ZONAS DE OPERAÇÃO SEGURAS DE RISERS PARA
PROJETO INTEGRADO COM SISTEMAS DE ANCORAGEM
Carolina Almeida dos Guaranys
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Civil, Escola Politécnica, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro,
como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro Civil.
Orientadores: Bruno Martins Jacovazzo
Bruno da Fonseca Monteiro
Rio de Janeiro
Agosto de 2015
ZONAS DE OPERAÇÃO SEGURAS DE RISERS PARA PROJETO INTEGRADO
COM SISTEMAS DE ANCORAGEM
Carolina Almeida dos Guaranys
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO
DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO
RIO
DE
JANEIRO
COMO
PARTE
DOS
REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.
Examinado por:
_______________________________________________
Prof. Bruno Martins Jacovazzo, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Bruno da Fonseca Monteiro, D.Sc.
________________________________________________
.Prof. Ricardo Valeriano Alves, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Henrique Innecco Longo, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ- BRASIL.
AGOSTO DE 2015
ii
Guaranys, Carolina Almeida dos
Zonas de Operação Seguras de Risers para Projeto
Integrado com Sistemas de Ancoragem / Carolina Almeida
dos Guaranys. - Rio de Janeiro: UFRJ / ESCOLA
POLITÉCNICA, 2015.
XI, 77 p.: il.; 29,7 cm
Orientadores: Bruno Martins Jacovazzo e Bruno da
Fonseca Monteiro
Projeto de Graduação – UFRJ / POLI / Engenharia
Civil, 2015.
Referencias Bibliográficas: p.76-77.
1. Sistemas Offshore. 2. ZOR. 3. Sistema Integrado
de Ancoragem x Risers. I. Jacovazzo, Bruno Martins et al.
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Zonas de
Operação Seguras de Risers para Projeto Integrado com
Sistemas de Ancoragem.
iii
Agradecimentos
Agradeço primeiramente à minha família, em especial os meus pais e irmã,
Denise Correa de Almeida, Rogério Tiraboschi dos Guaranys e Erica Almeida dos
Guaranys, meus maiores exemplos de integridade e superação. Essa conquista é de
vocês também.
Aos verdadeiros amigos que não desistiram da minha amizade mesmo com
minha frequente ausência fruto do tempo livre que a faculdade de Engenharia me
tomou.
Aos meus orientadores Bruno Jacovazzo e Bruno Monteiro pela dedicação e
orientação, e por dividir comigo suas experiências como engenheiros nos últimos
meses. Sem isso eu não seria capaz de finalizar esse trabalho.
A todos da instituição de ensino superior UFRJ, professores, amigos e pessoas
que cruzaram meu caminho e conviveram de alguma forma comigo nesses últimos
anos. Elas contribuíram para a pessoa que sou hoje e, por isso, agradeço.
iv
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.
ZONAS DE OPERAÇÃO SEGURAS DE RISERS PARA PROJETO INTEGRADO
COM SISTEMAS DE ANCORAGEM
Carolina Almeida dos Guaranys
Agosto/2015
Orientadores: Bruno Martins Jacovazzo e Bruno da Fonseca Monteiro
Curso: Engenharia Civil
O presente trabalho visa determinar zonas seguras de operação de risers (ZOR) de um
sistema flutuante de produção offshore de um modelo representativo de um caso real.
Essas zonas definem uma envoltória de offsets para a plataforma que deve ser
considerada no projeto de ancoragem, ou seja, o sistema de ancoragem deve ser capaz
de manter a plataforma dentro da região segura para os risers, garantindo a integridade
do sistema. Essa metodologia visa uma maior integração entre os projetos de
ancoragem e risers, que tradicionalmente são realizados de forma independente.
Palavras-chave: Zonas de Operação de Risers, Projeto Integrado, Estruturas Offshore
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Civil Engineer.
RISERS SAFE OPERATIONAL ZONES FOR AN INTEGRATED PROJECT WITH
ANCHORING SYSTEMS
Carolina Almeida dos Guaranys
August/2015
Advisors: Bruno Martins Jacovazzo e Bruno da Fonseca Monteiro
Graduation: Civil Engineering
This study aims to determine risers safe operational zones (SAFOP) of a floating
offshore production system that is representative of a real case model. These zones
define an offset envelope for the platform, which should be considered in the mooring
system design. In other words, the mooring system should be capable of maintaining
the platform inside the risers safe zone, ensuring the system integrity. This
methodology aims for a higher integration between the risers and mooring projects,
which traditionally are performed in an independently way.
Key words: Risers Safe Operational Zone, Integration project, Offshore Structure
vi
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................ ix
ÍNDICE DE TABELAS ........................................................................................................................... xi
1 Introdução .......................................................................................................................................... 1
1.1
Histórico .................................................................................................................................. 1
1.2
Contexto ................................................................................................................................. 2
1.3
Objetivos ................................................................................................................................. 3
1.4
Organização ............................................................................................................................ 4
2 Sistemas Offshore ............................................................................................................................. 5
2.1
Tipos de Plataforma ................................................................................................................ 6
2.1.1
Plataforma Semi-Submersível......................................................................................... 6
2.1.2
FPSO ................................................................................................................................ 7
2.2
Sistemas de Ancoragem.......................................................................................................... 9
2.2.1
Tipos de Arranjo.............................................................................................................. 9
2.2.2
Composição das linhas de ancoragem.......................................................................... 11
2.2.3
Configurações Geométricas .......................................................................................... 13
2.3
Tipos de risers ....................................................................................................................... 15
2.3.1
Riser Rígido (Steel Catenary Riser - SCR) ...................................................................... 16
2.3.2
Riser flexível .................................................................................................................. 16
2.3.3
Sistemas Híbridos.......................................................................................................... 16
3 Tipos de Carregamento .................................................................................................................. 18
3.1
Carregamentos Funcionais ................................................................................................... 18
3.2
Carregamentos Ambientais .................................................................................................. 19
3.2.1
Onda.............................................................................................................................. 19
3.2.2
Corrente ........................................................................................................................ 19
3.2.3
Vento............................................................................................................................. 20
4 Projeto Integrado Ancoragem x Risers ......................................................................................... 21
4.1
Comportamento das linhas de ancoragem e dos risers ........... Erro! Indicador não definido.
4.2
Zona Operacional dos Risers – ZOR ...................................................................................... 23
4.3
Diagrama de Offsets ............................................................................................................. 27
4.4
Cruzamento do Diagrama de offsets com a ZOR .................................................................. 29
5 Estudo de Caso ................................................................................................................................ 30
5.1
Introdução ............................................................................................................................ 30
vii
5.2
Descrição do Modelo ............................................................................................................ 31
5.3
Casos de Carregamentos ...................................................................................................... 33
5.4
Critério de Projeto dos Risers ............................................................................................... 35
5.5
Resumo dos Resultados da ZOR ........................................................................................... 37
5.6
Resultados Detalhados ......................................................................................................... 41
5.6.1
Direção Norte................................................................................................................ 41
5.6.2
Direção Nor-Nordeste................................................................................................... 43
5.6.3
Direção Nordeste .......................................................................................................... 44
5.6.4
Direção És-Nordeste ..................................................................................................... 46
5.6.5
Direção Leste ................................................................................................................ 48
5.6.6
Direção És –Sudeste ...................................................................................................... 50
5.6.7
Direção Sudeste ............................................................................................................ 52
5.6.8
Direção Su-Sudeste ....................................................................................................... 54
5.6.9
Direção Sul .................................................................................................................... 56
5.6.10
Direção Su-Sudoeste ..................................................................................................... 59
5.6.11
Direção Sudoeste .......................................................................................................... 60
5.6.12
Direção Oés-Sudoeste................................................................................................... 63
5.6.13
Direção Oeste ............................................................................................................... 65
5.6.14
Direção Oés-Noroeste................................................................................................... 67
5.6.15
Direção Noroeste .......................................................................................................... 69
5.6.16
Direção Nor-Noroeste................................................................................................... 71
6 Comentários Finais ......................................................................................................................... 74
7 Propostas para Trabalhos Futuros ................................................................................................ 76
8 Referências ...................................................................................................................................... 77
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Profundidade de exploração de petróleo da camada Pré-sal [1] ......................................... 1
Figura 2 - Tipos de Plataformas Offshore [2] ....................................................................................... 6
Figura 3 - P-55: A maior plataforma SS do Brasil [3] .......................................................................... 7
Figura 4 - Turret interno [4] ................................................................................................................ 10
Figura 5 - Turret externo [4]................................................................................................................ 10
Figura 6 - Spread Mooring System [5] ................................................................................................ 10
Figura 7 - Amarra de elo com malhete [6] .......................................................................................... 11
Figura 8 - Cabo de Aço [7] .................................................................................................................. 12
Figura 9 - Cabo de Poliéster [7] .......................................................................................................... 12
Figura 10 - Catenária Convencional [8] ............................................................................................. 13
Figura 11 - Comparação Catenária com Taut-Leg [9]........................................................................ 14
Figura 12 - Modelos de Risers usados no Pré-Sal [3] ......................................................................... 15
Figura 13 - Camadas do Riser Flexível [4] ......................................................................................... 16
Figura 14 - Boia de Sustentação de risers – BSR [3]........................................................................... 17
Figura 15 -Torre de Risers [3] ............................................................................................................. 17
Figura 16 - Exemplo de ZOR [12]........................................................................................................ 24
Figura 17 - Diagrama de Offsets [12].................................................................................................. 27
Figura 18 - Superposição do Diagrama de Offsets e a ZOR [12] ........................................................ 29
Figura 19 - Vista 3D do modelo ........................................................................................................... 31
Figura 20 - Vista superior do Modelo .................................................................................................. 32
Figura 21 – Exemplo da configuração triangular da corrente ............................................................ 34
Figura 22 - ZOR sem carregamento ambiental .................................................................................... 37
Figura 23 - ZOR com carregamento ambiental ................................................................................... 38
Figura 24 - Comparação entre as ZORs .............................................................................................. 39
Figura 25 - Direção Norte .................................................................................................................... 41
