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1
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Engenharia Naval e Oceânica
Projeto de Graduação
NICHOLAS BLEASBY BENDIA
AVALIAÇÃO DE DANOS EM LINHAS FLEXÍVEIS
UMA VISÃO PRÁTICA
Rio de Janeiro
Janeiro de 2019
NICHOLAS BLEASBY BENDIA
2
AVALIAÇÃO DE DANOS EM LINHAS FLEXÍVEIS
UMA VISÃO PRÁTICA
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.
Área de Concentração: Tecnologia dos
sistemas oceânicos.
Orientadora:
Marta Cecília Tapia Reyes
3
Rio de Janeiro
Janeiro de 2019
Bendia, Nicholas Bleasby
Avaliação de danos em linhas flexíveis, uma visão
prática/ Nicholas Bleasby Bendia – Rio de
Janeiro:UFRJ/Escola Politécnica,2018.
X,57 p.:il.; 29,7 cm
Orientador: Marta Cecília Tapia Reyes
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola
Politécnica/Curso de Engenharia Naval e Oceânica, 2018
Referências Bibliográficas: p.XX
1.Introdução - 2.Duto flexível - 3.API – 4.Danos,
modos de falha e soluções práticas – 5.Conclusões – 6.
Referência Bibliográfica
I. Tapia Reyes, Marta Cecilia II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politénica, Curso de
Engenharia Naval. III. Avaliação de danos em linhas
flexíveis
5
Dedico esse trabalho a minha
família e amigos, que me apoiaram
em todas as decisões. Sem eles
nada disso seria possível.
6
Agradecimentos
Agradeço a minha mãe, Marcia, pelo amor, carinho e proteção dados a mim em todos
os momentos da minha vida, sempre fornecendo todo o suporte necessário para que eu chegasse
até aqui.
Agradeço à minha irmã, Layla, pelo amor, amizade, conselhos e pelo exemplo que
sempre foi. A toda minha família, especialmente a minha avó, Euridice.
Agradeço aos amigos e colegas que fiz no curso, assim como os de infância, que são
para a vida toda, e sem eles não seria possível passar pelos bons e também difíceis momentos
vividos nessa etapa.
Agradeço a todos os professores que passaram pela minha. Agradeço à Professora Marta
Cecilia Tapia Reyes, que me orientou durante esse projeto, sempre estando disponível a me
ajudar e guiar.
Agradeço a todos os funcionários da UFRJ, em especial aos que fazem parte da Naval,
pois sem eles seria impossível concluir o curso.
Por fim, agradeço à Universidade Federal do Rio de Janeiro pelo curso e pela educação.
7
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval.
Avaliação de danos em linhas flexíveis
Uma visão prática
Nicholas Bleasby Bendia
Janeiro/2019
Orientadora: Marta Cecília Tapia Reyes.
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
Em cima do conhecimento adquirido no mercado de dutos flexíveis no Brasil, do
conhecimento técnico e dos requerimentos de qualificação costumeiramente desejados pelos
clientes, pretendo através deste projeto demonstrar a realidade a que o duto flexível é
submetido, seja no manuseio ou seja em operação e desta forma reduzir o espaço entre
conhecimento teórico e prático. Para isso, relacionarei os danos e falhas mais recorrentes aos
dutos flexíveis, com as qualificações requisitadas pelas operadoras e por fim, irei propor
soluções práticas aos problemas.
Palavras – chave: Linhas flexíveis, dutos flexíveis, API, danos, modos de falha, soluções
práticas.
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Sumário
1 Introdução ......................................................................................................................... 13
1.1 Motivação .................................................................................................................. 14
1.2 Objetivo ..................................................................................................................... 15
1.3 Estrutura do projeto ................................................................................................... 15
2 Duto flexível ..................................................................................................................... 17
2.1 Introdução .................................................................................................................. 17
2.2 Corpo tubular ............................................................................................................. 20
2.2.1 Bore .................................................................................................................... 22
2.2.2 Barreira de pressão ............................................................................................. 23
2.2.3 Armadura de pressão .......................................................................................... 23
2.2.4 Armadura de tração ............................................................................................ 24
2.2.5 Fitas anti-atrito .................................................................................................... 24
2.2.6 Fitas de alta resistência ....................................................................................... 24
2.2.7 Fitas de fabricação .............................................................................................. 25
2.2.8 Isolante térmico .................................................................................................. 25
2.2.9 Anular ................................................................................................................. 25
2.3 Acessórios .................................................................................................................. 26
2.3.1 Conector ............................................................................................................. 26
2.3.2 Enrijecedor.......................................................................................................... 28
2.3.3 Restritor de curvatura ......................................................................................... 29
2.3.4 Colar de ânodo .................................................................................................... 29
3 API .................................................................................................................................... 31
3.1 Introdução .................................................................................................................. 31
3.2 API 17J e 17B ............................................................................................................ 31
3.3 Escolha do material .................................................................................................... 32
3.4 Fabricação .................................................................................................................. 34
3.5 Instalação ................................................................................................................... 36
3.6 Testes ......................................................................................................................... 39
3.7 Modos de falha ........................................................................................................... 39
4 Danos, modos de falha e soluções práticas....................................................................... 41
4.1 Dano na capa externa ................................................................................................. 42
4.1.1 Fabricação ........................................................................................................... 43
9
4.1.2 Manuseio ............................................................................................................ 43
4.1.3 Operação ............................................................................................................. 45
4.1.4 Soluções práticas ................................................................................................ 47
4.1.5 Recomendações API 17J e API 17B .................................................................. 49
4.2 Modos de falha ........................................................................................................... 50
4.2.1 Colapso ............................................................................................................... 50
4.2.2 Explosão ............................................................................................................. 54
4.2.3 Tração ................................................................................................................. 57
4.2.4 Torção ................................................................................................................. 60
4.2.5 Compressão ........................................................................................................ 61
4.2.6 Curvatura excessiva (Overbending) ................................................................... 63
4.2.7 Fadiga ................................................................................................................. 66
4.2.8 Erosão ................................................................................................................. 70
4.2.9 Corrosão ............................................................................................................. 73
5 Conclusões ........................................................................................................................ 77
6 Bibliografia ....................................................................................................................... 79
10
Lista de Figuras
Figura 1-1: Estrutura do PLUTO. ............................................................................................. 14
Figura 1-2: Tipos de falha ocorrido no PLUTO. A esquerda uma torção acentuada e a direita
um colapso da estrutura. (Fonte: Curso de Extensão Dutos Flexíveis e Umbilicais(Petrobras))
.................................................................................................................................................. 14
Figura 2-1: Ilustração das aplicações de dutos flexíveis. ......................................................... 18
Figura 2-2: Exemplificação da diferença entre riser, flowline e jumper. (Fonte: Cavati, 2012)
.................................................................................................................................................. 19
Figura 2-3: Representação clássica do corpo tubular de um duto flexível e suas camadas (Fonte:
Fergestad (2014)). ..................................................................................................................... 21
Figura 2-4: Exemplo de perfil da carcaça (Fonte: Graham, 2012) ........................................... 22
Figura 2-5: Perfil zeta da armadura de pressão. (Fonte: API 17B) .......................................... 23
Figura 2-6 – Corte transversal das camadas de um tubo flexível tradicional e suas camadas.
(Fonte: API 17B) ...................................................................................................................... 25
Figura 2-7 - Exemplo do anular das armaduras localizado entre duas camadas poliméricas
estanques. (Fonte: Fergestad, 2014) ......................................................................................... 26
Figura 2-8 – Exemplo de uma interface interna de um conector. Barrier seal é o cravamento da
camada polimérica. (Fonte:
http://offshoremechanics.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2674734) .... 27
Figura 2-9 – Configuração com I-Tube. ................................................................................... 28
Figura 2-10 - Restritor de curvatura localizado na extremidade final da linha flexível. ......... 29
Figura 3-1 - Equipamento de fabricação da carcaça. (Fonte: Bartell Machinery) ................... 34
Figura 3-2 - Processo de extrusão da barreira de pressão (Fonte: Galardo, 2016). .................. 35
Figura 3-3 - Equipamento de fabricação da armadura de pressão. (Fonte: Bartell Machinery)
.................................................................................................................................................. 35
Figura 3-4 - Equipamento de fabricação da armadura de tração. (Fonte: Bartell Machinery) . 36
Figura 3-5 - Navio de lançamento de linhas flexíveis (PLSV) (Fonte: 4subsea, 2014b) ......... 37
Figura 4-1 - Esquema da permeação dos gases dentro do duto flexível.(Fonte: API 17J) ....... 42
Figura 4-2 - Exemplo de dano na capa externa na "mesa de trabalho" (Fonte: Shell Projects and
Technology “16-12-10 KIvI lecture”). ..................................................................................... 44
Figura 4-3 - Exemplo do contato entre tencionar e duto flexível em um lançamento. (Fonte:
https://www.lucgroup.com/fr/node/34) .................................................................................... 45
Figura 4-4 - Dano causado pelo contato do duto com a plataforma (Fonte: Carneval., 2006) 46
Figura 4-5 - Dano causado pelo contato do enrijecedor de curvatura com o duto.
(Fonte:Carneval., 2006) ............................................................................................................ 46
Figura 4-6 - Exemplo de reparo feito na capa externa. (Fonte: Nordsve, 2007) ...................... 48
Figura 4-7 - Carcaça colapsada. (Fonte: Muren J., 2007) ........................................................ 51
Figura 4-8 - Exemplo do sistema submarino. Choke valves existentes fecham o sistema. (Fonte:
http://code-15512008.blogspot.com/2016/01/pipeline-ending-manifold-plemplet.html) ........ 52
Figura 4-9 - Fatores de utilização para cada cenário a ser considerado. (Fonte: API 17J) ...... 53
Figura 4-10 - Soluções para o colapso. (Fonte: API 17B)........................................................ 53
Figura 4-11 - Ilustração da tensão circunferencial. .................................................................. 54
Figura 4-12 - Canal de ligação a válvula de alívio entupida. (Fonte (Hans, 2010))................. 55
11
Figura 4-13 - Explosão da capa externa. (Fonte: (Muren, 2007)) ............................................ 56
Figura 4-14 - Exemplo de ruptura total da estrutura do duto flexível devido a tração. (Fonte:
(Fachini, 2014)) ........................................................................................................................ 58
Figura 4-15 - Critério para o fator de utilização da armadura de tração. (Fonte: API 17J) ...... 59
Figura 4-16 - Solução para falhas por tração. (Fonte: API 17B) .............................................. 59
Figura 4-17 - Torção ocorrendo durante o manuseio onshore do duto flexível. (Fonte: (Longva,
2015)) ....................................................................................................................................... 60
Figura 4-18 - Soluções para a torção. (Fonte: API 17J) ........................................................... 61
Figura 4-19 - Exemplo de "gaiola de passarinho" na armadura de tração devido a compressão.
(Fonte: (Fachini, 2014)) ............................................................................................................ 62
Figura 4-20 - Soluções para compressão. (Fonte: API 17B) .................................................... 63
Figura 4-21 - Exemplo de momento onde o MBR deve ser respeitado, durante a estocagem em
uma bobina. (Fonte: (Muren, 2007)) ........................................................................................ 64
Figura 4-22 - Soluções para curvatura excessiva. (Fonte: API 17B) ....................................... 66
Figura 4-23 – Exemplo do estudo numérico da tensão na fase de projeto da carcaça. (Fonte:
(Muren, 2007)) ......................................................................................................................... 67
Figura 4-24 - Comportamento da vida útil do duto flexível original e após o alagamento do
anular. (Fonte: 2hoffshore.com) ............................................................................................... 68
Figura 4-25 - Exemplo de falha por fadiga, acentuada após corrosão das armaduras. (Fonte:
2hoffshore.com) ........................................................................................................................ 68
Figura 4-26 – Soluções para a fadiga. (Fonte: API 17B) ......................................................... 70
Figura 4-27 – Carcaça com erosão. (Fonte: (Hans, 2010)) ...................................................... 70
Figura 4-28 - Formação de hidrato no bore. (Fonte: (Hans, 2010)) ......................................... 71
Figura 4-29 - Solução inovadora para o isolamento térmico onde além da camada tradicional
(em branco abaixo da capa externa) existe um aquecimento elétrico através dos cabos em
vermelho. (Fonte: https://www.spe.org/en/jpt/jpt-article-detail/?art=2246) ............................ 72
Figura 4-30 – Soluções para erosão. (Fonte: API 17B) ............................................................ 72
Figura 4-31 - Corrosão com origem em um dano na capa externa. (Fonte: Integrity management
and operational experiences of flexible risers – Statoil, Stavenger (2013)) ............................ 74
Figura 4-32 - Corrosão nos fios da armadura de tração. (Fonte: Integrity management and
operational experiences of flexible risers – Statoil, Stavenger (2013)) ................................... 74
Figura 4-33 – Soluções para corrosão. (Fonte: API 17B) ........................................................ 76
12
13
1 Introdução
A indústria do petróleo no Brasil é quase integralmente baseada na exploração offshore, ou
seja, no mar. O país possui diversas jazidas de petróleo em grandes profundidades, tais como
os poços do pré-sal. Para a recuperação desse óleo do fundo do mar são perfurados poços a
mais de 3.000 metros de profundidade e necessários equipamentos que suportem as mais
diversas condições submarinas (Morais, 2013).
Com reservas comprovadas de até 16 bilhões de barris, o pré-sal poderá representar cerca
de 30% da produção da Petrobras em 2020. A petrolífera brasileira possui um dos maiores
planos de investimento do mundo, totalizando US$ 236,5 bilhões entre 2012 e 2016.
