118 TN Petrleo 91

Cabos de polister so geralmente usados para ancoragem em guas profundas. Alm de 2.000 m de profundidade, no entanto, o alongamento elevado do cabo de polister torna-se um proble-ma, pois as linhas de ancoragem j permitem maiores desloca-mentos horizontais. A linha de polister de 2.000 m pode ter alongamento de 40 m, enquanto uma linha de 3.000 m permitiria alongamento de at 60 m sob as mesmas condies ambientais, criando maiores deslocamen-tos horizontais, que podem ultrapassar os limites dos risers (aumento do passeio). Utilizando HMPE com semelhante tenso de ruptura desses deslocamentos seria de apenas 12 m para uma linha de 3.000 m.

Alm disso, o HMPE agora amplamente considerado o material mais adequado para estes maiores comprimentos de linha de ancoragem em guas profundas. As fibras so caracterizadas por alta resistncia e mdu-lo elevado, produzindo cordas de rigidez elevadas e dimetros menores e mais leves, proporcionando vantagens tcnicas e operacionais sobre linhas de ancoragem de polister tradicionais. Um sistema mais rgido de ancoragem em HMPE de elevao potencialmente mais compatvel do que o polister. Cabos HMPE tm tipicamente um alongamento no superior a ruptura de 2%-2,5%.

Durante estao de manuteno, movimentos de ondas impem car-gas cclicas em linhas de ancoragem, fazendo alongamento da fibra flu-tuante. As linhas de ancoragem esto sujeitas a cargas de tenso-tenso de fadiga. Cabos de fibras HMPE demonstraram uma maior vida de fadi-ga em comparao com cabos de polister para a construo do mesmo cabo e no so vulnerveis a fadiga de compresso axial em comparao com a fibra de aramida (1), (2).

No entanto, a alta rigidez de HMPE tambm pode ser um fator limitante. Em reas de alto risco de tempestades e furaces o sistema de ancoragem precisa se esticar para manter a sobrevivncia da tem-pestade. Hbridas, que combinam linhas de ancoragem de segmentos de cabos HMPE com segmentos de cabos de polister, proporcionam a rigidez necessria para lidar com cargas mximas durante a estao

ancoragem

Ancoragem offshore Desenvolvimento de fibra HMPE para permanente ancoragem offshore em guas profundas

Com a explorao de campos de petrleo e gs indo mais a fundo e mais longe da costa, os projetistas de sistemas de ancoragem so desafiados a desenvolver sistemas de engenharia de ancoragem que proporcionem equilbrio entre as demandas de deslocamentos mximos da plataforma, vento e cargas de pico da onda, e de elevadas tenses em correntes marinhas.

Martin Vlasblom formado em engenharia de design industrial com MSc na Universidade de Delft, Holanda e diretor de Pesquisa Aplicada na DSM Dyneema.

Jorn Boesten graduado pela Universidade Tcnica de Delft na Holanda em engenharia mecnica em 1996 (mestre) e diretor do segmento offshore da DSM Dyneema.

Sergio Leite formado em Engenharia Mecnica na Universidade do Porto em Portugal em 1991 e diretor de vendas para a rea de cabos da Lankhorst Ropes/diviso offshore.

Peter Davies engenhei-ro de pesquisa no grupo de Materiais e Estruturas no Ifremer - Instituto Francs de Investigao de Oceanos.

TN Petrleo 91 119

Geral Fluncia reduzida Fluncia ainda mais reduzida

Dyneema fibra SK75 SK78 DM20

Titer 1740 dtex 1740 dtex 1740 dtex

Tenacidade 35 cN / dtex 35 cN / dtex 31 cN / dtex

Mdulo 1.160 cN / dtex 1.160 cN / dtex 920 cN / dtex

Alongamento ruptura 3,5% 3,5% 3,6%

Uso tpico Cabos de trabalho Ancoragem MODU Ancoragem permanente

Tabela 1: Principais propriedades de alguns tipos de DSM Dyneema HMPE fibras

de manuteno na tempestade, garantindo a elasti-cidade suficiente para amortecer as cargas de pico induzidas por ondas (3), (4), (5).

A pretenso responsvel para o carregamento a longo prazo das linhas de ancoragem. Fibras HMPE so sensveis a estas cargas estticas de longo prazo, e se alongaro de modo irreversvel proporcionalmen-te com o tempo. Este fenmeno conhecido como flu-ncia (creep). Fluncia (creep) excessiva provoca um aumento de deslocamento do navio atracado. O grau de fluncia (creep) dependente do tipo de HMPE, a temperatura de operao, a mdia de carga e tempo de carregamento.

Todos os tipos de fibras HMPE tm um desempenho diferente, em geral, as fibras a de DSM Dyneema com-binam maior resistncia trao e mdulo de elastici-dade com a mais elevada resistncia fluncia (creep). Desenvolvimentos recentes de fibra foram destinados a reduzir significativamente a taxa de fluncia (creep) (% de alongamento / unidade de tempo), bem como o de-senvolvimento de um modelo para prever com preciso a taxa de fluncia (creep) e alongamento de fluncia (creep), e, assim, proporcionar melhores estimativas de tempo de vida de fluncia (creep) para as categorias de qualidade oferecidas pelo DSM Dyneema.