Figura 26 - Deslocamento limite .......................................................................................................... 42
Figura 27 – Comprimento mínimo apoiado ......................................................................................... 42
Figura 28 - Direção Nor-Nordeste ....................................................................................................... 43
Figura 29 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 44
Figura 30 - MBR não violado ............................................................................................................... 44
Figura 31 -Direção Nordeste ............................................................................................................... 45
Figura 32 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 46
Figura 33 - MBR não violado ............................................................................................................... 46
Figura 34 - direção És-Nordeste .......................................................................................................... 47
Figura 35 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 48
Figura 36 – MBR não violado .............................................................................................................. 48
Figura 37 - Direção Leste .................................................................................................................... 49
Figura 38 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 50
Figura 39 – MBR não violado .............................................................................................................. 50
Figura 40 - Direção És-Sudeste ........................................................................................................... 51
Figura 41 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 52
Figura 42 – MBR não violado .............................................................................................................. 52
Figura 43 - Direção Sudeste................................................................................................................. 53
Figura 44 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 54
ix
Figura 45 - MBR não violado ............................................................................................................... 54
Figura 46 - Direção Su-Sudeste ........................................................................................................... 55
Figura 47 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 56
Figura 48 – Interferência violada ........................................................................................................ 56
Figura 49 - Direção Sul ........................................................................................................................ 57
Figura 50 - Deslocamento limite .......................................................................................................... 58
Figura 51 - Interferência violada ........................................................................................................ 58
Figura 52 - Direção Su-Sudoeste ......................................................................................................... 59
Figura 53 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 60
Figura 54 - MBR não violado ............................................................................................................... 60
Figura 55 - Direção Sudoeste............................................................................................................... 61
Figura 56 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 62
Figura 57 – Interferência violada ........................................................................................................ 63
Figura 58 - Direção Oés-Sudoeste ....................................................................................................... 63
Figura 59 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 64
Figura 61 – Interferência violada ........................................................................................................ 65
Figura 61 - Direção Oeste .................................................................................................................... 65
Figura 62 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 66
Figura 63 – Interferência violada ........................................................................................................ 67
Figura 64 - Direção Oés-Noroeste ....................................................................................................... 67
Figura 65 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 68
Figura 66 – Interferência violada ........................................................................................................ 69
Figura 67 - Direção Noroeste .............................................................................................................. 69
Figura 68 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 70
Figura 69 – Comprimento mínimo apoiado ......................................................................................... 71
Figura 70 - Direção Nor-Noroeste ....................................................................................................... 71
Figura 71 – Deslocamento limite ......................................................................................................... 72
Figura 72 – Comprimento mínimo apoiado ......................................................................................... 73
x
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1 - Propriedades dos Risers...................................................................................................... 32
Tabela 2 - Velocidades das Correntes .................................................................................................. 33
Tabela 3 - Critério de Utilização dos risers ......................................................................................... 36
Tabela 4 - Violações da ZOR sem carregamento ambiental ................................................................ 38
Tabela 5 - Violações da ZOR com carregamento ambiental................................................................ 39
Tabela 6 - Direção Norte ...................................................................................................................... 41
Tabela 7 - Direção Nor-Nordeste ......................................................................................................... 43
Tabela 8 - Violação Direção Nor-Nordeste ......................................................................................... 43
Tabela 9 - Direção Nordeste ................................................................................................................ 45
Tabela 10 - Violação Direção Nordeste .............................................................................................. 45
Tabela 11 - Direção És-Nordeste ......................................................................................................... 47
Tabela 12 - Violação Direção És-Nordeste .......................................................................................... 47
Tabela 13 - Direção Leste .................................................................................................................... 49
Tabela 14 - Violação Direção Leste ..................................................................................................... 49
Tabela 15 - Direção És –Sudeste.......................................................................................................... 51
Tabela 16 - Violação Direção És –Sudeste .......................................................................................... 51
Tabela 17 - Direção Sudeste................................................................................................................. 53
Tabela 18 - Violação Direção Sudeste ................................................................................................. 53
Tabela 19 - Direção Su-Sudeste ........................................................................................................... 55
Tabela 20 - Direção Sul ........................................................................................................................ 57
Tabela 21 - Direção Su-Sudoeste ......................................................................................................... 59
Tabela 22 - Violação Direção Su-Sudoeste .......................................................................................... 59
Tabela 26 - Direção Sudoeste............................................................................................................... 61
Tabela 24 - Direção Oés-Sudoeste ....................................................................................................... 64
Tabela 25 - Direção Oeste .................................................................................................................... 66
Tabela 26 - Direção Oés-Noroeste ....................................................................................................... 68
Tabela 27 - Direção Noroeste .............................................................................................................. 70
Tabela 28 - Direção Nor-Noroeste ....................................................................................................... 72
xi
1 INTRODUÇÃO
1.1 Histórico
O petróleo no Brasil começou a ser explorado em 1953, onde a primeira jazida
de petróleo foi descoberta, no município de Lobato, Paraná.
No ano de 1968, a
empresa brasileira Petrobras passou a desenvolver um projeto de extração, e em 1974,
após a descoberta de poços na Bacia de Campos, a maior reserva de petróleo do país,
iniciou-se a exploração de petróleo em águas profundas.
Com o passar do tempo, o Brasil tornou-se uma das poucas nações a dominar a
tecnologia de exploração petrolífera em águas profundas e ultraprofundas, e passou a
ser reconhecida internacionalmente com alta capacidade técnica para tal. Foi no ano de
2007, que o governo brasileiro anunciou a descoberta do novo campo, a camada présal, ilustrada esquematicamente na Figura 1, a qual se encontra do litoral de Santa
Catarina ao litoral do Espírito Santo. São poços de petróleo que estão de 5 a 7 mil
metros de profundidade, capazes de dobrar o volume de produção de óleo e gás
combustível do Brasil. Por este motivo, o cenário de águas profundas determinava um
aperfeiçoamento das técnicas de exploração e perfuração.
Figura 1 - Profundidade de exploração de petróleo da camada Pré-sal [1]
1
1.2 Contexto
As principais plataformas flutuantes de produção usualmente empregadas
consistem em: casco, que suporta o topside (“convés”) onde ocorre a separação e o
tratamento do gás, óleo e água; linhas de ancoragem, que limitam os passeios do casco
com a ação das condições ambientais; e os risers, onde os fluídos advindos da
exploração são transportados do poço ao casco.
A prática tradicional de projeto dos sistemas de ancoragem e risers consiste em
realizar análises separadas e independentes de cada projeto. Nelas se definem diferentes
limites de passeio do casco para cada direção, a partir de experiência prévia em
sistemas similares e verifica-se se os passeios estabelecidos não violam nenhum critério
estrutural. Eram assim elaborados um projeto para os risers e outro para o sistema de
ancoragem, desconsiderando a influência entre si.
Com o avanço da exploração para águas cada vez mais profundas, verificou-se a
necessidade de considerar no projeto a influência da interação entre os componentes
(casco, risers, linhas de ancoragem), pois nesse cenário os risers passam a ter maior
influência em termos de massa, amortecimento e rigidez, além de transmitir ao casco as
cargas de correnteza.
Vem sendo desenvolvidos então, com a evolução dos modelos computacionais,
estudos de projeto integrado entre os risers e a ancoragem, para assim otimizar e
aprimorar os procedimentos. Os projetos se tornaram mais econômicos e de melhor
desempenho ao evitar o superdimensionamento dos mesmos.
2
1.3 Objetivos
Este trabalho tem como objetivo estabelecer os passeios limites de uma
determinada plataforma, configurando uma zona de operação segura, denominada ZOR
(Zona Operacional dos risers), a fim de evitar possíveis danos estruturais nos risers. A
partir dos resultados, um projeto de um sistema de ancoragem poderia ser elaborado de
maneira a manter a plataforma dentro dessa zona de segurança. Além disso, pode-se
avaliar e realizar alterações no projeto dos risers para uma melhor eficiência.
O processo inicia-se por realizar simulações do sistema de risers baseada em
um modelo de elementos finitos representativo da plataforma considerada. Aplicam-se
carregamentos ambientais e movimentos prescritos no topo dos risers, verificando-se
por fim os critérios estruturais.
3
1.4 Organização
De início, no Capítulo 2, são descritos os elementos básicos de um sistema
offshore, como os principais tipos de plataformas flutuantes e seus principais
componentes, como o sistema de ancoragem e os risers.
Posteriormente, o Capítulo 3 retrata os tipos de carregamentos funcionais e
ambientais considerados nos projetos de risers e dos sistemas de ancoragem. A ação
ambiental é caracterizada pelas forças atuantes devido ao vento, onda e correnteza.
Apresenta-se no Capítulo 4 a metodologia do projeto integrado do sistema de
ancoragem e dos risers. É descrito o método que define uma envoltória de passeios
limites para o sistema de risers de uma plataforma, definido como ZOR (Zona
Operacional dos Risers). Descreve-se também para o sistema de ancoragem, como o
diagrama de offsets são elaborados e, na Seção 4.4, a incorporação da ZOR no seu
projeto final.
O estudo de caso é descrito no Capítulo 5, em que um sistema de risers
representativo da realidade é analisado para a concepção de sua zona segura de
operação. Inicia-se pela descrição do modelo estudado e dos casos de carregamento
aplicados. Na Seção 5.4, os critérios de projeto dos risers utilizados no trabalho são
descritos. São, portanto, expostos os resultados da análise do sistema com suas devidas
considerações.
Por fim, no Capítulo 6 apontam-se as conclusões e avaliações finais do estudo a
partir dos resultados da análise realizada e no Capítulo 7, são sugeridos trabalhos
futuros que possam completar o presente estudo.
4
2 SISTEMAS OFFSHORE
As principais diferenças entre as plataformas flutuantes e as fixas consistem na
construção, transporte e instalação, tipos de carregamentos incidentes, as respostas a
essa solicitação, e como são descomissionadas e reutilizadas no fim da sua vida útil de
operação. O comum entre as mesmas são o espaço no convés e a capacidade de carga
para suportar equipamento de perfuração e da planta de processamento e tratamento do
gás, óleo e água.
Como o foco do estudo são as plataformas flutuantes, são apresentados nos itens
a seguir seus conceitos e componentes básicos. Inicia-se por uma descrição
generalizada dos tipos de plataformas flutuantes e posterior comentário de seus
elementos constituintes: o sistema de ancoragem, caracterizado pelo tipo de sistema,
material da linha, configuração geométrica ao longo de sua profundidade; e risers,
descritos pelo tipo e sua configuração geométrica.
