INSTALAÇÃO DE RISER NA CONFIGURAÇÃO LAZY WAVE

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INSTALAÇÃO DE RISER NA CONFIGURAÇÃO LAZY

WAVE

Lucas dos Anjos Cristiano Marino

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.

Orientadora: Marta Cecilia Tápia Reyes Coorientador: Andre Ramiro Amorim

Rio de Janeiro Agosto de 2015

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INSTALAÇÃO DE RISER NA CONFIGURAÇÃO LAZY

WAVE

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.

Examinada por:

_________________________________________________ Prof.ª Marta Cecilia Tapia Reyes, D.Sc.

_________________________________________________ Prof. Severino Fonseca da Silva, D.Sc.

_________________________________________________ Prof. Carl Host Albrecht, D.Sc.

_______________________________________________ Eng. Andre Ramiro Amorim

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL AGOSTO DE 2015

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iii Marino, Lucas dos Anjos Cristiano

Instalação de riser na configuração lazy wave/ Lucas dos Anjos Cristiano Marino. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.

XIV, 70, p.: i1. ; 29,7 cm.

Orientadores: Marta Tápia, D. Sc., Andre Ramiro, Eng. Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Naval e Oceânica, 2015.

Referências Bibliográficas: p 55.

1. Introdução. 2. Conceitos Básicos. 3. O problema e Sua Modelação. 4. Análise dos Resultados. 5. Conclusões e Sugestões Futuras. 6. Referências Bibliográficas. 7. Anexo A.

I. Tápia, Marta et al Ramiro, Andre. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. Instalação de riser na configuração lazy wave.

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ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO ... 15 2. CONCEITOS BÁSICOS ... 19 2.1 DUTOS ... 19 2.1.1 DUTOS FLEXÍVEIS ... 20 2.1.1.1 CARCAÇA INTERTRAVADA ... 21

2.1.1.2 CAMADA PLÁSTICA INTERNA ... 22

2.1.1.3 ARMADURA DE PRESSÃO ... 22

2.1.1.4 CAMADA DE REFORÇO A PRESSÃO ... 22

2.1.1.5 CAMADA ANTI-DESGASTANTE ... 22

2.1.1.6 ARMADURA INTERNA E EXTERNA DE TRAÇÃO ... 22

2.1.1.7 CAPA EXTERNA ... 22 2.1.2 UMBILICAIS ... 22 2.1.3 DUTOS RÍGIDOS ... 24 2.2 MODELO DE CATENÁRIA ... 24 2.3 MÉTODOS DE INSTALAÇÃO ... 27 2.3.1 REEL LAY ... 27 2.3.2 J-LAY ... 29 2.3.3 S-LAY ... 30 2.4 LAZY WAVE ... 33 2.4.1 FLUTUADORES ... 33 2.4.2 PRINCIPAIS ACESSÓRIOS ... 35 2.4.2.1 CONECTORES ... 35 2.4.2.2 ENRIJECEDORES ... 35 2.5 MAR REGULAR ... 36 2.6 MAR IRREGULAR ... 37 2.6.1 ESPECTRO DE PIERSON-MOSKOWITZ ... 39

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2.6.2 ESPECTRO DE JONSWAP ... 39

3. O PROBLEMA E SUA MODELAÇÃO ... 40

3.1 MÉTODO ... 41

3.2 MODELAÇÃO DO CENÁRIO ... 42

3.3 PARÂMETROS DO DUTO ... 42

3.4 DESCRIÇÃO DOS PASSOS ... 43

3.5 PARÂMETROS AMBIENTAIS ... 44

3.6 PARÂMETROS CRÍTICOS DE CADA STEP ... 45

3.7 PARÂMETROS DO NAVIO ... 45

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 46

5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES FUTURAS ... 53

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 55

7. ANEXO A ... 56

7.1 RESULTADOS OBTIDOS PARA O PASSO 2 ... 57

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus por me trazer nessa jornada, com caminhos altos e baixos, mas com sabedoria, força e luz para seguir o caminho correto.

À minha mãe e meu pai, que são as pessoas mais importantes na minha vida. Sem eles não teria como chegar aonde cheguei. Agradeço muito por me aguentarem todos esses anos, em todos os momentos da minha vida, me passando incentivo, carinho, paciência e compreensão. Espero que um dia consiga passar parte disso para meus filhos. Vocês são, e sempre serão um exemplo para mim. Muito obrigado!

Às minhas avós que estão presentes, e aos meus avôs aonde quer que estejam, que torcem por mim sempre.

À minha orientadora Marta Tápia e meu coorientador Andre Ramiro por me darem um voto de confiança nesse trabalho.

Aos poucos amigos que me apoiaram em toda a minha vida, pela amizade e fidelidade.

Aos meus colegas de trabalho da equipe Installation Analysis na Subsea7 que me incentivaram neste trabalho. Ao engenheiro Alberto Santos pela revisão e dicas para meu trabalho. Em especial ao engenheiro Douglas Cabral, pela ideia para este projeto, pelas dicas que foram fundamentais para o desenvolvimento da minha vida profissional e pessoal.

À Andrea Machado, minha namorada, pelo carinho, incentivo e amizade que me fizeram superar obstáculos e andar com meu trabalho.

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vii Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

INSTALAÇÃO DE RISER NA CONFIGURAÇÃO LAZY WAVE

Agosto/ 2015

Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes Coorientador: Andre Ramiro Amorim

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

Este projeto tem como motivação reduzir o tempo de análise com onda irregular durante o processo de instalação de um sistema de lazy wave. Para reduzir esse tempo de análise, propõe-se estabelecer uma comparação com espectros de onda de mar irregular entre um determinado navio navegando/lançando duto e o mesmo navio a deriva.

Com a finalidade avaliar o grau de conservadorismo adotado durante as análises de lazy

wave, uma comparação dos resultados dinâmicos obtidos, com uma simulação considerando

espectro de onda de mar regular (utilizando os mesmos parâmetros) será realizada ao final do projeto.

As análises foram realizadas com o software Orcaflex 9.7c, sendo este o padrão da indústria para avaliar o lançamento de dutos flexíveis e rígidos e instalação de equipamentos rígidos.

Palavras-chave: Lazy Wave, Mar Regular, Mar Irregular, Dinâmica, Tempo de Análise, Orcaflex.

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viii Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Naval Engineer.

INSTALLATION OF A LAZY WAVE CONFIGURATION

August/ 2015

Advisor: Marta Cecilia Tapia Reyes Co-advisor: Andre Ramiro Amorim

Course: Naval Architecture

The main point of this project is to reduce the simulation time of a regular wave during the installation of a lazy wave configuration. To simplify this simulation time, this project gives a way to establish a comparison between an installation vessel during the process of laying and free standing, using an irregular wave spectrum.

