ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE DUTOS RÍGIDOS EM...
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i ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE DUTOS RÍGIDOS EM ALAGAMENTO NÃO PLANEJADO Gabriel Pereira Botelho Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval. Orientador: Murilo Augusto Vaz Rio de Janeiro Agosto de 2014
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ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE DUTOS RÍGIDOS EM ALAGAMENTO NÃO
PLANEJADO
Gabriel Pereira Botelho
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval.
Orientador: Murilo Augusto Vaz
Rio de Janeiro
Agosto de 2014
ii
ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE DUTOS RÍGIDOS EM ALAGAMENTO NÃO
PLANEJADO
Gabriel Pereira Botelho
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL.
Examinada por:
_________________________________________
Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.
_________________________________________
Prof. Júlio César Ramalho Cyrino, D.Sc
_________________________________________
Prof. Marta Tápia Reyes, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
AGOSTO DE 2014
iii
Botelho, Gabriel Pereira
Análise de instalação de dutos rígidos em alagamento não
planejado / Gabriel Pereira Botelho. – Rio de Janeiro:
UFRJ/Escola Politécnica, 2014
x, 46 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Murilo Augusto Vaz
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Naval e Oceânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 41.
1. Alagamento. 2. Dutos submarinos. I. Vaz, Murilo
Augusto. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III.
Título.
iv
A toda minha família e amigos.
v
AGRADECIMENTOS
À minha mãe, Rosa, meu pai, Ismael, e meu irmão, Fabricio, que sempre me
incentivaram nos estudos e nas minhas opções profissionais.
À minha namorada Carolina, por sempre estar ao meu lado, com todo amor,
companheirismo, incentivo e carinho.
Aos meus tios, avós e primos, que me acompanharam desde o meu nascimento e em
meus piores momentos se tornaram melhores amigos.
Ao orientador Prof. Murilo Augusto Vaz, pela experiência compartilhada e o apoio que
foram fundamentais para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao Eng° Ricardo Maneschy, pelo apoio e paciência, sempre pronto a atender minhas
dúvidas durante a realização deste trabalho.
Aos meus amigos de graduação, especialmente aos ingressantes do 2º período de
2009, pelos melhores momentos que passei na universidade, sem eles não seria
possível alcançar o tão sonhado título de Engenheiro Naval.
Aos amigos do Colégio Pedro II, com quem aprendi a sorrir e a sonhar alto, pelos
momentos felizes que compartilhamos e que tornaram a caminhada menos dura.
Aos amigos do departamento de engenharia de instalações da empresa TECHNIP,
pelas risadas, pelo conhecimento compartilhado e por fornecerem ferramentas que
tornaram possível o desenvolvimento do trabalho.
À ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) e à
PETROBRAS S.A., pelo apoio financeiro e oportunidade de aprendizado, através do
programa de recursos humanos – PRH-03.
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Resumo do Projeto Final apresentado ao Departamento de Engenharia Naval e
Oceânica – Escola Politécnica / UFRJ como parte dos requisitos necessários para a
obtenção do Diploma de Engenheiro Naval.
ANÁLISE DE INSTALAÇÃO DE DUTOS RÍGIDOS EM ALAGAMENTO NÃO PLANEJADO
Gabriel Pereira Botelho
Agosto de 2014
Orientador: Murilo Augusto Vaz
Programa: Engenharia Naval e Oceânica
Resumo:
Com o avanço da exploração offshore para águas cada vez mais profundas, os desafios
quanto ao escoamento da produção tendem a ser cada vez maiores. Desta forma,
pesquisas relacionadas à instalação de dutos se fazem necessárias para que seja
possível vencer esses desafios.
Um dos problemas que pode ocorrer durante o lançamento de dutos rígidos é o
alagamento não planejado da linha. Este cenário provoca um aumento das cargas no
duto e no navio de lançamento, e se não for considerado durante o projeto de
lançamento podem acarretar em grandes acidentes.
Este trabalho tem como principal objetivo oferecer subsídios para a verificação da
aptidão de uma embarcação lançar dutos rígidos, levando em consideração um cenário
de alagamento não planejado, através da avaliação das variáveis relevantes, das
limitações do duto e da embarcação, dos riscos e das mitigações.
Nas análises acerca do alagamento foram utilizadas equações limites da norma DNV e
desenvolveu-se modelos numéricos para análises globais do comportamento estático e
dinâmico de um riser rígido alagado durante sua instalação.
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Abstract of the Final Project presented to the Department of Naval and Ocean Engineering –
Escola Politécnica / UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the Naval Architecture
Diploma.
ANALYSIS OF UNPLANNED PIPELINE FLOODING DURING THE INTALLATION PHASE
Gabriel Pereira Botelho
August 2014
Advisor: Murilo Augusto Vaz
Department: Naval Architecture and Ocean Engineering
With the advancement of the oil & gas offshore exploration to deep waters, the challenges in
production flow tend to be larger. Therefore, researches related to pipeline installation is
needed to be possible to win these new challenges.
One of the great problems that can happen during pipeline laying is the unplanned pipeline
flooding. This scenario induces an increase in pipeline and vessel’s load, which, if not taken into
account during the installation project, can cause major accidents.
This work’s main objective is to offer aids to verify the ability of a vessel to install steel pipelines,
considering an unplanned pipeline flooding scenario, by evaluating the relevant variables, the
pipeline and vessel limitations, the risks and mitigations.
In the analyses of pipeline flooding limit equations of the DNV standards were employed and
numerical models for global analyses of the static and dynamic behavior of a steel catenary riser
flooded during the installation were used.
viii
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1
2 CONCEITOS BÁSICOS .................................................................................................... 2
2.1 DUTOS RÍGIDOS ....................................................................................................... 2
2.2 MÉTODOS DE INSTALAÇÃO DE SUPERFÍCIE ................................................. 2
2.2.1 MÉTODO S-LAY ................................................................................................ 3
2.2.2 MÉTODO REEL LAY ........................................................................................ 4
2.2.3 MÉTODO J-LAY ................................................................................................. 5
3 METODOLOGIA ................................................................................................................. 6
4 REFERÊNCIA NORMATIVA ............................................................................................ 7
5 ALAGAMENTO NÃO PLANEJADO............................................................................... 9
4.1 CAUSAS DE ALAGAMENTOS NÃO PLANEJADOS ......................................... 9
4.2 MÉTODOS DE DETECÇÃO DE ALAGAMENTOS ........................................... 10
4.3 CÁLCULO DO TEMPO DE ALAGAMENTO ....................................................... 11
5 ESTUDOS DE CASO ...................................................................................................... 17
5.1 CARACTERÍSTICAS DO NAVIO DE INSTALAÇÃO ........................................ 18
5.2 CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS ...................................................................... 18
5.3 ESTADO DE MAR ................................................................................................... 19
5.4 CASOS ANALISADOS ........................................................................................... 20
6 MODELOS NUMÉRICOS ............................................................................................... 25
6.1 ANÁLISES ESTÁTICAS ......................................................................................... 25
6.1.1 PROCEDIMENTO PARA SIMULAÇÃO DO ÂNGULO DE TOPO .......... 25
6.1.2 AVALIAÇÃO DE EXCURSÕES ADMISSÍVEIS.......................................... 26
6.1.3 ANÁLISE DO ALAGAMENTO PROGRESSIVO ........................................ 27
6.2 ANÁLISES DINÂMICAS ......................................................................................... 28
6.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS ............................................................................. 30
7 CONCLUSÃO ................................................................................................................... 39
8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................................................... 40
9 REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 41
ANEXOS .................................................................................................................................... 42
ix
Índice de Figuras
Figura 1 - Duto rígido de única função em processo de construção [1] ....................................... 2
Figura 2 - Esquema de lançamento pelo método S-Lay [1] .......................................................... 3
Figura 3 - Esquema de lançamento pelo método Reel-Lay[1] ...................................................... 4
Figura 4 - Esquema de lançamento pelo método J-Lay[1] ............................................................ 5
Figura 5 - Reservatório com oríficio na parede [4] ..................................................................... 12
Figura 6 - Configuração em catenária ......................................................................................... 13
Figura 7 - Curvas Comprimento Vazio x Taxa de Lançamento .................................................... 16
Figura 8 - Caracterização das alturas Zi e Zf ............................................................................... 16
Figura 9 - Bacia de Campos [8] .................................................................................................... 17
Figura 10 - Ponto de referência da embarcação ......................................................................... 18
Figura 11 - Espectro de mar JONSWAP ....................................................................................... 20
Figura 12 – Desenho esquemático das instalações ..................................................................... 21
Figura 13 - Curvas para definição de Zf ....................................................................................... 22
Figura 14 - Tempo de Alagamento - Ad/Ao = 128 ....................................................................... 23
Figura 15 - Tempos de Alagamento - Ad/Ao = 256 ..................................................................... 23
Figura 16 - Procedimento para se atingir um ângulo de topo igual a X. .................................... 26
Figura 17 – Avaliação das excursões máximas admissíveis ........................................................ 27
Figura 18 - Passos de alagamento de 10%, 50% e 100% ............................................................. 28
Figura 19 - Espectro de Resposta ................................................................................................ 29
Figura 20 - Trações máximas no topo ......................................................................................... 30
Figura 21 - Fatores de utilização máximos .................................................................................. 31
Figura 22 - Resultados das excursões máximas admissíveis ....................................................... 32
Figura 23 - Resultados alagamento estático Topo - Casos 1 e 2 ................................................. 33
Figura 24 - Resultados alagamento estático TDP - Casos 1 e 2 ................................................... 33
Figura 25 –Resultados alagamento dinâmico Topo – Casos 1 e 2 .............................................. 34
Figura 26 - Resultados alagamento dinâmico TDP - Casos 1 e 2 ................................................. 34
Figura 27 - Trações resultantes durante o alagamento das linhas ............................................. 35
Figura 28 - Resultado alagamento estático - Caso 3 ................................................................... 36
Figura 29 - Resultado alagamento dinâmico – Caso 3 ................................................................ 36
Figura 30 – Resultado alagamento dinâmico – Caso 3 com excursão negativa .......................... 37
Figura 31 - Trações no topo durante o alagamento .................................................................... 38
Figura 32 - Perda de 69% do comprimento suspenso do duto ................................................... 38
x
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Características do PLSV ............................................................................................... 18
Tabela 2 - Características dos Dutos ........................................................................................... 19
Tabela 3 - Dados Oceanográficos ................................................................................................ 19
Tabela 4 – Características dos casos ........................................................................................... 21
Tabela 5 - Avanço do Alagamento – Ad/Ao = 128 ...................................................................... 24
Tabela 6 - Avanço do Alagamento - Ad/Ao = 256 ....................................................................... 24
Tabela 7 – Resultados das excursões máximas admissíveis........................................................ 27
Tabela 8 - Alturas Alagadas (m) ................................................................................................... 28
1
1 INTRODUÇÃO
Uma grande parte do volume de hidrocarbonetos produzidos no mar nos tempos atuais
é transportado por dutos rígidos submarinos, dos poços às plataformas e destas para a
terra. Esses dutos podem se encontrar na posição horizontal, apoiados sobre o leito
marinho, assim chamados de “flowlines”, e conectados à plataformas fixas ou flutuantes
através de dutos assumindo uma configuração vertical ou em catenária, chamados
então de “risers”. Existem ainda dutos responsáveis por realizar o escoamento da
produção das unidades de exploração offshore, também instalados na posição
horizontal e apoiados sobre o leito marinho, conhecidos como “pipelines”. Tanto os
pipelines quanto os flowlines são dutos sujeitos ao carregamento estático provocado
pela pressão hidrostática. Por outro lado os risers estão sujeitos à carregamentos
dinâmicos de ondas e da correnteza submarina.