As condições severas de operação no ambiente submarino movimentaram, ao longo dos
anos, extensas pesquisas e desenvolvimento de novas tecnologias a fim de tornar viável a
exploração offshore. Um dos principais avanços tecnológicos foi o desenvolvimento de dutos
flexíveis que são capazes de suportar condições externas extremas (Morais, 2013).
A utilização de dutos flexíveis modificou a indústria de exploração de óleo e gás. Apesar
dos preços elevados em relação aos rígidos, foram esses tubos que possibilitaram a exploração
em águas profundas (Morais, 2013).
O primeiro conceito de duto flexível foi desenvolvido durante a Segunda Guerra Mundial,
chamado PLUTO (Pipeline Under The Ocean). Ele possuía um tubo interno de chumbo de 3"
diâmetro, duas camadas de fita de papel, uma camada de algodão com betume, 4 camadas de
fita de aço maleável, uma camada intermediária de juta, armaduras de arames de aço e uma
camada externa de juta (diâmetro externo 4.5”), todos materiais de fácil acesso durante a guerra.
Ao total foram instalados cerca de 780 milhas de linha a uma velocidade de 9 km/h (hoje em
dia a indústria instala tubos offshore a uma velocidade de aproximadamente 0,3 km/h). Desde
o PLUTO até hoje, o duto flexível demonstra características específicas de falhas, como
podemos verificar na Figura 1-2.
14
Figura 1-1: Estrutura do PLUTO.
Figura 1-2: Tipos de falha ocorrido no PLUTO. A esquerda uma torção acentuada e a direita um colapso da estrutura.
(Fonte: Curso de Extensão Dutos Flexíveis e Umbilicais(Petrobras))
Dado o cenário adverso a que os dutos flexíveis estão expostos, o risco de diversos tipos
de eventos (danos e defeitos) ocorrerem ao longo de sua vida é significante. Assim, as grandes
empresas de óleo e gás utilizam classificadoras/qualificadoras afim de garantir que o produto a
ser comprado tenha a qualidade comprovada e se resguardar da integridade do mesmo.
1.1 Motivação
Como citado acima, o cenário de exploração brasileiro é cada vez maior em direção as águas
profundas. Assim, o foco em dutos flexíveis também cresce. Sua capacidade de suportar as
15
condições extremas aliado à sua versatilidade de poder ser reaproveitado, o tornam um produto
muito atrativo no mercado de óleo e gás.
Com condições tão adversas, o duto inevitavelmente sofrerá danos e defeitos
característicos que se tornam de importante conhecimento para o funcionamento do sistema
submarino do óleo e gás. Conhecer os elementos do duto e os eventos e situações ao qual ele é
exposto em sua vida útil nos possibilita associar e entender melhor o porquê os danos acontecem
e, assim, tomar decisões de reparo e mitigação, além do desenvolvimento de melhorias.
A obrigação com a segurança do meio ambiente, e claro com a produtividade ininterrupta
de um poço torna a condição do duto flexível um ponto de grande interesse aos operadores.
Assim, o maior conhecimento da realidade do duto é de suma importância.
1.2 Objetivo
Em cima do conhecimento adquirido no mercado de dutos flexíveis no Brasil, do
conhecimento técnico e dos requerimentos de qualificação costumeiramente desejados pelos
clientes, pretendo através deste projeto demonstrar a realidade a que o duto flexível é
submetido, seja no manuseio ou seja em operação e desta forma reduzir o espaço entre
conhecimento teórico e prático. Para isso, relacionarei os danos e falhas mais recorrentes aos
dutos flexíveis, com as qualificações requisitadas pelas operadoras e por fim, irei propor
soluções práticas aos problemas.
1.3 Estrutura do projeto
A estrutura do projeto será:
• Apresentação do conceito e dos elementos estruturais que formam um duto flexível
(Seção 2);
• Apresentação da qualificação API 17J e 17B, responsável por grande parte das
operadoras como qualificadora e que será utilizada como referência ao longo deste
projeto (Seção 3);
• Apresentação dos tipos principais e mais comuns de eventos e danos que um duto
flexível pode sofrer.
16
• Proposição de soluções práticas para os problemas relatados (Seção 4);
• Os eventos serão relacionados com os requisitos da qualificação API que
justamente existem para garantir a integridade do duto flexível (Seção 4)
• Conclusão do projeto elucidando a situação real do duto flexível com a viabilidade
das soluções propostas (Seção 5).
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2 Duto flexível
2.1 Introdução
Os primeiros relatos do uso de dutos para transporte de óleo cru datam de 1859 nos Estados
Unidos. Com o passar dos anos, o transporte dutoviário de óleo e gás se mostrou como sendo o
meio mais eficiente, confiável e barato (Guo, Song, Chacko, & Ghalambor, 2005).
Após a guerra, na década de 50 o IFP (Instituto Frances de Petróleo) com apoio do governo
russo iniciou a utilização do antecessor dos atuais dutos flexíveis (flexdrill), no apoio a
perfuração de campos de petróleo da Rússia. Posteriormente o custo e alguns desafios
mecânicos se mostraram intransponíveis, o foco do desenvolvimento foi redirecionado para
aplicações de dutos flexíveis offshore (Fachini, 2014).
A primeira aplicação de patente intitulada “Transporte Submarino de Fluidos através de
Tubo Flexível” foi registrada em 1961. Em 1972 o IFP fundou a Companhia Coflexip para
comercializar a tecnologia com foco no desenvolvimento de dutos flexíveis na indústria do
petróleo. A primeira instalação industrial foi em 1973 (Fachini, 2014).
As aplicações mais comuns para o duto flexível no sistema submarino são:
• Produção/exportação de óleo: a linha responsável pelo transporte do óleo entre o
poço e a plataforma de produção ou entre unidades flutuantes.
• Injeção de água: a linha responsável pela injeção de água no poço com o objetivo
de controlar a pressão no poço, mantendo o fluxo desejado de saída do óleo.
• Injeção de gás: linha também utilizada no controle da pressão do poço, mas através
da injeção de gás.
• Gas-lift: a linha responsável pela injeção de gás tratado no fluxo de saída de óleo
do poço, melhorando as características do fluido, facilitando o seu transporte até a
unidade de produção.
• Umbilical: linha com finalidade interligar sistemas de controle entre poços ou
manifolds de produção/injeção e plataformas de produção.
18
Figura 2-1: Ilustração das aplicações de dutos flexíveis.
O duto flexível tem a estrutura tubular, feita pela disposição concêntrica de várias camadas
de diferentes materiais metálicos e poliméricos, que é usado em larga escala no escoamento de
hidrocarbonetos e água em ambiente oceânico. Suas camadas não são coladas umas nas outras,
sendo assim um tubo unbonded, o que possibilita o movimento relativo entre elas e a
flexibilidade do duto.
O duto flexível pode ser dividido entre aplicação estática e dinâmica, o que não significa
que o mesmo tipo de duto não possa ser utilizado para ambos os casos, como veremos a seguir:
• Risers: São os dutos suspensos que conectam a unidade de produção com equipamentos
submarinos ou com a seção da linha em repouso no leito marinho. Como sua atuação
está envolta pelo contínuo movimento do mar e da própria plataforma, dizemos que esse
tipo de duto tem a aplicação dinâmica. Antes em menor tamanho, os risers aumentam
cada vez mais de comprimento com a exploração em águas cada vez mais profundas.
• Flowlines: São os dutos submarinos que ficam apoiados, teoricamente em repouso, no
leito marinho. Desta forma, não possuem um comportamento característico cíclico, e
assim, podemos dizer que ele tem a aplicação estática. Este tipo de linha costuma fazer
a ligação entre o poço e o manifold ou entre o poço e o riser.
• Jumpers: São pequenos trechos de dutos flexíveis usados tanto para aplicações estáticas
como para aplicações dinâmicas.
19
Figura 2-2: Exemplificação da diferença entre riser, flowline e jumper. (Fonte: Cavati, 2012)
Outros parâmetros importantes para o design do duto flexível são os parâmetros
operacionais que incluem, basicamente, a definição da capacidade do sistema em conduzir uma
certa quantidade de fluido em uma determinada faixa de temperatura e as condições de serviço
e manutenção do sistema. Além disso, os requerimentos funcionais incluem uma avaliação de
segurança e acessos para inspeção. A base para um projeto é conhecer os parâmetros
operacionais, como: o volume transportado, a composição, a temperatura e a pressão do fluido
Sabe-se que as condições no ambiente marítimo sofrem variações de lugar para lugar.
Todas essas variações externas e de parâmetros de projeto exigem um estudo prévio de diversos
fatores para o desenvolvimento e escolha da tubulação que será utilizada para aquele específico
local e aplicação. Entre os fatores deverão ser analisados estão (Guo, Song, Chacko, &
Ghalambor, 2005).
• Performances do reservatório: Deve ser levado em consideração o comportamento do
reservatório durante toda a vida útil do campo. A vazão dos fluidos irá variar ao longo
desse tempo, ocasionando diferentes comportamentos dos fluidos dentro das tubulações.
A pressão, temperatura e formação geológica do reservatório também interferem na
construção e operação dos dutos. Uma das mais importantes análises a ser realizada para
o dimensionamento dos dutos é o perfil de produção. A partir desse dado é possível
estimar as vazões de óleo, gás e água ao longo dos anos e com isso, pode-se desenvolver
uma tubulação que trabalhe próxima da capacidade máxima mas que também tenha uma
operação fácil durante toda a vida útil do campo.
• Composição do fluido e da água: A presença de compostos contaminantes no petróleo,
como gás sulfídrico e dióxido de carbono podem provocar variados tipos de corrosão.
Por esse motivo, inibidores de corrosão ou materiais resistentes a corrosão devem ser
incluídos no design da tubulação. A água do mar também é um composto extremamente
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corrosivo e deve ter seu comportamento estudado e considerado durante o
desenvolvimento da tubulação.
• Propriedades PVT do fluido (pressão, volume, temperatura): Uma tubulação deve ser
desenvolvida para operar para uma certa vazão a uma específica perda de carga, por
esse motivo as propriedades de pressão, volume e temperatura são de grande
importância para o dimensionamento desses dutos. A vazão e o comportamento do
fluido estão completamente ligados as características desse fluido, como densidade e
viscosidade. Logo, é necessária a caracterização das propriedades do fluido para que se
possa prever esse comportamento e assim dimensionar os dutos. Para que a
caracterização do fluido seja válida para toda a extensão da vazão de operação, é
necessário coletar os dados nas condições do reservatório e nas condições da saída da
tubulação. As características do fluido são usadas para prever os parâmetros PVT em
diferentes temperaturas e pressões e com isso, calcular as perdas de carga do sistema.
• Concentração de areia: A presença de areia nos dutos pode ocasionar diversos
problemas. Aumenta a erosão nas tubulações, pode provocar o depósito nas paredes
caso a velocidade não seja alta o suficiente bloqueando assim o fluxo dos fluidos e pode
com isso, diminuir a eficiência de compostos químicos presentes.
• Dados meteorológicos e oceanográficos: O desenvolvimento de dutos requer um estudo
das correntes marítimas e ondas presentes no local de operação, pois esses fatores
interferem bastante na estabilidade dessas tubulações. Entre os esforços mecânicos
gerados pelos movimentos marítimos cujos dutos estão submetidos, estão: tração,
compressão e fadiga.
Por fim, a instalação do duto flexível também impacta no projeto do mesmo pois
dependendo do navio, tipo de lançamento, layout do campo e da unidade flutuante de produção,
o duto flexível pode necessitar de características específicas como comprimento da seção
restrito ou acessórios específicos.
2.2 Corpo tubular
Nesta seção serão apresentados os elementos que compõe o corpo do duto flexível. Pela
própria definição de um flexível, o corpo tubular possui uma elevada rigidez axial, radial e
torcional e uma baixa rigidez flexional.
Desta forma, uma característica importante para a compreensão de possíveis falhas do duto
flexível, como veremos mais adiante no projeto, é a do raio de curvatura mínimo (minimum
bending radius – MBR). Com uma baixa rigidez flexional, o corpo do duto flexível pode sofrer
uma elevada flexão desde que esta respeite o MBR de projeto do duto. Este é um fator
importante nos momentos de maior flexão do corpo do duto flexível, como por exemplo o
21
empacotamento na bobina, a passagem pela roda no topo da torre de lançamento e no ponto de
contato entre o riser e o solo submarino (touchdown point - TDP).
Como podemos imaginar, o corpo tubular do duto flexível é formado por diversas camadas
poliméricas e metálicas circulares concêntricas. Além destas camadas, ainda é possível
encontrar fitas e elementos de isolamento térmico dentro do corpo tubular.
Um dos conceitos básicos de um duto flexível é que cada camada do corpo tubular tem uma
função. Como elas não são coladas e são independentes entre si, é possível projetar cada camada
com um único propósito principal. Este é um conceito atual no design de dutos flexíveis que
será discutido mais à frente neste trabalho pois o conceito do futuro de dutos flexíveis poderá
ser diferente.
A seguir as possíveis camadas do corpo tubular de um flexível serão descritas. Para facilitar
a compreensão, as camadas serão apresentadas na ordem das mais internas (com menor
diâmetro externo) para as mais externas.
Figura 2-3: Representação clássica do corpo tubular de um duto flexível e suas camadas (Fonte: Fergestad (2014)).
22
2.2.1 Bore
O bore é a camada mais interna do duto flexível e assim está em direto contato com o fluido
transportado. O bore pode ser de dois tipos:
• Rough bore: Duto com parede interna metálica rugosa, chamada de carcaça,
aplicados a fluidos que apresentam gás, na produção e exportação de óleo, injeção,
produção e exportação de gás. Tem a geometria aproximada de uma espiral,
entretanto o perfil da sua seção transversal é característico para que as espiras
possam se movimentar, garantindo a flexibilidade da camada. Por ser uma camada
metálica formada por espiras, esta camada não é estanque.