In order to evaluate the conservatism degree adopted with regular waves, a comparison of the dynamic results for the top tension using irregular waves and regular waves (using the same parameters) will be made in the end of this project.

All the analysis were carried out with Orcaflex 9.7c, being this software the most used in the offshore industry with flexible and rigid laying and rigid equipment installation.

Keywords: Lazy Wave, Regular Wave, Irregular Wave, Dynamics, Simulation Time, Orcaflex.

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Evolução da produção de petróleo ... 15

Figura 2 – Evolução da exploração de petróleo no Brasil relacionada com a profundidade 17 Figura 3 – Diferentes dutos submarinos ... 19

Figura 4 – Camadas internas nos dutos flexíveis ... 21

Figura 5 – Umbilical combinado com duto de aço ... 23

Figura 6 – Camadas internas no umbilical ... 23

Figura 7 – Modelo de catenária ... 25

Figura 8 – Configuração em catenária ... 26

Figura 9 – Instalação por Reel Lay ... 28

Figura 10 – Navio de instalação Seven Oceans ... 28

Figura 11 – Configuração do método de instalação J-Lay. ... 29

Figura 12 – Navio de instalação Seven Borealis ... 30

Figura 13 – Configuração do método de instalação S-Lay. ... 30

Figura 14 – Vista do stinger e seus roletes ... 32

Figura 15 – Navio de instalação Seven Polaris ... 32

Figura 16 e Figura 17- Configuração do sistema lazy wave ... 33

Figura 18 e Figura 19 – Flutuadores sendo instalados ... 34

Figura 20 – Instalação de flutuadores na mesa de trabalho ... 34

Figura 21 – Conector de extremidade ... 35

Figura 22 – Instalação de enrijecedor ... 35

Figura 23 – Enrijecedor trabalhando ... 36

Figura 24 – Passos da instalação em lazy wave ... 43

Figura 25 – Definição de onda regular ... 37

Figura 26 – A soma de varias incidências de onda gerando onda irregular ... 38

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ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 2-1- Rigidezes a flexão para flexíveis ... 21

Tabela 3-1 - Parâmetros adotados ... 42

Tabela 4-1 – Resultados obtidos para o movimento do navio flutuando em mar irregular ... 46

Tabela 4-2 - Resultados obtidos para o passo 1 com mar irregular ... 47

Tabela 4-3 - Resultados obtidos para o passo 1 com mar regular ... 49

Tabela 4-4 - Comparação entre os resultados obtidos no passo 1 para mar regular e irregular ... 50

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xi Tabela 7-12 - Resultados obtidos para o passo 7 com mar regular ... 68

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ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico 4-1 – Resultados no topo para 90° e 8s ... 48

Gráfico 4-2 - Resultados no TDP para 90° e 8s ... 49

Gráfico 5-1 - Correlação entre carga de topo mínima e aceleração da embarcação ... 54

Gráfico 7-1 - Resultados no topo para 90° e 9s ... 58

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ABREVIAÇÕES

AN: anular

FAD: fator de amplificação dinâmica H: altura de onda

Hs: altura significativa de onda

JONSWAP: Joint North Sea Wave Project

MBR: minimum bending radius – raio mínimo de curvatura PLEM: pipeline end manifold

PLET: pipeline end terminator PO: produção

RAO: Response Amplitude Operator

TDP: Touch Down Point – ponto onde a catenária toca o leito marinho Tp: período de pico

Tz: período de cruzamento no zero UEH: umbilical

V: Vessel – Navio

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GLOSSÁRIO

Bundle: conjunto de dutos utilizados para interligar equipamentos submarinos e estes às

unidades de produção, sendo composto por dutos de escoamento e umbilicais de controle.

Manifold: equipamento que conecta diversos equipamentos instalados. Tem a função

também de coletar os fluidos produzidos nos poços e transportar através de um único duto, reduzindo assim a quantidade de duto que chega à unidade de produção. Pode realizar o fluxo contrario com água ou gás de injeção, recebendo em um único duto e distribuindo para poços injetores.

Sagbend: região de flexão acentuada junto ao fundo do mar.

Overbend: região de flexão acentuada na saída rampa de lançamento. Pig: equipamento de pré-comissionamento de dutos.

Plem: equipamento que permite a junção de mais de um duto e facilita o traçado do arranjo

submarino.

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1. INTRODUÇÃO

Atualmente, a fonte de energia mais utilizada no mundo é oriunda do petróleo. Essa utilização vem de tempos remotos, quando antigos Egípcios e chineses queimavam óleo para obtenção de iluminação e aquecimento de suas casas.

Em meados do século XIX, antes da chegada da lâmpada elétrica, o óleo de baleia era utilizado para iluminar casas e instalações. Quando esse óleo passou a ser escasso, as pessoas começaram a procurar outros meios de se ter energia, como por exemplo, o querosene.

Quando a demanda de querosene estava em alta, um americano chamado Edwin Drake começou uma busca por reservas de petróleo. O primeiro poço de petróleo, nas Américas, foi descoberto por Edwin, no estado da Pensilvânia em 1859, com 21 metros de profundidade.

Com o passar do tempo, houve uma crescente demanda de petróleo no mundo. A tecnologia foi aperfeiçoando, e a utilização do petróleo e seus derivados foram cada vez mais sendo marcada no mundo.

Até os anos 1940, os Estados Unidos foram líderes mundiais na produção de petróleo, produzindo 65 por cento da produção mundial e o Oriente Médio com menos de 5 por cento. Isto mudou consideravelmente após a descoberta do gigante campo no Kuwait e Arábia Saudita, entre os anos 1930 e 1940. Houve então uma dependência mundial do óleo proveniente do Oriente Médio, o que causou séria preocupação.

A Figura 1demonstra a evolução da produção de óleo no mundo, de acordo com [1].

