Sistemas Submarinos de
Escoamento
Sistemas Submarinos de Escoamento
• Um sistema de escoamento pode ser
definido como um conjunto de
equipamentos (dutos flexíveis,
rígidos, PLET –Pipeline End
Termination), cuja função principal é
escoar fluidos de um ponto de
partida até um ponto de chegada.
Sistemas Submarinos de Escoamento
1)Dutos de coleta (de produção), gas-lift e
injeção (normalmente, de água).
• Dutos de cotela da produção (transportam
o petróleo desde os poços produtores
submarinos até a unidade estacionária de
produção;
• Dutos de gas lift (transportam gás natural
(tratado na UEP) até os poços produtores
submarinos;
• Dutos de Injeção de água (transportam a
água (tratada na UEP) até os poços
injetores submarinos.
Sistemas Submarinos de Escoamento
2)Dutos de Exportação
• Dutos de exportação de óleo
(oleodutos), que transportam óleo
(tratado) desde a UEP até o ponto de
recebimento (terminais oceânicos ou
terrestres, por exemplo)
• Dutos de exportação de gás
(gasodutos), que transportam gás
natural (tratado) desde a UEP até o
ponto de recebimento.
Sistemas Submarinos de
Escoamento
• De acordo com sua função, os dutos submarinos
(offshore pipelines) podem ser classificados da
seguinte forma:
• Flowlines - transportam óleo e/ou gás dos poços até
os manifolds; transportam óleo e/ou gás dos
manifolds até a plataforma; transportam água e
outras substâncias das plataformas de produção,
através de manifolds de injeção, até a cabeça de
poços de injeção;
• Infield Flowlines - transportam óleo e/ou gás entre
plataformas;
• Export Pipelines - transportam óleo e/ou gás das
plataformas de produção até a costa.
Sistemas Submarinos de Escoamento
• O trecho do duto que fica suspenso é denominado de
riser e o trecho que fica em contato com o solo
marinho é denominado de duto submarino (pipeline,
flowline).
Sistemas Submarinos de Escoamento
• Um sistema marítimo de escoamento pode
ser classificado com base no tipo de duto
que o compõe:
• Sistema de escoamento de dutos flexíveis.
• Sistema de escoamento de dutos rígidos.
• Sistema misto (trechos de dutos rígidos e
flexíveis.
Sistemas Submarinos de Escoamento
• Riser é o trecho do duto que
conecta a UEP a um
equipamento a meia-água ou no
fundo, inclusive um tramo
flowline. Nas UEPs, as
estruturas do tipo riser ficam
suspensas, em configurações
de catenária (catenária-livre ou
variações).
Risers Rígidos
• São tubos de aço formados por
uma série de juntas de
aproximadamente 12 metros de
comprimento, acopladas umas
às outras, geralmente unidos
por solda de topo. Pode estar
envolvido por flutuadores para
diminuir o seu peso, quando em
lâminas d’água profundas.
Riser Flexível
• Os risers flexíveis são mangotes especiais
compostos por uma superposição de
camadas plásticas, que fornecem
estanqueidade interna e externa, e de
camadas metálicas espiraladas,
responsáveis pela resistência à ação dos
diversos carregamentos mecânicos aos
quais as linhas flexíveis estão submetidas
ao longo da sua vida útil. Sua principal
característica é a baixa rigidez à flexão.
Riser Flexível
Funções de cada camada:
• Camada metálica de resistência à pressão externa -1;
• Camada plástica de vedação interna - 2 - responsável
pela contenção do fluido interno;
• Camada metálica de resistência à pressão interna - 3;
• Camada plástica de proteção anti-abrasiva entre
camadas metálicas - 4;
• Camadas metálicas de resistência à tração 5 e 6;
• Camada plástica externa de proteção - 7;
Riser Flexível
• As informações da estrutura de um tramo
flexível são apresentadas, pelos
fabricantes, na folha de dados (Data
Sheet). Tal documento contém dados
sobre:
• A estrutura em si, como por exemplo,
resistência ao colapso hidrostático,
resistência à pressão interna, rigidez à
flexão, raio de curvatura mínimo para
estocagem, pesos cheio e vazio (na água,
e no ar).
Configurações dos Sistemas
Instalados
• Para os dois tipos básicos de “risers”
existentes, sejam os rígidos ou os
flexíveis, existem uma variedade de
configurações de instalação.