5
2.1 Tipos de Plataforma
Este capítulo consiste em detalhar as plataformas flutuantes atuantes no
mercado de petróleo, e atualmente mais utilizadas devido ao cenário de exploração e
perfuração de águas profundas. A Figura 2 ilustra os possíveis tipos de plataforma de
produção de petróleo: Plataforma Jackup, Compliant Tower, Auto-Elevável, Tension
Leg, Sea-Star, Spar, Semisubmerssível, FPSO e Fixa, da esquerda para a direita.
Figura 2 - Tipos de Plataformas Offshore [2]
Diferentemente das fixadas no solo marinho, as plataformas flutuantes quando
alocadas na posição de projeto, próxima aos poços que deverão extrair e processar o
óleo, são ancoradas e, por isso, denominadas estacionárias. Essa conexão é realizada
através de cabos de aço ou correntes e cabos de poliéster, denominadas linhas de
ancoragem do sistema flutuante.
Apesar da variabilidade tecnológica e de engenharia das plataformas presentes
no cenário atual, esse estudo só menciona as flutuantes mais comuns: SemiSubmersível e o FPSO (Floating, Production, Storage and Offloading – “Produção,
armazenamento e descarga flutuante”).
2.1.1
Plataforma Semi-Submersível
Esse tipo de plataforma é sustentado por flutuadores, denominados pontoons, os
quais possuem a função de bombear água para dentro de seus lastros, alterando a
flutuação da plataforma. Acima dos flutuadores, estão as colunas de sustentação que
proporcionam a base ao convés e ao topside, que por sua vez, é onde se encontra a
planta de separação e processo dos componentes extraídos do poço perfurado.
6
Essas plataformas podem ser de perfuração ou produção do petróleo. Por
apresentar grande mobilidade, são excelentes opções para a perfuração de poços
exploratórios.
A P-55, ilustrada na Figura 3, é a maior plataforma desse tipo no Brasil. Entrou
em produção no final de 2013, no Campo de Roncador (Bacia de Campos), ancorada a
uma profundidade aproximada de 1.800 metros. Tem capacidade diária para processar
180 mil barris de petróleo e comprimir 4 milhões de m³ de gás natural.
Figura 3 - P-55: A maior plataforma SS do Brasil [3]
2.1.2
FPSO
Em meio a uma crise de oferta de petróleo, que demandava uma rápida
produção dos campos recém-descobertos, o recurso encontrado foi converter navios
petroleiros ou graneleiros. A conversão consiste na reutilização do casco e a instalação
de módulos de processamento (separação e tratamento dos fluidos) no convés,
transformando-os em unidades de produção.
Uma das maiores vantagens dos FPSOs (Floating, Production, Storage and
Offloading) é a presença de sistemas de processamento do gás no próprio topside e de
armazenagem, sendo desnecessária a transferência frequente do óleo produzido para a
costa. Além disso, por apresentar maior agilidade de construção, visto que se utiliza da
conversão, estão dispostos para a produção mais rapidamente, antecipando o lucro.
Ancorada em uma das maiores e desafiadoras profundidades de 2.120 metros do
Brasil, o FPSO Cidade de Paraty da Petrobrás, demonstrada na Figura 4, entrou em
produção no pré-sal da Bacia de Santos em junho de 2013.Tem capacidade de
7
processar diariamente 120 mil barris e comprimir 5 milhões de m³ de gás natural. Com
experiência de mais de 30 anos na utilização desse tipo de plataforma, a Petrobras é a
empresa que opera o maior número de FPSOs no mundo.
Figure 1 - Um dos FPSOs com maior profundidade de exploração no Brasil [3]
8
2.2 Sistemas de Ancoragem
2.2.1
Tipos de Arranjo
O dimensionamento do sistema de ancoragem deve levar em consideração a
ação dos carregamentos ambientais nela atuante: vento, onda e correnteza do
determinado local que a plataforma será posicionada. Atua como molas que produzem
esforços capazes de restaurar a posição do flutuante quando é modificada pela ação
ambiental.
Ao avaliar as condições ambientais impostas, determina-se o tipo do sistema de
ancoragem mais apropriado à plataforma, dentre os mais comuns: Single Point
Mooring ou Spread Mooring (detalhados a seguir).
Assim, podem-se enumerar os fatores determinantes para escolha do Sistema de
Ancoragem:
 O tipo de plataforma.
 Geometria da plataforma flutuante.
 Direção e Intensidade dos carregamentos ambientais.
O número de linhas de ancoragem e sua respectiva resistência são diretamente
relacionados ao grau de intensidade das forças solicitantes. Para profundidades
elevadas, como há um acréscimo do peso do casco e do número de risers necessários, o
número de linhas é geralmente maior.
Single Point Mooring System (“Sistema único de ancoragem”)
Neste tipo de sistema de ancoragem, as linhas se concentram num ponto único
do FPSO, denominado turret (“torre”), permitindo que o casco se alinhe às condições
ambientais impostas no momento, processo denominado weathervaning. O turret,
externo ou interno à plataforma, ilustrados nas Figura 4 e Figura 5, possibilita que ele
gire em torno do seu eixo, adaptando-se às condições ambientais atuantes.
9
Figura 4 - Turret interno [4]
Figura 5 - Turret externo [4]
Spread Mooring System (“Sistema de ancoragem distribuído”)
Esse tipo de sistema de ancoragem é caracterizado por ter linhas distribuídas por
todo o casco. No caso do FPSO, elas são instaladas na proa e na popa, como pode ser
visto na Figura 6.
As forças de tração das linhas são projetadas de modo que sua resultante alinhe
parcialmente a direção com a resultante das condições ambientais. Esse
dimensionamento acarreta na minimização dos esforços no casco.
Figura 6 - Spread Mooring System [5]
10
2.2.2
Composição das linhas de ancoragem
As linhas de ancoragem podem ser compostas por cabos de aço, amarras, cabos
sintéticos ou pela combinação destes. A escolha do tipo de material é relacionada ao
tipo de configuração geométrica que o sistema de ancoragem terá.
Normalmente as linhas são compostas por trechos inicial e final de cabo de aço
ou amarras e cabo sintético (como poliéster) no trecho intermediário, para assim
diminuir seu peso. Pode apresentar também, elementos auxiliares no projeto global
como boiais e flutuadores.
Amarras
As amarras são elos de aço de seção circular, com ou sem malhete. A amarra
com malhete é ilustrada na Figura 7. São classificadas quanto à sua resistência, e a
escolha do grau de resistência depende da necessidade e do custo do projeto.
Pode romper por ultrapassar a carga limite de ruptura ou à fadiga, esta última
decorrente do movimento do casco flutuante. Em FPSOs, a vida útil à fadiga das
amarras é relacionada principalmente à tração elevada.
Figura 7 - Amarra de elo com malhete [6]
Cabos de Aço
Os cabos são compostos por fios de aço, denominados pernas, que por sua vez,
são torcidas em volta de um espiral (termo técnico, pois na realidade é uma hélice). Sua
composição pode ser observada na Figura 8.
11
As falhas por fadiga normalmente ocorrem nas extremidades e na proximidade
ás âncoras. Sendo assim, são dimensionadas de acordo com a sua tração mínima de
ruptura (MBL), dependente do tipo de aço e do diâmetro do cabo.
Figura 8(a) - Composição
Figura 8(b) - Exemplo
Figura 8 - Cabo de Aço [7]
Cabos Sintéticos
Podem ser compostos de poliéster, aramida, HMPE ou poliamida. O cabo de
poliéster é ilustrado na Figura 9 a seguir.
Apresentam uma flexibilidade maior que o cabo de aço e das amarras, porém
com a mesma carga axial de ruptura. Contém também uma baixa relação
massa/resistência, boa resistência à fadiga e custo reduzido. Porém, possuem baixa
resistência à abrasão (desgaste do material no contato com o solo), limitando sua
utilização aos trechos sem contato com o solo.
Figura 9 - Cabo de Poliéster [7]
12
2.2.3
Configurações Geométricas
A relação diâmetro/comprimento das linhas implica que os efeitos de flexão são
desprezíveis, considerando assim apenas sua rigidez axial. Entretanto, sua análise
estrutural é complexa devido às não linearidades do conjunto e dos carregamentos
hidrodinâmicos ambientais. Por isso, cada configuração geométrica deve ser analisada
de forma peculiar e seus comprimentos e geometria calculados de acordo com cada
projeto.
Convencional
Sua configuração é uma catenária convencional, onde apenas transmite esforços
horizontais ao solo.
As linhas devem ter comprimento suficiente para evitar o
levantamento da âncora, mesmo considerando o rompimento de outra linha. Como
demonstra a Figura 10, observam-se os componentes da catenária, o ângulo de topo, a
curvatura e o TDP (Touch Down Point – “Ponto de contato com o solo”).
A desvantagem do sistema é a necessidade de um raio grande de ancoragem,
aproximadamente o triplo da lâmina d´água, o que ocasiona em uma possível
interferência com outros risers ou linhas.
Figura 10 - Catenária Convencional [8]
Taut-Leg (“linhas retesadas”)
As linhas formam aproximadamente um ângulo de 45° com a vertical, e com a
vantagem de apresentar um raio de ancoragem menor que a configuração convencional.
Proporciona ao sistema uma maior rigidez, proveniente da âncora que transfere esforço
13
vertical ao solo. Desta forma, esse sistema apresenta passeios limites do casco menores
devido à rigidez de sua ancoragem, como pode ser observado na Figura 11. Entretanto,
a configuração apresenta a desvantagem da necessidade da instalação de âncoras no
solo que possam suportar as forças verticais solicitadas.
Figura 11 - Comparação Catenária com Taut-Leg [9]
14
2.3 Tipos de risers
O riser é definido como a tubulação que transfere o petróleo ou gás dos poços
no fundo do mar para as plataformas de produção. Além disso, pode ter a função de
injetar fluídos, como água e gás, no poço, facilitando a condução do oléo para a
superfície. É, portanto, a interface entre a estrutura estática do fundo do mar e a
estrutura dinâmica que é o casco e, por isso, necessita de uma análise estrutural
detalhada de seu comportamento. A Figura 12 representa o tipo de riser utilizado no
pré-sal brasileiro.
