MODELO PARA ANÁLISE MECÂNICA LOCAL DE UMBILICIAIS SUBMARINOS
Pedro Yuji Kawasaki
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger José Renato Mendes de Sousa
Rio de Janeiro Outubro de 2013
MODELO PARA ANÁLISE MECÂNICA LOCAL DE UMBILICAIS SUBMARINOS
Pedro Yuji Kawasaki
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Examinada por:
________________________________________________ Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.
________________________________________________ Prof. José Renato Mendes de Sousa, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.
________________________________________________ Dr. Carlos Alberto Duarte de Lemos, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL OUTUBRO DE 2013
iii Kawasaki, Pedro Yuji
Modelo para Análise Mecânica Local de Umbilicais Submarinos/ Pedro Yuji Kawasaki. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2013.
XVIII, 117 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger José Renato Mendes de Sousa
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil, 2013.
Referências Bibliográficas: p. 113-117.
1. Cabos umbilicais submarinos. 2. Método dos elementos finitos. 3. Análise não linear. I. Ellwanger, Gilberto Bruno et
al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
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AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores, Gilberto Bruno Ellwanger e José Renato Mendes de Sousa, pelos ensinamentos, incentivo e pela confiança depositada em mim e no meu trabalho.
A todos os membros do Laboratório de Análise e Confiabilidade de Estruturas
Offshore (LACEO/COPPE/UFRJ) pelas oportunidades de crescimento profissional.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ) pelo suporte financeiro.
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Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
MODELO PARA ANÁLISE MECÂNICA LOCAL DE UMBILICAIS SUBMARINOS
Pedro Yuji Kawasaki
Outubro/2013
Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger José Renato Mendes de Sousa
Programa: Engenharia Civil
A atividade de explotação de petróleo nas costas brasileiras é costumeiramente realizada por meio de risers flexíveis e cabos umbilicais. Os cabos umbilicais submarinos possuem, dentre diversas outras finalidades, a atribuição de fornecer serviços de controle eletro-hidráulico de equipamentos e/ou de injeção química, sendo uma parte vital para o funcionamento de um sistema submarino de produção de hidrocarbonetos. Trata-se de uma estrutura compósita complexa com diversos componentes funcionais e estruturais interagindo e, portanto, configurando um desafio do ponto de vista de análise estrutural global e local. O presente trabalho tem como objetivo principal apresentar um modelo de elementos finitos tridimensional não linear, desenvolvido através do sistema ANSYS®, para a determinação da resposta estrutural local e das propriedades mecânicas de rigidez de um umbilical submarino submetido a cargas axissimétricas, comparando os resultados obtidos com os disponíveis na literatura, incluindo resultados oriundos de ensaios experimentais. Análises críticas indicam boa correlação entre os resultados numéricos e experimentais e robustez do modelo proposto na predição dos mecanismos de resposta do cabo umbilical analisado.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
A MODEL FOR LOCAL MECHANICAL ANALYSIS OF SUBSEA UMBILICALS
Pedro Yuji Kawasaki
October/2013
Advisors: Gilberto Bruno Ellwanger José Renato Mendes de Sousa
Department: Civil Engineering
The activity of oil exploitation in the Brazilian coast is customarily performed through flexible risers and umbilical cables. The subsea umbilical cables possess, among several other purposes, the assignment to provide electrohydraulic services of equipment control and / or chemical injection, being a vital part of the functioning of a hydrocarbon subsea production system. This is a complex composite structure with several structural and functional components interacting and, therefore, configuring a challenge in terms of global and local structural analysis. This work has as main objective to present a three-dimensional nonlinear finite element model, developed in ANSYS®, for the determination of local structural response and mechanical stiffness properties of a subsea umbilical subjected to axisymmetric loads, comparing the results obtained with the available in the literature, including results from experimental tests. Critical analyses indicate good correlation between the numerical and experimental results and robustness of the proposed model in predicting the response mechanisms of the analyzed umbilical cable.
viii
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 APRESENTAÇÃO ... 1 1.1 Contexto e motivação ... 1 1.2 Objetivos ... 4 1.3 Estrutura do texto ... 4 1.4 Convenções adotadas ... 5 CAPÍTULO 2 UMBILICAIS SUBMARINOS ... 6 2.1 Introdução ... 6 2.2 Componentes e materiais ... 72.2.1 Camada plástica externa ... 7
2.2.2 Armaduras de tração ... 8
2.2.3 Camada plástica interna ... 10
2.2.4 Mangueiras hidráulicas ... 10
2.2.5 Tubos de aço ... 13
2.2.6 Cabos elétricos ... 14
2.2.7 Preenchimentos ... 15
2.2.8 Fitas ... 16
2.3 Seção transversal e disposição longitudinal ... 16
2.4 Principais tipos de umbilicais submarinos ... 20
2.4.1 Umbilicais termoplásticos x Umbilicais de tubos de aço ... 21
2.4.2 Aplicações na indústria offshore ... 23
CAPÍTULO 3 ESTADO DA ARTE ... 26
ix
3.2 Revisão bibliográfica ... 27
CAPÍTULO 4 MODELO NUMÉRICO TRIDIMENSIONAL PARA ANÁLISE LOCAL ... 39
4.1 Introdução ... 39
4.2 Representação dos componentes ... 40
4.2.1 Modelagem das armaduras de tração ... 40
4.2.2 Modelagem das camadas plásticas ... 41
4.2.3 Modelagem dos tubos de aço... 43
4.2.4 Modelagem das mangueiras hidráulicas ... 44
4.2.4.1 Mangueiras termoplásticas convencionais ... 44
4.2.4.2 Mangueiras de alta resistência ao colapso (HCR) ... 46
4.2.5 Modelagem das fitas ... 47
4.2.6 Modelagem dos preenchimentos ... 47
4.3 Interações entre os componentes ... 48
4.4 Aplicações das cargas e condições de contorno ... 50
CAPÍTULO 5 APLICAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO TRIDIMENSIONAL ... 52
5.1 Introdução ... 52
5.2 Aplicação – Umbilical de controle hidráulico ... 52
5.2.1 Propriedades geométricas e de materiais ... 52
5.2.2 Malha de elementos finitos ... 54
5.3 Análises em regime linear ... 55
5.3.1 Metodologia ... 55
5.3.2 Resultados - Efeito da rigidez normal de contato ... 56
5.3.2.1 Análises de tração ... 57
5.3.2.2 Análises de torção horária (-Z) ... 65
x
5.3.2.4 Comparação dos resultados ... 74
5.3.3 Resultados - Efeito da rigidez radial do núcleo ... 80
5.3.4 Resultados - Efeito das condições de contorno ... 84
5.4 Análises em regime não linear... 85
5.4.1 Metodologia ... 85
5.4.2 Resultados (I) a (V) – Tração predominante ... 87
5.4.3 Resultados (VI) a (IX) – Torção predominante ... 100
CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 109
6.1 Conclusões finais ... 109
6.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 111
CAPÍTULO 7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 113