Os dutos submarinos podem ser fabricados no continente e transportados para o local
em que serão instalados, seja através do reboque pelos diferentes métodos de arraste
ou pelo método de lançamento Reel-lay. Outra opção para se realizar o lançamento e
instalação desses dutos é o transporte de pequenos trechos de linha e subsequente
soldagem e lançamento em um ambiente offshore pelos métodos conhecidos como S-
Lay e J-Lay.
Durante a instalação de dutos submarinos podem ocorrer falhas na estrutura dos dutos
ou nas diversas válvulas que neles são instaladas levando a um alagamento não
desejado da linha durante a instalação, aumentando drasticamente o peso da linha
suportado pelos navios envolvidos na instalação e podendo provocar acidentes.
Este trabalho tem como principal objetivo analisar a viabilidade de instalação, em termos
das capacidades do navio de instalação e da estrutura do duto, de suportar as cargas
de lançamento em um cenário de alagamento não planejado durante a instalação de
um duto pelo método de instalação J-Lay, em diferentes profundidades. Para isso será
utilizado o software de elementos finitos Orcaflex v9.7b, específico para a modelagem
e análise estrutural de sistemas marítimos offshore.
2
2 CONCEITOS BÁSICOS
Para um melhor entendimento da proposta deste projeto faz-se necessário a realização
de uma revisão do que está envolvido em um cenário de alagamento não planejado
durante a instalação de dutos rígidos.
2.1 DUTOS RÍGIDOS
Define-se por dutos rígidos os dutos constituídos de trechos de tubos de aço unidos por
meio de solda ou conectores mecânicos.
Esses dutos podem cumprir uma única função ou múltiplas funções. Os dutos de
múltiplas funções são organizados em bundle, ou seja, diversas linhas são instaladas
no interior de um duto, denominado de carrier pipe. Cada um desses dutos internos
pode apresentar um função diferente como transporte da produção do poço para a
plataforma ou de fluidos da plataforma para o poço [1].
Figura 1 - Duto rígido de única função em processo de construção [1]
2.2 MÉTODOS DE INSTALAÇÃO DE SUPERFÍCIE
Os métodos de lançamento de dutos rígidos se dividem em dois conjuntos:
Lançamentos de superfície e lançamentos por arraste.
No conjunto de lançamentos de superfície encontram-se os métodos de lançamento S-
Lay, J-Lay e Reel Lay. No conjunto de lançamentos por arraste temos o método por
arraste na superfície, arraste no fundo, arraste próximo ao fundo e método por arraste
controlado [1].
A principal diferença entre esses dois conjuntos é que nos métodos de instalação de
superfície são utilizados navios específicos para instalação tendo em vista que os dutos
3
são fabricados em alto mar ou passam por algum tipo de processo no momento da
instalação (Reel Lay).
Neste projeto foi dado um enfoque no método de lançamento de superfície J-Lay, o qual
é mais utilizado para instalação de dutos em águas profundas, porém todos os métodos
de lançamento de superfície serão aboradados nesta Seção.
2.2.1 MÉTODO S-LAY
Neste método a construção da linha é feita sobre a embarcação de lançamento em uma
posição quase horizontal.
Segmentos de tubos de aproximadamente 12 metros são soldados e inspecionados
sobre uma rampa de montagem que passa por estações de soldagem. Vale ressaltar
que a montagem na posição horizontal possibilita que as estações de trabalho sejam
dispostas em série fazendo com que a produtividade seja alta.
O duto é sustentado pelo navio através de tracionadores e é abandonado pela popa
assumindo uma configuração em “s”, originando o nome do método. A configuração
desse tipo de instalação cria duas regiões com flexão acentuada, uma na região próxima
ao navio, chamada de overbend, e outra próxima ao fundo, conhecida como sagbend.
A Figura 2 apresenta um desenho esquemático do método de lançamento S -Lay.
Figura 2 - Esquema de lançamento pelo método S-Lay [1]
Para a instalação de dutos em regiões mais profundas o overbend tende a obter uma
curvatura muito acentuada, inviabilizando este tipo de lançamento. Para contornar este
4
problema utiliza-se uma estrutura na popa da embarcação conhecida como stinger. Esta
estrutura tem como objetivo suavizar a variação angular sofrida pelo duto na região do
sagbend e é projetada para viabilizar este método para projetos específicos de
lançamento.
2.2.2 MÉTODO REEL LAY
O método reel lay consiste na construção de toda a linha no continente e consequente
armazenamento da mesma no convés do navio de lançamento em um carretel de
grande diâmetro, para transporte e instalação. A grande vantagem encontrada neste
método de lançamento é a alta velocidade com que a linha pode ser instalada, porém
existem diversas limitações que devem ser levadas em consideração ao se optar por
este método. A Figura 3 apresenta um desenho esquemático do método de lançamento
Reel -Lay.
Figura 3 - Esquema de lançamento pelo método Reel-Lay[1]
A primeira limitação que pode ser citada é o fato de que a espessura da parede do duto
tende a ser maior do que a necessária para os outros métodos de lançamento. Isso
acontece devido às deformações impostas ao duto durante o processo de carregamento
e descarregamento da linha no navio. Outra grande limitação é o diâmetro máximo do
duto que pode ser estocado, tendo em vista que o diâmetro do duto define a deformação
máxima que este pode sofrer sem que ocorram danos. Uma terceira limitação
importante deste método é a utilização de revestimentos de alta rigidez na linha, como
por exemplo o concreto, pois reduz muito a deformação máxima que a linha pode sofrer
devido ao enrolamento no carretel.
5
Alguns equipamentos típicos em navios que realizam a instalação através deste método
são, segundo referência [1]: Equipamentos necessários à retificação do duto, tambor de
armazenamento, máquinas de tração e rampa de lançamento.
2.2.3 MÉTODO J-LAY
O método J-Lay foi desenvolvido com a finalidade de eliminar a grande curvatura no
topo da linha, overbend, existente no método de lançamento S-Lay. A rampa de
lançamento é construída em uma posição quase vertical, sendo chamada então de torre
de lançamento. Esta configuração na posição vertical viabilizou o lançamento de dutos
rígidos em águas mais profundas, porém este método também possui desvantagens
frente aos outros apresentados.
Com a substituição da rampa utilizada no método S-Lay pela torre de lançamento as
operações de construção do duto não podem mais ser realizadas totalmente em série,
tendendo assim a uma redução na produtividade deste método. A Figura 4 apresenta
um esquema de lançamento do método de lançamento J-Lay.
Figura 4 - Esquema de lançamento pelo método J-Lay[1]
Para as análises de alagamento que serão apresentadas neste relatório foi utilizado o
método de instalação J-Lay, tendo em vista que é o método mais usual à instalação em
águas profundas e ultraprofundas, as quais são os grandes desafios encontrados hoje
no Brasil em termos de exploração offshore.
6
Independente do método utilizado para se realizar o lançamento de dutos existem duas
regiões que são mais afetadas no que se refere a carregamentos excessivos, devido a
perda de posição da embarcação instaladora. Essas regiões são a região do topo, onde
o duto é sustentado pelo navio durante o lançamento, e a região do sagbend, que
apresenta alta flexão junto ao fundo.
A região de topo apresenta altas cargas de tração devido ao comprimento suspenso de
linha sustentado pela embarcação, vale ressaltar ainda que quanto maior a lâmina
d’água (LDA) do local de instalação maior será a tração existente no topo do duto,
sustentado pelo navio. Ao que se refere às cargas flexionais, na posição ideal de
instalação, o momento nesta região tende a ser igual a zero. Porém ao passo que o
navio se desvia da posição ideal de instalação a tração e o momento existentes podem
sofrer aumentos abruptos provocando danos ao duto rígido.
A região do sagbend apresenta altas cargas flexionais devido a curvatura existente na
região do fundo, que podem ser aumentadas devido à perda de posição da embarcação.
3 METODOLOGIA
A metodologia adotada para a análise de viabilidade de instalação de um duto rígido,
considerando a possibilidade de ocorrência de um alagamento não planejado durante o
lançamento, consiste nos passos descritos a seguir:
Passo 1: Desenvolvimento de uma formulação específica para estimativa do
tempo de alagamento de um duto em configuração de catenária.
Passo 2: Definição de 3 estudos de caso, considerando diferentes
características para os dutos a serem instalados em diferentes lâminas d’água.
Passo 3: Modelagem dos estudos de caso nos software de elementos finitos
Orcaflex.
Passo 4: Avaliação das excursões máximas admissíveis que garantam a
integridade estrutural da linha instalada, segundo norma da classificadora Det Norske
Veritas (DNV) [2] (Análises estáticas e dinâmicas).
Passo 5: Avaliação da integridade estrutural do duto durante a progressão do
alagamento, segundo norma DNV, e verificação das trações máximas, a fim de garantir
que o navio tenha capacidade de instalar a linha (Análises estáticas e dinâmicas).
7
Vale ressaltar que durante as análises em elementos finitos não foram consideradas as
ações de correnteza, uma vez que, segundo referência [3], essas podem afetar os
resultados de diversas formas diferentes, melhorando ou piorando as condições de
instalação, dependendo da sua direção de incidência.
