flex risers
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CAPÍTULO 6 - NOÇÕES FUNDAMENTAIS SOBRE LINHAS FLEXÍVEIS - VISÃO OPERAÇÕES CONJUNTAS
6.1 – INTRODUÇÃO E ASPECTOS FUNCIONAIS DAS LINHAS FLEXÍVEIS
Neste item são apresentadas as linhas flexíveis, quais sejam os dutos flexíveis para
condução de fluidos e os umbilicais de controle.
A história da produção marítima de petróleo na PETROBRAS se confunde com a
própria história das linhas flexíveis. Este produto inovador e de alta tecnologia, representou um
papel-chave nas conquistas da PETROBRAS voltadas para águas profundas, que adotou esta
solução como meio de conduzir o petróleo dos poços submarinos até as plataformas (dutos de
coleta), e daí, para os terminais de exportação (dutos de exportação).
Anteriormente ao desenvolvimento dos dutos flexíveis, o transporte de óleo e gás
através do leito marinho era integralmente realizado por dutos de aço. A adoção das linhas
flexíveis tornou viável a antecipação de implantação dos projetos, permitindo a instalação das
tubulações em trajetos mais flexíveis e econômicos, impossíveis de se obter com dutos de aço.
Ademais, o uso de linhas flexíveis evidenciou uma importante vantagem deste produto: a
facilidade de ser recolhido do local de lançamento original, enrolado em bobinas e relançado
em novas locações mais promissoras.
As primeiras notícias que se tem do uso de linhas flexíveis para condução de fluidos
remetem à Segunda Grande Guerra, onde há registros de utilização deste produto pelo Exército
francês com a finalidade de transporte de água potável para tropas.
A primeira aplicação comercial na indústria do petróleo ocorreu em 1973, instalada no
antigo Congo pela Elf Emeraude. A primeira aplicação dos dutos flexíveis na BC ocorreu em
1978, no chamado Sistema Submarino Provisório de Garoupa-Namorado, em LDA de 160m,
hoje já desmobilizado. Esta aplicação estática das linhas flexíveis consistia em utilizá-las
exclusivamente depositadas sobre o leito marinho, ligando os poços submarinos a um
manifold, função na qual são denominadas flowlines.
Logo em seguida, no ano de 1979, registrou-se o primeiro uso das linhas flexíveis em
aplicação dinâmica, na qual são denominadas risers: no Sistema de Produção Antecipada de
Enchova-Leste. Neste sistema um poço submarino (1-RJS-38), em LDA de 180m, interligava-
se diretamente à plataforma flutuante Penrod-72 (SS-10) em LDA de 120m, através de linhas
flexíveis estáticas e dinâmicas. Desde então, as linhas flexíveis têm sido utilizadas em larga
escala em sistemas flutuantes de produção na Bacia de Campos, conquistando uma destacada
reputação de confiabilidade e eficiência. As linhas flexíveis são aplicadas na coleta da
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produção dos poços, na ligação entre manifolds submarinos e plataformas, na ligação de
plataformas entre si, na exportação de óleo para terminais oceânicos e na exportação de gás
para terminal terrestre.
Os sucessivos desafios vencidos desde lâminas d´água rasas como 100m até as lâminas
d´água ultra-profundas já atingidas, em torno de 2000 m, devem-se em grande parte a acordos
de cooperação tecnológica (ACT) com fabricantes. Através de ACT foram desenvolvidas
(concebidas, projetadas e qualificadas) linhas flexíveis com estruturas cada vez mais
resistentes, capazes de suportar os elevados esforços de lançamento e as altíssimas pressões
externas de operação impostas pela coluna d´água.
As linhas flexíveis, conforme sua função, são representadas pelos dutos flexíveis para
condução de fluidos e pelos umbilicais de controle. Os primeiros são construídos numa
estrutura formada por múltiplas camadas de aço e polímeros superpostas, cada uma destinada a
resistir a um tipo de esforço solicitante imposto ao duto ao longo de sua vida útil. Os
umbilicais, por seu turno, são construídos por um conjunto de mangueiras e cabos, usados para
operar remotamente os equipamentos e válvulas submarinas dos poços, monitorar os
parâmetros de produção (temperatura e pressão) e injetar produtos químicos. As figuras a
seguir ilustram estruturas típicas de linhas flexíveis:
Umbilical Hidráulico Duto de Produção de Óleo e Gás
FIG. 1: LINHAS FLEXÍVEIS
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Os dutos flexíveis admitem ainda uma outra classificação funcional:
Dutos de Coleta: Conectam os poços produtores submarinos às plataformas/ manifolds.
Dutos de Injeção d’ água: Conectam os poços injetores às plataformas ou manifolds.
Dutos de exportação: Conectam as plantas de processo das plataformas aos terminais
de exportação.
Atualmente, há cerca 4.227 km de linhas flexíveis instaladas e operando na Bacia de
Campos, algumas delas com mais de 20 anos de operação, incluindo tanto os dutos de
condução de fluidos quanto os umbilicais de controle, cabos elétricos e cabos de fibra ótica,
distribuídos em 3.636 tramos. Há há previsão de instalação de outros 1.360 km de linhas
flexíveis até o final de 2004.
Tabela: Linhas flexíveis instaladas na Bacia de Campos
ÓLEO RISER 235.191
FLOW 852.182
1.087.373
GÁS RISER 217.895
FLOW 904.693
1.122.588
ÁGUA RISER 64.359
FLOW 120.737
185.096
SGN RISER 196
FLOW 1.506
1.702
Total de Dutos Flexíveis 2.396.759
Total de Umbilicais 1.724.283
Cabos elétricos e de fibra ótica 105.584
Total Geral Linhas Flexíveis (m) 4.226.626
Total Geral (km) 4.227
Tabela: Linhas flexíveis a serem instaladas na Bacia de Campos até 2004
INSTALAÇÕES PREVISTAS (m)
ANO 2003 2004
Flexíveis 385.951 329.871
Umbilicais 268.558 371.818
Total 654.509 701.689
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6.2 – ASPECTOS CONTRUTIVOS DOS DUTOS FLEXÍVEIS:
Construtivamente, os dutos podem ser divididos em duas grandes classes:
Unbonbded Pipe ( “LINHA NÃO-COLADA” ) : A construção tubular consiste de
camadas poliméricas e metálicas separadas entre si, permitindo movimentos relativos entre as
camadas.
Bonded Pipe ( “LINHA COLADA” ) : A construção tubular no qual o reforço metálico
é integrado e colado em um processo de vulcanização com materiais elastoméricos. Material
têxtil é incluído na estrutura para obter reforço estrutural adicional ou separar as camadas
elastoméricas.
Este trabalho só levará em conta os dutos flexíveis do tipo Unbonded.
Duto unbonded Duto bonded
FIG. 2: Classificação construtiva dos dutos flexíveis
Outra classificação importante refere-se à camada interna. A maioria dos dutos,
destinados ao transporte óleo e gas são do tipo rough bore (destinam-se ao transporte de
fluidos bi-fásicos). A camada mais interna da estrutura é a carcaça intertravada.
As estruturas do tipo smooth bore destinam-se à injeção de água e aplicações com
líquidos totalmente isentos de gás. A camada interna é a própria barreira de pressão polimérica,
também conhecida neste caso, como liner.
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FIG. 3: COMPOSIÇÃO TÍPICA DO DUTO FLEXÍVEL
6.2.1- Carcaça Interna de Aço Intertravado (interlocked carcass ou inner carcass):
(Camada estrutural)
A função primordial da carcaça interna é suportar a camada polimérica de pressão e
prevenir o colapso do tubo quando submetido a pressões aplicadas externamente. As pressões
externas são oriundas de:
a) cargas radiais de esmagamento aplicadas pelos tensionadores durante o lançamento.