• As configurações mais comuns para linhas
flexíveis são: a catenária livre, a “lazy” S,
a“steep” S, a “lazy wave”, a “steep wave” e
a “pliant wave.
• Entre as configurações citadas
anteriormente apenas a catenária livre e a
“lazy wave” se mostram viáveis para a
utilização de SCR.
Configuração em catenária Livre
• Em geral, com o aumento da profundidade três
problemas podem inviabilizar uma catenária:
• Excesso de Tração no topo (pois todo o
comprimento suspenso é sustentado pelo ponto de
conexão);
• Compressão Dinâmica (relacionada a ocorrência de
flambagem);
• Baixa vida útil devido à fadiga (principalmente na
região do topo e no TDP).
Lazy S
Lazy Wave
A configuração S utiliza bóias de subsuperfície e um
tensionador sustentando a bóia fixo no leito do mar. A
configuração “Wave” utiliza módulos de flutuação distribuídos
ao longo da linha.
Steep S
Steep Wave
Esta configuração é composta de uma catenária e um
trecho reto. A configuração “Steep” se mostra ainda melhor
do que a “Lazy”, pois não apresenta o problema do TDP. São
recomendadas para situações em que existe um espaço
muito pequeno para o segmento apoiado.
Pliant Wave
Um tendão fixa o tubo próximo ao solo, com a função de
diminuir o movimento lateral e evitar que esforços
sejam transferidos a extremidade. Esta configuração é
normalmente utilizada quando o espaço disponível no
campo é pequeno ou existe o perigo de que ocorra
choque entre risers e umbilicais.
Características:
• Estas configurações apresentam uma
seção intermediária que passa por um arco
com flutuadores, cujo empuxo, alivia o
peso suportado pelo sistema flutuante, e
contribui com o momento restaurador
quando sob solicitações laterais.
As principais vantagens em se utilizar os
SCRs em águas profundas são:
• Possível utilização para uma grande série
de diâmetros;
• Opera com grandes variedades de pressões
internas;
• Possível utilização para altas temperaturas;
• Bom conhecimento sobre as características
e comportamento dos materiais utilizados;
• Múltiplos SCRs contribuem para a rigidez na
amarração.
As principais preocupações relativas à
aplicação do SCR em águas profundas
incluem:
• A tecnologia ser relativamente
nova;
• O método de instalação ser
crítico;
• Possibilidade de fadiga no duto
e seus acessórios;
• O custo alto de mobilização da
embarcação de instalação.
Comparação entre Risers Rígidos e
Flexíveis
Parâmetros
Risers Flexíveis
SCRs
Situação Atual
Tecnologia consolidada
principalmente para
águas rasas.
Tecnologia nova
Com monitoramento em
campo. Características
do material conhecidas.
Limitações em águas
profundas
Diâmetro interno
pequeno para águas
profundas
Grande potencial para
águas profundas.
Condição Ambiental
Praticável em condições
hostis.
Aplicação limitada em
Condições hostis. Boa
aplicação em condições
moderadas.
Comparação entre Risers Rígidos e
Flexíveis
Parâmetros
Risers Flexíveis
SCRs
Limitações de Pressão
Interna
Algumas limitações para
grandes diâmetros
internos.
Possível utilização em
altas pressões para
grandes diâmetros
internos.
Seção Transversal
Construção complexa.
Construção Simples.
Custo de Aquisição
Alto.
Baixo.
Comparação entre Risers Rígidos e
Flexíveis
Parâmetros
Risers Flexíveis
SCRs
Custo de
Instalação
Médio para baixo.
Médio para alto.
Tempo para Fabricação
Relativamente alto.
Relativamente baixo.
Melhoria na rigidez da
amarração.
Baixo.
Relativamente alto para
Múltiplos SCRs.
Acessórios Utilizados nas Linhas Rígidas
Juntas Flexíveis (Flex Joint)
• Sua função principal é o de prover rigidez
flexional à extremidade da linha onde está
conectada, permitindo um certo grau de liberdade
de rotação. Reduz drasticamente as tensões
induzidas por movimentos relativos entre a
unidade flutuante e o “riser”.
Acessórios Utilizados nas Linhas
Flexíveis
•
Na conexão com o topo da plataforma, são comumente
empregados os bend stiffeners, ou enrijecedores de
curvatura. Este acessório permite a transição suave de
rigidez entre o riser flexível e o ponto de conexão. São
colocados como proteção contra flexão excessiva. O
bend stiffener consiste em uma seção cônica de material
polimérico (normalmente poliuretano termoplástico
poliéster).