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16 No Brasil houve tentativa de encontrar petróleo desde 1864, porem, apenas em 1897 houve a primeira tentativa de perfuração em solo brasileiro. Essa tentativa de encontrar petróleo foi feita por um fazendeiro chamado Eugênio Ferreira de Camargo. O poço ficava em São Paulo e tinha 488 metros de profundidade, porem só foi extraída água sulfurosa. Como no mundo, o Brasil teve um crescimento grande na utilização de combustível fóssil. Com o crescimento da tecnologia, poços foram descobertos no litoral do país, chegando ao primeiro poço no mar, o campo de São Matheus - ES, em 1969. Em 1974, logo após a eclosão da primeira crise de petróleo, em 1973, foram descobertos os campos marítimos de Ubarana - ES e Garoupa - RJ que elevaram a produção diária para 182 mil barris. [1]

Em 2003, a descoberta de novas bacias de exploração estabeleceu um marco na atividade petrolífera no Brasil e, com isso a produção interna era equivalente a 90% do consumo nacional. Em 2006 a extração petrolífera passou o consumo interno, marcando assim a autossuficiência brasileira, criando um cenário de uma economia mais bem desenvolvida e aumentando o número de empregos e o desenvolvimento da nação.

Em 2007, o governo Brasileiro anunciou a descoberta do pré-sal, dando início a um novo desafio de realizar atividades de exploração em águas que ultrapassariam a barreira dos 2000m de lâmina d’água e, portanto, sendo considerado como ultra profunda.

O termo pré-sal é devido a um conjunto de rochas localizadas nas porções marinhas de grande parte do território brasileiro, como potencial de geração e acúmulo de petróleo. A profundidade total destas rochas, ou seja, a distância da superfície do mar e os reservatórios de petróleo abaixo da camada de sal, pode chegar a mais de 7 mil metros de profundidade.

As características geológicas do pré-sal marca um início de exploração em ambientes mais hostis que apresentam altas taxas de corrosão, altas pressões e temperaturas, apresentando assim um marco na história da engenharia brasileira.

A Figura 2 mostra o avanço do petróleo no Brasil.

O aumento da lâmina d`água torna a exploração do petróleo mais complicada, visto que a tecnologia para isso ainda vem sendo trabalhada. O duto flexível, que vem sendo estudado cada dia mais, se torna assim uma opção mais viável pela facilidade de instalação e operação.

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Figura 2 – Evolução da exploração de petróleo no Brasil relacionada com a profundidade [2]

O sistema de lazy wave vem se tornando bastante aplicavel com o crescimento da industria de óleo gás e o progressivo aumento da lâmina d’água, uma vez que este sistema tem por função diminuir a carga de tração no topo na unidade estacionária de produção e desacoplar o movimento da unidade estacionária de produção no TDP. A lazy wave, por ser uma configuração formada por diversos acessórios e tipos de dutos, exige cuidados necessários para evitar eventuais danos ao navio, à sua estrutura, aos operadores e ao ambiente marinho. E quanto maior a lâmina d’água maior serão as cargas associadas ao sistema e, consequentemente, piores serão as condições de instalação dos dutos e equipamentos.

Dessa forma, o sistema de produção submarino deve ser capaz de suportar cargas e ser confiável o bastante para evitar que acidentes ocorram, e que não haja prejuízo aos envolvidos. É importante que análises sejam realizadas para verificar o comportamento do sistema para que não ocorram problemas que possam atrasar a operação do sistema de produção.

Para realizar essas análises de instalação, podem ser utilizados espectros de onda com mar regular e irregular, variando o tempo de simulação de cada método utilizado. O mar regular requer um tempo de simulação menor do que o mar irregular porem,

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18 normalmente, um alto grau de conservadorismo. O mar irregular requer um tempo de simulação grande, apresentando uma representação mais fiel do cenário, na maioria dos casos.

O objetivo do trabalho é simplificar o tempo de análise com mar irregular durante o processo de instalação de um sistema de lazy wave, visando às cargas inerentes ao lançamento.

A análise será desenvolvida através de um modelo numérico, através do software

Orcaflex 9.7c, que é uma ferramenta baseada em modelo de elementos finitos.

Em seguida, será feita uma comparação entre os resultados obtidos para mar irregular e mar regular, a fim de avaliar o grau de diferença entre os resultados obtidos.

Este trabalho está organizado em capítulos, seguindo a ordem descrita nos parágrafos abaixo:

No capítulo 2 serão explicados os conceitos básicos atribuídos em instalações de dutos, seus métodos de instalação e configuração mais utilizados e suas respectivas limitações operacionais e benefícios. Também serão apresentados modelos matemáticos que explicam o formato geométrico de catenária, espectro de mar regular e mar irregular.

No capítulo 3 será apresentado o problema que será estudado, o método de ataque para o mesmo e sua modelação numérica com a utilização do software Orcaflex. No capítulo 4 serão apresentadas as análises dos resultados obtidos para o navio flutuando em mar irregular, ou seja, sem lançar linha, para todos os passos durante lançamento, tanto para mar regular quanto mar irregular, e comparações dos resultados de mar irregular e mar regular obtidos nas análises para cada passo de lançamento, que será explicado posteriormente.

No capítulo 5 são apresentados as conclusões e possíveis trabalhos futuros baseados nas mesmas.

No capítulo 6 serão apresentadas as referências bibliográficas.

E por fim, no capítulo 7 serão apresentadas as tabelas com os resultados obtidos, de cada passo, utilizando mar irregular e mar regular, e gráficos de alguns dos resultados obtidos nas análises de cada passo de lançamento.

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2. CONCEITOS BÁSICOS

Neste capítulo estão sendo apresentados e explicados todos os principais conceitos considerados básicos para o entendimento do proposto trabalho. São conceitos de dutos flexíveis e rígidos, modelo de catenária, principais métodos de instalação, configuração em lazy wave e seus principais acessórios, espectros de mar regular e irregular.

2.1 DUTOS

Os dutos têm a principal função de transportar fluidos e energia elétrica, sejam eles de umbilicais, gases de exportação ou óleo.

A exploração de petróleo tem sido feita em águas cada vez mais profundas, que envolvem, para sua extração, plataformas de produção, poços de produção e injeção e demais equipamentos submarinos.

Existem os dutos rígidos, flexíveis e umbilicais, que instalados no fundo mar completam o sistema entre unidade produtora e equipamentos próximos ou sobre o poço, podendo ser de produção, de óleo ou gás, ou de injeção, de água ou gás.

De acordo com a aplicação, os dutos podem ser classificados como: riser, flowline e

jumper.