Em 2003, a categoria de fibra SK78, um HMPE de baixa fluncia (creep), foi introduzida para ancoragem semipermanentes da unidade de perfurao opera-cional mvel (MODU). A Petrobras, recentemente, fez um pedido de um conjunto de cabos de ancoragem SK78 com 630 toneladas carga de ruptura mnima (MBL) para projetos de guas profundas MODU na costa do Brasil.

Pesquisas adicionais na reduo da taxa de fluncia (creep) resultaram no desenvolvimento da categoria de fibra DM20, concebida especialmente para guas profundas de ancoragem permanente. A Tabela 1 apresenta as principais propriedades para os diferentes tipos de fibra HMPE.

Fluncia (creep) de HMPE em diretrizes e nor-mas da indstria

Todos os cabos sintticos suportam algum nvel de fluncia (creep) definido como o alongamento per-

manente do cabo sob carga. O cabo no ir recuperar completamente quando a carga for removida. Como afirmado anteriormente, cabos produzidos com fibra HMPE tm at agora sofrido significativamente maio-res taxas de fluncia (creep) do que os de polister.

Modelagem preditivaAps a publicao do DSM Dyneema em modela-

gem de fibra HMPE de fluncia (creep) (6), as diretri-zes da indstria de cabos de ancoragem especificam agora uma variedade de documentao relacionada incluindo a validao de modelos de fluncia (creep), fatores de falha de segurana de fluncia (creep) e tarefas de monitoramento de fluncia (creep).

Quase todas as normas de sistema de ancoragem afirmam que os modelos de estimativa de fluncia (creep), com base em dados de testes de fibras, podem ser utilizados para apoiar os requisitos do sistema de ancoragem de desempenho de flun-cia (creep) e assim limitar a necessidade de testes completos de (sub) cabos (Tabela 2) (7), (8), (9), (10), (11), (12). Tipicamente anlises de taxa de fluncia (creep), anlises de falhas de fluncia (creep) e testes de pre-vises de fluncia (creep) de cabos so necessrios. Para as anlises de fluncia (creep), os eventos am-bientais a longo prazo podem ser representados por uma srie de condies de projetos discretas a partir da qual o alongamento anual de fluncia (creep) calculado, e um total previsto de tenso de fluncia (creep) para a vida de servio do projeto determi-nada. Durante a avaliao de prottipos, um teste executado para verificar ou calibrar taxas de longo prazo de fluncia (creep) de cabos com os dados do modelo de fluncia (creep) da fibra.

Monitoramento de Fluncia (creep)Monitoramento do alongamento do cabo HMPE

usado para medir o grau de fluncia (creep). No entanto, h uma falta de consenso entre rgos de normatizao sobre metodologias de testes.

Algumas normas de ancoragem requerem monito-ramento de fluncia (creep) do cabo em uso na parte mais crtica, geralmente a parte ou seo superior mais prxima da superfcie da gua, por causa das

120 TN Petrleo 91

Diretrizes NI 432 DTO R01E DNV-OS-E303DNV-OS-E301

Instrues sobre cabos de fibra de ancoragem no

alto-mar

API-RP-2SM ISO / PDTS 14909

rgo expedidor Bureau Veritas (7) Det NorskeVeritas (8), (9)

American Bureau of Shipping (10) American Petroleum Institute (11)

International Organi-zation for Standardi-zation (12)

Previso de fluncia

Fluncia a longo prazo do cabo com base em dados de fibra de fluncia.

Resistncia a falha de fluncia a ser especificado pelo fabricante do cabo.

Fabricante de fios para testar a falha de fluncia do fio.

Anlise de fluncia para esti-mar a tenso total de fluncia durante a vida til do projeto.

Anlise de ruptura de fluncia para estimar a vida de ruptura de fluncia.

Modelo de fluncia baseado em fibra de dados de fluncia.

Anlise de fluncia com base nas cargas mdia e mxima do projeto. An-lise de falhas de fluncia baseado nos dados de teste do cabo.

Estimativa de alon-gamentos de taxa e fluncia admissvel, em condies de funcio-namento em rea mais crtica do cabo.

Com base no modelo de propriedades de fluncia da fibra.

Mtodos Nmero de condies discretas do projeto para calcular tenso de fluncia anual e tenso total de previso para a vida til do projeto.

Vrios intervalos de ten-so para calcular danos de ruptura de fluncia acumulativa anual.

Testes de fluncia do cabo

Calibrar a longo prazo taxas de fluncia de cabos em cabos de prot-tipo com dados da fibra e modelo de fluncia.

Sub cabos permitidos para construes de cabos paralelos.

A ser determinado individualmente por caso se aplicvel.

Nmero de amostras de teste a serem testadas na fluncia.

Teste de verificao para taxa de fluncia de cabos pelo menos em uma carga e uma temperatura.

Teste continuou at pelo menos 24 horas de uma taxa de fluncia constante at atingir o tempo caboscabos permitidas para construes de cabos paralelas.

Os dados de fluncia so coletados em duas tenses.