Figura 12 - Modelos de Risers usados no Pré-Sal [3]
Quanto à sua configuração geométrica, são classificados em:
 Vertical - o riser vertical se mantém sempre tracionado através de uma
força de tração no seu topo, para deste modo, evitar a flambagem e
possíveis danos estruturais.
 Catenária - configuração que requer um raio de curvatura mínimo, o que
pode ocasionar em uma interferência com outros risers ou linhas de
ancoragem. Porém, não necessita da força de tração no topo e possui
uma carga distribuída ao longo do seu comprimento.
 Complexa - configuração desenvolvida recentemente para tecnologias e
soluções inovadoras devido ao fato de se caracterizar como uma
catenária dupla, através de flutuadores ou bóias submersas.
Quanto ao seu tipo estrutural, são classificados em riser rígido ou flexível,
descritos a seguir.
15
2.3.1
Riser Rígido (Steel Catenary Riser - SCR)
Consiste em um tubo de aço e em uma solução para águas profundas,
apresentando configuração de catenária. O riser rígido tem a capacidade de suportar
pressões internas e externas extremas. Contudo, não possui significativa tolerância a
movimentos do casco e possui elevado peso específico, gerando um esforço de tração
excessivo no casco.
O SCR é um tipo bastante comum na indústria do óleo e gás. Diferentemente
das linhas de ancoragem em catenária, sua rigidez à flexão deve ser analisada em
virtude do elevado momento fletor solicitante. Nas conexões com o casco, estes
esforços são aliviados por conectores/juntas capazes de absorver parte deste momento.
2.3.2
Riser flexível
Consiste em tubo de camadas de aço, com a finalidade de proteger o riser contra
tração e pressão externa, intercaladas com camadas de polietileno. A utilização de
várias camadas de aço proporciona flexibilidade ao riser, e as de polietileno permitem
uma maior estanqueidade, proteção contra corrosão e evitam a abrasão. Entretanto, não
apresenta resistência a pressões extremas, sendo preferível sua escolha em projetos de
águas rasas.
Figura 13 - Camadas do Riser Flexível [4]
2.3.3
Sistemas Híbridos
Foram desenvolvidas novas tecnologias para águas profundas, e uma delas era
combinar risers rígidos com flexíveis para assim obter suas vantagens operacionais e
estruturais. O objetivo era combinar a resistência a pressões externas dos risers rígidos
16
e a flexibilidade dos risers flexíveis que suportam maior movimentação do casco e sua
consequente fadiga.
Um exemplo é a boia de sustentação de risers – BSR (Tethered Riser Buoy –
“Boia tensionada dos risers”), ilustrada na Figura 14, uma combinação de seção rígida
para a parte inferior e uma seção flexível para a superior. Os risers são conectados a
uma boia ancorada por tendões tracionados, que por sua vez, estão vinculados ao solo
por estacas. Esse sistema viabiliza o uso de risers Rígidos (SCR) em grandes
profundidades.
Figura 14 - Boia de Sustentação de risers – BSR [3]
Outro exemplo são as Torres de risers, uma tecnologia desenvolvida para
quando há necessidade de um número elevado de risers. Fornece uma flexibilidade por
evitar um design conturbado e otimiza a performance de circulação do fluido para
águas profundas por ter um acesso vertical ao poço.
Figura 15 -Torre de Risers [3]
17
3 TIPOS DE CARREGAMENTO
3.1 Carregamentos Funcionais
São fundamentais na obtenção da resposta estrutural, e consequentemente, no
dimensionamento estrutural dos risers e linhas de ancoragem, como seu material,
diâmetro, geometria e entre outros. Como exemplos de carregamentos funcionais têmse: peso próprio das linhas, pressão interna do fluido no riser, pressão hidrostática
externa, tração no topo das linhas e inércia.
18
3.2 Carregamentos Ambientais
As
plataformas
offshore
estão
sujeitas
a
carregamentos
ambientais
característicos de determinado local, que impõem uma resultante de forças na sua
estrutura e nas linhas. Como exemplos de carregamentos ambientais têm-se: vento,
força da onda, força das correntes.
Nas plataformas flutuantes, esses carregamentos são responsáveis pela
movimentação do casco, o que transfere esforços às linhas de ancoragem e risers,
podendo violar seus respectivos critérios estruturais. Sua análise é então essencial para
segurança e estabilidade do conjunto.
A seguir é apresentada de maneira geral a descrição das forças aplicadas na
estrutura oriundas das condições ambientais.
3.2.1
Onda
O comportamento de uma onda do mar é descrito pelos seus principais
parâmetros característicos: altura, período, comprimento de onda, elevação e
velocidade de propagação. O estado de mar das ondas pode ser regular (ondas de
mesma amplitude e frequência) ou irregular, sendo o último melhor representativo da
realidade, pois é a superposição de ondas regulares. É baseado em medições e
observações realizadas em uma determinada região e através delas, obtêm-se
parâmetros estatísticos conhecidos como Período de Pico (TP) e Altura Significativa
(Hs) para cada estado de mar.
A partir dessas especificações, desenvolve-se uma formulação matemática
denominada Problema de Valor de Contorno (PVC), onde se determinam as
velocidades, acelerações, deslocamentos e pressões de fluido. Porém, esse problema é
definido por ter componentes e forças de comportamento não linear e por isso, sua
solução é através de iterações numéricas.
3.2.2
Corrente
Impostas pela ação do vento na superfície do mar, pela variação da pressão
atmosférica e pelos efeitos de maré, são forças que atuam nas linhas e no casco. São
19
representadas por perfis poligonais, em que as velocidades variam em sua magnitude e
direção de incidência, dados em função da profundidade.
3.2.3
Vento
A carga de vento atua na superfície do casco, e por isso, atuante na área exposta
do casco. Possui parcela estática, constante ao longo do tempo baseada na velocidade
média; e dinâmica, através de um espectro de vento e gera movimentos de baixa
frequência (fundamental no dimensionamento de plataformas flutuantes).
A força do vento é calculada baseada nos seus parâmetros, massa específica do
ar, velocidade do vento e área exposta, obtidos através de medições no campo. O
cálculo é feito segundo a fórmula da norma API RP 2A [11].
20
4 PROJETO INTEGRADO ANCORAGEM X
RISERS
Tradicionalmente, o projeto dos sistemas de ancoragem e risers de uma
plataforma são realizados separadamente por equipes distintas. Fixa-se, desde o início
do projeto, um valor de passeio máximo da plataforma que deve ser mantido pelo
sistema de ancoragem, como por exemplo, 10% da lâmina d’água. Em paralelo, o
sistema de risers é projetado de maneira a não sofrer danos com o deslocamento da
plataforma dentro desta região. Em muitos casos, o sistema de ancoragem projetado
restringe os passeios da plataforma a valores inferiores ao limite estabelecido
inicialmente, enquanto que o sistema de risers seria capaz de suportar passeios maiores.
Esse problema, que é causado pela falta de integração entre os dois projetos, pode ficar
ainda mais acentuado no caso de sistemas de risers assimétricos. Nesse caso, a
plataforma poderia passear mais para uma direção do que para outras sem danificar o
sistema de risers. Com isso, o sistema de ancoragem poderia ser dimensionado de
maneira a considerar essa característica, melhorando sua eficiência.
Ao longo dos últimos anos, há uma tendência de integração entre os dois
projetos. Inicialmente são gerados diagramas que demarcam as zonas de operação
seguras para os risers (ZOR). Em seguida, o sistema de ancoragem é projetado de
maneira a respeitar os limites de passeio estabelecidos pela ZOR. Essa metodologia é
descrita com detalhes nos itens a seguir.
21
4.1 Conceitos Gerais de Projeto
O projeto da ancoragem deve ser desenvolvido com o propósito de garantir que
o passeio da unidade flutuante, mesmo sob condições ambientais extremas, não
danifique a estrutura dos risers conectados ao casco. O passeio é a denominação dada à
distância horizontal que a unidade percorre desde a sua posição de equilíbrio neutro até
a posição de equilíbrio sob o carregamento ambiental. Normalmente, este passeio é
medido como um percentual da lâmina d’água.
Tecnicamente, o passeio da plataforma flutuante é proporcional à rigidez do
conjunto, que representa a capacidade de resistência à deformação ao deslocamento
imposto pelas forças ambientais aplicadas. Sendo assim, depende do material (mais
especificamente seu módulo de elasticidade) e do arranjo do sistema de ancoragem e
dos risers.
Já os risers devem ser analisados para assegurar níveis aceitáveis de
deformações, tensões e resistência à fadiga, devido às forças impostas pelas correntes,
ondas e movimentos do casco. A pressão hidrostática interna (fluido) e a externa (água
do mar) são também fundamentais nas análises.
Para monitorar os esforços e as deformações impostas às linhas, são realizadas
análises estruturais que dependem de ferramentas de simulação numérica. O
mecanismo de análise computacional do comportamento estrutural dos elementos é o
modelo matemático, construído com base no Método dos Elementos Finitos.
Além disso, as linhas e risers apresentam um comportamento não linear
geométrico, devido a grandes deslocamentos, e físico, devido à relação entre materiais
que apresentam comportamento não-linear na sua relação tensão x deformação. Por
isso, a resposta dinâmica das linhas deve ser feita pela análise no domínio tempo, em
que se ponderam todas as não linearidades do sistema. A posição das linhas é
atualizada, recalculando cada termo de massa, amortecimento e rigidez, a cada
intervalo de tempo.
Por esse motivo, necessita de um tempo de processamento
computacional maior.
22
4.2 Zona Operacional dos Risers – ZOR
A Zona Operacional dos Risers - ZOR - é a denominação da envoltória dos
passeios limites da plataforma sujeita a carregamentos ambientais, que não violam
nenhum critério estrutural dos risers. Ou seja, é a zona segura representada em um
diagrama, em que a plataforma pode se deslocar, sem causar dano estrutural nos risers.
A primeira etapa consiste em aplicar no topo dos risers deslocamentos
prescritos para cada direção, representando o deslocamento da plataforma flutuante.
Com a aplicação dos deslocamentos juntamente com o peso próprio dos risers e os
carregamentos da correnteza, realiza-se uma análise estática não-linear. A partir dos
resultados, os critérios estruturais dos risers são verificados até que algum seja violado.