COMPOSIÇÃO TÍPICA DO DUTO FLEXÍVEL CAMADA NOME FUNÇÃO RESISTENTE
1 CARCAÇA INTERTRAVADA Pressão Externa, Colapso, Compressão Mecânica Radial
2 CAMADA INTERNA DE PRESSÃO Estanqueidade ao fluido interno
3 ARMADURA DE PRESSÃO Pressão Interna, Colapso, Compressão Mecânica Radial
4 CAMADA ANTI-DESGASTE Anti-fricção
5 ARMADURAS DE TRAÇÃO Cargas de tração
6 CAPA EXTERNA Estanqueidade ao fluido externo.
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b) cargas localizadas de esmagamento agindo sobre o duto durante a passagem sobre as
rodas de lançamento do LSVs.
c) pressão hidrostática agindo sobre a capa externamesmo com o duto vazio e à pressão
atmosférica.
d) pressão hidrostática atuando diretamente sobre a barreira de pressão, no caso de dano
da capa externa e inundação do intersterstício anular da linha, mesmo com o duto
vazio e à pressão atmosférica.
e) pressão aplicada pelas Armaduras de Tração quando estas são distendidas (efeito de
“squeezing” ou estrangulamento).
f) pressão externa atuante na ocorrência de descompressão súbita do fluido interno.
Nos dutos mais modernos, dotados de armadura de pressão (Zeta), a resistência aos
esforços radiais de lançamento é compartilhada entre a carcaça interna e a armadura de
pressão.
Nos dutos de condução de óleo e gás, a carcaça não é estanque à passagem do fluido,
ficando imersa no produto transportado e portanto, sujeita à ação corrosiva dos componentes
do fluido. Por esta razão, a carcaça interna é confeccionada em aço inoxidável AISI 304
(Fy=689 Mpa), a partir de uma fita de aço formada, enrolada em espiral e intertravada. No caso
de fluidos muito corrosivos ou ácidos (sour service), deve-se especificar a carcaça interna em
materiais especiais (por exemplo, AISI 304L para fluidos medianamente corrosivos ou ácidos e
Super-duplex para fluidos fortemente corrosivos).
Nos dutos flexíveis de condução de água há uma inversão entre as camadas interiores,
sendo que a camada mais interna é polimérica (liner), isolando o fluido interno (água salgada)
da carcaça. Isto permite construir a carcaça em aço carbono, mais econômico que o aço
inoxidável.
6.2.2- Camada Interna ou Barreira de Pressão (polymeric pressure barrier):
Esta camada garante estanqueidade ao duto flexível, evitando o vazamento dos fluidos
conduzidos. É feita de um tubo polimérico extrudado sobre a carcaça interna (caso dos dutos de
condução de óleo e gás). O material mais usado é a Poliamida 11 ou Nylon-11, que garante
excelente resistência aos hidrocarbonetos em pressões elevadas e temperaturas medianas (até
cerca de 90ºC). Uma das designações comerciais do Nylon-11 muito utilizada nos dutos
flexíveis é o Rilsan P40TL™ (produzido pela indústria francesa Atochemie). Pode também ser
construída em Polietileno, como por exemplo no caso de dutos para condução de água.
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Nos dutos de injeção de água, a barreira de pressão é construída internamente à carcaça
e recebe a denominação de liner. O liner fornece uma proteção anti-corrosiva à carcaça que
permite o manuseio de água salgada mesmo com elevada concentração de cloreto de sódio.
Além disso, o liner interno reduz as perdas de carga do duto flexível, permitindo a injeção de
maiores vazões de água.
Em caso de utilização com fluidos aquecidos, deve-se especificar outro polímero com
performance adequada à esta circunstância. O Coflon™ é o polímero indicado pela TECHNIP-
COFLEXIP para esta condição.
6.2.3 - Armadura de Pressão (pressure armour ou zeta™ spiral layer)
(Camada estrutural)
Esta camada de reforço estrutural foi introduzida nos dutos flexíveis para águas
profundas com a função principal de aumentar a resistência do duto flexível à pressão interna
de operação resistindo inclusive à pressão de teste de explosão.
Subsidiariamente, a armadura de pressão auxilia a carcaça interna a resistir às pressões
externas (esforços radiais de lançamento, pressão hidrostática externa e efeito de
estrangulamento dos arames das armaduras de tração).
Esta camada age também evitando a extrusão da barreira de pressão de Nylon, que pode
ocorrer no caso do envelhecimento químico do Nylon (creeping).
Esta camada apresenta aspecto construtivo próprio e designações proprietárias dos
fabricantes: Em geral é feita de um fio em Z, enrolado sobre a camada de pressão com
intertravamento das espirais. O material usado em geral, é o aço carbono com limites de
escoamento do material entre 759 e 1000 Mpa. Excepcionalmente, pode-se usar aços-liga.
6.2.4 - Camada Anti-desgaste ( anti-wear -só aplicável aos risers )
É uma camada não-metálica cuja função é evitar a fricção e o desgaste de duas camadas
metálicas com os movimentos relativos do riser em operação e a pressão de contacto induzida
pela pressão interna e a tensão. É feita através da extrusão de um tubo de plástico sobre a
armadura de pressão. O material usado é o polietileno ou a poliamida.
Em algumas estruturas, esta camada é constituída de uma fita enrolada sobre a
armadura de pressão.
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6.2.5- Armaduras de Tração (tensile armours)
(Camada estrutural)
A função principal das armaduras é suportar as cargas axiais induzidas pela pressão e
pelos esforços no lançamento. Nos tubos sem Zeta, as armaduras servem também de apoio ao
tubo de pressão para resistir aos esforços da pressão interna. São feitas de duas camadas em
cruz de fios chatos de aço, com um passo grande ao longo do comprimento, de forma a se obter
boa resistência a cargas de tração. O ângulo de assentamento das armaduras (lay angle) situa-se
normalmente na faixa entre 20º e 60º, variando conforme se queira aumentar ou diminuir a
participação das armaduras na resistência à pressão interna; por exemplo, para as estruturas
mais antigas, sem a armadura de pressão ou Camada Zeta, o ângulo das armaduras de tração
era estabelecido em 55º. Para risers compostos por mais de um tramo, as armaduras são
normalmente construídas com ângulo na faixa de 25º - 30º no tramo de superfície (top) ,
enquanto o ângulo do tramo de fundo (bottom) fica normalmente na faixa de 40º - 45º .
O material comumente usado é o aço carbono com limite de escoamento do material
entre 1138 Mpa e 1400 Mpa.
6.2.6- Fita de reforço das armaduras de tração (holding bandage)
Bandagem feita de tecido polimérico (Kevlar, poliester, prolipropileno) ou fita de fibra
reforçada, enrolada ao redor da armadura de tração externa a fim de evitar a flambagem dos
arames e desarranjo das armaduras (“gaiola de passarinho” ou birdcaging), conferindo à linha
uma pequena resistência à compressão. A tendência dos arames perderem sua posição
construtiva é também conhecida como efeito de fundo negativo ou efeito de fundo inverso.
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6.2.8- Camada ou Capa Externa (outer sheath)
É uma camada não-metálica cujas funções principais são resistir aos danos mecânicos,
protegendo a estrutura contra corrosão e abrasão, evitando o ingresso de água do mar,
fornecendo isolamento térmico adicional e servindo também para manter as armaduras em
ordem. É feita de um tubo plástico extrudado sobre as armaduras. O material usado é o
RILSAN 400 TL para os risers e o polietileno de alta densidade (HDPE) para as flowlines.
6.2.9- Camadas de isolamento térmico (thermal insulation layers)
São camadas de material isolante adotadas para reduzir as perdas de calor em casos
especiais onde seja especificada a temperatura mínima de chegada do óleo na plataforma. Tem
sido adotada um tipo de fita de material polimérico feito de espuma sintática, ou seja , de
material construído com base em micro-esferas que previnem o colapso do material em águas
profundas e garantem a manutenção de suas propriedades mesmo em grandes profundidades.
É uma camada exterior de material metálico aplicada em casos especiais sobre a capa
externa em regiões onde a linha esteja sujeita a abrasão, especialmente no contacto com o leito
marinho. Esta prática está em sdesuso, tendo sido substituída pela instalação de colares de
poliuretano ao longo do trecho sujeito a abrasão caso o solo marinho seja constituído de
material duro (corais ou carbonatos).