A porcentagem de flun-cia em 3 min., 30 min., 300 min. e 3.000 min. podem ser extrapoladas em uma base semilogart-mica (fluncia em escala normal contra tempo em escala logartmica) para tempos mais longos.

Calibrar a longo prazo taxas de fluncia de cabos em cabos de es-cala completa durante 7 dias no mximo 55% BS e mximo 25 C.

Sub cabos permitidos para construes de cabos paralelos.

Monitoramento de fluncia em uso

Seo mais crtica - geralmente parte ou seo (superior)atravs de marca-o adequada.

Medies de comprimento para avaliar a progres-so da fluncia.

Opcional (influncia sobre o fator de segurana).

Critrio de descar-te de fluncia

95% da fora inicial do cabo ou 10% do comprimento do cabo instalado.

Tenso de fluncia total limitada a 10% do comprimento total do cabo HMPE.

Fator de segurana

Fator de falha de segurana fluncia de 3 para ancora-gem mvel e 5-8 para ancoragem a longo prazo.

Fator de segurana ao longo da vida de servio do projeto contra ruptura de fluncia: 5 (fluncia monitorado) ou 10 (fluncia no monitorado).

Fator de segurana para falha de fluncia 10 vezes a vida til do cabo.

ancoragem

Tabela 2: Fluncia de HMPE como abordada por normas e diretrizes

altas temperaturas envolvidas. Um pequeno nmero de normas especifica um critrio de substituio do cabo de HMPE de 10% de tenso fluncia (creep) do comprimento total do cabo HMPE.

Quando indicados o fator de segurana de fluncia (creep) de cabos de HMPE diferente para ancoragens mveis e ancoragens a longo prazo. Difere tambm de como aplicado: nas normas e diretrizes para cabos HMPE (Tabela 2), os fatores de segurana so baseados em ambas as falha de fluncia (creep), o tempo de ruptura por fluncia (creep) ou vida til do projeto, que, por definio, no so consistentes. Alm disso, o fator de segurana para um cabo monitorado

pode ser menor do que para um cabo de ancora-gem no monitorado.

H tambm aspectos prticos a serem considerados quando um modelo de fluncia (creep) baseado em dados de cabos. Para extrapolao sobre tempos mais longos, testes de fluncia (creep) em cabos HMPE devem ser realizados no assim chamado regime de estado esta-cionrio de fluncia (creep), para determinar o patamar da taxa de fluncia (creep). Como a taxa de fluncia (cre-ep) dependente da temperatura e carga, testando at ocorrer falha de fluncia (creep) dentro de um intervalo de tempo aceitvel pode ser realizado apenas com cargas e temperaturas elevadas, que no so representativas das condies de operao no alto-mar. Como poderia ser

TN Petrleo 91 121

Fora de ruptura do cabos (MBL) 630 mt Carga de ruptura do fio (YBL) 0.611 kN

Peso do cabo (W) 4,5 kg/m Peso de fios (g/m) 0,174 g/m

Carga de Fluncia MBL 20 % Carga de Fluncia 20 % YBL 8 % YBL

Nvel de estresse 270 MPa Nvel de estresse 684 MPa 270 MPa

Tabela 3: Relao entre fora de ruptura do cabo e a fora de ruptura de fio para um cabo tpico de fibra de SK78

(1)

esperado, o custo das instalaes de teste de cabos para realizar estes testes com cargas operacionais e temperatu-ras pode ser muito alto.

Como resultado, os testes de fluncia (creep) de cabos so normalmente limitados a testes de taxa fluncia (creep) de cabos, para verificar o modelo de fibra de fluncia (creep) utilizado para a anlise.

Dados de fluncia da fibra contra dados de fluncia (creep) do cabo

Na comparao entre dados de fibra e de fluncia (creep) do cabo em uma base de carga relativa, um fator de converso de fora de ruptura da fibra/cabo ou fator de realizao, devem ser levados em conside-rao. Este fator dependente da construo do cabo, fabricante do cabo e o tipo de fibra usado.

Resultados do teste de fluncia (creep) de uma fibra sob fora de 20% de ruptura de fibra no so diretamente comparveis tenso de um cabo de 20% sob a fora da ruptura do cabo e, como tal, nenhuma concluso sobre o desempenho da flu-ncia (creep) do cabo pode ser feita (ver tabela 3).

Em vez disso, comparando os dados da flu-ncia (creep) de fibra e cabo com base em nveis de stress comparveis (por exemplo MPa ou kN/(g/m)) resulta em uma correlao direta, sem a necessidade de fatores de realizao. Quan-do o nvel de stress correspondente ao nvel de carga relativa no cabo completo determinado, os experimentos de fluncia (creep), a este nvel podem ser realizados em fibras de fios de cabo, ou sub cabos, resultando em dados comparveis de fluncia (creep).

Obs.: aconselhvel consultar o fabricante da fibra, ao definir os nveis de carga e durao dos testes de verificao em cabos HMPE, a fim de alcanar resultados dentro de prazos aceitveis.