Basicamente os risers tem função de transportar o óleo do fundo do mar até as unidades estacionárias de produção na superfície. Flowline é o trecho assentado sobre o fundo do mar, fazendo conexão dos poços aos risers, e normalmente são trechos longos. Jumper é o trecho que interliga as estruturas submarinas, como árvores de natal, PLET’s, PLEM’s entre outros, e normalmente são trechos curtos. [3 e 4]

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2.1.1 DUTOS FLEXÍVEIS

O duto flexível é uma estrutura composta por diversas camadas metálicas e poliméricas que, trabalhando em conjunto, propiciam resistência e estanqueidade sem comprometer a necessária flexibilidade para a condução de diversos fluidos da indústria de petróleo, principalmente, na produção de petróleo no mar. [5]

São utilizados na indústria offshore como risers dinâmicos e consegue alcançar um raio de curvatura consideravelmente maior comparado com uma estrutura rígida. Quando utilizado para transporte de óleo/gás/água são chamados de risers flexíveis e quando utilizados para transporte de fluidos de controle hidráulico/elétrico/ótico são chamados de umbilicais.

São características principais do flexível:

• Facilidade e rapidez na instalação: alguns barcos tem capacidade de lançar três dutos simultaneamente, barcos podem lançar até 500 metros de duto flexível por hora, sendo mais habitual lançar 250 metros por hora. Dutos flexíveis possuem uma facilidade de aprovação na hora do lançamento, pois como já são carregados em etapa anterior ao de lançamento, já foram inspecionados e aprovados, diferente com o que acontece para dutos rígidos, onde exigem análises de soldagem, corrosão, etc.;

• Resistência à corrosão: há uma combinação de camadas nos dutos flexíveis que promovem uma alta resistência a corrosão;

• Possibilidade de reutilização: existem campos de abandono de dutos, onde os dutos são posicionados de forma que se consegue recolhe-los futuramente e reutiliza-los. Os campos de abandono, atualmente, são o de Corvina e ASLUB;

• Capacidade de suportar grandes pressões externas: recentemente a indústria desenvolveu um material que suporta a pressão de uma lâmina d’água ultra profunda, viabilizando projetos que estão no nosso mercado, como no campo de Sapinhoá e Lula e Iracema Sul;

• Baixa rigidez à flexão, facilitando seu armazenamento: a Tabela 2-1 apresenta a rigidez à flexão média para alguns tipos de dutos flexíveis.

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Tabela 2-1- Rigidezes a flexão para flexíveis

Estrutura _{Flexão
(kNm²)}Rigidez a PO 78.89 AN 4.14 UEH 5.01

• Alto custo de fabricação: o custo de fabricação do duto gira em torno de seis vezes o custo do duto de aço, [6];

• Complacência em ações dinâmicas.

As características citadas acima têm, em sua maioria, explicação devido à construção modular dos dutos (Figura 4), onde as diversas camadas helicoidais são independentes, porém projetadas para interagir umas com as outras, permitindo que cada camada possa ser fabricada de forma individualizada e independente, ajustada para melhor atingir os objetivos específicos de determinado projeto.

Figura 4 - Camadas internas nos dutos flexíveis [7]

Atualmente vem crescendo o desenvolvimento/estudo e a utilização dos dutos flexíveis na indústria de óleo e gás, sendo a PETROBRAS a maior consumidora do mesmo.

2.1.1.1 CARCAÇA INTERTRAVADA

É a camada mais interna que compõe o duto, e é, normalmente, fabricada em aço inoxidável. Essa camada deve garantir alta resistência à corrosão, conferir alta resistência à pressão interna, evitando o colapso estrutural, permitir a utilização de componentes como pig’s e garantir maior capacidade de compressão radial. O material desta camada irá variar de acordo com o fluido que será transportado.

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2.1.1.2 CAMADA PLÁSTICA INTERNA

Apresenta resistência a elevadas temperaturas e a vedação do fluido durante o escoamento e deve resistir à abrasão e corrosão do fluido a ser transportado.

2.1.1.3 ARMADURA DE PRESSÃO

Essa camada é responsável por resistir às tensões circunferenciais expostas à linha pela pressão do escoamento do fluido, e os aços carbonos de alta resistência são materiais indicados a compor esta camada.

2.1.1.4 CAMADA DE REFORÇO A PRESSÃO

Essa camada tem por função incrementar a rigidez radial da estrutura, e assim diminuir a carga atuante sobre a armadura de pressão e a carcaça intertravada.

2.1.1.5 CAMADA ANTI-DESGASTANTE

Essa camada tem por função reduzir o desgaste por fricção que ocorre entre camadas metálicas adjacentes. Normalmente, utilizam-se polímeros com que apresentem característica de resistência ao desgaste.

2.1.1.6 ARMADURA INTERNA E EXTERNA DE TRAÇÃO

Essa camada promove a rigidez axial à linha e por isso é a camada responsável por resistir aos esforços trativos sobre o duto. Ela é obtida pelo enrolamento de arames em aço carbono com seções transversais retangulares em camadas com direções opostas.

2.1.1.7 CAPA EXTERNA

Essa camada é responsável por promover resistência à abrasão da linha durante o seu lançamento no leito marinho, deve ainda conferir resistência ao impacto sobre objetos que podem colidir com o duto e manter as outras camadas na posição correta.

2.1.2 UMBILICAIS

Como dito anteriormente, umbilicais são utilizados para transporte de fluidos de controle hidráulico/elétrico/ótico, ou seja, suprir as necessidades elétricas e hidráulicas de um determinado equipamento. Eles diferem dos dutos flexíveis, que foram vistos anteriormente, por apresentarem pequenas tubulações que são

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23 responsáveis pelo fornecimento de corrente elétrica, água ou outros fluidos a equipamentos.

Este tipo de duto possui camadas internas que compõe sua estrutura.

Figura 5 - Umbilical combinado com duto de aço [8]

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2.1.3 DUTOS RÍGIDOS

Dutos rígidos são compostos por materiais a fim de prover alta rigidez à flexão. São amplamente utilizáveis em projetos de escoamento de petróleo pela sua capacidade de oferecer alta resistência a elevadas pressões, que por outro lado, por limites econômicos a coluna máxima que exercerá a máxima pressão na uma linha flexível é próxima a 2500 metros de profundidade.

Para obter maior aproveitamento das linhas rígidas é necessário conhecer bem os esforços atuantes, para estipularmos uma condição limitante de instalação de tais linhas é necessário especificar o máximo fator de amplificação dinâmica de carga associado a um estado de mar, ou seja, levando em consideração as direções de ondas, seus períodos e alturas de ondas significativas, deste modo, será capaz contabilizar a tração, o momento fletor aplicado à linha e com isso a sua deformação será especificada, de acordo com [9].

Para certos projetos que utilizam métodos de reel lay, por exemplo, é necessário especificar a deformação plástica imposta na linha durante o enrolamento no carretel da embarcação.