4 REFERÊNCIA NORMATIVA
Em engenharia costumam-se utilizar normas conceituadas a fim de validar projetos
desenvolvidos. A classificadora Det Norske Veritas (DNV) possui normas já
consagradas e muito utilizadas na indústria offshore no que tange o projeto de dutos
rígidos, desta forma optou-se por utilizar o critério de colapso local da Norma DNV-OS-
F101[2] para realizar a avaliação do estado do duto durante o lançamento. Neste critério
é descrita a condição de carregamento controlado, a qual é aplicável a seções do duto
sujeitas a tração, momento fletor e pressão externa ou interna excessiva. A
caracterização da condição do duto é realizada através do Fator de Utilização (FU),
quando este supera a unidade é considerado que ocorre uma falha local no duto. As
formulações referentes ao FU descritas na Norma DNV são apresentadas a seguir.
𝐹𝑈 = {𝛾𝑚. 𝛾𝑆𝐶 .|𝑀𝑆𝑑|
𝛼𝑐.𝑀𝑝.(𝑡)+ {
𝛾𝑚.𝛾𝑆𝐶.𝑆𝑆𝑑
𝛼𝑐.𝑆𝑝.(𝑡)}
2
}
2
+ (𝛾𝑚. 𝛾𝑆𝐶 .𝑝𝑒−𝑝𝑚𝑖𝑛
𝑝𝑐.(𝑡))
2≤ 1 (3.1)
𝑆𝑝(𝑡) = 𝑓𝑦. 𝜋. (𝐷 − 𝑡). 𝑡 (3.2)
𝑀𝑝(𝑡) = 𝑓𝑦. 𝜋. (𝐷 − 𝑡)2. 𝑡 (3.3)
𝛼𝑐 = (1 − 𝛽) + 𝛽.𝑓𝑢
𝑓𝑦 (3.4)
𝛽 = {
0,5 𝐷 𝑡⁄ < 15
(60−𝐷 𝑡⁄
90) 15 ≤ 𝐷 𝑡 ≤ 60⁄
0 𝐷 𝑡⁄ > 60
(3.5)
Onde,
MSd momento fletor de projeto, obtido através das análises realizadas;
SSd força axial efetiva de projeto, obtida através das análises realizadas;
Mp momento fletor para o regime plástico;
Sp força axial efetiva para o regime plástico;
pe pressão externa atuante;
pmin mínima pressão interna;
8
pc pressão de colapso;
𝛼𝑐 parâmetro de tensão de escoamento;
β parâmetro utilizado no critério de carregamento combinado;
fu limite de resistência do material;
fy limite de escoamento do material;
D diâmetro nominal do duto;
t espessura de parede nominal do duto.
γ𝑚 fator de resistência do material, tabela 5-4 ref. [2]
γ𝑆𝐶 fator de resistência de classe de segurança, tabela 5-5 ref. [2]
A pressão de colapso, pc, pode ser calculada através das equações a seguir.
[(𝑝𝑐(𝑡) − 𝑝𝑒𝑙(𝑡))]. [(𝑝𝑐(𝑡)2 − 𝑝𝑝(𝑡)2)] = 𝑝𝑐(𝑡). 𝑝𝑒𝑙(𝑡). 𝑝𝑝(𝑡). 𝑓0.𝐷
𝑡 (3.6)
𝑝𝑒𝑙(𝑡) =2.𝐸.(
𝑡
𝐷)
3
1−𝑣2 (3.7)
𝑝𝑝(𝑡) = 𝑓𝑦. 𝛼𝑓𝑎𝑏 .2.𝑡
𝐷 (3.8)
𝑓𝑜 =𝐷𝑚𝑎𝑥−𝐷𝑚𝑖𝑛
𝐷≤ 0.03 (3.9)
Onde,
pp pressão de colapso plástico;
pel pressão de colapso elástico;
E módulo de elasticidade do material;
v coeficiente de Poisson;
𝛼𝑓𝑎𝑏 fator de fabricação;
fo ovalização do duto;
Dmax maior diâmetro medido em um duto;
Dmin menor diâmetro medido em um duto.
9
5 ALAGAMENTO NÃO PLANEJADO
Mesmo que um alagamento em uma linha não seja planejado, na engenharia devemos
considerar possíveis falhas nos sistemas e, desta forma, considerar medidas de
contingência a fim de reduzir os impactos que tal acidente possa causar durante a
instalação de dutos rígidos. Neste capítulo serão apresentadas algumas causas e
consequências de alagamentos não planejados, os métodos utilizados para detecção e
uma abordagem simplificada para o cálculo da velocidade de alagamento,
considerando-se ainda a velocidade de lançamento do duto.
4.1 CAUSAS DE ALAGAMENTOS NÃO PLANEJADOS
O alagamento de uma linha durante o processo de instalação pode provocar acidentes
catastróficos tendo em vista que o aumento das cargas de instalação pode resultar em
danos materiais ao navio de instalação ou até mesmo à integridade física de sua
tripulação.
Existem diversas causas para ocorrência de um alagamento em dutos submarinos
durante a instalação, como por exemplo, um possível vazamento nas conexões da linha,
como flanges e válvulas.
O alagamento que ocorre em flanges e válvulas é muitas vezes proveniente de falha na
vedação desses componentes da linha ou, no caso das válvulas, uma falha humana
fazendo com que a operação seja realizada com as válvulas na posição incorreta.
Outra possível causa de alagamento é a ocorrência de uma falha na estrutura do duto
rígido. Essas falhas são decorrentes dos carregamentos excessivos que podem ser
aplicados sobre a linha durante sua vida e que podem gerar deformações em sua
superfície. Quando a deformação provocada no duto gera um furo onde há o ingresso
de água na linha têm-se uma deformação conhecida usualmente por Wet Buckle. Por
outro lado podem haver deformações onde não há o ingresso de água na linha, estas
são conhecidas então por Dry Buckle.
As falhas nos dutos rígidos descritas no parágrafo anterior podem ser decorrentes de
impactos da linha com outros objetos ou por grandes carregamentos não considerados
na fase de projeto do duto.
Os danos causados por esforços não contemplados na fase de projeto de um duto
submarino durante a instalação ocorrem geralmente quando a operação não é realizada
exatamente de acordo com os parâmetros definidos nas análises na fase de projeto.
10
O não cumprimento dos parâmetros definidos nas análises de instalação pode resultar,
por exemplo, na perda de posição do Pipe Laying Support Vessel (PLSV), causada por
falha nos geradores resultando em falta de energia ou por uma falha no próprio sistema
de posicionamento dinâmico. A perda de posição do PLSV pode ocasionar no aumento
excessivo das cargas atuantes no duto gerando falhas na estrutura e consequentes
alagamentos durante a instalação [3].
Portanto, com tudo o que foi descrito nesta seção, pode-se notar que é de suma
importância que haja um monitoramento quanto à possibilidade de alagamento durante
a instalação, para que sejam inicadas medidas de contingência mais rapidamente.
4.2 MÉTODOS DE DETECÇÃO DE ALAGAMENTOS
Quando um alagamento se inicia é importante que seja detectado rapidamente para que
medidas de contingência sejam postas em prática, tendo em vista que o aumento da
carga pode resultar no escorregamento do duto pelo tracionador e consequente perda
da linha, caso este não seja capaz de sustentar o excesso de carga.
Pode-se identificar três principais métodos de detecção de alagamentos em uma linha
rígida, são eles a detecção de ar soprando de dentro da linha, a mudança de
configuração da catenária e o monitoramento da tração de topo.
O primeiro método é aplicável para os métodos de lançamento J-Lay e S-Lay, pois
ocorre no momento em que há a parada do lançamento para a solda de um novo trecho
de duto.
O segundo método é realizado com o auxílio de Remotely Operated Vehicles (ROV’s),
os quais podem monitorar a distância do Touch Down Point (TDP) até a embarcação. O
alagamento inesperado do duto provocaria uma diminuição desta distância, tendo em
vista que o aumento do “peso” provocado pelo alagamento causa um assentamento na
configuração do duto.
O último método de detecção pode ser utilizado em todos os métodos de lançamento
de superfície e consiste no monitoramento na tração no topo da linha, se houver algum
aumento inesperado na carga este pode ser causado por um alagamento. No método
S-Lay o monitoramento é realizado nos tracionadores e nos roletes do stinger. No
método reel lay a medição é feita nos tracionadores durante a operação de lançamento
ou no clamp de fricção, quando este estiver suportando a linha. Finalmente, no método
J-Lay o monitoramento é realizado no mecanismo da torre que realiza a movimentação
da tubulação ou no clamp de fricção [3].
11
4.3 CÁLCULO DO TEMPO DE ALAGAMENTO
Conhecer a velocidade com que um alagamento progride durante a instalação é de
suma importância para que medidas de contingência compatíveis com o tempo de
alagamento sejam melhor elaboradas, porém o tempo de alagamento de um duto
durante o lançamento é influenciado por inúmeras variáveis. A lâmina d’água em que a
instalação é realizada, a área do vazamento e a velocidade de lançamento do duto são
algumas delas. Sendo assim, buscou-se desenvolver uma formulação simplificada para
calcular a velocidade e o tempo de alagamento de um duto durante a operação de
lançamento, esta formulação é apresentada nesta seção.
A primeira consideração assumida foi que o escoamento é invíscido e incompressível,
sendo assim iniciou-se a dedução a partir da equação de Bernouille (4.1) para tais
restrições:
𝑣2
2+ 𝑔𝑧 +
𝑝
𝜌= 𝑐𝑡𝑒 (4.1)
Onde:
𝑣 é a velocidade de escoamento do fluido no ponto analisado
𝑔 é a aceleração da gravidade
𝑧 é a diferença de altura do ponto de referência ao ponto que se deseja realizar a análise
𝜌 é a massa específica da água
𝑝 é a pressão no ponto analisado
Utilizando a Equação 4.1 é possível relacionar quaisquer dois pontos em um fluido,
conforme apresentado na Equação 4.2.
𝑣12
2+ 𝑔𝑧1 +
𝑝1
𝜌=
𝑣22
2+ 𝑔𝑧2 +
𝑝2
𝜌 (4.2)
Sendo assim, considerando um reservatório com um orifício em determinada posição
de sua parede é possível determinar a velocidade com que a água escoa pelo orifício.