Programa de teste para DM20Testes extensivos foram efetuados no tipo de fibra

DM20 para determinar suas propriedades e o com-portamento em sistemas permanentes de ancoragem offshore, abrangendo:

propriedades de resistncia: foras de rupturas em construes de sub cabos,

propriedades de rigidez: rigidez dinmica de fios e fios de rigidez esttica e rigidez de cabos,

propriedades de fluncia (creep): taxa de flun-cia (creep) de fibra e experimentos da vida de fluncia (creep) para o desenvolvimento do modelo de flun-cia (creep) e testes de fluncia (creep) de cabos para verificar esse modelo de fluncia (creep),

propriedades relacionadas com tempo de vida: desempenho de abraso fibra-a-fibra, vida de fadiga em amostras de cabos, resistncia UV e envelheci-mento trmico em fibras, em referncia ao tipo de fibra SK78 que foi aceite pela indstria para ancora-gem MODU em guas profundas.

Caracterizao de fluncia (creep) de fibra DM20

Seguindo o mtodo descrito por Vlasblom e Bos-man (13) um nmero de taxa de fluncia (creep) de fibra e experimentos de fluncia (creep) de ruptura foram realizados a temperaturas entre 30 C a 70 C e nveis de carga de 300 MPa a 1700 MPa, isto com-parvel aos nveis acima da carga de ruptura de 20% para um cabo tpico de ancoragem offshore.

A temperatura ambiente, fibra DM20 carregada em fora de ruptura de fibra de 10% mostra uma taxa de fluncia (creep) de 0,03% ao ano; enquanto SK78 mostrou uma taxa de fluncia (creep) de 2% ao ano e SK75 uma taxa de fluncia (creep) de 10% ao ano. Como as outras fibras HMPE, um aumento de tempe-ratura de 20 C aumentou a taxa de fluncia (creep) em aproximadamente um fator de 10.

Para testes comparativos, testes acelerados de fluncia (creep) so realizados em tempera-turas elevadas para fornecer resultados em um perodo de tempo aceitvel. A Figura 1 mostra um alongamento de fluncia (creep) ao longo do tempo em fibra de DM20, fibra de SK78 e a fibra SK75 a 70 C e nvel de stress de 300 MPa, que comparvel carga de ruptura de 20% de um cabo de ancoragem. Devido s limitaes de tempo, o experimento em fibra DM20 terminou

Ancoragem offshore: desenvolvimento de fibra HMPE para permanente ancoragem offshore em guas profundas

Onde: RF = fator de realizao (-); YBL = carga de ruptura do fio (kN); w = peso do fio (g/m); MBL = carga de ruptura mnima do cabo (kN); W = peso do cabo (g/m)

RF = w

w

YBL

MBL

//

122 TN Petrleo 91

ancoragem

Figura 1: Alongamento de fluncia (creep) medido em funo do tempo em experimento de fluncia

(creep) de fibra a 70 C, 300 MPa

depois de mais de 900 horas. Os mesmos dados so mostrados na Figura 2 como a taxa de tenso logartmica sobre o alongamento, ilustrando a reduo significativa na taxa de fluncia e alon-gamentos baixos suportados pelo DM20.

Experimentos de taxa de fluncia (creep) de fibra indicam que, em condies normais de carga de cabos de ancoragem no mar, a taxa de fluncia de fibra de

DM20 50 vezes menor do que a da SK78. Tal como SK75 e SK78, o incio da falha de fluncia (creep) de DM20 depende da carga aplicada e da temperatura. As matrias-primas utilizadas no HMPE, mtodos de produo, fora e o mdulo tm uma influncia (creep) sobre a resistncia da fibra falha de fluncia (creep).

Sob os mesmos nveis de carga, DM20 ir atingir o incio das falhas de fluncia (creep) aps um tempo muito mais longo do que SK78, (ver Figura 3), e com alongamentos inferiores. Isto sugere que o critrio de descarte de 10% de alongamento permanente reco-mendada para tipos gerais de HMPE e SK78 em diretrizes e normas da inds-tria deve ser reduzido para DM20.

DM20 estimativa de fluncia (creep) na condio de carga offshore

A tendncia dos cabos HMPE de ancoragem offshore para fluncia (cre-ep) tem de ser abordada no projeto de ancoragem permanente. Uma taxa alta de fluncia (creep) representa um risco potencial de falha atravs da fluncia (creep) de ruptura. Tambm neces-srio re-tensionamento de cabos e uma reduo na rigidez quasi-esttico dos cabos durante uma longa tempestade.

Para sistemas permanentes de an-coragem, um alongamento de fluncia (creep) de 0,5% em 25 anos no total da linha de ancoragem considerado como aceitvel. Fatores de segurana de falha de fluncia (creep) so propos-tos pelas vrias diretrizes da indstria, por exemplo, um fator de segurana de 5-8 para atracaes de longo prazo, conforme recomendado pela DNV (9).

Um modelo que descreve as propriedades de fluncia (creep) foi derivado dos experimentos de flu-ncia (creep) de fibra e usado para estimar a fluncia (creep) para linhas

de ancoragem offshore sob condies realsticas de carregamento. Isto ilustra a grande melhoria do DM20 sobre outros tipos de fibra HMPE (tabela 4).

