Sistemas Submarinos de Escoamento

Sistemas Submarinos de EscoamentoUm sistema de escoamento pode ser definido como um conjunto de equipamentos (dutos flexveis, rgidos, PLET Pipeline End Termination), cuja funo principal escoar fluidos de um ponto de partida at um ponto de chegada.

Sistemas Submarinos de Escoamento1)Dutos de coleta (de produo), gas-lift e injeo (normalmente, de gua).Dutos de cotela da produo (transportam o petrleo desde os poos produtores submarinos at a unidade estacionria de produo;Dutos de gas lift (transportam gs natural (tratado na UEP) at os poos produtores submarinos;Dutos de Injeo de gua (transportam a gua (tratada na UEP) at os poos injetores submarinos.

Sistemas Submarinos de Escoamento2)Dutos de ExportaoDutos de exportao de leo (oleodutos), que transportam leo (tratado) desde a UEP at o ponto de recebimento (terminais ocenicos ou terrestres, por exemplo) Dutos de exportao de gs (gasodutos), que transportam gs natural (tratado) desde a UEP at o ponto de recebimento.

Sistemas Submarinos de EscoamentoDe acordo com sua funo, os dutos submarinos (offshore pipelines) podem ser classificados da seguinte forma:Flowlines - transportam leo e/ou gs dos poos at os manifolds; transportam leo e/ou gs dos manifolds at a plataforma; transportam gua e outras substncias das plataformas de produo, atravs de manifolds de injeo, at a cabea de poos de injeo;Infield Flowlines - transportam leo e/ou gs entre plataformas;Export Pipelines - transportam leo e/ou gs das plataformas de produo at a costa.

Sistemas Submarinos de EscoamentoO trecho do duto que fica suspenso denominado de riser e o trecho que fica em contato com o solo marinho denominado de duto submarino (pipeline, flowline).

Sistemas Submarinos de EscoamentoUm sistema martimo de escoamento pode ser classificado com base no tipo de duto que o compe:

Sistema de escoamento de dutos flexveis.

Sistema de escoamento de dutos rgidos.

Sistema misto (trechos de dutos rgidos e flexveis.

Sistemas Submarinos de EscoamentoRiser o trecho do duto que conecta a UEP a um equipamento a meia-gua ou no fundo, inclusive um tramo flowline. Nas UEPs, as estruturas do tipo riser ficam suspensas, em configuraes de catenria (catenria-livre ou variaes).

Risers RgidosSo tubos de ao formados por uma srie de juntas de aproximadamente 12 metros de comprimento, acopladas umas s outras, geralmente unidos por solda de topo. Pode estar envolvido por flutuadores para diminuir o seu peso, quando em lminas dgua profundas.

Riser FlexvelOs risers flexveis so mangotes especiais compostos por uma superposio de camadas plsticas, que fornecem estanqueidade interna e externa, e de camadas metlicas espiraladas, responsveis pela resistncia ao dos diversos carregamentos mecnicos aos quais as linhas flexveis esto submetidas ao longo da sua vida til. Sua principal caracterstica a baixa rigidez flexo.

Riser Flexvel

Funes de cada camada:

Camada metlica de resistncia presso externa -1;Camada plstica de vedao interna - 2 - responsvel pela conteno do fluido interno;Camada metlica de resistncia presso interna - 3;Camada plstica de proteo anti-abrasiva entre camadas metlicas - 4;Camadas metlicas de resistncia trao 5 e 6;Camada plstica externa de proteo - 7;

Riser FlexvelAs informaes da estrutura de um tramo flexvel so apresentadas, pelos fabricantes, na folha de dados (Data Sheet). Tal documento contm dados sobre:A estrutura em si, como por exemplo, resistncia ao colapso hidrosttico, resistncia presso interna, rigidez flexo, raio de curvatura mnimo para estocagem, pesos cheio e vazio (na gua, e no ar).

Configuraes dos Sistemas InstaladosPara os dois tipos bsicos de risers existentes, sejam os rgidos ou os flexveis, existem uma variedade de configuraes de instalao. As configuraes mais comuns para linhas flexveis so: a catenria livre, a lazy S, asteep S, a lazy wave, a steep wave e a pliant wave. Entre as configuraes citadas anteriormente apenas a catenria livre e a lazy wave se mostram viveis para a utilizao de SCR.