A Figura 5 representa o reservatório descrito acima.
12
Figura 5 - Reservatório com oríficio na parede [4]
Para o ponto 1 temos que 𝑧1 = 𝑧 e 𝑝1 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 e para o ponto 2 temos 𝑧2 = 0 e 𝑝2 = 𝑝𝑎𝑡𝑚,
logo a Equação 4.2 fica igual a:
𝑣2 − 𝑣1 = √2𝑔𝑧 (4.3)
Considerando que a área da superfície do reservatório é muito maior do que a área do
orifício, e que com isso o nível da água reduz muito lentamente, temos que 𝑣1 =̃ 0, sendo
assim a Equação 4.3 pode ser reescrita como:
𝑣2 = √2𝑔𝑧 (4.4)
Segundo referência [5], a velocidade com que o fluido escoa pelo orifício sofre uma
redução devido a sua viscosidade, desta forma deve-se considerar o chamado
coeficiente de velocidade (Cv) aplicado à Equação 4.4, e essa pode ser mais uma vez
reescrita como:
𝑣2 = 𝐶𝑣√2𝑔𝑧 (4.5)
No caso de termos dois reservatórios conectados através de um orifício, a altura z na
Equação 4.5 é igual à diferença das colunas d’água dos reservatórios.
𝑧 = 𝑧1 − 𝑧2 (4.6)
A vazão de água que escoa através do orifício de um reservatório para o outro pode ser
escrita como:
𝑄 = 𝐴𝑜 ∗ 𝑣2 = 𝐴𝑜𝐶𝑣√2𝑔𝑧 (4.7)
Onde:
𝑄 é a vazão de água no orifício
𝑆𝑜 é a área transversal do orifício
13
Devido à mudança brusca de sentido que as partículas sofrem na parede interior
próximas ao orifício, a área da seção do escoamento sofre uma contração, desta forma
deve-se aplicar o chamado coeficiente de contração do veio fluido (Cc) para corrigir a
vazão de água no orifício [5]. O produto do coeficiente de contração pelo coeficiente de
velocidade gera o chamado coeficiente de vazão ou descarga, sendo assim a Equação
4.7 torna-se igual a:
𝑄 = 𝐴𝑜𝐶𝑣𝐶𝑐√2𝑔𝑧 = 𝐴𝐶𝑑√2𝑔𝑧 (4.8)
Onde:
𝐶𝑑 é o coeficiente de descarga.
Faz-se necessário para este estudo realizar uma estimativa para o valor do coeficiente
de descarga. A referência [5] descreve os escoamentos em paredes espessas quando
a espessura da parede é maior ou igual ao diâmetro e para as mesmas o coeficiente de
descarga considerado é igual a 0,51. Como será visto na Seção 5, serão considerados
orifícios de pequenos diâmetros, sendo assim o coeficiente de descarga citado será o
valor considerado, quando necessário.
Utilizando as equações apresentadas nesta seção até o momento e adotando algumas
premissas para a instalação de dutos rígidos é possível demonstrar a dedução da
formulação para o cálculo do tempo de alagamento de um duto.
Considerando a configuração do duto durante a instalação como sendo em catenária
livre é possível supor que essa configuração é composta basicamente por um trecho
vertical e um trecho horizontal, conforme descrito na Figura 6.
Figura 6 - Configuração em catenária
Desta forma, se ocorre uma fratura com ingresso de água no ponto em que os trechos
vertical e horizontal se encontram, e supondo que haja um impedimento para a água
14
escoar para o trecho horizontal, por exemplo uma válvula fechada, a variação de volume
do duto pode ser escrita como:
𝑑𝑉 = 𝐴𝑑 ∗ 𝑑𝑧 (4.9)
Onde:
𝑆𝑑 é a área interna do duto.
A variação de volume de água dentro do duto também pode ser escrita em função da
vazão de água que passa pelo orifício como:
𝑑𝑉 = 𝑄 ∗ 𝑑𝑡 (4.10)
Para o caso em que o duto é alagado enquanto não há lançamento, ou seja, a taxa de
lançamento do duto é igual a zero, Q é definido pela Equação 4.8, porém se uma taxa
de lançamento do duto, 𝑄𝑙, for considerada, a vazão de alagamento pode ser reescrita
na forma de uma vazão relativa, 𝑄𝑟.
𝑄𝑟 = 𝑄 − 𝑄𝑙 (4.11)
Para
𝑄𝑙 = 𝐴𝑑 ∗ 𝑉𝑙 (4.12)
Onde:
𝐴𝑑 é a área interna do duto
𝑉𝑙 é a taxa de lançamento do duto
Portanto, a Equação 4.10 pode ser reescrita como:
𝑑𝑉 = (𝑄 − 𝑄𝑙) ∗ 𝑑𝑡 (4.13)
Logo,
𝑑𝑉 = (𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔𝑧 − 𝐴𝑑𝑉𝑙)𝑑𝑡 (4.14)
Igualando as Equações 4.13 e 4.14, temos:
𝐴𝑑 ∗ 𝑑𝑧 = (𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔𝑧 − 𝐴𝑑𝑉𝑙)𝑑𝑡 (4.15)
15
Logo, a variação de tempo 𝑑𝑡 é igual a:
𝑑𝑡 =𝐴𝑑
(𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔𝑧−𝐴𝑑𝑉𝑙)𝑑𝑧 (4.16)
Realizando a integração da Equação 4.16 em função das diferenças de altura iniciais e
finais, 𝑧𝑖 e 𝑧𝑓, respectivamente, é possível alcançar uma estimativa do tempo de
alagamento.
𝑡 = ∫𝐴𝑑
(𝐶𝑑𝐴𝑜√2𝑔𝑧−𝐴𝑑𝑉𝑙)𝑑𝑧
𝑧𝑓
𝑧𝑖= (
𝐴𝑑2 ∗𝑉𝑙∗𝑙𝑛(𝑄𝑟)+𝐴𝑑∗𝐴𝑜∗𝐴𝑑∗√2∗𝑔∗𝑧𝑖
𝐴𝑜2∗𝐶𝑑
2∗𝑔)
𝑧𝑖
𝑧𝑓
(4.17)
Onde:
𝑧𝑖 é a diferença das alturas de coluna d`água dentro e fora do orifício no instante inicial.
𝑧𝑓 é a diferença das alturas de coluna d`água dentro e fora do orifício no instante final.
Vale ressaltar ainda que a vazão relativa 𝑄𝑟, para o caso de alagamento progressivo do
duto, deve ser maior do que zero, uma vez que para o alagamento progredir para o
trecho suspenso do duto a vazão de água no orifício deve ser maior do que a taxa de
lançamento do mesmo.
Durante a progressão do alagamento, a diferença de altura entre o nível da água dentro
do duto e do nível do mar reduz e, segundo a Equação 4.11, a redução dessa diferença
provoca a diminuição da velocidade com que a água migra para dentro da linha, ou seja,
para uma taxa de lançamento da linha igual a zero, o alagamento da linha se encerraria
quando o nível da água dentro do duto alcançasse o nível do mar. Porém, caso a taxa
de lançamento seja diferente de zero, é possível notar que a vazão relativa, definida
pela Equação 4.11, torna-se zero quando a vazão de alagamento iguala-se à vazão de
lançamento do duto rígido.
Sendo assim foram criadas curvas do comprimento de linha que irá se manter
constantemente vazio durante o alagamento em função da velocidade de lançamento
do duto. Essas curvas são geradas para diferentes relações entre área da seção interna
do duto e a área seccional do orifício. Com o auxílio da Equação 4.11 foram plotadas as
curvas citadas, e algumas delas são apresentadas na Figura 7.
16
Figura 7 - Curvas Comprimento Vazio x Taxa de Lançamento
As curvas ilustradas na Figura 7 auxiliam no momento em que se deseja estimar o tempo
de alagamento através da Equação 4.17, tendo em vista que o comprimento final de
linha vazia (Zf) é obtido a partir da mesma. A Figura 8 ilustra um desenho esquemático
do comprimento final (Zf) e o comprimento inicial (Zi) vazios durante a instalação.
Vale ressaltar que, durante as pesquisas realizadas, a maior taxa de lançamento
encontrada foi a da embarcação PLSV Solitaire, operado pelo grupo Allseas, a qual
pode realizar o lançamento de até 9 kilômetros de duto por dia. Realizando uma
aproximação e considerando que essa taxa é constante durante toda a operação, a taxa
de lançamento dessa embarcação é cerca de 0,104 metros de duto por segundo.
Figura 8 - Caracterização das alturas Zi e Zf
0
10
20
30
40
50
60
0 0,05 0,1 0,15
Co
mp
rim
en
to F
inal
Vaz
io Z
f (m
)
Taxa de Lançamento (m/s)
Ad/Ao = 16
Ad/Ao = 32
Ad/Ao = 64
Ad/Ao = 128
𝑍𝑓 = (𝐴𝑑
𝐴𝑜 ∗ 𝐶𝑞∗ 𝑉𝑙𝑎𝑛ç)
2
∗1
2 ∗ 𝑔
Vlanç
17
Logo, a Equação 4.11 pode ser facilmente aplicada ao trecho horizontal para se obter
uma estimativa do tempo de alagamento do mesmo, já em relação ao trecho vertical, é
possível utilizar a Equação 4.17, para a área do orifício podendo variar de zero até a
área interna do duto e a vazão relativa 𝑄𝑟, para o caso de alagamento progressivo do
duto, sendo maior que zero, uma vez que para o alagamento ocorrer a vazão de água
que penetra pelo orifício deve ser maior do que a taxa de lançamento.
5 ESTUDOS DE CASO
A fim de apresentar o método de análise de casos de alagamentos não planejados foram
desenvolvidos três estudos de caso. No decorrer desta seção serão descritos os dados
utilizados para o desenvolvimento dos estudos de caso e a abordagem adotada para se
investigar os impactos causados pelo alagamento durante a instalação.
Em todos os três casos foi assumido que a instalação foi realizada na Bacia de Campos
utilizando-se um navio de lançamento J-Lay. A Figura 9 apresenta um mapa da Bacia
de Campos.
Figura 9 - Bacia de Campos [8]
18
5.1 CARACTERÍSTICAS DO NAVIO DE INSTALAÇÃO
As características do PLSV utilizado nas análises são apresentados na Tabela 1.
