( PDF ) Análise de instalação de linhas flexíveis

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ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE LINHAS FLEXÍVEIS

Ricardo Gomes Pereira Bicudo

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa de Pós-graduação em Engenharia

Oceânica, COPPE, da Universidade Federal

do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de Mestre

em Engenharia Oceânica.

Orientadores: Murilo Augusto Vaz

José Renato Mendes de Sousa

Rio de Janeiro

Outubro de 2009

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ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE LINHAS FLEXÍVEIS

Ricardo Gomes Pereira Bicudo

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO

LUIZ COIMBRA DE PÓS–GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM

CIÊNCIAS EM ENGENHARIA OCEÂNICA.

Aprovada por:

____________________________________________________

Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.

____________________________________________________

Dr. José Renato Mendes de Sousa, D.Sc.

____________________________________________________

Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc.

____________________________________________________

Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL.

OUTUBRO DE 2009

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iii

Bicudo, Ricardo Gomes Pereira Bicudo

Análise de instalação de Linhas Flexíveis / Ricardo Gomes

Pereira Bicudo. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2009.

XIV, 97 p.: il.; 29,7 cm

Orientador: Murilo Augusto Vaz,

José Renato Mendes de Sousa

Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de

Engenharia Oceânica, 2009.

Referências Bibliográficas: p.93-97

1. Linhas Flexíveis. 2. Métodos de instalação. 3. Análise

Local. 4. Método dos Elementos Finitos. I. Vaz, Murilo

Augusto, et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

COPPE, Programa de Engenharia Oceânica. III. Titulo.

Aos meus pais, Emilio Luiz e Augusta

Helena, à minha irmã, Paula

AGRADECIMENTOS

Ao professor Murilo Vaz pelo incentivo em todos os momentos, a orientação e

confiança no meu trabalho.

Ao professor Gilberto Bruno Ellwanger e em especial a José Renato Mendes de

Sousa, do Laboratório de Análise e Confiabilidade em Estruturas Offshore (LACEO),

pelo incentivo e contribuição, sem a qual esta dissertação não seria possível.

À Acergy Brasil, a todo seu corpo técnico e a toda tripulação do Acergy Condor pelo

suporte durante a elaboração desta dissertação. Em especial aos engenheiros Luiz

Otávio Ribeiro e Julio Cesar Santos pela amizade e constante incentivo ao longo de

todo esse tempo.

Agradeço também aos poucos amigos que me apoiaram em toda a minha vida, pela

amizade e fidelidade.

À minha namorada Dominique Schmid e a Maria Luiza Schmid pela força,

companheirismo, paciência, compreensão e incentivo durante esses longos anos.

Muito obrigado por existirem.

À toda a minha família. Pelo carinho, enorme paciência e ajuda nos momentos em

que mais precisei, e em especial aos meus pais por terem me dado a vida e me

preparado para ela e por acreditarem em mim, muito mais do que eu próprio

acreditaria. Vocês foram, são e sempre serão um exemplo para mim. Muito obrigado.

À Deus.

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE LINHAS FLEXÍVEIS

Ricardo Gomes Pereira Bicudo

Outubro/2009

Orientadores: Murilo Augusto Vaz

José Renato Mendes de Sousa

Programa: Engenharia Oceânica

Com o aumento da exploração e descobertas de novas reservas de óleo em

águas profundas e ultra-profundas, surgem novos desafios para a utilização de linhas

flexíveis de camadas não aderentes na condução de óleo e gás dos reservatórios às

unidades de produção. Neste trabalho, apresentam-se os equipamentos mínimos

necessários a bordo de navios de lançamento de linhas e os métodos empregados

para instalação destes flexíveis. Além disso, foi avaliada a viabilidade de instalação de

uma linha flexível de 6” integra, sendo as respostas obtidas nas análises globais

avaliadas e comparadas a resultados experimentais e/ou analíticos disponíveis na

literatura. Uma análise local com um modelo baseado no método de elementos finitos

foi conduzida para avaliar o comportamento estrutural da linha flexível sob ação dos

carregamentos de tração e aperto impostos pelos tracionadores durante operação de

lançamento. As respostas obtidas foram utilizadas para a confecção das curvas de

aperto para lançamento sendo discutidos os critérios para confecção das mesmas.

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

INSTALLATION ANALYSIS OF FLEXIBLE LINES

Ricardo Gomes Pereira Bicudo

October/2009

Advisors: Murilo Augusto Vaz

José Renato Mendes de Sousa

Department: Ocean Engineering

With the increased exploration and discovery of new oil reserves in deepwater

and ultra deepwater, new challenges arise to the use of unbounded flexibles in

conducting oil and gas from the reservoirs to the production units. In this work, the

minimum equipment required on board vessels are presented and the methods used

for installation of flexible either. In addition, a feasibility study of installing a flexible 6 "

is done, and the responses from the global analysis evaluated and compared with

experimental results and / or analytical in the literature. A local analysis with a model

based on finite element method was conducted to evaluate the structural behavior of

flexible line under the action of loads of tension and grip imposed by “caterpillars”

during the flexible laying operation. The responses were used to construct the

tightening curves for the flexible laying operation and the criteria used to make them

were also discussed.

viii

ÍNDICE

I. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 1

I.1 ASPECTOS GERAIS ............................................................................................................. 1

I.2 MOTIVAÇÃO E OBJETIVO ..................................................................................................... 5

I.3 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO .................................................................................................... 6

II. LINHAS FLEXIVEIS, SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO E CARREGAMENTO E

SISTEMAS DE LANÇAMENTO ................................................................................................... 7

II.1 LINHAS FLEXÍVEIS .......................................................................................................... 7

II.1.1 Descrição das camadas de uma linha flexível ........................................................ 8

II.1.1.1 Camadas metálicas ........................................................................................ 8

II.1.1.1.1 Carcaça Intertravada ................................................................................. 8

II.1.1.1.2 Armadura de pressão ................................................................................ 9

II.1.1.1.3 Camada de reforço à pressão ................................................................. 10

II.1.1.1.4 Armaduras de tração ............................................................................... 10

II.1.1.2 Camadas Poliméricas................................................................................... 11

II.1.1.2.1 Camada plástica interna .......................................................................... 12

II.1.1.2.1 Camada antidesgaste ............................................................................. 13

II.1.1.2.2 Fita de reforço à compressão .................................................................. 13

II.1.1.2.3 Camadas isolantes .................................................................................. 14

II.1.1.2.4 Camada plástica externa ......................................................................... 14

II.1.2 Atuais Fabricantes ................................................................................................ 14

II.2 SISTEMAS DE MOVIMENTAÇÃO, ARMAZENAMENTO E CARREGAMENTO ............................ 15

II.2.1 Bobinas ................................................................................................................. 17

II.2.2 Cestas ................................................................................................................... 18

II.2.3 Espiras (Coils) ....................................................................................................... 19

II.3 SISTEMAS DE LANÇAMENTO.......................................................................................... 20

II.3.1 Equipamentos ....................................................................................................... 20

II.3.1.1 Bases rotativas (Skid roller) ......................................................................... 20

II.3.1.2 Guinchos motorizados .................................................................................. 21

II.3.1.3 Tracionadores ............................................................................................... 22

II.3.1.3.1 Sapatas ................................................................................................... 24

II.3.1.4 Guinchos ...................................................................................................... 25

II.3.1.5 Calhas e Rodas de Lançamento .................................................................. 26

II.3.1.6 Mesa de trabalho .......................................................................................... 27

II.3.1.7 Pórtico “A-frame” .......................................................................................... 28

II.3.1.8 Guindaste ..................................................................................................... 29

II.3.2 Acessórios ............................................................................................................. 29

II.3.2.1 Colar mecânico ............................................................................................. 30

II.3.2.2 Colar elevador .............................................................................................. 30

II.3.2.3 Insertos ......................................................................................................... 31

II.3.2.4 Acessórios de movimentação de carga ....................................................... 32

II.3.2.4.1 Manilha hidroacústica .............................................................................. 32

II.3.2.4.2 Triplate ..................................................................................................... 33

II.3.3 Métodos de lançamento ........................................................................................ 34

II.3.3.1 Seqüência Típica de Operação .................................................................... 37

II.3.3.2 Determinação da Viabilidade do Lançamento ............................................. 40

III. MODELOS PARA ANÁLISE GLOBAL E LOCAL ............................................................ 44

III.1 ANÁLISE GLOBAL ......................................................................................................... 44

III.2 ANÁLISE LOCAL ........................................................................................................... 46

III.2.1 Carcaça intertravada e armadura de pressão .................................................. 50

III.2.2 Camadas poliméricas ....................................................................................... 51

III.2.3 Armaduras de tração ........................................................................................ 51

III.2.4 Aplicação das cargas e condições de contorno ............................................... 51

IV. ESTUDO DE CASO ........................................................................................................... 53

V.1 BASES DA ANÁLISE ....................................................................................................... 53

IV.1.1. Navio de instalação........................................................................................... 54

IV.1.2. Parâmetros do Flexível ..................................................................................... 57

IV.1.3. Dados Ambientais ............................................................................................. 58

IV.1.4. Análise global estática ...................................................................................... 59

IV.1.5. Análise global dinâmica .................................................................................... 61

IV.1.6. Análise local ...................................................................................................... 63

IV.1.6.1. Análises realizadas ....................................................................................... 63

IV.1.6.2. Análise de tração pura.................................................................................. 65

IV.1.6.3. Análise de aperto .......................................................................................... 67

IV.1.6.3.1. Tracionador com 3 lagartas ..................................................................... 72

IV.1.6.4. Análise de tração e aperto ........................................................................... 78

IV.1.6.5. Curvas de aperto .......................................................................................... 83

V. CONCLUSÕES .................................................................................................................. 90

V.1 CONCLUSÕES FINAIS ................................................................................................... 90

V.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................................... 91

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 93

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA I-1 – GRÁFICO PRODUÇÃO VS CONSUMO DE ÓLEO (BP, 2009). .............................1

FIGURA I-2 – EVOLUÇÃO DAS PROFUNDIDADES AO LONGO DOS ANOS (CLAUSS, 2006). ......2

FIGURA I-3 – TÍPICO ARRANJO SUBMARINO (BOWIE, 2007A). ............................................3

FIGURA I-4 - LINHA FLEXÍVEL DE CAMADA NÃO ADERENTE (WELLSTREAM, 2007). ...............4

FIGURA I-5 – LÂMINAS D’ÁGUA ATUAL E FUTURA DE UTILIZAÇÃO DE LINHAS FLEXÍVEIS COM

DIVERSOS DIÂMETROS (TECHNIP, 2009). .................................................................4

FIGURA I-6 – FLUXOGRAMA PARA PROJETO DE LINHA FLEXÍVEL ESTÁTICA, FLOWLINE (API

RP 17B, 2002). .....................................................................................................5

FIGURA II-1 - LINHA FLEXÍVEL DE PAREDE RUGOSA - ROUGH BORE (API RP 17B, 2002). ....7

FIGURA II-2 - NAVIO PLSV PERTINACIA, (CORTESIA ACERGY). .........................................8

FIGURA II-3- CONFORMAÇÃO DA FITA PARA FORMAÇÃO CARCAÇA (BOWIE, 2007A). ...........9

FIGURA II-4 – COMPARAÇÃO ENTRE OS DANOS OCORRIDOS DURANTE A OPERAÇÃO E

INSTALAÇÃO (PINHO, 2009). ................................................................................ 15

FIGURA II-5 – GUINCHO ESPECIAL, CARREGADOR DE BOBINAS (SUT, 2008) .................... 16

FIGURA II-6 – TRANSFERÊNCIA POR CÁBREA E TRANSFERÊNCIA DIRETA (CORTESIA

ACERGY). ............................................................................................................ 17

FIGURA II-7 - BOBINA (CORTESIA TECHNIP). .................................................................. 17

FIGURA II-8 – CARREGAMENTO DE ENRIJECEDOR DE GRANDES DIMENSÕES EM CESTA

(BOWIE, 2007B) ................................................................................................... 18

FIGURA II-9 – CESTA MOBILIZADA PARA PROJETO, INSTALAÇÃO EXTERNA (BOWIE, 2007B)18

FIGURA II-10 – CESTA VERTICAL E HORIZONTAL (BOWIE, 2007B). .................................. 19

FIGURA II-11 – LINHA FLEXÍVEL ARMAZENADA EM ESPIRAL (BOWIE, 2007D). .................... 19

FIGURA II-12 – SKID ROLLER E DETALHE DO ROLETE DE TRAÇÃO (STOLT OFFSHORE, 1997).

........................................................................................................................... 20

FIGURA II-13– BOBINA ESTAIADA SOBRE SKID ROLLER (STOLT OFFSHORE, 1997). ........... 21

FIGURA II-14 - GUINCHO MOTORIZADO ACOPLADO À BOBINA (CORTESIA ACERGY). .......... 21

FIGURA II-15 – TRACIONADOR DE 4 LAGARTAS (HUISMAN, 2007) .................................... 22

FIGURA II-16 – ESQUEMA HIDRÁULICO DOS ACUMULADORES (SAS, 2002). ...................... 23

FIGURA II-17 – DETALHE DE UMA LAGARTA (HUISMAN, 2007). ......................................... 23

FIGURA II-18 – DETALHE DO ÂNGULO DE ATAQUE DAS SAPATAS (HUISMAN, 2007) ........... 24

FIGURA II-19 – TIPOS DE SAPATA: (A) PLANA, (B) CURVA (“O”) E (C) EM “V” (BOWIE, 2007C).

........................................................................................................................... 25

FIGURA II-20 – GUINCHOS (BODEWES, 2009). ............................................................... 26

FIGURA II-21 – DIVERSOS TIPOS DE CALHAS PARA MANUSEIO DE FLEXÍVEIS (CORTESIA

ACERGY). ............................................................................................................ 26

FIGURA II-22 – RODA DE LANÇAMENTO MONTADA NA POPA (CORTESIA ACERGY). ............ 27

FIGURA II-23 – MESA DE TRABALHO E DETALHES DOS CLAMPS (CORTESIA ACERGY). ....... 28

FIGURA II-24 – DETALHE DE UM A-FRAME (CORTESIA ACERGY). ..................................... 28

FIGURA II-25 – GUINDASTE (CORTESIA ACERGY). .......................................................... 29

FIGURA II-26 – COLAR MECÂNICO (CORTESIA ACERGY). ................................................. 30

FIGURA II-27 – DETALHE DO COLAR ELEVADOR SSD E SUA INSTALAÇÃO EM UMA LINHA

FLEXÍVEL (CORTESIA ACERGY). ............................................................................. 31

FIGURA II-28 – DETALHE DO INSERTO INSTALADO NO CONECTOR .................................... 31

FIGURA II-29 – ACESSÓRIOS DE MOVIMENTAÇÃO E MANUSEIO DE CARGA (CROSBY, 2009)

........................................................................................................................... 32

FIGURA II-30 – DETALHE DA MANILHA HIDROACÚSTICA E SEU ACIONAMENTO (CORTESIA

ACERGY). ............................................................................................................ 33

FIGURA II-31 – DETALHE DE APLICAÇÕES PARA O TRIPLATE (CORTESIA ACERGY). ........... 33

FIGURA II-32 - TÍPICO ARRANJO DE UM PLSV COM SISTEMA HLS (CORTESIA ACERGY). ... 34

FIGURA II-33 – TÍPICO ARRANJO DE UM SISTEMA VLS (API RP17B, 2002). ..................... 35

FIGURA II-34 – MESA DE TRABALHO DE UM PLSV COM SISTEMA TLS (CORTESIA ACERGY).