Configurao em catenria LivreEm geral, com o aumento da profundidade trs problemas podem inviabilizar uma catenria:Excesso de Trao no topo (pois todo o comprimento suspenso sustentado pelo ponto de conexo);Compresso Dinmica (relacionada a ocorrncia de flambagem);Baixa vida til devido fadiga (principalmente na regio do topo e no TDP).

Lazy S Lazy WaveA configurao S utiliza bias de subsuperfcie e um tensionador sustentando a bia fixo no leito do mar. A configurao Wave utiliza mdulos de flutuao distribudos ao longo da linha.

Steep S Steep WaveEsta configurao composta de uma catenria e um trecho reto. A configurao Steep se mostra ainda melhor do que a Lazy, pois no apresenta o problema do TDP. So recomendadas para situaes em que existe um espao muito pequeno para o segmento apoiado.

Pliant WaveUm tendo fixa o tubo prximo ao solo, com a funo de diminuir o movimento lateral e evitar que esforos sejam transferidos a extremidade. Esta configurao normalmente utilizada quando o espao disponvel no campo pequeno ou existe o perigo de que ocorra choque entre risers e umbilicais.

Caractersticas:Estas configuraes apresentam uma seo intermediria que passa por um arco com flutuadores, cujo empuxo, alivia o peso suportado pelo sistema flutuante, e contribui com o momento restaurador quando sob solicitaes laterais.

As principais vantagens em se utilizar os SCRs em guas profundas so:Possvel utilizao para uma grande srie de dimetros;Opera com grandes variedades de presses internas;Possvel utilizao para altas temperaturas;Bom conhecimento sobre as caractersticas e comportamento dos materiais utilizados;Mltiplos SCRs contribuem para a rigidez na amarrao.

As principais preocupaes relativas aplicao do SCR em guas profundasincluem:A tecnologia ser relativamente nova;O mtodo de instalao ser crtico;Possibilidade de fadiga no duto e seus acessrios;O custo alto de mobilizao da embarcao de instalao.

Comparao entre Risers Rgidos e Flexveis

ParmetrosRisers FlexveisSCRsSituao AtualTecnologia consolidadaprincipalmente paraguas rasas.Tecnologia novaCom monitoramento emcampo. Caractersticasdo material conhecidas.Limitaes em guas profundasDimetro interno pequeno para guasprofundasGrande potencial para guas profundas.Condio AmbientalPraticvel em condies hostis.Aplicao limitada em Condies hostis. Boa aplicao em condiesmoderadas.

Comparao entre Risers Rgidos e Flexveis

ParmetrosRisers FlexveisSCRsLimitaes de Presso InternaAlgumas limitaes paragrandes dimetros internos.Possvel utilizao em altas presses para grandes dimetrosinternos.Seo TransversalConstruo complexa.Construo Simples.Custo de AquisioAlto.Baixo.

Comparao entre Risers Rgidos e Flexveis

ParmetrosRisers FlexveisSCRsCusto deInstalaoMdio para baixo.Mdio para alto.Tempo para FabricaoRelativamente alto.Relativamente baixo.Melhoria na rigidez da amarrao.Baixo.Relativamente alto paraMltiplos SCRs.

Acessrios Utilizados nas Linhas RgidasJuntas Flexveis (Flex Joint)Sua funo principal o de prover rigidez flexional extremidade da linha onde est conectada, permitindo um certo grau de liberdade de rotao. Reduz drasticamente as tenses induzidas por movimentos relativos entre a unidade flutuante e o riser.

Acessrios Utilizados nas Linhas FlexveisNa conexo com o topo da plataforma, so comumente empregados os bend stiffeners, ou enrijecedores de curvatura. Este acessrio permite a transio suave de rigidez entre o riser flexvel e o ponto de conexo. So colocados como proteo contra flexo excessiva. O bend stiffener consiste em uma seo cnica de material polimrico (normalmente poliuretano termoplstico polister).