Sua principal função é garantir resistência ao colapso da camada polimérica de
pressão. A pressão sofrida pode ser externa, em caso de dano da camada externa,
ou interna decorrente do acumulo de pressão no anular devido à difusão dos gases.
Além disso, a carcaça aumenta a resistência da tubulação durante os processos de
manuseio e instalação devido a sua função estrutural de resistência às cargas radiais.
Esses esforços são originados pela armadura de tração, quando o duto é submetido
a esforços de tração provenientes de equipamentos auxiliares, quando montados no
duto, ou dos tensionadores durante a instalação (Dolinski, 2009).
Figura 2-4: Exemplo de perfil da carcaça (Fonte: Graham, 2012)
• Smooth bore: Duto com parede interna lisa, envolvendo transporte de fluidos sem
gás (injeção de água). Feito com material polimérico, a camada garante a
23
estanqueidade do fluido que transporta assim como a flexibilidade característica de
materiais poliméricos.
Por ser uma camada polimérica, apresenta baixa resistência a forças radiais, ou seja,
diferenciais de pressão (pressão interna de operação do fluido e externa
hidrostática) inesperados podem deformar e danificar a camada. Assim, a armadura
de pressão, que será melhor explicada em breve neste projeto, tem o papel crucial
de ser a camada que sustentará o diferencial de pressão radial.
2.2.2 Barreira de pressão
Camada termoplástica utilizada tanto em estruturas rough bore quanto em estruturas smooth
bore, no segundo caso essa camada denomina-se anti-collapso. No primeiro caso, sua aplicação
é feita por extrusão sobre a carcaça e, no segundo caso, extrusão em forma de tubo plástico
sobre a armadura de pressão. Suas principais funções são garantir a estanqueidade do duto no
caso de rough bore e transmitir os esforços de pressão interna para a armadura de pressão e de
tração no caso smooth bore (Dolinski, 2009).
2.2.3 Armadura de pressão
Camada metálica de aço carbono conformada, em espiral e intertravada (garantindo a
movimentação das espiras e a flexibilidade da camada) que pode apresentar perfil Zeta, Teta e
Psi ou uma combinação desses perfis. Para utilização em dutos submarinos o perfil mais
utilizado é o Zeta pois apresenta menor custo de fabricação em relação aos demais perfis que,
dependendo das condições de resistência necessárias, podem ser requeridos no projeto
(Dolinski, 2009).
Figura 2-5: Perfil zeta da armadura de pressão. (Fonte: API 17B)
24
Suas principais funções são auxiliar nos esforços compressivos, resistir ao colapso devido
aos esforços radiais provocados pela pressão interna, pela armadura de tração quando o duto é
tensionado na instalação, por equipamentos auxiliares montados no flexível e prover resistência
adicional à carcaça quando há exposição a pressão externa devido a danos na capa externa
(Dolinski, 2009).
2.2.4 Armadura de tração
Camadas metálicas de aço carbono fabricadas em pares e aplicadas na forma helicoidal ao
longo do comprimento do duto flexível, após a armadura de pressão. Diferente da carcaça e da
armadura de pressão, nessa camada o material não precisa ser conformado em um perfil
especifico, são utilizados fios chatos.
Essas camadas possuem um ângulo de hélice e sua principal função é resistir a cargas de
tração e em segundo plano a pressão interna. O ângulo utilizado depende da aplicação do duto,
em geral, grandes ângulos de hélice levam a um aumento na capacidade de pressão interna,
enquanto pequenos ângulos conferem maior resistência às cargas de tração.
Para balancear o efeito de torção, as armaduras são fabricadas com ângulos opostos dentro
do par, esse ângulo tem como referencial o eixo longitudinal do duto (Dolinski, 2009).
2.2.5 Fitas anti-atrito
São fitas posicionadas entre as camadas metálicas em seções dinâmicas da linha (risers e
jumpers dinâmicos) evitando o atrito que ocorre entre elas, seja na movimentação devido as
forças hidrodinâmicas e da unidade de produção, seja pela ciclagem de compressão e
descompressão que movimenta as camadas internamente.
2.2.6 Fitas de alta resistência
Aplicadas com o objetivo de manter as armaduras de tração em sua posição e resistir à
compressão axial durante a operação, característica que a armadura de pressão não possui e que
caso seja exposta, sofrerá um dano característico como veremos mais adiante.
25
2.2.7 Fitas de fabricação
Sem nenhuma função estrutural, são fitas utilizadas para manter as armaduras no local
adequado durante o processo contínuo de fabricação, evitando a desorganização o que levaria
ao retrabalho e descarte da linha fabricada.
2.2.8 Isolante térmico
Aplicados a fim de manter a temperatura do fluido interno e evitar a formação de hidratos,
por exemplo no transporte de óleo cru, que iriam obstruir a tubulação. Para o controle da
transferência de calor entre o fluido interno e a parede do duto são aplicadas camadas isolantes
entre a armadura de tração e a capa externa. Os materiais utilizados são fitas poliméricas
(GLEJBOL, 2003). Importante ressaltar a relevância desta camada em águas profundas, e
baixas temperaturas externas, assim como no aumento substancial do diâmetro externo do tubo
flexível.
Figura 2-6 – Corte transversal das camadas de um tubo flexível tradicional e suas camadas. (Fonte: API 17B)
2.2.9 Anular
Característica importante no duto flexível é o espaço entre duas camadas poliméricas
estanques, onde são posicionadas as armaduras metálicas. Este espaço é chamado de anular das
26
armaduras, que preenchem cerca de 90% do espaço junto com as fitas. Em condições perfeitas,
o restante do espaço no anular é preenchido por ar e óleo lubrificante, mantendo o ambiente
ideal para o aço das armaduras. Como veremos mais adiante, ao longo da vida útil do duto, é
esperado que este ambiente no anular seja alterado e passe a ser adverso para as armaduras. O
controle deste anular tem importância crítica na manutenção da integridade do duto flexível.
Figura 2-7 - Exemplo do anular das armaduras localizado entre duas camadas poliméricas estanques. (Fonte: Fergestad,
2014)
2.3 Acessórios
O corpo tubular não é o único elemento formador do duto flexível. Como já vimos, o duto
flexível é separado entre várias seções de risers e flowlines, conectadas entre si. As
extremidades da linha, conectada a unidade de produção e a árvore de natal, podem sofrer
curvaturas acentuadas que podem danificar a estrutura ultrapassando o MBR. As partes
metálicas expostas na linha podem sofrer oxidação no meio marítimo. Para cada um desses
casos existe um acessório específico, anexado no corpo tubular, provendo soluções aos
problemas levantados.
2.3.1 Conector
Como vimos, o duto flexível é separado em diversas seções ao longo do seu extenso
comprimento. Para ligar estas seções é necessário um acessório bem específico chamado de
27
conector. Assim, cada extremidade possui um conector e a interface entre dois conectores é
onde fica localizada a reação a tração da carga (peso próprio) do duto flexível. Deste modo, o
conector deve ser extremamente confiável e para isso, os seus flanges tendem a ser modelados
por regra, como por exemplo a API 17J, afim de garantir a qualidade para os clientes. O resto
do corpo do conector é de design do fabricante, adequado as características do corpo tubular
dentro do conector e as funcionalidades desejadas.
Dentre os pontos de maior interesse no conector, com relação a integridade do duto flexível,
temos as regiões de cravamento e as válvulas de alívio.
• Região do cravamento: Dentro do corpo do conector, existem sistemas de
cravamento das camadas poliméricas através do esmagamento da mesma pela
pressão de contato. Através do aperto fornecido por um parafuso no corpo do
conector, a camada polimérica é esmagada de forma que torna a interface entre a
camada acima e abaixo dela (cunha), estanques. Esta estanqueidade é testada por
meio de injeção de gases em canais de teste e medição da pressão resultante no
canal. Caso o cravamento não seja garantido, o fluido pode passar do bore para o
anular ou do meio externo para o anular, ambos indesejáveis.
Figura 2-8 – Exemplo de uma interface interna de um conector. Barrier seal é o cravamento da camada
polimérica. (Fonte:
http://offshoremechanics.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2674734)
• Válvulas de alívio: Presentes nos conectores, as válvulas de alívio são conectadas
aos canais de ligação com o anular das armaduras. Estas válvulas são projetadas de
modo a operar, abrindo a passagem, quando existe um diferencial de pressão onde
a pressão interna é maior que a externa, aliviando assim a pressão excessiva
existente no anular. Como veremos mais adiante, esta válvula é de suma
importância para manter a integridade do duto flexível, evitando danos e falhas
maiores e até mesmo risco aos operadores no recolhimento de uma linha.
28
2.3.2 Enrijecedor
As extremidades das seções dinâmicas (risers) de uma linha flexível tendem a criar uma
curvatura excessiva entre o corpo tubular (flexível) e o conector (rígido). Esta curvatura pode
danificar seriamente o duto flexível nessa região de transição entre rígido-flexível. Assim, de
modo a controlar essa transição de forma segura para a estrutura, é anexado um acessório
chamado enrijecedor na região de transição.
O enrijecedor tem a forma de um cone e é feito de material polimérico. Seu posicionamento
exato depende da unidade de produção, podendo ser ligado no conector ou a alguma distância
como o caso de unidades de produção com I-tube. Esta distância é importante para separar os
pontos de tração (flange do conector) e flexão da linha (extremidade do enrijecedor) pois
quando estão próximos, este torna-se um ponto crítico de possível falha na linha devido aos
esforços localizados.
Figura 2-9 – Configuração com I-Tube.
O tamanho do enrijecedor depende da rigidez na região de transição previamente explicada.
No topo, conexão entre linha e unidade de produção, o conector encontra-se fixo. Assim, a
transição entre este acessório rígido fixo e o tubo flexível móvel é crítico e o enrijecedor na
região de topo é o maior e obrigatório. Caso existam mais de uma seção de riser (riser
intermediário e de fundo), fato comum em casos de águas profundas, existiram conectores em
regiões dinâmicas nas linhas. Como o próprio conector, nesses casos, não é fixo, o enrijecedor
precisa apenas controlar a transição relativa no movimento entre o conector rígido e o duto
29
flexível e assim possuí uma dimensão bem menor que o enrijecedor de topo. Seções estáticas,
como os flowlines, não possuem enrijecedores pois não existe movimentação esperada entre o
conector e o duto flexível.
2.3.3 Restritor de curvatura
Em regiões onde a curvatura da linha será exigida, de forma estática, é utilizado um
acessório chamado de restritor de curvatura ou vértebra.
Na extremidade final da linha flexível está a conexão com a árvore de natal. Está conexão
é feita com um equipamento que é lançado conectado na extremidade da linha e instalado pelo
ROV na árvore de natal localizada na cabeça do poço. A conexão entre esse equipamento e a
linha flexível não é feita de forma horizontal e sim praticamente vertical. Assim, o flowline que
por quase todo seu comprimento encontra-se estático, no leito marinho, sofre uma curvatura
acentuada elevando-o e depois rebaixando na região do conector para a ligação com o
equipamento, chamado de MCV.
Figura 2-10 - Restritor de curvatura localizado na extremidade final da linha flexível.
2.3.4 Colar de ânodo
O conector tem seu corpo feito por materiais metálicos. Submerso no meio marítimo, é de
se esperar que o mesmo sofra oxidação. Para evitar este fenômeno que colocaria em risco a
integridade do conector, são utilizados colares de anodo presos a linha, próximo ao conector e
conectados através de um cabo. O volume ou massa do ânodo deve ser o maior possível de
30
forma que a corrosão ocorrerá no colar e não no conector. Importante ressaltar que, caso a
armadura de tração fique exposta, por conta de um dano na camada polimérica externa, o anodo
não realizará a proteção contra a corrosão da armadura, uma vez que não foi dimensionado para
tal.
31
3 API
3.1 Introdução
Criada em 1919, a American Petroleum Institute (API) é uma das maiores associações
representantes da indústria de óleo e gás seja em exploração, produção, refinamento, marketing,
tubulação e negócios marítimos.
Os equipamentos utilizados na indústria de óleo e gás são dos mais avançados
tecnologicamente e de alto valor no mercado. Estes equipamentos devem ser capazes de operar
de forma segura ao meio ambiente e aos operadores e manter o alto nível de performance
requerido em um mercado que gera valores tão altos como este. De forma a garantir estes
requisitos, as companhias de óleo e gás buscam produtos certificados e qualificados. Para o
mercado de dutos flexíveis, a qualificação mais utilizada é a da API.
3.2 API 17J e 17B
As certificações mais utilizadas da API relativa aos dutos flexíveis são a (API17J, 2014) e
(API17B, 2002).
A API 17J define requerimentos técnicos para dutos flexíveis seguros, funcionais e com
dimensões e critérios padronizados. Os requerimentos mínimos são especificados para o design,
escolha do material, fabricação, testes, marcações, e empacotamento dos dutos flexíveis. A
API17J é aplicável para dutos flexíveis com corpo tubular (somente se as armaduras de tração
e pressão forem metálicas) e conectores em ambas extremidades (além dos acessórios
adicionais). Todas as aplicações, estáticas ou dinâmicas, de produção, injeção e exportação são
endereçadas nesta certificação.
A API 17B define as diretrizes gerais recomendáveis para a prática de dutos flexíveis com
relação ao design, análises, fabricações, testes, instalação e operação offshore, onshore e em
aplicações marítimas. A API 17B serve como suplemento a API 17J.
É importante salientar que, apesar de desejável, a certificação por terceiros é uma opção da
empresa que comprará os produtos/serviços. Assim, a empresa pode escolher em que itens
seguir as recomendações de terceiros e em que itens seguir suas próprias convicções adquiridas
32
na experiência, algo comum de acontecer. A certificação não atua como uma regra pois estas
são definidas por institutos governamentais e não privadas.