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-1 – Esquema do cenário natural nas áreas do Pré-Sal (Adaptado de MARTINS, 2012) ... 1 Figura 1-2 – Produção de óleo no Brasil (PETROBRAS, 2013) ... 2 Figura 1-3 – Sistema submarino do campo de Marlim da Petrobras (Disponível em:
www.drillingcontractor.org/subsea-automation-on-path-for-closed-loop-controls-intelligence-20389) ... 2 Figura 1-4 – Cabos umbilicais submarinos (Disponível em:
http://www.technip.com/sites/default/files/technip/page/attachments/3_-_Umbilical_design.pdf) ... 3 Figura 1-5- Previsão de demanda de equipamentos e materiais para a Petrobras até 2017 (Adaptado de MARTINS, 2012) ... 3 Figura 1-6 – Convenções de sentidos adotadas ... 5 Figura 2-1 – Umbilical submarino típico (Disponível em: http://jdr.do-work.net/UmbilicalSystems/default.aspx) ... 6 Figura 2-2 – Extrusão de uma camada plástica externa de um umbilical (HEGGDAL, 2005) ... 8 Figura 2-3 – Armaduras de tração de um cabo umbilical (MAGLUTA et al, 2008) ... 9 Figura 2-4 – Cabo elétrico com hastes de preenchimento entre as armaduras de tração (API 17E, 1998) ... 10 Figura 2-5 – Mangueira termoplástica típica (Disponível em: http://www.2b1stconsulting.com/umbilical/) ... 11 Figura 2-6 – Mangueira de alta resistência ao colapso (Disponível em: http://www.universalmetalhose.com/pdf/Bulletin_202.pdf) ... 12 Figura 2-7 – Tubos de aço de um umbilical (Disponível em: http://large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals/) ... 13
xii
Figura 2-8 – Cabos elétricos (Disponível em:
http://large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals/ e http://www.directindustry.com/industrial-manufacturer/umbilical-cable-80759.html) . 14 Figura 2-9 – Possível configuração de preenchimento em um cabo umbilical ... 15 Figura 2-10 – Fita utilizada para reunir o conjunto de componentes do núcleo (Disponível em: http://www.navalsystems-tech.com/suppliers/naval-defence-cable-systems/de-regt-marine-cables) ... 16 Figura 2-11 – Esquema de assentamento planetário ou helicoidal (Adaptado de API 17E, 1998) ... 18 Figura 2-12 – Geometria resultante – Assentamento planetário ou helicoidal ... 18 Figura 2-13 – Esquema de assentamento oscilatório, telescópico ou SZ (Adaptado de API 17E, 1998) ... 19 Figura 2-14 – Geometria resultante – Assentamento oscilatório, telescópico ou SZ ... 20 Figura 2-15 – Principais tipos de umbilicais submarinos (Disponível em: http://urfltd.co.uk/scope/htm) ... 21 Figura 2-16 – Sistemas de produção offshore (OFFSHORE CENTER DANMARK, 2010) ... 24 Figura 2-17 – Alguns tipos de umbilicais (Disponível em:
http://www.oceaneering.com/subsea-products/umbilical-solutions/ous-product-portfolio/) ... 24 Figura 3-1 – Interface CableCAD (KNAPP et al, 1999) ... 30
Figura 3-2 – Malhas UFLEX-2D (Disponível em:
http://www.sintef.no/upload/MARINTEK/PDF-filer/FactSheets/UFLEX.pdf) ... 32 Figura 3-3 – Malha de elementos finitos e vista do ensaio cabo ensaiado experimentalmente (PROBYN et al, 2007) ... 34 Figura 3-4 – Malha de elementos finitos do cabo umbilical (LE CORRE e PROBYN, 2009) ... 35 Figura 3-5 – Instrumentação do umbilical de tubos de aço (PESCE et al, 2010b) ... 37 Figura 4-1 – Modelo de elementos finitos ... 39
xiii
Figura 4-2 – Elemento de pórtico do tipo BEAM 188 (ANSYS, 2009) ... 40
Figura 4-3- Exemplo de malha de elementos finitos das armaduras de tração ... 41
Figura 4-4 – Elemento de casca do tipo SHELL 181 (ANSYS, 2009) ... 42
Figura 4-5 – Exemplo de malha de elementos finitos das camadas poliméricas ... 43
Figura 4-6 – Exemplo de malha de elementos finitos dos tubos de aço ... 44
Figura 4-7 – Exemplo de malha de elementos finitos das mangueiras termoplásticas .. 45
Figura 4-8 – Elementos de contato (Adaptado de ANSYS, 2009) ... 48
Figura 4-9 – Superfícies de contato auxiliares (em vermelho) ... 49
Figura 4-10- Tratamento numérico do contato (WANG, 2004) ... 49
Figura 4-11 – Detalhe do ponto de aplicação da carga de extremidade ... 50
Figura 5-1 – Seção transversal do cabo umbilical ... 53
Figura 5-2 – Malha de elementos finitos e seção transversal ampliada ... 54
Figura 5-3 – Gráfico Tração x Deformação axial... 57
Figura 5-4 – Gráfico Tração x Rotação axial ... 58
Figura 5-5 –Variação radial da armadura externa de tração ... 60
Figura 5-6 –Variação radial da armadura interna de tração ... 60
Figura 5-7 – Tensão normal nos arames da armadura externa de tração ... 61
Figura 5-8 - Tensão normal nos arames da armadura interna de tração ... 62
Figura 5-9 - Tensão normal na camada plástica externa ... 63
Figura 5-10 - Tensão normal na camada plástica interna ... 64
Figura 5-11 - Tensão circunferencial na camada plástica interna ... 64
Figura 5-12 - Gráfico Torção horária x Rotação axial ... 65
Figura 5-13 – Gráfico Torção horária x Deformação axial ... 66
Figura 5-14 – Variação radial da armadura externa de tração ... 67
Figura 5-15 – Variação radial da armadura interna de tração ... 67
xiv
Figura 5-17 - Tensão normal nos arames da armadura interna de tração ... 69
Figura 5-18 - Gráfico Torção anti-horária x Rotação axial ... 70
Figura 5-19 – Gráfico Torção anti-horária x Deformação axial ... 70
Figura 5-20 – Variação radial da armadura externa de tração ... 71
Figura 5-21 – Variação da armadura interna de tração ... 72
Figura 5-22 – Tensão normal nos arames da armadura externa de tração ... 73
Figura 5-23 – Tensão normal nos arames da armadura interna de tração ... 73
Figura 5-24 – Cálculo da rigidez normal de contato entre camadas (SOUSA 2005) ... 76
Figura 5-25 - Comparação entre modelos - Rigidez Axial ... 78
Figura 5-26 - Comparação entre modelos - Rigidez à torção horária ... 78
Figura 5-27 - Comparação entre modelos - Rigidez à torção anti-horária ... 79
Figura 5-28 – Comparação entre modelos empregados nas análises ... 81
Figura 5-29 – Gráfico Rigidez axial x Rigidez radial do núcleo ... 82
Figura 5-30 – Gráfico Rigidez à torção horária x Rigidez radial do núcleo ... 83
Figura 5-31 – Gráfico Rigidez à torção anti-horária x Rigidez radial do núcleo ... 83
Figura 5-32 – Diagrama tensão-deformação das camadas poliméricas ... 86
Figura 5-33 – Diagrama tensão-deformação das armaduras ... 86
Figura 5-34 – Gráfico Tração x Deformação axial... 88
Figura 5-35 – Gráfico Tração x Rotação axial ... 89
Figura 5-36 – Variação radial dos arames da armadura externa de tração ... 90
Figura 5-37 – Variação radial dos arames da armadura interna de tração ... 90
Figura 5-38 – Deslocamentos radiais (em mm) ... 91
Figura 5-39 – Tensão normal nos arames da armadura externa de tração ... 92
Figura 5-40 – Tensão normal nos arames da armadura externa de tração (em MPa) .... 93
Figura 5-41 – Tensão normal nos arames da armadura interna de tração ... 93
xv
Figura 5-43 – Tensão circunferencial na camada plástica interna ... 95
Figura 5-44 – Tensão circunferencial e pressão de contato na camada polimérica interna (em MPa) ... 96
Figura 5-45 – Tensão normal na camada plástica interna ... 97
Figura 5-46 – Tensão normal na camada plástica externa ... 97
Figura 5-47 – Deformadas da seção central para vários passos de carga (escala real) – Caso I ... 99
Figura 5-48 – Gráfico Torção x Rotação axial ... 100
Figura 5-49 – Gráfico Torção x Deformação axial ... 101
Figura 5-50 - Variação radial dos arames da armadura externa de tração ... 102
