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Estudo da degradação de cabos de aço das linhas #1 #2 #3 #4 #5
#6 e #8 da plataforma P08¹
Study of the degradation of steel cable lines # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 7 and
# 8 of the P08 platform
Marcelo dias Fernandes* Rogério dos Santos Nunes**
No presente trabalho são apresentados resultados da perda de massa de cabos de aço referentes às linhas de ancoragem #1 #2 # 3 #4 #5 #6 #8 da plataforma de produção e
exploração de petróleo P-08. Nesse estudo utilizamos a inspeção eletromagnética seguido do procedimento de pesagem dos corpos de prova, da inspeção visual e dimensional dos cabos de aço. A análise desses cabos visa dar embasamento técnico para decisão de retirada ou permanência em operação dos cabos através de técnicas de inspeção eletromagnética e análise de perda de peso durante sua vida útil.
Palavras-chave: cabos de aço, inspeção
eletromagnética, ancoragem.
In this paper we present results of the mass loss of steel cables relating to mooring lines # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 8
production platform and
oil exploration P-08. In this study, we used electromagnetic inspection followed by the weighing procedure of the specimens, visual and dimensional inspection of steel cables. The analysis of these cables aims at providing technical basis for decision to withdraw or stay in operation of the cables through electromagnetic inspection techniques and weight loss analysis
during its lifetime.
Keywords:Steelcables, electromagnetic
inspection,anchorage.
Introdução
Define-se como um sistema de ancoragem, um conjunto de elementos capazes de manter uma unidade flutuante em uma posição de equilíbrio sem auxílio de
propulsão.
Normalmente, um sistema de ancoragem é composto por um conjunto de linhas, sendo
cada linha composta de um ponto fixo no solo marinho (âncora) e elementos que conectam este ponto à unidade. Estes elementos de ligação podem ser compostos de amarras, cabos de aço e ou cabos de poliéster.
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1 Artigo apresentado como trabalho final do curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Engenharia naval pelo IFF Campus Campos-Centro.
Orientador: Prof. Afonso Celso Fernandes Reis- Mestre em engenharia de materiais * Engenheiro Metalúrgico
2 Apesar dos sistemas de ancoragem serem projetados com fatores de segurança e redundância, geralmente, para suportar toda a vida de projeto da unidade na locação, é necessário inspecionar periodicamente suas linhas, para garantir a integridade dos elementos que as compõem. É também uma exigência das Sociedades Classificadoras para manutenção do Certificado de Classe da Unidade, considerado imprescindível para a licença de operação fornecida pelas autoridades ambientais.
Os sistemas de ancoragem são de dois tipos: Catenária e Taut leg. No sistema catenária uma parte da linha fica pousada no solo e outra forma uma curva que depende do peso por metro da linha. Dadas às características de flexibilidade dos materiais que
normalmente formam uma linha de amarração, o trecho que fica suspenso entre o ponto de amarração e o ponto de toque no solo assume a forma de uma curva (catenária). No sistema de ancoragem em taut leg, o peso da linha e o raio de ancoragem são bem menores e as trações de equilíbrio maiores. Assim, não há formação de uma catenária perceptível, neste caso a linha de ancoragem percorre uma trajetória quase reta entre o fairlead e o ponto de contato com o solo e não há trecho da linha apoiado no fundo do mar.
Uma linha de ancoragem é composta por um ponto fixo cravado no solo marinho (âncoras), que fornece a força em sentido contrário à imposta pelo ambiente e elementos lineares, com o comprimento maior que sua seção transversal, cujo papel é ligar o ponto fixo à unidade ancorada, estabelecendo a condição de equilíbrio entre as forças opostas. Esses componentes são ligados entre si por elementos de conexão (amarras, cabos de aço e cabos de poliéster).
O cabo de aço é uma estrutura flexível composta por vários arames torcidos de alta resistência, com a finalidade de sustentar cargas. A flexibilidade obtida por uma formação helicoidal de um número relativamente grande de arames, formando uma perna e por sua vez, normalmente 6, torcidas ao redor de uma alma para compor o cabo de aço.