........................................................................................................................... 36

FIGURA II-35 – SISTEMA DE LANÇAMENTO TLS (CORTESIA ACERGY) .............................. 37

FIGURA II-36 – LINHA FLEXÍVEL ENTRE AS LAGARTAS (BOWIE, 2007B). ............................ 38

FIGURA II-37 – TRACIONADOR “CLAMPEADO” (BOWIE, 2007B) ........................................ 39

FIGURA II-38– ESQUEMA DE UM TRACIONADOR SUPORTANDO UMA LINHA FLEXÍVEL .......... 41

FIGURA III-1– MODELO DE LINHA UTILIZADO PELO ORCAFLEX (ORCINA, 2008) ................. 45

FIGURA III-2 – MODELO DE ELEMENTOS FINITOS (SOUSA,2005). ................................... 49

FIGURA III-3 – CONDIÇÕES DE CONTORNO E APLICAÇÃO DE CARREGAMENTO DE TRAÇÃO E

APERTO NO MODELO DE ELEMENTOS FINITOS ......................................................... 52

FIGURA IV-1 – NOVAS DESCOBERTAS NA BACIA DE SANTOS (CORTESIA ARTE FOLHA) ..... 53

FIGURA IV-2 – REPRESENTAÇÃO DOS 6 GRAUS DE LIBERDADE DE UM NAVIO. ................... 55

FIGURA IV-3 – TELA DO ORCAFLEX™ APRESENTANDO AS RESPOSTAS DO NAVIO PARA

ONDA INCIDENTE A 90 GRAUS: (A) EM AMPLITUDE E (B) EM FASE. ............................. 56

FIGURA IV-4 – PERFIL DE CORRENTEZA UTILIZADO NO MODELO ...................................... 59

FIGURA IV-5 – CONFIGURAÇÃO INICIAL DA CATENÁRIA .................................................... 60

FIGURA IV-6 – VARIAÇÕES DO ÂNGULO DE INCIDÊNCIA DA ONDA ..................................... 61

FIGURA IV-7 – GRÁFICO DA AMPLIFICAÇÃO DINÂMICA VS DIREÇÃO DE INCIDÊNCIA DA ONDA

........................................................................................................................... 62

xii

FIGURA IV-8 – SEÇÃO TRANSVERSAL DA LINHA COMA CONVENÇÃO DOS EIXOS ADOTADAS

........................................................................................................................... 64

FIGURA IV-9 – COMPORTAMENTO À TRAÇÃO DA LINHA FLEXÍVEL (CRUZ, 1996) ............... 65

FIGURA IV-10 - VISTAS DA MALHA UTILIZADA NA ANÁLISE DE TRAÇÃO PURA DA LINHA

FLEXÍVEL DE 6” (D

INT

=152,4MM): (A) ISOMÉTRICA; E (B) FRONTAL. ............................ 66

FIGURA IV-11 – MALHA DE ELEMENTOS FINITOS DESENVOLVIDA PARA ANÁLISE DE APERTO

COM 4 LAGARTAS: (A) VISTA ISOMÉTRICA E (B) VISTA FRONTAL. ............................... 67

FIGURA IV-12 – MALHA DE ELEMENTOS FINITOS DESENVOLVIDA PARA ANÁLISE DE APERTO

COM 3 LAGARTAS: (A) VISTA ISOMÉTRICA E (B) VISTA FRONTAL. ............................... 67

FIGURA IV-13 - VARIAÇÃO DA TENSÃO EM FUNÇÃO DA POSIÇÃO ANGULAR PARA

TRACIONADOR COM 4 LAGARTAS: (A) NAS FIBRAS DA CARCAÇA INTERTRAVADA E (B)

NAS FIBRAS DA ARMADURA DE PRESSÃO. ............................................................... 68

FIGURA IV-14 - VARIAÇÃO DA TENSÃO AO LONGO DA CARCAÇA INTERTRAVADA PARA

TRACIONADOR COM 4 LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NAS FIBRAS SUPERIORES E

FIGURA IV-15 - VARIAÇÃO DA TENSÃO AO LONGO DA ARMADURA DE PRESSÃO PARA

TRACIONADOR COM 4 LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NAS FIBRAS SUPERIORES E

FIGURA IV-16 – CONFIGURAÇÃO DEFORMADA COM TRACIONADOR DE 4 LAGARTAS. ......... 72

FIGURA IV-17 - VARIAÇÃO DA TENSÃO EM FUNÇÃO DA POSIÇÃO ANGULAR NA REGIÃO

CENTRAL DA LINHA FLEXIVEL PARA TRACIONADOR COM 3 LAGARTAS: (A) NAS FIBRAS

DA CARCAÇA INTERTRAVADA E (B) NAS FIBRAS DA ARMADURA DE PRESSÃO. ............. 73

FIGURA IV-18 - VARIAÇÃO DA TENSÃO AO LONGO DA CARCAÇA INTERTRAVADA PARA

TRACIONADOR COM 3 LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NAS FIBRAS SUPERIORES E

FIGURA IV-18 - VARIAÇÃO DA TENSÃO AO LONGO DA ARMADURA DE PRESSÃO PARA

TRACIONADOR COM 3 LAGARTAS: (A) NAS FIBRAS SUPERIORES E (B) NAS FIBRAS

INFERIORES. ........................................................................................................ 75

FIGURA IV-19 – (A) TENSÃO NORMAL NA FIBRA MÉDIA (TENSÃO DE MEMBRANA) E (B)

TENSÃO DE FLEXÃO. ............................................................................................. 76

FIGURA IV-20 – CONFIGURAÇÃO DEFORMADA COM TRACIONADOR DE 3 LAGARTAS. ......... 77

FIGURA IV-22 – DISTRIBUIÇÕES DA TENSÃO NA CARCAÇA INTERTRAVADA, PRÓXIMO A

SEÇÃO MÉDIA, PARA TRACIONADOR COM QUATRO LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B)

NA FIBRA SUPERIOR E (C) NA FIBRA INFERIOR. ........................................................ 79

FIGURA IV-23 - VARIAÇÃO DA TENSÃO NA ARMADURA DE PRESSÃO, PRÓXIMO A SEÇÃO

MÉDIA, PARA TRACIONADOR COM QUATRO LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NAS

FIBRAS SUPERIORES E (C) NAS FIBRAS INFERIORES ................................................. 80

xiii

FIGURA IV-24 – DISTRIBUIÇÕES DA TENSÃO NA CARCAÇA INTERTRAVADA, PRÓXIMO A

SEÇÃO MÉDIA, PARA TRACIONADOR COM TRÊS LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NA

FIBRA SUPERIOR E (C) NA FIBRA INFERIOR. ............................................................. 81

FIGURA IV-25 - VARIAÇÃO DA TENSÃO NA ARMADURA DE PRESSÃO, PRÓXIMO A SEÇÃO

MÉDIA, PARA TRACIONADOR COM TRÊS LAGARTAS: (A) NA FIBRA MÉDIA, (B) NAS FIBRAS

SUPERIORES E (C) NAS FIBRAS INFERIORES ............................................................ 82

FIGURA IV-25 – CURVA DE APERTO PARA TRACIONADOR COM QUATRO LAGARTAS. .......... 87

FIGURA IV-26 – CURVA DE APERTO PARA TRACIONADOR COM TRÊS LAGARTAS. ............... 88

xiv

ÍNDICE DE TABELAS

TABELA II-1 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS AÇOS UTILIZADOS PARA FABRICAÇÃO DA

CARCAÇA (MATWEB, 2009) .....................................................................................9

TABELA II-2 - PERFIS UTILIZADOS NA ARMADURA DE PRESSÃO (API RP 17B, 2002). ........ 10

TABELA II-3 – CARACTERÍSTICAS DE BOBINAS EMPREGADAS PARA ARMAZENAMENTO DE

FLEXÍVEIS............................................................................................................. 17

TABELA II-4 – CARACTERÍSTICAS EM FUNÇÃO DO TIPO DA CESTA .................................... 19

TABELA III-1– ELEMENTOS UTILIZADOS NA MODELAGEM DO FLEXÍVEL .............................. 50

TABELA IV-1 - CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE LANÇAMENTO ...................................... 54

TABELA IV-2 – DESCRIÇÃO DAS CAMADAS DA LINHA FLEXÍVEL 6” (D

INT

=152,4MM) ............. 57

TABELA IV-3 – VALORES CONSIDERADOS PARA PERFIL DE CORRENTEZA ......................... 58

TABELA IV-4 - RESULTADOS DA ANÁLISE ESTÁTICA PARA A EXTREMIDADE DE TOPO .......... 60

TABELA IV-5 – CARREGAMENTOS APLICADAS NAS ANÁLISES ........................................... 64

TABELA IV-6 – TENSÕES NAS CAMADAS METÁLICAS DA LINHA COM CARREGAMENTO DE

TRAÇÃO PURA (2169KN) APLICADO. ...................................................................... 66

TABELA IV-7 – TENSÃO NAS CAMADAS METÁLICAS DA LINHA COM CARREGAMENTO DE

APERTO (209KN) APLICADO. ................................................................................. 71

TABELA IV-8 – TENSÃO NAS CAMADAS METÁLICAS DA LINHA COM CARREGAMENTO DE

APERTO (278KN) APLICADO. ................................................................................. 76

TABELA IV-9 – TENSÃO NAS CAMADAS METÁLICAS DA LINHA COM CARREGAMENTO

SIMULTÂNEO DE TRAÇÃO E APERTO APLICADO. ....................................................... 78

TABELA IV-10 - TABELA DOS CRITÉRIOS DE PROJETO DE LINHAS FLEXÍVEIS SEGUNDO A

NORMA API SPEC 17J (2002). ............................................................................. 85

TABELA IV-11 – COEFICIENTES DE PROPORCIONALIDADE ............................................... 86

CAPÍTULO I

I. INTRODUÇÃO

I.1 Aspectos Gerais

A indústria do petróleo é uma das mais importantes no presente panorama econômico

e seus insumos, os hidrocarbonetos, representam a maior fonte de energia disponível

na atualidade. A produção de petróleo e gás natural manteve-se em crescimento

constante desde 1985 (Figura I-1), acompanhando o consumo energético. Estima-se

que em 2020 os hidrocarbonetos responderão por 56% do abastecimento energético

mundial (Alazard e Montardet, 1993).

1 tonelada = aproximadamente 7,5 barris

Figura I-1 – Gráfico produção vs consumo de óleo (BP, 2009).

Neste contexto, a indústria offshore vem desempenhando papel vital na determinação

do montante das reservas e na produção mundial de petróleo e gás natural. Com o

crescente aumento da demanda mundial por óleo e gás, as grandes empresas do

setor buscam novos campos aumentando as atividades de exploração e produção em

0.0

1000.0

2000.0

3000.0

4000.0

5000.0

6000.0

7000.0

8000.0

9000.0

Milhões de tonelada

Ano

Produção Óleo

Consumo Óleo

águas profundas e ultra-profundas (Figura I-2), onde estão localizadas bacias

sedimentares com alto potencial de produção de hidrocarbonetos.

Figura I-2 – Evolução das profundidades ao longo dos anos (Clauss, 2006).

Nestas profundidades, faz-se necessário o emprego de sistemas flutuantes de

produção ancorados, baseados, principalmente, em navios para a exploração,

armazenamento e escoamento da produção (FPSO

) e plataformas semi-

submersíveis, em contraposição às estruturas fixas que vinham sendo empregadas

em menores lâminas d’água. Tais estruturas flutuantes são posicionadas em locações

previamente definidas com base no arranjo submarino dos campos produtores,

recebendo óleo e/ou gás do poço por meio de dutos rígidos e/ou linhas flexíveis.

Floating Production Storage and Offloading é um tipo de navio utilizado pela indústria petrolífera para

a exploração, armazenamento petróleo e/ou gás natural e escoamento da produção por navios

aliviadores. São utilizados em locais de produção distantes da costa com inviabilidade de ligação por

oleodutos ou gasodutos.

Existem dois tipos de dutos para o transporte de fluidos na indústria petrolífera: os

dutos estáticos ou flowlines, os quais são assentados no fundo do mar para escoar

óleo e/ou gás do poço até o manifold

e/ou para injetar água nos poços e/ou para

interligar poços (piggy-back

); e os dutos dinâmicos ou risers, que partem do solo

marinho até as unidades estacionárias de produção (UEP), como apresentado

esquematicamente na Figura I-3.

Figura I-3 – Típico arranjo submarino (Bowie, 2007a).

Amplamente empregadas no Brasil em sistemas antecipados de produção, sistemas

de escoamento e transferência de óleo e gás e sistemas de injeção de água e gás, as

linhas flexíveis desempenham importante papel no cenário offshore brasileiro. Existem

basicamente dois tipos de linhas flexíveis:

 Linhas de camadas aderentes, que têm como principal característica a

vulcanização dos seus componentes metálicos em uma matriz de elastômero.

 Linhas de camadas não-aderentes (Figura I-4), que se caracterizam pelo livre

deslizamento de suas camadas umas em relação às outras.

Manifold é um tipo de equipamento coletor e distribuidor de fluidos em um sistema de produção ou

injeção, composto de valvulas de acionamento mecanico, hidraulico e/ou elétrico

Piggy-back é um configuração em que duas árvores de natal submarinas são ligadas

uma à outra, isto é instaladas em série.

Figura I-4 - Linha flexível de camada não aderente (Wellstream, 2007).

Um dos principais desafios tecnológicos para exploração comercial dos campos

situados em grandes lâminas d’água tem sido a limitação tecnológica das linhas

flexíveis de camada não aderente, objeto desta dissertação. Os grandes fabricantes

mundiais têm investido constantemente ao longo dos últimos anos em projetos e

desenvolvimento de protótipos buscando certificação para lâminas d’água de até

3000m tendo em vista a atual limitação técnica e/ou econômica, no que diz respeito,

por exemplo, ao diâmetro máximo oferecido e à capacidade máxima de resistência à

pressão externa conforme apresentado na Figura I-5.

Figura I-5 – Lâminas d’água atual e futura de utilização de linhas flexíveis com

diversos diâmetros (Technip, 2009).

I.2 Motivação e Objetivo

Desde a descoberta de óleo na Bacia de Campos, a utilização de linhas flexíveis vem

mostrando sua versatilidade e confiabilidade nas aplicações offshore. Com a maior

rede de linhas flexíveis instaladas no mundo, a PETROBRAS busca desenvolver

tecnologias que tornem seu emprego em águas ultra profundas economicamente

viável.

A viabilidade técnica para instalação de flexíveis em lâminas d’águas cada vez mais

profundas fica a cargo das empresas especializadas (instaladoras) que sempre

buscam inovação tecnológica em facilidades e sistemas para manuseio,

armazenamento e instalação de linhas flexíveis, tornando realidade o desenvolvimento

offshore.

Dessa forma, com base no estágio 5 (Figura I-6) do fluxograma apresentado pela API

RP 17B (2002) no que tange projeto de instalação, esta dissertação tem por objetivo

principal estudar e discutir todas as etapas propostas pela norma.

Figura I-6 – Fluxograma para projeto de linha flexível estática, flowline (API RP 17B,

2002).

Para atingir os objetivos propostos, foram apresentados em detalhes os métodos de

lançamento existentes e atualmente disponíveis no mercado para instalação de linhas

flexíveis.

Um estudo de caso, com uma linha flexível de 6”, foi realizado com as análises globais

realizadas através do programa comercial ORCAFLEX™ e as análises locais através

do programa RISERTOOLS (SOUSA, 2005) e ANSYS™ .

Com base nos resultados obtidos na análise global, foram impostos os carregamentos

de tração e compressão radial, simultaneamente e isoladamente, em um modelo em

elementos finitos da linha flexível estudada. O comportamento da linha flexível foi

então analisado e os resultados interpretados e apresentados na forma de gráficos,

chamados de curva de aperto.

As curvas de aperto definem graficamente o envelope de carregamentos admissíveis,

relacionando tração e aperto (crushing), durante a instalação de linhas flexíveis

considerando a capacidade das estruturas e as características do sistema de

lançamento empregado. Sendo indispensáveis para qualquer operação de

lançamento, tais curvas são exclusivas para determinado conjunto (navio e sistema de

lançamento) tendo sempre que o fabricante ser consultado caso haja necessidade de

alteração nas premissas para elaboração das mesmas.

I.3 Organização do texto

O texto do trabalho está dividido em capítulos, estruturados na seqüência apresentada

a seguir:

No Capítulo II, é feita uma descrição geral das linhas flexíveis e suas classificações. É

detalhada sua estrutura interna, explicando a função e comportamentos de cada

camada. Ainda no Capítulo II, são apresentados os sistemas de armazenamento de

linhas flexíveis e os sistemas de lançamento atualmente existentes, além das

premissas de cálculo.

O Capítulo III indica o modelo utilizado para análise global no programa

ORCAFLEX™, e é feita a descrição do modelo de elementos finitos empregado,

elaborado através do RISERTOOLS (SOUSA, 2005).

O Capítulo IV, escopo principal deste trabalho, apresenta os resultados obtidos

através dos modelos numéricos descritos no Capítulo III.

No Capítulo V, são apresentadas as principais conclusões e sugestões para trabalhos

futuros. Assim, acredita-se contribuir para uma melhor compreensão dos

procedimentos e métodos de análise voltados para a instalação de linhas flexíveis.

CAPÍTULO II

II. LINHAS FLEXIVEIS, SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO E

CARREGAMENTO E SISTEMAS DE LANÇAMENTO

II.1 Linhas Flexíveis

A linha flexível é uma estrutura composta por diversas camadas metálicas e

poliméricas que, trabalhando solidariamente, propiciam resistência e estanqueidade

sem comprometer a necessária flexibilidade para a condução de diversos fluidos da

indústria de petróleo, principalmente, na produção de petróleo no mar (offshore)

(SOUSA, 2005).

Sua construção modular (Figura II-1), onde as diversas camadas são independentes

porém projetadas para interagir umas com as outras, permite que cada camada possa

ser fabricada de forma individualizada e independente, ajustada para melhor atingir os

objetivos específicos de determinado projeto.

Figura II-1 - Linha flexível de parede rugosa - rough bore (API RP 17B, 2002).

A modularidade, flexibilidade e facilidade de instalação propiciaram o crescimento da

utilização das linhas flexíveis pela indústria de óleo e gás nas últimas décadas. Tais

propriedades permitiram aos grandes operadores desenvolver junto aos fabricantes

estruturas especificas para as necessidades de seus campos petrolíferos, adequando

a linha ao fluido transportado.