Figura 5-51 – Variação radial dos arames da armadura interna de tração ... 102
Figura 5-52 - Deslocamentos radiais (em mm) da seção transversal central ... 103
Figura 5-53 - Tensão normal nos arames da armadura externa de tração ... 104
Figura 5-54 - Tensão normal nos arames da armadura interna de tração ... 104
Figura 5-55 – Tensão circunferencial na camada plástica externa ... 105
Figura 5-56 – Tensão circunferencial na camada plástica interna ... 105
Figura 5-57 – Tensão circunferencial camada plástica externa (em MPa) ... 106
Figura 5-58 – Tensão circunferencial camada plástica interna (em MPa) ... 107
Figura 5-59 – Tensão normal na camada plástica externa ... 107
xvi
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1 – Comparação entre umbilicais termoplásticos e umbilicais de tubos de aço
(Adaptado de UMF, 2008) ... 22
Tabela 5-1 - Propriedades geométricas e de materiais do cabo umbilical ... 53
Tabela 5-2 - Rigidez normal de contato (fkn = 1) ... 55
Tabela 5-3 - Cargas de extremidade empregadas nas análises lineares ... 56
Tabela 5-4- Resumo dos resultados – Análises de tração ... 59
Tabela 5-5 - Resumo dos resultados – Análises de torção horária ... 66
Tabela 5-6 - Resumo dos resultados – Análises de torção anti-horária... 71
Tabela 5-7 – Resumo dos resultados numéricos e experimentais ... 75
Tabela 5-8 – Comparação dos valores de rigidez normal de contato entre os modelos . 77 Tabela 5-9 – Variação da rigidez axial com a liberação ou restrição da rotação axial .. 84
Tabela 5-10 – Variação da rigidez à torção horária com a liberação ou restrição do alongamento axial ... 85
Tabela 5-11 – Variação da rigidez à torção anti-horária com a liberação ou restrição do alongamento axial ... 85
Tabela 5-12 – Casos de carregamento analisados em regime não linear – Tração predominante ... 87
Tabela 5-13 – Casos de carregamento analisados em regime não linear – Torção predominante ... 87
xvii
NOMENCLATURA
GERAL
c : Curva paramétrica
E : Módulo de Young do material F : Força
Fn : Força normal de contato Lp : Passo linear do arame Kn : Rigidez normal de contato M : Momento fletor
n : Parâmetro da curva de Ramberg-Osgood r : Raio médio da camada ou arame
t : Tempo Xp : Penetração
GREGO
ε : Deformação
ϕ : Rotação por unidade de comprimento φ : Variável angular
σ : Tensão
σy : Tensão de escoamento do material ν : Coeficiente de Poisson do material
ÍNDICES o : Oscilatório p : Planetário x : Referencial y : Referencial z : Referencial
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SIGLAS
INSTITUIÇÕES
AISI : American Iron and Steel Institute API : American Petroleum Institute
ISO : International Organization for Standardization UMF : Umbilical Manufacturers’ Federation
MATERIAIS
EPC : Copolímero de etileno propileno (Ethylene Propylene Copolymer)
EPDM : Borracha de etileno propileno dieno (Ethylene Propylene Diene Monomer) EPR : Borracha de etileno propileno (Ethylene Propylene Rubber)
HDPE : Polietileno de alta densidade (High Density Polyethylene) LDPE : Polietileno de baixa densidade (Low Density Polyethilene) MDPE : Polietileno de média densidade (Medium Density Polyethylene) PA : Poliamida (Polyamide)
PE : Polietileno (Polyethylene)
PVC : Policloreto de polivinila (Polyvinyl Chloride) PVDF : Polifluoreto de vinilideno (Polyvinylidene Fluoride) XLPE : Polietileno reticulado (Cross Linked Polyethylene)
OUTRAS
BOP : Blow Out Preventer
FKN : Fator multiplicador da rigidez normal de contato HCR : Alta resistência ao colapso (High Collapse Resistant)
IPU : Umbilical de produção integrado (Integrated Producion Umbilical) MEF : Método dos Elementos Finitos
1
CAPÍTULO 1
APRESENTAÇÃO
1
1.1 Contexto e motivação
Nos últimos anos, as discussões acerca da explotação de hidrocarbonetos nas reservas do Pré-Sal têm sido recorrentes no Brasil. O cenário encontrado pela indústria
offshore para o desenvolvimento de empreendimentos nessas áreas, conforme ilustra a
Figura 1-1, é um dos mais desafiadores em termos de viabilidade técnica e econômica para as atividades de exploração e produção.
Figura 1-1 – Esquema do cenário natural nas áreas do Pré-Sal (Adaptado de MARTINS, 2012)
Para voltar a atingir a autossuficiência volumétrica, declarada alcançada pela empresa brasileira em 2006, o Plano de Negócios e Gestão 2013-2017 (PETROBRAS, 2013) da Petrobras prevê investimentos e o crescimento da produção até o patamar de 4.2 milhões de barris de petróleo por dia em 2020, conforme apresenta o gráfico da Figura 1-2.
2
Figura 1-2 – Produção de óleo no Brasil (PETROBRAS, 2013)
A maior parcela da produção de óleo no país, atual e prevista para o futuro, é oriunda dos sistemas submarinos que operam em lâminas d’água profundas e ultra profundas.
Uma parte relevante de um sistema submarino de produção, tal como o ilustrado na Figura 1-3, é composta por dutos rígidos e flexíveis, além de cabos umbilicais.
Figura 1-3 – Sistema submarino do campo de Marlim da Petrobras (Disponível em:
3
Os cabos umbilicais submarinos possuem, dentre diversas outras finalidades, a atribuição de fornecer serviços de controle eletro-hidráulico de equipamentos e/ou de injeção química, sendo uma parte vital para a manutenção do funcionamento de todo o sistema. Na Figura 1-4, são apresentadas algumas seções transversais de cabos umbilicais submarinos típicos com aplicações distintas.
Figura 1-4 – Cabos umbilicais submarinos (Disponível em:
http://www.technip.com/sites/default/files/technip/page/attachments/3_-_Umbilical_design.pdf)
De acordo com MARTINS (2012), somente para atender à demanda estimada da operadora brasileira, serão necessários adicionais 6491km de cabos umbilicais até o ano de 2017, conforme verificado na Figura 1-5.
Figura 1-5- Previsão de demanda de equipamentos e materiais para a Petrobras até 2017 (Adaptado de MARTINS, 2012)
COMPONENTE Unidade 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Total
Bombas unidade 899 1737 942 381 96 331 4386
Compressores unidade 174 54 51 23 40 45 387
Guindastes unidade 23 25 24 8 7 6 93
Aço Estrutural (Cascos de navios) t 205100 45600 31750 29600 70900 70900 453850 Aço Estrutural (Cascos de plataformas) t 140000 364000 224000 112000 140000 112000 1092000 Aço Estrutural (Cascos de sondas de perfuração) t 0 120000 120000 120000 120000 80000 560000
Flares unidade 11 12 8 6 4 5 46 Geradores de energia (13.8kV) unidade 32 189 14 20 27 17 299 Geradores de energia (0.48kV) unidade 158 0 0 0 0 0 158 Cabeça de poço offshore unidade 215 204 220 225 207 235 1306 Cabeça de poço onshore unidade 458 522 436 324 189 120 2049 Árvores de natal molhadas unidade 136 158 191 217 203 229 1134 Árvores de natal secas unidade 457 522 436 324 189 120 2048
Manifolds unidade 10 18 23 15 12 21 99
Dutos flexíveis km 743 616 713 957 1471 1478 5978
Risers km 210 173 311 441 544 682 2361
Cabos umbilicais km 517 714 887 1295 1485 1593 6491
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Neste contexto de demanda crescente, nacional e internacional, e novos desafios impostos pelas condições ambientais desfavoráveis às quais essas estruturas estão submetidas, destaca-se a relevância de aprimorar o entendimento da mecânica dos cabos umbilicais, especialmente do ponto de vista de verificações locais, cujos desenvolvimentos ainda são incipientes.