Tabela 1 - Características do PLSV
Coordenadas
Valor X Y Z
Centro de Movimento - 0,0 0,0 5,0
Ponto de Conexão do Duto - -53,0 0,0 18,3
Capacidade dos Tracionadores 2 x 175 t - - -
Capacidade do guincho de A&R 750 t - - -
Calado (T) 6 m - - -
Comprimento (L) 100 m - - -
O ponto de referência da embarcação foi descrito como:
X – Localizado à meia-nau (L/2), positivo para vante;
Y – Localizado no plano de simetria da embarcação, positivo para bombordo;
Z – Localizado na linha de base da embarcação, positivo para o convés.
O eixo de referência é ilustrado na Figura 10.
5.2 CARACTERÍSTICAS DOS DUTOS
Os dutos selecionados são de aço API-5L-X65, o qual apresenta as características
descritas na Tabela 2.
X
X
Z
Y
Vista Lateral
Vista Superior
Figura 10 - Ponto de referência da embarcação
19
Tabela 2 - Características dos Dutos
Material do tubo API-5L-X65
Módulo de elasticidade (MPa) 207000
Coeficiente de Poisson 0,3
Diâmetro externo do tubo (mm) 323,9
Espessuras de parede (mm) Caso 1 Caso 2 Caso 3
20,6 23,8 28,6
Rigidez do solo (kN/m/m2) 100
Coeficiente de atrito axial 0,4
Coeficiente de atrito lateral 0,6
5.3 ESTADO DE MAR
O estado de mar para a Bacia de Campos aproxima-se ao descrito pelo espectro de
mar de JONSWAP, desta forma este foi utilizado para realizar as análises dinâmicas. A
Tabela 3 apresenta as medições de ondas realizadas na Bacia de Campos segundo
referência [2].
Tabela 3 - Dados Oceanográficos
Hs (m)
Tp (s)
Freq % 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
0 0,5 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0,03 0,5 1 0 0 12 8 24 25 11 2 1 3 3 9 0 0 98 3,06 1 1,5 0 21 39 140 298 276 73 21 15 9 4 8 7 1 912 28,48
1,5 2 0 3 74 129 268 451 201 62 20 21 8 10 5 0 1252 39,10 2 2,5 0 0 14 81 78 147 97 54 14 5 4 8 0 0 502 15,68
2,5 3 0 0 0 25 49 44 52 49 2 2 0 7 0 0 230 7,18 3 3,5 0 0 0 7 26 24 11 27 7 0 0 0 0 0 102 3,19
3,5 4 0 0 0 1 6 30 14 12 9 0 0 0 0 0 72 2,25 4 4,5 0 0 0 0 1 7 11 3 2 0 0 0 0 0 24 0,75
4,5 5 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 0 0 9 0,28
Freq 0 24 139 391 750 1008 476 230 70 40 19 42 12 1 3202 - % 0,00 0,75 4,34 12,21 23,42 31,48 14,87 7,18 2,19 1,25 0,59 1,31 0,37 0,03 - -
Sabendo que a resposta do navio é proporcional à altura de onda optou-se por cobrir o
maior número de alturas de onda possível. Na Tabela 3 é possível notar que para uma
altura significativa de onda (Hs) de 3,5 metros, a frequência de ocorrência é superior a
95%, sendo assim, para a realização das análises, esta foi a altura selecionada.
Quanto ao período de pico não é possível realizar a mesma comparação feita para a
altura significativa, sendo assim arbitrou-se um período de pico (Tp), para fins de
demonstração do método, igual a 9 segundos.
A Figura 11 apresenta o espectro de mar de JONSWAP para a altura significativa de
onda e o período de pico estipulados.
20
Figura 11 - Espectro de mar JONSWAP
𝑆(𝑓) =5
16∗ 𝐻𝑆
2 ∗ 𝑇𝑃 ∗ (𝑓𝑝
𝑓)
5
∗ (1 − 0,287 ∗ ln(𝛾)) ∗ 𝑒𝑥𝑝 [−1,25 ∗ (𝑓
𝑓𝑝)
−4
] ∗ 𝛾𝑒𝑥𝑝[−
(𝑓−𝑓𝑝)2
(2∗𝜎2∗𝑓𝑝2)
⁄ ]
(5.1)
Onde,
𝐻𝑠 altura significativa de onda
𝑇𝑝 período de pico
𝑓𝑝 frequência de pico, 𝑓𝑝 =1
𝑇𝑝
𝛾 fator de intensificação de pico, 𝛾 = 6,4 ∗ 𝑇𝑃−0,491
𝜎 parâmetro de forma, 𝜎 = {𝜎𝑎 = 0,07, 𝑓𝑜𝑟 𝑓 ≤ 𝑓𝑝
𝜎𝑏 = 0,09, 𝑓𝑜𝑟 𝑓 > 𝑓𝑝
5.4 CASOS ANALISADOS
Os casos de estudo consistem em alagamentos ocorridos durante instalações
realizadas em lâminas d’água iguais a 550, 1050 e 1800 metros para ângulos de topo
entre o duto e a linha vertical iguais a 12, 7 e 5 graus, respectivamente. O lançamento
nos três casos é realizado a uma taxa de lançamento igual a 6 metros por minuto. A
Figura 12 apresenta um desenho esquemático do momento imediatamente anterior ao
início do alagamento, ou seja, com os dutos completamentes vazios e a Tabela 4
apresenta um resumo dos casos analisados.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Den
sid
ade
Esp
ectr
al (
m².
s)
Período (s)
Espectro de Ondas - JONSWAP
21
Figura 12 – Desenho esquemático das instalações
Tabela 4 – Características dos casos
LDA (m)
θ (°)
CASO 1 550 12
CASO 2 1050 7
CASO 3 1800 5
A partir do momento descrito na Figura 12 realizou-se duas suposições para cada caso.
A primeira foi a ocorrência de vazamentos, nos três casos, através de orifícios com
dimensões tais que a relação entre a área seccional dos dutos e as áreas transversais
dos orifícios fosse igual a 128. A segunda suposição foi que o vazamento ocorre por um
orifício no qual a relação entre as áreas citadas fosse igual a 256. Os vazamentos foram
considerados ocorrendo na região do TDP, exatamente onde se localiza uma válvula
fechada, sendo assim o alagamento progride para a região suspensa do duto. Utilizando
a Equação 4.11 é possível plotar as curvas exemplificadas pela Figura 7, referentes às
relações de área iguais a 128 e 256. A Figura 13 apresenta o resultado de Zf para estes
casos.
θ°
LDA
22
Figura 13 - Curvas para definição de Zf
Vale ressaltar que o trecho vazio, Zf, depende apenas da relação entre as áreas internas
do duto e do orifício e independe da LDA de instalação, desta forma os resultados
obtidos na Figura 13 são aplicáveis para os três casos analisados.
Utilizando a Equação 4.17 é possível estimar os tempos de alagamento para os casos
descritos nesta Seção. As Figuras 14 e 15 e as Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados
de tempo de alagamento considerando as premissas adotadas para o alagamento dos
dutos.
0
50
100
150
200
250
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
Tre
cho
Vaz
io Z
f (m
)
Taxa de Lançamento (m/s)
Ad/Ao = 256
Ad/Ao = 128
128,4
32,1
23
Figura 14 - Tempo de Alagamento - Ad/Ao = 128
Figura 15 - Tempos de Alagamento - Ad/Ao = 256
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10
Po
rção
de
Lin
ha
Ala
gad
a (%
)
Tempo (Horas)
Ad/Ao = 128
Caso 1
Caso 2
Caso 3
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10
Po
rção
de
Lin
ha
Ala
gad
a (%
)
Tempo (Horas)
Ad/Ao = 256
Caso 1
Caso 2
Caso 3
24
Tabela 5 - Avanço do Alagamento – Ad/Ao = 128
Caso 1 Caso 2 Caso 3
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
0 0,0 0,00 0 0,0 0,00 0 0,0 0,00
9 51,8 0,05 10 101,8 0,06 10 176,8 0,08
19 103,6 0,10 19 203,6 0,13 20 353,6 0,16
28 155,4 0,15 29 305,4 0,20 29 530,4 0,25
38 207,2 0,21 39 407,2 0,28 39 707,2 0,35
47 259,0 0,28 48 508,9 0,36 49 884,0 0,45
56 310,7 0,36 58 610,7 0,46 59 1060,7 0,58
66 362,5 0,45 68 712,5 0,57 69 1237,5 0,72
75 414,3 0,57 78 814,3 0,72 79 1414,3 0,89
94 517,9 2,47 97 1017,9 3,03 98 1767,9 3,40
Tabela 6 - Avanço do Alagamento - Ad/Ao = 256
Caso 1 Caso 2 Caso 3
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
Porção de Linha Alagada
(%)
Altura Alagada
(m)
t (hrs)
0 0,0 0,00 0 0,0 0,00 0 0,0 0,00
9 42,2 0,11 10 92,2 0,14 10 167,2 0,17
19 84,3 0,24 19 184,3 0,30 20 334,3 0,36
28 126,5 0,37 29 276,5 0,46 29 501,5 0,57
38 168,6 0,53 39 368,6 0,65 39 668,6 0,79
47 210,8 0,70 48 460,8 0,86 49 835,8 1,04
56 252,9 0,90 58 553,0 1,10 59 1003,0 1,33
66 295,1 1,16 68 645,1 1,40 69 1170,1 1,67
75 337,3 1,50 78 737,3 1,78 79 1337,3 2,11
94 421,6 7,33 97 921,6 8,29 98 1671,6 9,20
Observe que para todos os casos apresentados, aproximadamente na metade do tempo
total de alagamento as linhas já encontram-se praticamente preenchidas por completo,
a segunda metade do tempo de alagamento é responsável apenas por cerca de 1% do
comprimento total alagado.
25
6 MODELOS NUMÉRICOS
Os modelos numéricos foram desenvolvidos com o auxílio do pacote comercial Orcaflex
v9.7b. Este software é comumente utilizado para a realização de análises estáticas e
dinâmicas de sistemas offshore, como sistemas de ancoragem e instalação de risers.
Neste trabalho o software em questão foi utilizado para realizar análises estáticas a fim
de determinar as cargas atuantes nos tracionadores e no sagbend para a linha vazia e
no processo de alagamento. Além disso realizou-se análises dinâmicas utilizando a
abordagem de ondas irregulares para verificar as amplificações das cargas geradas
pelas ondas.