A facilidade de armazenamento em bobinas ou cestas de pequenos diâmetros

propiciou as condições necessárias para realização de grandes campanhas utilizando

navios de lançamentos (PLSV

) capazes de instalar linhas flexíveis em grandes

profundidades (Figura II-2).

Figura II-2 - Navio PLSV Pertinacia, (Cortesia Acergy).

II.1.1 Descrição das camadas de uma linha flexível

As linhas flexíveis de camadas não-aderentes possuem camadas independentes, isto

é, são justapostas ou extrusadas umas sobre as outras e dimensionadas para

interagir, conferindo à linha a propriedade de resistir a diversos tipos de

carregamentos, aos quais essas estruturas são submetidas ao longo de sua vida útil

(SOUSA, 2005).

Serão apresentadas a seguir as diversas camadas constituintes de uma linha flexível.

II.1.1.1 Camadas metálicas

II.1.1.1.1 Carcaça Intertravada

É, geralmente, a camada mais interna da linha flexível, sendo obtida através da

conformação plástica de uma ou duas fitas metálicas sobre mandril. Possui pequeno

Pipe Laying Support Vessel é um tipo de navio utilizado pela indústria petrolífera dotado de facilidades

e equipamentos para o manuseio e instalação de linhas flexiveis.

passo e folgas em seu intertravamento (Figura II-3). Suas principais funções são evitar

o colapso da camada plástica interna devido à descompressão rápida, permitir a

utilização de componentes metálicos como pig’s

e garantir a estrutura uma maior

capacidade de compressão radial.

Figura II-3- Conformação da fita para formação carcaça (Bowie, 2007a).

As características físico-químicas do fluido a ser transportado são fator determinante

da escolha do tipo de aço a ser empregado para confecção da carcaça. Em geral, com

o aumento da agressividade do fluido interno, o tipo de aço adequado para a carcaça

intertravada passa gradativamente do aço carbono para o aço-liga com alto teor de

níquel (SOUSA, 2005).

A Tabela II-1 apresenta os materiais normalmente empregados para sua confecção e

suas propriedades conforme API RP 17B (2002).

Tabela II-1 - Propriedades mecânicas dos aços utilizados para fabricação da carcaça

(Matweb, 2009)

Tipo de Aço

Módulo de

elasticidade

(GPa)

Tensão de

escoamento

(MPa)

Ruptura

Tensão

(MPa)

Deformação

(%)

Aço carbono

ASTM A36

200

250

400 - 550

Aço inoxidável

ferrítico

AISI 409

200

238

448

AISI 430

200

205

620

Aço inoxidável

austenítico

AISI 304

193-200

215

505

AISI 304L

193 - 200

210

564

AISI 316

193

290

580

AISI 316L

193

290

560

Aço inoxidável

duplex

UNS

S31803

190

448

621

Aço liga com alto

teor de níquel

N08825

195

241

586

II.1.1.1.2 Armadura de pressão

Constituída de aço carbono, é uma camada opcional, obtida através da conformação

plástica de dois arames em espiral de pequeno passo sobre a camada plástica interna.

Pig é um raspador de diametro interno de uma tubulação deslocado de um ponto de lançamento a um

ponto de coleta pela pressão de fluxo da linha.

Suas principais funções são prover a estrutura de rigidez radial e resistir a pressão

interna.

A Tabela II-2 apresenta a correlação entre alguns dos diversos perfis existentes no

mercado e seus fabricantes.

Tabela II-2 - Perfis utilizados na armadura de pressão (API RP 17B, 2002).

Fabricante

Perfil

Tipo

Formato

Technip

Teta

Teta com

grampo

Zeta

Wellstream

Flexlok

NKT

II.1.1.1.3 Camada de reforço à pressão

Camada opcional, obtida através da conformação plástica de perfis retangulares de

aço carbono sobre a armadura de pressão. Sua principal função é incrementar a

rigidez radial da estrutura, diminuindo assim a carga atuante sobre a armadura de

pressão e a carcaça intertravada.

II.1.1.1.4 Armaduras de tração

Sempre em número par, esta camada é obtida através do enrolamento de arames de

aço carbono com seções transversais retangulares em camadas com direções

opostas. Sua principal função é prover a estrutura de rigidez axial e à torção. Seu

baixo ângulo de assentamento, entre 20° e 55°, permite o deslocamento dos arames

quando submetidos a esforços de flexão. O ângulo de assentamento desta camada

determina o balanço entre a rigidez axial e radial da estrutura (SOUSA, 2005).

II.1.1.2 Camadas Poliméricas

De acordo com MANO e MENDES (1999), polímeros são macromoléculas

caracterizadas pelo seu tamanho, estrutura química e interações intra e

intermoleculares. Para fins de engenharia, é importante classificar os polímeros

segundo o comportamento mecânico e sua solubilidade ou fusibilidade. Os polímeros,

quanto ao comportamento mecânico, podem ser classificados como (MANO e

MENDES, 1999):

• Borrachas ou elastômeros: materiais macromoleculares que exibem

elasticidade em longa faixa à temperatura ambiente.

• Plásticos: materiais macromoleculares que, embora sejam sólidos no estado

final, em algum estágio do processamento podem se tornar fluidos e moldáveis

por ação isolada ou conjunta de calor e pressão.

• Fibras: macromoléculas lineares, orientadas longitudinalmente, com estreita

faixa de extensibilidade parcialmente reversível (como os plásticos). Resistem

a variações de temperatura entre -50 e 150°C sem alteração substancial das

propriedades mecânicas e, em alguns casos, são infusíveis. Possuem, ainda,

pequena seção transversal, elevada relação entre o comprimento e o diâmetro

e alta flexibilidade.

Quanto à solubilidade ou fusibilidade, os polímeros se dividem em (MANO, 1996):

• Termoplásticos: polímeros que podem ser reversivelmente aquecidos e

resfriados, passando respectivamente de massas fundidas a sólidos. Podem,

ainda, ser processados por métodos tradicionais tais como laminação, injeção

ou extrusão. Para maiores detalhes sobre estes métodos recomenda-se MANO

e MENDES (1999) ou BILLMEYER (1984).

• Termorrígidos: plásticos que fundem quando aquecidos, porém, nesse

estado, sofrem reações químicas que causam a formação de ligações cruzadas

intermoleculares restando uma estrutura reticulada infusível e insolúvel.

Nas linhas flexíveis de camadas não-aderentes, são usualmente empregados

plásticos e fibras. Sendo assim, os plásticos utilizados devem atender aos seguintes

requisitos (BERGE et al., 1992):

• Características mecânicas (tensão e deformação de ruptura e módulo de

Young) adequadas.

• Boa resistência à fadiga.

• Boa resistência ao desgaste e à abrasão.

• Baixa permeabilidade, absorção e resistência química em relação aos fluidos

interno e externo.

• Boa resistência à deformação lenta e à relaxação.

• Boa resistência à formação de vesículas (blistering ou empolamento).

Deve-se lembrar, no entanto, que estas propriedades são função da temperatura e da

pressão às quais esses plásticos são submetidos (STEVENSON e CAMPION, 1995).

Em se tratando de fibras, a fibra de vidro e as fibras avançadas têm sido utilizadas na

construção de linhas flexíveis de camadas não-aderentes. Fibras avançadas são

aquelas que possuem elevada rigidez específica, isto é, elevada relação entre o

módulo de elasticidade e o peso específico, bem como elevada resistência específica,

ou seja, elevada relação entre a tensão de ruptura e o peso específico. Com o uso

dessas fibras permite-se um melhor assentamento das camadas plásticas sobre as

armaduras metálicas. Reduz-se, assim, o desgaste e a possível extrusão destas

camadas poliméricas nas camadas metálicas e evita-se a flambagem dos arames da

armadura de tração quando esses estão submetidos à compressão axial prevenindo-

se o fenômeno de birdcaging (API RP 17B, 2002).

II.1.1.2.1 Camada plástica interna

Extrusada sobre a carcaça no caso de linhas de produção ou sobre um mandril no

caso de linhas de injeção. Sua função é garantir a estanqueidade da linha evitando

que o fluido transportado permeie para as outras camadas. Esta camada deve resistir

ao ataque químico, abrasão e corrosão oriunda dos fluidos transportados.

Os materiais normalmente empregados para sua confecção são (API RP 17B, 2002):

 HDPE – Polietileno de alta densidade

 XLPE – Crosslink polietileno

 PA-11 – Poliamida 11 (nylon 11™)

 PA-12 – Poliamida 12 (nylon 12™)

 PVDF – Poli(fluoreto de vinilideno)

II.1.1.2.1 Camada antidesgaste

É uma camada opcional extrusada sobre a armadura de pressão. Sua principal função

é reduzir o desgaste por fricção que ocorre entre camadas metálicas adjacentes. São

utilizados polímeros com característica de resistência ao desgaste, sendo

recomendado HDPE, XLPE, PA 11, PA 12 ou PVDF (API RP 17B, 2002).

II.1.1.2.2 Fita de reforço à compressão

Com a explotação de petróleo atingindo lâminas d’água cada vez mais profundas, a

compressão axial sobre as linhas flexíveis pode se tornar significativa. Este tipo de

carga pode gerar a expansão radial excessiva dos arames das armaduras de tração,

levando-os à instabilidade e provocando o fenômeno conhecido como birdcaging ou

“gaiola de passarinho” (SOUSA, 2005).

Para prevenir o birdcaging, os fabricantes passaram a assentar uma camada

polimérica constituída por fibras de aramida (kevlar29™ ou kevlar49™) sobre a

armadura de tração externa (NOVITSKY e SERTÃ, 2002). Desta forma, aumenta-se a

resistência e a rigidez da linha flexível à compressão.

Usualmente estas fitas de reforço somente são empregadas tanto em linhas

dinâmicas (risers) como em linhas estáticas (flowlines).

II.1.1.2.3 Camadas isolantes

Têm por objetivo de evitar a formação de hidratos, parafinas e emulsões que podem

bloquear a passagem do fluido transportado ou ainda reduzir sua viscosidade

aumentando a potência de bombeio (JIAN, 2000). São camadas extrusadas ou

aplicadas (SZ foam) localizadas sobre as armaduras de tração cujas propriedades

físicas e geométricas variam em função do coeficiente de transferência de calor

(Overhall Heat Transfer Coefficient - OHTC) especificado para o projeto mesmo no

caso de falha da camada plástica externa.

A API RP 17B (2002) recomenda o polipropileno (PP), o policloreto de vinila (PVC) e o

poliuretano (PU).

II.1.1.2.4 Camada plástica externa

A camada plástica externa é extrusada sobre as armaduras de tração servindo para

mantê-las na posição correta, além de proteger a linha flexível contra abrasão, danos

externos (impacto de ferramentas durante a instalação, impactos com o solo marinho

etc), corrosão e ajudar no isolamento térmico da linha. A espessura da camada deve

ser, portanto, suficiente para atender a essas funções e, além disso, minimizar a

possibilidade de falha por extrusão da camada nos interstícios da armadura externa de

tração. Tendo em vista todas estas características, a API RP 17B (2002) sugere a

utilização de HDPE, PA 11 ou PA 12.

II.1.2 Atuais Fabricantes

Localizadas estratégicamente, próximas aos grandes consumidores, existem hoje no

mercado cinco grandes fabricantes de linhas flexíveis, são eles:

 NKT, com fábrica em Kalunborg (Dinamarca). Limitada ao diâmetro maximo de

8” para 1000m de lâmina d’agua. Em processo de certificação de linhas para

2000m.

 Wellstream International, com fábricas em Newcastle (Inglaterra) e Niterói.

Apresenta diâmetros já qualificados para 2000m de lâmina d’agua.

 Technip é lider mundial, com fábricas em Le trait (França) e Vitória.

 Deepflex, sediada em Michigan (Estados Unidos da America) utiliza materiais

compósitos em substituição ao aço na confecção de suas linhas.

 Prysmian, usualmente operando somente com umbilicais de controle e cabos

de potência, encontra-se ampliando sua fábrica de Vitória para confecção de

linhas flexíveis.

II.2 Sistemas de Movimentação, Armazenamento e Carregamento

Para todo manuseio, armazenamento, transporte e carregamento de linhas flexíveis é

necessário o emprego de sistemas especificamente projetados para esta finalidade.

Desta forma, evitam-se danos às linhas flexíveis que impliquem em substituição do

trecho danificado ou as perdas de óleo e gás, que podem gerar custos elevados à

operadora e muitas vezes ao meio ambiente.

Na Figura II-4, é apresentada uma comparação da ocorrência de danos em linhas

flexíveis durante as fases de operação e instalação. Como pode ser observado, a

maior parte das ocorrências é registrada durante a instalação da linha (O'BRIEN e

PICKSLEY, 2001).

Figura II-4 – Comparação entre os danos ocorridos durante a operação e instalação

(PINHO, 2009).

A etapa de movimentação de linhas flexíveis em bobinas permite a utilização de

guindastes convencionais sobre rodas ou esteira e/ou “guinchos” especiais (Figura II-

5), montados sobre rodas e com grande capacidade de movimentação em locais

restritos.

Figura II-5 – Guincho Especial, carregador de bobinas (SUT, 2008)

A Figura II-7 apresenta as duas formas possíveis para carregamento (load-out) de um

PLSV, que são:

 Por transferência direta: A linha é desenrolada da bobina de estocagem e/ou

cesta diretamente para o sistema de armazenamento do navio, que pode ser

do tipo cesta ou bobina. Esses elementos são descritos mais adiante.

 Por troca de bobina: Um guindaste flutuante (cábrea) realiza a retirada e/ou

colocação diretamente sobre o convés do navio, atentando para a polaridade

da linha flexível.

Polaridade é o sentido a ser respeitado em um lançamento, garantindo assim a posição dos acessórios.

Figura II-6 – Transferência por Cábrea e Transferência Direta (Cortesia Acergy).

II.2.1 Bobinas

As bobinas são normalmente empregadas para o armazenamento de tramo de linha

flexível curto e cujo acessório (restritor de curvatura, enrijecedor, conector, etc) não

seja de grande dimensão, pois seu armazenamento junto ao flange externo é crítico

(Figura II-7).

Figura II-7 - Bobina (Cortesia Technip).

A Tabela II-3 apresenta os flanges padrão encontrados atualmente no mercado, com

capacidades de carga variando até 400 toneladas.

Tabela II-3 – Características de bobinas empregadas para armazenamento de

flexíveis.

Tipo

bobina

Ø Flange

ext. (m)

Ø Tambor

int. (m)

Peso

vazio (t)

Capacidade de

carga onshore

(t)

Capacidade de

carga offshore

(t)

7,8

4,4

220

170

8,6

4,4

264

200

9,2

4,4

255

140

100

5,0

235

140

114

11,4

5,4

225

140

II.2.2 Cestas

São dispositivos rotatórios, particionados ou não, usualmente empregados para o

armazenamento de vários tramos longos de linhas flexíveis (Figura II-8), e cujos

acessórios (restritores de curvatura, enrijecedores, conectores, etc) sejam de grandes

dimensões. As cestas são capazes de armazenar até 3000 toneladas de produto

(linhas flexíveis e acessórios) em seu interior.

Figura II-8 – Carregamento de enrijecedor de grandes dimensões em cesta (Bowie,

2007b)

As cestas podem ser equipamentos permanentes de determinado PLSV ou podem ser

mobilizadas para projetos específicos, neste caso ficando externas (Figura II-9).

Figura II-9 – Cesta mobilizada para projeto, instalação externa (Bowie, 2007b)

Existem dois tipos de sistemas de bobinamento (spooling) para cestas: horizontal e

vertical. Dependendo do tipo da cesta empregada, o armazenamento deverá atender a

determinadas premissas básicas. A Figura II-10 apresenta os tipos de cestas

existentes e a Tabela II-4 mostra um comparativo entre os dois tipos existentes.

Figura II-10 – Cesta Vertical e Horizontal (Bowie, 2007b).

Tabela II-4 – Características em função do tipo da cesta

Vertical (spool)

Horizontal (Basket)

Empacotamento mais coeso

Empacotamento ineficiente

Terminações no topo

Terminações nem sempre acessíveis

Necessita tracionador

Sem risco de queda / Sem tração

Utilizada sobre o convés

Utilizada sob convés

Maior tempo para empacotamento

Menor tempo para empacotamento

II.2.3 Espiras (Coils)

As espiras, como as da Figura II-11, são normalmente empregadas para o

armazenamento de tramos muito curtos de linhas flexíveis, cuja instalação seja

realizada com auxílio de guindaste e assistida por veiculo de intervenção remota e/ou

mergulho saturado.

Figura II-11 – Linha flexível armazenada em espiral (Bowie, 2007d).

II.3 Sistemas de Lançamento

Com configurações variando de várias bobinas à cestas, de sistemas horizontais

simples a complexos sistemas verticais híbridos, os sistemas lançamento atuais são

capazes de movimentar com segurança desde linhas singelas até 3 linhas flexíveis

simultaneamente (bundles).

II.3.1 Equipamentos

A seguir, serão apresentados os principais componentes dos sistemas de lançamento

que equipam os atuais PLSV’s, podendo tais componentes serem instalados em

diversas configurações para permitir a instalação de linhas flexíveis em dezena de

metros de lâmina d’água ou em águas ultra-profundas.