O cabo de aço é composto por três componentes essenciais. Embora seja em número pequeno, existe uma variedade de configuração e complexidade para a produção de cabos para aplicações específicas. Basicamente, estes três componentes em um cabo de aço comum são: Arames que formam a perna, alma e pernas formadas de vários arames torcidos em torno da alma. A alma é um componente fundamental para o cabo de aço e é fabricada de materiais que proporcionam suporte adequado ás pernas sob condições normais de carga e flexão. Os materiais da alma incluem fibras (vegetal ou sintética) ou aço. A alma de aço é formada por arames torcidos no mesmo formato de uma perna ou um cabo de aço independente.
3 Cabos de aço têm sido usados com sucesso em unidade de perfuração e produção flutuantes tanto em sistemas formados unicamente por cabos quanto em sistemas mistos composto por cabos mais amarras, sendo estes últimos os mais utilizados. A corrosão é um problema significante que ocorre nos cabos de aço. Para minimizar o efeito da corrosão, os fabricantes têm desenvolvido formas de proteger os arames que formam as pernas dos cabos aço, empregando uma galvanização mais espessa, utilizando arames de zinco como anodos. A terminação de um cabo de aço para ancoragem é feita com um soquete, que pode ser aberto ou fechado. Ele é engastado na extremidade do cabo através do preenchimento com resina polimérica ou liga metálica de baixo ponto de fusão do espaço entre os arames.
Os cabos de aço estão sujeitos a várias anomalias. Dentre elas, podemos citar a corrosão externa, corrosão interna, arames partidos, gaiola de passarinho (deslocamento da camada externa), alma saltada, aumento e redução localizados do diâmetro do cabo, nós, achatamentos e dobras.
Os sistemas de ancoragem da P-08 foram instalados em março de 1993. Em janeiro de 2011, os cabos de aço das linhas #1 #2 #3 #4 foram retirados de operação. Esses permaneceram 17 anos e 10 meses em atividades. Já os cabos das linhas# 5 # 6 # 8, foram retirados de operação em abril, fevereiro e maio de 2011 respectivamente. Os mesmos permaneceram em atividade aproximadamente 18 anos.
Com lâmina d’água 425 m, o sistema de ancoragem da P-08, seguindo orientações da Petrobras, foi constituído de oito linhas de ancoragem, sendo composto de duas linhas em cada corner da unidade.
Constituição básica de uma linha: âncora de arraste + amarra de fundo DN 84 mm + cabo de aço six strand de DN 95 mm + amarra de superfície DN 76 mm.
Objetivo
Estudar a degradação dos cabos de aço das linhas #1#2#3#4#5#6#8 referente à unidade de exploração e produção de petróleo P-08. Foram utilizadas a inspeção eletromagnética e as inspeções visual e dimensional para o estudo em questão.
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Material e Métodos
Após a retirada das linhas de ancoragem, os cabos referentes às linhas 1# 2# 3# 4 #5 #6 #8 permaneceram aproximadamente 4 anos armazenados em canteiro aberto até a realização da inspeção eletromagnética. Diante dos resultados, foi possível determinar a região dos cabos com maior perda de massa.
A inspeção eletromagnética consiste em três fases e são elas: Magnetização do cabo;
Calibração do aparelho; Inspeção Eletromagnética; Pesagem do corpo de prova.
Etapa de Magnetização do Cabo
Essa etapa consiste na passagem do cabo através do aparelho com imãs capaz de magnetizá-lo com um campo magnético forte suficiente para levar o cabo ao seu ponto de saturação antes da inspeção eletromagnética. A magnetização dos cabos no canteiro, conforme Figura 1, foi acompanhado de um inspetor qualificado.
Os dois primeiros metros a partir de cada extremidade não são magnetizados devido ao forte campo magnético gerado pelo soquete.
Figura 1- Magnetização do cabo
Calibração do Aparelho de Inspeção Eletromagnética
Nessa etapa, cerca de 1m do cabo foi selecionado para calibrar o aparelho. O processo consistiu em passar um feixe de arames no interior do aparelho com intuito de registrar uma leitura em picos na fita de papel. Foram utilizados arames que correspondem a 3,5 % da seção reta metálica. A Figura 2 demonstra o aparelho calibrado.