Os modelos numéricos são compostos pela embarcação, que foi caracterizada com a
sua resposta às ondas através do Response Amplitude Operator (RAO), e de um duto
com as características propostas na Seção 5.2.
6.1 ANÁLISES ESTÁTICAS
6.1.1 PROCEDIMENTO PARA SIMULAÇÃO DO ÂNGULO DE TOPO
Para cada caso analisado foi definido um ângulo de topo, apresentado na Seção 5,
desta forma adotou-se um procedimento iterativo para a modelagem deste ângulo no
software Orcaflex, levando em consideração que na posição ideal de lançamento o valor
do momento fletor no topo tende a zero.
Em um primeiro momento a extremidade superior do duto é conectada ao navio
considerando uma rigidez flexional igual a zero no topo, ou seja, apenas os movimentos
translacionais são restritos, enquanto a outra extremidade é ancorada no leito marinho.
Em seguida a simulação é realizada para se verificar o ângulo de topo do duto com a
vertical. Caso o ângulo de topo ainda não tenha atingido o valor buscado a posição em
que a linha é ancorada é alterada e realiza-se uma nova simulação. Este procedimento
é repetido até que o ângulo de topo atinja o valor desejado. Quando é alcançado o
ângulo desejado a rigidez da conexão duto/navio é restringida também para movimentos
rotacionais. A Figura 16 descreve, de forma simplificada, o procedimento adotado para
modelagem do ângulo de topo.
26
Figura 16 - Procedimento para se atingir um ângulo de topo igual a X.
6.1.2 AVALIAÇÃO DE EXCURSÕES ADMISSÍVEIS
Após ter-se definido a posição de lançamento para os ângulos de topo estipulados
realizou-se uma avaliação das excursões admissíveis segundo critério de carregamento
controlado definido pela norma DNV [2]. Com a excursão da embarcação os valores de
tração e momento fletor sofrem variações, mais sensivelmente nas regiões de topo e do
sagbend. A partir da posição ideal definida na Seção 6.1.1 a embarcação foi
excursionada à vante (Excursão Positiva) e à ré (Excursão Negativa) iterativamente,
analisando-se os valores de tração efetiva, momento fletor e o fator de utilização até
que este último seja igual a 1 (hum), momento em que se considera, segundo a norma
DNV, que a posição em que a embarcação se encontra é a excursão máxima admissível
durante a instalação do duto para que não ocorra colapso local. A Figura 17 e a Tabela
7 ilustram as excursões máximas admissíveis durante a instalação para os casos 1, 2 e
3.
Passo 1 – Ângulo de topo maior que X.
Passo 2 – Aproximação
do TDP ao navio.
Redução do ângulo de
topo, ângulo menor que
X.
Passo 3 – Afastamento
do TDP ao navio.
Aumento do ângulo de
topo, ângulo igual a X.
O duto é “engastado” à
embarcação.
27
Figura 17 – Avaliação das excursões máximas admissíveis
Tabela 7 – Resultados das excursões máximas admissíveis
- X (m) + X (m)
Caso 1 -124 65,7
Caso 2 -205 119
Caso 3 -285 169
6.1.3 ANÁLISE DO ALAGAMENTO PROGRESSIVO
A partir dos tempos de alagamento estimados na Seção 5, foram desenvolvidos
modelos com a evolução do alagamento. Para cada estudo de caso foram realizadas
10 análises, sendo a primeira análise apresentando um trecho alagado igual a 10% das
alturas finais alagadas, definidas na Seção 5, e as outras 9 com um passo de
alagamento de 10% da altura final alagada somada a altura anterior até que se atingisse,
na última análise, o alagamento total dos dutos. A Figura 18 apresenta um exemplo das
- X (m) + X (m)
28
análises realizadas para o alagamento dos estudos de caso e a Tabelas 8 apresenta as
alturas alagadas correspondentes a cada caso.
Figura 18 - Passos de alagamento de 10%, 50% e 100%
Tabela 8 - Alturas Alagadas (m)
Ad/Ao = 128 Ad/Ao = 256
Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 1 Caso 2 Caso 3
10% 51,8 101,8 176,8 42,2 92,2 167,2
50% 259,0 508,9 884,0 210,8 460,8 835,8
100% 517,9 1017,9 1767,9 421,6 921,6 1671,6
6.2 ANÁLISES DINÂMICAS
A fim de estimar o aumento das cargas provocado pelas ondas foram realizadas
análises dinâmicas com ondas regulares, porém baseando-se no espectro de
JONSWAP, apresentado na Seção 5.3.
Executar análises dinâmicas com a utilização de ondas irregulares é um processo
complexo que exige um considerável tempo de processamento, sendo assim optou-se
por uma abordagem de ondas regulares. Para definição da altura de onda foi seguido
100%
50%
10%
29
uma recomendação apresentada na referência [4]. Segundo a referência seguida, a
propabilidade de uma onda exceder uma dada altura H é difinida pela Equação 6.1.
𝑃{𝐻𝑤 > 𝐻} = 𝑒𝑥𝑝 {−2 (𝐻
𝐻1 3⁄)
2
} (6.1)
A probabilidade de ocorrência da altura máxima de onda, Hmax, é pequena, desta forma,
utilizando uma probabiliadade de ocorrência de 0,001 a Equação 6.1 torna-se igual a:
0,001 = 𝑒𝑥𝑝 {−2 (𝐻
𝐻1 3⁄)
2
} (6.2)
𝐻𝑚𝑎𝑥 = 1,86 ∗ 𝐻1 3⁄ (6.3)
Substituindo o valor de 𝐻1 3⁄ definido na Seção 5.3, a altura máxima de onda e que foi
utilizada nas análises é igual a 6,5 metros.
Para se selecionar o período a abordagem utilizada consistiu na realização de um
cruzamento entre o RAO da embarcação e o espectro de mar de JONSWAP a fim de
se obter o espectro de resposta da embarcação. O cruzamento foi realizado através da
Equação 6.4.
𝑅𝐴𝑂2 ∗ 𝑆(𝑓) = 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎 (6.4)
Através da Equação 6.4 determinou-se os períodos que provocaram a maior resposta
da embarcação, nos movimentos de surge, heave e pitch. A Figura 19 apresenta o
resultado do cruzamento realizado segundo Equação 6.4.
Figura 19 - Espectro de Resposta
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 5 10 15 20
Esp
ectr
o d
e R
esp
ost
a (m
².s)
Período (s)
SURGE
HEAVE
PITCH
30
Os picos apresentados nas curvas ilustradas na Figura 29 ocorrem nos períodos de 8,38
s, 9,67 s e 11,42 s, associados, respectivamente, aos movimentos de heave, pitch e
surge. A partir desses valores foram realizadas 3 análises para verificar a onda que
provocava as piores cargas, e esta foi a de período igual a 11,42 s.
Vale ressaltar ainda que na definição do espectro de resposta considerou-se a direção
de onda de 180°, ou seja, considerou-se a onda incidindo da proa para a popa. Esta
direção foi também a considerada nas análises dinâmicas.
6.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
As Figuras 20 e 21 apresentam os resultados estáticos e dinâmicos para as trações no
topo e FU’s no topo e TDP, respectivamente, para os estudos de caso nas condições
ideais de lançamento, ou seja, linha vazia e sem excursão.
Figura 20 - Trações máximas no topo
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 500 1000 1500 2000
Traç
ão (
kN)
LDA (m)
Trações Estáticas Limite dos Tracionadores Trações Dinâmicas
31
Figura 21 - Fatores de utilização máximos
Nota-se que nestas situações o fator de utilização encontra-se bem abaixo do limite
definido em todos os casos, mesmo considerando cenários dinâmicos, além disso os
tracionadores e o guincho são suficientes para executar a instalação de qualquer um
dos casos descritos. Desta forma é possível verificar que efetuar as instalações dos
estudos de caso desenvolvidos é viável, uma vez que os critérios de aceitação definidos
para o lançamento são atendidos.
Vale ressaltar ainda que, analisando os resultados obtidos nas Figuras 20 e 21 observa-
se que os aumentos provocados pelos carregamentos dinâmicos são proporcionais às
cargas estáticas.
Em relação às excursões máximas admissíveis, os resultados são apresentados na
Figura 22 para o caso de linha vazia.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 500 1000 1500 2000
Fato
r d
e U
tiliz
ação
LDA (m)
Resultados FU - Dinâmicos Limite do Fator de Utilização Resultados FU - Estáticos
32
Figura 22 - Resultados das excursões máximas admissíveis
Em relação às excursões máximas admissíveis vale ressaltar que em todos os casos
estas foram limitadas pelo FU, tanto no topo quanto na região do TDP. Por sua vez, ao
realizar-se uma análise mais atenta à Equação 3.1, a qual define FU, é possível
observar que o valor de FU possui grande sensibilidade à variação de momento, tal que
a variação de tração obtida nas análises de excursão apresentam-se irrelevantes.
Outra questão relevante nos estudos de caso é a lâmina d’água de instalação. É
esperado que, para as análises estáticas, em LDA’s de instalação maiores, a
sensibilidade do momento devido às excursões seja menor, possibilitando então
maiores excursões.
Por outro lado, como já comentado para as análises na posição ideal de instalação, as
solicitações decorrentes dos carregamentos provocados pelas ondas aumenta
proporcionalmente às solicitações estáticas, ou seja, sem ação das ondas, desta forma,
as excursões máximas admissíveis em LDA’s maiores tornam-se muito mais restritas
em decorrência das ações das ondas.
A seguir são apresentados os resultados obtidos para os alagamentos durante a
instalação dos casos 1 e 2. As Figuras 23 e 24 apresentam os resultados das análises
550; 65,7
1050; 119
1800; 169
550; 36,5 1050; 47,5 1800; 48
550; -124
1050; -205
1800; -285
550; -88,51050; -117,5
1800; -70
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
0 500 1000 1500 2000
Excu
rsõ
es A
dm
issí
veis
(m
)
LDA's (m)
Excursões positivas estáticas Excursões positivas dinâmicas
Excursões negativas estáticas Excursões negativas dinâmicas
[LDA;Excursão][m]
33
estáticas de alagamento ocorridos na região de topo e TDP, respectivamente para esses
casos. Vale ressaltar que, nos resultados apresentados, para a relação de áreas entre
a seção interna do duto e a seção do orifício igual a 128, o alagamento ocorre até 94,2%
do comprimento da LDA para o caso 1 e até 96,94% para o caso 2, e para a razão de
256 o alagamento ocorre até 76,6% da LDA para o caso 1 e até 87,77% para o caso 2.