Concepções de Sistemas Híbridos de
Risers
• Single Leg Hibrid Riser (SLHR)
• Riser Híbrido Auto Sustentável (RHAS)
• Risers com bóia de Subsuperfície – Boião
Single Leg Hibrid Riser (SLHR)
• Este sistema misto consiste de uma base fixa na
fundação que realiza a conexão entre a linha de fundo,
e um riser de aço vertical, composto de juntas de
riser; uma bóia e um conjunto gooseneck que
interconecta o riser, o jumper flexível e a bóia,
localizada abaixo da superfície.
Single Leg Hibrid Riser (SLHR)
• O conjunto gooseneck consiste de todos os
componentes compreendidos entre o topo dos
tanques de flutuação e a junta de reforço superior
do riser de aço, e realiza a interface com o jumper
flexível, conectando o riser de aço à unidade
flutuante. O conjunto de estrutura de aço contêm
uma curvatura para que o fluido que sobe
verticalmente, saia do riser de aço e passe para a
linha flexível.
Vantagens do Sistema
• Uma vantagem técnica e operacional
deste sistema é que a bóia e grande parte
do riser vertical não sofrem efeitos
relevantes da onda próximas à superfície
da água, diminuindo assim, os riscos de
ruptura por fadiga no componente rígido.
Por outro lado, o uso de riser rígido em
grande parte da profundidade mostra-se
mais vantajoso em termos econômicos do
que utilizar um riser flexível.
Riser Híbrido Auto Sustentável - RHAS
• Neste sistema se tem um riser rígido
que se estende desde o fundo do mar
até 100 m abaixo do nível da água,
sendo que a conexão do transporte de
fluidos à unidade de produção
flutuante é feita através de linhas
flexíveis ligadas à um tanque que
permite a auto-sustentação do riser
vertical.
Risers Híbridos de Produção
• Os projetos das estruturas, instaladas na parte superior,
independem da crescente lâmina d’água (LDA).
• Os projetos das estruturas, instaladas na parte
inferior, independem da ação direta das ondas.
Portanto, diz que as extremidades do duto estão
desacopladas, isto é, que os movimentos impostos
em uma extremidade não são trasmitidos
diretamente ao longo do duto para a outra.
RHAS-Riser Híbrido Auto Sustentável de
Exportação da P-52
• Benefício: viabilização de risers de grande
diâmetro em águas ultra-profundas, redução
de cargas na UEP  Desacoplamento do
Riser da plataforma
• Possibilidade de instalação do sistema
submarino e dos risers antes da chegada da
plataforma.
Risers Híbridos de Produção: Riser
Tower
• Constitue na aplicação de um bundle
rígido para risers acoplados no leito
marinho através de uma fundação de
alta resistência de carga vertical e
fadiga e mantidos verticalizados por
meio da carga de empuxo dos
flutuadores instalados ao longo de
sua extensão ou de um único
flutuador instalado na extremidade do
riser.
• Normalmente sua extremidade
superior fica a 100 m de profundidade
da superfície do mar.
Risers Híbridos de Produção:Riser
Tower
Riser Tower
Girassol (Angola)
O bundle rígido ou de aço permite a montagem
em um único tubo condutor dos dutos que
compõem determinada interligação submarina
Simplificando-se o tempo de instalação das
linhas e proporcionando um isolamento melhor
das linhas de fluxo, porém deve-se avaliar se
existem canteiros disponíveis para a fabricação
e montagem do bundle rígido e embarcações
capazes de operar este tipo de duto.
Risers com Bóia de Subsuperfície
- Boião
• O sistema consiste de uma grande
bóia submersa, ancorada abaixo da
superfície, suportando risers de aço
em catenária (SCR’s) entre o fundo
do mar e a bóia, e jumpers flexíveis
conectando os SCR’s à unidade
flutuante. A bóia deste sistema é
ancorada no fundo do mar por quatro
tendões e estacas de fundação
adequadas.
Risers com bóia de Subsuperfície Boião
Risers com Bóia de Subsuperfície
- Boião
• Este sistema resolve os principais
problemas encontrados na utilização
de um único tipo de riser em águas
profundas(necessidade de maiores
diâmetros para linhas flexíveis, o
que inviabiliza o transporte e
produção; e para os risers rígidos em
catenária (SCR), presença de
esforços concentrados na região de
topo e em contato com o solo.