II.3.1.1 Bases rotativas (Skid roller)

Trabalhando em conjunto com um ou mais tracionadores, este sistema apresenta as

bobinas apoiadas sobre um skid com roletes, como os da Figura II-12. O lançamento

e/ou recolhimento é realizado pelo tracionador cabendo ao skid roller o

acompanhamento. Para tal, o próprio skid roller apresenta dois ou quatro roletes

providos de tração hidráulica e/ou elétrica que tracionam a linha flexível.

Figura II-12 – Skid roller e detalhe do rolete de tração (Stolt Offshore, 1997).

Este equipamento não é capaz de resistir a esforços elevados de tração uma vez que

opera com a bobina de forma bem simples, apenas apoiada sobre o skid. Tal

configuração necessita de estaiamento do conjunto, conforme Figura II-13, visando

garantir a estabilidade e prover maior atrito dos roletes com a pista do flange externo.

Figura II-13– Bobina estaiada sobre skid roller (Stolt Offshore, 1997).

II.3.1.2 Guinchos motorizados

Os guinchos motorizados operam sem auxílio de tracionadores, sendo as bobinas

(Figura II-14) que operam com este sistema maiores e mais pesadas. Este sistema

não necessita de estaiamento para operação sendo capazes de resistir a elevados

esforços de tração.

Figura II-14 - Guincho motorizado acoplado à bobina (Cortesia Acergy).

II.3.1.3 Tracionadores

Podem ser utilizados de maneira singela ou agrupados em dois ou três módulos (in

tandem), oferecendo assim o triplo da capacidade nominal de cada equipamento.

Basicamente, são máquinas eletro-hidráulicas, providas de dois, três ou até quatro

lagartas (tracks) montados em estruturas independentes tendo como funções

principais:

 Sustentar o peso do flexível de maneira controlada durante o lançamento (pay-

out) e recolhimento (take-up) sem afetar a integridade e desempenho da

estrutura movimentada;

 Segurar o produto durante paradas, permitindo o trabalho seguro junto à linha

flexível, como no caso da conexão dos guinchos de abandono e recolhimento;

 Permitir o controle da velocidade de abandono e recolhimento, além de permitir

o ajuste da força de compressão radial uniforme aplicada à linha flexível;

O tracionador é baseado no principio do paralelogramo, onde as lagartas podem se

mover paralelamente ao eixo longitudinal da linha flexível através da atuação de

cilindros hidráulicos, conforme Figura II-15. Os elementos de contato entre as lagartas

e a linha flexível são as sapatas, que se encontram afixadas às correntes. No item

II.3.1.3.1, será visto com mais detalhes os mais variados tipos de sapatas.

Figura II-15 – Tracionador de 4 lagartas (Huisman, 2007)

Além de permitir aproximar e afastar as lagartas da linha flexível, os cilindros

hidráulicos são os responsáveis pela aplicação do crushing. Esses cilindros hidráulicos

são providos de acumuladores capazes de compensar imperfeições na superfície do

flexível e servir de amortecedor para o sistema hidráulico conforme Figura II-16.

Figura II-16 – Esquema hidráulico dos acumuladores (SAS, 2002).

Cada uma das correntes possui o seu respectivo motor elétrico acoplado através de

uma caixa redutora e um conjunto de freio, conforme Figura II-17. Cada conjunto deste

é suportado por uma estrutura independente (frame). Assim, os quatro frames,

referente as quatro lagartas, são montados em uma estrutura maior (frame principal)

que prove ao conjunto o suporte lateral necessário.

Figura II-17 – Detalhe de uma lagarta (Huisman, 2007).

Durante as operações de lançamento e/ou recolhimento de linhas flexíveis, a carga da

linha é distribuída uniformemente entre os tracionadores, no caso de montagem in

tandem, e entre cada lagarta individual de um mesmo tracionador por meio de um

controle eletrônico de monitoramento. O objetivo é manter sempre o equilíbrio de

cargas no sistema de lançamento. Caso o motor elétrico de uma das lagartas

apresente aumento de torque (medido através da corrente nominal), a velocidade

referente aquele motor será reduzida (quando em recolhimento) ou aumentada

(quando em lançamento) de forma a transferir mais carga para as outras três lagartas

do mesmo tracionador.

Visando garantir um perfeito acoplamento e/ou desacoplamento da sapata à capa

externa da linha flexível, ambas as extremidades das lagartas (entrada/saída)

apresentam suas últimas sapatas montadas com leve inclinação fazendo uma

transição suave das sapatas e impedindo danos maiores à capa externa, conforme

Figura II-18.

Figura II-18 – Detalhe do ângulo de ataque das sapatas (Huisman, 2007)

II.3.1.3.1 Sapatas

Montadas ao longo das lagartas, as sapatas são o elemento de contato entre os

tracionadores e a linha flexível. Fabricadas em polímeros ou ligas metálicas, as

sapatas encontram-se disponíveis no mercado nos formatos: plano, curva (“O”) e em

“V” (Figura II-19).

(a)

(b)

(c)

Figura II-19 – Tipos de sapata: (a) plana, (b) curva (“O”) e (c) em “V” (Bowie, 2007c).

Para o caso especifico de lançamento de linhas flexíveis, as sapatas metálicas e em

formato “V”, com ângulos de abertura entre 120° e 160° como as da Figura II-19c, são

as mais empregadas.

Alguns sistemas de lançamento vertical híbridos, capazes de operar tanto com linhas

flexíveis como com dutos rígidos, utilizam sapatas poliméricas, cuja premissa é

aumentar o atrito com a superfície externa do duto. Porém, para linhas flexíveis, isto

não é de grande valia uma vez que os menores atritos são encontrados entre as

camadas internas da linha flexível.

II.3.1.4 Guinchos

Projetado para o uso offshore, o guincho principal de abandono e recolhimento -

guincho A&R - (Figura II-20) opera em conjunto com os tracionadores (no caso de

sistema in tandem), sendo parte constituinte do sistema de lançamento. Deve possuir

capacidade de carga igual ou maior do que a carga máxima de projeto dos

tracionadores, garantindo, dessa forma, a transferência da carga e a realização de

manobras de abandono e recolhimento de linhas flexíveis no leito marinho. Em navios

capazes de lançar mais de uma linha simultaneamente (bundle) existe um guincho

principal para cada sistema de lançamento (firing line).

Existem a bordo dos PLSV´s outros guinchos de menor capacidade, chamados de

guinchos auxiliares. Sua função principal é auxiliar os operadores de lançamento em

manobras de convés, através do estaiamento de equipamentos durante manobras de

overboarding até a total submersão, instalação de acessórios, deflexão de cabos,

entre outras.

Figura II-20 – Guinchos (Bodewes, 2009).

II.3.1.5 Calhas e Rodas de Lançamento

Projetadas para atender as recomendações do fabricante, as calhas são instaladas

nos navios e em instalações em terra, conforme Figura II-21, para auxiliar tanto no

carregamento (load-out) como na instalação. Devem ter a superfície de contato com o

flexível de material não abrasivo e isenta de corrosão e cantos vivos. Visando reduzir o

atrito, é comum a aspersão de água nas calhas durante as manobras com linhas

flexíveis.

Figura II-21 – Diversos tipos de calhas para manuseio de flexíveis (Cortesia Acergy).

Quando as cargas e/ou os parâmetros de instalação impeçam o uso de calhas,

grandes polias, chamadas de roda de lançamento, são instaladas conforme figura II-

22.

Figura II-22 – Roda de lançamento montada na popa (Cortesia Acergy).

II.3.1.6 Mesa de trabalho

É uma plataforma de trabalho móvel (working table) que permite o acesso à linha

flexível na projeção vertical da roda de lançamento para realização de conexões

intermediárias, instalação de módulos de conexão vertical e acessórios como colares

de ancoragem, colares batente, colares de anodos e PLET

. A Figura II-27 mostra uma

mesa de um PLSV com os clamps que servem de base para o apoio dos insertos

permitindo a transferência de carga do sistema de lançamento (tracionadores e/ou

guinchos) para a estrutura da mesa com segurança. O clamp pode ser fixo, móvel, bi-

partido articulado ou aberto.

Pipe Line End Termination é um tipo de estrutura que permite a conexão vertical direta de linhas

flexivies a dutos rígidos.

Figura II-23 – Mesa de trabalho e detalhes dos clamps (Cortesia Acergy).

II.3.1.7 Pórtico “A-frame”

É um pórtico pivotado, conforme Figura II-24, provido de sistema hidráulico de

acionamento, localizado sobre a roda de lançamento. Dotado de polias e/ou guinchos

em sua parte superior para assistir as manobras de inboarding

e/ou overboarding

permite aos operadores de lançamento realizar manobras de transferência de carga

de forma mais rápida e segura.

Figura II-24 – Detalhe de um A-Frame (Cortesia Acergy).

Inboarding é o nome dado a operação de recolhimento de linhas e/ou equipamento do mar para o

convés do navio com auxilio de equipamento de movimentaçào de carga.

Overboarding é o nome dado a operação de transposição de linhas e/ou equipamento do convés para

o mar com auxilio de equipamento de movimentaçào de carga.

II.3.1.8 Guindaste

Equipamento utilizado para elevação e a movimentação de cargas a bordo da

embarcação (Figura II-25). Normalmente, os PLSV´s possuem mais de um guindaste

com diferentes capacidades e funções. Indispensável à atividade de lançamento de

linhas flexíveis, eles operam junto com o sistema de lançamento em manobras de

conexão vertical direta, inboarding e/ou overboarding, posicionamento e

remanejamento de extremidades no leito marinho entre outras. Desempenham papel

secundário auxiliando na movimentação de acessórios de grandes diâmetros

(enrijecedores, caixas de emendas, etc.) quando da passagem destes por entre os

tracionadores evitando danos a estrutura da linha flexível.

Figura II-25 – Guindaste (Cortesia Acergy).

II.3.2 Acessórios

Buscando a garantia de uma operação segura e eficaz, a indústria do petróleo vem, ao

longo dos anos, desenvolvendo e aperfeiçoando acessórios para a movimentação de

linhas flexíveis e dutos rígidos. Abaixo seguem alguns destes acessórios muito

utilizados durante operações rotineiras em PLSV’s.

II.3.2.1 Colar mecânico

Utilizado para sustentação de dutos rígidos durante manutenção e troca de seus risers

flexíveis, sua instalação ocorre na mesa de trabalho ainda com o duto suportado pelo

sistema de lançamento (tracionador e/ou guincho). Sua instalação é realizada com o

duto rígido na mesa de trabalho e para tal manobra utiliza-se o pórtico A-frame com

seus guinchos para sustentar o colar (Figura II-26) e permitir a transferência da carga

para sua estrutura liberando o sistema de lançamento e garantindo acesso seguro aos

operadores a extremidade do duto rígido para intervenções necessárias.

Figura II-26 – Colar mecânico (Cortesia Acergy).

II.3.2.2 Colar elevador

Similar ao colar mecânico, o colar elevador é utilizado para pescaria de dutos flexíveis

danificados e/ou cortados. Sua instalação é realizada no fundo com auxilio do veiculo

de intervenção remota (ROV). Após o corte da linha flexível, no leito marinho, próximo

ao conector, o colar é instalado com auxilio do ROV (Figura II-27) e permite o

içamento da linha flexível até o nível da mesa de trabalho.

Em se tratando de um tramo de linha flexível danificado, uma vez a linha na altura da

mesa pode-se desconectar o tramo danificado na junção dos flanges sendo

recolocado um flange de manuseio e teste (ou instalado um novo flexível). Toda

manobra é realizada com a linha flexível suspensa pelo colar e, depois de concluída,

torna-se possível a transferência da carga para o sistema de lançamento, liberando

assim o colar.

Figura II-27 – Detalhe do colar elevador SSD e sua instalação em uma linha flexível

(Cortesia Acergy).

II.3.2.3 Insertos

São placas de aço-liga de formato circular projetadas especialmente para emprego em

clamps da mesa de trabalho de modo a permitir a transferência de carga do sistema

de lançamento para a mesa de trabalho. Sendo bipartida, suas duas partes são

montadas na ranhura (groove) do conector conforme Figura II-28, devendo os PLSV’s

dispor de vários conjuntos para abranger todos os conectores a serem manuseados

durante determinada campanha de lançamento.

Figura II-28 – Detalhe do inserto instalado no conector

II.3.2.4 Acessórios de movimentação de carga

Usualmente chamados de marinharia e/ou massames (Figura II-29), são os diversos

acessórios especialmente fabricados para emprego em atividades de içamento e

movimentação de cargas. São utilizados tanto na superfície para manobras no convés

como no fundo, onde são manuseados pelo ROV e desempenham papel fundamental

para instalação de equipamentos submarinos.

Figura II-29 – Acessórios de movimentação e manuseio de carga (Crosby, 2009)

II.3.2.4.1 Manilha hidroacústica

É um dispositivo de liberação remoto acionado através de sinal hidroacústico, como

ilustra a Figura II-30. Muito utilizada em manobras de pull-in

com UEP, a manilha

hidroacústica permite ao PLSV uma rápida liberação do cabo de seu guincho A&R

após a conclusão da transferência de carga da linha flexível para o sistema da UEP.

Desta forma, evita-se a permanência desnecessária do PLSV junto ao costado das

UEP, evitando e reduzindo os riscos de incidentes e/ou acidentes.

Como variação da manilha hidroacústica, temos a manilha hidráulica, que opera de

forma similar porém com acionamento feito por linha hidráulica, diferentemente do

sinal hidroacústico.

Pull-in é o nome dado a operação de transferência de uma linha flexivel do navio de lançamento de

linhas para uma unidade estacionaria de produção e/ou monoboia.

Figura II-30 – Detalhe da manilha hidroacústica e seu acionamento (Cortesia Acergy).

II.3.2.4.2 Triplate

Placa de aço de formato triangular (Figura II-31), também conhecida como delta-plate.

É dotada de 3 pontos de fixação sendo muito empregada em manobras de

transferência de carga (pull-in/pull-out

), manobras de overboarding e lingadas

especiais para instalação de acessórios, tais como colar elevador.

Para transferência de cargas acima de 30t, o uso do triplate torna-se mandatório

evitando riscos aos operadores e desgaste desnecessários dos massames (anéis de

carga, master-link) empregados.

Figura II-31 – Detalhe de aplicações para o triplate (Cortesia Acergy).

Pull-out é a operação inversa à de pull-in, ou seja: a transferência de uma linha flexivel de unidade

estacionaria de produção e/ou monoboia para um navio de lançamento de linhas.

II.3.3 Métodos de lançamento

Nos primórdios do lançamento de flexíveis, sem a utilização de tracionadores,

utilizava-se o sistema horizontal de lançamento (Horizontal Laying System - HLS)

através do emprego de guinchos motorizados. À medida que as operadoras foram

avançando para águas mais profundas, as cargas envolvidas tornaram-se maiores

tornando necessário o emprego de tracionadores.

A Figura II-32 apresenta a configuração de um PLSV baseado no sistema HLS dotado

de bobinas sobre skid roller, cesta sob o convés principal, calhas, tracionadores, roda

de popa, guinchos de A&R, pórtico A-frame com guinchos e guindaste.

Figura II-32 - Típico arranjo de um PLSV com sistema HLS (Cortesia Acergy).

Gargalo para o sistema HLS, a roda de popa limitava o lançamento em águas

profundas devido a altas cargas impostas na linha flexível quando da passagem por

ela. Como evolução ao HLS surgiu o sistema vertical de lançamento (Vertical Laying

System - VLS), cuja patente pertence a Technip, solucionando o problema em águas

profundas e ultra-profundas.

Com áreas de convés reduzidas e a possibilidade de lançamento próximo à meia nau

do navio, o que reduz significativamente os efeitos de amplificação dinâmica, este

sistema de lançamento reduz o risco de dano à linha flexível visto que a carga de

tração somente é aplicada com a linha flexível na vertical conforme Figura II-33.

Figura II-33 – Típico arranjo de um sistema VLS (API RP17B, 2002).

Paralelo a isso, o VLS apresenta uma maior área de trabalho para instalação de

acessórios se comparada à área dos HLS. Esta facilidade permite que acessórios

como MCV’s

, PLET’s, PLEM’s

PLAEM’s

, restritores de curvatura, módulos de

flutuadores, entre outros sejam facilmente manuseados, como pode ser visto na Figura

II-38.

Modulo de Conexão Vertical é um dispositivo em forma de chapéu que permite o acoplamento de

uma ou mais linhas à um equipamento submarino.

Pipe Line End Manifold é um tipo de equipamento coletor e distribuidor de fluidos em um sistema de

produção ou injeção, composto de válvulas de acionamento mecânico, hidráulico e/ou elétrico que se

encontra conectado a uma monobóia.

Pipe Line Almost End Manifold é um tipo de equipamento coletor e distribuidor de fluidos em um

sistema de produção ou injeção, composto de válvulas de acionamento mecânico, hidráulico e/ou elétrico

instalado antes de um PLEM.