Em projetos que utilizam o método de lançamento em j-lay será necessário determinar a máxima carga de tração imposta pela catenária suspensa deste o navio de lançamento até o TDP, ou seja, o primeiro ponto de contato da linha com o leito marinho, deste modo, o comprimento de catenária suspenso junto com sua densidade linear será necessário para calcular a tensão no topo.

Para procedimentos de instalação em s-lay, será necessário definir a máxima deformação experimentada pela linha ao sair da embarcação, devido ao seu momento fletor aplicado em ambos extremos da linha no formato em “S”.

2.2 MODELO DE CATENÁRIA

É a configuração de riser mais simples e de menor custo de instalação, visto que necessita pouca infraestrutura submarina e apresenta fácil instalação. Durante o lançamento, o duto sempre será exposto a esforços de flexão causados pelo momento fletor incidente e tração no topo. Em águas profundas a tração de topo passa ser um problema, devido ao peso da linha ser imposto no tensionador, por exemplo.

O conceito de catenária é puramente geométrico e matemático, e é definido como o comprimento suspenso entre dois pontos de uma corda. Do ponto de vista estrutural o

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25 modelo é bastante simples, pois desconsidera a resistência à flexão imposta pela linha, ou seja, ignora o produto EI, onde E representa o módulo de elasticidade e I o seu momento de inércia. [10]

O modelo de catenária também considera que a tração horizontal exercida na linha é constante e que a sua tração vertical é igual ao produto do seu comprimento suspenso pela densidade linear da linha, criando assim um modelo físico muito útil para análises estáticas ou quase estáticas, onde podem ser considerados picos de movimentos da embarcação para determinação da elevação da linha. Além disso, conhecendo-se o FAD é possível multiplicar a tração estática exercida na linha por este fator e obter um valor esperado da tração dinâmica exercida na estrutura. A Figura 7 ilustra as principais características de uma catenária.

Figura 7 - Modelo de catenária [10]

A variação da tração no topo, o ângulo de saída da linha e seu comprimento suspenso podem ser obtidos por [10] para o modelo de catenária.

A catenária pode ser expressa por: 𝑧 = _𝑤𝑇!

!(𝑐𝑜𝑠ℎ

𝑥𝑤_! 𝑇_! − 1) Onde:

x é a cota horizontal ao longo da linha, [m].

z é a altura que a linha apresenta acima do leito marinho, [m]. Th é a componente horizontal da tração no topo da catenária, [N]

ws é a densidade linear de peso da linha por unidade de comprimento, [N/m]

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26 𝑑𝜃 𝑑𝑠 = 𝑑!_𝜃 𝑑𝑥!𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑤_! 𝑇_!cosh 𝑥𝑤_! 𝑇_! 𝑐𝑜𝑠𝜃 Onde:

𝜃 é o ângulo entre o eixo x, [graus].

s é o comprimento suspenso da catenária, [m]. A componente vertical Tv é dada por:

𝑇_! = 𝑤_!. 𝑠 O comprimento suspenso é expresso por:

𝑠 = 𝑧 1 + 2 𝑇! 𝑧𝑤_! O ângulo entre o duto e o plano x-y é:

𝑡𝑎𝑛𝜃 =𝑇! 𝑇_! E assim, podemos definir:

𝑇_! = 𝑧𝑤!

𝑡𝑎𝑛!_𝜃(1 + 1 + 𝑡𝑎𝑛!𝜃)

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2.3 MÉTODOS DE INSTALAÇÃO

Os esforços que a linha sofre durante o lançamento são determinantes para escolha do método de lançamento. Os métodos mais conhecidos para a instalação de linhas rígidas são: Reel lay, J-lay e S-lay.

Esses métodos são de lançamentos pela superfície, existindo ainda os lançamentos por arraste, onde o duto é construído em terra e transportado por embarcações de reboque até o local da instalação, denominado bundle, porem é mais utilizado em águas rasas.

2.3.1 REEL LAY

Este método propicia a fabricação do duto em terra e posteriormente o armazenamento em um carretel, numa embarcação projetada para atender este método de instalação.

O duto é inicialmente puxado para próximo ao navio de lançamento, por um guincho. Quando o duto chega próximo ao guincho, ele é desconectado deste cabo, e outro cabo de outro guincho, o do navio, é conectado à cabeça de tração que é instalada na extremidade do duto. Assim, o duto é agora puxado para dentro da embarcação por equipamentos próprios do navio. No momento em que o duto ultrapassa o tensionador, este fica responsável por enrolar o duto no carretel.

Este método permite instalação mais segura e estável, menor custo de fabricação e instalação, além de maior velocidade de instalação, que pode chegar a 10 vezes maior que os outros métodos.

Uma limitação deste método é capacidade do carretel em armazenar dutos de grande diâmetro. Este método tem compreendido diâmetros de 6 a 18 polegadas. A espessura está corretamente ligada à capacidade do duto estar sujeito à flambagem localizada ou globalizada. Durante o ciclo de enrolamento da linha no carretel, a linha sofre flexão, com isso cria-se uma região de tensões compressivas aplicadas no duto, localizada entre o contato da linha e o carretel, tais tensões compressivas se não forem analisadas podem induzir flambagem na linha.

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Figura 9 - Instalação por Reel Lay

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2.3.2 J-LAY

No método J-Lay a rampa de lançamento é construída em posição quase vertical, não havendo, nesta situação, a região de overbend. A configuração se assemelha a letra J. Por este motivo, este método foi desenvolvido primordialmente para águas profundas. A Figura 11 ilustra a configuração de instalação típica do método J-Lay.

Figura 11 - Configuração do método de instalação J-Lay.

Nesta configuração, a soldagem do duto é feita numa posição quase vertical, ou vertical. O duto é lançado até o fundo do mar, apresentando uma curvatura (sagbend) maior que o método S-Lay, o que resulta menores tensões no duto.

São algumas características deste método, a perda de produtividade, devido à torre de lançamento prejudicar construção em série do duto. As forças horizontais para manter esta configuração são inferiores comparadas com o método S-Lay, contudo a velocidade de lançamento é normalmente inferior. Além disso, a instalação fica menos suscetível às condições climáticas. [3].

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Figura 12 - Navio de instalação Seven Borealis [11]

2.3.3 S-LAY

O método S-Lay prevê que a construção da linha seja feita sobre a embarcação de lançamento em uma posição quase horizontal. A denominação deste método de instalação é oriunda da configuração do lançamento, onde são criadas duas regiões de flexão acentuada, no overbend e no sagbend.