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Figura 2- Aparelho calibrado
Inspeção Eletromagnética
Após a calibração, o cabo é inspecionado pelo aparelho (Figura 3) com a capacidade de detectar descontinuidades através de desvios no campo magnético. Essas distorções indicam os defeitos localizados (arames rompidos) e são lidos
pela opção LF da máquina de inspeção. Já a opção LMA, regista a perda de seção metálica.
Para calcular a seção reta metálica do cabo, utilizamos a seguinte Equação1:
A = D² x Fator + 15%
Onde:
A --> Área D --> Diâmetro
Fator --> Valor indicado em tabela
A fórmula para o cálculo foi definida pelo catálogo da CIMAF. O mesmo define que devemos adicionar 15 % à área metálica para cabo de 6 pernas com AACl.
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Pesagem do corpo de prova
Uma vez que a etapa de calibração do equipamento é feita no próprio cabo, e este por sua vez é um cabo já usado e que já possui perda de seção reta metálica, a perda detectada pela inspeção eletromagnética não é a perda absoluta de seção reta metálica do cabo e sim uma perda relativa à região na qual o equipamento foi calibrado. Dessa forma, é necessário calcular o quanto à região de calibração do cabo perdeu de seção reta metálica em comparação com um cabo novo. Sendo assim, para encontrar a perda de seção reta metálica total do cabo, basta somar a perda de seção reta metálica na inspeção eletromagnética com a perda de massa na etapa de pesagem.
O procedimento de pesagem do corpo de prova constitui-se das seguintes etapas: corte, limpeza e pesagem dos arames.
Etapa de Corte
Logo após a inspeção eletromagnética, cerca de 1 m do cabo foi cortado na região de calibração do equipamento e levado para etapa de pesagem. Na figura 4, podemos observar a região em que o cabo foi calibrado.
2000 mm 1000 mm
Figura 4 – Região do local de calibração
Etapa de Limpeza
Após o corte do corpo de prova, o mesmo é submetido a um jato de granalha com a finalidade de retirar a oxidação, incrustações e lubrificantes. Na Figura 5 abaixo, verifica-se a superfície do corpo de prova antes e depois do jateamento.
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Etapa de pesagem dos arames
Nessa fase, o inspetor seleciona os arames por camadas que são pesadas separadamente. O procedimento para essa etapa é realizado da seguinte maneira: Desmembramento do cabo: foram separados os arames da camada externa, os arames da 2° camada, os arames das camadas internas de cada perna e a alma do cabo, para serem pesados separadamente.
Os arames foram novamente limpos pra se obter resultados de maior confiabilidade possível.
Pesagem dos arames
Observa-se na Figura 6 a pesagem dos arames do corpo de prova.
Figura 6 – Pesagem dos arames
DISCUSSÃO E RESULTADOS
Na Tabela 1, podemos observar os maiores percentuais de perda de seção reta metálica dos cabos para as regiões de maiores perdas de seção reta metálica. É importante ressaltar que a perda de massa do cabo equivale à perda de seção reta metálica. Para a maioria das linhas, foram identificados os soquetes iniciais e finais para obter um maior controle de qualidade do ensaio.
Tabela 1- Percentual de perda de massa encontrada para os cabos da P-08. Comprimento do cabo(m) Extremidade do início da Inspeção (soquete) Extremidade do final da Inspeção (soquete) Região de maior perda de seção reta metálica (m) %de maior perda de seção reta metálica Linha # 1 460 S3211 S3111 260 - 300 7,50 Linha # 2 220 S911 S1011 150 - 160 4,50 Linha # 3 220 S1311 S1411 160 - 170 10,50 Linha # 4 220 S4211 S4311 50 - 70 6,00 Linha # 5
220 Sem TAG Sem TAG 0 - 40 3,50
Linha # 6 220 S7411 S7511 73 - 74 3,60 Linha # 8 220 S9911 S9811 100 - 110 5,00
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4.1. Cálculo da Seção Reta Metálica do Cabo
Linha # 1 A = (95,3)² x 0,410 A = 3723,65 + 15% = 4282,19 mm² Linha # 2 A = (96,3)² x 0,410 A = 3802,21 + 15% = 4372,5 mm² Linha # 3 A = (96,3)² X 0,410 A = 3802,21 +15% = 4372,5 mm² Linha # 4 A = (95,3)² x 0,410 A = 3723,65 + 15% = 4282,19 mm² Linha # 5 A = (95,3) X0, 410 A = 3723,65 + 15% = 4282,19 mm² Linha # 6 A = (95,3)² x 0,492 A = 4468,39 mm² Linha # 8 A = (96,0)² x 0,410 A = 3778,56 + 15% = 4345,34 mm²
A Equação para o cálculo da linha # 6 foi definida pela apostila de treinamento de inspeção eletromagnética (HIGHBRAS). Para as demais linhas foram utilizados os dados do catálogo da CIMAF. Na Tabela 2, podemos observar as massas dos cabos para cada linha estudada. A massa total do corpo de prova variou entre 32778 g e 36880 g. Essa discrepância é devido à corrosão dos cabos e podemos evidenciar essa degradação na inspeção visual.