Concepes de Sistemas Hbridos de RisersSingle Leg Hibrid Riser (SLHR)

Riser Hbrido Auto Sustentvel (RHAS)

Risers com bia de Subsuperfcie Boio

Single Leg Hibrid Riser (SLHR)

Este sistema misto consiste de uma base fixa na fundao que realiza a conexo entre a linha de fundo, e um riser de ao vertical, composto de juntas de riser; uma bia e um conjunto gooseneck que interconecta o riser, o jumper flexvel e a bia,localizada abaixo da superfcie.

Single Leg Hibrid Riser (SLHR)O conjunto gooseneck consiste de todos os componentes compreendidos entre o topo dos tanques de flutuao e a junta de reforo superior do riser de ao, e realiza a interface com o jumper flexvel, conectando o riser de ao unidade flutuante. O conjunto de estrutura de ao contm uma curvatura para que o fluido que sobe verticalmente, saia do riser de ao e passe para a linha flexvel.

Vantagens do SistemaUma vantagem tcnica e operacional deste sistema que a bia e grande parte do riser vertical no sofrem efeitos relevantes da onda prximas superfcie da gua, diminuindo assim, os riscos de ruptura por fadiga no componente rgido. Por outro lado, o uso de riser rgido em grande parte da profundidade mostra-se mais vantajoso em termos econmicos do que utilizar um riser flexvel.

Riser Hbrido Auto Sustentvel - RHASNeste sistema se tem um riser rgido que se estende desde o fundo do mar at 100 m abaixo do nvel da gua, sendo que a conexo do transporte de fluidos unidade de produo flutuante feita atravs de linhas flexveis ligadas um tanque que permite a auto-sustentao do riser vertical.

Risers Hbridos de ProduoOs projetos das estruturas, instaladas na parte superior, independem da crescente lmina dgua (LDA).Os projetos das estruturas, instaladas na parte inferior, independem da ao direta das ondas.

Portanto, diz que as extremidades do duto esto desacopladas, isto , que os movimentos impostos em uma extremidade no so trasmitidos diretamente ao longo do duto para a outra.

RHAS-Riser Hbrido Auto Sustentvel de Exportao da P-52Benefcio: viabilizao de risers de grande dimetro em guas ultra-profundas, reduo de cargas na UEP Desacoplamento do Riser da plataformaPossibilidade de instalao do sistema submarino e dos risers antes da chegada da plataforma.

Risers Hbridos de Produo: Riser TowerConstitue na aplicao de um bundle rgido para risers acoplados no leito marinho atravs de uma fundao de alta resistncia de carga vertical e fadiga e mantidos verticalizados por meio da carga de empuxo dos flutuadores instalados ao longo de sua extenso ou de um nico flutuador instalado na extremidade do riser.Normalmente sua extremidade superior fica a 100 m de profundidade da superfcie do mar.

Risers Hbridos de Produo:Riser TowerRiser TowerGirassol (Angola)O bundle rgido ou de ao permite a montagem em um nico tubo condutor dos dutos que compem determinada interligao submarina Simplificando-se o tempo de instalao das linhas e proporcionando um isolamento melhor das linhas de fluxo, porm deve-se avaliar se existem canteiros disponveis para a fabricao e montagem do bundle rgido e embarcaes capazes de operar este tipo de duto.

Risers com Bia de Subsuperfcie - BoioO sistema consiste de uma grande bia submersa, ancorada abaixo da superfcie, suportando risers de ao em catenria (SCRs) entre o fundo do mar e a bia, e jumpers flexveis conectando os SCRs unidade flutuante. A bia deste sistema ancorada no fundo do mar por quatro tendes e estacas de fundao adequadas.

Risers com bia de Subsuperfcie - Boio

Risers com Bia de Subsuperfcie - BoioEste sistema resolve os principais problemas encontrados na utilizao de um nico tipo de riser em guas profundas(necessidade de maiores dimetros para linhas flexveis, o que inviabiliza o transporte e produo; e para os risers rgidos em catenria (SCR), presena de esforos concentrados na regio de topo e em contato com o solo.