Risers com Bóia de Subsuperfície Boião
• Benefício:
• Viabilização de risers de grande diâmetro
em águas ultra-profundas,
• Redução de cargas na UEP 
Desacoplamento do Riser da plataforma
• Possibilidade de instalação do sistema
submarino e dos risers antes da chegada
da plataforma possibilitando assim um
ganho no prazo de interligação dos poços a
UEP e consequentemente a antecipaçao
da produção do campo.
Sistemas Híbridos de Risers
• O comportamento destes sistemas nas
condições reais em que ele opera pode ser
estudado através de simulações
numéricas.
• O comportamento do sistema também
pode ser estimado e previsto utilizando-se
testes experimentais em tanques de prova
com modelos reduzidos. Tais experimentos
usualmente exigem grandes investimentos
para a sua realização.
Modelo Desacoplado
• O estado da arte atual de análise e projeto de unidades
flutuantes ancoradas baseia-se no uso de programas que
compõem um procedimento de análise desacoplada que trata
os movimentos do casco da unidade flutuante separadamente
do comportamento estrutural dinâmico não-linear das linhas de
ancoragem e risers. Com isso, os efeitos não-lineares devidos à
interação do comportamento hidrodinâmico do casco com o
comportamento estrutural e hidrodinâmico das linhas e risers
não são considerados.
Este procedimento desacoplado consiste em empregar a
seguinte seqüência de análises:
• 1. Em uma etapa inicial, programas como o ARIANE e DYNASIM
efetuam a análise de movimentos do casco; nesta análise as
linhas são representadas por um modelo simplificado composto
por coeficientes escalares de massa, rigidez, amortecimento e
carregamento, que são introduzidos na equação de movimento
do flutuante. Os valores para estes coeficientes devem ser
estimados, ou calibrados através de ensaios experimentais (por
exemplo, um“decay test” que fornece coeficientes de massa
adicionada e amortecimento).
• 2. Em uma etapa posterior, os movimentos que resultam da
análise do casco são fornecidos como dados de entrada para
programas como o ANFLEX e o ORCAFLEX que são
empregados para a análise e o projeto estrutural derisers
isoladamente, agora representado por um modelo de elementos
finitos.
Análise Desacoplada
Procedimento para a Análise de “riser”
Rígido
• Identificar todas as variáveis de projeto;
• Verificar a possibilidade de colapso hidrostático na linha;
• Verificar a possibilidade de propagação de trinca no
“riser”;
• A partir das verificações anteriores, definir a espessura
final da parede do “riser”;
• Uma vez definida a espessura da parede do “riser”,
selecionar os modos de carregamentos a serem
avaliados;
• Definir as condições ambientais da região de operação e
os movimentos da unidade através de seus RAOS;
• Realizar as análises pertinentes aos componentes que
formam o “risers”.
Análises de Risers
• Na análise estática,
São aplicados incrementalmente deslocamentos prescritos
no topo dos risers (em termos do percentual da lâmina
d’água) e um perfil de correnteza.
• Na análise dinâmica
São acrescentados os movimentos prescritos devido
à ação da onda no casco (regular ou irregular) e a
onda atuando diretamente sobre o riser. Os movimentos
gerados pela onda podem ser interpolados a partir de
RAO’s ou fornecidos como um time-history do movimento
da embarcação.
RAO (Response Amplitude Operator)
É a resposta da embarcação sob a ação de uma onda de
amplitude unitária, em termos da amplitude de cada grau de
Liberdade dos movimentos, para as várias direções de
Incidência da onda sobre o casco e para várias frequências.
Projeto de Risers
•
No procedimento atual para o projeto de risers, definem-se
situações de carregamento Near, Far, Cross e Transverse. Para
cada uma destas situações, a resposta dinâmica no domínio do
tempo é determinada através da seguinte seqüência de análises:
•
Inicialmente, efetua-se uma análise não-linear estática para a
determinação da configuração de equilíbrio, sob ação das parcelas
estáticas do carregamento:peso próprio, correnteza, pré-tração e
offset estático da embarcação (determinados na análise da
ancoragem). Para a situação Far, o offset estático da embarcação
e a correnteza são aplicados de modo a afastar o nó do topo do
ponto da âncora. Para a situação Near, este carregamento é
aplicado no sentido inverso, de modo a aproximar o nó do topo do
ponto da âncora. Para a situação Cross, o carregamento é aplicado
na direção perpendicular ao plano da linha. Para a situação
Transverse, o carregamento é aplicado a 45 graus do plano da
linha.