Figura 23 - Resultados alagamento estático Topo - Casos 1 e 2
Figura 24 - Resultados alagamento estático TDP - Casos 1 e 2
A partir dos resultados descritos pelas Figuras 23 e 24 é possível observar que a pior
fase na região do TDP ocorre nos primeiros momentos do alagamento em ambos os
casos, abaixo de 10% das LDA’s das linhas alagado, e na região de topo os piores
momentos do alagamento ocorrem entre 35% e 40% das LDA’s de instalação. Ainda
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção Alagada
Região Topo
Alagamento - Caso 1 Alagamento - Caso 2
Linha Vazia - Caso 1 Linha Vazia - Caso 2
Ad/Ao = 256 128
Ad/Ao = 256 128
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção Alagada
Região TDP
Alagamento - Caso 1 Alagamento - Caso 2
Linha Vazia - Caso 1 Linha Vazia - Caso 2
Ad/Ao = 256 128
Ad/Ao = 256 128
34
assim o duto apresenta condição suficiente para continuar o processo de lançamento,
segundo análises estáticas, garantindo que não ocorrerá colapso local da linha segundo
critérios adotados. Em seguida são apresentados os resultados das análises dinâmicas,
ainda para o casos 1 e 2. As Figuras 25 e 26 descrevem esses resultados.
Figura 25 –Resultados alagamento dinâmico Topo – Casos 1 e 2
Figura 26 - Resultados alagamento dinâmico TDP - Casos 1 e 2
Em relação aos resultados dinâmicos vale enfatizar a maior influência dos
carregamentos ambientais na região de topo se comparado com a região do TDP, que
torna-se clara ao comparar a variação dos resultados estáticos aos dinâmicos.
Vale salientar que o pico do FU, na região do TDP, ocorre em cerca de 2,3 e 6,8 minutos,
respectivamente para as relações de área de 128 e 256, no caso 1 e em cerca de 3,4 e
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção Alagada
Região Topo
Alagamento - Caso 1 Alagamento - Caso 2
Linha Vazia - Caso 1 Linha Vazia - Caso 2
Ad/Ao = 256 128
Ad/Ao = 256 128
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção Alagada
Região TDP
Alagamento - Caso 1 Alagamento - Caso 2
Linha Vazia - Caso 1 Linha Vazia - Caso 2
Ad/Ao = 256 128
Ad/Ao = 256 128
35
8,6 minutos no caso 2. Para a região do topo, o pico ocorre em cerca de 13 e 42 minutos,
para as relações de área de 128 e 256, respectivamente, no caso 1 e em cerca de 15 e
39 minutos no caso 2.
Em relação às trações máximas obtidas, a Figura 27 descreve os resultados dinâmicos.
Figura 27 - Trações resultantes durante o alagamento das linhas
Em ambos os casos, os valores do FU e da tração não atingiram os limites estipulados
para a operação de lançamento, porém, pelos tempos de alagamento estimados,
percebe-se que, caso os limites fossem atingidos, principalmente na região do TDP, o
tempo que o responsável pelo lançamento teria para realizar alguma medida de
contigência é muito curto.
A Figura 28 apresenta os resultados das análises estáticas de alagamento ocorridos na
região de topo e TDP para o caso 3. Vale ressaltar que, nos resultados apresentados,
para a relação de áreas entre a seção interna do duto e a seção do orifício igual a 128,
o alagamento ocorre até 98,2% do comprimento da LDA para esse caso, e para a razão
de 256 o alagamento ocorre até 92,9% da LDA.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Traç
ão (
kN)
Porção Alagada
Tração Alagamento - Caso 1 Limite dos Tracionadores
Tração dinâmica alagamento - Caso 2
36
Figura 28 - Resultado alagamento estático - Caso 3
No caso das análises estáticas descritas na Figura 28, se comparadas com os
resultados obtidos nos casos 1 e 2 nota-se que os FU’s encontram-se menores que
esses e não há risco de colapso local na linha, porém, ao realizar-se as análises
dinâmicas, os valores do FU para o caso 3 sofreram grande variação. A Figura 29
apresenta os resultados dinâmicos para o caso 3.
Figura 29 - Resultado alagamento dinâmico – Caso 3
Como pode ser observado na Figura 29, nas análises dinâmicas os valores dos FU’s
referentes à região de topo ultrapassaram o limite estabelecido pela norma a partir de
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção Alagada
Alagamento estático topo Alagamento estático TDP
Linha Vazia Topo Linha Vazia TDP
Ad/Ao = 256 128
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
-FU
Porção AlagadaAlagamento dinâmico topo Alagamento dinâmico TDP
Linha vazia dinâmico TDP Linha vazia dinâmico topo
Limite do FU
37
5% da linha alagada, o que indica a ocorrência de um colapso local no duto na região
do topo e que acarretaria em um possível acidente durante a instalação. Utilizando a
formulação desenvolvida para estimar o tempo de alagamento pode-se estimar que,
para a relação entre as áreas da seção interna do duto e do orifício igual a 128, o tempo
decorrido até o alagamento de 5% da LDA é cerca de 2,4 minutos, e para a relação igual
a 256 o alagamento ocorre em cerca de 5,6 minutos. Apesar dos tempos estimados
serem muito curtos, buscou-se encontrar uma solução para o problema apresentado.
Como já mencionado, o FU sofre grande influência do momento fletor, ou seja, apesar
do curto trecho alagado não causar grande aumento da tração no topo, esse trecho
alagado provoca uma mudança na configuração do duto, tendendo a aumentar o ângulo
de topo e consequentemente o momento fletor exercido nessa região.
Como solução para esse problema foi realizada uma excursão da embarcação de 15
metros à ré, com a intenção de reduzir o ângulo de topo. A Figura 30 ilustra os resultados
obtidos com esse procedimento.
Figura 30 – Resultado alagamento dinâmico – Caso 3 com excursão negativa
Neste caso, o colapso local do duto no topo não foi evitado, porém foi possível adiar o
momento de ocorrência dele para um alagamento de aproximadamente 69% da LDA.
Em relação às trações no topo, a Figura 31 apresenta os resultados obtidos referentes
ao caso 3 considerando a excursão.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Fato
r d
e U
tiliz
ação
FU
Porção AlagadaResultados alagamento dinâmico topo Resultados alagamento dinâmico TDPLimite FU
38
Figura 31 - Trações no topo durante o alagamento
Conforme Figura 31, a tração da linha ultrapassa o limite dos tracionadores a partir de
50% do alagamento da LDA, desta forma a restrição torna-se primeiramente o
tracionador. Para o alagamento de 50% da LDA, o tempo decorrido é de,
aproximadamente, 27,9 minutos para a relação de áreas igual a 128 e 1h09min,
considerando a relação de 256.
Depois dessa excursão, como a linha ainda corre o risco de sofrer colapso ao passo
que o alagamento avança, essa prorrogação da ocorrência do colapso poderia fornecer
ao operador um pouco mais de tempo para realizar outros procedimentos, a fim de
mitigar essa situação de risco, como por exemplo, realizar o abandono da linha, uma
vez que o limite do guincho não é ultrapassado.
Vale ressaltar ainda que, caso não houvesse tempo hábil para realizar o abandono total
da linha durante o tempo estimado, a mesma romperia em aproximadamente 69% do
comprimento suspenso, sendo assim apenas metade da linha ficaria suportada pelo
navio. A Figura 32 ilustra o rompimento da linha.
Figura 32 - Perda de 69% do comprimento suspenso do duto
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Traç
ão (
kN)
Porção Alagada
Trações no topo Limite dos tracionadores Limite do Guincho
39
Após o rompimento da linha, o trecho apresentado na Figura 32 alagaria em cerca de
16 segundos, tendo em vista que o orifício considerado para o alagamento agora possui
um diâmetro igual ao diâmetro interno do duto. Neste cenário, considerando que a linha
neste momento já estaria sendo abandonada, a carga no guincho de abandono seria
reduzida bruscamente, o que ainda possibilitaria a operação.
7 CONCLUSÃO
A partir dos resultados apresentados na Seção 6.3 alguns pontos podem ser
enfatizados.
Nos modelos considerando a condição ideal de instalação para os três estudos de caso,
as cargas não representaram risco à instalação, mantendo-se sempre bem abaixo dos
critérios adotados, tanto para análises estáticas quanto dinâmicas. Porém, neste
primeiro momento já foi possível notar que a amplificação das cargas proveniente dos
carregamentos dinâmicos é mais crítica nos casos em que as cargas estáticas são
maiores.
Em relação às excursões, o aumento da lâmina d’água e redução do ângulo de topo
possibilitou um aumento nas excursões admissíveis da embarcação durante o
lançamento nos casos estáticos, porém, ao considerar os efeitos das ondas, a
amplificação das cargas restringe as excursões admissíveis de forma que, quanto maior
a LDA, maior é a redução de excursão admissível, como pode ser observado na Figura
22.
A respeito do alagamento notou-se que, nos três estudos de caso, a região do TDP
apresentou um aumento no FU logo nos primeiros momentos do alagamento, porém,
conforme o alagamento progride, o FU tende a tornar-se igual ao valor para a linha
vazia. Vale ressaltar que, assim como nas condições ideais de instalação e nas análises
de excursão, a amplificação dinâmica provocada na região do TDP é maior para LDA’s
menores
Por outro lado, na região de topo, o FU atinge seu momento crítico aproximadamente
na metade do alagamento e amplificação provocada no topo é maior nos casos de LDA’s
maiores.
Especificamente no caso 3 obteve-se um possível colapso local na linha na região de
topo com um alagamento de extensão igual a 5% da linha, porém concluiu-se que, com
uma excursão à ré foi possível prorrogar este colapso para que ocorresse apenas depois
de cerca de 69% da linha alagada, desta forma, como medida preventiva, o lançamento
40
poderia ser realizado com essa excursão, uma vez que a excursão máxima admissível
permite essa ação.
Em relação aos resultados obtidos para os tempos de alagamento observa-se que, em
todos os casos, esse ocorre muito rapidamente, deixando um curto espaço de tempo
para que os responsáveis pela operação possam pôr em ação medidas de contingência.
Isso reforça a idéia de que as análises referentes à possível ocorrência de alagamentos
não planejados são muito importantes, uma vez que os responsáveis não terão tempo
hábil para criar soluções para os problemas causados pelo alagamento após esse ter
se iniciado.