Caracterizao de fluncia (creep) de cabos DM20

A Lankhorst Ropes fabricou sub cabos de dois tamanhos para verificar as propriedades de fluncia

Figura 2: Taxa de fluncia (creep) logartmica medida em funo do alongamento

em um experimento de flun-cia (creep) de fibra a 70 C,

300 MPa

Figura 3: Tempos estimados no incio da falha de fluncia (creep) de fibra DM20 contra outros tipos

de fibra HMPE a 16 C

TN Petrleo 91 123

(creep) muito baixa da ancoragem de cabos DM20.

a.Construo: sub-cabo tranado de 8 fios

Dimetro: 29 mm

Fabricante: Lankhorst Ropes de Portugal

Fora de ruptura mdia: 657 kN (terminao de fim emendado)

Local de teste: Ifremer Brest Centre

Condio de teste de fluncia (creep): 30 C, 290 kN (45% BL), 30 dias

Num suporte de teste de capa-cidade de 1000 kN na Ifremer, um teste de fluncia (creep) foi realizado por meio da medio da extenso da parte central da amostra, utilizando um transdutor de deslocamento de fio de 500 milmetros de alonga-mento preso ao cabo (14).

A parte central da amostra de 8 metros de cabo olho-no-olho era aquecida por aquecedores de ar a 30 C. Para medir a temperatura, a sonda foi inserida em um compri-mento de 1 metro de HMPE cabo tranado do mesmo tamanho e colocado no centro da cmara com a amostra seguinte (Figura 4).

A amostra foi submetida a cinco ciclos de assentamento a 290 kN (Figura 5), e em seguida mantido a uma carga cons-tante de 290 kN, a 30 C durante 30 dias. A Figura 6 mostra o alongamento da parte central do cabo para a durao do teste de fluncia (creep). Como referncia, o resultado de um teste idntico realizado em 2003 sobre um cabo feito de SK78 mostrado na

mesma figura (15). Enquanto o cabo feito com SK78 alcanou falha de fluncia (creep) a 30% de alon-gamento, o cabo com DM20 mostrou apenas uma pequena quantidade de tenso.

Aps 30 dias, a carga no cabo feito de DM20 foi removido e a tenso registrada durante a recupera-

Figura 4: Interior da cmara de temperatura

Figura 5: Ciclos de assentamento antes do carregamento de fluncia (creep)

Tabela 4: Expectativas de modelo de fluncia (creep) para os tipos de fibras de HMPE

SK75 SK78 DM20

Fora tpica do cabo 630 t

Peso do cabo (excluindo a capa)

4,2 kg/m 4,4 kg/m (estimado)

Alongamento de fluncia estimado

Fator de segurana de falha de fluncia

Alongamento de fluncia estimado

Fator de segu-rana de falha

de fluncia

Alongamento de fluncia estimado

Fator de segu-rana de falha

de fluncia

Condio de ancoragem de MODU (5 anos de 20% BL a 16 C)

6.6% No pode ser atin-gido

1.7 % Pode ser atingido

0 % Pode ser atingido

Condio de ancoragem permanente (25 anos de 20% BL a 16 C)

6.6% No pode ser atin-gido

1.7 % Pode ser atingidos

< 0,3 % Pode ser atingido

Figura 6: Alongamento de fluncia (creep) de cabo de 29 mm com DM20 e SK78 a 30 C

falha falha

Ancoragem offshore: desenvolvimento de fibra HMPE para permanente ancoragem offshore em guas profundas

124 TN Petrleo 91

o por mais 68 horas a uma carga de 5,8 kN (1% de carga ruptura nominal). Uma tenso permanente de cerca de 1,5% foi registrada. A Figura 7 mostra a ten-so em funo do tempo durante a recuperao.

No final do teste de recuperao a amostra foi completamente descarregada, um novo ciclo de assentamento foi aplicado, e o cabo acelerado para

uma falha a 839 kN e uma taxa de 120 kN / minuto.

b.Construo: cabo tranado de 8 fios

Dimetro: 52 mm

Fabricante: Lankhorst Ropes de Portugal

Fora de ruptura mdia: 1843 kN (terminao de fim emendado)

Local de teste: Lankhorst Ropes, Portugal

Condio de teste de fluncia (creep): 23 C, 30% BL / 40% BL / 50% BL, 10 dias

A Lankhorst Ropes realizou trs testes de fluncia (creep) em cabo de 52 mm de dimetro ao longo de 10 dias a temperatura ambiente, o que confirma taxas extremamente baixas de flun-cia (creep) sob nveis de carga comparveis s condies de tempestade no alto mar (Figura 8 e Figura 9).

Verificao de modelo de fluncia (creep) da fibra

Conforme exigido por vrias nor-mas e diretrizes da indstria, as taxas de fluncia (creep) de cabo DM20 foram comparadas com o modelo de previses de fluncia (creep) para verificar o modelo de fluncia (creep) (Tabela 5).

A tabela mostra que as previses do modelo de fluncia (creep) so mui-to prximas para faixas de carga nor-mais, e conservadoras para nveis de carga, que so significativamente aci-ma das condies de funcionamento normais para as linhas de ancoragem no alto mar. Em todas as condies testadas, o cabo apresentou uma taxa de tenso inferior ao previsto. Embora as diferenas relativas entre taxas previstas e taxas de fluncia (creep) medidas parecem ser elevadas, uma margem de erro inevitvel em pre-vises de longo prazo de resistncia.