Assim, as etapas de aplicação da qualificação API podem ser separadas em:
• Escolha do material;
• Fabricação;
• Instalação;
• Testes;
3.3 Escolha do material
Os materiais utilizados na construção dos tubos flexíveis devem sempre ser escolhidos de
modo que atendam todas as especificações exigidas já citadas nesse trabalho e que tenham sido
testadas para comprovar essa eficiência. Além disso, todos os materiais usados incluindo fitas
e lubrificantes devem ser compatíveis com a água do mar e permeáveis em relação a gases e
líquidos na temperatura de operação.
O fabricante deve se certificar que todos os lubrificantes e inibidores de corrosão sejam
compatíveis com os outros materiais utilizados na estrutura do duto. Todos os materiais e
camadas devem ser analisadas em relação aos potenciais modos de falha, que serão discutidos
mais adiante, e assim só utilizar materiais que suportem essas situações críticas.
Como já foi citado, o duto flexível é formado por uma série de camadas poliméricas e
metálicas. Cada camada polimérica apresenta uma função e por esse motivo é necessário o uso
de diferentes tipos de polímeros em cada uma (Tabela 3-1). Temperatura de operação e
compatibilidade do fluido são algumas das características que definem a utilização do polímero.
Tabela 3-1 - Polímeros tipicos utilizados nos dutos flexíveis (API 17B).
Camada Material
Barreira de pressão interna HDPE, XLPE, PA-11, PA-12, PVDF
Barreira de pressão intermediária HDPE, XLPE, PA-11, PA-12, PVDF
Capa externa HDPE, PA-11, PA-12
Isolamento PP, PVC, PU
33
Segundo a norma API 17J os materiais metálicos utilizados devem ser escolhidos levando
em consideração os ataques corrosivos que irão sofrer ao longo da vida útil da tubulação. Os
materiais usados ou expostos a proteção catódica devem possuir comprovada resistência contra
fragilização por hidrogênio. Nos dutos flexíveis são usados materiais metálicos na carcaça, nas
armaduras de pressão e de tração e no conector. Características como resistência à corrosão,
força mecânica e preço são os fatores mais importantes para a definição do material a ser usado
na carcaça (Palmer & King, 2006).
Além desses fatores, a escolha do material a ser utilizado nessa camada está diretamente
ligada a composição do fluido que passará internamente e do uso que este duto terá. Devem ser
levados em consideração para essa escolha de fatores como temperatura do fluido, teor de CO2,
H2S e O2. O aço carbono é um material muito utilizado para ambientes não corrosíveis
enquanto para ambientes corrosíveis podem ser utilizados aços inoxidáveis de alta liga. Aços
inoxidáveis austeníticos também são bastante resistentes a corrosão e são os aços mais
utilizados na fabricação de carcaças, principalmente os aços AISI 304L e 316L (API17B, 2002).
Para as armaduras de pressão e de tração usa-se aço carbono com diferentes teores de
carbono para cada especificação. Quanto maior for a necessidade de alta dureza do material
maior deverá ser o teor de carbono. Materiais com baixo ou médio teor de carbono são utilizados
em ambientes ácidos. O fabricante deve especificar o limite para a presença de compostos como
carbono, manganês, fosforo, enxofre, silício e cobre, além de especificar a aplicação de cada
material, sejam para ambientes marítimos com influência do pH (API17B, 2002).
Para os conectores usa-se normalmente aços AISI 4130 ou ligas de aços inoxidáveis, além
de revestimentos anticorrosivos. Para a escolha do material a ser utilizado é necessária uma
análise do ambiente interno e externo a que o duto estará submetido (API17B, 2002).
Todos os materiais utilizados na construção das tubulações passam por uma série de testes,
afim de comprovar a qualidade e adequação desses. Nesses testes são analisadas as
características físicas, mecânicas e químicas de cada material, além da sua performance. Para
os materiais metálicos, é necessário a realização de testes referentes a composição química,
limite de elasticidade, máximo de força, dureza, fratura induzida por hidrogênio (HIC) e por
tensão pelo sulfeto (SSCC), resistência à corrosão, resistência à erosão, resistência à fadiga e
resistência à químicos (API17B, 2002).
34
Para os materiais poliméricos não são determinados testes específicos, entretanto é
obrigatório a realização de testes quanto a compatibilidade do fluido transportado e de
envelhecimento sob as condições de operação, que provocam alterações em sua propriedade e
consequentemente em sua resistência (API17B, 2002).
3.4 Fabricação
Segundo (Dolinski, 2009) a fabricação dos dutos flexíveis é realizada por meio de
sucessivas etapas de modo que cada camada é produzida utilizando uma máquina específica. O
duto deve ser sempre fabricado começando pela camada mais interna até a camada mais
externa. Consequentemente, a união dessas camadas forma o duto flexível. As etapas do
processo de fabricação dos dutos flexíveis estão descritas abaixo:
• Perfilagem: máquinas perfiladoras (Figura 3-1) são utilizadas na fabricação da
carcaça. Nesse equipamento, a fita de aço utilizada como matéria prima é arrastada
através de um trem de discos de perfilagem com o objetivo de conformar o perfil
dessa camada. É realizado então o intertravamento do perfil e definido o diâmetro
da carcaça através da quantidade de matéria prima que é liberada pelo equipamento
(Dolinski, 2009).
Figura 3-1 - Equipamento de fabricação da carcaça. (Fonte: Bartell Machinery)
• Camadas Plásticas: a carcaça fabricada na etapa de perfilagem é encaminhada para
as máquinas extrusoras, onde é utilizado material termoplástico para fabricação das
barreiras poliméricas de pressão. Essas máquinas irão promover o aquecimento e
fricção do material com objetivo de torná-lo viscoso e, portanto, assegurar o avanço
35
do material no equipamento de forma contínua. O material é então adicionado sob
pressão e acomodado de forma homogênea sobre o duto (Figura 3-2). Após essa
etapa, o material é resfriado com água. Para a definição da espessura da camada
plástica depositada sobre a carcaça há um controle da velocidade do equipamento.
As máquinas extrusoras são utilizadas também após a fabricação das armaduras, a
fim de completar a fabricação do duto flexível com a colocação de mais uma
camada termoplástica, a capa externa (Dolinski, 2009).
Figura 3-2 - Processo de extrusão da barreira de pressão (Fonte: Galardo, 2016).
• Espiralagem: para a fabricação das armaduras de pressão são utilizadas máquinas
de espiralagem (Figura 3-3). São usados como matéria prima fios de aço, já
perfilados, enrolados em bobinas próprias. A partir de movimentos giratórios do
equipamento e de suas ferramentas os fios de aço são intertravados e enrolados
próximo a 90º no duto, acima da barreira de pressão.
Figura 3-3 - Equipamento de fabricação da armadura de pressão. (Fonte: Bartell Machinery)
• Armagem: para a fabricação das armaduras de tração são utilizadas máquinas de
armagem (Figura 3-4). São usados para esse processo fios de aço em perfil chato
ou redondo. Esses fios são inseridos na armadura, distribuídos em duas gaiolas que
giram em sentidos opostos e passam por um conjunto de roletes que geram uma
36
deformação combinada de flexão e de torção. Após essas etapas, os fios são
aplicados sobre as camadas anteriores (Dolinski, 2009).
Figura 3-4 - Equipamento de fabricação da armadura de tração. (Fonte: Bartell Machinery)
Entre as etapas descritas acima e na mesma linha de produção, podem ser adicionadas
também fitas adesivas e não adesivas. Para passagem por cada uma das etapas descritas acima
o duto é desenrolado da bobina emissora e enrolado na bobina receptora posicionadas nas
extremidades das máquinas. Dessa forma permite-se produzir longos comprimentos de duto em
um espaço otimizado de fábrica (Dolinski, 2009).
3.5 Instalação
A instalação é responsável por uma parte significativa dos custos de um projeto de duto
flexível, por esse motivo é de grande importância realizar um estudo e obter uma boa estratégia
para realização desse processo. A instalação do duto está diretamente conectada as
configurações do sistema submarino e as características do equipamento (Dolinski, 2009).
Para evitar colapso e garantir a estabilidade, os dutos podem ser instalados cheios de água
ou abertos para alagar. Antes da instalação, os dutos são armazenados em bobinas ou cestas que
devem apresentar um raio interno maior ou igual ao raio mínimo admissível para
armazenamento. Caso isso não aconteça, é possível que ocorra algum dano na camada externa
ou que ocorra um destravamento da armadura de pressão (Dolinski, 2009).
37
A localização da fábrica de produção de dutos flexíveis afeta diretamente o processo de
instalação. Caso a fábrica esteja situada longe do campo petrolífero, é necessário o transporte
dos dutos por meio de balsas ou navios até o navio de lançamento. Para a transferência dos
dutos entre esses transportes é necessária a escolha de um local sem muito movimento de ondas,
uma vez que qualquer movimento brusco pode interferir na integridade do duto. Para uma
fábrica localizada perto de um campo petrolífero a transferência do duto é feita diretamente do
porto para o navio de lançamento, pois a fábrica deve se encontrar próxima da região portuária
(Dolinski, 2009).
Figura 3-5 - Navio de lançamento de linhas flexíveis (PLSV) (Fonte: 4subsea, 2014b)
Os tensionadores são equipamentos de lançamento e são muito importantes no projeto de
instalação dos dutos, podem ser tanto horizontais como verticais. Nos lançamentos com
tensionadores horizontais, o duto passa paralelo ao convés do navio até ir para o mar. Já nos
lançamentos com tensionadores verticais, o duto passa em paralelo ao convés do navio e sobe
até o topo da torre vertical de lançamento, de onde desce pelos tensionadores até ir para o mar
(Dolinski, 2009).
A instalação dos dutos flexíveis pode ser realizada de duas maneiras distintas, pode começar
no poço ou no manifold e terminar na unidade flutuante de produção ou a instalação pode
38
começar na unidade flutuante e terminar no poço ou no manifold. Fatores como o projeto e
componentes do duto, características do campo e capacidade do guincho de içamento interferem
diretamente na escolha do método de instalação (Dolinski, 2009).
Para uma instalação que se inicia no poço ou no manifold, é montado na extremidade do
duto um módulo de conexão para acoplamento no conector do poço ou manifold. Assim que o
módulo de conexão esteja acoplado, travado ao conector e tenha sido aprovado no teste e selo,
inicia-se o lançamento do duto. O navio desloca-se então em direção a unidade flutuante
seguindo a rota pré definida para o flowline. Perto da unidade flutuante, essa deverá iniciar uma
operação de transferência e içamento do riser de modo que conecte a extremidade do riser ao
sistema de suspensão dessa unidade flutuante (Dolinski, 2009).
Para uma instalação que se inicia na unidade flutuante, é transferido do navio de lançamento
para essa unidade um cabo mensageiro. A partir deste cabo é iniciada a transferência do riser
para a unidade flutuante. Essa transferência é realizada conectando o cabo mensageiro ao
guincho de içamento do riser. Após essa transferência e conexão do riser, o navio de
lançamento lança o duto e se move de maneira a atingir a configuração desejada para o riser.
O navio desloca-se então em direção ao poço ou manifold seguindo a rota definida para o
flowline. Ao se aproximar do final do flowline, um peso morto é montado. Esse peso morto
pode ser fabricado a partir de um bloco de aço ou pedaços de corrente e é usado para garantir o
posicionamento correto do flowline. É instalado então o restritor de curvatura, que limita a
curvatura do duto durante a instalação e operação. É realizada então o acoplamento do módulo
de conexão no conector do poço ou do manifold (Dolinski, 2009).
Após a instalação e antes do processo de produção, os dutos passam por uma etapa de pré-
condicionamento do campo. Nessa etapa, são realizados testes em cada comprimento individual
da tubulação de modo que comprovem a segurança e bom funcionamento desses dutos. São
feitos testes como de alagamento, pigagem, hidrostático e vazamento. Os testes de alagamento
e pigagem são realizados de modo que pelo menos dois pigs percorram por diferencial de
pressão o duto fazendo, assim, a limpeza e inspeção do equipamento. A água utilizada nesses
testes apresenta compostos químicos como inibidores de corrosão e químico de detecção de
vazamento. Caso o duto seja aprovado nesses testes, é realizado então testes de pressão, como
39
o teste hidrostático e o teste de vazamento (Dolinski, 2009). Após a aprovação dos dutos em
todos esses testes, o duto é dessalgado e poderá iniciar a sua operação.
3.6 Testes
Assim como os materiais utilizados, os dutos como um todo passam por uma série de testes
antes de serem levados para a operação, de modo que comprovem sua qualidade, eficiência e
segurança. De acordo com a norma API 17J de 2008, testes essenciais na fabricação dos dutos
são os FAT, factory acceptance tests. São eles:
• Teste de calibre: Deve ser realizado antes do teste hidrostático e apenas em
estruturas de parede interna rugosa (rough bore) a fim de garantir que o diâmetro
interno obtido atende ao projeto.
• Teste hidrostático: É exigido na construção de todos os tubos flexíveis a fim de
verificar a estanqueidade e resistência a pressão.
• Teste de resistência e continuidade elétrica: Deve ser realizado após o teste
hidrostático. Esse teste deve ser realizado entre os conectores e a carcaça, com o
objetivo de medir a resistência elétrica entre esses pontos. A resistência elétrica
entre os conectores e a carcaça deve ser maior que 1kΩ, enquanto a resistência entre
os conectores deve ser menor que 10Ω/km de duto.
• Teste do sistema de ventilação de gás: Esse teste deve ser realizado após o teste
hidrostático e tem como objetivo avaliar se o sistema de alívio de gás usado para
controlar a pressão no espaço anelar do duto funciona corretamente. Nesse teste, ar
ou gás nitrogênio são introduzidos no sistema a partir de um conector até
alcançarem a pressão do sistema de alívio de gás, deve ser então conferido a saída
de gás no outro conector. Todos os conectores e válvulas devem ser checados.