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Tabela 2: Valores fornecidos pelo relatório de pesagem dos cabos
Massa total dos arames 1° camada externa (g)
Massa total dos arames 2° camada externa (g)
Massa total dos arames internos + alma do cabo (g) Massa total do corpo de prova (g)- atual Comprimento (L) do CP (mm) Linha # 1 12114 8780 11884 32778 1000 Linha # 2 12510 8620 12300 33430 1000 Linha # 3 11970 8910 12310 33190 1000 Linha # 4 14880 8690 13110 36680 1000 Linha # 5 15060 8730 13090 36880 1000 Linha # 6 14540 8680 12840 36060 1000 Linha # 8 14072 8420 12721 35213 1000
Cálculo para determinar a perda de massa dos cabos
Para determinar o percentual de massa perdida do corpo de prova, utilizou-se a Equação 2 abaixo.
% de Massa Perdida = Diferença de massa * 100% Peso tabelado (g)
Na Tabela 3, verifica-se o percentual de massa perdida do cabo. Nessa mesma Tabela, a massa total medida é comparada com a massa total medida na balança. Observamos que a linha # 1 obteve o maior percentual de massa perdida.
Tabela 3 – Percentual de perda de massa para os cabos Massa tabelada
(g/m)
Massa total medida (g/m) Diferença de massa (g) % de massa perdida
Linha # 1 37606 32778 4828 12,8 Linha # 2 37606 33430 4176 11,1 Linha # 3 37606 33190 4416 11,7 Linha # 4 37606 36680 926 2,4 Linha # 5 37606 36880 726 1,9 Linha # 6 38700 36060 2640 6,8 Linha # 8 37606 35213 2393 6,4
10 O peso tabelado referenciado na Tabela 3 foi extraído do catálogo da CIMAF. Dessa forma, é possível calcular a perda total de seção reta metálica do cabo na região mais degradada de acordo com a Tabela 4. Verifica-se na mesma tabela que os cabos das linhas #1 e #3 apresentaram os maiores percentuais de perda total de seção reta metálica.
Tabela 4: Perda de seção reta metálica total da região mais degradada.
Perda absoluta na região de calibração (%) Perda máxima encontrada na EM (%) Perda Total de seção reta metálica (%) Tempo de operação aproximado (anos) Linha # 1 12,8 7,5 20,3 18 Linha # 2 11,1 4,5 15,6 18 Linha # 3 11,7 10,5 22,2 18 Linha # 4 6,0 2,4 8,4 18 Linha # 5 1,9 3,5 5,4 18 Linha # 6 6,8 3,6 10,4 18 Linha # 8 6,4 5,0 11,4 18
Inspeção visual e dimensional
As inspeções visual e dimensional foram realizadas durante a magnetização do cabo. Para as linhas # 1 e # 8, os diâmetros práticos encontrados variaram nas faixas entre 96,2mm e 97,5 mm; 96,5mm e 97,5 mm respectivamente. Essas duas linhas apresentaram as menores médias entre os sete cabos estudados. O diâmetro do cabo foi aferido a cada 20 metros. Na tabela 5, observa-se essa variação. É importante verificar o diâmetro dos cabos para determinar o quanto ele perdeu de espessura durante o tempo em que ele ficou instalado na unidade. Assim, podemos aprovar ou reprovar o cabo de acordo com a norma específica para cabos de ancoragem.