O passeio limite é, portanto, o deslocamento anterior ao violado.
Posteriormente, procede as denominadas simulações dinâmicas, na qual
introduz-se os carregamentos de onda, que solicitam mais a estrutura do riser. A partir
do deslocamento limite encontrado na etapa anterior, diminui-se gradativamente até o
deslocamento máximo e seguro em que o critério estrutural deixe de ser violado.
A vantagem de se realizar uma análise estática antes é que a mesma possui um
tempo computacional bem reduzido, e que proporciona o limite de deslocamento da
plataforma flutuante. Assim, já possuindo uma aproximação do passeio de falha, são
necessárias menos simulações dinâmicas e menos tempo para sua execução para
encontrar o deslocamento de segurança.
Deste modo, obtendo o deslocamento de segurança limite para cada direção um
diagrama é elaborado, no qual as curvas limitam a zona segura de utilização dos risers,
onde todos os critérios são assegurados. O objetivo da elaboração da ZOR, ilustrada na
Figura 16, é obter conclusões sobre possíveis alterações no projeto de risers que
possam aprimorar e otimizar o desempenho do sistema, além de proporcionar a
integração com o sistema de ancoragem que poderia ser dimensionado de maneira a
manter a plataforma dentro dessa zona de segurança.
23
Figura 16 - Exemplo de ZOR [12]
Para a elaboração da ZOR, devem ser considerados e avaliados 3 parâmetros de
projeto: as direções, as combinações dos carregamentos e os critérios estruturais.
Como mencionado acima, o procedimento de deslocamento do topo dos risers é
realizado para cada direção do diagrama polar, sendo no mínimo 16 direções. A
distância das novas posições é usualmente representada de acordo com a porcentagem
da lâmina d´água de projeto, aumentando-as em um processo progressivo para atingir a
violação de algum critério estrutural, e consequentemente, seu deslocamento limite.
Normalmente,
considera-se o
mesmo
número
de
combinações
dos
carregamentos ambientais e das direções de incidência dos deslocamentos. Devem-se
considerar também combinações ambientais alinhadas e desalinhadas com as direções
dos deslocamentos na análise do diagrama da ZOR. Por exemplo, a correnteza na
direção sul deve ser avaliada na análise do deslocamento tanto para o sul, quanto para
sudeste e sudoeste.
Dados os resultados das análises dos deslocamentos, os risers são verificados
quanto a seus critérios estruturais, evitando qualquer tipo de falha mecânica ou ruptura.
Os principais requisitos que devem ser considerados são segurança, risco e
confiabilidade, e considerações funcionais, operacionais, estruturais e do material.
Os risers rígidos podem apresentar falha devido a:
 Plastificação do material.
 Flambagem localizada do riser.
24
 Colapso hidrostático; pressão externa do projeto deve ser menor que a
pressão de colapso para evitar o esmagamento do riser.
Já os risers flexíveis possuem uma maior probabilidade de falha devido a suas
diversas camadas:
 Falha da armadura de pressão, ocasionada por pressões internas ou
externas elevadas, com ou sem tração elevada.
 Ruptura das armaduras de pressão ou tração devido ao elevado esforço
axial.
 Flambagem das armaduras de tração devido à falha por compressão ou
por torção.
 Ruptura da armadura de pressão ou da camada externa ocasionada pela
flexão excessiva.
Para evitar as falhas mencionadas acima, recomenda-se atender critérios
estruturais dos risers flexíveis e rígidos no estudo da ZOR, abaixo dos valores limites.
São eles:
Interferência; É necessário evitar o contato do riser com outro elemento, como
linhas de ancoragem, Casco ou outro riser.
Tração na conexão de fundo; cada tipo de riser, dependendo de seu diâmetro, de
sua seção transversal e de sua armadura de tração de projeto, possui uma tração limite
de conexão com o manifold ou com a flowline.
Variação limite do ângulo de topo; a variação a partir do ângulo inicial no topo
deve ser menor que a limitada.
Tração de topo; assim como no fundo, a tração deve ser menor que o limite
estabelecido pelo fabricante para cada tipo de riser.
Compressão; O riser não é dimensionado para resistir a compressão, para evitar
uma possível falha por flambagem localizada.
Comprimento mínimo apoiado no fundo; O riser deve ser dimensionado para
um comprimento apoiado mínimo, com objetivo de evitar trações verticais nas
conexões com certa margem de segurança.
Além desses, cada tipo de riser possui um critério de verificação específico.
Para os risers rígidos, é:
25
Tensão de Von Misses; É a tensão combinada dos esforços solicitados no riser
de tração, flexão e torção que deve ser menor que a admissível, dependentes da tensão
de escoamento do aço
Para os risers flexíveis, são:
Raio mínimo de curvatura; o raio de curvatura não deve ultrapassar o MBR
(Minimium Bend Radius) estabelecido pelo fabricante.
Tensão nas armaduras de tração; a armadura de tração do riser é dimensionada
para resistir aos esforços de tração e pressão, com uma tensão de tração limite de
acordo com a tensão de escoamento do aço.
Torção limite: A torção solicitada deve ser abaixo da admissível para evitar uma
possível falha na armadura de tração por flambagem localizada.
26
4.3
Diagrama de Offsets
O diagrama de offsets é a denominação da envoltória dos passeios máximos da
plataforma em várias direções sujeita a carregamentos ambientais. É necessário
considerar combinações ambientais extremas, ou seja, com períodos de retorno
decenários e centenários, e combinações alinhadas e desalinhadas.
Diferentemente das simulações realizadas anteriormente nos risers para calcular
a ZOR, onde o deslocamento da plataforma foi prescrito, agora a plataforma é livre
para se deslocar com a atuação dos carregamentos. Isso significa que, mesmo sendo
aplicados carregamentos alinhados, a plataforma se desloca na direção de acordo com a
rigidez do sistema, não necessariamente em linha reta. A Figura 17 apresenta um
exemplo de diagrama de offsets.
Os modelos de análise do sistema de ancoragem devem considerar uma
configuração global da plataforma, com a contribuição dos risers utilizados na geração
da ZOR.
Figura 17 - Diagrama de Offsets [12]
Cabe ressaltar que os critérios de projeto para as linhas de ancoragem (como
tração, interferência, atrito com o solo, entre outros) devem ser atendidos dentro de
toda a região limitada pelo diagrama de offsets.
27
Os diagramas de offset podem ser obtidos para duas condições distintas:
Sistema Intacto e Sistema de Avaria. Após a elaboração do diagrama de offsets no
sistema intacto, resultante da atuação dos carregamentos ambientais extremos, elaborase outro diagrama, repetindo o processo, porém considerando a ruptura de uma linha de
ancoragem.
28
4.4 Cruzamento do Diagrama de offsets com a ZOR
No processo integrado do projeto, o diagrama de offsets e a ZOR são
sobrepostos. O cruzamento tem o propósito de verificar que os limites máximos de
passeio do casco não ultrapassem a zona segura de operação dos risers. Um exemplo de
cruzamento dos diagramas pode ser observado na Figura 18.
Deste modo, é possível avaliar as direções e consequentes combinações
ambientais que excedem o limite da ZOR e que infringem os critérios estruturais dos
risers. As devidas modificações necessárias devem ser realizadas de forma que garanta
a segurança do sistema, limitando os offsets para dentro da área segura estipulada pelos
risers. Por outro lado, se os limites do diagrama e da ZOR estiverem muito afastados
significa que há um superdimensionamento do sistema de ancoragem, permitindo uma
reavaliação do projeto para soluções mais econômicas.
Deve ser considerada também, a situação de avaria do sistema de ancoragem,
garantindo a segurança da plataforma em situações acidentais de possível rompimento
das linhas.
Figura 18 - Superposição do Diagrama de Offsets e a ZOR [12]
29
5 ESTUDO DE CASO
5.1 Introdução
O presente estudo de caso tem como objetivo exemplificar o dimensionamento
da Zona de Operação dos Risers (ZOR) de uma plataforma flutuante de petróleo, para
um futuro projeto de integração ao sistema de ancoragem.
Como mencionado na Seção 4.2, a geração da ZOR considera a aplicação de
carregamentos estáticos e dinâmicos. Entretanto, neste estudo será levado em conta
como carregamento ambiental a ação da correnteza e por esse motivo, apenas será
abordada a análise estática do sistema de risers. Dessa maneira, pode-se descrever o
processo de estudo como uma simplificação do procedimento de elaboração da ZOR.
Será utilizado no trabalho para a análise do sistema de risers o programa
PROSIM/SITUA,
desenvolvido
desde
1997
pelo
Laboratório
de
Métodos
Computacionais e Sistemas Offshore da COPPE – LAMCSO em parceria com a
Petrobras. O programa executa análises estáticas e dinâmicas não-lineares no domínio
do tempo, considerando o acoplamento entre o comportamento hidrodinâmico do casco
de unidades flutuantes e o comportamento estrutural-hidrodinâmico das linhas de
ancoragem e risers, representadas por elementos finitos [13].
É fundamental ressaltar que o objetivo de estudo é a elaboração da ZOR, e
sendo assim, possui o foco no projeto dos risers da plataforma flutuante. As posteriores
etapas de integração ao sistema de ancoragem não terão sua concepção no estudo.
30
5.2 Descrição do Modelo
O modelo utilizado no estudo é composto por 18 risers flexíveis, com
distribuição assimétrica, representativos de um caso real, localizado numa lâmina
d’água de 620 metros. As Figura 19 e Figura 20 ilustram de maneira mais adequada o
modelo do sistema de risers estudado.
A análise do sistema foi realizada no software SITUA-Prosim, cujos risers são
representados por elementos finitos de pórtico. O MEF é de elevada importância no
estudo do comportamento dos risers, pois esses requerem uma análise mais detalhada
de sua resposta estrutural. As propriedades dos risers são observadas na
Tabela 1.