Além desses testes, devem ser realizados testes como teste de protótipo, de terminação, à
vácuo, de integridade estrutural a bordo, de integridade estrutural offshore, de materiais, de
vedação e teste de resistência à corrosão. Esses testes têm como objetivo verificar e garantir a
integridade e o bom funcionamento do duto.
3.7 Modos de falha
É importante projetar o duto flexível com o conhecimento da potencial degradação e dos
modos de falhas que a aplicação (dinâmica ou estática) possa estar suscetível. A API 17B
considera os seguintes modos de falha a serem analisados:
• Colapso
• Explosão
40
• Tração
• Torção
• Compressão
• Curvatura excessiva (Overbending)
• Fadiga
• Erosão
• Corrosão
Como veremos na seção a seguir, estes modos de falha podem estar associados a escolha
do material, fabricação, manuseio, instalação ou até mesmo operação.
41
4 Danos, modos de falha e soluções práticas.
Nesta seção serão apresentados os principais modos de falha e danos aos quais o duto
flexível esta suscetível. Em seguida, o evento será relacionado ao(s) elementos estruturais do
flexível que causaram ou que terão a sua integridade impactada e quais recomendações da API
ajudam a prevenir ou mitigar o evento. Com base no conhecimento prático do mercado, as
causas mais comuns de cada tipo de falha ou dano serão apresentados e soluções práticas
propostas.
Estes eventos (falha/dano) podem ocorrer em uma das 3 etapas da vida do flexível:
fabricação, manuseio ou operação.
A etapa de fabricação é a etapa onde o conhecimento é menos difundido devido as restrições
que as fabricantes têm em tornar público seus métodos de fabricação. Todavia, como existem
recomendações da API para esta etapa (como por exemplo a escolha do material), é possível
fazer a relação com a falha ou dano. Entretanto, propor soluções práticas torna-se mais
desafiador pela falta de conhecimento das particularidades de cada fábrica.
A etapa de manuseio engloba desde o momento em que a linha termina de ser fabricada e é
transportada para bobina ou cesta na base de operações, passando pelo manuseio até chegar na
embarcação de instalação, até a operação de instalação. Vale lembrar que pela própria definição
do duto flexível, as operações de desinstalação e recolhimento também são de interesse uma
vez que o duto flexível deve ter a capacidade de ser remanejado, desde que ainda dentro de sua
vida útil, caso o contrário, ele perde uma das suas maiores vantagens sobre o duto rígido. O
conhecimento sobre esta etapa é bastante difundido, e assim, de fácil apresentação e as soluções
aos eventos mais realistas. Todavia, o impacto que tais soluções têm no custo das operações
podem ser suficientemente grandes para que valham o risco.
A etapa de operação é a etapa mais específica das três. Não faz parte do escopo da API
apresentar recomendações a operação e a responsabilidade de operar dentro das condições
previstas no projeto do duto flexível, mantendo a integridade do mesmo, é da operadora.
Entretanto, é possível apresentar alguns eventos relacionados a operações indevidas ou
inesperadas mesmo que as soluções nestes casos sejam sempre a de operar dentro do cenário
previsto para projeto.
42
Uma relação importante a ser feita é do alagamento ou não do anular (ver item 2.2.9) das
armaduras. Quando um evento, por menor que seja, acarreta na exposição (perda de
estanqueidade) de água no anular das armaduras que são feitas de aço carbono, a oxidação das
mesmas irá ocorrer (o tempo dessa corrosão depende das condições de operação e externas)
prejudicando de forma crítica a integridade deste elemento e como consequência do duto
flexível. Durante a operação, pode ser esperado que haja alagamento de parte do anular devido
a permeação de gases vindo do fluido sendo transportado no bore, através da barreira de pressão
e condensando no anular. Este volume condensado no anular também é um risco à integridade
do flexível, apesar de ser um fato para o qual não há solução simples, uma vez que o polímero
não é estanque contra gases que conseguem ultrapassar a camada.
Figura 4-1 - Esquema da permeação dos gases dentro do duto flexível.(Fonte: API 17J)
4.1 Dano na capa externa
Como vimos anteriormente, o espaço do anular das armaduras é de grande interesse quando
falamos da integridade do duto flexível. O alagamento deste espaço, que seria o cenário a ser
evitado, pode acontecer com origem de duas formas:
• Internamente: Através da permeação e condensação de gases vindos do fluido
sendo transportado ou através de uma falha na estrutura, como uma carcaça
rompida ou uma falha no cravamento dentro do conector.
• Externamente: Através de algum dano na capa externa ou falha no cravamento
externo no conector
No caso do alagamento com origem externa, o fluido que alagará o anular será a água do
mar e, desta forma, o fluido no anular possuirá pressão e temperatura correspondente a
profundidade da lâmina d’agua. Lembrando que exploração em águas ultra profundas chegam
43
a mais de 2000m de profundidade, teremos o fluido no anular realizando pressão radial e
compressão na armadura com valores de +/- 200 Bar e temperatura menores que 5ºC. Como
podemos ver, danos na capa externa que possam expor o anular, colocam em risco a integridade
do duto flexível provocando diversos modos de falha como veremos mais adiante nesta seção.
Os danos na capa externa podem acontecer em uma das 3 fases da vida do duto flexível:
fabricação, manuseio e operação.
4.1.1 Fabricação
Os eventos mais comuns que resultam em danos na capa externa, para a fase de fabricação
da vida do flexível, são:
• Falhas no processo de extrusão: Como detalhamos no item 3.4, no processo de
extrusão das camadas poliméricas que são estanques ao líquido, é feito um
resfriamento após a extrusão. Durante este processo, regiões frágeis podem ser
criadas na capa externa, de forma que se tornem pontos preferenciais de falha. O
processo é cuidadosamente acompanhado e a camada inspecionada ao final, e
mesmo assim, erros podem acontecer.
• Falhas na montagem do conector: A montagem do conector é um processo com
alguma complexidade e extrema precisão. Após toda a fabricação do corpo
tubular, o conector é montado na extremidade e um ponto crítico é o cravamento
das camadas poliméricas, entre elas a capa externa (ver item 2.3.1). A inspeção
deste cravamento é feita com medição da capa externa na região e da cunha e
validada com cálculos que garantam com alguma folga a pressão de esmagamento
necessária para o cravamento ser estanque. Todavia, em caso de erro na
montagem, a capa externa deixa de ser estanque e o fluido externo invade o anular.
4.1.2 Manuseio
Os eventos mais comuns que resultam em danos na capa externa, para a fase de manuseio
da vida do flexível, que engloba desde o final da fabricação, transporte até uma bobina ou cesta
na base de operações, carregamento da base até a cesta do navio (caso seja a opção com cesta
e não bobina), passagem do duto flexível da cesta/bobina até a torre de lançamento e
tensionadores, até a passagem pelo moonpool da embarcação, são:
• Abrasão com contato em extremidades pontiagudas: Ao longo de todo o manuseio
que o duto flexível recebe, o duto flexível é exposto a diversos pontos de contato
com extremidades pontiagudas. Para facilitar a passagem do duto de um ponto ao
outro, na base e na embarcação, os caminhos são repletos de calhas que apesar de
ter o propósito de controlar a curvatura e proteger contra quinas, possuem quinas
44
elas mesmas. Além disso, caso a manutenção destas calhas não seja bem feita, a
própria superfície delas podem causar danos a capa externa sendo apoiada com o
peso do flexível. Outra região com extremidade pontiaguda é a “mesa de trabalho”
no moonpool da embarcação. Com capacidade de controlar a abertura da escotilha,
esta mesa de trabalho é utilizada para apoiar o conector durante a conexão de um
tramo e outro assim como servir de piso para inspeção do operador enquanto a
linha está sendo lançada. Durante estas operações, condições de mar adversas
podem provocar movimentação lateral do duto e o contato com a extremidade
pontiaguda ocorrerá com bastante força e a capa poderá ser seriamente danificada.
Figura 4-2 - Exemplo de dano na capa externa na "mesa de trabalho" (Fonte: Shell Projects and Technology “16-12-10 KIvI
lecture”).
• Abrasão contra o tensionador: Como descrito no item 3.5, durante a instalação
dos dutos flexíveis, os mesmos passam por tensionadores que controlam a
velocidade da operação, segurando o duto flexível através do aperto que faz
contra ele e o atrito resultante. Como é possível imaginar, para segurar uma
estrutura feita com diversas camadas metálicas, o aperto necessário pelos
tensionadores é alto. Caso estes tensionadores estejam desalinhados ou com
qualquer tipo de superfície de contato pontiaguda, a capa externa será
rapidamente danificada. Marcas do tensionador, causadas pelo aperto são
comuns, mas em caso de aperto realizado não simetricamente ao duto flexível,
45
este aperto atua como um “beliscão” e essas marcas tornam-se danos rasgando
a capa flexível.
Figura 4-3 - Exemplo do contato entre tencionar e duto flexível em um lançamento. (Fonte:
https://www.lucgroup.com/fr/node/34)
4.1.3 Operação
Os eventos mais comuns que resultam em danos na capa externa, para a fase de operação
da vida do flexível, são:
• Impacto contra outras superfícies: Durante a fase de operação do duto flexível,
as seções dinâmicas (risers e jumpers) possuem certa movimentação relacionada
as forças das marés, ondas, da própria movimentação da unidade de produção e
até mesmo da própria pressurização/despressurização da linha causando uma
ciclagem na estrutura. Estas movimentações, que são esperadas, podem causar
impactos em estruturas externas como a própria unidade de produção (na seção
de topo) e em corais ou destroços submarinos na região de “chegada” da linha
(touchdown point) no leito marinho (na seção de fundo).
46
Figura 4-4 - Dano causado pelo contato do duto com a plataforma (Fonte: Carneval., 2006)
• Abrasão contra acessórios instalados: Os acessórios de uma linha flexível, como
descritos no item 2.3, são instalados no corpo tubular mas, com exceção do
conector, não são completamente fixos, ou seja, podem possuir movimentação
relativa com o corpo tubular. Esta movimentação relativa pode causar atrito e
abrasão na região resultando em um dano na capa externa. O maior risco nesses
casos é que o dano pode estar escondido pelo acessório pois a interface causando
o dano é a superfície interna do acessório com a capa externa e assim, o dano
não é observado por inspeção submarino só sendo detectado quando ocorre a
falha completa do duto flexível ou quando é feito o recolhimento da linha.
Figura 4-5 - Dano causado pelo contato do enrijecedor de curvatura com o duto. (Fonte:Carneval., 2006)
47
4.1.4 Soluções práticas
Como previamente apresentado, a estanqueidade entre o anular e o meio externo é de suma
importância e como podemos ver nas seções anteriores ela pode ser perdida sem que sejam
necessários eventos de grande magnitude, pelo contrário, estes danos descritos podem ocorrer
com alguma frequência.
Com exceção da fase de fabricação, onde as causas para dano na capa externas são
relacionadas aos métodos de fabricação que não serão discutidos neste trabalho, as principais
causas de danos na capa externa são impactos/abrasão da mesma contra superfícies que possam
danifica-la. Assim, nos casos relacionados a manuseio, uma solução prática seria o manuseio
mais cuidadoso, até mesmo aumentando a utilização de guindastes como suporte reduzindo as
regiões de contato do flexível com superfícies que a possam danificar. A inspeção visual em
pontos críticos do manuseio, como passagem do flexível da base para o navio, saída da cesta e
passagem pelo topo da torre do PLSV também reduziria os casos de dano. Com relação a
movimentação da embarcação, a embarcação instaladora analisa o intervalo de estado de mar
em que ela consegue operar sem danificar requisitos da linha durante o lançamento como o
MBR e a compressão indesejada da linha em movimentos de heave da embarcação. Uma
solução prática para isso seria restringir a janela de operação da embarcação para condições de
mar mais amenas, reduzindo os riscos de impacto do duto flexível com alguma superfície
pontiaguda durante o lançamento.
Nos casos relacionados com a operação, podemos sugerir soluções como maior inspeção
submarina (via ROV ou mergulhadores para pequenas profundidas) que possam verificar a
existência de pontos de contato entre o flexível e outro elemento submarino que possam causar
danos como o da Figura 4-4 e também revestir a superfície interna de contato dos acessórios
com algum material que não danifique a capa externa, reduzindo o atrito e evitando a abrasão
que causa danos como o da Figura 4-5.
Importante ressaltar que, estas soluções sugeridas envolvem um trade-off complicadíssimo
para a operadora. O valor do aluguel (dia) dos PLSV é altíssimo e suas operações são
cuidadosamente otimizadas para que sejam realizadas com o menor tempo e com maior
segurança. Realizar processos com utilização de mais um guindaste, maior inspeção visual dos
operadores e em estados de mar mais amenos, não só aumentaria consideravelmente o tempo
48
da operação como restringiria a janela de operação. Uma análise de Risco x Custo deve ser feita
para observar se diminuir o risco de danificar a capa externa vale o custo envolvido.
Para todos os casos, uma solução que pode ser utilizada de forma a proteger a capa externa
é a utilização de uma camada ainda mais externa de sacrifício. O material desta camada poderia
ser polimérico (menor peso e custo) ou metálico (maior proteção, peso e custo). Com esta
camada de sacrifício, para que o anular entre em risco de alagamento, é preciso que o dano
perfure 2 camadas (capa externa original e a nova camada de sacrifício).
Em casos onde a capa externa foi danificada, existem procedimentos de reparo para evitar
que o duto flexível siga para operação com o anular exposto. Estes procedimentos envolvem a
retirada da região do dano (caso não seja muito extensa) e substituição por um corte de capa
externa reserva. Este corte é soldado com polímero efetivamente substituindo a parte retirada
como podemos observar na Figura 4-6. Desta forma o dano é reparado e o anular protegido
novamente.