Tabela 5- Diâmetro do cabo Diâmetro (mm) # 1 # 2 # 3 # 4 # 5 # 6 # 8 I 97,0 98,0 97,0 96,5 97,0 97,6 97,0 II 97,5 99,0 97,5 96,0 97,5 97,5 96,5 III 96,0 98,0 98,0 97,0 97,0 98,0 97,0 IV 97,0 99,0 98,0 98,0 96,5 98,2 96,8 V 97,5 98,5 96,5 98,0 96,5 97,9 97,5 VI 96,5 98,5 99,0 97,5 97,5 97,8 96,6 VII 97,5 98,0 99,0 96,5 97,5 97,4 96,5 VIII 96,2 97,5 99,0 97,5 98,0 97,7 97,5 Média 96,9 98,3 98,0 97,1 97,2 97,8 96,9
11 Considerando o diâmetro original do cabo com 95,3 mm, o menor valor encontrado para a linha #1 (96,2 mm) equivale a 100,9 % do valor inicial (menor média). Para a linha #2, o menor valor aferido foi de (97,5mm) equivalendo 102,3 % do diâmetro inicial (maior média). Os valores estão acima de 100% devido à oxidação dos cabos. O processo corrosivo pode, algumas vezes, levar a um aumento de diâmetro ao invés da sua diminuição.
Durante a inspeção visual do cabo de fundo da linha #1, observou-se que o mesmo apresentava um estado bastante deteriorado, com grande quantidade de óxidos e sem arames rompidos. A partir de 180 metros, foram identificados arames saltados e partidos. Para o cabo da linha # 2(cabo de topo), o mesmo aparentava avançado estado de corrosão. Na figura 7, observa-se a perda de massa nos arames e rompimento dos mesmos.
Figura 7- Arames rompidos no cabo da linha # 2
O cabo da linha # 3 apresentava perda da camada de arames externa. Por ser um cabo de topo, a ação do oxigênio acentuou a sua degradação. A figura 8 demonstra o referido cabo.
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Figura 9 – Superfície do cabo de topo da linha # 4
Figura 10 – Inspeção do cabo de topo da linha # 5
O cabo da linha # 5(cabo de topo) foi o que apresentou a menor perda de seção reta metálica total (5,4 %) quando comparado com os demais cabos apresentados nesse artigo.
Figura 11 – Cabo antes e após o jateamento por granalha – Linha # 6
Para o cabo da linha # 8, foram encontrados arames rompidos e amassamento em algumas partes. Na figura 12 podemos observar a aparência do mesmo.
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Figura 12 – Arames rompidos e amassamento do cabo da linha # 8
Conclusão
A API RP 2I, item 3.4.2 relata que uma perda de 8 % na seção metálica equivale a uma perda de 10% na resistência mecânica do cabo. Adotando esse critério, os cabos referentes às linhas #1 #2 #3 #4 #6 #8 estariam reprovados. Apenas o cabo da linha # 5 estaria aprovado.
Ainda segundo a norma API RP 2I, item 3.4.6 o cabo está descartado se o diâmetro for inferior a 94% do diâmetro nominal. De acordo com esse critério, os cabos da P-08 #1 #2 #3 #4 #5 #6 #8 estariam aprovados. É importante ressaltar que o critério da API não leva em consideração o fator de segurança adotado para cada linha, visto que as condições para cada uma delas são diferentes.
É importante ressaltar que as falhas de destrançamento de perna e arame rompido, podem ter ocorrido devido ao manuseio impróprio do cabo pelos operadores, uma vez que tais danos não foram observados nas inspeções por ROV.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
API Recommended Practice 2I. In-service Inspection of Mooring Hardware for Floating Structures. Third edition, April 2008.
ABNT NBR ISO 4309 – Equipamentos de movimentação de carga –Cabos de aço –
Cuidados, manutenção, instalação, inspeção e descarte, terceira edição, 2009.
ABNT NBR 16073 – Ensaios não destrutivos – Inspeção eletromagnética – Cabos de
Aço ferromagnéticos, primeira edição, 2012.
Manual técnico de cabos CIMAF, 2009.
Apostila de treinamento de Inspeção Eletromagnética HIGHBRAS, 2015.
API RP 2I (1997)–In-Service Inspection of Mooring Hardware for Floating Drilling Units, 2st edn., American Petroleum Institute, Washington, D.C.
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