DSM Dyneema garantiu que estimativas do modelo de taxa de fluncia (creep) sempre erram no lado conser-vador da vida til da fluncia (creep) esperada.

Deve notar-se tambm que a preciso do modelo de fluncia (creep) atual, com base na taxa de fluncia (creep) limitada e dados fluncia (creep), ir melho-rar ao longo do tempo.

ancoragem

Figura 8: Testes de fluncia (creep) de cabos na Lankhorst Ropes

Figura 7: Tenso de recuperao aps 30 dias de experimento de fluncia (creep) a 30 C

Figura 9: Alongamento de fluncia (creep) de cabo de 52 mm com DM20 a 22 C

TN Petrleo 91 125

Medidas de rigidezPara verificar os deslocamentos

sob condies de carga pesada, a fluncia (creep) das fibras tem de ser levada em considerao. Del Vec-chio e Monteiro (16) afirmaram que a rigidez secante equivalente, incor-porando fluncia (creep) das linhas mais tensionados e mais folgadas para duraes de tempestade de 24 a 72 horas, so relevantes para a anlise de ancoragem e tm mostra-do como resultados de fios pode ser utilizado para produzir estimativas de propriedades de cabos. O teste de rigidez dinmica de fios envolve um ciclo preliminar seguido pela medio real do ciclo de rigidez. Desta fluncia (creep) do fio es-timada com base nas alteraes na elongao nas etapas predefinidas para perodos de at 72 horas.

Medies de rigidez foram efe-tuadas em tipo de fibra DM20 em relao fibra SK78, que abrange:

Rigidez dos fios com base em carga de ruptura do fio

Rigidez do cabo Rigidez dos fios com base em

fator de realizao tpico do cabo.

Rigidez dos fios com base em Carga de Ruptura do FioAps este procedimento de teste, as medies

foram realizadas na fibra DM20 e fibra SK78 para de-terminar a quasi-esttica rigidez para linhas de vento e sotavento (Figura 10, Figura 11 e Tabela 6). Depois de um pr-carregamento inicial (10-30 YBL%), barla-vento definido a partir do alongamento delta entre YBL 20% (carga de ruptura do fio) e YBL 45% acima de 24 horas (incorporando fluncia (creep)) e sota-vento definido a partir do alongamento delta entre YBL 20% e 5% YBL acima de 24 horas (incorporando recuperao lenta).

Os valores de rigidez foram calculados de acordo com a equao 2.

Figura 10: Carga Resultados de tenso

medida na fibra DM20 a temperatura ambiente, com base na carga de ruptura

de fio

Figura 11: Carga - Resultados de tenso medida em fibra de SK78 a temperatura ambiente, com base na carga de ruptura de fio

Tabela 5: Taxa de fluncia (creep) prevista e medida no final do teste de fluncia (creep) de cabo

Local de teste Ifremer, Frana Lankhorst Ropes, Portugal

Tamanho do cabo 29 mm 52 mm 52 mm 52 mm

Condies de teste Carga esttica Durao Tempe-ratura

30 C, Dia 30, Ruptura de carga de 45% 23 C, Dia 10, Ruptura de carga 30%

23 C, Dia 10, Ruptura de carga de 40%

23 C, Dia 10, Ruptu-ra de carga de 50%

Previso da taxa de fluncia 1,3% / ms 0,2% / ms 0,3% / ms 0,7% / ms

Medio da taxa de fluncia 0,6% / ms 0,2% / ms 0,2% / ms 0,3% / ms

Ancoragem offshore: desenvolvimento de fibra HMPE para permanente ancoragem offshore em guas profundas

Onde: F = fora de gradiente de 20% a 45%, considerando fluncia (creep) de alta carga e de 20% para 5%, considerando a recuperao da carga de baixa tenso; L = alongamento do fio correspondente ao F; YBL = carga de ruptura do fio, e, Li = Comprimento de medida de amostra no incio do teste.

Stiffness =YBL

Li

F

L

//

(2)

126 TN Petrleo 91

Figura 12: Carga resultados de tenso medidos no sub-cabo de dimetro de 52

mm com fibra DM20 a 22 C (18)

Figura 13: Carga resultados de tenso na fibra DM20 a temperatura ambiente, com base no fator tpico de realizao de aplicao de cabo.

Tabela 6: Rigidez secante equivalente e rigidez dinmica de fibra SK78 e DM20 a temperatura ambiente, com base na carga de ruptura de fio

Rigidez dos fios com base em carga de ruptura Fibra de SK78 Fibra DM20

Barlavento 24h 6,8 x YBL 17,9 x YBL

Sotavento 24h 13,0 x YBL 15,5 x YBL

Rigidez dinmica (10-30% YBL) 43,7 x YBL 44,6 x YBL

ancoragem

Medies de rigidez de cabosHMPE um material visco-elstico e suas ca-

ractersticas de rigidez iro variar dependendo da intensidade da carga, durao do carregamento e nmero de ciclos. Durante os ciclos de carga preco-ce, o assentamento do cabo vai resultar em algum alongamento inicial. A rigidez secante equivalente e rigidez dinmica do DM20 em uma construo de cabo foi medida no dimetro de 52 mm do subcabo Gama98 de construo de cabos produzidos por Lankhorst Ropes e comparado com dados obtidos em um cabo MODU de tamanho feito de SK78

(tabela 7). A Figura 12 mostra o resultado do teste de rigidez. Para uma representao mais visual, apenas o ponto inicial e o ponto final de cada patamar de carga foram plotados.