6.3 – ASPECTOS CONTRUTIVOS DOS UMBILICAIS ELETRO-HIDRÁULICOS DE CONTROLE E INJEÇÃO QUÍMICA:
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FIG. 4: COMPOSIÇÃO TÍPICA DO UMBILICAL SUBMARINO
6.3.1- CORPO CENTRAL
É o conjunto funcional do umbilical, ou seja, a região interna confinada pelas
armaduras de tração e pela capa externa onde estão localizados todos os elementos funcionais
do umbilical.
Núcleo de cabo de aço ou Armadura interna
É utilizado em alguns projetos de umbilicais para dar consistência ao núcleo, servindo
para suportar as camadas superiores, auxiliando na resistência à tração do umbilical.
Nos umbilicais em que se utiliza o núcleo para alojar cabos elétricos, os cabos são
encapsulados por uma capa de polietileno envolta por uma armadura de arames redondos.
Cabos elétricos de transmissão de sinais
São os cabos destinados a transmitir os sinais elétricos portadores das informações
referentes às variáveis físicas de produção obtidas dos equipamentos de medição instalados no
fundo e na cabeça do poço (TPT – Temperature and pressure transducer - temperatura e
pressão de cabeça de poço) (PDG – Pressure Downhole Gauge – Temperatura e pressão de
fundo do poço).
Mangueiras poliméricas ou termoplásticas:
São as mangueiras destinadas a conter o fluido hidráulico para controlar a abertura e o
fechamento das válvulas da ANM e da coluna do poço.
As mangueiras termoplásticas são construídas de um tubo interno fabricado em
Nylon-11, reforçado por uma malha de Kevlar™ que lhe concede alta resistência à pressão
interna. Cada mangueira é revestida externamente por uma capa externa de polietileno.
COMPOSIÇÃO TÍPICA DO UMBILICAL COMP. NOME FUNÇÃO
1 NÚCLEO DE CABO DE AÇO ou ARMADURA INTERNA Resiste às cargas de tração
2 CABOS ELÉTRICOS Monitoração das variáveis físicas de produção
3 MANGUEIRAS POLIMÉRICAS Condução de fluido hidráulico de controle
4 MANGUEIRAS DE CARCAÇA Condução de produtos químicos de injeção
5 ENCHIMENTO (FILLER) Distribuição interna de cargas
6 ARMADURAS DE TRAÇÃO Cargas de tração
7 CAPA EXTERNA Proteção
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As mangueiras são arranjadas internamente numa construção chamada de S-Z,
resultando em comprimentos individualmente maiores que o comprimento do próprio
umbilical. Este excedente de comprimento garante que as mesmas fiquem isentas da
transmissão de esforços de tração.
Mangueiras com carcaça (HCR – High Collapse Resistant)
São mangueiras fabricadas a partir de uma carcaça interna de aço intertravado resistente
ao colapso. Sobre a carcaça interna, é extrudada uma camada ou uma barreira de vedação de
Nylon-11 envolta por uma malha de Kevlar™ e por uma capa externa de polietileno.
Estas mangueiras destinam-se ao transporte de etanol e outros produtos químicos para
injeção na ANM. O manuseio de substâncias químicas menos densas que a água do mar
( como por exemplo, o etanol), resulta na aplicação de uma pressão diferencial externa capaz
de colapsar as mangueiras termoplásticas comuns em águas profundas; daí a necessidade de
prover-se um produto reforçado ao colapso.
Enchimento (Filler)
São elementos inseridos entre as mangueiras, com a finalidade de preencher os espaços
vazios propiciando suportação lateral para as mangueiras quando submetidas a esforços de
compressão diametral. Desta forma, o enchimento garante a transmissão uniforme de tensões
sobre os elementos do umbilical, em especial na fase de instalação.
Capa do Corpo Central ou Capa interna
É uma capa de polímero, normalmente de polietileno, destinada a proteger e manter o
arranjo dos elementos do corpo central.
6.3.2- ARMADURAS DE TRAÇÃO
São as camadas estruturais metálicas utilizadas para sustentar as cargas de tração e
fornecer peso para a estabilização do umbilical durante lançamento e operação. As armaduras
consistem normalmente de duas camadas de arames metálicos enrolados helicoidalmente em
sentidos opostos.
Conforme o projeto do umbilical, o ângulo de assentamento das armaduras é pode ser
epecificado de 20 a 55 graus.
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6.3.3- CAPA EXTERNA
É a camada exterior polimérica utilizada para proteger o Umbilical contra a penetração
e ação de agentes externos tais como, água do mar, corrosão, abrasão, danos mecânicos, etc..
A capa externa funciona ainda mantendo a armadura de tração na posição depois de
montada.
6.4 – ACESSÓRIOS DAS LINHAS FLEXÍVEIS:
6.4.1. CONECTORES DE EXTREMIDADE (End-fittings)
Normalmente, é desejavel que os dutos flexíveis sejam produzidos em comprimentos
contínuos exatos para as aplicações requeridas a fim de evitar-se emendas, que são caras e
sujeitas a corrosão e vazamentos. Contudo, devido a limitações fabris, de manuseio, estocagem
e transporte e ainda, devido à necessidade de reparo e de ajuste de comprimento, os dutos
flexíveis são supridos em seções ou tramos, interligados através de conectores de extremidade
flangeados.
FIG. 5: RETERMINAÇÃO DE DUTO FLEXÍVEL EXECUTADA A BORDO DE LSV.
Portanto, os conectores de extremidade são dispositivos de terminação e emenda dos
tramos dos dutos flexíveis, destinados a unir tramos contíguos de dutos flexíveis entre si,
garantindo a estanqueidade e a continuidade estrutural.
Os conectores de extremidade são projetados para resistir aos esforços oriundos da
pressão interna e de outras cargas derivadas do manuseio e da operação dinâmica, oferecendo
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terminação adequada para todas as camadas internas de forma que o duto possa operar como se
as camadas internas não tivessem sofrido interrupção.
FIG. 6: ARRANJO ESQUEMÁTICO INTERNO TÍPICO DE UM CONECTOR.
Os conectores de extremidade e demais acessórios dos dutos flexíveis são em geral,
especificados com um tratamento anti-corrosivo compatível com a vida útil prevista para o
equipamento imerso em água do mar. Para os acessórios de aço carbono para uso permanente,
como é o caso dos conectores, o tratamento reconhecido como de maior eficiência é o
revestimento com níquel químico de difusão intermolecular. Outros acessórios de uso
temporário (colares, vértebras, etc..) podem ser especificados com revestimentos à base de
pintura com proteção catódica passiva (anodos de sacrifício).
De maneira geral, o uso de conectores intermediários é evitado nos trechos dinâmicos
dos dutos flexíveis (risers). Entretanto, devido às profundidades crescentes de instalação, o
consequente aumento do comprimento requerido para os risers (da ordem de 2000m ou mais) e
o aumento de peso das estruturas cada vez mais reforçadas, torna-se requerido a introdução de
uma emenda intermediária para que o peso das seções individuais se torne compatível com a
capacidade das bobinas de armazenamento e transporte.
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Em águas rasas era comum utilizar-se nos conectores de extremidades dispositivos
especiais de conexão rápida conhecidos como conectores gray-lock , que tornavam a conexão
feita por mergulhadores mais rápida. Entretanto, com o aumento das profundidades de
instalação estes dispositivos foram abandonados e totalmente substituídos por ligações
flangeadas.
As conexões flangeadas são projetadas para resistir aos esforços oriundos da pressão
interna bem como as cargas mecânicas derivadas do lançamento e da operação dinâmica. Na
prática, os flanges dos conectores das linhas flexíveis foram padronizados conforme a tabela
abaixo, para instalação em águas profundas na Bacia de Campos. Esta padronização está em
vigor para dutos lançados em LDAs de até 1500m. Não obstante a padronização estabelecida, é
requerido aos fornecedores procederem à verificação estrutural das terminações flangeadas
para as cargas reais aplicáveis a cada aplicação específica.