Figura II-34 – Mesa de trabalho de um PLSV com sistema TLS (Cortesia Acergy).

Porém, quando em águas rasas e áreas com correntezas extremas, os elevados

ângulos de topo, representam um perigo devido à possibilidade de escorregamento da

linha flexível para fora do alinhamento das sapatas do tracionador, danificando a linha

e podendo causar sérios prejuízos às pessoas e aos equipamentos.

Como variante ao HLS, a Figura II-35 apresenta o Tiltable Laying System (TLS)

desenvolvido pela Acergy. Tendo características semelhantes ao VLS, este sistema

apresenta a torre de lançamento em ângulo limitado a 16° com a vertical, tornando o

lançamento “quase vertical”. A verticalização da linha passa a ser realizada por uma

lagarta (track passivo) na saída dos tracionadores acima da mesa de trabalho, que

pode-se comparar a uma roda de lançamento pois seu giro ocorre apenas em função

do atrito entre a linha flexível e a sapata da lagarta.

Figura II-35 – Sistema de lançamento TLS (Cortesia Acergy)

II.3.3.1 Seqüência Típica de Operação

Uma operação típica de lançamento inicia-se após o carregamento do PLSV, estando

as linhas flexíveis estocadas em bobinas e/ou cestas. No caso de sistema singelo com

tracionadores in tandem, como o do PLSV Pertinacia, o cabo do guincho auxiliar é

conduzido por entre o sistema de lançamento, iniciando o percurso no sentido inverso

ao lançamento, isto é, da mesa de trabalho para o sistema de armazenamento

passando por entre os tracionadores que, neste momento, encontram-se com suas

lagartas totalmente abertas.

Uma vez na cesta ou bobina, os operadores de lançamento fazem sua conexão ao

flange cego de manuseio e teste com auxílio de massames previamente definidos em

procedimento e compatíveis com a carga a ser manuseada. Após a interligação, dá-se

início a uma operação conjunta entre o operador da cesta e o operador do guincho

que de forma sincronizada deslocam a linha flexível do carrossel até a saída dos

tracionadores conforme Figura II-36.

Figura II-36 – Linha flexível entre as lagartas (Bowie, 2007b).

Com a linha na saída dos tracionadores, são realizadas medições no diâmetro externo

do flexível que serão introduzidos no programa computacional de gerenciamento do

sistema de lançamento. Após a autorização do supervisor, o operador do sistema de

lançamento dá início a aproximação das lagartas até o contato das sapatas com a

capa externa do flexível, quando então é aplicada a pressão de clamp previamente

informada ao programa computacional.

A partir deste ponto, a linha encontra-se segura pelo sistema de lançamento,

usualmente costuma-se dizer que a linha está “clampeada” (Figura II-37). Para

prosseguir com a linha até a mesa de trabalho, os operadores do sistema de

lançamento e o operador do guincho trabalham de maneira sincronizada.

Figura II-37 – Tracionador “clampeado” (Bowie, 2007b)

Após as manobras de convés necessárias para liberar o cabo do guincho auxiliar, o

sistema de lançamento encontra-se pronto para o lançamento. As possíveis opções

para iniciação do flexível podem ser o pull-in de primeira extremidade, CVD

segunda extremidade ou abandono para conexão por mergulho saturado.

Concluída a iniciação, tem-se início o lançamento, sempre com sincronismo entre o

sistema de armazenamento e os tracionadores. Esta etapa é interrompida sempre que

qualquer anormalidade for detectada e/ou quando a extremidade final da linha flexível

estiver próxima a deixar o sistema de armazenamento.

O guincho principal é então conectado ao flange cego da extremidade da linha e o

operador do sistema de lançamento conduz a linha flexível até a entrada dos

tracionadores. Nesta posição, é feita a transferência de carga dos tracionadores para o

guincho principal permitindo a abertura dos tracionadores e a passagem da linha

flexível, agora sustentada pelo guincho, até o nível da mesa de trabalho. Com o

conector acessível aos operadores, é instalado o inserto adequado e a linha flexível é

apoiada através do inserto no clamp da mesa realizando uma nova transferência de

carga, sendo desta vez do guincho principal para a mesa.

Após a liberação do guincho principal, novamente o guincho auxiliar é conduzido ao

sistema de armazenamento para trazer o próximo tramo de linha flexível a ser lançado

repetindo todo processo apresentado.

CVD – Conexão vertical direta: é operação que permite ao próprio navio de lançamento conectar ao

modulo de conexão a base adaptadora de produção sem auxílio da sonda .

No caso de uma recuperação de linha previamente lançada e/ou abandonada em área

de estoque submarino

, utiliza-se o ROV para auxiliar a conexão do cabo do guincho

principal à extremidade do flexível no leito marinho. O recolhimento tem início com a

extremidade deixando o solo marinho e termina com a extremidade na entrada dos

tracionadores que neste momento já se encontram abertos aguardando a passagem

do flexível. Após esta etapa, repete-se o procedimento de forma inversa transferindo a

a carga do guincho principal para os tracionadores e conduzindo a linha flexível até o

sistema de armazenamento designado.

II.3.3.2 Determinação da Viabilidade do Lançamento

Considerando uma típica operação de lançamento com iniciação por CVD de primeira

extremidade, conforme previamente descrito no item anterior, a linha flexível é lançada

até próximo à profundidade do equipamento submarino quando então são realizadas

manobras com auxílio do guindaste e/ou guincho principal para permitir o acoplamento

do MCV ao hub

da árvore de Natal molhada (ANM) ou da base adaptadora de

produção (BAP). Até este ponto não existe catenária sendo a carga máxima de tração

durante a iniciação expressa por:





= 







× 







× 





+ 



 × 



(II-1)

Onde T

ini

é a carga de tração aplicada à linha, H

ten

é a altura da lâmina d’água ao

tracionador, W

far

é o peso por unidade de comprimento da linha flexível cheia de água

do mar, WD é a lâmina d’água de lançamento, W

fsw

é o peso por unidade de

comprimento da linha flexível cheia de água do mar na água, W

ace

é o peso dos

acessórios instalados na linha flexível e f

é o fator de amplificação dinâmica. Este

fator varia com as condições meteoceanográficas, com as características do navio,

posição de overboarding

da linha flexível, aproamento da embarcação, sendo o valor

de 1,30 usualmente empregado segundo MALCORPS e FELIX-HENRY (2008).

Após o acoplamento do MCV ao hub da ANM ou BAP e testes necessários tem inicio o

lançamento propriamente dito. Nesta fase as cargas de tração de topo são diferentes

Estoque submarino é uma área, em águas rasas (aproximadamente 100m), onde são abandonadas

de maneira ordenada as linhas para futura utilização.

Hub é um modulo utilizado em árvores de natal molhada para conectar as linhas flexíveis e umbilicais

de controle.

Overboarding é a operação de transposição de linhas e/ou equipamentos sobre a roda de

lançamento.

das apresentadas durante a fase de iniciação, a carga de tração durante o lançamento

lan

) é expressa por:

lan





ten

× W

far





WD × W

fsw





× f

(II-2)

onde f

é o fator de catenária. Este fator depende da lâmina d’água, variando entre

1,30 para águas rasas até 1,02 para águas ultra-profundas.

O tracionador tem por princípio sustentar a carga da linha flexível (T

max

), conforme

descrito no item II.3.1.3, aplicando a mesma uma força de compressão radial (F

)

como indicado na Figura II-38. A tração máxima de lançamento (T

max

) é obtido como:





=  (



, 



) (II-3)

Figura II-38– Esquema de um tracionador suportando uma linha flexível

Uma observação deve ser feita para o caso de lançamento através de calhas e/ou

rampas, onde a relação entre a carga de tração na entrada e saída da calha e/ou

rampa é definida por:

Para operação de recolhimento tem-se : = 



× 



(II-4)

E para operação de lançamento: T =

max



(II-5)

Sendo T a carga de tração que deverá ser sustentada pelo tracionador, é o ângulo

formado pelas normais radiais aos pontos de contato do flexível, geralmente próximo

dos 90° no caso de calhas de overboarding, e  é o coeficiente de atrito entre a linha

flexível e a superfície da rampa de lançamento.

Assim sendo, os tracionadores devem ser capazes de suportar a carga de tração (T)

solicitada pelo flexível durante sua iniciação e lançamento. Para tal, os tracionadores

aplicam uma força de compressão radial mínima (F

) proporcional ao coeficiente de

atrito () que impeça tanto o escorregamento da capa externa junto das sapatas do

tracionador (

ext

) quanto o escorregamento das camadas internas com relação à capa

externa (

int

), fenômeno conhecido como delamination. Esta relação entre a carga de

tração da linha e a carga de compressão necessária para suportá-la é expressa por:

T = F

×  × n (II-6)

onde  é o menor valor entre





ext

, 

int



e n é o número de lagartas do tracionador.

Rearranjando a Eq. (II-6), isolando a força de compressão radial mínima (F

sq,min

) e

aplicando coeficientes de ajuste do fabricante do tracionador (f

tsf

) e os coeficientes de

segurança (f

) temos:



,

×



×



×

(II-7)

O coeficiente de segurança (f

) pode variar não devendo nunca ser inferior a 1,2 ao

passo que o coeficientes de ajuste do fabricante (f

tsf

) apresenta valores usuais

próximos a 1,1.

Desta forma, para se verificar a possibilidade de lançamento de determinada linha

flexível através de um sistema de lançamento, temos que considerar o comprimento

efetivo da lagarta (L), comprimento este representado pela parte da lagarta

efetivamente em contato com a linha flexível. Assim, define-se a força de compressão

radial mínima (F

sq,min

) em função do número de lagartas e do comprimento efetivo, que

é apresentada a seguir e deve ser comparada com as tabelas fornecidas pelo

fabricante para aquela estrutura.



,

×



×



××

, expresso usualmente em kN/lagarta/m. (II-8)

Percebe-se então a singularidade das curvas de aperto uma vez que o aperto mínimo

é característica particular do navio e do sistema de lançamento a ser empregado,

variando em função do número de tracionadores e do comprimento das lagartas.

Cabe lembrar que cada análise de lançamento é única e necessita de cálculos

específicos. A tração axial no topo (T

max

) é função da construção da linha flexível, seu

peso submerso, mas também varia em função da resposta do navio e da linha flexível

aos carregamentos ambientais devendo os cálculos serem utilizados como uma

aproximação inicial. Após a verificação da viabilidade de execução do lançamento

para determinado navio, deve-se modelar todo o lançamento utilizando programas

comerciais disponíveis do mercado para uma análise dinâmica detalhada.

CAPÍTULO III

III. MODELOS PARA ANÁLISE GLOBAL E LOCAL

III.1 Análise Global

Considerável atenção é dada à análise global de linhas flexíveis na literatura. Existem

diversas técnicas e modelos para análise estática e dinâmica de linhas flexíveis

considerando, ainda, qualquer tipo de configuração (PATEL e SEYED, 1995, LARSEN,

1992).

Para este estudo, foi escolhido para realização da análise global o programa comercial

ORCAFLEX

™

por ser um programa de elementos finitos para projeto e análise não

linear estática e dinâmica no domínio do tempo de linhas flexíveis. O programa é

capaz de considerar possíveis não linearidades geométricas. Permite, ainda, modelar

sistemas multi-linhas, incluindo linhas flexíveis e de ancoragem, cabos, umbilicais,

SCR’s

, risers tensionados, bóias submersas, bóias flutuantes, dentre outros, sendo

muito utilizado por instaladores e fabricantes para simulação de lançamento de linhas

flexíveis (SENRA, 2004).

O programa utiliza elementos lineares flexíveis, chamados linha (line), para modelar

cabos, dutos, amarras, linhas flexíveis ou outros itens semelhantes sendo o modelo

representado através de uma série de pontos dotados de massa agrupados através de

molas com massa desprezível, conforme Figura III-1. Os pontos são chamados de nós

e as molas que os interligam são chamadas de segmentos. Cada segmento

representa um pequeno pedaço da linha flexível, cujas propriedades (massa, empuxo,

arrasto, etc) foram agrupadas, para facilitar a modelagem, aos nós em suas

extremidades.

Steel Catenary Riser é um riser rigido em catenária.

Figura 0-1– Modelo de linha utilizado pelo Orcaflex (Orcina, 2008)

As propriedades de uma linha (line) são especificadas, dividindo-a em uma série

consecutiva de seções definidas pelo usuário. Para cada seção, deve-se definir o seu

comprimento, o tipo de linha (line type) e o número de segmentos em que a seção

deve ser dividida para a discretização do modelo.

O tipo de linha (line type) é o nome dado ao conjunto de propriedades (por exemplo, o

diâmetro, a massa por unidade de comprimento, a rigidez à flexão). Os tipos de linhas

são previamente definidos pelo usuário separadamente permitindo que o mesmo

conjunto de propriedades de linha possa ser utilizado para um número diferente de

seções, ou para as diferentes linhas.

Inicialmente, utiliza-se uma discretização grosseira, tomando-se como base o

comprimento total da linha flexível e as coordenadas do ponto de iniciação

(ancoragem) e da conexão com o sistema de lançamento do navio. Com esta

discretização inicial, efetua-se uma análise estática não linear sob ação das cargas

gravitacionais. Esta análise fornece como resultado a configuração de equilíbrio do

sistema sob ação do peso, empuxo, arrasto, etc.

A partir desta configuração inicial, tomam-se pontos adicionais da catenária para

elaborar uma malha mais refinada. Esta malha refinada deve ser selecionada de modo

a permitir uma discretização apropriada para a linha flexível, bem como a correta

representação das cargas ambientais e do contato variável com o leito marinho.

A configuração de equilíbrio resultante da ação das cargas tipicamente estáticas é

utilizada como a configuração inicial para a análise dinâmica não linear. Assim os

resultados da análise não linear estática considerando as cargas gravitacionais e de

corrente são transferidos para a análise dinâmica. O resultado em termos de tração

axial no topo, junto ao tracionador, é utilizado como parâmetro para definir os

carregamentos utilizados no modelo de análise local através da Eq. (II-8).

III.2 Análise Local

Devido à importância das linhas flexíveis de camadas não aderentes (unbonded) na

indústria offshore, estas vêm sendo estudadas há mais de 30 anos através de

modelos analíticos e, mais recentemente, através de métodos numéricos e, em

particular, o método de elementos finitos.

A grande maioria dos modelos propostos para a análise local de linhas flexíveis, isto é,

para determinação das tensões e deformações que se desenvolvem em suas

camadas, é voltada para a análise de cargas axissimétricas e flexão. Existe, porém,

uma crescente demanda por modelos que permitam a análise de outros tipos de

carregamento como, por exemplo, as cargas impostas às linhas flexíveis durante o

lançamento (SOUSA, 2005).

Durante o lançamento, uma linha flexível é exposta a diversos carregamentos, a

saber:

 Peso próprio, que gera tração na linha flexível.

 Cargas concentradas radiais (crushing) em 2, 3 ou 4 pontos impostas pela

lagarta (track).

 Flexão devida à passagem pela roda de proa do navio de lançamento.

A passagem de linhas flexíveis através das lagartas de um tracionador foi objeto de

estudo de CRUZ (1996). Seu modelo baseado no MEF considerou simultaneamente

tração e cargas de crushing em 3 e 4 pontos e apenas verificou a estabilidade dos

resultados apresentados pelo modelo sem compará-los com resultados experimentais

ou outro modelo teórico.

A partir do trabalho de CRUZ (1996), o modelo baseado no MEF sofreu diversas

modificações e, com a realização de ensaios na COPPE/UFRJ, este modelo passou a

ser aplicado para as demais cargas de lançamento. Um breve histórico desta evolução

é apresentado a seguir.

Utilizando amostras de uma linha flexível de 4” constituídas por carcaça intertravada e

camada plástica interna e ensaiadas nos laboratórios do Centro de Pesquisas e

Desenvolvimento Leopoldo A. Miguez de Mello (ALVES, 1998), SOUSA (1999)

retomou o trabalho de CRUZ (1996), comparando os resultados previstos pelo modelo

com aqueles obtidos em resultados experimentais. Observou-se que a falha destas

amostras ocorria por ovalização excessiva da carcaça interna e, além disso, verificou-

se boa correlação entre os resultados numéricos e os experimentais.

Baseado na teoria de vigas curvas de TIMOSHENKO (1941), SOUSA et al. (2002)

apresentou um modelo analítico voltado para a determinação das tensões nas

armaduras de pressão de linhas flexíveis.

SOUSA et al. (2003), propuseram um modelo baseado no método dos elementos

finitos com o objetivo de considerar não-linearidades advindas da perda de contato, de

propriedades físicas inelásticas (não-linearidades físicas) e de grandes deslocamentos

(não linearidades geométricas) na análise de crushing de uma linha flexível de 9,5”.

Esse estudo mostra que, considerando a carga de crushing isoladamente, a

consideração da perda de contato entre as camadas e as não-linearidades físicas são

bastante significativas na resposta da estrutura. Por outro lado, a hipótese de grandes

deslocamentos parece não afetar de modo significativo a resposta da linha flexível.

