso próprio
(4,0 cm)
25
8,625
4,76
1962
Peso próprio
(3,5 cm)
26
8,625
4,68
1700
Peso próprio
(4,0 cm)
27
12,75
4,26
2850
Peso próprio
(7,7cm)
28
12,75
4,90
1750
Peso próprio
(6,1cm)
Tabela 3. Características dos ensaios realizados.
Ensaio
φext
(pol)
Su (kPa)
Peso do
duto no
ensaio (N)
Ent. Inicial
1
12,75
2,16
1179
0,3 D
(11,0 cm)
2
12,75
2,94
1179
Peso próprio
(2,0 cm)
3
12,75
2,52
1179
Peso próprio
(4,0 cm)
4
8,625
2,36
513
0,3 D
(7,0 cm)
5
8,625
2,75
513
Peso próprio
(2,0 cm)
6
8,625
2,56
905
0,3 D
(7,8 cm)
7
8,625
2,36
219
0,3 D
(7,0 cm)
8
8,625
2,74
611
Peso próprio
(4,0 cm)
9
8,625
2,68
351
Peso próprio
(2,5 cm)
10
8,625
2,93
189
Peso próprio
(0,2 cm)
11
8,625
3,05
1524
Peso próprio
(5,5 cm)
12
12,75
2,43
415
Peso próprio
(3,8 cm)
13
12,75
2,34
250
Peso próprio
(5,0 cm)
14
12,75
1,92
607
Peso próprio
(3,0 cm)
15
12,75
2,82
607
Peso próprio
(2,0 cm)
16
12,75
2,50
866
Peso próprio
(3,0 cm)
17
12,75
2,11
312
Peso próprio
(3,0 cm)
18
12,75
3,12
312
0,3 D
(10,0 cm)
Os ensaios de arraste lateral foram realizados
através da imposição de deslocamentos
horizontais, com velocidade de 0,5 a 1,0 mm/s,
com objetivo principal de medir a reação do
solo necessária para o deslocamento do duto, e
determinação do coeficiente de atrito
equivalente (reação/peso submerso) entre o
duto e o solo.
As Fotos 5 a 7 apresentam uma vista geral
do arraste do duto durante a execução dos
ensaios.
Foto 5. Vista geral do enterramento inicial do duto.
5
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
A tensão total foi obtida subtraindo-se do valor
medido a variação da pressão hidrostática,
associada ao deslocamento vertical medido no
duto em relação à sua posição original.
Na Figura 4 pode-se notar claramente a
inversão no sentido de arraste do duto, através
da variação na tensão total em cada face do
duto.
Ensaio 25 - 18/09/2009
90
Tensões Totais (kPa)
Foto 6. Vista geral do arraste do duto durante o ensaio.
PT1
PT2
60
30
0
-30
-60
-90
0
30
60
90
120
150
Tempo (min)
Figura 4. Tensão total em função do tempo de ensaio.
Na Figura 5, apresenta-se a curva de
variação da força de arraste, obtida pela soma
dos esforços medidos nas duas células de carga,
em função do deslocamento horizontal.
A
origem dos deslocamentos horizontais foi
estabelecida considerando-se a posição do duto
inicial do duto. Da mesma forma, o valor inicial
de todas as demais variáveis medidas durante o
ensaio foi estabelecido nessa condição.
Foto 7. Vista geral do arraste do duto durante o ensaio.
4
RESULTADOS
As Figuras 3 a 7 apresentam alguns resultados
característicos obtidos, dos cerca de vinte e oito
ensaios realizados. O ensaio escolhido foi o de
número 25 (tabela 3).
A Figura 3 apresenta os perfis de resistência
não-drenada obtidas nos cinco ensaios Barra T,
realizados ao longo do tanque.
Ensaio 25 - 18/09/2009
1ª ida 0,5D
1ª volta 0,5D
Força de Arraste (N)
7000
2ª ida 0,5D
4000
Ida 10D
1ª ida 2D
1000
1ª volta 2D
-2000
2ª ida 2D
2ª volta 2D
-5000
3ª ida 2D
3ª volta 2D
-8000
4ª ida 2D
-11000
4ª volta 2D
0
Barra T 28 - 09/setembro/2009
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1,5
2
2,5
Retorno
Figura 5. Força de arraste em função do deslocamento
horizontal.