Figura 19 - Vista 3D do modelo
31
Figura 20 - Vista superior do Modelo
Tabela 1 - Propriedades dos Risers
Riser
Nome
Diâmetro (in)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
INJEÇÃO DE GÁS
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
PRODUÇÃO
INJEÇÃO
EXPORTAÇÃO
2.5
4
4
2.5
4
2.5
4
2.5
7.625
4
2.5
4
4
4
4
4
2.5
11.25
32
5.3 Casos de Carregamentos
Como este estudo de caso contempla a geração da ZOR estática, foram
considerados apenas carregamentos de correnteza. As correntes, representativas de
mares brasileiros, foram definidas nas 16 direções: Norte, Nor-Nordeste, Nordeste, ÉsNordeste, Leste, És-Sudeste, Sudeste, Su-Sudeste, Sul, Su-Sudoeste, Sudoeste, OésSudoeste, Oeste, Oés-Noroeste, Noroeste, Nor-Noroeste.
A Tabela 2 especifica os valores das velocidades das correntes na superfície
relacionados às suas direções de incidência.
Tabela 2 - Velocidades das Correntes
Eixo Global
N
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
NW
NNW
Correnteza (m/s)
1,05
1,15
1,25
1,16
1,06
1,03
1,1
1,51
1,67
1,5
1,33
1,46
1,59
1,34
1,09
1,07
No programa SITUA-Prosim, as correntes foram especificadas, uma a uma,
quanto a sua direção de incidência e sua velocidade. Elas possuem a configuração
triangular ao longo da profundidade, como exemplificado na Figura 21 para a corrente
na direção Nordeste.
33
Figura 21 – Exemplo da configuração triangular da corrente
As combinações dos carregamentos considerados no estudo se deram pela
associação dos deslocamentos alinhados com a correnteza, ou seja, ambos na mesma
direção. A análise, portanto, envolveu uma matriz de 16 combinações.
34
5.4 Critério de Projeto dos Risers
Como o modelo adotado para este estudo de caso é composto apenas por risers
flexíveis, os valores dos critérios de projeto são estabelecidos pelos próprios
fabricantes. De acordo com o que foi mencionado na Seção 5.1, o objetivo deste estudo
de caso é exemplificar o dimensionamento de uma Zona de Operação dos Risers
(ZOR). Dessa maneira, apenas os principais critérios de projeto foram avaliados, dentre
aqueles apresentados na Seção 4.2. Os critérios avaliados encontram-se listados a
seguir:
Obtidos dos fabricantes:
 Tração máxima ao longo do riser.
 Compressão nula.
Estimados:
 Tração máxima na conexão de fundo do riser.
 Interferência nula entre os risers.
 Mínimo raio de curvatura (MBR - Minimum Bend Radius).
 Comprimento mínimo apoiado do riser.
Os valores limites utilizados no estudo encontram-se detalhados na Tabela 3.
35
Tabela 3 - Critério de Utilização dos risers
Riser
Diâmetro (in)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
2,5
4
4
2,5
4
2,5
4
2,5
7,625
4
2,5
4
4
4
4
4
2,5
11,25
Critérios de Utilização limites
Tração Topo (kN) Tração Fundo (kN) Raio Mínimo de Curvatura (m)
870
200
5
1260
200
10
1260
200
10
870
200
5
1260
200
10
870
200
5
1260
200
10
870
200
5
3500
300
10
1260
200
10
870
200
5
1260
200
10
1260
200
10
1260
200
10
1260
200
10
1260
200
10
870
200
5
7500
700
10
36
5.5 Resumo dos Resultados da ZOR
Foram elaborados dois diagramas de Zonas Operacionais dos Risers, com e sem
a solicitação do carregamento das correntes. Tal procedimento foi realizado com o
propósito de uma possível posterior comparação entre os diagramas, e assim a
verificação da influência da carga da corrente no conjunto.
Portanto, os diagramas da ZOR finais obtidos são apresentados nas Figura 22 e
Figura 23.
As Tabela 4 e Tabela 5 indicam para cada direção de incidência, quais os
critérios foram desrespeitados, os valores dos critérios atendidos, quais os risers que
tiveram seus critérios desrespeitados e os passeios limites da plataforma.
Figura 22 - ZOR sem carregamento ambiental
37
Figura 23 - ZOR com carregamento ambiental
Tabela 4 - Violações da ZOR sem carregamento ambiental
Deslocamentos Máximos para ZOR estática sem carregamento ambiental
Direção
Limite ZOR (m)
Riser
1
N
125
9
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
45
30
30
55
80
100
120
110
95
85
80
70
70
2
2
2
2
7
7
8 com 7
7 com 8
13
13 com 14
13 com 14
13 com 14
13 com 14
15
NW
115
3
16
NNW
185
16
Critério Violado
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
interferência
interferência
Raio de Curvatura
interferência
interferência
interferência
interferência
Comprimento
mínimo apoiado
Comprimento
mínimo apoiado
38
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
-
20,2
9,4
9,8
9,8
9,5
9,9
9,7
9,5
-
7,3
4,8
4,8
8,9
12,9
16,1
19,4
17,7
15,3
13,7
12,9
11,3
11,3
-
18,5
-
29,8
Tabela 5 - Violações da ZOR com carregamento ambiental
Deslocamentos Limites para ZOR estática com carregamento ambiental
Direção
Limite ZOR (m)
Riser
1
N
115
9
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
NNE
NE
ENE
E
ESE
SE
SSE
S
SSW
SW
WSW
W
WNW
40
30
35
50
75
90
90
80
80
80
70
60
65
2
2
2
2
7
7
7 com 8
7 com 8
13
13 com 14
13 com 14
13 com 14
13 com 14
15
NW
115
3
16
NNW
185
16
Critério Violado
Valor do Critério
violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
-
18,5
9,5
9,1
8,3
9,8
9,4
9,7
9,4
-
6,5
4,8
5,6
8,1
12,1
14,5
14,5
12,9
12,9
12,9
11,3
9,7
10,5
-
18,5
-
29,8
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
Raio de Curvatura
interferência
interferência
Raio de Curvatura
interferência
interferência
interferência
interferência
Comprimento
mínimo apoiado
Comprimento
mínimo apoiado
A Figura 24 demonstra a comparação entre os diagramas da análise estática com
e sem carregamento ambiental, possibilitando uma avaliação visual entre os mesmos.
Figura 24 - Comparação entre as ZORs
39
Equiparando os resultados obtidos, é possível estabelecer que para as direções
Su-Sudeste e Sul a influência do carregamento ambiental foi maior. A aplicação dos
carregamentos ambientais de correnteza ocasionou uma redução no passeio limite de
25% e 27,3%, respectivamente.
Em oposição, para a direção Nordeste, foi verificado que não houve diferença
nos resultados obtidos. Isso pode ser justificado pelo fato do critério ter sido violado
com um passeio muito pequeno da plataforma, que tem influência muito mais
significativa nos resultados que a aplicação do carregamento ambiental propriamente
dito.
Nas direções restantes, percebe-se que os deslocamentos máximos são próximos
incluindo ou não o carregamento ambiental. O critério não atendido para tais direções é
o mesmo em ambos os diagramas, sendo em sua a maioria a interferência entres os
risers e o raio de curvatura mínimo.
40
5.6 Resultados Detalhados
A seguir, apresenta-se uma análise mais detalhada dos resultados da ZOR para
cada direção de incidência, e em qual deslocamento seus critérios estruturais são
desrespeitados.
5.6.1
Direção Norte
A plataforma flutuante teve seu movimento prescrito para o Norte, como
demonstra a Figura 25.
(a) – Vista 3D
(b) – Vista Superior
Figura 25 - Direção Norte
Para esta direção, observa-se através da Tabela 6, a violação do comprimento
mínimo apoiado no solo do riser 9 que deve ser evitado para não provocar uma força
vertical no fundo. Pode-se observar também que se este critério fosse atendido, o
deslocamento limite da ZOR seria por volta do dobro do valor obtido.
Tabela 6 - Direção Norte
Direção
1
N
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
205
240
16
17
115
9
Tração no fundo
Tração no topo
Comprimento
mínimo apoiado
41
Valor do Critério
não violado
183
673
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
33,1
38,7
-
18,5
Nas Figura 26 e Figura 27, pode-se observar o comprimento mínimo apoiado
sendo respeitado.
Figura 26 - Deslocamento limite
Figura 27 – Comprimento mínimo apoiado
42
5.6.2
Direção Nor-Nordeste
A unidade foi deslocada para a direção Nor-Nordeste, como mostra a Figura 28.
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 28 - Direção Nor-Nordeste
A partir das Figuras acima, verifica-se que o movimento ocorre na direção dos
risers 1 e 2, e deste modo, se curvam de maneira crítica à sua segurança estrutural. Este
critério é violado no riser 2, como demonstra a Tabela 8, a uma posição de 40 metros.
A Tabela 7, comprova que se não fosse pela violação do MBR, a plataforma seria capaz
de possuir deslocamentos bem menos restritos.
Tabela 7 - Direção Nor-Nordeste
Direção
2
NNE
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
200
16
155
16
40
145
2
3 com 4
Tração no fundo
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
Valor do Critério
não violado
185
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
32,3
-
25,0
9,5
-
6,5
23,4
Tabela 8 - Violação Direção Nor-Nordeste
NNE
MBR (m)
45m
40m
9.5m
10,3
Riser
2
43
Limite
10 m
Através das Figura 29 e Figura 30 é possível verificar quando o riser 2 se
encontra no valor seguro de operação.
Figura 29 – Deslocamento limite
Figura 30 - MBR não violado
5.6.3
Direção Nordeste
O deslocamento para direção Nordeste respresenta-se pela Figura 31:
44
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 31 -Direção Nordeste
Para esta direção de deslocamento, o critério de cautela continua sendo o raio de
curvatura mínimo para o riser 2 e sua posição limite é de 30 metros, proporcional a
aproximadamente 5% da lâmina d´água. A Tabela 10 comprova a violação do critério
no passo seguinte. Se o riser tivesse o MBR atendido, o passeio limite teria o triplo do
valor obtido, como demonstra a Tabela 9.
Tabela 9 - Direção Nordeste
Direção
3
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
250
205
11
9
90
9
30
110
2
3 com 4
Tração no topo
Tração no fundo
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
NE
Valor do Critério
violado
850
291
Porcentagem da
lâmina d´água (% )
40.3
33.1
-
14.5
9.1
-
4.8
17.7
Tabela 10 - Violação Direção Nordeste
NE
MBR (m)
35m
30m
9,1
10,7
Riser
2
Limite
10 m
As Figura 32 e Figura 33 demonstram a curvatura do riser 2 superior ao limite
mínimo estabelecido.