Figura 4-6 - Exemplo de reparo feito na capa externa. (Fonte: Nordsve, 2007)
49
4.1.5 Recomendações API 17J e API 17B
Parte do escopo da API é apresentar recomendações de bons costumes para o duto flexível.
Dentro destas recomendações, podemos associar algumas a capa externa de forma que as
mesmas reduzam o risco de dano a capa.
• Seção 5.3.2.2 API 17J: Recomendação de que o projeto da capa externa deve
levar em consideração mudanças na performance e propriedades do material
devido a difusão/absorção dos fluidos no polímero e ao envelhecimento do
material, assim como, imperfeições na fabricação (como mudança no diâmetro
externo), alongamento e compressão da linha durante operação, carregamentos
e torques, pressão no anular e pressão externa da linha, acomodação nos espaços
entre os fios das armaduras, abrasão, carregamentos locais de acessórios
instalados e temperatura.
• Seção 6.1.2.4 API 17J: Recomendação de que o fabricante deve confirmar a
compatibilidade da capa externa com todos os fluidos permeados por ela, fluido
externo a que está exposta e ao material da superfície interna dos acessórios.
Desta forma, o material utilizado estará resguardado contra todas as interfaces a
que será exposto ao longo de sua vida útil.
• Seção 7.1.3 API 17J: Recomendação é que o fabricante tenha documentado os
procedimentos para o manuseio do duto flexível durante a fabricação,
empacotamento (bobina ou cesta) e armazenamento. Os procedimentos devem
assegurar que anomalias resultantes de abrasão, dano mecânico, torção,
curvatura e esmagamento em quanto o duto estiver sendo manuseado não
ultrapasse tolerâncias de fabricação. Assim, o comprador do duto flexível tem a
garantia de que tolerâncias de fabricação como o raio de curvatura mínimo
(MBR) não foi desrespeitado durante as etapas as quais o duto flexível ainda não
estava em sua posse e sim nos cuidados da fabricante. A inspeção que será feita
para a elaboração deste documenta já serve como um procedimento de mitigação
identificando as falhas.
• Seção 12.2.1.9 API 17B:Recomendação que o duto flexível deve ser
inspecionado contra qualquer tipo de dano durante o recolhimento da linha. O
dano deve ser explicitamente identificado e o fabricante deve ser consultado para
limpeza, reparo e procedimentos de estocagem. Como um dos pontos mais
importantes de um duto flexível é a capacidade de reaproveitamento, inspecionar
os danos no recolhimento e realizar o procedimento adequado irá mitigar o dano
caso existente e evitar que se propague o que pode acabar inutilizando uma linha
que caso contrário ainda teria capacidade de operar.
• Seção 12.3.4.1.2 API 17B: Recomendado que caso seja identificado um dano na
capa externa em que o anular esteja exposto, deve ser feita uma avaliação da
corrosão resultante da exposição da armadura ao fluido. Danos antigos que
tenham sido reparados merecem atenção especial na hora da inspeção pelo ROV.
Essa recomendação é de extrema importância, pois uma vez que a armadura de
tração esteja corroída a níveis elevados, o recolhimento deste duto flexível pode
se tornar inviável pois a carga realizada pode não ser suportada pelo fio com
50
seção reduzida devido a corrosão. Sem o conhecimento do estado da armadura
corroída, graves acidentes podem acontecer com o duto flexível rompendo no
recolhimento que poderia ser evitado ou melhor planejado.
Algumas outras recomendações são feitas nos documentos da API, entretanto, estas listadas
acima são as com maior impacto mitigador nos danos já presentes ou de reduzir os riscos de
ocorrer um dano a capa externa.
4.2 Modos de falha
Em cenários específicos, onde mais de um evento danoso a integridade do flexível acontece
(normalmente em forma de cascata onde um evento pequeno provoca outro maior até provocar
um significante), o duto flexível apresentará um modo de falha característico. Como
apresentado no início deste projeto, os modos de falha presentes são praticamente os mesmos
desde sua invenção e seu estudo tem aplicação em todo o universo de dutos flexíveis.
Os modos de falha que serão apresentados a seguir tem suas ocorrências comprovadas e
seus comportamentos consolidados na indústria, de forma que a própria API os cita como os
modos de falha existentes. Neste projeto os modos de falha não serão comprovados ou
calculados e sim elucidados com as causas que comumente os provocam.
4.2.1 Colapso
Existem dois tipos de cenários diferentes de colapso que ocorrem em dutos flexíveis:
colapso do tubo interno em casos de smooth bore e colapso da carcaça e barreira de pressão em
rough bore.
O colapso do tubo interno em casos smooth bore é mais observado em casos de linha com
aplicação de injeção de água quando o vácuo é alcançado no bore devido a efeitos dinâmicos
no fluido quando o poço cessa operação e a pressão no poço provoca um efeito de sucção no
fluido existente na linha. Assim, o tubo interno sofre repetidos colapsos levando ao eventual
rompimento da barreira de pressão.
O colapso da carcaça em dutos flexíveis com barreira de pressão polimérica em casos rough
bore é causado por uma pressão externa excedendo a capacidade da carcaça. Se a carcaça já
possuía um dano inicial ou ovalização, a capacidade contra colapso dela pode já estar
51
drasticamente reduzida. A capacidade contra o colapso depende da geometria do dano, pressão
diferencial entre o bore e o anular, que em caso de alagamento pode estar exposto a pressão do
leito marinho de mais de 200 Bar, rigidez do material e carregamentos efetuados nas
proximidades dos acessórios instalados. Operar o duto flexível com uma carcaça parcialmente
colapsada pode ser possível por um curto período de tempo, mas o movimento da barreira de
pressão eventualmente causará a falha se a pressão ou temperatura sofrem mudanças cíclicas.
Além disso, com o colapso da carcaça, a falta do suporte interno (a carcaça como a primeira
camada serve de “apoio” as seguintes) pode levar a falhas em outras camadas.
Em ambos os casos, a região do TDP é uma região a ser estudada na fase de projeto por ser
uma região que sofre constante compressão (durante operação e durante a instalação do duto)
onde os gaps da carcaça e da armadura de pressão variam e reduzem a resistência ao colapso,
ou seja, nesta região “curvada” temos um comportamento diferente do colapso no resto da linha.
Este cenário é ainda mais evidente em explorações em águas ultra profundas como é o caso do
pré-sal no Brasil onde as cargas são maiores com dutos mais extensos.
Figura 4-7 - Carcaça colapsada. (Fonte: Muren J., 2007)
52
4.2.1.1 Soluções práticas
As soluções mais recomendadas para evitar um colapso em um duto com smooth bore giram
ao redor da operação do duto flexível. Como já observado antes, decisões que impliquem em
restrições operacionais não são simples de ser tomadas pois levam a um impacto financeiro
enorme. Dentre as maneiras para prevenir um colapso podemos citar um maior controle nas
válvulas de fechamento do poço presentes no sistema submarino, ver Figura 4-8, de forma a
garantir que não seja criado um efeito de sução na linha. Caso este controle da sucção do fluido
no bore não seja possível, criar vácuo no anular das armaduras diminuirá o risco do colapso
pois uma vez que o bore tenha o fluido “sugado” e atinja as proximidades do vácuo, o
diferencial de pressão entre bore e anular que provocaria o colapso será pequeno.
No caso de rough bore como as causas são relacionadas, quase sempre, ao diferencial de
pressão, as soluções devem ser aplicadas na fase de projeto do duto flexível. Entre elas podemos
citar: carcaças e armaduras de pressão mais resistentes com foco no colapso na região do TDP
e materiais das camadas do flexível com gradientes de difusão de gás, e consequentemente
pressão, mais restritos. Dito isso, as condições operacionais previstas pelo projeto para a vida
do duto têm que ser respeitadas pela operadora pois nenhuma solução é suficiente se o mau uso
do equipamento ocorre.
Em ambos os casos, as cargas atuantes no flexível são consideradas e alternativas que
reduzam as cargas durante operação, como configuração de lazy wave, ou durante instalação
devem ser consideradas, diminuindo a probabilidade do colapso.
Figura 4-8 - Exemplo do sistema submarino. Choke valves existentes fecham o sistema. (Fonte: http://code-
15512008.blogspot.com/2016/01/pipeline-ending-manifold-plemplet.html)
53
4.2.1.2 Recomendações API 17J e API 17B
Na seção 5.1 da API 17J é feita uma recomendação sobre o fator de utilização que deve ser
considerado no design do duto flexível para a carcaça, tubo interno e armadura de pressão de
forma a garantir a resistência contra o colapso em cada um dos cenários ao que o duto flexível
será exposto como operação normal, operação extrema, testes entre outros como podemos ver
na Figura 4-9. No caso da carcaça e da armadura de pressão, o fator de utilização deve ser de
0.85 enquanto no caso de tubo interno o fator de utilização deve ser especificado pelo fabricante
com documentos que comprovem que o material polimérico utilizado está adequado para
suportar cargas e manter este fator de utilização.
Figura 4-9 - Fatores de utilização para cada cenário a ser considerado. (Fonte: API 17J)
Na seção 5.3 da API 17B são feitas recomendações sobre soluções para prevenir um colapso
como podemos ver na Figura 4-10. São elas:
1. Aumentar a espessura da carcaça, armadura de pressão ou tubo interno.
2. Modificar a configuração ou instalação do duto flexível de forma a reduzir os
carregamentos.
3. Adicionar uma camada intermediária polimérica estanque.
4. Aumentar o momento de inércia da carcaça ou armadura de pressão.
Figura 4-10 - Soluções para o colapso. (Fonte: API 17B)
54
Como podemos observar, as recomendações giram em melhorar o material para suportar as
cargas ou diminuir as cargas que o duto flexível sofrerá em operação ou instalação.
4.2.2 Explosão
Uma das falhas mais recorrentes na indústria é a explosão da capa externa que, por ser
formada de um material polimérico, não possui grande resistência contra a ruptura. Causada
por um fenômeno físico chamado de tensão circunferencial (hoop stress), a explosão na capa
acontece quando o diferencial de pressão entre a parte interna e o ambiente externo aumenta a
um nível onde a pressão resultante (de dentro para fora) cria uma tensão com a mesma direção
da superfície do corpo como podemos ver na Figura 4-11.
Figura 4-11 - Ilustração da tensão circunferencial.
Este tipo de fenômeno em um material polimérico que possui boa elasticidade, costuma
resultar em uma falha com aparência bem característica. A capa externa infla, se deformando
plasticamente, com o gás ou fluido a pressão mais elevada que a externa até um nível onde a
tensão é grande o suficiente e a capa explode, criando um ponto de alívio de pressão. Após a
explosão conseguimos ver a capa danificada com um excesso de material (parte deformada
plasticamente) e um rasgo característico.
O diferencial de pressão que causa todo esse mecanismo da falha ocorre normalmente
durante o recolhimento de um duto flexível. Conforme a profundidade do duto vai reduzindo
(sendo recolhido) a pressão externa vai diminuindo e a pressão interna no anular que antes podia
estar em equilíbrio com a externa a uma profundidade maior, em menores profundidades será
mais elevada que a externa criando um diferencial de pressão. Esta pressão no anular que pode
55
ser maior que a externa é causada tanto por uma coluna de fluído quando o anular está alagado
ou por um acumulo de gases difundidos do bore.
Para aliviar este diferencial de pressão são utilizadas válvulas de alívio nos conectores, ver
item 2.3.1, que atuam quando o diferencial atinge valores previamente projetados, abrindo a
passagem e deixando o gás a maior pressão sair até que a pressão no anular retorna ao mesmo
valor de abertura da válvula e ela para de operar. Deste modo, caso estas válvulas não operem
por falha ou dano, como um entupimento do canal, a pressão no anular não será aliviada e
haverá um aumento significativo na chance de explosão da capa externa. Outro motivo pode
ser que a velocidade de recolhimento do duto flexível está sendo tão rápida que o diferencial de
pressão está crescendo mais rápido que a válvula de alívio está aliviando, sendo assim ineficaz.
Figura 4-12 - Canal de ligação a válvula de alívio entupida. (Fonte (Hans, 2010)).
56
Figura 4-13 - Explosão da capa externa. (Fonte: (Muren, 2007))
4.2.2.1 Soluções práticas
Como observado acima, a válvula de alívio já é uma solução para o problema do diferencial
de pressão que leva a explosão da capa externa. Entretanto, a mesma não é a prova de falhas e
nem eficaz em todos os cenários.
Para garantirmos o funcionamento correto das válvulas precisamos nos assegurar que
existam mais de uma ou duas, para que haja redundância em eventuais mau-funcionamentos e
que o recolhimento seja realizado a uma velocidade reduzida para que haja tempo suficiente
para a válvula trabalhar aliviando a pressão. O que normalmente acontece é que o ROV que
estará acompanhando o recolhimento, ficará em repouso a uma certa profundidade e atento a
passagem dos conectores a sua frente. Quando um conector chegar ao seu campo de visão o
ROV observará se existem bolhas saindo da válvula de alívio, o que significa que existe uma
pressão elevada no anular que a válvula está aliviando. Assim, o PLSV para o recolhimento
57
neste instante, até o momento que o ROV informa que não existem mais bolhas saindo da
válvula, e assim a pressão interna está aliviada e não há risco de explosão da capa.