1.2 Objetivos
O presente trabalho tem como objetivo principal avaliar o comportamento mecânico local de um cabo umbilical submarino e realizar análises para a determinação de propriedades mecânicas de rigidez e modos de falha associados à imposição de cargas limites à estrutura.
Os estudos serão conduzidos através de um modelo numérico tridimensional não linear baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), através do qual é possível representar, com reduzido número de premissas simplificadoras, todos os componentes do cabo e simular adequadamente a interação entre os mesmos.
Os resultados obtidos considerando a atuação de carregamentos axissimétricos serão, então, comparados a alguns disponíveis na literatura, oriundos de outros modelos previamente desenvolvidos e de ensaios experimentais, com a finalidade de validar e calibrar o modelo numérico proposto.
1.3 Estrutura do texto
Essa dissertação encontra-se dividida da seguinte forma:
No Capítulo 2, apresentam-se, detalhadamente, cada um dos componentes que podem integrar um cabo umbilical submarino típico. Adicionalmente, são apresentados alguns dos tipos de cabos empregados na indústria offshore, comparando as finalidades e as características principais dos mesmos;
No Capítulo 3, é realizada uma revisão bibliográfica, apresentando algumas das principais contribuições disponíveis na literatura relacionada às análises locais dos cabos umbilicais;
No Capítulo 4, as caraterísticas do modelo numérico de elementos finitos desenvolvido serão apresentadas em detalhes;
5
No Capítulo 5, o comportamento estrutural à tração e torção isoladas e combinadas, contemplando análises lineares e não lineares de um cabo umbilical submarino de controle hidráulico é avaliado. Os resultados numéricos são comparados aos disponíveis na literatura e a mecânica da resposta da estrutura é discutida;
No Capítulo 6, são apresentadas as conclusões obtidas e sugeridos alguns temas para a continuidade do trabalho.
1.4 Convenções adotadas
As convenções adotadas para a geração e apresentação dos resultados do modelo, em termos de sistema global de referência e sentidos horário e anti-horário do assentamento de componentes e de aplicação de cargas de torção, são apresentadas na Figura 1-6 (a) e na Figura 1-6 (b), respectivamente.
(a) Sentido horário (-Z) (b) Sentido anti-horário (+Z) Figura 1-6 – Convenções de sentidos adotadas
6
CAPÍTULO 2
UMBILICAIS SUBMARINOS
2
2.1 Introdução
A norma internacional ISO 13628-5 (2009) define um umbilical submarino, tal como o ilustrado na Figura 2-1, como um grupo de componentes funcionais, tais como cabos elétricos, cabos de fibra óptica, mangueiras e tubos assentados, reunidos ou combinados entre si, que fornecem, geralmente, serviços de controle hidráulico, de injeção de fluidos e de distribuição de energia e/ou comunicação.
Figura 2-1 – Umbilical submarino típico (Disponível em: http://jdr.do-work.net/UmbilicalSystems/default.aspx)
O arranjo dos diversos componentes de um umbilical deve resultar em um cabo funcional, atendendo aos requisitos necessários à execução das atividades que compreendem a ligação entre os equipamentos e as unidades de controle e, simultaneamente, capaz de resistir estruturalmente aos carregamentos atuantes ao longo da vida útil do mesmo.
A integridade estrutural de cabos umbilicais complexos é assegurada através da incorporação de camadas, aos pares, constituídas de tendões metálicos assentados contra-helicoidalmente, que conferem à estrutura resistência às cargas axiais e de torção, sem comprometer a flexibilidade necessária ao cabo. Deve-se ressaltar, também, a contribuição, quando existentes, dos tubos metálicos no incremento da rigidez aos carregamentos axissimétricos.
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A estanqueidade e a proteção do núcleo do umbilical contra a ação degenerativa do ambiente marinho ficam a cargo das camadas poliméricas homogêneas, que ainda contribuem para a rigidez à flexão da estrutura, embora essa grandeza apresente valor reduzido quando comparada à rigidez axial elevada desse tipo de estrutura.
Inúmeras são as configurações que se pode obter ao combinar os componentes da estrutura de um umbilical submarino com o objetivo de atender à funcionalidade necessária. Deste modo, a generalização de uma estrutura padrão se torna inviável, uma vez que os umbilicais submarinos são manufaturados de acordo com as solicitações específicas de cada projeto.
Todavia, nos itens a seguir, os principais componentes, alguns aspectos da manufatura dos mesmos e alguns dos tipos de umbilicais empregados na indústria
offshore serão apresentados e discutidos.
2.2 Componentes e materiais
2.2.1 Camada plástica externa
A camada plástica externa de um umbilical submarino é, geralmente, assentada sobre a última armadura de tração e tem como finalidades: proteger o cabo contra a abrasão provocada pelo ambiente marinho; proteger o cabo de possíveis danos induzidos durante o processo de instalação ou devidos ao contato do umbilical com outros cabos, equipamentos e com o leito marinho; contribuir para o isolamento térmico e elétrico do cabo.
De acordo com as normas ISO 13628-5 (2009) e API 17E (1998), a manufatura dessa camada é feita através da extrusão contínua, conforme ilustra a Figura 2-2, de um material termoplástico, no caso de umbilicais de uso estático e dinâmico. No caso de umbilicais de uso estático, ainda, a camada externa pode ser formada pelo assentamento helicoidal de uma camada formada por fibras sintéticas.
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Figura 2-2 – Extrusão de uma camada plástica externa de um umbilical (HEGGDAL, 2005)
Os materiais tipicamente empregados na composição dessa camada são os de origem polimérica, tais como os polietilenos, usualmente os de alta densidade (HDPE), as poliamidas, os poliuretanos à base de éter e as fibras de polipropileno.
2.2.2 Armaduras de tração
As armaduras de tração de um umbilical submarino são formadas, tipicamente, por arames com seções transversais circulares definindo, em geral, um par de camadas, sendo uma denominada armadura interna de tração e outra armadura externa de tração. Essas camadas são assentadas contra-helicoidalmente, ou seja, uma das camadas apresenta ângulo de assentamento positivo e outra apresenta, aproximadamente, o mesmo ângulo, porém negativo, conforme ilustrado na Figura 2-3. Ressalta-se que, dependendo da demanda de resistência à tração e/ou da necessidade de se adicionar lastro ao umbilical, um maior número de armaduras pode ser adotado.
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Figura 2-3 – Armaduras de tração de um cabo umbilical (MAGLUTA et al, 2008)
Estruturalmente, as armaduras são responsáveis por prover resistência às cargas axiais e rigidez à torção ao umbilical através do assentamento dos arames com ângulos reduzidos, segundo CUSTÓDIO (1999), entre 15º e 24º. Tal configuração proporciona elevada rigidez axial sem comprometimento da flexibilidade inerente e necessária aos cabos umbilicais submarinos, devido ao fato de os arames apresentarem liberdade de deslocamento, assentando-se em configurações de menor energia potencial quando da flexão do cabo.
Os arames das armaduras de tração são, geralmente, compostos por aço carbono galvanizado. Entretanto, nos casos em que se faz necessário reduzir a rigidez axial e/ou a massa linear do umbilical, alguns dos arames podem ser substituídos por hastes compostas por materiais termoplásticos, tal como o HDPE, por exemplo. Nesses casos, tanto a ISO 13628-5 (2009) quanto a API 17E (1998) especificam que as hastes de preenchimento devem ser distribuídas uniformemente na direção circunferencial da camada, ou seja, as mesmas devem ser posicionadas de modo que os ângulos formados entre hastes adjacentes sejam iguais e não induzam desbalanceamentos na estrutura do cabo.
Um exemplo de umbilical no qual são empregadas hastes poliméricas de preenchimento (com hachuras sólidas) nas armaduras de tração pode ser verificado na Figura 2-4.
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Figura 2-4 – Cabo elétrico com hastes de preenchimento entre as armaduras de tração (API 17E, 1998)
2.2.3 Camada plástica interna
A camada plástica interna de um umbilical submarino é, em geral, assentada imediatamente abaixo da armadura interna de tração e sobre o conjunto de cabos e mangueiras que compõem o núcleo funcional do cabo.