45
Figura 32 – Deslocamento limite
Figura 33 - MBR não violado
5.6.4
Direção És-Nordeste
No programa Situa, o movimento prescrito na direção És-Nordeste é
representado pela Figura 34:
46
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 34 - direção És-Nordeste
O deslocamento máximo para essa direção é de 35 metros e o riser que merece
precaução continua sendo o riser 2, pois percebe-se que ele passa a ter uma curvatura
além de seu valor crítico na Tabela 12. Observa-se também, na Tabela 11, um
significativo aumento de 60 metros no passeio limite da plataforma se o MBR fosse
atendido.
Tabela 11 - Direção És-Nordeste
Direção
4
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
215
9
95
9
35
115
2
3 com 4
Tração no fundo
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
ENE
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
290
34,7
-
15,3
8,3
-
5,6
18,5
Tabela 12 - Violação Direção És-Nordeste
ENE
MBR (m)
40m
35m
8,3
10,9
Riser
2
Limite
10 m
As Figura 35 e Figura 36 demonstram a curvatura do riser 2 no passo em que
seu critério não é violado.
47
Figura 35 – Deslocamento limite
Figura 36 – MBR não violado
5.6.5
Direção Leste
O movimento prescrito na direção leste deu-se pela Figura 37:
48
(a) –Vista 3D
b) –Vista Superior
Figura 37 - Direção Leste
O passeio limite para esta direção foi caracterizada por 50 metros e seu critério
de violação dos risers foi também o MBR para o riser 2, comprovado na Tabela 14.
Pode-se determinar então que, através da Tabela 13, se o raio mínimo fosse atendido, o
deslocamento limite aumentaria significativamente e seria proporcional a 18,5% da
lâmina d´água do projeto.
Tabela 13 - Direção Leste
Direção
5
E
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
215
265
18
18
115
9
50
145
2
3 com 4
Tração no fundo
Tração no topo
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
Valor do Critério
não violado
653
7148
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
34,7
42,7
-
18,5
9,8
-
8,1
23,4
Tabela 14 - Violação Direção Leste
E
MBR (m)
55m
50m
9,8
10,4
Riser
2
Limite
10m
As Figura 38 e Figura 39 abaixo comprovam o deslocamento limites para a
direção Leste.
49
Figura 38 – Deslocamento limite
Figura 39 – MBR não violado
5.6.6
Direção És –Sudeste
Para esta direção, o movimento foi representado pela Figura 40:
50
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 40 - Direção És-Sudeste
Para a direção És–Sudeste, o critério violado continua sendo o raio de curvatura
mínimo, porém como comprova a Tabela 16 , para uma distância maior de 75 metros.
Através da
Tabela 15, observa-se que o riser 7 tem seu raio não atendido, restringindo
bastante o passeio limite se comparado com o próximo critério violado.
Tabela 15 - Direção És –Sudeste
Direção
6
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
205
250
18
18
170
9
75
7
Tração no fundo
Tração no topo
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
ESE
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
673
6571
33,1
40,3
-
27,4
9,4
12,1
Tabela 16 - Violação Direção És –Sudeste
ESE
MBR (m)
80m
75m
9,4
12,2
Riser
7
Limite
10m
As Figura 41 e Figura 42 demonstram a conclusão anterior, onde o riser ainda
opera em segurança.
51
Figura 41 – Deslocamento limite
Figura 42 – MBR não violado
5.6.7
Direção Sudeste
No modelo do SITUA, o deslocamento é visto como na Figura 43:
52
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 43 - Direção Sudeste
A posição limite para esta direção é de 90 metros, e seu critério de violação
continua sendo o MBR do riser 7, demonstrada na Tabela 18 . Para esta direção
observa-se na
Tabela 17, uma menor diferença de passeios limites, se comparado ao
próximo critério violado.
Tabela 17 - Direção Sudeste
Direção
7
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
215
265
90
105
18
18
7
1 com 2
Tração no fundo
tração no topo
Raio de Curvatura
interferência
SE
Valor do Critério
não violado
667
5566
9,7
-
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
34,7
42,7
14,5
16,9
Tabela 18 - Violação Direção Sudeste
SE
MBR (m)
95m
90m
9,7
10,8
Riser
7
Limite
10m
As Figura 44 e Figura 45 comprovam a curvatura dentro da zona de segurança
do riser.
53
Figura 44 – Deslocamento limite
Figura 45 - MBR não violado
5.6.8
Direção Su-Sudeste
Para a direção Su-Sudeste o modelo teve o movimento prescrito na Figura 46 do
modo que:
54
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 46 - Direção Su-Sudeste
Para esta direção, verifica-se um passeio limite de 90 metros devido à
interferência entre os risers 7 e 8. Porém, deve-se observar pela Tabela 19, que ocorre
também interferência entre os riser 15 e 16 a uma posição de 55 metros mais distante,
ou seja, um maior deslocamento seguro de operação.
Tabela 19 - Direção Su-Sudeste
Direção
8
SSE
Limite ZOR (m)
250
190
90
145
Riser
Critério Violado
8
Tração no fundo
14
Raio de Curvatura
7 com 8
interferência
15 com 16
interferência
Valor do Critério
não violado
672
9,6
-
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
40,3
30,6
14,5
23,4
A Figura 47 demonstra a iminência da interferência no momento da ZOR limite,
porém percebe-se a posição de sua violação na Figura 48.
55
Figura 47 – Deslocamento limite
Figura 48 – Interferência violada
5.6.9
Direção Sul
O movimento na direção sul foi representado na Figura 49:
56
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 49 - Direção Sul
A distância limite obtida foi de 80 metros, apontada na interferência entre os
risers 7 e 8, assim como na direção anterior. Na Tabela 20, percebe-se que se a
interferência não ocorresse, o MBR do riser 13 limitaria a plataforma a um
deslocamento por volta de 19% maior.
Tabela 20 - Direção Sul
Direção
9
S
Limite ZOR (m)
Riser
250
1
95
80
13
7 com 8
Critério Violado
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
-
40,3
9,4
-
15,3
12,9
As Figura 49 e Figura 52 ilustram a ocorrência da interferência no sistema de
risers estudado.
57
Figura 50 - Deslocamento limite
Figura 51 - Interferência violada
58
5.6.10 Direção Su-Sudoeste
A Figura 52 demonstra o movimento prescrito na direção Su-Sudoeste:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 52 - Direção Su-Sudoeste
Para o deslocamento de 80 metros, o critério de mínimo raio de curvatura foi
violado para o riser 13. A Tabela 22 demonstra o momento de rompimento do critério.
Se o MBR do riser 13 fosse maior, o deslocamento limite da plataforma aumentaria em
40 metros, como aponta a Tabela 21.
Tabela 21 - Direção Su-Sudoeste
Direção
10
Limite ZOR (m)
Riser
215
1
80
120
13
7 com 5
SSW
Critério Violado
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
-
34,7
8,3
-
12,9
19,4
Comprimento
mínimo apoiado
Raio de Curvatura
interferência
Tabela 22 - Violação Direção Su-Sudoeste
SSW
MBR (m)
85m
80m
8,3
10,5
Riser
13
Limite
10m
As Figura 53 e Figura 54 exemplificam quando o MBR se encontra dentro do
limite estimado.
59
Figura 53 – Deslocamento limite
Figura 54 - MBR não violado
5.6.11 Direção Sudoeste
O movimento na Figura 55 dado à plataforma na direção Sudoeste foi tal que:
60
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 55 - Direção Sudoeste
A interferência entre os risers 13 e 14 ocorreu na posição de 80 metros, como
comprovam
as
Figura
56
e
Figura 57 . Pode-se observar na Tabela 23, que se a interferência entres os risers
fosse solucionada, o deslocamento limite seria por volta de 40% maior.
Tabela 23 - Direção Sudoeste
61
Direção
11
SW
Limite ZOR (m)
Riser
275
1
215
110
80
Critério Violado
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
189
44,4
-
34,7
9,9
-
17,7
12,9
Tração no fundo
Comprimento
1
mínimo apoiado
9
Raio de Curvatura
13 com 14
interferência
Figura 56 – Deslocamento limite
62
Figura 57 – Interferência violada
5.6.12 Direção Oés-Sudoeste
A direção Oés-Sudoeste foi caracterizada pela Figura 58:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 58 - Direção Oés-Sudoeste
63
Através da Tabela 24 percebe-se que a interferência entre os risers 13 e 14
ocorre bem antes da violação de qualquer outro critério. Se o critério violado fosse
atendido, a plataforma poderia se deslocar seguramente por mais 110 metros nessa
direção.
Tabela 24 - Direção Oés-Sudoeste
Direção
12
Limite ZOR (m)
Riser
245
3
WSW
100
180
70
Critério Violado
Tração no fundo
Comprimento
3
mínimo apoiado
10
Raio de Curvatura
13 com 14
interferência
Valor do Critério
não violado
184
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
-
16,1
9,5
-
29,0
11,3
39,5
As Figura 59 e Figura 60 comprovam a interferência entres os risers na ZOR
limite de 70 metros:
Figura 59 – Deslocamento limite
64
Figura 60 – Interferência violada
5.6.13 Direção Oeste
A direção Oeste é dada pela Figura 61:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 61 - Direção Oeste
Nesta direção, a posição limite foi ocasionada por interferência, também entre
os risers 13 e 14. A Tabela 25, pode demonstrar que se não houvesse interfereência do
limite da ZOR seria 58% maior.
65
Tabela 25 - Direção Oeste
Direção
13
W
Limite ZOR (m)
Riser
220
275
3
4
95
185
60
Critério Violado
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
196
825
35,5
44,4
-
15,3
9,5
-
29,8
9,7
Tração no fundo
Tração no topo
Comprimento
3
mínimo apoiado
18
Raio de Curvatura
13 com 14
interferência
As Figura 62 – Deslocamento limitee Figura 63 – Interferência violadapodem
comprovar as conclusões citadas.
Figura 62 – Deslocamento limite
66
Figura 63 – Interferência violada
5.6.14 Direção Oés-Noroeste
O movimento prescrito nessa direção foi caracterizado pela Figura 64:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 64 - Direção Oés-Noroeste
67
O deslocamento limite para esta direção deu-se por 65 metros, na violação
também da interferência entre os risers 13 e 14. A Tabela 26, aponta os possíveis
deslocamentos limites da plataforma se o sistema de risers não tivesse interferência
entre si.