Esta operação de aguardar a válvula terminar de aliviar o anular apesar de custosa, o PLSV
está parado esperando, é extremamente importante uma vez que as explosões de capa externa
tendem a acontecer em profundidades cada vez menores, podendo até mesmo ocorrer quando
estão dentro do PLSV. Neste caso, não só a explosão pode arremessar os operadores no local
para longe como os gases no anular são nocivos à saúde. Caso sejam medidos valores perigosos
de gases no ambiente de trabalho, os operadores são imediatamente enviados para terra para
observação. Assim, o tempo “perdido” esperando a válvula aliviar a uma certa profundidade é
mais seguro e pode evitar gastos e perdas muito maiores.
4.2.2.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 5.4.4 da API 17J são feitas as seguintes recomendações para o sistema das válvulas
de alívio:
1. Deve ser capaz de remover gases e fluidos permeados no anular.
2. Deve ser resistente a exposição aos fluidos permeados.
3. A válvula deve abrir antes da explosão da capa externa.
4. A válvula deve funcionar somente para saída e nunca para entrada de fluido.
5. Um mínimo de 2 válvulas por conector.
6. Deve ser previsto por projeto o crescimento de vida marinha na região.
Como a solução para a explosão da capa externa já existe nas válvulas de alívio, a API 17B
traz soluções para tipos mais incomuns de explosões, como por exemplo da barreira de pressão
que não serão abordadas neste projeto.
4.2.3 Tração
A falha por tração, como o próprio nome diz, ocorre quando a carga da tração é maior que
a estrutura é capaz de suportar. Assim, esse modo de falha é considerado catastrófico pois
acarretará no rompimento da armadura de tração e logo em seguida de todo o restante da
estrutura pois as outras camadas não possuem alta resistência a tração. O rompimento de uma
linha, não só coloca em risco o meio marinho como também a unidade de produção, uma vez
que se o rompimento for próximo a superfície, a linha pode ficar “chicoteando” nas
58
proximidades (devido a alta pressão que o fluido estava sendo injetado por exemplo) e acertar
as linhas vizinhas ou até mesmo a unidade de produção.
Entretanto, a falha por tração não tende a acontecer sem que antes a armadura de tração
tenha se desgastado por corrosão, fadiga ou outro modo. Os fios das armaduras são projetados
por regra e por segurança com coeficientes de segurança capazes de suportar cargas bem
superiores as esperadas na vida útil e assim, apenas com uma armadura de tração com a
integridade comprometida a falha de tração pode ocorrer.
Figura 4-14 - Exemplo de ruptura total da estrutura do duto flexível devido a tração. (Fonte: (Fachini, 2014))
4.2.3.1 Soluções práticas
Como observado acima, as falhas por tração ocorrem quando a armadura de tração já está
desgastada. Ou seja, as soluções passam por evitar este desgaste ou aumentar a espessura da
camada aumentando o desgaste aceitável.
Para evitar o desgaste da armadura é preciso controlar a integridade e composição do fluido
no anular e assim evitar a corrosão da armadura, ver item 4.2.9. Outros meios de desgaste como
a fadiga também podem ser tratados na fase de projeto com acessórios e configurações
otimizadas, ver item 4.2.7.
Aumentar a espessura da armadura, significa aumentar a espessura externa do duto e
principalmente aumentar significativamente o peso da estrutura toda pois a armadura é uma
59
camada metálica com alto peso específico. Estruturas com pesos maiores causam maior tração
que aumentam a chance de uma falha por tração. Para evitar este peso excessivo, pode ser
necessária a utilização de boias em configuração lazy wave que encareça significativamente o
projeto. Assim, um trade-off buscando a otimização deve ser estudado.
4.2.3.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 5.1.4 da API 17J é feita a recomendação do fator de utilização a que a armadura
de tração pode estar exposta para cada cenário para o caso de ruptura da camada, ou seja, qual
a razão entre a tensão atuante e a tensão de escoamento do material da armadura.
Figura 4-15 - Critério para o fator de utilização da armadura de tração. (Fonte: API 17J)
Na seção 5.3 da API 17B é feita a recomendação sobre a solução para prevenir uma falha
por tração como podemos ver na Figura 4-16. São elas:
1. Aumentar a espessura do fio da armadura de tração ou utilizar um material mais
resistente.
2. Modificar a configuração de modo a obter menores carregamentos.
3. Aumentar a quantidade de camadas de armadura de tração.
4. Enterrar o duto no solo marinho.
Figura 4-16 - Solução para falhas por tração. (Fonte: API 17B)
60
4.2.4 Torção
O modo de falha por torção no duto flexível pode acontecer durante manuseio ou durante
operação do duto.
A falha durante manuseio ocorre devido ao uso indevido do duto, como por exemplo curvar
o duto flexível sem traciona-lo o que leva uma desorganização dos fios da armadura de tração
que por serem anguladas criam uma tensão provocando a torção do duto até que atinja o
equilíbrio. Neste momento, a torção torna-se visível ao olho nu.
A falha durante operação ocorre quando um ou mais fios de uma das camadas de armadura
de tração rompe, quebrando a simetria entre as camadas anguladas da armadura, causando uma
tensão em um sentido torcional. Neste caso, como o duto já está instalado, pode ser difícil de
ser observado pelo ROV. Como temos fios da armadura rompidos, a capacidade de tração do
duto pode estar comprometida, logo quando sinais de torção são observados a preocupação com
a integridade do duto para operação e futuros manuseio entra em questionamento.
Figura 4-17 - Torção ocorrendo durante o manuseio onshore do duto flexível. (Fonte: (Longva, 2015))
4.2.4.1 Soluções práticas
O evento da torção não é tanto comum e suas causas não são tão bem estudadas atualmente.
Assim, as soluções práticas que podem ser tomadas são as de realizar o manuseio de forma mais
61
correta o possível, como por exemplo mantendo o tensionamento no duto enquanto ele é
curvado, e tentar manter a integridade das armaduras de tração após a instalação do duto.
Uma vez que exista a torção, a única chance de retornar a uma forma próxima a normal é
se a estrutura não for danificada e, com o tempo, lentamente acomode-se novamente em
equilíbrio. Esta configuração final, caso não seja muito distante da inicial, pode ter uma
integridade válida mesmo que haja uma pequena torção.
4.2.4.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 5.3.2.6 são feitas recomendações de que o projeto das armaduras de tração deve
levar em conta as propriedades torcionais delas, mas também do resto do duto uma vez que
existem mais camadas metálicas em espiral que podem ter alguma tensão residual de torção.
Na seção 5.3 da API 17B é feita a recomendação sobre a solução para prevenir uma falha
por torção como podemos ver na Figura 4-18. São elas:
1. Modificar a configuração de forma a reduzir os carregamentos torcionais.
2. Modificar o projeto mudando angulação das armaduras ou adicionado novas camadas
de armaduras de modo a aumentar a resistência a torção.
Figura 4-18 - Soluções para a torção. (Fonte: API 17J)
4.2.5 Compressão
Pela configuração em que a linha flexível fica instalada (seja em catenária ou com
boias/suportes), onde as seções dinâmicas de riser ficam suspensas pela unidade de produção e
em seguida tornam-se seções flowlines estáticos no leito marinho, haverá esforço compressivo
entre a parte dinâmica e a estática. Este esforço deve-se ao peso próprio da estrutura e ao
movimento de heave da plataforma.
62
Apesar de não ser o carregamento predominante na vida do duto flexível, a compressão
pode causar severos danos e falhas exatamente porque a armadura de tração possui pouca
resistência contra compressão e pode eventualmente falhar com o formato que é comumente
chamado de gaiola de passarinho, onde os fios de armadura abrem em uma dada região,
estourando a capa externa e perdendo boa parte da propriedade de resistência a tração.
Projetadas para prevenir que a armadura de tração tenha essa reação quando comprimida,
as fitas de alta resistência, ver item 2.2.6 são instaladas acima dela e recebem o carregamento
de compressão mantendo a estrutura organizada sem falhar.
Figura 4-19 - Exemplo de "gaiola de passarinho" na armadura de tração devido a compressão. (Fonte: (Fachini, 2014))
4.2.5.1 Soluções práticas
Como podemos observar, a falha associada a compressão é bem característica e crítica.
Todavia, a implantação das fitas de alta resistência acima da armadura é uma solução simples
a ser tomada ainda na fase de projeto e fabricação do duto e que garante a integridade contra a
compressão, desde que a própria fita esteja integra. Assim, é importante ressaltar que a fita só
possui a capa externa como proteção e um dano suficientemente profundo na capa externa pode
danificar as fitas.
Outro modo de controlar a compressão é reduzindo as cargas com as próprias boias, nos
casos de linhas em lazy wave, ou na própria configuração da linha, reduzindo o comprimento e
peso da seção dinâmica suspensa na unidade de produção.
63
4.2.5.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 6.1.5 da API 17J é feita recomendação sobre as fitas de alta resistência
responsáveis por evitar a falha por compressão. Entre as recomendações estão, considerar o
envelhecimento das fitas que podem ficar expostas em um anular alagado e se decompor e o
efeito do gradiente de temperatura entre o fluido interno e a temperatura externa nas
propriedades da fita.
Na seção 5.3 da API 17B é feita a recomendação sobre a solução para prevenir uma falha
por compressão como podemos ver na Figura 4-20. São elas:
1. Evitar configurações no riser em que possam causar carregamentos excessivos de
compressão.
2. Adicionar fitas ou capa externa com maior espessura que sejam capazes de evitar a
compressão da armadura de tração e a falha por meio da gaiola de passarinho.
Figura 4-20 - Soluções para compressão. (Fonte: API 17B)
4.2.6 Curvatura excessiva (Overbending)
Como explicado previamente no item 2.2, uma característica que todo duto flexível possui
é o raio mínimo de curvatura (MBR – Minimum Bending Radius). A finalidade deste raio
mínimo é, através dos cálculos realizados na fase de projeto, definir o máximo que pode-se
curvar o duto flexível sem que a estrutura seja danificada como por exemplo os fios em espiral
da armadura de pressão saírem da posição e entelhar-se uma em cima da outra o que levaria a
perda da capacidade de suportar o diferencial de pressão, característica fundamental do duto. A
curvatura excessiva do duto flexível ultrapassa o MBR, sendo assim um modo de falha.
Ao longo da vida do duto flexível, vários momentos de curvatura são previstos, como por
exemplo a estocagem em cestas ou bobinas, a curvatura durante o manuseio como por exemplo
a passagem do duto flexível pelo topo da torre de lançamento, a curvatura contra o solo marinho
64
na região do TDP durante operação entre outros. Para todos estes momentos, o MBR deve ser
respeitado em todos os trechos do duto flexível seja logo após o conector, onde o enrijecedor
existe exatamente para prevenir a flexão excessiva entre um corpo rígido do conector e um
flexível do corpo tubular, ou no meio do corpo tubular onde não existem acessórios para
controlar a curvatura.
Figura 4-21 - Exemplo de momento onde o MBR deve ser respeitado, durante a estocagem em uma bobina. (Fonte: (Muren,
2007))
4.2.6.1 Soluções práticas
Soluções para a curvatura excessiva de um duto flexível podem ser implantadas na fase de
projeto e na fase de manuseio/operação. A parte do fabricante é de projetar acessórios que
restrinjam a curvatura, como enrijecedores e vertebras, capazes de assegurar que o MBR seja
respeitado. Aumentar o dimensionamento dos acessórios citados também aumentaria a
resistência a flexão excessiva. Também é possível aumentar a quantidade de enrijecedores,
instalando-os nos flowlines além dos risers, o que evitaria pontos de maior flexão durante o
manuseio do flowline (já que durante operação ele tem uma aplicação estática e não haverá
movimentação que possa causar flexão excessiva). Esta última opção pode tornar-se um pouco
inviável uma vez que enrijecedores possuem preços elevados e, nos flowlines, eles só atuariam
durante a fase de estocagem e instalação enquanto durante a maior parte de sua vida (operação)
seria inútil.
65
Do ponto de vista do manuseio do duto flexível, a solução para evitar a flexão excessiva é
de realiza-lo de forma lenta em momentos onde existe maior curvatura (saída da cesta/bobina,
passagem em calhas e passagem pelo alto da torre de lançamento) inspecionada e com
condições de mar propícias. Entretanto, essas opções podem aumentar significativamente o
tempo de operação do navio PLSV responsável e assim aumentar significativamente o valor da
operação. Um trade-off entre custo e tempo de operação buscando manter a integridade do duto
flexível, durante o manuseio, deve ser buscado.
4.2.6.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 5.3.1 da API 17J temos a recomendação sobre o MBR de projeto que deve ser
considerado para cada estrutura levando em consideração o MBR se estocagem (SR) e o MBR
em que as armaduras entelham e perdem a organização (LR). Como vimos, garantir o MBR é
garantir que não haverá curvatura excessiva. Segue abaixo a Tabela 4-1 onde vemos os critérios
de aceitação do MBR para as condições de carregamento:
Tabela 4-1 – Critério de aceitação do raio mínimo de curvatura (MBR) para os carregamentos de projeto.
Na seção 5.3 da API 17B é feita a recomendação sobre a solução para prevenir uma falha por
curvatura excessiva como podemos ver na Figura 4-22. São elas:
1. Modificar a configuração das linhas para reduzir os carregamentos e assim deixar o
MBR menos restritivo.
66
Figura 4-22 - Soluções para curvatura excessiva. (Fonte: API 17B)
4.2.7 Fadiga
Todos os materiais utilizados em um duto flexível com propriedades dinâmicas (risers e
jumpers dinâmicos) está sujeito a fadiga. Em sua grande maioria, modos de falha relacionado
a fadiga ocorrem com os materiais metálicos, mas em certos casos a combinação de temperatura
e movimentos cíclicos no polímero pode provocar falha por fadiga.