Risers com Bia de Subsuperfcie - BoioBenefcio: Viabilizao de risers de grande dimetro em guas ultra-profundas, Reduo de cargas na UEP Desacoplamento do Riser da plataformaPossibilidade de instalao do sistema submarino e dos risers antes da chegada da plataforma possibilitando assim um ganho no prazo de interligao dos poos a UEP e consequentemente a antecipaao da produo do campo.

Sistemas Hbridos de RisersO comportamento destes sistemas nas condies reais em que ele opera pode ser estudado atravs de simulaes numricas.

O comportamento do sistema tambm pode ser estimado e previsto utilizando-se testes experimentais em tanques de prova com modelos reduzidos. Tais experimentos usualmente exigem grandes investimentos para a sua realizao.

Modelo DesacopladoO estado da arte atual de anlise e projeto de unidades flutuantes ancoradas baseia-se no uso de programas que compem um procedimento de anlise desacoplada que trata os movimentos do casco da unidade flutuante separadamente do comportamento estrutural dinmico no-linear das linhas de ancoragem e risers. Com isso, os efeitos no-lineares devidos interao do comportamento hidrodinmico do casco com o comportamento estrutural e hidrodinmico das linhas e risers no so considerados.Este procedimento desacoplado consiste em empregar a seguinte seqncia de anlises:1. Em uma etapa inicial, programas como o ARIANE e DYNASIM efetuam a anlise de movimentos do casco; nesta anlise as linhas so representadas por um modelo simplificado composto por coeficientes escalares de massa, rigidez, amortecimento e carregamento, que so introduzidos na equao de movimento do flutuante. Os valores para estes coeficientes devem ser estimados, ou calibrados atravs de ensaios experimentais (por exemplo, umdecay test que fornece coeficientes de massa adicionada e amortecimento).2. Em uma etapa posterior, os movimentos que resultam da anlise do casco so fornecidos como dados de entrada para programas como o ANFLEX e o ORCAFLEX que so empregados para a anlise e o projeto estrutural derisers isoladamente, agora representado por um modelo de elementos finitos.

Anlise Desacoplada

Procedimento para a Anlise de riser RgidoIdentificar todas as variveis de projeto;

Verificar a possibilidade de colapso hidrosttico na linha;

Verificar a possibilidade de propagao de trinca no riser;

A partir das verificaes anteriores, definir a espessura final da parede do riser;

Uma vez definida a espessura da parede do riser, selecionar os modos de carregamentos a serem avaliados;

Definir as condies ambientais da regio de operao e os movimentos da unidade atravs de seus RAOS;

Realizar as anlises pertinentes aos componentes que formam o risers.

Anlises de RisersNa anlise esttica,So aplicados incrementalmente deslocamentos prescritosno topo dos risers (em termos do percentual da lmina dgua) e um perfil de correnteza.

Na anlise dinmica So acrescentados os movimentos prescritos devido ao da onda no casco (regular ou irregular) e aonda atuando diretamente sobre o riser. Os movimentosgerados pela onda podem ser interpolados a partir deRAOs ou fornecidos como um time-history do movimento da embarcao.

RAO (Response Amplitude Operator) a resposta da embarcao sob a ao de uma onda deamplitude unitria, em termos da amplitude de cada grau deLiberdade dos movimentos, para as vrias direes deIncidncia da onda sobre o casco e para vrias frequncias.

Projeto de RisersNo procedimento atual para o projeto de risers, definem-se situaes de carregamento Near, Far, Cross e Transverse. Para cada uma destas situaes, a resposta dinmica no domnio do tempo determinada atravs da seguinte seqncia de anlises:

Inicialmente, efetua-se uma anlise no-linear esttica para a determinao da configurao de equilbrio, sob ao das parcelas estticas do carregamento:peso prprio, correnteza, pr-trao e offset esttico da embarcao (determinados na anlise da ancoragem). Para a situao Far, o offset esttico da embarcao e a correnteza so aplicados de modo a afastar o n do topo do ponto da ncora. Para a situao Near, este carregamento aplicado no sentido inverso, de modo a aproximar o n do topo do ponto da ncora. Para a situao Cross, o carregamento aplicado na direo perpendicular ao plano da linha. Para a situao Transverse, o carregamento aplicado a 45 graus do plano da linha.Em seguida, a partir da configurao esttica, feita uma anlise no-linear dinmica no domnio do tempo, que se inicia a partir dos resultados obtidos no ltimo passo da anlise esttica. Esta anlise inclui todas as parcelas estticas do carregamento e acrescenta as parcelas dinmicas, aplicadas no sentido apropriado, de acordo com a situao Near, Far, Cross ou Transverse: a onda atuando diretamente sobre os risers e as parcelas dinmicas do movimento da embarcao. Ressalva-se neste procedimento, que os offsets estticos e dinmicos so obtidos como resultado da anlise do sistema de ancoragem em diferentes situaes, por exemplo, situao intacta ou danificada(com uma ou duas linhas rompidas).

Ilustrao da Alterao na Linha Elstica de um Riser Devida Corrente e ao Offset da PLataforma

Incidncia dos Carregamentos

Direo das condies ambientais

Condies de CarregamentoAs condies de carregamento consideram combinaes de condies extremas, de forma semelhante ao adotado no projeto do sistema de ancoragem:Condio Acidental A Onda Centenria e Corrente Decenria.Onda Decenria e Corrente Centenria.

Condio Operacional Onda e Corrente Anuais.

Quanto maior o perodo de retorno maisrigorosa a condio ambiental a ele associada.

Os critrios de projeto a serem verificados para SCRs incluem:SCRVerificao de compresso no riser;Verificao das Tenses Mximas :Condio Acidental A (limite=100% Tenso de Escoamento );Condio Operacional (limite=67% Tenso de Escoamento ).Limites da Flexjoint:Fora Axial Mxima;Variao do ngulo de topo = X graus em relao ao ngulo inicial.Trao Mxima no ponto de ancoragem do SCR.

Os critrios de projeto a serem verificados para risers flexveis incluem:Risers FlexveisRaio de Curvatura Mnimo;Trao Mxima;Comprimento suspenso mximo (para no levantar a conexo riser-flow).

Principais Mecanismos de Falha na rea de Dutos Flexveis So:Degradao da camada polimrica de presso interna;Formao de parafina ou hidrato e consequente reduo de vazo ou bloqueio;Ruptura de risers sobre trao, aps rompimento de amarras e consequente passeio excessivo da UEP;Ruptura, por fadiga, no interior do conector, das armaduras de risers, por deficincias de projeto e montagem do conector;Trinca do corpo polimrico e ruptura de enrijecedores por deficincias de projeto e de fabricao do componente ou das interfaces com I-tube;

Principais Mecanismos de Falha na rea de Dutos Flexveis So:Flambagem das armaduras de trao de risers durante a operao ou durante a instalao;Abraso da capa externa e das fitas de alta resistncia de risers, na regio do TDP, causada pelo contato com rochas e coral presentes no fundo;Fadiga-corroso das armaduras de risers aps ruptura da capa externa durante instalao (pela execuo de procedimentos inadequados);Trincas na camada polimrica de presso interna oriundas da associao entre deficincias no acabamento superficial da camada e variaes cclicas de temperatura, presso e flexo combinadas.

Vibraes Induzidas por Desprendimento de VrticesA passagem de um fluido no entorno de uma estrutura pode causar vibraes transversais ao fluxo oriundas do desprendimento de vrtices. Essas vibraes podem levar a estrutura runa por fadiga ou atravs do aumento dos esforos das correntes marinhas e/ou ondas, devido ao aumento do coeficiente de arrasto.

Vibraes Induzidas por Desprendimento de VrticesProblema de VIVPode levar a estrutura a fadiga.Estruturas mais afetadas so os Risers Rgidos (os risers flexveis, aparentemente devido ao seu alto grau de amortecimento estrutural, apresentam pouca sensibilidade s VIVs ).Perfis de corrente raramente so uniformes.

Supressores de Vrtices

Anlise de FadigaDevido ao fenmeno de vibraes induzidas por vtices;

Devido Onda.

A vida til final do riser obtida a partir da soma do dano fadiga devido ao VIV e do dano fadiga devido onda. A vida til resultante tem que ser maior que o valor estipulado por norma.