Dentre as competências atribuídas a essa camada polimérica, se destacam a proteção mecânica do núcleo do umbilical, o incremento de estabilidade do conjunto de cabos e mangueiras e o fornecimento de uma superfície de suporte para os arames da armadura interna de tração ou tubos de aço.
A camada plástica interna deve possuir espessura suficiente para distribuir adequadamente a compressão radial, provocada pela solicitação das armaduras de tração, na interface entre a mesma e o conjunto de componentes funcionais do umbilical.
Assim como a camada plástica externa, a correspondente interna também é formada através do processo de extrusão e emprega materiais termoplásticos, sendo o LDPE um dos polímeros mais utilizados na composição da mesma.
2.2.4 Mangueiras hidráulicas
As mangueiras utilizadas na composição de um umbilical submarino são os elementos responsáveis por atribuir funções hidráulicas e pneumáticas ao cabo, permitindo a realização do acionamento de válvulas de equipamentos submarinos e a injeção de fluidos em poços, por exemplo.
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Cada mangueira é formada pela associação de três camadas principais distintas, sendo uma camada interna de revestimento, também denominada liner, uma camada de reforço e uma camada de revestimento externo, compondo uma estrutura flexível e de reduzida rigidez axial.
O liner é a camada que entra em contato direto com o fluido conduzido pela mangueira e pode ser composto por uma ou mais camadas, dependendo da necessidade de se atender aos requisitos estruturais e funcionais. No caso de mangueiras termoplásticas convencionais, como a apresentada na Figura 2-5, um material usualmente empregado é a poliamida 11 (PA 11).
Figura 2-5 – Mangueira termoplástica típica (Disponível em: http://www.2b1stconsulting.com/umbilical/)
Para mangueiras destinadas a aplicações em lâminas d’água elevadas, nas quais o umbilical está submetido a altas pressões externas, o liner pode incorporar uma carcaça intertravada, tal como a ilustrada na Figura 2-6 (a), para garantia de resistência ao colapso estrutural, associada a um material polimérico que assegura a estanqueidade da mangueira. Esse tipo de mangueira, denominada de HCR e apresentada na Figura 2-6 (b) emprega, em geral, aços inoxidáveis, tal como o AISI 316L, como componentes da carcaça intertravada e poliamidas, tal como PA 11, como componentes da camada estanque.
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(a) Carcaça metálica (b) Mangueira de alta resistência ao colapso
Figura 2-6 – Mangueira de alta resistência ao colapso (Disponível em: http://www.universalmetalhose.com/pdf/Bulletin_202.pdf)
A camada intermediária de reforço é formada a partir da superposição de um ou mais tecidos, usualmente compostos de fibra de aramida, também conhecida como
kevlar®. Segundo SOUSA (2005), esse tipo de fibra sintética possui propriedades anisotrópicas, apresentando elevada resistência à tração, porém reduzida resistência à compressão.
Estruturalmente, essa camada é responsável por conferir resistência à mangueira à pressão interna oriunda do fluido transportado. Segundo CUSTÓDIO (1999), quando a pressão interna em uma mangueira hidráulica inexiste, o liner é responsável pela manutenção do diâmetro nominal da mesma e o tecido de kevlar® permanece lasso. Na presença de uma pressurização interna, o material do liner pode expandir radialmente até o limite determinado pela camada de reforço. Um aspecto relevante diz respeito à possibilidade de movimento interno e interferência entre as mangueiras e demais componentes funcionais do cabo em decorrência da expansão volumétrica das mangueiras pressurizadas.
A última camada constituinte das mangueiras hidráulicas é uma camada polimérica de revestimento cuja função primária é fornecer proteção às camadas inferiores contra abrasão, erosão ou danos mecânicos. Materiais empregados na constituição dessa camada são as poliamidas ou, usualmente, os poliuretanos. De acordo com a API 17E (1998), o coeficiente de fricção entre a camada externa de revestimento de uma mangueira e as camadas externas de outras mangueiras e/ou cabos elétricos deve ser minimizado.
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Um aspecto relevante relacionado à seleção dos materiais componentes das mangueiras hidráulicas dos umbilicais submarinos é à necessidade de se avaliar a compatibilidade química entre os fluidos transportados e os materiais empregados nas camadas das mangueiras. O liner e a carcaça intertravada, quando existir, devem ser inertes para a preservação das características originais dos fluidos conduzidos e, também, para a garantia da integridade estrutural da mangueira.
2.2.5 Tubos de aço
Os tubos metálicos, tais como os ilustrados na Figura 2-7, são utilizados como alternativas às mangueiras hidráulicas na condução dos fluidos e combinam elevada rigidez axial, resistência às cargas de pressão, tais como as solicitações de pressão hidrostática, de fluido interno e as de crushing oriundas do processo de instalação, além de proverem estanqueidade.
Figura 2-7 – Tubos de aço de um umbilical (Disponível em:
http://large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals/)
Os materiais empregados na fabricação desses condutores são, mais comumente, os aços inoxidáveis, tais como o Duplex e o Super Duplex (CHIAVERINI, 1984). Entretanto, para atender aos requisitos de resistência à corrosão, provocada tanto pelo fluido interno transportado quanto pelo ambiente marinho, os tubos de aço podem receber um revestimento de material polimérico ou de zinco.
Segundo GONÇALVES et al (2009), os materiais usualmente empregados na constituição desse revestimento são o HDPE, o PVC e o PVDF.
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2.2.6 Cabos elétricos
Os cabos elétricos podem ser subdivididos em duas partes, os de transmissão de energia e os de sinal. Na Figura 2-8 (a), é apresentada uma possível configuração de um cabo de potência e na Figura 2-8 (b), uma associação típica de cabos de transmissão de sinal.
(a) Cabo de potência (b) Cabo de transmissão de sinal
Figura 2-8 – Cabos elétricos (Disponível em:
http://large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals/ e http://www.directindustry.com/industrial-manufacturer/umbilical-cable-80759.html)
Nos cabos de potência, o material utilizado como condutor, em geral, é o cobre, embora o alumínio possa ser empregado como alternativa, conforme apresentado por DOBSON e FRAZER (2012).
A cargo do isolamento elétrico, segundo a API 17E (1998), materiais da família dos polietilenos, tais como o LDPE, o MDPE e o XLPE, além das variações de polipropilenos, tais como o EPM/EPR, o EPC e o EPDM podem ser usados com comprovada eficácia.
Os cabos isolados são mantidos agrupados através da aplicação de fitas, em geral de poliéster, além de possíveis materiais de preenchimentos. Esse preenchimento pode ser efetuado através da inserção de fibras sintéticas ao conjunto de cabos ou, ainda, através da extrusão de um material polimérico, consolidando uma seção transversal sem vazios.
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Para a garantia da integridade estrutural, alguns cabos contam com armaduras metálicas para o incremento de rigidez axial. Segundo ROCHA (2007), as armaduras podem ser compostas por fitas de aço assentadas helicoidalmente, por fitas corrugadas de aço ou alumínio assentadas transversalmente ao eixo do cabo ou, ainda, fios de cobre ou de aço.
A última camada de composição de um cabo elétrico é uma camada polimérica extrudada sobre as demais camadas internas, em geral manufaturada em polietileno, cujas funções são conformar o cabo e prover proteção mecânica.
Os cabos de transmissão de sinal empregam, geralmente, fibras ópticas compostas por materiais plásticos ou vidro.
2.2.7 Preenchimentos
O núcleo funcional de um umbilical submarino, formado pelas mangueiras e/ou cabos elétricos, pode apresentar, a depender da disposição geométrica dos respectivos componentes, espaços vazios excessivos entre esses elementos. Tais espaços são ocupados por elementos de preenchimento que apresentam geometrias variadas de modo a estabelecer um contato direto entre os componentes e manter a configuração da seção transversal. Os materiais usualmente empregados são as fibras de polipropileno, de polietileno, poliamida e o PVC. Na Figura 2-9, é apresentado um cabo umbilical no qual são empregados componentes de preenchimento.