8 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Recomenda-se, para trabalhos futuros, realizar um estudo mais específico em torno do
coeficiente de descarga para casos de alagamento em dutos, uma vez que esses
valores foram estimados a partir de sugestões que não levaram em conta diferenças de
altura tão grandes quanto as que ocorrem na instalação de dutos rígidos.
Outro estudo recomendado é verificar a diferença entre os tempos de alagamento
considerando a configuração em catenária simplificada adotada neste trabalho e a
configuração real para diferentes ângulos, uma vez que a simplificação adotada tende
a fugir da realidade ao passo que o ângulo de topo aumente.
41
9 REFERÊNCIAS
[1] REYES, M.C.T., Apostila de Tecnologia dos Sistemas Oceânicos. Versão
02/2005, UFRJ.
[2] DNV OS F101, Submarine Pipeline Systems, Outubro 2010.
[3] MANESCHY, R.F., Metodologia para Alagamento de Dutos Submarinos Durante a
Instalação. Dissertação de Mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, 2014.
[4] WHITE, FRANK M., 2007, Fluid Mechanics. 6 ed. New York, McGraw-Hill
[5] Universidade Federal do Piauí, Departamento de Recursos Hídricos e Geologia
Aplicada - http://www.ufpi.br/subsiteFiles/ct/arquivos/files/pasta/CAP%202.pdf –
Acessado em: 27/07/2014 20:49.
[6] Site TN Petróleo, http://www.tnpetroleo.com.br/noticia/bacia-de-campos-comemora-
35-anos-pronta-para-os-desafios-do-futuro/ - Acessado em: 27/07/2014 21:05.
[7] Dados Metaoceânicos da Bacia de Campos, Especificação Técnica.
[8] JOURNÉE, J.M.J., MASSIE, W.W., Offshore Hydromechanics. 1 ed. Delft, Delft
University of Technology.
[9] ORCINA, Orcaflex Manual v9.7, Orcina Ltd. UK. 2013
[10] SOUZA, D.M.B.P., Análise dos Métodos de Lançamento de Dutos Rígidos para
Diferentes Profundidades, Projeto de Graduação, DENO/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,
Brasil, 2006.
42
ANEXOS
A.I RESULTADOS ESTÁTICOS E DINÂMICOS PARA OS CASOS 1,
2 E 3 NAS CONDIÇÕES IDEAIS DE LANÇAMENTO
Tabela I - Resultados estáticos - Linhas Vazias e sem excursão
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU
CASO 1 491,72 0,03 0,03 103,36 279,79 0,16
CASO 2 1094,95 0,10 0,07 136,71 316,18 0,20
CASO 3 2418,90 0,12 0,12 215,49 322,52 0,22
Tabela II - Resultados dinâmicos - Linhas Vazias e sem excursão
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU
CASO 1 626,44 327,6 0,21 214,94 414,42 0,32
CASO 2 1309,15 497,13 0,41 258,50 464,72 0,35
CASO 3 2816,18 797,91 0,84 368,40 480,90 0,35
A.II RESULTADOS ESTÁTICOS E DINÂMICOS PARA OS CASOS 1,
2 E 3 NAS ANÁLISES DE EXCURSÕES ADMISSÍVEIS
Tabela III - Resultados das análises estáticas para excursões máximas
Excursões
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
Tração (kN) Momento
(kN.m) FU Tração (kN)
Momento (kN.m)
FU
Caso 1 65,7 586,58 757,57 1,00 203,24 155,94 0,07
-124 1228,71 829,65 1,00 275,52 170,73 0,11
Caso 2 119 2612,1 894,34 1,00 413,52 177,96 0,15
-205 400,02 759,72 1,00 16,06 670,34 0,78
Caso 3 169 968,74 793,98 0,91 13,4 846,98 1,00
-285 2225,51 901,64 0,98 26,42 954,4 1,00
43
Tabela IV - Resultados das análises dinâmicas para excursões máximas
Excursões
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
Tração
(kN) Momento
(kN.m) FU
Tração (kN)
Momento (kN.m)
FU
Caso 1 36,5 702,54 757,95 1,00 296,99 333,9 0,22
-88,5 515,03 760,82 1,00 90,7 670,63 0,78
Caso 2 47,5 1368,72 827,79 1,00 336,01 390,25 0,27
-117,5 1197,81 831,6 1,00 120,67 722,49 0,75
Caso 3 48 2837,9 888,71 1,00 395,3 457,75 0,32
-70 2739,17 889,48 1,00 274,75 586,57 0,45
A.III RESULTADOS ESTÁTICOS E DINÂMICOS PARA OS CASOS 1,
2 E 3 NAS ANÁLISES DE ALAGAMENTO
Tabela V – Resultados das análises estáticas de alagamento – Caso 1
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
0,0% - - 0,030 - - 0,160
7,66% 542,77 123,02 0,056 128,33 404,39 0,302
15,33% 583,37 180,22 0,086 143,82 376,94 0,266
22,99% 621,84 213,32 0,108 156,03 354,25 0,239
30,66% 658,35 228,64 0,120 166,02 337,44 0,219
38,32% 692,91 230,60 0,122 174,12 324,87 0,205
45,99% 726,21 222,24 0,116 180,79 315,27 0,195
53,65% 758,66 205,43 0,104 186,07 307,90 0,188
61,32% 788,93 182,82 0,089 190,22 302,54 0,182
68,98% 818,84 154,56 0,073 193,16 298,53 0,178
76,65% 847,78 122,31 0,058 195,35 295,69 0,175
94,16% 910,88 37,86 0,03 197,92 292,61 0,172
44
Tabela VI - Resultados das análises estáticas de alagamento – Caso 1
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
0,00% - - 0,21 - - 0,32
7,66% 670,86 476,61 0,417 234,64 560,98 0,555
15,33% 712,62 544,84 0,536 247,30 522,71 0,486
22,99% 752,87 588,75 0,621 261,04 494,99 0,439
30,66% 792,53 616,00 0,678 273,40 475,50 0,408
38,32% 831,86 630,81 0,711 284,82 460,09 0,384
45,99% 870,11 632,67 0,716 294,30 448,01 0,366
53,65% 906,85 621,36 0,694 302,04 439,38 0,353
61,32% 940,71 600,60 0,653 308,10 433,74 0,345
68,98% 973,98 573,21 0,599 313,53 430,01 0,339
76,65% 1006,11 544,00 0,545 317,55 427,54 0,336
94,16% 1075,15 467,83 0,416 321,98 424,85 0,332
Tabela VII - Resultados das análises estáticas de alagamento - Caso 2
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
0,00% - - 0,070 - - 0,200
8,78% 1181,43 122,50 0,093 167,34 418,05 0,296
17,55% 1256,73 173,21 0,115 184,50 387,53 0,264
26,33% 1326,80 193,59 0,127 196,79 368,07 0,245
35,11% 1394,05 195,66 0,129 206,12 354,65 0,232
43,89% 1458,57 185,31 0,124 212,83 345,23 0,224
52,66% 1521,86 165,92 0,115 217,96 338,50 0,218
61,44% 1583,46 140,10 0,104 221,81 333,81 0,214
70,22% 1643,55 109,70 0,093 224,35 330,66 0,211
78,99% 1703,52 75,37 0,083 225,86 328,68 0,209
87,77% 1762,26 38,81 0,075 226,84 327,63 0,209
96,94% 1796,55 16,50 0,072 227,10 327,36 0,208
45
Tabela VIII- Resultados das análises dinâmicas de alagamento - Caso 2
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
0,00% - - 0,413 - - 0,350
8,78% 1385,77 645,38 0,644 279,90 576,97 0,502
17,55% 1470,99 718,29 0,782 301,38 539,82 0,449
26,33% 1549,80 752,77 0,855 317,90 516,65 0,417
35,11% 1624,07 768,41 0,892 331,08 500,52 0,396
43,89% 1695,14 772,11 0,905 340,72 489,19 0,381
52,66% 1765,35 766,65 0,898 348,66 481,48 0,371
61,44% 1833,97 747,89 0,865 354,07 476,50 0,365
70,22% 1900,49 721,61 0,818 358,12 473,50 0,362
78,99% 1966,74 696,59 0,774 360,91 471,72 0,359
87,77% 2031,43 670,56 0,730 362,59 470,91 0,358
96,94% 2069,01 650,66 0,697 362,97 470,63 0,358
Tabela IX - Resultados das análises estáticas de alagamento - Caso 3
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
4,91% 2485,52 73,74 0,138 237,70 416,01 0,29
9,82% 2554,12 120,13 0,152 253,18 395,12 0,27
19,64% 2672,63 162,64 0,171 272,70 371,26 0,255
29,47% 2785,65 175,86 0,179 286,28 356,53 0,245
39,29% 2894,08 172,12 0,180 295,44 346,84 0,239
49,11% 3000,09 157,43 0,176 301,88 340,19 0,234
58,93% 3103,81 135,41 0,168 306,59 335,64 0,231
68,75% 3206,64 107,97 0,160 309,92 332,59 0,229
78,57% 3307,90 76,77 0,151 311,86 330,69 0,228
88,40% 3408,10 42,97 0,142 312,93 329,67 0,227
98,22% 3507,71 7,41 0,135 313,57 329,30 0,227
46
Tabela X - Resultados das análises dinâmicas de alagamento - Caso 3
PORÇÃO ALAGADA
REGIÃO TOPO REGIÃO TDP
TRAÇÃO (kN)
MOMENTO (kN.m)
FU TRAÇÃO
(kN) MOMENTO
(kN.m) FU
4,91% 2868,09 885,64 1,001 379,81 584,66 0,452
9,82% 2946,18 946,64 1,125 397,01 556,52 0,421
19,64% 3076,82 1012,63 1,273 422,63 526,47 0,390
29,47% 3202,37 1044,41 1,355 441,00 508,61 0,373
39,29% 3322,75 1055,87 1,395 454,02 497,56 0,362
49,11% 3439,75 1056,01 1,411 463,57 489,85 0,355
58,93% 3554,03 1050,29 1,413 470,40 484,41 0,350
68,75% 3667,83 1034,96 1,395 475,36 480,94 0,349
78,57% 3779,59 1011,26 1,359 478,45 479,07 0,347
88,40% 3889,93 992,61 1,334 480,42 478,16 0,346
98,22% 3999,45 966,84 1,295 481,09 477,80 0,346