Em seguida, a partir da configuração estática, é feita uma análise
não-linear dinâmica no domínio do tempo, que se inicia a partir dos
resultados obtidos no último passo da análise estática. Esta
análise inclui todas as parcelas estáticas do carregamento e
acrescenta as parcelas dinâmicas, aplicadas no sentido
apropriado, de acordo com a situação Near, Far, Cross ou
Transverse: a onda atuando diretamente sobre os risers e as
parcelas dinâmicas do movimento da embarcação. Ressalva-se
neste procedimento, que os offsets estáticos e dinâmicos são
obtidos como resultado da análise do sistema de ancoragem em
diferentes situações, por exemplo, situação intacta ou
danificada(com uma ou duas linhas rompidas).
•
Ilustração da Alteração na Linha Elástica de
um Riser Devida à Corrente e ao Offset da
PLataforma
Incidência dos Carregamentos
Direção das condições ambientais
Condições de Carregamento
As condições de carregamento consideram
combinações de condições extremas, de
forma semelhante ao adotado no projeto do
sistema de ancoragem:
• Condição Acidental A
Onda Centenária e Corrente Decenária.
Onda Decenária e Corrente Centenária.
• Condição Operacional
Onda e Corrente Anuais.
Quanto maior o período de retorno mais
rigorosa a condição ambiental a ele
associada.
Os critérios de projeto a serem verificados
para SCR’s incluem:
SCR
• Verificação de compressão no riser;
• Verificação das Tensões Máximas :
• Condição Acidental A (limite=100% Tensão de
Escoamento );
• Condição Operacional (limite=67% Tensão de
Escoamento ).
• Limites da Flexjoint:
• Força Axial Máxima;
• Variação do Ângulo de topo = ± X graus em
relação ao ângulo inicial.
• Tração Máxima no ponto de ancoragem do
SCR.
Os critérios de projeto a serem verificados
para risers flexíveis incluem:
Risers Flexíveis
• Raio de Curvatura Mínimo;
• Tração Máxima;
• Comprimento suspenso máximo
(para não levantar a conexão
riser-flow).
Principais Mecanismos de Falha na Área de
Dutos Flexíveis São:
• Degradação da camada polimérica de
pressão interna;
• Formação de parafina ou hidrato e
consequente redução de vazão ou bloqueio;
• Ruptura de risers sobre tração, após
rompimento de amarras e consequente
passeio excessivo da UEP;
• Ruptura, por fadiga, no interior do conector,
das armaduras de risers, por deficiências de
projeto e montagem do conector;
• Trinca do corpo polimérico e ruptura de
enrijecedores por deficiências de projeto e
de fabricação do componente ou das
interfaces com I-tube;
Principais Mecanismos de Falha na
Área de Dutos Flexíveis São:
• Flambagem das armaduras de tração de risers
durante a operação ou durante a instalação;
• Abrasão da capa externa e das fitas de alta
resistência de risers, na região do TDP, causada
pelo contato com rochas e coral presentes no
fundo;
• Fadiga-corrosão das armaduras de risers após
ruptura da capa externa durante instalação (pela
execução de procedimentos inadequados);
• Trincas na camada polimérica de pressão interna
oriundas da associação entre deficiências no
acabamento superficial da camada e variações
cíclicas de temperatura, pressão e flexão
combinadas.
Vibrações Induzidas por Desprendimento de
Vórtices
• A passagem de um fluido no entorno de
uma estrutura pode causar vibrações
transversais ao fluxo oriundas do
desprendimento de vórtices. Essas
vibrações podem levar a estrutura à ruína
por fadiga ou através do aumento dos
esforços das correntes marinhas e/ou
ondas, devido ao aumento do coeficiente
de arrasto.
Vibrações Induzidas por Desprendimento de
Vórtices
• Problema de VIV
• Pode levar a estrutura a fadiga.
• Estruturas mais afetadas são os Risers
Rígidos (os risers flexíveis,
aparentemente devido ao seu alto grau de
amortecimento estrutural, apresentam
pouca sensibilidade às VIV’s ).
• Perfis de corrente raramente são
uniformes.
Supressores de Vórtices
Análise de Fadiga
• Devido ao fenômeno de vibrações
induzidas por vótices;
• Devido à Onda.
• A vida útil final do riser é obtida a partir da
soma do dano à fadiga devido ao VIV e do
dano à fadiga devido à onda. A vida útil
resultante tem que ser maior que o valor
estipulado por norma.