Figura 2-9 – Possível configuração de preenchimento em um cabo umbilical
(Adaptado de http://subseaworlnews.com/wp-content/upload/2013/07/24/usa-nexans-to-supply-umbilical-for-exxonmobils-julia-field/)
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2.2.8 Fitas
O conjunto de cabos, mangueiras e tubos que compõem o núcleo do umbilical deve ser reunido e manter os respectivos posicionamentos e ângulos de assentamento dos elementos por meio da aplicação de uma fita em torno de todo o perímetro e ao longo de toda a extensão do cabo umbilical. Em geral, uma fibra sintética é utilizada como material constituinte da fita, que é assentada helicoidalmente sobre o conjunto, conforme ilustrado na Figura 2-10.
Figura 2-10 – Fita utilizada para reunir o conjunto de componentes do núcleo (Disponível em: http://www.navalsystems-tech.com/suppliers/naval-defence-cable-systems/de-regt-marine-cables)
Além do propósito de reunir os componentes funcionais do cabo em um núcleo compacto, as fitas também podem ser empregadas em uma camada entre as armaduras de tração do umbilical com o objetivo de minimizar os efeitos de atrito metal-metal, que pode levar à ocorrência deletéria de fadiga por fretagem.
2.3 Seção transversal e disposição longitudinal
Apresentados os principais componentes que podem estar presentes na configuração de um cabo umbilical submarino, neste item, serão expostos alguns aspectos da confecção de um cabo típico.
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A manufatura de um cabo umbilical é realizada através de diversos processos conjuntos para a composição e assentamento adequados de cada um dos elementos, com o objetivo de garantir a funcionalidade dos componentes e assegurar a integridade estrutural do cabo.
A seção transversal de um cabo umbilical deve atender a alguns requisitos e recomendações normativas principais, a citar:
Deve ser circular e a mais compacta e simétrica possível;
No caso de umbilicais contendo cabos elétricos, esses devem ser posicionados próximos ao centro. Caso não seja possível atender a esse requisito, a especificação desses cabos deve contemplar solicitações de tração e compressão adicionais impostas aos condutores de eletricidade para garantir a integridade estrutural ao longo da vida útil.
A disposição dos componentes na seção transversal afeta significativamente a resposta estrutural do cabo, isto é, propriedades mecânicas de rigidez e, consequentemente, a solicitação local de cada um dos componentes.
Além da disposição dos componentes em uma seção transversal adequada, a distribuição longitudinal dos mesmos também é um aspecto fundamental para o projeto de um umbilical submarino.
O assentamento longitudinal dos arames das armaduras de tração, dos tubos de aço, das mangueiras, dos cabos elétricos e preenchimentos pode ser feito através de duas formas distintas, ou seja, através dos assentamentos planetário ou oscilatório.
O assentamento planetário, também conhecido como helicoidal, é um método em que o componente é continuamente rotacionado em torno do eixo do cabo em um único sentido à medida que vai sendo assentado longitudinalmente, conforme o esquema apresentado na Figura 2-11.
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Figura 2-11 – Esquema de assentamento planetário ou helicoidal (Adaptado de API 17E, 1998)
O cabo conformado assume a configuração final de uma hélice cilíndrica com ângulo de assentamento constante. A equação paramétrica que define a curva obtida quando da adoção do assentamento planetário, apresentada na Figura 2-12, pode ser escrita conforme a Equação 2.1.
( ) [ ( ) ( ) ( ) ] (2.1)
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O assentamento oscilatório, também conhecido como SZ ou telescópico, é um método que consiste do rotacionamento do componente em torno do eixo do cabo em sentidos alternados em um determinado período, tipicamente de 360º a 720º, ou seja, reversão de sentido a cada um ou dois passos, conforme ilustrado na Figura 2-13.
Figura 2-13 – Esquema de assentamento oscilatório, telescópico ou SZ (Adaptado de API 17E, 1998)
Diferentemente do processo planetário, os componentes são rotacionados em torno do eixo através da manipulação de placas guias que impõem as curvaturas aos mesmos quando da passagem dos cabos pelos orifícios das placas.
O cabo conformado assume a configuração final de uma hélice cilíndrica com ângulo de assentamento variável em função da reversão do sentido de rotação. A equação paramétrica que define a curva obtida quando da adoção do assentamento oscilatório, apresentada na Figura 2-14, pode ser escrita conforme a Equação 2.2.
( ) [ ( ( )) ( ( )) ( ) ] (2.2)
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Figura 2-14 – Geometria resultante – Assentamento oscilatório, telescópico ou SZ
Segundo MARIK (2001), o método convencional de assentamento planetário exige que pesados carretéis, que contêm os cabos a serem agrupados, sejam rotacionados, resultando em uma operação de baixa velocidade, limitada pela elevada inércia à movimentação dos carretéis. Além disso, demanda um tempo substancial para o carregamento e descarregamento desses carretéis quando há a necessidade de substituição. Tais desvantagens não são verificadas quando se emprega o assentamento do tipo SZ, que torna o processo de manufatura mais eficiente e produtivo e, consequentemente, menos oneroso.
Do ponto de vista estrutural, segundo CUSTÓDIO (1999), quando o assentamento dos componentes é feito através do método SZ, a estrutura conformada apresenta menor rigidez axial e à torção quando comparada com uma equivalente manufaturada a partir de um método de assentamento planetário, em decorrência da variação do ângulo de assentamento ao longo do cabo.
Salienta-se que ambas as alternativas disponíveis para o assentamento dos componentes na conformação do cabo umbilical são fundamentadas na necessidade de se obter uma estrutura flexível, com liberdade parcial para deslocamentos associados à imposição de curvaturas, simultaneamente rígida na direção axial, radial e balanceada em relação à torção.
2.4 Principais tipos de umbilicais submarinos
De uma maneira geral, quanto ao tipo de componente funcional de transporte de fluidos, os umbilicais submarinos podem ser divididos em dois grupos principais: os
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umbilicais termoplásticos, ou seja, que empregam mangueiras termoplásticas como condutores de fluidos, conforme apresentado na Figura 2-15 (a); e os umbilicais de tubos de aço, conforme ilustrado na Figura 2-15 (b). Existem, ainda, os umbilicais de potência e/ou transmissão de sinal que podem ser dedicados exclusivamente a essas finalidades ou integrados como componentes dos dois grupos primários, de acordo com a classificação proposta no presente trabalho.
(a) Umbilical termoplástico (b) Umbilical de tubos de aço
Figura 2-15 – Principais tipos de umbilicais submarinos (Disponível em: http://urfltd.co.uk/scope/htm)
Nos subitens seguintes, serão apresentadas algumas peculiaridades dos umbilicais termoplásticos e dos umbilicais de tubos de aço, além de algumas variedades de cabos típicos para aplicações na indústria offshore.
2.4.1 Umbilicais termoplásticos x Umbilicais de tubos de aço
Os umbilicais termoplásticos, de acordo com UMF (2008), foram empregados pela primeira vez em serviço em meados de 1970. Já os umbilicais de tubos de aço passaram a ser utilizados somente a partir da década de 1990, com o advento de aços inoxidáveis mais resistentes estruturalmente e quimicamente à corrosão.
A diferença na constituição dos componentes condutores de fluidos desses cabos vai além da distinção de comportamento e interação dos mesmos com o fluido conduzido, influindo, também, nas propriedades mecânicas globais do umbilical resultante da associação desses e demais componentes funcionais e estruturais.
Em uma classificação primária, distinguem-se as seguintes características mais pronunciadas, a citar: os umbilicais termoplásticos são relativamente mais flexíveis e
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apresentam baixa rigidez axial quando comparados com os correspondentes compostos por tubos de aço, que apresentam menor flexibilidade e maior rigidez axial.