Diâmetro da linha flexível
Especificação padronizada do flange
2 ½” Flange 2 9/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-153
4” Flange 4 1/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-155
6” Flange 7 1/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-156
8” a 9” Flange 9” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-157
9 ½” a 10” Flange 11” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-158
11” a 12” Flange 13 5/8” – API Tipo 6B – 3000# - Spec 6A Tab. 901.3 – Anel BX-160 (em subst. a RX-57)
> 12” Flange 16 3/4” – API Tipo 6B – 2000# - Spec 6A Tab. 901.2 – Anel BX-161 (em subst. a RX-65)
Umbilicais Flange 5 1/8” – API Tipo 6B – 2000# - Spec 6A Tab. 901.2 – Face Plana
PADRONIZAÇÃO DE FLANGES PARA DUTOS FLEXÍVEIS ATÉ LDA=1500m
Os conectores são providos de orifícios e canais de acesso especiais cuja função será
descrita nos itens seguintes.
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FIG. 7: ORIFÍCIOS ESPECIAIS DOS CONECTORES DE EXTREMIDADE.
6.4.2- VÁLVULAS DE DRENAGEM DE GÁS (Vent check-valves)
Um importante fenômeno que ocorre nos dutos flexíveis que transportam gases ou
líquidos contendo gases sob pressão é a migração de pequenas quantidades de gás que
permeiam através das diversas camadas poliméricas e metálicas internas ao duto, vindo a
acumular-se no espaço anular existente imediatamente sob a capa externa. Caso não sejam
providas condições para permitir a liberação deste gás percolado, a pressão pode crescer a
ponto de causar bolhas e rutura da capa externa, com a consequente exposição das armaduras.
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Para prevenir este tipo de dano, os conectores de extremidade são dotados de válvulas
de retenção (check-valves) que liberam para a atmosfera o excesso de gás acumulado no anular
sob a capa externa, evitando o ingresso de água do mar para dentro da estrutura do duto
flexível. As válvulas de drenagem de gás são calibradas a uma pressão segura, compatível com
a resistência da capa externa (normalmente 4 bar).
FIG. 8: VÁLVULA DE DRENAGEM DE GÁS DE DUTO FLEXÍVEL.
Para o perfeito funcionamento das válvulas de drenagem de gás e para o descarte
adequado dos gases residuais nas UEPs, os drenos devem ser interligados a uma rede
construída em tubings de aço inoxidável tal que o descarte se dê em local seguro, para a
atmosfera. Esta rede não pode ser interligada a outras redes de alívio da plataforma pois a
ocorrência acidental de contrapressão pode causar danos e rutura da capa externa dos risers.
6.4.3- DISPOSITIVO PARA TESTE PNEUMÁTICO
Ao longo do lançamento dos dutos flexíveis, são montadas diversas ligações
flangeadas, as quais têm um histórico muito favorável com relação à ocorrência de
vazamentos. Além do uso de juntas tipo anel, o uso de dispositivos hidráulicos de aperto
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(sistema Hydratight™) garantem bons resultados e um índice muito pequeno de vazamentos. A
despeito destes bons resultados, as uniões flangeadas são testadas uma a uma a bordo dos LSVs
através de teste pneumático localizado, por injeção de N2. Os flanges são construídos com
portas de acesso especiais que permitem injetar Nitrogênio no fundo dos entalhes (grooves) de
assentamento da junta anel para testar a eficiência da vedação das juntas.
FIG. 8: PORTA DE ACESSO PARA TESTE PNEUMÁTICO DE N2.
6.4.4- CABEÇAS-DE-PUXAMENTO ou CABEÇAS-DE-TRAÇÃO
(Pulling-heads)
As cabeças-de-puxamento ou cabeças-de-tração (pulling heads) são os dispositivos
terminais instalados nos tramos finais dos dutos flexíveis que permitem o manuseio através de
cabos com as finalidades de abandono no leito marinho ou puxamento (pull-in) nas UEPs.
Muitas das vezes estes acessórios são dotados de tampão (plug) de acesso para enchimento e
teste hidrostático dos dutos flexíveis e daí receberem também a denominação de “flange cego
de manuseio e teste” .
Nos casos em que as linhas serão introduzidas através de guias ou de tubos I (I-tubes),
as cabeças-de-puxamento possuem um perfil especial para evitar interferências durante o
processo de puxamento. Neste caso, costuma-se denominá-las de cabeça-de-puxamento
“perfilada” ou “ flange cego perfilado”
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FIG. 9: CABEÇA-DE-PUXAMENTO TIPO “PERFILADA” PARA PULL-IN EM I-TUBES
6.4.5- ENRIJECEDORES DE CURVATURA (Bending Stiffeners)
Os enrijecedores-de-curvatura são acessórios aplicados na parte de topo dos risers
flexíveis com o objetivo de criar um reforço de transição entre a conexão flangeada (engastada)
e o duto flexível.
Como se sabe, o duto flexível dinâmico (riser) tem um comportamento típico de um
cabo, sujeito exclusivamente à tração ao longo de todo o comprimento suspenso, exceto na
região de ligação flangeada à plataforma, onde ocorrem tensões de flexão oriundas do efeito de
engastamento do flange.
Os enrijecedores têm o formato cônico, que propicia a transiçaõ do comportamento
rotulado para o comportamento engastado, sendo fabricados de poliuretano injetado sobre
armaduras metálicas internas.
Apesar de desempenharem a mesma função, há dois tipos de projeto de enrijecedores
de curvatura ligeiramente distintos:
- para uso em suportes de superfície (hang-offs type stiffener)
- para uso acoplados em bocas-de-sino (bell-mouth type stiffener).
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FIG. 10: ENRIJECEDOR DE CURVATURA
6.4.6- RESTRITORES DE CURVATURA ou VÉRTEBRAS
(Bending Restrictors - Vertebrae)
Os restritores-de-curvatura são acessórios constituídos por uma sucessão de vértebras
acopladas entre si com a finalidade de restringir ou limitar o dobramento localizado de um duto
submarino a um valor mínimo de projeto (raio mínimo de dobramento ou minimum bending
radius).
Este acessório é utilizado em locais onde o manuseio, operação ou instalação podem
envolver situações em que o duto pode correr o risco de sofre dobramento acentuado, que
poderia ocasionar a plastificação das camadas poliméricas ou mesmo o destravamento da
carcaça ou da armadura de pressão.
199
FIG. 11: RESTRITOR DE CURVATURA (VÉRTEBRAS)
6.4.7- DISPOSITIVOS DE ANCORAGEM DE RISERS
Os risers flexíveis, normalmente suspensos em catenária livre, são lançados segundo
configurações de tensionamento que não podem ser perdidas ao longo da vida útil sob pena de
sofrerem danos em operação. Para preservar a configuração geométrica original, muitas vezes é
necessário ancorar o riser ao leito marinho de maneira a garantir a transmissão da sua reação
horizontal.
O sistema de ancoragem mais eficiente em uso na PETROBRAS consiste de uma
estaca-torpedo cravada no leito marinho através de lançamento em queda livre a partir de um
barco de manuseio de âncoras. O riser é fixado à estaca através de um colar de ancoragem e de
amarras, interligados através de ROV.
200
FIG. 12: ESQUEMA DE ANCORAGEM DE RISER ATRAVÉS DE ESTACA-
TORPEDO
FIG. 13: DETALHES CONSTRUTIVOS DAS ESTACAS-TORPEDO
BÓIAS E FLUTUADORES (Floating devices)
PROTETORES CONTRA ABRASÃO (Outerwraps)
201
DISPOSITIVOS DE SUPORTAÇÃO NAS PLATAFORMAS
I-TUBES & BELL-MOUTHS
Lifting Accessories
Bell-mouth
I-tube
202
203
Diâmetro da linha flexível
Especificação padronizada do flange
2 ½” Flange 2 9/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-153
4” Flange 4 1/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-155
6” Flange 7 1/16” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-156
8” a 9” Flange 9” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-157
9 ½” a 10” Flange 11” – API Tipo 17SS – 5000# - Spec 17D Tab. 901.2 – Anel BX-158
11” a 12” Flange 13 5/8” – API Tipo 6B – 3000# - Spec 6A Tab. 901.3 – Anel BX-160 (em subst. a RX-57)
> 12” Flange 16 3/4” – API Tipo 6B – 2000# - Spec 6A Tab. 901.2 – Anel BX-161 (em subst. a RX-65)
Umbilicais Flange 5 1/8” – API Tipo 6B – 2000# - Spec 6A Tab. 901.2 – Face Plana
PADRONIZAÇÃO DE FLANGES PARA DUTOS FLEXÍVEIS ATÉ LDA=1500m
Diameter of Risers Diameter of Bellmouths & I-tubes
Umbilicals (all) 18”
2 1/2” 18”
4” 18”
6” 22”
8” 26”
10” 30”
12” 30”
14,5 34”
IPU Riser (2 ½”ID+ 8x ½”) 26”
204
6.5 – ACESSÓRIOS DOS UMBILICAIS SUBMARINOS:
Os acessórios dos umbilicais submarinso são semelhantes aos acessórios dos dutos
flexíveis descritos no item anterior, com as diferenças referentes aos distintos papeis que
desempenham os dutos flexíveis (condução de fluidos produzidos) e os umbilicais flexíveis
(controle hidráulico e condução de sinais elétricos).