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31 Inicialmente o barco irá se transformar em uma estação de montagens com diferentes cabines para prover diferentes necessidades de montagem da linha durante o lançamento. Neste método de instalação os segmentos de duto são soldados sobre uma rampa de montagem, onde estão estações de soldagem. O duto soldado é apoiado por um ou mais tensionadores, que controlam a tração na linha, e na rampa de lançamento (stinger), usado para minimizar o ângulo de saída do duto (overbend). No início da operação de lançamento, o duto fica suspenso abaixo da linha d’água até que encoste ao fundo do mar, momento no qual se forma a outra região de curvatura (sagbend). O objetivo principal da tração aplicada pelo tensionador é controlar a curvatura na região do sagbend, esta é a região definida onde o momento fletor aplicado é positivo. Inicialmente o overbend apresenta momento fletor negativo e existe um ponto de inflexão ou uma pequena reta, onde existirão tensões normais com momento fletor nulo e logo após a linha irá sofrer um momento fletor com sentido oposto ao do

overbend, denominado de sagbend e sendo positivo.

A tensão imposta pelo tensionador é função da profundidade da lâmina d’água, o peso submerso da linha, o raio de curvatura aceito pelo projeto, o ângulo de saída do

stinger e a curvatura aceitável no sagbend.

Como mencionado anteriormente, o momento fletor na região do overbend é puramente geométrico e ditado exclusivamente pela configuração dos roletes, com isso, diferentes configurações de stinger podem ser trabalhadas de forma a aperfeiçoar o momento fletor aplicado à linha nas configurações estáticas e dinâmicas objetivando sempre o ganho de janela operacional, ou seja, suportar maiores alturas de ondas sem comprometer a integridade do duto.

O lançamento em S-Lay consiste, basicamente, em definir a curvatura estabelecida pelos roletes instalados ao longo da rampa, bem como a força a ser aplicada no tensionador, de modo a garantir a integridade estrutural do duto durante a instalação. Durante o projeto, devem ser estudados também, os casos particulares de inicialização e finalização do lançamento, bem como eventuais etapas de abandono de emergência ou recuperação do duto em função das condições ambientais severas ou acidentais. A grande vantagem deste método é a possibilidade de instalação de dutos com razão diâmetro espessura elevadas.

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Figura 14 - Navio de instalação Seven Polaris [11]

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2.4 LAZY WAVE

Esse sistema tem por configuração uma quantidade de dutos (riser e flowline), acessórios (conectores, enrijecedores, colares de anodo, entre outros), conjunto de peso morto e flutuadores, que serão utilizados e explicados.

Esta configuração tem por finalidade reduzir a carga de tração no topo e reduzir o passeio do duto no TDP. Mas como dito anteriormente, este tipo de configuração está sendo empregado em grandes profundidades, o que gera a necessidade de dutos parrudos, acarretando grande peso submerso. Desta forma, há a necessidade de um número enorme de flutuadores para conseguir gerar empuxo suficiente.

Figura 16 e Figura 17- Configuração do sistema lazy wave [10]

2.4.1 FLUTUADORES

Basicamente, os módulos de flutuadores tem função de gerar empuxo na linha a fim de diminuir as trações no topo, e sua quantidade depende da estrutura do duto, da lâmina d’água, do ângulo do i-tube, da conexão riser/flow, entre outros fatores.

No mercado, atualmente, são utilizados flutuadores de espumas sintéticas, que são microesferas de fibra de vidro em uma matriz de resina epóxi, apresentando uma boa flutuabilidade, resistência a impacto, pouca perda de flutuação devido à absorção de água. Em contra partida, a utilização desse tipo de flutuador é restrita a pressões elevadas, pois as espumas que suportam maior pressão são mais densas, sendo assim necessário ter um maior volume para gerar o empuxo necessário.

A tarefa de instalação dos flutuadores é demanda dificuldade durante a operação de instalação da lazy wave, visto que os mesmos começam a gerar empuxo quando submersos, e com o aumento do número deles, a linha pode ficar muito “leve”, tendo assim o efeito de compressão no topo, se tornando perigoso para os envolvidos durante a operação.

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Figura 18 e Figura 19 - Flutuadores sendo instalados

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2.4.2 PRINCIPAIS ACESSÓRIOS

Nesta seção serão apresentados e explicados os principais acessórios que são utilizados na modelação da lazy wave. Existem inúmeros outros acessórios presentes, porem, foram suprimidos por não gerarem grandes diferenças na modelação.

2.4.2.1 CONECTORES

Conectores são acessórios de extremidade que permitem a ligação entre tramos flexíveis ou entre dutos e equipamentos. Tem a função também de prover a interface entre a cabeça de tração e seu dispositivo de manuseio.

Figura 21 - Conector de extremidade 2.4.2.2 ENRIJECEDORES

Os enrijecedores aumentam, gradativamente, a rigidez a flexão na interface linha/conector, reduzindo o momento fletor.

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Figura 23 - Enrijecedor trabalhando

2.5 MAR REGULAR

A abordagem utilizada para mar regular é baseada na linearidade da resposta. Acredita-se que o sistema responderá de acordo com a amplitude de excitação da onda para um determinado período de onda e direção. Utiliza-se a altura de onda máxima de um espectro de onda, ou seja, aproximadamente 1.86xHs, sendo esse um fator de conservadorismo a ser estudado e comparado neste trabalho.

No método de onda regular, devem ser tomadas considerações para analisar uma quantidade suficiente de períodos de onda que identifique as respostas críticas tanto para períodos curtos e longos. Por exemplo, o período de onda curto pode dar cargas críticas na conexão do navio, enquanto período de onda longo pode dar movimentos maiores nos sistemas de boias submarinas.

A limitação da abordagem na onda regular se deve à não linearidade intrínseca ao problema. Ou seja, a resposta ao movimento pode não ser linear com a amplitude de excitação da onda. Nesse caso, dizemos que a sequência de ondas, ou a fase das ondas, interferem no movimento. Determinar se o resultado é conservador ou não acaba sendo uma tarefa que gera elevada combinação tempo X dinheiro, pois podem ser feitos ensaios experimentais, modelo numérico com onda irregular utilizando variação de um número expressivo de seeds, entre outros. Porem cada alternativa dessa dispende de grande tempo comparado com uma solução de mar regular. No caso de linhas flexíveis, por exemplo, os métodos convencionais e software para a estimativa de frequências naturais contêm incertezas significativas.