Recentemente, COSTA (2003) comparou os resultados previstos pelo modelo discreto

proposto por SOUSA et al. (2002) a medidas experimentais obtidas em uma linha

flexível de 4”. Os testes foram conduzidos aplicando-se cargas de aperto (crushing)

por meio de 2 sapatas sobre três diferentes grupos de amostras da linha:

 Amostras constituídas apenas por carcaça intertravada e pela camada plástica

interna.

 Amostras formadas por carcaça intertravada, camada plástica interna e

armadura de pressão.

 Amostras integrais da linha flexível.

COSTA (2003) obteve os deslocamentos radiais internos em alguns pontos da seção

da linha flexível, as deformações na carcaça intertravada e na armadura de pressão e

a carga total de aperto (crushing) aplicada por cada uma das sapatas à linha flexível

através de um complexo sistema de medição.

Considerando cargas dentro do regime elástico e linear da estrutura, foi encontrada

uma boa correlação entre as medidas experimentais e o modelo analítico. Porém, para

cargas mais elevadas (próximas à falha), o comportamento não-linear da linha é

acentuado e, conseqüentemente, o modelo torna-se inadequado. COSTA (2003)

ressalta que as armaduras de tração praticamente não oferecem resistência às cargas

de aperto (crushing) e que a presença da armadura de pressão aumenta

significativamente a resistência da estrutura a este carregamento.

Deve-se destacar que a boa concordância entre os modelos baseados no MEF e os

ensaios experimentais se deveu não só à eficiência da formulação, mas também ao

fato de algumas incertezas relacionadas às propriedades físicas e geométricas das

camadas poderem ser dirimidas mediante testes experimentais. Desta forma,

diferenças significativas que poderiam advir de informações equivocadas sobre as

propriedades das camadas da linha flexível foram eliminadas.

Algumas modificações foram feitas por SOUSA (2005) no modelo elaborado em

SOUSA (2001), como, por exemplo, o contato entre as camadas, que passou a ser

feito com elementos de contato tridimensionais do tipo nó-nó capaz de considerar o

atrito entre elas. Este modelo contempla todas as camadas da linha flexível, metálicas

e poliméricas, além da simulação de danos e imperfeições nas linhas, tais como:

ovalizações, ruptura de arames das armaduras de tração, corrosão, etc (Figura III-2).

O modelo apresenta excelente correlação com resultados analíticos e experimentais

para diversos tipos de carregamentos.

Figura 0-2 – Modelo de elementos finitos (SOUSA,2005).

O PARABAQ™, desenvolvido e patenteado pela Technip, atua como um co-

processador do programa ABAQUS 6.7™ tendo a finalidade de calcular as tensões e

deformações em cada uma das camadas do chamado núcleo central da linha flexível.

O modelo discretizado pelo programa, busca reduzir o tempo de processamento,

somente representando a carcaça intertravada, camada polimérica e camada de

pressão, não comprometendo, segundo SANT’ANNA (2009), os resultados obtidos,

uma vez que as demais camadas poliméricas e as armaduras de tração têm influência

desprezível na resistência às cargas de aperto (crushing). Adotam-se então, modelos

bidimensionais da seção transversal e estado plano de deformação, assumindo a linha

flexível longa o suficiente para serem desprezados os efeitos de borda, e mantendo

sua seção principal constante ao longo do comprimento. Modela-se a linha flexível

como anéis concêntricos com pequenos espaçamentos radiais entre a camada

polimérica e a armadura de pressão, incorporando uma ovalização inicial da seção

transversal de 0,0105% para a armadura de pressão e 0,600% para a carcaça, além

de considerar o comportamento elasto-plástico do material.

Assim sendo, o modelo escolhido para análise local de uma linha flexível de 6” no

presente trabalho é um modelo tridimensional não linear, baseado no método dos

elementos finitos (MEF) sendo construído a partir do gerador de malhas

RISERTOOLS, proposto por SOUSA (2005), e analisado através do programa

ANSYS™.

A seguir, será apresentada uma descrição da representação de cada uma das

camadas da linha flexível no modelo utilizado. A Tabela III-1 apresenta os diversos

tipos de elemento que o modelo de SOUSA (2005) utiliza na modelagem de uma linha

flexível.

Tabela 0-1– Elementos utilizados na modelagem do flexível

Camada

Tipo de elemento finito

Elemento ANSYS

Carcaça intertravada

CASCA

SHELL 43

Armadura de pressão

Camadas poliméricas

Sapatas metálicas

Armaduras de tração

PÓRTICO ESPACIAL

BEAM 188

Interação entre camadas

CONTATO

CONTA178

Contato lateral arames

armadura tração

CONTATO

CONTA175/TARGE170

Contato entre a sapata e

a capa externa

CONTATO

CONTA174/TARGE170

III.2.1 Carcaça intertravada e armadura de pressão

A carcaça intertravada e a armadura de pressão, por apresentarem seções

transversais complexas, constituem um dos maiores desafios para a elaboração de

modelo de análise local de linhas flexíveis (SOUSA, 2005). Buscando reduzir o custo

computacional da modelagem de elementos finitos sólidos, o modelo proposto por

SOUSA (2005) assume algumas hipóteses:

 O atrito interno nestas camadas é desprezível

 Não há interação entre a direção de assentamento dos arames e a

direção normal a ela.

Observando o elevado ângulo de assentamento dos arames (normalmente superior a

85°) e as folgas existentes entre as camadas, tais hipóteses tornam-se coerentes.

Deste modo, tais estruturas poderiam ser modeladas através de elementos de pórtico

tridimensional. Entretanto, o pequeno passo necessitaria de diversos elementos para a

completa descrição destas camadas.

CRUZ (1996) e SOUSA (2005) apresentaram como proposta a modelagem desta

camada utilizando uma analogia entre helicóides e cascas ortotrópicas, de forma a

manter a mesma rigidez e as mesmas tensões tanto na fibra superior como na inferior

de ambas estruturas.

III.2.2 Camadas poliméricas

As camadas poliméricas são modeladas como cilindros de parede fina com elementos

de casca isotrópicos ou ortotrópicos. As camadas poliméricas estanques (camada

plástica interna e externa) presentes em uma estrutura de linha flexível são modeladas

com elementos de casca isotrópicos. Camadas antidesgaste, por outro lado, são

representadas com elementos de casca ortotrópicos.

No caso particular das fitas de reforço à compressão, as mesmas são modeladas com

elementos de casca ortotrópica (SOUSA, 2005) com a propriedade de resistir apenas

a esforços de tração.

III.2.3 Armaduras de tração

Os arames das armaduras de tração interna e externa são modelados como

elementos de pórtico tridimensionais perfeitamente conformados à superfície cilíndrica

da linha flexível. Como o comprimento destes arames é geralmente maior que as

outras dimensões (espessura e largura), estes são considerados como estruturas

esbeltas e, portanto, os elementos baseiam-se na teoria Euler-Bernoulli e os efeitos de

cisalhamento são desprezados (SOUSA et. al., 2009).

III.2.4 Aplicação das cargas e condições de contorno

As condições de contorno impostas ao modelo devem ser compatíveis com os

carregamentos propostos e impedir a hipostaticidade. Na Figura III-3, é apresentada

uma malha de elementos finitos para uma linha flexível com uma das extremidades

engastada, e os carregamentos de tração axial e compressão radial aplicados.

Figura 0-3 – Condições de contorno e aplicação de carregamento de tração e aperto

no modelo de elementos finitos

Os carregamentos de tração são aplicados em um nó da extremidade do modelo,

cujos deslocamentos estão acoplados aos nós de extremidade de todas as camadas

da linha. De modo a evitar a hipostaticidade, o nó da outra extremidade do modelo

encontra-se engastado, com seus deslocamentos restritos.

As sapatas apresentam rigidez elevada e restrição de deslocamento sendo permitido

somente a translação radial, sua interação com a capa externa da linha foi modelada

através de elementos de contato, conforme Tabela III-1.

No presente trabalho, serão considerados os carregamentos combinados de tração

axial e compressão radial, visando simular a instalação de uma linha flexível sujeita

aos carregamentos ambientais.

CAPÍTULO IV

IV. ESTUDO DE CASO

V.1 Bases da análise

A indústria petrolífera, movida pelo desejo de colocar em produção novos campos

descobertos em águas ultra profundas (profundidades acima de 2000m), está

ampliando e desenvolvendo um conjunto de novas tecnologias para tornar realidade a

explotação de óleo e gás.

Em especial, no Brasil, a Petrobras vem aumentando sistematicamente sua produção

em águas profundas e ultra profundas. Além disso, é provável que a maioria das

novas descobertas estejam localizadas em águas ultra profundas, como as do pré-sal,

conforme Figura IV-1.

Figura IV-1 – Novas descobertas na Bacia de Santos (Cortesia Arte Folha)

Com objetivo de analisar o comportamento estrutural de uma linha flexível durante a

instalação em águas ultra-profundas, o programa comercial Orcaflex™ versão 9.2 foi

utilizado para determinação das cargas, bem como das configurações estática e

dinâmica durante o lançamento.

IV.1.1. Navio de instalação

O navio utilizado nesta dissertação, o PLSV Pertinacia (Figura II-2), com sistema de

lançamento do tipo TLS, segue os atuais padrões dos navios de lançamento, sendo

suas características apresentadas na Tabela IV-1.

Tabela IV-1 - Características do sistema de lançamento

Características do sistema de lançamento

Número de tracionadores

Capacidade de carga dos tracionadores

2 x 170t

Número de lagartas

Ângulo das sapatas

160°

Comprimento efetivo de contato da esteira

5400 mm

Raio da roda de topo da torre de lançamento

5700 mm

Raio do track passivo

3300 mm

Abertura máxima

1900 mm

Abertura mínima

96 mm

Maximo diâmetro de flexível permitido

500 mm

Altura da lâmina d’água até a entrada do tracionador

14800mm

Guincho de Abandono e Recolhimento

360t

Durante a operação de lançamento de linhas, o PLSV estará sujeito à incidência de

ondas de diversas freqüências e, para cada freqüência, haverá uma resposta de

movimento da embarcação, movimento este que é decomposto em translações

(Heave

, Sway

e Surge

) e rotações (Pitch

, Roll

, e Yaw

) somando os seis

graus de liberdade, conforme exposto na Figura IV-2.

Heave: Afundamento, é o movimento de translação na direção z.

Sway: Deriva, é o movimento de translação na direção y.

Surge: Avanço, é o movimento de translação na direção x.

Pitch: Arfagem é o movimento de rotaçao em torno do eixo y.

Roll: Jogo, é o movimento de rotaçao em torno do eixo x.

Yaw: Guinada, é o movimento de rotaçao em torno do eixo z.

Figura IV-2 – Representação dos 6 graus de liberdade de um navio.

A resposta da embarcação para a excitação das ondas é dado pelo Operador de

Amplitude de Resposta (Response Amplitue Operator – RAO). O RAO define a

resposta de um grau de liberdade do navio, em amplitude e fase, para uma

determinada onda de direção e período conhecidos. Cada navio tem uma tabela que

contempla a relação de seus 6 graus de liberdade, conforme Figura IV-2, com a

amplitude da onda e suas respectivas fases.

Matematicamente, a reposta do navio é equacionada através da seguinte expressão:

z = R. A. cos



. t  



(IV-1)

Onde  é o deslocamento do navio para cada um dos 6 graus de liberdade, em

unidades de comprimento, para surge, sway e heave, e em graus, para roll, pitch e

yaw;  é a amplitude da onda, em unidades de comprimento;  é a freqüência, em

radianos por segundo; t é o tempo, em segundos; e  e  são a amplitude e fase do

RAO respectivamente.

Para o PLSV Pertinacia, o RAO foi gerado através do programa MOSES™, da

Ultramarine, e transcrito para o ORCAFLEX™ conforme Figura IV-3.

(a)

(b)

Figura IV-3 – Tela do Orcaflex™ apresentando as respostas do navio para onda

incidente a 90 graus: (a) em amplitude e (b) em fase.

IV.1.2. Parâmetros do Flexível

A Tabela IV-2 apresenta a descrição detalhada das camadas da linha flexível objeto

deste estudo.

Tabela IV-2 – Descrição das camadas da linha flexível 6” (D

int

=152,4mm)

Camadas

Material

Propriedades

Carcaça intertravada

Duplex 2205

Perfil intertravado: 55mm x 1,6mm

Espessura: 8,40mm

Numero de arames: 1

Ângulo de assentamento: 87,9°

Area: 88mm²

Módulo de Young: 193GPa

Poisson: 0,3

Camada plástica interna

PA 12

Espessura: 10mm

Módulo de Young: 340MPa

Poisson: 0,3

Armadura de pressão

Aço carbono

Perfil Z: 22,1mm x 10mm

Espessura: 10,01mm

Numero de arames: 1

Ângulo de assentamento: 88,5°

Area:221mm²

Módulo de Young: 205GPa

Poisson: 0,3

Camada antidesgaste

PA 11

Espessura: 0,30mm

Módulo de Young: 630MPa

Poisson: 0,3

Armadura de tração

Aço carbono

Perfil retangular: 10mm x 5mm

Espessura: 5,00mm

Largura : 10,00mm

Numero de arames: 49

Ângulo de assentamento: 37°

Area: 50mm²

Módulo de Young: 205GPa

Poisson: 0,3

Camada antidesgaste

Fibra de vidro

Espessura: 2,23mm

Módulo de Young: 630MPa

Poisson: 0,3

Armadura de tração

Aço carbono

Perfil retangular: 10mm x 5mm

Espessura: 5,00mm

Largura : 10,00mm

Numero de arames: 53

Ângulo de assentamento: 35°

Area: 50mm²

Módulo de Young: 205GPa

Poisson: 0,3

Camada antidesgaste

Fibra de vidro

Espessura: 2,23mm

Módulo de Young: 630GPa

Poisson: 0,3

Camada plástica externa

HDPE

Espessura: 10mm

Módulo de Young: 580MPa

Poisson: 0,3

Camada plástica de sacrifício

HDPE

Espessura: 12mm

Módulo de Young: 580MPa

Poisson: 0,3

Rigidez Axial (EA)

513876kN

IV.1.3. Dados Ambientais

As ondas irregulares do oceano são representadas através de seus espectros, que

descrevem a distribuição de energia dessas ondas em função de suas freqüências.

Para definir o espectro de energia de ondas de JONSWAP no programa

ORCAFLEX™, basta que sejam informados os dados obtidos para a onda de projeto:

 Altura significativa (Hs) = 2,0m

 Período de maior incidência (Tz) = 10,34s

No modelo, para as operações de lançamento, a corrente é considerada como um

carregamento de caráter quase-estático sendo caracterizada pelo perfil de

velocidades, variável com a profundidade, expressos da superfície para o fundo. A

Tabela IV-3 apresenta os valores utilizados para gerar o perfil de corrente utilizado no

modelo, que é apresentado na Figura IV-4.

Tabela IV-3 – Valores considerados para perfil de correnteza

Nível

Velocidade (m/s)

Direção

Superfície

0,34

36,5m

0,34

64,5m

0,59

96,5m

0,61

500m

0,55

800m

0,55

1000m

0,55

1150m

0,61

1600m

0,50

1700m

0,37

2200m

0,28

Figura IV-4 – Perfil de correnteza utilizado no modelo

IV.1.4. Análise global estática

Por se tratar de tramo único durante toda a fase do lançamento, foi criado somente um

tipo de linha com as propriedades da linha flexível em estudo. O modelo foi então

grosseiramente discretizado em segmentos de 1000mm de comprimento ao longo de

toda extensão da linha flexível levando a um total de 2600 segmentos. Sua

extremidade de topo (extremidade A) foi engastada junto ao modelo do PLSV

Pertinacia, à meia nau na elevação correspondente à entrada dos tracionadores sendo

os movimentos de rotação e translação da linha flexível acoplados aos dos

tracionadores. Com um recurso do programa ORCAFLEX™, foi calculada a catenária

de aproximadamente 1,0 grau e engastada a extremidade de fundo (extremidade B)

no leito marinho em lâmina d’água de 2250m.

A Figura IV-5 apresenta a catenária gerada para 2250m de lâmina d’água,

considerando apenas as forças gravitacionais.

Figura IV-5 – Configuração inicial da catenária

A Tabela IV-4 apresenta os resultados obtidos na análise estática do ORCAFLEX™.

Cabe destacar que o valor obtido para o ângulo de topo da catenária representa os

valores utilizados para lançamento em lâminas d’água da ordem de 2000m.

Tabela IV-4 - Resultados da análise estática para a extremidade de topo

Extremidade de Topo

Resultante (kN)

1558.57

Tração de topo (kN)

1558.57

Esforço cortante (kN)

0.17

Ângulo da catenária (graus)

1.04

A seguir é apresentado o cálculo analítico (Equação II-2), para carga de tração axial

no topo:





() = 14.8×

195.51



 + 2250 ×

66.23



 + 0 × 9.806

3











= 1489.63

Comparando os valores obtidos na expressão analítica acima com os obtidos pelo

programa ORCAFLEX™ e apresentado na Tabela IV-4, nota-se que o fator de

catenária (f

) utilizado pelo programa foi de 1,046. Esse valor esse que se encontra

dentro dos parâmetros apresentados no item II.3.3.2, sendo conservativos com

relação aos valores apresentados em MALCORPS e FELIX-HENRY (2008).