Assim, citamos os seguintes acessórios de uso específico nos umbilicais submarinos:
POTE DE ARMAÇÃO (Armor-pot)
Desempenha papel similar aos conectores de extremidade dos dutos flexíveis, provendo
a ancoragem das armaduras. O pote de armação é integrado com um flange padronizado Flg. 5
1/8” – API Tipo 6B – 2000# - Spec 6A Tab. 901.2 – Face Plana.
205
CAIXA DE EMENDA (Junction box)
É o acessório destinado a prover espaço para alojar os conectores elétricos e as emendas
das mangueiras, assegurando a continuidade estrutural e transferência de carga de um tramo ao
outro.
FIG. xx: RESTRITOR DE CURVATURA (VÉRTEBRAS)
CONECTOR ELÉTRICO (Electrical connector)
É o dispositivo que permite a união de dois tramos de cabo elétrico garantindo a
continuidade plena da transmissão da corrente elétrica. São projetados com compensadores de
pressão de forma a operar nas LDA máxima do projeto. Atualmente, a PETROBRAS possui
somente dois fornecedores qualificados a suprirem este tipo de equipamento: as companhias
TRONIC e OCEAN DESIGN.
6.5.1 – ESFORÇOS SOLICITANTES DAS LINHAS FLEXÍVEIS:
As linhas flexíveis devem ser submetidas a dimensionamento geométrico e estrutural
considerando-se os seguintes parâmetros e solicitações mecânicas:
- Pressão Interna
- Resistência à tração
- Resistência à pressão mecânica exercida pelas armaduras (squeeze)
- Resistência da carcaça à pressão externa (colapso)
206
- Resistência à torção e à tração
- Raio mínimo de curvatura
- Rigidez à tração (alongamento)
- Rigidez à torção
- Rigidez à flexão
- Coeficiente de condutibilidade térmica.
Esforços de lançamento
Esforços de operação
Pressão Interna (Internal Pressure):
Pressão de Projeto (Design Pressure – DP): É a máxima pressão interna a que o duto
flexível será submetido ao longo de sua vida útil.
Pressão de Trabalho ou Pressão de Operação (Working Pressure-WP ou Operating
Pressure): É a pressão típica à qual o duto estará submetido em condições normais, excluindo-
se pressões oriundas de efeitos intermitentes (tais como surtos de pressão - surges)
Pressão de Teste (Test Pressure – TP): São as pressões às quais os dutos flexíveis são
submetidos nas diversas fases que antecedem a entrada em operação. As pressões de teste para
os dutos flexíveis são estabelecidas em função da Pressão de Projeto (DP) nas normas de
projeto de dutos flexíveis.
]ressão de explosão (fase de qualificação): 2.0 x DP (típica)
Pressão de teste de aceitação de fábrica: 1.5 x DP
Pressão de teste de estanqueidade ( após instalação): 1.25 x DP (tipica)
Pressão Externa (External Pressure):
Pressão externa de projeto (Design External Pressure): É a máxima pressão hidrostática
externa a que o duto flexível estará submetido ao longo de sua vida útil.
Colapso (Colapse): Dano permanente do duto, consistindo do achatamento de sua seção
transversal e impedinto seu para as funções a que foi destinado. O colapso pode resultar de
uma série de condições de carregamento, agindo separadamente ou de forma combinada:
a) Pressão externa excessiva (por exemplo, caso a profundidade de projeto seja excedida.
b) Cargas compressivas laterais ou axiais excessivas.
c) Cargas externas de impacto acidentais (por exemplo, queda de objetos).
207
d) Cargas de tração excessivas (resultando em constrição da seção transversal)
g) Dobramento excessivo (raios menores que o raio mínimo de dobramento)
Profundidade de Projeto (Design Depth rating) : É a profundidade máxima de água do mar
para a qual o duto flexível foi dimensionado, operando vazio, com pressão interna atmosférica.
Profundidade última de projeto (Ultimate Depth Rating)É a profundidade na qual ocorrerá o
colapso hidrostático do duto flexível.
Profundidade última de projeto = 1,5 x Profundidade de Projeto (típica)
Resistência ao esmagamento (Crushing resistance): É a resistência local às cargas
compressivas radiais atuantes em dispositivos como calhas, guias, braçadeiras, tensionadores,
rolos de lançamento, roldanas ou outro equipamentos de lançamento.
Cargas de Tração (Tensile Loads) :
Carga máxima de tração (Design Tension Load): É a carga máxima axial de tração de projeto à
qual o duto estará submetido ao longo de sua vida útil, sem resultar em colapse ou qualquer
outro tipo de dano permanente.
Carga última de tração (Ultimate Tenson Load ou Damage Pulling Load) : Carga de tração na
qual ocorrerá dano permanente no duto.
Carga última de tração = 2 x Carga máxima de tração
Pressão Diferencial (Pressure Differential) :
Pressão Diferencial: Para uma dada seção de duto flexível, é a diferença entre a pressão externa
e a pressão interna atuantes.
Máxima pressão diferencial: É a diferença entre a pressão externa de projeto e a mínima
pressão interna para uma dada seção de duto.
208
6.6 – TESTES EM DUTOS FLEXÍVEIS:
6.6.1- TESTES DE QUALIFICAÇÃO DOS DUTOS FLEXÍVEIS:
Introdução e Histórico:
A PETROBRAS em colaboração com os fornecedores tradicionais através de Acordos
e cooperação tecnológica (TCAs ou ACTs), desenvolvem o processo de qualificação de dutos
flexíveis para águas ultra-profundas.
O marco inicial da aplicação de tubos flexíveis em LDAs superiores a 1000m foi o
lançamento do bundle de produção do poço MRL-4 (LDA 1027m), em maio de 1994. O MRL-
4 abriu as portas para novas perspectivas em direção a profundidades cada vez mais
desafiadoras desenvolvendo-se tubos flexíveis com camadas cada vez mais robustas, dentro da
filosofia de estender os projetos de estruturas convencionais para aplicação em águas mais
profundas.
Esta filosofia foi efetiva até maio/1977 onde experimentou-se falhas por flambagem dos
arames na armadura interna em linhas de 4”, em LDA de 1710m (poço MLS-3), sinalizando a
necessidade de introdução de conceitos inovadores na composição estrutural dos dutos
flexíveis de 4” para 2000m. Ademais, introduziu-se no escopo dos testes de qualificação a
prática de testes de campo (conhecidos como DIP tests – Deep Immersion Tests). As principais
mudanças referem-se às características das armaduras de tração: ângulo de assentamento
(±35°) e inércia do perfil (2,5x7mm) maiores ( contra ±25° e 2,0x7mm).
O processo de desenvolvimento de linhas de 6” para 1500m também foi acompanhado
de percalços nos testes de colapso hidrostático que exigiram inovações estruturais nos projetos
dos dutos, especialmente nas características das armaduras de tração e na camada Zeta. O
ângulo de assentamento das armaduras dos risers mudou de ±30° para ±40° e o número de
arames diminuiu, mantendo-se o peso, sem alterar as dimensões dos arames (4 x 9mm). Nas
flowlines de 6”, a espessura da camada Zeta passou de 6,2 para 8mm, o ângulo de
assentamento das armaduras passou de ±30° para ±40° e as dimensões dos arames passaram
de 2,5x7mm para 4x9mm.