Rigidez do fio com base no fator tpico de realizao de cabo

Embora testado na mesma temperatura, os valores de rigidez secante equivalente dos experimen-tos de fio baseados no fio de carga de ruptura muito menor que os valores derivados do experimento de cabo. Quando dados de rigidez tm que ser determinados em um fio, a carga deve ser selecionada tal que seja comparvel carga na aplica-o do cabo. Isto significa que para comparar dados de rigidez de fibra e cabo em uma base de carga relati-va, o fator de converso de fora de ruptura da fibra/cabo, ou fator de realizao (ver equao 1), deve ser levado em considerao. Figura 13 e Figura 14 mostram a carga resul-tados da tenso das fibras do mesmo com base em um fator de realizao que tpico para aplicaes de cabo de ancoragem no alto mar.

Em resumo, as medidas de rigi-dez de fibra e cabos ilustraram que:

Rigidez secante de DM20 superior a SK78 quando medida no nvel de fibra ou de cabo,

Rigidez dinmica de DM20 est em linha com SK78 ao nvel do cabo,

De preferncia os valores de rigidez devero ser determinados a nvel do (sub) cabo.

Assim como a fluncia (creep) uma funo da temperatura, rigidez secante uma funo da tempe-ratura tambm.

Abraso de fibra-a-fibraO American Bureau of Shipping (10) especifica

que a fibra HMPE deve passar o requisito mnimo do teste de abraso de fibra-a-fibra, de acordo com

TN Petrleo 91 127

a CI-1503 (19). No laboratrio de testes da Tension Technology Internal (Ar-broath, Reino Unido), a fibra DM20 foi testada em 1-5% BL e compara-dos com resultados de teste de fibra SK75 de 2009 (20). Determinou-se que DM20 passar os requisitos mnimos e nenhuma diferena significativa foi detectada entre as fibras de DM20 e SK75 e indi-cou-se que uma fadiga de tenso comparvel pode ser esperada (Figura 15).

Trabalho adicionalAlm de caracterizao adi-

cional de fluncias (creep) da fibra DM20 para previses mais precisas do modelo de fluncia (creep), testes de laboratrio em uma ampla variedade de fibra e testes de cabo incluindo testes de fadiga vo continuar a reforar a confiabilidade sobre a adequao deste novo tipo de fibra HMPE para os mercados pretendidos.

ConclusesPolietileno de alto mdulo de elasticidade considerado o material mais adequado para linhas de ancoragem mais lon-gas de guas ultra profundas alm de 2.000 m. As fibras so caracterizadas por alta resistncia e mdulo de elasticidade elevado, produzindo cabos de rigidez elevados de dimetros menores e mais leves, em compa-rao com as linhas de ancoragem de polister para o mesmo MBL. No entanto, o desempenho de fluncia (creep) de HMPE impediu seu uso de

ancoragem em guas profundas a longo prazo. Melhorias sistemticas no desempenho de flun-cia (creep) por DSM Dyneema levaram primeiro ao desenvolvimento da fibra SK78 para ancora-gem semi-permanente de MODU e agora a fibra DM20 para ancoragens permanentes de produ-o no alto mar.

Tabela 7: Rigidez equivalente de secante e rigidez dinmica de sub cabo com SK78 e fibra DM20 a 22 C (17), (18)

Tabela 8: Rigidez secante equivalente e rigidez dinmica de fibra SK78 e fibra de DM20 a temperatura ambiente, com base no fator tpico de realizao de aplicao de cabo

Rigidez do cabo Cabo com SK78 Fibra Cabo com DM20 Fibra

Barlavento 24h. - 40,3 x MBL

Sotaventos 24h. - 27,8 x MBL

Rigidez dinmica (10-30% YBL) 60 x MBL 60 x MBL

Rigidez do fio com base no fator de realizao Fibra de SK78 Fibra DM20

Barlavento 24h. 39,9 x YBL / RF 52,5 x YBL / RF

Sotaventos 24h. 43,3 x YBL / RF 38,9 x YBL / RF

Rigidez dinmica (10-30% YBL) 101,6 x YBL / RF 96,6 x YBL / RF

Figura 14: Carga resultados de tenso na fibra de SK78 a tempe-

ratura ambiente, com base no fator tpico de

realizao de aplicao de cabo

Figura 15: Resultados do teste de abraso de

fibra-a-fibra

Ancoragem offshore: desenvolvimento de fibra HMPE para permanente ancoragem offshore em guas profundas