IV.1.5. Análise global dinâmica

Neste ponto, o modelo é então refinado, discretizando melhor as regiões circuladas

em vermelho na Figura IV-5, isto é, as seções próximas ao TDP

e as junto à entrada

dos tracionadores. Foram reduzidas as malhas para elementos com comprimento de

100mm em um trecho de 200m contados a partir do TDP (120m em comprimento

suspenso e 80m apoiado no leito marinho) e em um trecho de 25m a partir da entrada

dos tracionadores ficando o modelo com um total de 4625 segmentos. Foram

introduzidos os carregamentos ambientais anteriormente apresentados e uma série de

análises dinâmicas foram realizadas alterando a incidência das ondas conforme Figura

IV-6.

Figura IV-6 – Variações do ângulo de incidência da onda

A Figura IV-7 apresenta a variação da máxima tração no topo com o ângulo de

incidência da onda. Nesta figura, nota-se que a máxima resposta ocorre para

incidências de través (90 graus). Sendo assim, é possível determinar o ângulo crítico

de incidência, permitindo um estudo criterioso do fator de amplificação dinâmica (f

Touch Down Point é o primeiro ponto de uma linha flexivel suspensa (riser) a tocar o leito marinho.

Figura IV-7 – Gráfico da amplificação dinâmica vs direção de incidência da onda

Abaixo, é apresentado o cálculo analítico (Eq. II-2), para carga de tração axial no topo,

considerando 1,3 como fator de amplificação dinâmica (f

): e 1,05 como fator de

catenária (f











= 14,8×

195,51



 + 2250 ×

66,23



 + 0 × 1,05 × 1,3 × 9,806

3











= 2033,36

Assim sendo, pode-se perceber que mesmo para a máxima resposta, gerada pela

incidência de través, os parâmetros apresentados no item II.3.3.2 para os fatores de

amplificação dinâmica (f

) e catenária (f

) são conservativos, ratificando o exposto em

MALCORPS e FELIX-HENRY (2008).

Cabe lembrar que o PLSV Pertinacia e a maioria dos navios de lançamento de linhas

disponíveis no mercado são dotados de posicionamento dinâmico, mantendo-se,

assim, em constante alinhamento com as forças ambientais presentes, especialmente

as de vento, buscando opor-lhes a menor superfície de ataque possível. Tal

aproamento é indiferente para as manobras de lançamento de linhas flexíveis

singelas, exceto quando em operações de pull-in e/ou pull-out junto à UEP e

1840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

2040

0 45 90 135 180

Tração de Topo (kN)

Ângulo de incidência (graus)

representa a melhor condição para a embarcação, no qual são verificados os menores

valores para o fator de amplificação dinâmica (f

)

IV.1.6. Análise local

IV.1.6.1. Análises realizadas

Para realização deste trabalho e confecção das curvas de aperto, foram feitas análises

numéricas, através do programa ANSYS™ com as malhas de elementos finitos

geradas pelo programa RISERTOOLS, considerando a linha flexível de 6” íntegra.

Para as análises locais, foram elaborados três modelos com comprimento total de

2057mm, equivalentes a dois passos lineares da armadura externa de tração, sendo

um com quatro lagartas e outro com três lagartas e um sem lagartas para análise de

tração pura.

A malha do modelo com quatro lagartas possui 348722 elementos e 129288 nós,

gerando 775728 graus de liberdade. O modelo com três lagartas possui 322121

elementos e 129165 nós, gerando 774990 graus de liberdade. Por fim, o modelo para

análise de tração pura possui 61962 elementos e 32404 nós, gerando 194424 graus

de liberdade.

A Figura IV-8 apresenta a convenção dos eixos adotada como referencial global a ser

utilizado para as análises, designado por X, Y e Z, onde Z é a direção do eixo axial do

cilindro de suporte. O referencial local , definido para os arames que compõem as

armaduras metálicas, é denominado x, y e z, onde z é a direção do eixo de

assentamento do arame, x a direção associado ao menor momento de inércia do perfil

e y a direção com maior momento de inércia do perfil. O modelo possui 80 divisões

circunferenciais por 80 divisões longitudinais a cada passo dos arames da armadura

externa de tração, assim, cada elemento representa 4,5° da circunferência dos

cilindros gerados.

Figura IV-8 – Seção transversal da linha coma convenção dos eixos adotadas

A Tabela IV-5 apresenta os carregamentos aplicados em cada um dos cinco casos

analisados. A carga de tração axial no topo obtida com base na análise global

dinâmica, realizada pelo programa ORCAFLEX™, foi de 2014,65kN sendo acrescida

de 154kN visando representar uma conexão intermediária e/ou acessório instalado ao

longo da linha bem como um possível aumento no ângulo da catenária durante o

lançamento. Assim, o carregamento de tração aplicado aos modelos foi de 2169kN e

as cargas de aperto mínimas foram obtidas através da Eq. (II-6), sendo de 209kN para

o caso de quatro tracionadores e 278kN para o caso com três tracionadores.

Tabela IV-5 – Carregamentos aplicadas nas análises

Carga

Número

Análise

N° de lagartas

Tração (kN)

Aperto (kN)

Tração Pura

2169

Aperto

209

Aperto

278

Tração e Aperto

2169

209

Tração e Aperto

2169

278

IV.1.6.2. Análise de tração pura

Quando uma linha flexível é tracionada, as armaduras de tração naturalmente

comprimem as camadas mais internas da estrutura conforme ilustrado pela Figura IV-

9. Esta compressão radial uniforme é resistida pela armadura de pressão e pela

carcaça intertravada e recebe o nome de squeeze.

Figura IV-9 – Comportamento à tração da linha flexível (CRUZ, 1996)

Para avaliação da pressão de esmagamento (squeeze) sobre a armadura de pressão

e a carcaça intertravada da linha flexível de 6”, efetuou-se a análise de tração pura

dessa estrutura.

Ao longo dessa análise, percebe-se que a resposta do modelo proposto ao

carregamento, tanto em termos de deslocamentos quanto de tensões, quase não varia

com o nível de discretização adotado. Portanto, para este caso específico, a malha foi

alterada visando um menor esforço computacional que forneça resultados estáveis,

isto é, resultados que sofrem pequenas variações com o refinamento da malha.

A malha original foi então reduzida para 40 divisões circunferenciais por 40 divisões

longitudinais a cada passo dos arames da armadura externa de tração (Figura IV-10),

com cada elemento representando agora 9,0 graus da circunferência. Nesta malha,

engastou-se uma das extremidades e aplicou-se uma tração de 2190kN na outra.

Figura IV-10 - Vistas da malha utilizada na análise de tração pura da linha flexível de

6” (D

int

=152,4mm): (a) isométrica; e (b) frontal.

As deformações e tensões nas camadas poliméricas são muito pequenas e essas

camadas não oferecem resistência significativa ao carregamento de tração. Deve-se

notar, entretanto, que elas possuem uma função estrutural fundamental: distribuir a

pressão de esmagamento (squeeze) de modo o mais uniforme possível sobre a

armadura de pressão e a carcaça intertravada (SOUSA, 2005).

Essa análise gerou esforços de compressão radial (squeeze) de 13,23MPa sobre a

armadura de pressão e 4,13MPa sobre a carcaça intertravada. A Tabela IV-6

apresenta os valores de tensão nas camadas metálicas encontrados. Vale ressaltar

que o squeeze sobre a carcaça e armadura de pressão e as tensões normais ao longo

das armaduras de tração, à exceção de suas extremidades, são praticamente

uniformes ao longo de todo modelo. Além disso, percebe-se que esta carga gera

tensões da ordem de 44% da tensão de escoamento dos arames da armadura de

tração.

Tabela IV-6 – Tensões nas camadas metálicas da linha com carregamento de tração

pura (2169kN) aplicado.

Camada

Tensão (MPa)

σ/σy

Carcaça intertravada

-73,79

0,284

Armadura de pressão

-63,48

0,071

Armadura de tração interna

549,40

0,436

Armadura de tração externa

507,94

0,403

IV.1.6.3. Análise de aperto

As análises de aperto foram realizadas considerando os dois tipos mais usuais de

tracionadores encontrados no mercado, sendo então feito dois modelos específicos:

um com quatro lagartas (Figura IV-11) e outro com três lagartas (Figura IV-12), cujas

sapatas são semelhantes às encontradas no PLSV Pertinacia. Usualmente, não são

utilizados tracionadores de duas lagartas para lançamento de linhas flexíveis ficando

estes equipamentos restritos ao lançamento de umbilicais de controle.

(a)

(b)

Figura IV-11 – Malha de elementos finitos desenvolvida para análise de aperto com 4

lagartas: (a) vista isométrica e (b) vista frontal.

(a)

(b)

Figura IV-12 – Malha de elementos finitos desenvolvida para análise de aperto com 3

lagartas: (a) vista isométrica e (b) vista frontal.

Ao modelo de 4 lagartas (Figura IV-11a), engastado em uma extremidade e sem

carregamento de tração, foi aplicado apenas o carregamento de aperto com 209kN por

sapata. As Figuras IV-13a e Figura IV-13b apresentam, respectivamente, as

distribuições de tensão na carcaça intertravada e na armadura de pressão em função

da posição angular (Figura IV-8), na seção média da linha flexível. Esta região

encontra-se sob ação das cargas de crushing e é representativa do que ocorre nas

demais seções abaixo das sapatas.

(a)

(b)

Figura IV-13 - Variação da tensão em função da posição angular para tracionador com

4 lagartas: (a) nas fibras da carcaça intertravada e (b) nas fibras da armadura de

pressão.

De maneira análoga à Figura IV-13, pode-se verificar as variações de tensão nas

fibras média (Figura IV-14a), nas fibras superiores (Figura IV-14b) e nas fibras

inferiores (Figura IV-14c) da carcaça intertravada. Nota-se que o efeito das cargas de

crushing é concentrado na região de aplicação dessas cargas, ou seja, trata-se de um

efeito localizado.

(a)

(b)

(c)

Figura IV-14 - Variação da tensão ao longo da carcaça intertravada para tracionador

com 4 lagartas: (a) na fibra média, (b) nas fibras superiores e (c) nas fibras inferiores

(a)

(b)

(c)

Figura IV-15 - Variação da tensão ao longo da armadura de pressão para tracionador

com 4 lagartas: (a) na fibra média, (b) nas fibras superiores e (c) nas fibras inferiores.

As sapatas, que transferem a carga de aperto para a linha flexível, estão localizadas a

0°, 90°, 180° e 270°, onde se percebem as maiores tensões nas fibras superiores e

menores tensões nas fibras inferiores. As tensões nas fibras superior e inferior variam

de modo senoidal com a posição angular. As máximas tensões ocorrem nas fibras

inferiores e entre as sapatas. O máximo valor obtido na carcaça intertravada foi de -

131,42MPa e na armadura de pressão foi de -134,06MPa. É interessante notar

também que tensões normais de compressão se desenvolvem em ambas as

camadas. Essas tensões pouco variam e valem -33,621MPa para a carcaça

intertravada e -28,49MPa para armadura de pressão. Há portanto, um intenso efeito

de flexão nessas camadas devido às cargas de crushing. Esses valores alternam-se à

medida que variamos a posição angular sendo as menores tensões na fibra superior

encontradas nos intervalos entre sapatas. Em contrapartida, os valores de tensão

encontrados na fibra média pouco apresentam alterações em função da posição

angular, mostrando-se quase uniforme.

As armaduras de tração pouco são solicitadas quando somente é imposto à linha

flexível apenas carregamento de aperto; assim a Tabela IV-7 apresenta os valores

referentes às tensões nas camadas metálicas para o carregamento de 209kN aplicado

pelo tracionador com 4 lagartas.

Tabela IV-7 – Tensão nas camadas metálicas da linha com carregamento de aperto

(209kN) aplicado.

Camada

Tensão (MPa)

σ/σy

Carcaça intertravada

-131,42

0,505

Armadura de pressão

-134,06

0,149

Armadura de tração interna

Armadura de tração externa

A aplicação do carregamento de compressão radial (aperto) provoca o aumento da

instabilidade manifestada pelo aumento gradual de ovalização, conforme pode ser

verificado pela Figura IV-16. O modelo estudado não possui não linearidade física, e

como estamos no regime elástico, esta ovalização será restituída após a retirada do

carregamento. Para o tracionador de 4 lagartas, a ovalização encontrada foi de

0,071%.

Figura IV-16 – Configuração deformada com tracionador de 4 lagartas.

IV.1.6.3.1. Tracionador com 3 lagartas

Análises similares foram realizadas para o modelo de tracionador com três lagartas,

onde as sapatas, que transferem a carga de aperto para a linha flexível, estão

localizadas a 0°, 120° e 240°.

Para tal, foram mantidas as condições de contorno e, tendo em vista a redução do

número de lagartas, a carga de aperto teve de ser acrescida em 33%, sendo agora de

278kN por sapata, conforme Tabela IV-5.

As Figuras IV-17a e Figura IV-17b apresentam, respectivamente, as distribuições de

tensão na carcaça intertravada e na armadura de pressão em função da posição

angular (Figura IV-8), na seção média da linha flexível. Esta região encontra-se sob

ação das cargas de crushing e é representativa do que ocorre nas demais seções

abaixo das sapatas.

(a)

(b)

Figura IV-17 - Variação da tensão em função da posição angular na região central da

linha flexivel para tracionador com 3 lagartas: (a) nas fibras da carcaça intertravada e

(b) nas fibras da armadura de pressão.

De maneira análoga à Figura IV-17, pode-se verificar as variações de tensão nas

fibras média (Figura IV-18a), nas fibras superiores (Figura IV-18b) e nas fibras

inferiores (Figura IV-18c) da carcaça intertravada.

(a)

(b)

(c)

Figura IV-18 - Variação da tensão ao longo da carcaça intertravada para tracionador

com 3 lagartas: (a) na fibra média, (b) nas fibras superiores e (c) nas fibras inferiores

(a)

(b)

(c)

Figura IV-19 - Variação da tensão ao longo da armadura de pressão para tracionador

com 3 lagartas: (a) nas fibras superiores e (b) nas fibras inferiores.

Pode-se perceber que valores superiores aos da tensão de escoamento do material

base (σ

esc

=260MPa) foram alcançados. Vale lembrar que durante a confecção da

carcaça sobre um mandril rotativo ocorre a modificação da estrutura dos metais, em

que a deformação plástica realizada abaixo de temperatura de recristalização causa o

endurecimento e aumento da resiliência do material, fenômeno conhecido como

encruamento. Este processo ocorre basicamente porque os metais se deformam

plasticamente por movimento de discordâncias e estas interagem diretamente entre si

ou com outras imperfeições, ou indiretamente com o campo de tensões internas de

várias imperfeições e obstáculos. Estas interações levam a uma redução na

mobilidade das discordâncias, o que é acompanhada pela necessidade de uma

tensão maior para provocar maior deformação plástica. Para maiores detalhes,

recomenda-se COSTA (2003) ou SOUZA (2002).

A Tabela IV-8 apresenta os valores máximos de tensão nas camadas metálicas para o

carregamento de 278kN aplicado através do tracionador de 3 lagartas.

Tabela IV-8 – Tensão nas camadas metálicas da linha com carregamento de aperto

(278kN) aplicado.

Camada

Tensão (MPa)

σ/σy

Carcaça intertravada

-321,33

1,236

Armadura de pressão

-302,09

0,336

Armadura de tração interna

Armadura de tração externa

Conforme apresentado na Tabela III-1, o elemento utilizado nos modelos tanto para a

carcaça como para a armadura de pressão é um elemento de casca. A resistência

estrutural destas camadas é formada pela combinação de tensões normais (de

membrana) e normais de flexão (Figura IV-19).

(a)

(b)

Figura IV-20 – (a) Tensão normal na fibra média (tensão de membrana) e (b) tensão

de flexão.

Através destas análises de aperto, pode-se perceber que o carregamento de

compresssão radial com quatro lagartas, com carga de 209kN por sapata, apresenta

maiores valores de tensão na fibra média (tensão de membrana) e menores valores de

tensão de flexão do que os apresentados na análise com três lagartas. A tensão

normal obtida na análise com 4 lagartas (-33,62MPa) é 1,63% maior que a obtida na

análise com três lagartas (-33,09MPa). Já as tensões de flexão obtidas na análise com

quatro lagartas (97,80MPa) é 33,93% menor que a obtida com na análise com três

lagartas (288,24MPa).

Assim, quando se compara a resposta do tracionador com três lagartas à resposta do

tracionador com quatro lagartas, nota-se uma tensão total 111,55% maior no primeiro,

apesar de um aumento de apenas 33% da carga de compressão radial. Este fato

aponta que a modificação do número de lagartas afeta de modo significativo a

resposta da linha.