Testes de Qualificação:
O processo de qualificação de um duto flexível envolve a fabricação de um protótipo e
a execução de uma série de testes em escala real visando reproduzir as condições reais de
solicitação às quais o duto estará sujeito quando em serviço. O protótipo deve reproduzir
completamente o produto que se quer qualificar sob os pontos de vista de : projeto, matéria
209
prima, processos, operadores, máquinas, equipamentos, estocagem, armazenamento, manuseio,
etc. Deve-se levar em conta a conveniência de aplicar-se previamente aos testes de
qualificação, ciclos de carga e descarga, a fim de evitar-se que a acomodação estrutural afete os
resultados dos testes de qualificação.
O processo de desenvolvimento e qualificação de tubos flexíveis para produção em
águas profundas é descrito nas Normas PETROBRAS N-2409 – Especificação de Tubos
Flexíveis - Anexo B e API-17B .
Os testes de qualificação de dutos realizados para águas profundas são:
- Teste hidrostático de pressão interna.
- Teste de pressão externa (colapso hidrostático).
- Teste de tração sobre gabarito curvo (tração e flexão combinadas).
- Teste de tração e pressão interna combinados .
- DIP Test (Deep Immersion Test)
Há casos em que os testes de qualificação podem ser dispensados. São os casos de
dutos com comportamento conhecido e estruturas semelhantes (com especificações de
materiais, espessuras de camadas e ângulo de assentamento das armaduras (lay angle)
semelhantes). Entretanto, a qualificação completa será exigida para novos produtos, dotados de
estruturas incomuns ou produzidos a partir de novos materiais e métodos construtivos
inovadores e nos casos de atingimento de novas fornteiras tecnológicas, avançando em LDAs
crescentes.
Em alguns casos excepcionais, pode-se dispensar os testes de pressão interna e testes de
tração combinada com pressão interna tendo em vista que as metodologias de
dimensionamento em uso são capazes de predizer adequadamente a resistência efetiva do duto
submetido a estas ações.
Contudo, as ferramentas de cálculo não são precisas na predição de resistência ao
colapso, à passagem sobre rodas de lançamento e à compressão radial em lançamento.
Teste Hidrostático de Pressão Interna:
O objetivo deste teste é avaliar a resistência estrutural do duto flexível e dos conectores
de extremidade à pressão interna.
210
Arranjo do corpo de prova: O corpo de prova deve ser suspenso cheio d’água num
dispositivo que permita a livre rotação e deformação radial, sem qualquer restrição ao redor. O
corpo de prova deve ter o comprimento total de no mínimo, 20 vezes o diâmetro interno (ID).
Medições e registro de deformações: Os corpos de prova serão pressurizados até a
rutura a uma taxa de pressurização ≤ 10 Mpa/min, sendo a pressão interna continuamente
monitorada e registrada. As medidas de deformação e deslocamentos que serão
necessariamente registradas em certos estágios especiais do teste (tais como no começo do
teste e na pressão de projeto) são as seguintes:
a) Alongamento total na seção intermediária (LD)
b) Deformação diametral média (MDD) medida na seção central (medidas tomadas em
dois diâmetros defasados de 90°
c) Rotação da extremidade livre (R).
d) Registros da Pressão de Explosão (Burst Pressure), mecanismo de falha e
localização da falha
Critérios de Aceitação:
a) A pressão de explosão deve ser superior ao dobro da Pressão de Projeto. Antes de
atingir esta pressão, não são admitidos quaisquer vazamentos.
b) As medidas de deformações devem estar compreendidas dentro dos seguintes
limites:
L ≥ 20 ID
2 ID
Medição do alongamento longitudinal LD ao longo do
comprimento indicado
18 ID 2 ID
Medição da deformação diametral média MDD na seção central
Extremidade Rotulada
Extremidade Fixa
Pressão de Explosão ≥ 2 X PP
211
Condição de carregamento LD MDD R
Na pressão de projeto (PP) ±2.0% ±1.5% ±0.6°/m
Deformações residuais após o teste ±1.0% ±0.5% ±0.2°/m
Mecanismo de rutura durante o teste de explosão: Ao longo do teste, a pressão interna é
aplicada diretamente sobre a armadura de pressão, através da barreira de pressão.
Simultâneamente, a pressão atuante sobre os flanges cegos das extremidades aplica tração
sobre os arames da armadura de tração, fazendo com que os mesmos se distendam e
comprimam radialmente a armadura de pressão (efeito de squeezing), fornecendo a resistência
adicional à mesma. A rutura pode ocorrer através de dois mecanismos: a) por escoamento da
armadura de pressão, o que provoca um aumento de tensões nos arames, levando-os ao
escoamento e rutura (modo de falha: escoamento da armadura de pressão - hoop failure mode
ou b) por rutura dos arames, se as cargas sobre os flanges (end cap load) excederem a
resistência última dos arames, levando-os à rutura (modo de falha axial).
Teste de Pressão Externa (Colapso Hidrostático):
O teste de pressão externa visa verificar a resistência do tubo flexível ao colapso. Os
dutos flexíveis são projetados para serem lançados na condiçaõ vazia, com pressão interna
atmosférica, resistindo ao colapso na profundidade de projeto. O teste também visa verificar as
condições do sistema de selagem dos conectores de extremidade.
Arranjo do corpo de prova: O corpo de prova deve ser instalado vazio numa câmara
hiperbárica. A amostra deve ter o comprimento no mínimo igual a 10 vezes o diâmetro interno
do duto. A fim de garantir que a pressão externa atue diretamente sobre a barreira de pressão,
deve-se cortar um pedaço da capa externa com as dimensões iguais a 01 (um) diâmetro interno,
de forma a deixar as armaduras expostas. No caso do corpo de prova possuir outras camadas
internas poliméricas, deve-se fazer furos a fim de garantir a atuação direta da pressão na
barreira de pressão.
L ≥ 10 ID
ID
212
- Procedimento do teste:
- Primeiro passo: Deve-se aplicar pressão na câmara hiperbárica a uma taxa não
superior a 10 Mpa/min, até um valor compreendido entre 1.0 e 1.2 vezes o máximo
diferencial de pressão. Após um período inicial de estabilização, a pressão deve ser
mantida dentro deste range durante no mínimo 24 horas; não são toleradas quedas
de pressão ao longo deste passo .
- Segundo passo: Subsequentemente, a pressão deve ser aumentada à mesma taxa
(10 Mpa/min) até que a amostra alcance o colapso. A pressão de colapso, o
mecanismo de falha e a localização da falha devem ser registrados em relatório.
Critérios de Aceitação:
a) Não são admitidos vazamento para dentro do corpo de prova durante o primeiro
passo do teste.
b) A pressão de colapso deve ser 1,5 vezes maior que a máxima pressão diferencial.
Teste de Tração sobre gabarito curvo (Tensile Test):
O objetivo deste teste é avaliar a resistência do duto flexível submetido à tração
combinada com flexão, simulando a passagem do duto ao redor das rodas de lançamento dos
navios LSV.
Pressão de Colapso ≥ 1.5 X MPD
L ≥ 20
Medida do alongamento longitudinal LD ao longo deste
comprimento
2 ID min
Medida da deformação diametral média MDD na seção média ao longo
deste trecho Extremidade engastada
4 ID
Tração Aplicada
213
Arranjo do corpo de prova:
O corpo de prova será colocado vazio, sem pressão interna, sobre um dispositivo de
simulação de lançamento através da roda de lançamento de um LSV. A tração axial será
aplicada através de uma máquina de tração. A roda deve possuir o mesmo perfil e raio que no
caso real. Os navios de lançamento na costa brasileira possuem rodas com raios em torno de
3m e as calhas das rodas possuem um ângulo interno de 100°.
O comprimento da amostra deve ser no mínimo 20 vezes o diâmetro interno (ID),
excluindo os comprimentos dos conectores de extremidade. Metade do comprimento do corpo
de prova deve ser posicionado em linha reta, enquanto metade permanecerá fletido sobre o
gabarito.