128 TN Petrleo 91

(1) The manufacture, properties and applications of high strength, high modulus polyethylene fibers, M. P. Vlasblom, J. L. J. van Dingenen, Chapter 13 in Handbook of tensile properties of textile and technical fibres, Woodhead Publishing, 2009

(2) Enabling Ultra-Deepwater Mooring with Aramid Fiber Rope Technology, C.H.Chi, E.M.Lundhild, T.Veselis, M.B.Huntley, OTC 20074, Offshore Technology Conference, May 2009

(3) HMPE Mooring Lines for Deepwater MODUs, S.Leite, J.Boesten, OTC 22486, Offshore Technology Con-ference, May 2011

(4) The use of HMPE mooring lines in deepwater MODU mooring systems, R.Garrity, W.Fronzaglia, Oceans, 2008

(5) Mooring line, WO2007096121, World International Patent Organization, 2007

(6) Predicting the Creep Lifetime of HMPE Mooring Rope Applications, M.P. Vlasblom, R.L.M. Bosman, Oceans, 2006

(7) Certification Of Fibre Ropes For Deepwater Offshore Services, Guidance Note, NI 432 DTO R01E, November 2007

(8) Offshore Mooring Fibre Ropes, Offshore Standard DNV-OS-E303, Det Norske Veritas, October 2010

(9) Position Mooring, Offshore Standard DNV-OS-E301, Det Norske Veritas, October 2010

(10) Guidance Notes On The Application Of Fiber Rope For Offshore Mooring, American Bureau of Shipping, August 2011

(11) Recommended Practice 2SM, March 2001, Adden-dum, May 2007

(11) Recommended Practice for Design, Manufacture, Installation, and Maintenance of Synthetic Fiber Ropes for Offshore Mooring, API Recommended Practice 2SM, DRAFT Second Edition, American Petroleum Institute, 2010-12-07

(12) Fibre ropes for offshore stationkeeping High mo-dulus polyethylene (HMPE), ISO/PDTS 14909, ISO, 2011

(13) Predicting the Creep Lifetime of HMPE Moo-ring Rope Applications, M.P. Vlasblom, R.L.M. Bosman, Oceans, 2006

(14) Creep test on improved HMPE ULC rope, RDT/MS D11 022 YLG, P.Davies, N.Lacotte, Ifremer, 2011

(15) Creep Rupture Testing of modified HMPE fibre rope, TMSI-RED-MS-03-06, P.Davies, N.Lacotte, Ifremer, May 2003

(16) Quasi-staticproperties of high stiffness fibre ropes for ultra-deep water moorings, C.M.J. Del Vecchio, A.H.Monteiro, OIPEEC Conference, ODN 0872, March 2011

(17 Testing Of Dyneema Modu Tethers, Report No. BGN--R2303244, Det Norske Veritas, 2003

(18) Internal report, Lankhorst Ropes, 2011(19) Test Method for Yarn-on-Yarn Abrasion Wet and

Dry, Cordage Institute, CI 1503-00, August 2001(20) Report on the testing of ULC HMPE yarn sample for

abrasion resistance, J.Nichols, Tension Technology Interna-tional, 2011

Dyneema e Dyneema, a fibra mais forte do mundo so marcas registradas da Royal DSM. Uso destas marcas registradas estrita-mente proibida, salvo autorizao. DSM Dyneema BV Gama98 uma marca registrada de Lankhorst Ropes. O uso desta marca registra-da estritamente proibido, a menos que autorizado.

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ou a utilizao de informaes ou produtos por parte do comprador. O Comprador dever (i) assumir tal responsabilidade, e (ii) verificar as

informaes e os produtos Direitos Autorais 2012, Conferncia de Tecnologia Offshore. Este documento foi preparado para apresentao

na Conferncia de Tecnologia Offshore realizada em Houston, Texas, EUA, 30 abril - 3 maio 2012.

Este trabalho foi selecionado para apresentao de um comit de programa da CTO seguindo reviso de informao contida em um resu

mo apresentado pelo(s) autor(es). O contedo do trabalho no foi examinado pela Conferncia de Tecnologia Offshore e est sujeito a

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Referncias

ancoragem

As propriedades de fluncia (creep) a longo prazo do DM20 atendem as exigncias da indstria para a durao de ancoragem permanente.

Conforme solicitado por vrias normas e diretrizes, foi desenvolvido um modelo de estimativa de fluncia (creep) baseado em dados de fibra para DM20 para demonstrar a capacidade da fibra para cumprir requisi-tos de desempenho de fluncia (creep) e assim limitar a necessidade de testes completos de cabo. As proprie-dades de taxa de fluncia (creep) de fibra foram confir-madas por testes de fluncia (creep) em sub cabos.

Devido a seus extremos baixos alongamentos de fluncia (creep), o critrio de descarte de alongamen-to permanente de 10% sugerido nas diretrizes da indstria e normas para os tipos gerais de HMPE e categoria SK78 de MODU precisa ser reconsidera-do para DM20.

Rigidez dinmica de DM20 igual a SK78, en-quanto a rigidez secante de DM20 superior a SK78, confirmando a fluncia (creep) reduzida desta nova fibra. Recomenda-se determinar os valores de rigidez no nvel de (sub)cabos.