A carcaça é feita por conformação fria em fios chatos metálicos intertavados. Normalmente,
esta estrutura só estará exposta a valores limitados de ciclos de tensão e sua maior preocupação
estará na corrosão (ver Seção 4.2.9) e erosão (ver Seção 4.2.8). Os eventos relacionados a fadiga
podem ocorrer devido a falhas dimensionais na fabricação ou carregamentos indevidos que
alteram a configuração da carcaça no riser (por exemplo, se o riser estiver interagindo com
uma estrutura em arco, a movimentação nesta região pode afetar a carcaça).
Fadiga nas armaduras de tração e pressão são muito mais recorrentes na indústria, assim
como a quantidade de testes associados e análises dinâmicas com elementos finitos envolvidas
em um projeto. Como o anular das armaduras de tração e pressão é projetado para trabalhar
seco, a vida útil em fadiga projetada para as armaduras também é para o cenário do anular seco.
Uma vez que ocorre o alagamento do mesmo, principalmente de origem externa através de um
dano (ver Seção 4), a vida útil das armaduras em fadiga pode estar bastante comprometida (ver
Figura 4-24) uma vez que as mesmas estariam expostas a corrosões que reduziriam a quantidade
de material e assim sua resistência. Assim, modos de falha por fadiga e corrosão estão
intrinsecamente ligados.
67
Figura 4-23 – Exemplo do estudo numérico da tensão na fase de projeto da carcaça. (Fonte: (Muren, 2007))
68
Figura 4-24 - Comportamento da vida útil do duto flexível original e após o alagamento do anular. (Fonte: 2hoffshore.com)
Figura 4-25 - Exemplo de falha por fadiga, acentuada após corrosão das armaduras. (Fonte: 2hoffshore.com)
69
4.2.7.1 Soluções práticas
Como estamos falando de um fenômeno esperado na linha de um duto flexível dinâmico,
os ciclos de tensão não devem ser evitados e sim controlados dentro do que foi esperado na fase
de projeto. Assim, é de suma importância que a aplicação esperada para o flexível no projeto
seja respeitada. Como o duto flexível tem a capacidade de ser reaproveitado em outros poços,
é preciso analisar a capacidade em fadiga que este duto flexível ainda possuí após a utilização
prévia e em relação a esta nova utilização.
Outro fator importante, é o ambiente do anular ao qual as armaduras estarão expostas.
Quanto maior for o controle do anular, maior o controle da integridade das armaduras e maior
a chance de a vida útil em fadiga do duto estar próxima a original de projeto. Assim, evitar o
alagamento externo via danos e interno por difusão é a melhor “solução” possível.
4.2.7.2 Recomendações API 17J e 17B
Na API 17J seção 5.3.4.2 são feitas recomendações sobre a vida útil de um duto flexível
com aplicação dinâmica. Primeiro é observado que análises de fadiga devem ser realizadas para
as armaduras de pressão e tração e que deve abranger todos os efeitos dinâmicos e mecânicos
que possam acontecer na vida do duto flexível. Outra recomendação nesta seção é que se as
soldas nas armaduras de tração e pressão se encontrarem na região crítica de fadiga do duto
flexível, estas soldas devem estar qualificadas para tal através de testes com amostras.
Na seção 6.2.4.5 são feitas recomendações sobre os cenários que análise de fadiga devem
levar em consideração, como:
a) Exposto ao ar com pressão e temperatura ambiente.
b) Exposto a água salgada a temperatura e pressão ambiente.
c) Exposto as condições com o anular intacto, levando em consideração os gases
permeados do bore, a pressão e temperatura ambiente.
d) Levar em consideração os efeitos da proteção catódica.
Na seção 5.3 da API 17B são feitas recomendações sobre soluções para prevenir uma falha
por fadiga como podemos ver na Figura 4-26. São elas:
1. Aumentar a espessura do fio da armadura ou selecionar um material alternativo, de
modo que as tensões por fadiga são compatíveis com os requerimentos de vida útil.
2. Modificar o design de forma a reduzir os carregamentos por fadiga.
70
Figura 4-26 – Soluções para a fadiga. (Fonte: API 17B)
4.2.8 Erosão
A existência de areia no fluido sendo transportado pelo bore com altíssima pressão, pode
levar a erosão da carcaça. Erosão normalmente não é um problema desde que a concentração
de areia e a velocidade do escoamento sejam controladas dentro de um limite seguro.
Outra forma de causar erosão na carcaça é através dos hidratos. A parafina criada pode
causar um atrito elevado na interface com a carcaça uma vez que a formação do hidrato pode
ocupar toda a seção transversal do bore. Assim, quando a pressão interna for suficiente para
movimentar o hidrato, o mesmo pode causar sérios danos a carcaça.
Figura 4-27 – Carcaça com erosão. (Fonte: (Hans, 2010))
71
Figura 4-28 - Formação de hidrato no bore. (Fonte: (Hans, 2010))
4.2.8.1 Soluções práticas
Como já observado, a erosão é um fenômeno relativamente simples de ser controlado e
solucionado. Caso haja o controle devido da quantidade de areia no fluido transportado e na
velocidade do escoamento, a carcaça não deve se deteriorar por processo de erosão.
No caso de hidratos, apesar de mais recorrentes, a solução também é mais simples. Como
para criação de hidratos a temperatura deve ser baixa e a pressão elevada, a solução parte do
princípio que estas condições devem ser controladas. Na fase de projeto do duto flexível a
temperatura a qual ele estará exposto é definida pela operadora e a fabricante deve garantir um
isolamento térmico suficiente para manter a temperatura do bore em níveis aceitáveis para que
não haja a criação de hidrato mesmo que haja alta pressão interna. Na fase de operação, é
importante a operadora não deixar o fluido muito tempo em repouso no bore (seja durante
manuseio ou durante paradas na operação) pois esse cenário contribui para a formação do
hidrato.
72
Figura 4-29 - Solução inovadora para o isolamento térmico onde além da camada tradicional (em branco abaixo da capa
externa) existe um aquecimento elétrico através dos cabos em vermelho. (Fonte: https://www.spe.org/en/jpt/jpt-article-
detail/?art=2246)
4.2.8.2 Recomendações API 17J e 17B
Na seção 5.3.2.4 da API 17J é feita a recomendação de que o fabricante deve levar em
consideração a razão de erosão na carcaça no cenário requisitado pela operadora para a
quantidade de areia e velocidade do escoamento.
Na seção 5.3 da API 17B são feitas recomendações sobre soluções para prevenir uma falha
por erosão como podemos ver na Figura 4-30. São elas:
1. Seleção do material de modo a resistir a erosão esperada.
2. Aumentar a espessura da carcaça.
3. Reduzir a quantidade de areia no fluido.
4. Aumentar o MBR diminuindo os pontos onde a curvatura aumenta o atrito do fluido
com a carcaça.
Figura 4-30 – Soluções para erosão. (Fonte: API 17B)
73
4.2.9 Corrosão
Se a capa externa do duto flexível estiver danificada através de toda sua espessura, o anular
estará exposto ao ingresso de água do mar e com isso ocorrerá a corrosão dos fios das armaduras
de tração e pressão. O colar de anodo, como descrito no item 2.3.4, apesar de ser capaz de
prevenir o início da corrosão, dificilmente será projetado para prevenir a corrosão de todo o
comprimento de uma armadura pois isso o faria ter dimensões proibitivas. Assim, mesmo que
o dano ocorro nas proximidades de um colar de anodo, é de se esperar que haja corrosão nas
armaduras com o tempo. Para danos distantes do colar, onde a proteção é ineficaz, é mais
comum que o a corrosão seja mais severa e contínua, podendo levar a uma falha crítica imediata
no caso de uma seção dinâmica (risers e jumpers) ou no momento de um manuseio no caso de
flowlines, onde o material corroído não suportaria a carga efetuada pelo PSLV.
Como podemos ver o anular pode se transformar em um ambiente altamente corrosivo.
Normalmente, os elementos que provocam a corrosão são o O2 (de origem na água do mar
externa ao duto flexível que adentra a partir de um dano na capa externa), o CO2 e o H2S (estes
dois últimos com origem no fluido transportado no bora e a difusão dos gases do fluido, através
das camadas poliméricas, até o anular). Todos estes elementos, a temperatura e pressão
específicas que podem ser alcançadas no cenário de exploração ultra profunda, causam corrosão
no material metálico das armaduras.
Uma vez corroída, a armadura perde parte da sua resistência a tração e contra fadiga, como
vimos na seção 4.2.7.
74
Figura 4-31 - Corrosão com origem em um dano na capa externa. (Fonte: Integrity management and operational
experiences of flexible risers – Statoil, Stavenger (2013))
Figura 4-32 - Corrosão nos fios da armadura de tração. (Fonte: Integrity management and operational experiences of
flexible risers – Statoil, Stavenger (2013))
75
4.2.9.1 Soluções práticas
Como o material mais comum das armaduras de tração e pressão é o aço carbono, a corrosão
é um evento natural de se acontecer. Assim, a única solução definitiva para o problema é alterar
o material para um que não sofra corrosão, que são alternativas com altíssimo custo de
manufatura.
Assim, as alternativas mais comuns são formas de mitigar o ambiente que causa a corrosão
e não solucionar a corrosão em si. Quando falamos do ambiente, estamos falando do anular e
principalmente dele alagado. Desta forma, para mitigar este ambiente, devem-se ser sugeridas
maneiras de evitar o alagamento, seja de origem externa ou interna.
Como o alagamento de origem externa é proveniente de danos a capa externa, estes tipos
de soluções foram propostas na seção 4.1.4. Já o alagamento de origem interna pode ser evitado
controlando a temperatura a que o duto está exposto, como por exemplo com utilização do
isolamento térmico, evitando a condensação do gás que permeou do bore. Outro meio seria
evitar a permeação do bore para o anular com uma barreira de pressão ou do próprio bore
capazes de impedir a passagem de gases.
4.2.9.2 Recomendações API 17J e 17B
Como vimos, a vida útil do duto flexível está intrinsicamente conectada à fadiga e a
corrosão. Assim, da mesma forma que para a fadiga no item 4.2.7, a API 17J traz
recomendações para que as análises realizadas na fase de projeto levem em consideração casos
com corrosão para que em caso de uma corrosão inesperada a armadura seja capaz de suportar
os esforços atuantes no momento e ao longo de todo o restante da vida útil. Também é
recomendado que a razão do crescimento da corrosão seja documentada para que novas análises
sejam realizadas para saber quanto tempo de vida útil o duto flexível ainda possui.
Na seção 5.4.2.3 são feitas recomendações sobre a aceitação da corrosão. Como já discutido,
a corrosão não é algo simples de ser evitado mas devem ser designados critérios de aceitação
onde o duto flexível não perde sua integridade. Esses critérios devem levar em consideração o
local de operação, as condições de instalação, configuração da linha e fluido transportado. A
corrosão no corpo do conector não pode causar danos a nenhum dos cravamentos internos que
garantem a estanqueidade do anular ou a ancoragem das armaduras.
76
Na seção 5.3 da API 17B são feitas recomendações sobre soluções para prevenir uma falha
por corrosão como podemos ver na Figura 4-33. São elas:
1. Seleção do material de forma a impedir a corrosão.
2. Sistema de proteção catódica apropriado.
3. Aumentar a espessura da camada metálica.
4. Adicionar revestimentos ou lubrificantes.
Figura 4-33 – Soluções para corrosão. (Fonte: API 17B)
77
5 Conclusões
A indústria de Óleo e Gás no mundo continua sendo uma das mais ricas e tecnologicamente
avançadas do mundo. Entretanto, cada vez mais o mercado busca produtos e soluções
otimizadas e custos reduzidos e no mercado de dutos flexíveis o cenário não é diferente.
Como podemos observar ao longo deste projeto, a integridade do duto flexível é de extrema
importância para a operadora e existem diversos elementos capazes de comprometer esta
integridade com modos de falha característicos com alguma consolidação da experiência da
indústria. O cenário é ainda mais complicado no Brasil, quando falamos de exploração em águas
ultra-profundas como o pré-sál e todo seu ambiente hostil para o duto flexível.
Podemos observar também que a maioria das soluções práticas sugeridas precisariam ser
estudadas com relação ao custo x benefício (trade off) já que elas resultariam em produtos mais
caros ou operações mais demoradas(caras). As operadoras são as responsáveis em suas análises
de risco em decidir quais valem a pena correr e quais valem a pena investir de modo a mitigar
o risco. O conhecimento por trás dessas decisões é privado e dificilmente chegará a público.
Ao longo do projeto as recomendações da qualificação API foram citadas diversas vezes.
Essa dependência que a indústria possui de terceiros qualificarem os produtos é um meio
garantir a performance e segurança sem que a operadora necessite interferir muito. Isso dito,
não é uma regra obrigatória e a operadora decidirá onde e quando será requisitado que o projeto
do produto siga as recomendações API.
O futuro talvez traga as principais soluções para danos e falhas nos dutos flexíveis. Como
apresentado no projeto, alguns eventos ocorrem ou não são contido por limitações nos matérias
utilizados e a solução seriam matérias mais nobres. Neste caminho, a indústria já possui uma
atenção especial e um bom nível de investimento em materiais alternativos que substituíssem
os aços ou polímeros comumente utilizados, melhorando características como peso, tração,
compressão, resistência contra colapso, MBR, permeabilidade no anular, entre outros. Estes
materiais alternativos devem a tender a materiais compósitos que possuem as características
desejadas sob controle da fábrica.
A exploração do petróleo offshore ainda possui um futuro longo, logo a indústria de dutos
flexíveis tende a crescer e se desenvolver já que provou ser uma tecnologia confiável aqui no
78
Brasil. E quem sabe com as novas experiências das operadoras internacionais, pós leilão dos
campos realizados pela Petrobras, as mesmas não levem a tecnologia para uma utilização maior
em outras regiões no mundo.
79
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API17J. (2014). API SPECIFICATION 17J - Specification for unbounded flexible pipe.
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