Procedimento de Teste:
- Primeiro passo: A carga axial é aplicada gradualmente a uma taxa uniforme que não
exceda a 300 kN/min , variando de zero até 1,1 vezes a tração de lançamento. Esta carga acial
deve ser mantida constante (variação máxima de ±2%) durante o período mínimo de uma hora.
Medidas de deformação deverão ser feitas na camada mais externa para comparação com os
critérios de aceitação.
- Segundo passo: O corpo de prova pode ser conduzido à rutura, se a capacidade de
carga da bancada o permitir. A carga última de rutura, o mecanismo de falha e a localização da
falha devem ser registrados em relatório.
Medições e registros das deformações:
As medidas de deformações e deslocamentos devem ser anotados no mínimo em
estágios especiais do teste (no mínimo ao início do teste e na pressãode projeto):
- Alongamento longitudinal total (LD)
- Deformação diametral média (MDD) (medida na seção média, em dois diâmetros
defasados de 90°.
- Rotação da extremidade livre do corpo de prova (R);
- A pressão de explosão, o mecanismo de falha e o local da falha devem ser registrados.
- Critérios de Aceitação:
a) A pressão de explosão deve ser superior a 2 vezes a pressão de projeto. Nenhum
vazamento será admitido abaixo desta pressão.
Pressão de Explosão ≥ 2 X DP
214
b) As medidas de deformação devem estar dentro dos limites estabelecidos a seguir
para amostras carregadas à Tração de Lançamento e para amostras após descarregamento.
Condição de carregamento LD MDD
Carregada na pressão de projeto ±3.0% ±3.0%
Deformações residuais após descarga ±1.0% ±1.0%
c) Deformação residual do diâmetro interno ≤ 1%
d) Tração de rutura mínima: será o maior valor obtido dentre as expressões abaixo.
Teste de Tração e Pressão interna combinados (Combined Tensile and Internal
Pressure Test):
O objetivo deste teste é avaliar a resistência do duto flexível à tração aplicada ,
combinada com a pressão interna. Esta é uma situação que ocorre no topo de um riser em
operação suspenso numa plataforma.
Tração de rutura ≥ 2 X Tração de operação
Tração de rutura ≥ 1,4 X Tração de lançamento
L ≥ 20 ID
2 ID
Medida do alongamento longitudinal LD ao longo deste
comprimento
18 ID 2 ID
Medida da deformação diametral média MDD na seção média ao longo
deste trecho
Engastado à torção
Engastado à torção
215
O corpo de prova pode ser o mesmo do ensaio de tração combinada com flexão, exceto
que será montado em linha reta e cheio d´água num dispositivo com a torção restrita.
A pressão interna é aplicada primeiramente, até o valor da pressão de operação. Esta
pressão deve ser mantida constante ao longo de todo o teste, com variação de pressão máxima
de 0 a ±20%.
O corpo de prova deve ser carregado até a rutura, a uma taxa não superior a 300
kN/min. A tração de rutura, o mecanismo de falha e o local da falha devem ser registrados.
A tração de rutura mínima: será o maior valor obtido dentre as expressões abaixo.
Nenhum vazamento será admitido abaixo desta tração.
Teste de Compressão Mecânica Radial (Radial Mechanical Compression Test):
O propósito deste teste é simular a passagem do duto através dos tensionadores de
lançamento, aplicando cargas de compressão radiais.
O comprimento da amostra deve ter no mínimo 10 vezes o diâmetro interno do duto
(ID) e deve ser posicionada vazia, sem pressão interna, num dispositivo especial de
compressão que simule perfeitamente o tensionador sendo testado, inclusive com o mesmo
número de sapatas e a mesma geometria das sapatas dos tensionadores reais.
A carga compressiva será aumentada de maneira uniforme, desde zero até um valor
igual a 140% da carga de esmagamento especificada, a uma taxa incremental que não exceda
100 kN/m/min. Esta carga máxima de compressão deve ser mantida constante (com variação
máxima de 2%) durante um período mínimo de 1 hora.
Se requerido, este teste será realizado com o corpo de prova tracionado, melhor
simulando o lançamento. Neste caso, antes de aplicar-se a carga compressiva, o corpo será
tracionado a uma taxa incremental máxima de 300 kN/min até que o valor da tração máxima de
lançamento seja atingido. Este valor deve ser mantido constante durante todo o período de
teste, aceitando-se uma variação máxima de tração de ± 4%.
Tração de rutura ≥ 2 X Tração de operação
L ≥ 10 ID
ID
216
Pode-se também acordar com o fabricante a realização deste teste com a aplicação de
diversos pares de carga de compressão e tração correspondentes a patamares de LDAs
previamente acordados, afim de estabelecer o limite superior de LDA aceitável para a estrutura
em apreço.
Deve-se efetuar medições do diâmetro interno na seção central do corpo de prova, em
duas posições deslocadas a 90 graus. As medições devem ser feitas durante a aplicação da
carga e após o completo descarregamento.
Critério de aceitação: A estrutura será considerada aceita para valores da deformação
diametral média compreendidos nos intervalos abaixo:
Condição de carregamento MDD
Estrutura carregada ±3.0%
Deformações residuais após descarga ±1.0%
DIP Test (Deepwater immersion performance test):
Objetivo: Submeter o tubo a condições extremas na profundidade de projeto. O teste
visa observar o comportamento das armaduras de tração do ponto de vista do fenômeno da
flambagem. Corpo de prova: Jumper de 100m de comprimento, da estrutura a ser testada. O
jumper é conectado a outras estruturas também a serem testadas ou ao pipe follower do navio.
Nas conexões entre os jumpers a serem testados e as linhas vizinhas ou o pipe-follower,
coloca-se dispositivos especiais de placas que evitem a rotação relativa entre tramos. O último
segmento da catenária deve conter um peso morto na ponta, podendo ser formado por amarras,
visando prover ancoragem da catenária no leito marinho, impedido o deslizamento durante a
realização dos testes. O corpo de prova é testado em primeiro lugar, com o anular seco. Em
seguida, o teste deve ser refeito com o anular alagado, simulando dano de capa externa. Em
ambos os casos, o tubo é testado vazio, com pressão atmosférica internamente. O teste procede
da seguinte maneira: A amostra a analisar é posicionada no fundo marinho e o ângulo de topo
da catenária é sucessivamente reduzido de modo a forçar a ocorrência de um raio de curvatura
bem pequeno na região do TDP. Este raio deve ser tão próximo quanto possível do chamado "
raio natural" , que o raio no qual a curva perde a condição plana, havendo um súbito desvio
lateral. A partir desta condição, o navio passa a executar movimentos para trás e para frente,
com amplitude de 40 metros, durante 4 horas, submetendo o tubo a solicitações cíclicas de
variação de curvatura devido a movimentos dinâmicos do navio. Velocidades típicas: 0,3 m/s
217
para abrir a catenária e 0,1 m/s para fechar a catenária. O jumper é marcado com três linhas
longitudinais retas para permitir a observação de ocorrência de torção. Marcas circunferênciais
a cada 0,5 metro são executadas ao longo de todo o comprimento, permitindo estimar o raio do
tubo no TDP, através de observação com ROV . Duas marcas circunferênciais grossas (50 cm
de espessura) são marcadas para permitir o posicionamento dos TDPs referentes aos dois
testes (anular seco e anular inundado). Três colares são instalados no topo da amostra para
servirem de calibres permitindo a verificação de ovalização ou dilatações diametrais
possivelmente relacionadas à ocorrência de flambagem lateral. Estes calibres são fixados de
forma que ao final de cada etapa do teste, sejam liberados por ROV e deslizados ao longo da
linha, permitindo detectar deformações permanentes na circuferência da linha. Na primeira
etapa do teste, o raio natural seco é atingido na marca de TDP inferior e o teste é executado por
4 horas como preconizado anteriormente. Terminado este tempo, a linha é recolhida alguns
metros e o ROV passa o primeiro calibre para verificar se há alguma deformação anormal. Em
seguida, o ROV abre os bujões existentes nos conectores a fim de inundar o anular da linha.