As peculiaridades desses dois tipos de estruturas fazem com que, dependendo da aplicação e finalidade dada ao umbilical, uma seja mais vantajosa em relação à outra ou, até mesmo, uma estrutura híbrida com mangueiras termoplásticas e tubos de aço possa ser adotada como melhor solução de projeto.
Com o objetivo de avaliar detalhadamente as características dos umbilicais compostos por cada um desses tipos de componentes, na Tabela 2-1, são apresentadas comparações de algumas características relevantes dos umbilicais termoplásticos e dos umbilicais de tubos de aço.
Tabela 2-1 – Comparação entre umbilicais termoplásticos e umbilicais de tubos de aço (Adaptado de UMF, 2008)
Característica Umbilicais termoplásticos Umbilicais de tubos de aço
Materiais tipicamente empregados nos componentes
Liner: PA 11, Polietileno; Reforço: Aramida;
Carcaça: Aço inoxidável 316L; Revestimento: PA 11, polietileno.
Tubo: Aço carbono, Aço Inoxidável (Duplex, Super Duplex);
Revestimento: Zinco ou polietileno.
Diâmetros típicos dos componentes
6mm a 50mm para umbilicais de produção. 13mm a 50mm para umbilicais de produção;
13mm a 100mm para umbilicais integrados de produção (IPU). Comprimento máximo de fabricação do componente sem descontinuidade (valores típicos) Sem carcaça: 5000m a 24000m; Com carcaça: 3000m a 18000m; Os valores dependem da relação entre o diâmetro da mangueira e a pressão interna.
Tubos sem costura: 10m a 30m; Com costura: 3000m a 8000m; Os valores dependem da relação entre o diâmetro e a espessura do tubo. Obs: No caso de tubos com costura, a corrosão, especialmente nas soldas, pode representar um risco à integridade estrutural.
Resistência à tração Baixa, necessita do emprego de armaduras de tração.
Alta. Permite que os tubos sejam utilizados, também, como componentes resistentes à tração e pressão. Resulta em um cabo de menor diâmetro e mais leve em relação ao termoplástico equivalente.
Resistência ao colapso hidrostático
Baixa. Para mangueiras sem carcaça preenchidas com fluidos menos densos que a água do mar, há possibilidade de colapso à medida que o diâmetro da mangueira e a lâmina d’água aumentam. Nesses casos, há necessidade de se empregarem mangueiras com carcaça.
No caso do fluido transportado ser mais denso que a água do mar, em geral, pode ser utilizado em aplicações de águas profundas.
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Continuação da Tabela 2.1
Resistência às cargas de crushing
Baixa, para mangueiras despressurizadas. Obs: Durante o assentamento da mangueira e as operações de instalação, essas devem ser pressurizadas para evitar o risco de esmagamento.
Alta.
Para tubos de parede relativamente fina (D/t >20), cuidados especiais são necessários na manipulação durante os processos de manufatura.
Durante o assentamento do tubo, o esmagamento de componentes menos resistentes, tais como os cabos de fibras óticas, deve ser monitorado.
Raio mínimo de curvatura Podem atingir raios de curvatura menores em decorrência da menor rigidez à flexão.
Atingem raios de curvatura maiores devido à rigidez à flexão mais elevada em relação aos termoplásticos.
No caso de risers, o raio mínimo
admissível é elevado, pois os tubos sofrem ação da combinação de tração e flexão, fazendo necessário o emprego de bend stiffeners de grandes dimensões para limitar a flexão.
Resistência à fadiga por flexão
Resistência elevada em função da grande flexibilidade. Adequado para umbilicais de uso dinâmico.
Para umbilicais de uso dinâmico, deve-se prever o revestimento dos tubos para evitar fadiga por fretagem.
Expansão volumétrica 7% a 10% Muito baixa
Permeabilidade Pode ocorrer para fluidos transportados de
baixo peso molecular e a depender do material empregado no liner.
Impermeável.
Pressão de projeto (valores típicos)
86.2 MPa
Obs: à medida que o diâmetro do
componente aumenta, a pressão de projeto diminui.
Tipo de aço: 316L: 86.2MPa; 19D: 120.7MPa;
Super Duplex: 151.7MPa; Aço Carbono: 120.7MPa. Temperatura máxima em
ambiente marinho
Até 40ºC, tipicamente, podendo chegar a até 60ºC em situações intermitentes.
Tipo de tubo:
Revestimento de zinco: até 100ºC; Revestimento polimérico: até 80ºC; Super Duplex sem revestimento: até 55ºC.
2.4.2 Aplicações na indústria offshore
A instalação e operação de um sistema submarino de produção de óleo e gás completo, como um dos ilustrados na Figura 2-16, compreende a utilização de diversos equipamentos submarinos, tais como BOPs, Manifolds, Árvores de Natal, unidades de processamento e bombeio, dentre outros.
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Figura 2-16 – Sistemas de produção offshore (OFFSHORE CENTER DANMARK, 2010)
Esses equipamentos demandam suprimento de energia e controle das respectivas operações. Tais requisitos são atendidos através da utilização de umbilicais com diversas finalidades, como os ilustrados na Figura 2-17.
Figura 2-17 – Alguns tipos de umbilicais (Disponível em: http://www.oceaneering.com/subsea-products/umbilical-solutions/ous-product-portfolio/)
A seguir, serão apresentadas algumas das principais configurações de umbilicais submarinos correntes na indústria offshore, distinguidas por finalidade:
Umbilicais de produção submarina (Subsea production umbilicals): utilizados para conectar os sistemas de produção do leito marinho às unidades de produção;
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Flying Leads ou Jumper Umbilicals: utilizados para conectar árvores de natal submarinas às terminações, tais como manifolds ou unidades de distribuição;
Umbilicais para intervenção (Intervention umbilicals): utilizados para prover controle do sistema de produção em uma eventual perda de controle através do umbilical principal;
Umbilicais de serviço (Workover umbilicals): utilizados para prover serviços de controle e intervenção do poço, incluindo comandos hidráulicos, elétricos e de sinal;
Umbilicais de válvula de isolamento (Subsea isolation valve umbilicals): utilizados para operar e monitorar válvulas de isolamento de flowlines em uma eventual emergência que afete o sistema de produção;
Umbilicais para controle de BOP (Blow out preventer umbilical): utilizados para controle dos equipamentos de cabeça de poço durante operações de perfuração e prevenção de extravasamento de fluido caso haja perda de controle da pressão;
Umbilicais de potência (Subsea power umbilicals): utilizados para prover energia e funções de controle para bombas e equipamentos de injeção e processamento;
Pile-driving umbilicals: utilizados para prover controle e energia para os equipamentos de instalação de estacas;
Jacket Sumergence Umbilicals: instalados nas pernas de uma jaqueta (plataforma fixa) para permitir controle de lastreamento da estrutura durante a operação de instalação;
Umbilicais de Topside (Topside Wellhead Control Umbilicals): utilizados para prover a ligação e o controle entre os equipamentos do topside. Por requisitos de segurança, devem possuir materiais livres de halogênios para evitar a propagação de fumaça em um eventual incêndio;
Umbilicais para controle de ROVs: utilizados para fornecimento de energia, instrumentação e controle dos veículos, além de aquisição de dados e vídeos. Podem ser flutuantes para permitir a operação do ROV sem que o peso do cabo inviabilize as manobras (nesse caso, denominados Neutrally Buoyant
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CAPÍTULO 3
ESTADO DA ARTE
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3.1 Aspectos sobre a análise local de umbilicais submarinos
As análises locais de umbilicais submarinos têm como objetivos principais a determinação das propriedades mecânicas, a citar: rigidez axial, à torção e à flexão; determinação das cargas limites às quais a linha pode ser submetida; avaliação das tensões e deformações dos componentes e predição das interações entre os mesmos devidas às cargas mecânicas atuantes no umbilical.