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37 Na análise de onda regular, o comportamento do sistema da catenária é obtido a partir de uma simulação no domínio do tempo da resposta do sistema a um trem de onda. A onda regular é caracterizada por uma altura de onda, H, geralmente considerado para ser a altura máxima das ondas, Hmax, em condições de mar (hipótese conservadora). A altura máxima da onda deve ser normalmente assumida como sendo 1.86 vezes a altura significativa das ondas. A faixa de período de onda, normalmente, deve cobrir períodos de 6 a 13 segundos. Podem ser aplicados em relatórios de análise como uma estimativa conservadora:

H = 1.86 x Hs T = Tp

Figura 24 - Definição de onda regular [13]

De acordo com [13], a onda regular pode ser definida como: 𝜁 = 𝜁!cos (𝑘𝑥 − 𝜔𝑡)

2.6 MAR IRREGULAR

A abordagem utilizada no mar irregular é baseada numa descrição estocástica do estado do mar. O estado de mar é modelado como um espectro de onda com energia distribuída por uma faixa de frequências e pode ser demonstrado como uma superposição de ondas. Os espectros de onda mais comuns são o Pierson-Moskowitz (mar totalmente desenvolvido) e o JONSWAP (mar em desenvolvimento).

Para uma tomada mais realista de ondas irregulares unidirecionais, uma superposição de 15 a 20 ondas, pelo menos, é necessária para se obter um valor coerente de resposta. [13]

Mas deve-se atentar que normalmente um número pequeno de componente de ondas leva a uma estimativa elevada das cargas e/ou movimentos, além de uma pequena diferença no período de pico desejado. Para fins de análises espectrais pode ser suficiente desde que haja linearidade no sistema. Porém, para valores extremos e sistemas não-lineares esse número é pouco. O software Orcaflex, por exemplo, adota

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38 um valor default de 100 componentes de onda e mesmo esse número pode vir a ser pouco. Em ensaios experimentais, as ondas geradas nos tanques têm entre 600 e 1000 componentes, mas em modelos numéricos esse número gera um alto custo computacional.

Normalmente, para uma simulação utilizando mar irregular, usa-se um tempo de simulação de 3 horas.

Os dados de entrada para mar irregular são: o Altura significativa de onda, Hs;

o Período de pico, Tp, ou período de cruzamento no zero, Tz;

o Espectro de onda; o Tempo de simulação. o Fator de picosidade ᵞ

O foco de usar a metodologia de mar irregular é estimar as respostas máximas dentro do tempo de simulação. Normalmente, o que se faz é escolher a pior resposta dentro do período de simulação. A fim de avaliar a dispersão estatística, várias simulações, utilizando diferentes seeds (5-10 realizações), devem ser realizadas.

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39 2.6.1 ESPECTRO DE PIERSON-MOSKOWITZ De acordo com [13]: 𝑆 𝑤 =𝐻!² 4 2𝜋 𝑇_! ! 𝑤!!_{𝑒𝑥𝑝 −} 2𝜋 𝑇_! ! 𝑤!! onde:

S(w) - função densidade espectral

w - frequência angular (circular) da onda HS - altura de onda significativa

Tz - Período de zero ascendente

2.6.2 ESPECTRO DE JONSWAP De acordo com [13]: 𝑆 𝑤 = 𝛼 𝑔! 2𝜋!_𝑤!𝑒𝑥𝑝 −1.25 𝑤 𝑤_! !! 𝛾!"# (!!!!)! !!!_! !!

O parâmetro de forma σ é fixo, sendo determinado em função da relação entre a frequência w e a frequência de pico wp:

𝜎 = 𝜎_𝜎! = 0.07, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑤 ≤ 𝑤! ! = 0.09, 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑤 > 𝑤! 𝛾 = 𝑒𝑥𝑝 1.0394 − 0.01966 𝑇! 𝐻_! 𝛼 = 5.0609𝐻!! 𝑇_!! 1 − 0.287𝑙𝑛 𝛾

Tendo equivalência entre o espectro de Pierson-Moskowitz e JONSWAP quando o parâmetro de pico γ=1.

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3. O PROBLEMA E SUA MODELAÇÃO

Conforme mencionado anteriormente, a instalação em lazy wave vem se tornando um método muito comum, devido ao crescimento da lâmina d`água. Desta forma, o processo de instalação, que já era complexo, se torna ainda mais, pois dutos e acessórios acabam aumentando de tamanho para atender o projeto.

A empresa prestadora de serviço que se encarrega do projeto de instalação precisa de um respaldo técnico que oriente o processo de instalação, ou seja, necessitam aspectos que mostrem a melhor janela de operação, a tabela de lançamento, que é uma tabela que abrange os passos de instalação da lazy wave e onde se encontram as cargas de tração esperadas, ângulo de topo durante instalação, quantidade de linha paga ou recolhida, movimentos da embarcação durante a instalação, entre outros.

A janela de operação é fornecida após serem realizadas uma série de análises numéricas, que visam a integridade dos equipamentos a serem instalados, da embarcação e da tripulação. Essas análises numéricas demandam grande parte do tempo para emissão do respaldo técnico. Desta forma, o método mais comum é pegar os casos que gerariam maior problema, normalmente utilizam-se os casos que todos os flutuadores estão submersos e instalação/ remoção de peso morto, e rodar análises numéricas utilizando mar regular, o que diminui o tempo de análise, porem pode ser muito conservador nos resultados. Esse conservadorismo traz a segurança para instalação, mas pode inviabilizar a operação e dar prejuízo à instaladora, uma vez que os resultados das análises podem mostrar que a carga de tração no topo para um determinado estado de mar que a embarcação se encontre excede a carga mínima permitida, havendo compressão da linha, obrigando a instaladora parar a operação e aguardar uma janela, por exemplo.

Outro método que poderia ser utilizado para análise, é utilizar mar irregular. A utilização de mar irregular pode apresentar resultados mais fieis a realidade, porem demanda um tempo muito maior de análise, o que prejudicaria a instaladora, uma vez que para obter o respaldo técnico para instalação demandaria um tempo muito grande. Desta forma, o presente trabalho propõe um método para simplificar o tempo de análise utilizando mar irregular durante o processo de instalação em configuração lazy

wave, a fim de obter resultados mais reais, e assim não inviabilizar uma operação de

instalação. Essa inviabilização da operação é devido ao problema de compressão da estrutura na mesa de trabalho, e tal compressão é devido às cargas dinâmicas

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41 resultantes, uma vez que a diferença do peso total da estrutura menos o empuxo dos flutuadores pode levar a resultados não compressivos, mas inserindo um fator de amplificação dinâmica, ou seja, um fator devido à excitação das ondas, pode ocasionar compressão da linha. Desta forma, a compressão da estrutura é devido a uma carga de tração baixa ou negativa, que poderá ocorrer numa etapa dinâmica, conforme mencionado.