10
0
Profundidade (cm)
1
Deslocamento Horizontal (m)
Su (kPa)
0
0,5
10
Na Figura 6 apresenta-se a curva de variação
do deslocamento vertical sofrido pelo duto em
função do deslocamento horizontal, tendo-se
convencionado que os valores negativos estão
associados ao sentido descendente.
20
30
40
50
60
direita
centro direita
centro
centro esquerda
esquerda
Figura 3. Resultado do ensaio Barra T no solo preparado
para o ensaio de arraste.
Na Figura 4 apresenta-se a curva de variação
da tensão total em função do tempo de ensaio.
6
COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
equivalentes no campo dos grandes
deslocamentos, sendo de fundamental
importância para o dimensionamento de
dutos submarinos aquecidos (HP-HT);
• É importante lembrar que a qualidade
dos resultados obtidos nos ensaios em
modelos experimentais depende de um
adequado procedimento de montagem e
execução, bem como de monitoramento
apropriado das grandezas de interesse.
Além disso, os métodos de ensaio
utilizados podem e devem ser
aperfeiçoados objetivando a melhoria
dos resultados já obtidos.
Finalmente, dadas as dimensões dos
elementos utilizados nos ensaios, a extrapolação
dos resultados para casos reais de engenharia é
possível e constitui a meta final do projeto de
pesquisa em desenvolvimento. A previsão do
comportamento em situações reais será
modelada após a conclusão da nova série de
ensaios previstas. Até o momento, os estudos
restringiram-se a solos argilosos e uma nova
etapa, em solos arenosos, terá início em breve.
Deslocamento Vertical (cm)
Ensaio 25 - 18/9/2009
1ª Ida 0,5D
10
1ª Volta 0,5D
2ª Ida 0,5D
0
Ida 10D
-10
1ª Ida 2D
1ª Volta 2D
-20
2ª Ida 2D
2ª Volta 2D
-30
3ª Ida 2D
-40
3ª Volta 2D
4ª Ida 2D
-50
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Deslocamento Horizontal (m)
4ª Volta 2D
Retorno
Figura 6. Deslocamento vertical em função do
deslocamento horizontal.
Na Figura 7 apresenta-se a curva de variação
da pressão neutra no sensor PP6. A pressão
neutra foi obtida subtraindo-se do valor medido
a variação da pressão hidrostática, associada ao
deslocamento vertical em relação à sua posição
original.
Ensaio 25 - 18/09/2009
Pressão Neutra (kPa)
16
12
8
4
0
-4
-8
-12
-16
0
30
60
90
120
AGRADECIMENTOS
Tempo (min)
Figura 7. Pressão neutra em função do tempo – Sensor
PP6.
5
Os autores gostariam de agradecer ao IPT pelo
apoio na execução dos ensaios e ao CENPES
(PETROBRAS) pelo financiamento da pesquisa
em curso.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tendo em vista o objetivo principal deste
trabalho, que consistiu em apresentar uma
metodologia de ensaios em laboratório
empregada para o estudo do comportamento da
interação
solo-duto
com
elevados
deslocamentos, algumas observações merecem
destaque:
• A utilização de modelos físicos em
escala
real
para
avaliação
do
comportamento da interação solo-duto
com elevados deslocamentos tem se
mostrado fundamental para a correta
avaliação
deste
complexo
comportamento;
• Os resultados obtidos nos ensaios
realizados
foram
utilizados
no
desenvolvimento
de
modelo
experimental, para o cálculo de atritos
REFERÊNCIAS
Stewart, D.P., e Randolph, M.F. (1994). T-bar
penetration testing in soft clay. Journal of
Geotechnical
Engineering,
120:
2230–2235.
doi:10.1061/(ASCE)0733-9410(1994)120:12(2230).
7