Com o anular inundado, posicionasse a segunda marca de TDP no fundo e procura-se atingir o
novo raio natural inundado, que é menor que o anterior. Procede-se a novo teste com 4 horas
de duração conforme já descrito. Concluido o teste, a linha é suspensa alguns metros e o colar
calibrador é liberado e deslisado ao longo da linha. O terceiro calibre é passado quando a linha
é recolhida, imediatamente antes do seu in-boarding, comprovando a integridade da mesma.
Deve-se registrar ao longo do teste os movimentos da embarcação (roll pitch heave), a
geometria e raios das configurações, e as imagens do ROV com ovalizações geométricas dos
raios efetivos.
6.6.2- TESTES DE ACEITAÇÃO DE FÁBRICA
(Factory Acceptance Tests–FAT):
Introdução:
Os testes de aceitação de fábrica para dutos flexíveis são especificados pela norma API
Spec 17J – Specification for Unbonded Flexible Pipe (item 9 – Factory Acceptance Tests).
O testes devem ser conduzidos somente após transcorrido o tempo necessário para a
ocorrência da cura da resina epoxi usada na montagem das terminações dos dutos (end-
fittings).
218
O fabricante deve apresentar relatórios completos sobre cada teste de fábrica.
Igualmente, devem ser fornecidos relatórios de calibração com periodicidade mínima
trimestral, dos instrumentos de medição usados na monitoração dos testes.
Os testes de aceitação de fábrica preconizados pela API Spec 17J são os seguintes:
- Teste Dimensional (Gauge Test) (somente para dutos tipo rough bore - sem liner
interno).
- Teste Hidrostático de Pressão (Hydrostatic Pressure Test ou Hydrotest)
- Teste do Sistema de Drenagem e Alívio de gás percolado.
- Testes de Continuidade e Resistência Elétrica (somente para dutos com proteção
catódica)
Teste Dimensional (Gauge Test):
Este teste deve ser realizado antes do Teste Hidrostático e consiste na passagem de um
pig equipado com disco de calibração capaz de detectar obstruções ou deformações internas
inaceitáveis. O Teste Dimensional visa garantir que não ocorreram falhas de fabricação que
poderiam ter causado deformações no produto.
O disco de calibração terá espessura entre 5 e 10 mm e terá diâmetro externo igual a
95% o diâmetro interno da linha (para dutos com diâmetro interno menor que 200mm).
Critério de aceitação do duto: o pig deverá passar através do duto sem sofrer danos
pronunciados ou entalhes profundos. Pequenos riscos ou arranhões serão aceitáveis.
Teste Hidrostático de Fábrica:
O Teste Hidrostático de Fábrica tem por objetivo atestar a integridade estrutural do
produto e de suas terminações. A Pressão de Teste de Fabricação (FTP) será igual a 1,5 vezes a
Pressão de Projeto (DP):
FTP=1,5 x DP.
Por exemplo, geralmente os dutos flexíveis de coleta da PETROBRAS são
especificados para pressão de projeto de 3000 psi; a pressão de teste de fábrica será de
4500 psi.
O fluido de teste na fábrica é a água potável filtrada para partículas maiores que 100
microns e com teor de cloro inferior a 50 ppm. Pode-se adicionar algum componente corante
que facilite a detecção e localização de eventuais vazamentos.
219
As fases do Teste Hidrostático são:
- Enchimento
- Pressurização
- Estabilização
- Manutenção da Pressão
- Despressurização
ENCHIMENTO: No caso de dutos para transporte de petróleo, as bolhas de ar presas nos
interstícios da carcaça interna devem ser removidas a fim de agilizar as fases subsequentes do
teste, em especial a fase de estabilização de pressão. Para conseguir este objetivo, pode-se
circular um volume de água correspondente a 5 vezes o conteúdo do duto, em regime
turbulento de escoamento, através da tubulação em teste. Este procedimento auxilia também na
remoção de impurezas e resíduos de fabricação, além de servir também ao Teste Dimensional
já descrito no item anterior, que deve anteceder o Teste Hidrostático.
PRESSURIZAÇÃO: A taxa incremental de pressão deve ser gradual para permitir a
acomodação das camadas do duto flexível. A taxa máxima recomendada é igual a
18 Mpa/hora ( 2610 psi/hora). A pressão deve ser aplicada até um valor que não ultrapasse
1,1 TP (110% da pressão nominal de teste).
ESTABILIZAÇÃO: A pressão aplicada deve ser mantida estável por um período mínimo de
2 horas para que seja considerada estabilizada e que se possa iniciar a contagem do tempo
efetivo do teste. A estabilização é considerada atingida quando houver uma queda de pressão
inferior a 1% durante uma hora. Se necessário, o circuito deverá ser repressurizado à pressão
original (1,1 TP) até que seja atingida a estabilização especificada. Em qualquer situação,
quando a pressão interna do duto for considerada estabilizada, deve-se restabelecer o valor
original de pressão (1,1 TP) para considerarmos o início do teste propriamente dito.
MANUTENÇÃO DA PRESSÃO: Com o duto e os equipamentos de monitoração isolados do
sistema de pressurização, inicia-se a contagem de tempo mínimo requerido de 24 horas. Ao
longo do teste, as pressões e temperaturas internas e do ambiente devem ser registradas, no
mínimo a cada 30 minutos.
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Critério de aceitação: A queda de pressão não poderá exceder a 4% da pressão inicial do teste,
independente da razão que possa ter provocado a queda de pressão (inclusive variações de
pressão e temperatura exterior). Não será aceito qualquer tipo de vazamento do tubo durante o
teste. Não serão aceitas deformações permanentes ou danos nas regiões dos conectores de
extremidade (end-fittings).
DESPRESSURIZAÇÃO: A pressão será aliviada a uma taxa máxima de 108 Mpa/hora (15.664
psi/hora).
Teste do Sistema de Drenagem e Alívio de gás percolada:
Este teste visa comprovar a operacionalidade do sistema de drenagem e alívio de gás
percolado e deve ser feito após o teste hidrostático. Como já foi dito anteriormente, pequenos
volumes de gás que escapam do interior do duto flexível podem acumular-se no espaço anular
existente entre a barreira de pressão e a capa externa, criando acumulações de pressão
crescente que pode até causar danos à capa externa, a menos que este gás acumulado seja
liberado através de válvulas de retenção que são instaladas nos conectores de extremidade.
O teste consiste em retirar as válvulas de retenção das portas de drenagem existentes
num dos conectores de um dos lados do tramo que estiver sendo testado, e injetar ar
comprimido seco ou nitrogênio à pressão de projeto do sistema, controlando-se através de
leitura num manômetro. Ao atingir-se sua pressão de calibração, as válvulas de retenção que
permaneceram instaladas no lado oposto do tramo, devem atuar, liberando parte do gás
injetado. Normalmente, cada conector é provido com três válvulas de retenção (check valves).
Todas as válvulas devem ser testadas individualmente e o procedimento do teste deve ser feito
para ambas as extremidades do duto.
Para seções contínuas de duto muito extensas, pode não ser viável a execução do teste
conforme procedimento acima descrito. Neste caso, aceita-se o teste alternativo, testando-se as
válvulas de um conector injetando-se gás por uma das portas do próprio conector.
A pressão de teste deve ser especificada pelo fabricante mas, o valor normalmente
aplicado às estruturas flexíveis em uso na Bacia de Campos é o mesmo da pressão de
calibração das válvulas de retenção. A pressão de calibração das válvulas de retenção é
normalmente de 4 bar e corresponde a cerca de 50% da pressão de dano da capa externa.
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6.1.3 TESTES DE INSTALAÇÃO:
6.1.4 TESTES EM UMBILICAIS SUBMARINOS:
6.1.5 TESTES DE QUALIFICAÇÃO DOS UMBILICAIS SUBMARINOS:
6.1.6 TESTES DE ACEITAÇÃO DE FÁBRICA PARA OS UMBILICAIS
(Factory Acceptance Tests–FAT):
Autor: Julio E. Dutra Ribeiro, E&P/SERV/US-SUB/ISBM