A aplicação do carregamento de compressão radial (aperto) provoca o aumento da

instabilidade manifestada pelo aumento gradual de ovalização, conforme pode ser

verificado pela Figura IV-20. O modelo estudado, não possui não linearidade física,

portanto esta ovalização (elástica) será restituida após a retirada do carregamento.

Para o tracionador de 3 lagartas o valor encontrado é maior sendo de 0,157%.

Figura IV-21 – Configuração deformada com tracionador de 3 lagartas.

IV.1.6.4. Análise de tração e aperto

Foram realizadas análises com os carregamentos da Tabela IV-5 para os

tracionadores de quatro e três lagartas.

As análises de tração e aperto concomitantemente representam a superposição dos

efeitos causados pela tração pura e pelo aperto, conforme Tabela IV-9, uma vez que

em todas as análises, os materiais encontram-se no regime elástico. Com isso se terá

um carregamento de squeeze proveniente dos arames da armadura de tração somado

a um carregamento de compressão radial gerado pelas lagartas. Deste modo, as

tensões observadas correspondem à soma dos valores apresentados na Tabela IV-6

com os valores das Figuras IV-13 e IV-17

Tabela IV-9 – Tensão nas camadas metálicas da linha com carregamento simultâneo

de tração e aperto aplicado.

Camada

Número de lagartas

Tensão (MPa)

Carcaça intertravada

-395,12

Armadura de pressão

-365,58

Carcaça intertravada

-205,21

Armadura de pressão

-197,54

Para o tracionador de quatro lagartas, a Figura IV-22 apresenta as distribuições de

tensão nas fibras média (Figura IV-22a), nas fibras superiores (Figura IV-22b) e nas

fibras inferiores (Figura IV-22c) da carcaça intertravada e a Figura IV-23 apresenta as

distribuições de tensão nas fibras média (Figura IV-23a), nas fibras superiores (Figura

IV-23b) e nas fibras inferiores (Figura IV-23c) da armadura de pressão,

respectivamente.

De forma semelhante, para o modelo do tracionador de três lagartas, a Figura IV-24

apresenta as distribuições de tensão nas fibras média (Figura IV-24a), nas fibras

superiores (Figura IV-24b) e nas fibras inferiores (Figura IV-24c) da carcaça

intertravada.e a Figura IV-25 apresenta as distribuições de tensão nas fibras média

(Figura IV-25a), nas fibras superiores (Figura IV-25b) e nas fibras inferiores (Figura IV-

25c) da armadura de pressão, respectivamente.

(a)

(b)

(c)

Figura IV-22 – Distribuições da tensão na carcaça intertravada, próximo a seção

média, para tracionador com quatro lagartas: (a) na fibra média, (b) na fibra superior e

(a)

(b)

(c)

Figura IV-23 - Variação da tensão na armadura de pressão, próximo a seção média,

para tracionador com quatro lagartas: (a) na fibra média, (b) nas fibras superiores e (c)

nas fibras inferiores

(a)

(b)

(c)

Figura IV-24 – Distribuições da tensão na carcaça intertravada, próximo a seção

média, para tracionador com três lagartas: (a) na fibra média, (b) na fibra superior e (c)

na fibra inferior.

(a)

(b)

(c)

Figura IV-25 - Variação da tensão na armadura de pressão, próximo a seção média,

para tracionador com três lagartas: (a) na fibra média, (b) nas fibras superiores e (c)

nas fibras inferiores

IV.1.6.5. Curvas de aperto

As curvas de aperto, conforme dito anteriormente no Capitulo I, definem graficamente

a envoltória de carregamentos admissíveis, relacionando tração e aperto (crushing),

visto que durante sua instalação, além das cargas radiais (crushing) devido às sapatas

dos tracionadores, a linha flexível estará sujeita a um carregamento de tração devido

ao seu peso próprio, que devido à sua geometria helicoidal, tendem a esmagar as

camadas subjacentes (squeeze).

Com aumento das lâminas d’água, majoram-se os esforços radiais e de tração como

conseqüência do aumento do peso da linha. Por esta razão, a análise das cargas de

instalação possui papel crucial no projeto de linhas flexíveis para aplicações em

lâminas de água profunda e/ou ultra-profunda.

Desempenhando importante papel, tanto para as operadoras como para as

instaladoras, as curvas de aperto definem a programação e/ou contratação de

embarcações com características que permitam a realização das campanhas de

instalação de linhas flexíveis. Com a definição das duas curvas, a envoltória resultante

representa as possíveis condições de carregamento as serem impostas a linha flexível

desde seu carregamento até sua instalação. Essas duas curvas são definidas como:

 Curva de aperto mínimo, que representa o menor aperto (compressão radial)

aplicado pelos tracionadores para que as forças de atrito resultantes sejam

iguais à carga de tração de topo.

 Curva de aperto máximo, que representa o maior aperto (compressão radial)

aplicado pelos tracionadores mantendo as tensões nas camadas metálicas

dentro dos parâmetros definidos pela API SPEC 17J (2002) ou ovalizações

admissíveis.

A norma API SPEC 17J (2002), define conforme Tabela IV-10 os critérios de projeto

para o dimensionamento de todas as camadas de uma linha flexível de camadas não

aderentes, sendo que no caso específico das camadas metálicas a norma determina

como base do projeto o critério de tensão, devendo serem observados seus valores

admissíveis.

Em seus itens 5.3.13 e 5.3.14, a norma define os parâmetros de “utilização” para as

camadas metálicas como sendo:

çã=

ã

 

IV-2

A tensão na camada, segundo definição dada pela norma API SPEC 17J (2002), é a

tensão média na camada e a capacidade estrutural deve ser definida como 90% da

tensão de ruptura para a armadura de pressão e a tensão de escoamento (ou tensão

associada à flambagem) do material.

Uma análise mais criteriosa desta expressão causa estranheza, uma vez que à

medida que se diminui o número de lagartas de um tracionador, reduzem-se as

tensões na fibra média e elevam-se as tensões de flexão. Assim sendo, caso fossem

consideradas apenas as tensões normais para o dimensionamento das camadas

metálicas, chegar-se-ia à conclusão de que quanto menor o número lagartas

presentes no tracionadores, maior poderia ser a lâmina d’água do lançamento.

Em contrapartida, a norma API SPEC 17J (2002) em seu item 5.3.2.4, determina que

verificações adicionais devam ser realizadas buscando determinar a máxima

ovalização residual em função do colapso hidrostático. Face o exposto, percebe-se

que o critério de tensão, apresentado na Tabela IV-10, norteia o inicio de uma análise

de dimensionamento, não devendo o projetista limitar-se a este critério para obtenção

das curvas de aperto.

Para a elaboração das curvas de aperto máximo, apresentadas neste trabalho foram

utilizados os critérios da norma API SPEC 17J (2002) considerando os valores

máximos de tensão observados.

Como as análises foram feitas dentro do regime elástico dos materiais, pode-se

através da superposição de efeitos, extrapolar os valores para as demais cargas de

tração conforme Eq. (IV-3).





=  ×



 çã



 çã

+ C ×



simulação ap

simulação

(IV-3)

onde 



é a máxima tensão permitida na camada,  é a carga de tração para a

lâmina d’água desejada; 

çã

é a tensão obtida na camada para o

carregamento de tração pura; 

çã

é a carga de tração aplicada durante a análise

de tração pura; 

simulação ap

é é a tensão obtida na camada para o carregamento de

aperto; C

simulação

é a carga de aperto aplicada durante a análise de aperto; e C é a

carga de aperto que irá produzir 



na camada.

Tabela IV-10 - Tabela dos critérios de projeto de linhas flexíveis segundo a norma API

SPEC 17J (2002).

Camadas da

linha flexível

Critério de

projeto

Condições de operação

Instalação

Teste hidrostático

Operação normal

Operação

anormal

Operação

recorrente

Operação

extrema

Funcional

ambiental

Funcional,

ambiental

e acidental

Funcional,

ambiental

e acidental

Funcional

ambiental

Funcional

ambiental

e acidental

Camada

plástica

interna

Fluência

A máxima redução de espessura da parede desta camada abaixo do

valor estabelecido em projeto, devido a creep deve ser 30% sob todas

as combinações de carregamento.

Camada

plástica

interna

Flexão e

deformação

A máxima deformação permitida deve ser 7,7% para PE e PA, 7,0%

para PVDF em aplicações estáticas e armazenamento em aplicações

dinâmicas e 3.5% para operações dinâmicas. Para outros materiais

poliméricos, a deformação máxima deve ser especificada pelo

fabricante, que deverá apresentar um documento comprobatório da

máxima deformação permitida.

Carcaça

intertravada

Tensão

[0,85] para D

máx

> 900 m







á

300

600

0,18 + 0,67



para 300m < D

máx

< 900m

[0,67] para D

máx

< 300 m

Armadura

de pressão

Tensão

0,67

0,85

0,67

0,85

0,91

Armadura

de tração

Tensão

0,55

0,85

0,67

0,85

0,91

Camada

plástica

externa

Flexão e

deformação

A máxima deformação permitida deverá ser 7,7% para PE e PA. Para

outros materiais poliméricos, a deformação máxima deve ser

especificada pelo fabricante, que deverá apresentar um documento

comprobatório da máxima deformação permitida.

A Tabela IV-11 apresenta os coeficientes de proporcionalidade de tração (



 çã



 çã

)

e aperto (



simulação ap

simulação

) cujos valores foram obtidos com base nas Tabelas IV-6, IV-7 e

IV-8.

Tabela IV-11 – Coeficientes de proporcionalidade

Coeficientes de proporcionalidade

Tração

(MPa/kN)

Aperto (MPa/kN)

4 lagartas

3 lagartas

Carcaça intertravada

-3,4020E-2

-6,2880E-1

-1,1559

Armadura de pressão

-2,9267E-2

-6,4144E-1

-1,0867

Armadura de tração interna

2,5330E-1

Armadura de tração externa

2,3418E-1

Utilizando os coeficientes de proporcionalidade obtidos acima e limitando os

parâmetros de utilização para as camadas em estudo (Eq. IV-2), as curvas de aperto

máximo foram então obtidas, variando-se a tração de topo, função da lâmina d’água.

Essas curvas definem os maiores valores de aperto associados à profundidade de

instalação que podem ser aplicados a estrutura, sem o risco de esmagamento.

Para as curvas de aperto mínimo, foi utilizada a Eq. (II-6), variando a tração de topo

em função da lâmina d’água e do número de lagartas dos tracionadores. Essas curvas

definem o menor valor de aperto necessário para a sustentação da linha pelos

tracionadores, sem o risco de escorregamento.

As Figuras IV-25 e IV-26 apresentam as curvas de aperto para lançamento da linha

em estudo através de tracionador de 4 lagartas e 3 lagartas respectivamente, tendo

sido introduzidos no gráfico, para melhor visualização, o limite estrutural da linha de

2250m de lâmina d’água e o limite dos tracionadores do navio de instalação, que neste

estudo é de 3350kN.

Figura IV-26 – Curva de aperto para tracionador com quatro lagartas.

Figura IV-27 – Curva de aperto para tracionador com três lagartas.

Ao comparar as curvas de aperto mínimo para os tracionadores de quatro lagartas

(Figura IV-25) com as do tracionador de três lagartas (Figura IV-26), nota-se que a

curva de aperto mínimo para o tracionador de quatro lagartas apresenta um maior

coeficiente angular do que a do tracionador de três lagartas, representando uma

menor necessidade de aperto para sustentação da mesma tração de topo, isto é, o

maior número de lagartas induz a um maior atrito e conseqüentemente menores

cargas de aperto conseqüentemente.

A “quebra” visualizada nas curvas de aperto máximas representam os parâmetros da

norma API SPEC 17J (2002), na qual são introduzidos diferentes coeficientes em

função da profundidade de instalaçào, sendo um até 300m, outro entre 300m e 900m

e um terceiro acima de 900m.

A envoltória das curvas de aperto mínimo e aperto máximo definem a gama pares de

tração versus aperto possíveis de serem utilizados para o lançamento da linha flexível

em estudo. Nota-se que, quando se considera a tensão de escoamento do material

como critério de projeto, a linha torna-se limitante para o lançamento com tracionador

de quatro lagartas. No caso do tracionador de três lagartas, limitar-se-ia o lançamento

pelo equipamento (tracionador) à 1300m de lâmina d’água.

As curvas de aperto também apresentam como critério de projeto para carcaça

intertravada o valor limite de 90% da tensão de ruptura, ampliando-se a janela de

operação e viabilizando o lançamento com três lagartas, passando novamente a linha

a ser o limitante do lançamento, o que reforça a importância da determinação das

propriedades mecânicas do material base após o encruamento.

Assim sendo, num cenário de exploração onde cada vez mais campos são

descobertos em águas profundas e/ou ultra-profundas, é de grande importância a

definição do critério de projeto a ser adotado, visto que, com sua alteração pode-se ou

não permitir a realização de determinada campanha de lançamento. Neste contexto,

deve dar-se preferência à utilização de tracionadores com maior número de lagartas,

na medida que esses equipamentos tendem a apresentar performances superiores,

impondo a estrutura a ser lançada menores cargas de aperto e, conseqüentemente,

menores tensões e/ou deformações.

CAPÍTULO V

V. CONCLUSÕES

V.1 Conclusões Finais

Esta dissertação teve como objetivo principal estudar o comportamento estrutural de

uma linha flexível íntegra durante operações rotineiras de lançamento, através de

modelos de elementos finitos tridimensionais e não lineares, apresentando ao final as

curvas de aperto.

Inicialmente, apresentou-se o conceito de linha flexível e os atuais sistemas de

lançamento de linhas disponíveis no mercado, descrevendo seus principais

componentes, equipamentos e acessórios.

Na seqüência, foi realizada análise global estática e dinâmica com um modelo

representativo da linha flexível em estudo. Nota-se que os resultados obtidos tanto na

análise estática para o fator de catenária como na dinâmica para o fator de

amplificação apresentam-se inferiores aos valores encontrados na literatura, o que faz

com que os valores usualmente adotados sejam conservativos.

Para confecção das curvas de aperto, foi realizada análise local sendo utilizado um

modelo que permite a consideração das diversas camadas da linha flexível, sendo

avaliada as respostas de uma linha flexível de 6” sem ovalização inicial, submetida aos

carregamentos de tração pura, aperto puro e tração e aperto simultâneos. Todas

análises realizaram-se dentro do regime elástico, isto é, as tensões que se

apresentam num determinado material são linearmente relacionadas às cargas

aplicadas.

Assim sendo, os resultados obtidos mostraram que um maior número de lagartas,

implica em um aumento significativo da tensão na fibra média (tensão de membrana) e

uma redução das tensões de flexão tanto na carcaça intertravada como na armadura

de pressão. À medida que se reduz o numero de lagartas de quatro para três, para um

mesmo cenário de lançamento, atingem-se tensões nas fibras superiores e inferiores

acima dos valores da tensão de escoamento do material base.

Cabe lembrar que a API SPEC 17J (2002) possui um critério de projeto baseado em

tensões para dimensionamento das camadas metálicas. Observam-se em todas

análises que a carcaça intertravada foi limitante para o lançamento da linha estudada.

É importante destacar que existe pouca literatura disponível sobre as propriedades

mecânicas obtidas após o processo de fabricação da carcaça intertravada. O

encruamento a frio do aço empregado, que altera as propriedades do material como,

por exemplo, sua tensão de escoamento. Como este parâmetro é fundamental para a

determinação dos limites de instalação da linha, é importante que esse fato seja

melhor estudado.

Apesar dos bons resultados obtidos com o modelo proposto, verifica-se a necessidade

de emprego de um critério de ovalização, que permita a aplicação de cargas de aperto

maiores durante as operações de lançamento sem o comprometimento da resistência

ao colapso hidrostático da linha flexível. É importante ressaltar que os fabricantes

confeccionam suas curvas de aperto baseados em critérios de ovalização,

aumentando desta forma a envoltória de carregamentos e, por conseguinte, a gama

de navios capazes de realizar determinadas campanhas de lançamento.

Posto isso, acredita-se que se tenha conseguido apresentar uma diretriz eficiente para

confecção de curvas de aperto com base em análise local de linhas flexíveis. Algumas

hipóteses assumidas na elaboração dos modelos, contudo, podem ser melhor

desenvolvidas. Todos estes pontos são destacados no item a seguir.

V.2 Sugestões para trabalhos futuros

Levando em consideração as conclusões apresentadas, é possível sugerir alguns

tópicos para investigação mais ampla em trabalhos futuros.

1. Realização de ensaios experimentais para levantar valores de propriedades

mecânicas dos materiais utilizados na confecção da carcaça intertravada após

o processo de encruamento.

2. Extensão do estudo aqui apresentado para outros tipos de linhas flexíveis,

com outros diâmetros, configurações de camadas e características

geométricas:

 Considerando ovalizações iniciais e folgas entre camadas.

 Plasticidade das camadas metálicas.

3. Avaliar os mecanismos de falha da estrutura para tracionadores com três e

quatro lagartas.

4. Extensão do estudo comparando a resposta deste modelo tri-dimensional

com modelos bi-dimensionais.

VI. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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