Por se tratar de uma estrutura compósita, que apresenta componentes com diversas configurações geométricas e propriedades físicas, a estimativa das grandezas supracitadas demanda o conhecimento, senão completo, da grande maioria das características da seção transversal do umbilical em questão.
Nesse aspecto, uma dificuldade adicional deve ser considerada na realização das análises, uma vez que a caracterização e obtenção de todos os parâmetros necessários, especialmente as propriedades físicas dos materiais, é uma tarefa árdua em face da reduzida quantidade de informações providas pelos fabricantes dos umbilicais.
Associado a esse fato limitador, do ponto de vista dos problemas de engenharia que se enfrentam ao lançar mão de modelos matemáticos para resolução dos mesmos, a maior parte das dificuldades reside na determinação do comportamento estrutural das camadas assentadas helicoidalmente, na estimativa correta das solicitações induzidas pelo contato entre as camadas e na determinação da resposta do umbilical submarino submetido a carregamentos combinados.
Esses apontamentos levam à conclusão de que estimar com precisão todos os parâmetros envolvidos e, assim, compreender melhor o funcionamento desse tipo de estrutura é um grande desafio e, há algumas décadas, diversos autores vêm contribuindo de forma direta e indireta para o desenvolvimento de metodologias confiáveis para prever o comportamento das estruturas compósitas, tais como os umbilicais submarinos. Ressalta-se que, em virtude da semelhança estrutural de alguns componentes, muitos dos trabalhos desenvolvidos contemplam o estudo não só dos umbilicais
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submarinos, mas, também na sua grande maioria, dos dutos flexíveis de camadas não aderentes. Para a compreensão dos aspectos peculiares da análise desse tipo de estrutura, bem como para se obterem maiores detalhes da bibliografia disponível, sugere-se consultar SOUSA (2005).
Como o escopo do presente trabalho é o estudo do comportamento estrutural dos umbilicais submarinos, algumas das contribuições mais expressivas diretamente relacionadas à análise local dos mesmos são apresentadas a seguir em uma breve revisão dos trabalhos desenvolvidos na área.
3.2 Revisão bibliográfica
Os estudos preliminares do comportamento estrutural dos umbilicais submarinos iniciaram-se com o entendimento da mecânica dos cabos de aço. Diversos trabalhos foram publicados, originalmente focados no desenvolvimento de modelos analíticos, para tratar o problema da determinação da resposta estrutural dos arames helicoidais componentes dos cabos.
Pioneiro no desenvolvimento das teorias de cabos de aço, HRUSKA (1951, 1952a, 1952b) formula a resposta estrutural dos mesmos quando submetidos a carregamentos axissimétricos, apresentando equações para predição da carga de tração, do torque e das forças radiais exercidas por um arame sobre uma camada adjacente. O autor considera que a resposta estrutural dos arames é regida apenas pela contribuição axial de resistência, desprezando as variações de raio médio e de ângulo de assentamento, bem como a rigidez à flexão e torção dos arames.
Duas décadas depois, MACHIDA e DURELLI (1973) apresentam equações para a determinação da tração e do torque nos cabos de aço, introduzindo a consideração das contribuições de flexão e torção dos arames ao acréscimo de rigidez do cabo, até então desprezadas.
COSTELLO e PHILIPS (1976) modelam matematicamente o problema através do desenvolvimento de um conjunto de seis equações de equilíbrio não lineares para representar o comportamento de um arame helicoidal através das teorias de Clebsch-Kirchhoff (LOVE, 1927).
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KNAPP (1979) desenvolve um modelo analítico para a representação do comportamento estrutural de cabos com armaduras helicoidais submetidos a carregamentos axissimétricos. Um único elemento compósito representativo da estrutura de um cabo retilíneo é considerado e o problema é formulado através da determinação de um sistema de quatro equações na forma matricial. Os termos da matriz de rigidez linear apresentada associados à deformação axial do cabo são dependentes da compressibilidade da camada de suporte dos arames (núcleo) do cabo, introduzindo a possibilidade de avaliar a resposta da estrutura considerando as situações variáveis de rigidez do núcleo.
Baseando-se nos trabalhos até então publicados, VELINSKY et al (1984) propõem simplificações no modelo de COSTELLO e PHILIPS (1973) através da linearização do sistema de equações com o objetivo de ampliar as aplicações da teoria desenvolvida a outros tipos de cabos de aço com geometrias complexas.
A partir de meados da década de 80, surgem os primeiros trabalhos dedicados à análise local de dutos flexíveis de camadas não aderentes e umbilicais. A semelhança estrutural das armaduras metálicas desses tipos de estruturas compósitas com os arames empregados na constituição dos cabos de aço faz com que os estudos até então conduzidos na área dos últimos sejam utilizados como base para desenvolvimentos posteriores considerando as peculiaridades e adaptações necessárias.
OLIVEIRA et al (1985) desenvolvem um modelo analítico pioneiro para a determinação das propriedades mecânicas dos dutos flexíveis de camadas não-aderentes. Os autores equacionam linearmente expressões para avaliação da rigidez a esforço normal e de torção considerando apenas as deformações axiais como resposta das armaduras de tração.
RAOFF e HOBBS (1988) apresentam um modelo para cabos de aço no qual propõem o tratamento de cada uma das camadas de arames como uma casca cilíndrica com propriedades ortotrópicas. A formulação contempla estimativas para forças de contato entre os arames e consideração do atrito no deslizamento relativo entre os mesmos. Avaliações da rigidez axial de cabos de aço empregando o modelo apresentado são comparadas com resultados experimentais e apontam correlação satisfatória, dadas as simplificações introduzidas.
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WITZ e TAN (1992a, 1992b) desenvolvem modelos analíticos para a análise do comportamento de dutos flexíveis e umbilicais para carregamentos axissimétricos e de flexão, respectivamente. O modelo destinado à análise das cargas de tração e torção trata as armaduras helicoidais como hastes curvas através da teoria de Clebsch-Kirchhoff (LOVE, 1927), enquanto as demais camadas poliméricas são tratadas como tubos de parede fina. O modelo destinado à análise de flexão considera o comportamento histerético associado às condições de escorregamento dos arames das armaduras de tração. Ambos os modelos preveem expressões para avaliação das propriedades mecânicas de linhas flexíveis e umbilicais.
VAZ et al (1998) realizam ensaios experimentais em oito amostras de quatro tipos de umbilicais distintos com o objetivo de determinar a rigidez axial, à flexão e à torção dos mesmos e compor uma base de dados de resultados experimentais com a finalidade de auxiliar a calibração e validação de modelos analíticos e numéricos desenvolvidos posteriormente.
No mesmo ano, SOUZA (1998) compara os modelos analíticos de COSTELLO (1977), BATISTA e EBECKEN (1988) e WITZ e TAN (1992b) para determinação da rigidez à flexão de umbilicais submarinos com resultados obtidos através de experimentos utilizando, também, dados publicados por VAZ et al. (1998). A contribuição de cada uma das camadas dos umbilicais em questão é avaliada em termos percentuais da rigidez à flexão, concluindo com a constatação da participação predominante das camadas poliméricas no incremento desse parâmetro de resistência do umbilical.
CUSTÓDIO (1999) apresenta um extenso trabalho de formulação de um modelo analítico destinado à análise de umbilicais, estendido à aplicação aos dutos flexíveis de camadas não-aderentes. O equacionamento matemático do problema trata as camadas poliméricas como tubos de parede espessa, através da formulação de Lamé, e os arames helicoidais das armaduras como hastes curvas esbeltas, através da teoria de Clebsch-Kirchhoff (LOVE, 1927). Não linearidades físicas e geométricas são consideradas e um algoritmo é proposto para a solução de problemas axissimétricos. O autor destaca, ainda, aspectos sobre a realização dos ensaios experimentais conduzidos e, finalmente, compara os resultados do modelo analítico proposto com os obtidos experimentalmente. Com o avanço das tecnologias associadas ao incremento de desempenho dos computadores, a utilização e desenvolvimento de programas baseados no método dos