Tabela 26 - Direção Oés-Noroeste
Direção
14
WNW
Limite ZOR (m)
Riser
220
255
3
6
95
125
65
Critério Violado
Valor do Critério
não violado
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
198
719
35,5
41,1
-
15,3
9,4
-
20,2
10,5
Tração no fundo
Tração no topo
Comprimento
3
mínimo apoiado
18
Raio de Curvatura
13 com 14
interferência
As Figura 65 e Figura 66 pode comprovar a interferência violada.
Figura 65 – Deslocamento limite
68
Figura 66 – Interferência violada
5.6.15 Direção Noroeste
O deslocamento na direção Noroeste pode ser visto na Figura 67:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 67 - Direção Noroeste
69
Tal direção trouxe como posição limite de 115 metros devido a violação
comprimento mínimo apoiado do riser 3. Observa-se também para esta direção de
movimento, na Tabela 27, um aumento do deslocamento limite se o comprimento
mínimo fosse atendido.
Tabela 27 - Direção Noroeste
Direção
15
NW
Limite ZOR (m)
Riser
230
5
115
210
310
Critério Violado
Tração no fundo
Comprimento
3
mínimo apoiado
18
Raio de Curvatura
15 com 16
interferência
Valor do Critério
não violado
189
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
37,1
-
18,5
9,3
-
33,9
50,0
As Figura 68 e Figura 69 provam o deslocamento prescrito dentro da zona
segura dos risers e o momento final onde a violação ocorre.
Figura 68 – Deslocamento limite
70
Figura 69 – Comprimento mínimo apoiado
5.6.16 Direção Nor-Noroeste
O movimento prescrito para tal direção foi dado pela Figura 70:
(a) –Vista 3D
(b) –Vista Superior
Figura 70 - Direção Nor-Noroeste
71
A violação do comprimento mínimo no fundo do riser 16 ocorre na posição de
185 metros, sendo essa o maior passeio limite da ZOR. Além disso, observa-se através
da Tabela 28 , uma disparidade grande ao próximo critério na atendido.
Tabela 28 - Direção Nor-Noroeste
Direção
16
NNW
Limite ZOR (m)
Riser
Critério Violado
235
16
185
16
310
12 com 11
Tração no fundo
Comprimento
mínimo apoiado
interferência
Valor do Critério
não violado
183
Porcentagem da
Lâmina d´água (% )
37,9
-
29,8
-
50,0
As Figura 71 e Figura 72 representam o deslocamento limite da ZOR,
demonstrando que o riser possui seu comprimento mínimo apoiado no solo.
Figura 71 – Deslocamento limite
72
Figura 72 – Comprimento mínimo apoiado
73
6 COMENTÁRIOS FINAIS
Este trabalho apresentou o conceito de integração entre os projetos de risers e
sistemas de ancoragem de plataformas flutuantes offshore. Como primeira etapa do
processo, inicia-se a elaboração da Zona de Operação dos Risers (ZOR), em que é
possível determinar a área que limita o deslocamento seguro da plataforma. Verificamse os critérios estruturais do sistema de risers para cada posição que a plataforma possa
assumir, a fim de identificar em quais posições eles deixam de ser atendidos. Deste
modo, elabora-se no formato de um diagrama a zona de segurança de operação dos
risers.
Após essa etapa, utiliza-se a ZOR para o cruzamento com o diagrama de offsets,
este realizado a partir de um modelo das linhas de ancoragem, casco da plataforma e
dos risers. É possível então, uma integração dos dois projetos, e uma posterior
adaptação do sistema de linhas de ancoragem que limite o passeio das plataformas para
dentro da ZOR.
No presente estudo, o foco foi na geração da ZOR. A partir de uma plataforma
flutuante baseada em um modelo representativo da realidade, contendo 18 risers
flexíveis, foi possível analisar através do programa SITUA/Prosim a resposta estrutural
dos risers. A análise foi estática, na qual apenas foram avaliados os carregamentos
ambientais das correntes e os deslocamentos prescritos no topo dos risers.
Pode-se concluir ao observar a ZOR do projeto, que a maioria dos movimentos
limites não ultrapassou 20% da lâmina d´água. Normalmente, a plataforma não
costuma ultrapassar essa porcentagem de deslocamento.
A assimetria do sistema de risers ocasionou uma grande disparidade entre os
passeios limites da ZOR para cada direção analisada. Por exemplo, a direção NorNoroeste apresenta um deslocamento de quase 30% da lâmina d´água, enquanto que se
pode perceber uma significativa restrição dos movimentos de Nor-Nordeste a Leste,
com um deslocamento proporcional a aproximadamente 5% da lâmina d´água. Os
valores excessivamente restritivos encontrados para essas direções citados também
podem ser explicados devido à estimativa conservadora dos parâmetros de raio de
curvatura mínimo (Minimum Bend Radius – MBR).
Pode-se observar que os risers 2 e 7 tiveram sua curvatura violadas em
inúmeras direções para diferentes velocidades de corrente. Caso fosse constatado que
74
os valores estimados de MBR dos risers não fossem tão conservadores, uma vez de
posse dos dados reais, um aumento no ângulo de topo desses risers poderia ser capaz
de conferir uma melhor eficiência ao sistema, já que o raio de curvatura na região do
TDP aumentaria. Essa região apresenta os menores raios de curvatura ao longo dos
risers.
Outro predominante critério estrutural de violação da segurança dos risers foi a
interferência entre eles nas direções de Sudoeste a Oés-Noroeste. Houve um frequente
contato entre os risers 13 e 14 e 7 e 8, o que poderia causar um atrito entre eles e um
provável dano nos seus materiais. Deste modo, caso fosse possível no projeto, um
aumento da distância entres os risers ou a variação do ângulo de topo entre risers
vizinhos proporcionaria uma performance melhor do sistema.
Pode-se concluir então, que pequenas alterações no projeto do sistema dos
risers podem acarretar em consequências para todo o projeto, pois o sistema de
ancoragem vai ter seu dimensionamento baseado na zona de segurança operacional dos
risers.
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7 PROPOSTAS PARA TRABALHOS
FUTUROS
A metodologia do processo de elaboração da ZOR foi realizada através de um
método aproximado. A sugestão para posteriores trabalhos é então, para uma análise
mais detalhada da ZOR em que se inclua uma análise dinâmica do projeto de risers da
unidade flutuante, na qual se avalia também a influência do carregamento ambiental de
onda. Deste modo, haveriam outros casos de combinações de carregamentos a serem
analisadas, incorporando também o desalinhamento do movimento prescrito a das
correntes e ondas. Além disso, determinados critérios estruturais não foram
considerados no estudo, e podem possuir valores determinantes no projeto.
Outro ponto que pode ser sugerido para próximos estudos é a integração de
risers e do sistema de ancoragem, que não teve concepção no projeto presente. O
modelo dos risers analisado pode ser acrescentado ao sistema de ancoragem e assim,
elaborar o diagrama de offsets. Com este, pode-se cruzar os diagramas e obter um
sistema que possua melhor desempenho, considerando ambos os projetos.
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8 REFERÊNCIAS
[1] Site da Ecodebate:
http://www.ecodebate.com.br/2015/04/08/a-mistificacao-do-pre-sal-estaafundando-o-brasil-artigo-de-jose-eustaquio-diniz-alves/ - Acesso em: 11/08/2015
[2] Site da Wikipedia Pt:
https://pt.wikipedia.org-/wiki/Plataforma_petrol%C3%ADfera - Acesso em:
11/08/2015
[3] Site da Petrobras:
http://www.petrobras.com.br/fatos-e-dados/nove-plataformas-que-vao-ampliara-producao-de-petroleo-no-brasil.htm - Acesso em: 11/08/2015
[4] Site da Oceânica Ufrj:
http://www.oceanica.ufrj.br-/deno/prod_academic/relatorios/2011/NathalieThiago/relat1/-Conteudo.htm - Acesso em: 11/08/2015
[5] Site da Fukymarintech:
http://fukymarintech.weebly.com/mooring-types.html - Acesso em: 11/08/2015
[6] Site da Oceânica Ufrj:
http://www.oceanica.ufrj.br/-deno/prod_academic/relatorios/atuais/DanielQ+Leticia/relat1/fundeio.htm - Acesso em: 11/08/2015
[7] Site da Moveconsult:
http://www.moveconsult.com.br/cabos.php - Acesso em: 11/08/2015
[8] Site da Subsea Worldnews:
subseaworldnews.com - Acesso em: 11/08/2015
[9] Site da Scielo:
http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0101-74382002000300002-&script=sci_arttext - Acesso em: 11/08/2015
[10] Site da Brascabo:
www.brascabo.net - Acesso em: 11/08/2015
[11] API RP 2A - Recommended Practice for Planning, Designing, and
Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design
[12] GIRÓN, A. R. C. – Projeto Integrado de Sistemas de Ancoragem e
Risers em Plataformas Flutuantes de Produção de Petróleo. Tese de Doutorado no
Programa de Pós-Graduação da Engenharia Civil, COPPE da UFRJ, Rio de Janeiro,
2013.
77
[13] Site do LAMCSO:
http://www.lamcso.coppe.ufrj.br-/index.php-/software-/prosim - Acesso em:
11/08/2015
[14] MONTEIRO, B. F. – Otimização do Sistema de Ancoragem através do
Método do Enxame de Partículas com base em uma Metodologia de Projeto
Integrado. Tese de Doutorado no Programa de Pós-Graduação da Engenharia Civil,
COPPE da UFRJ, Rio de Janeiro, 2014.
[15] SENRA, S. F. – Metodologia de Análise e Projeto Integrado de
Sistemas Flutuantes para Explotação de Petróleo Offshore. Tese de Doutorado no
Programa de Pós-Graduação da Engenharia Civil, UFRJ, Rio de Janeiro, 2004.
[16] CHAKRABARTI, S. K. – Hydrodynamics of Offshore Structures
[17] JACOB, B.P., PROSIM- Simulação Numérica do Comportamento de
Sistemas Para Explotação de Petróleo Offshore. Versão Preliminar, Manual Teórico,
LAMCSO/COPPE/UFRJ, Programa de Engenharia Civil, Rio de Janeiro, 2006.
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