3.1 MÉTODO

Nesta seção é apresentado o método adotado para desenvolver o objetivo do projeto. O método para estudar o problema foi desenvolvido em etapas, que serão apresentadas abaixo.

1ª Etapa: Inicialmente, são modelados todos os passos da lazy wave, e são gerados

casos seguindo os seguintes parâmetros: o Onda irregular, JONSWAP;

o Incidência de onda de 90°, 135° e 180°; o Períodos de onda de 8 e 9 segundos; o Cinco variações de seed.

2ª Etapa: Posteriormente, foram gerados casos considerando somente o navio

flutuando, ou seja, sem linha, seguindo os seguintes parâmetros: o Onda irregular, JONSWAP;

o Incidência de onda de 90°, 135° e 180°; o Períodos de onda de 8 e 9 segundos; o Cinco variações de seed.

3ª Etapa: A fim de avaliar o grau de conservadorismo utilizando mar irregular, foram

gerados casos para cada passo modelado da lazy wave, seguindo os seguintes parâmetros:

o Onda regular;

o Incidência de onda de 90°, 135° e 180°; o Períodos de onda de 8 e 9 segundos.

4ª Etapa: Com os resultados dinâmicos obtidos na 1ª e 2ª etapa, foi estabelecida uma

forma de comparar os parâmetros críticos obtidos das análises.

5ª Etapa: Com os resultados dinâmicos obtidos para mar irregular, foi feita uma

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42 A Tabela 3-1 apresenta os parâmetros de entrada adotados para o desenvolvimento das análises do presente projeto.

A Figura 26 demonstra as incidências de ondas na embarcação.

Tabela 3-1 - Parâmetros adotados

Figura 26 - Incidência de ondas

3.2 MODELAÇÃO DO CENÁRIO

Neste capítulo serão apresentados todos os fatores necessários para modelação da lazy

wave de estudo, que servirão como dados de entrada no software de análise Orcaflex.

Primeiramente, no software, modelam-se os dutos e seus principais acessórios. Depois desta etapa modela-se cada passo de lançamento, respeitando o ângulo de topo e a localização de cada acessório. Será necessário inserir parâmetros fundamentais para a análise, como os parâmetros ambientais e parâmetros do navio. Por fim, há os parâmetros que serão avaliados em cada passo.

3.3 PARÂMETROS DO DUTO

Para modelar os trechos de dutos, são necessários dados técnicos das estruturas e acessórios. Para estrutura é necessário saber o diâmetro externo, peso na água e no ar, rigidez à flexão, rigidez axial, raio mínimo de curvatura. Para os acessórios são necessários o comprimento e peso na água ou no ar.

Para o projeto, foi utilizado um duto de produção.

Parâmetros Valores

Hs [m] 1.5, 2.0

Tp [s] 8, 9

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3.4 DESCRIÇÃO DOS PASSOS

Para auxiliar a operação de instalação de lazy wave, são gerados passos que demonstram cada momento julgado importante. Esses passos, que são informados na tabela de lançamento, servem de guia para o pessoal de bordo, e podem ser mais especificados, de acordo com a necessidade e dificuldade da operação e do pessoal de bordo. Os passos que foram estudados no trabalho estão especificados abaixo:

Figura 27 - Passos da instalação em lazy wave

o Passo 1: passo em que há a conexão entre os tramos de riser de fundo e riser intermediário;

o Passo 2: passo em que 25% dos flutuadores estão submersos; o Passo 3: passo em que 50% dos flutuadores estão submersos; o Passo 4: passo em que 75% dos flutuadores estão submersos; o Passo 5: passo em que 100% dos flutuadores estão submersos; o Passo 6: passo em que os flutuadores estão a 50m da lâmina d'água; o Passo 7: passo com riser de topo sendo lançado;

o Passo 8: todo tramo de riser lançado, e início de transferência para a unidade estacionária de produção. Top Section Intermediate Sections Bottom Sections Flowline Buoys Section 18 1 6 7 8

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3.5 PARÂMETROS AMBIENTAIS

Abaixo estão listados parâmetros ambientais relevantes que servem de entrada.

o Densidade da água: a densidade pode ser definida como uma constante ou variada com a profundidade da água. Foi utilizado o valor constante de 1025kgf/m³.

o Propriedades do leito

! Origem do leito: é usado para definir o sistema de coordenadas do leito. É o ponto (0,0,0) do modelo.

! Lâmina d’água: é a altura de água. Foi utilizada uma lâmina d’água de 2220 metros, o que é uma lâmina d’água encontrada na bacia de santos. ! Rigidez do leito: pode ser considerado o valor padrão do software

Orcaflex, caso não tenha ressalva para usar outro. Foi utilizado um valor

de 100kN.

o Propriedades da onda: as propriedades necessárias para definir um sistema de ondas dependem do tipo de onda utilizado para a análise.

Ondas é uma importante fonte de força dinâmica ambiental na catenária. A condição de onda pode ser descrita tanto por uma onda de característica determinística ou por métodos estocásticos aplicando espectros de onda. Os espectros são descritos em termos de alguns parâmetros de onda, como a altura significativa das ondas, Hs, período de pico espectral, Tp, forma espectral e direcionalidade. Outros parâmetros, tais como a altura máxima da onda, Hmax, e o período de onda associada, THmax, pode ser derivada a partir destes.

Para as operações de instalação que podem ser realizadas independentemente da posição do navio, por exemplo, a instalação através de um moonpool, a análise das respostas do navio pode ser limitada a posições de incidência de onda dentro de uma tolerância.

o Propriedades da corrente: a corrente é modelada como uma velocidade que varia com a profundidade e numa direção constante.

Não foi considerado correnteza no desenvolvimento dos casos deste projeto. o Propriedades do vento: vento não é considerado na análise.

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3.6 PARÂMETROS CRÍTICOS DE CADA STEP

Abaixo estão listados parâmetros críticos relevantes para cada passo da lazy wave: o Raio mínimo de curvatura: não superar o raio mínimo de curvatura da linha

durante a instalação, sendo mais relevante no TDP.

o Compressão de topo: a carga de topo, dinâmica, no tensionador não pode ser baixa, ou seja, compressiva. Normalmente, consideram-se cargas compressivas aquelas que são inferiores a uma tonelada força.

3.7 PARÂMETROS DO NAVIO

Para modelar o navio de lançamento devem-se ter dados suficientes que descrevam o comportamento do mesmo durante operação. Tais parâmetros são:

o Calado: os RAO’s calculados para cada tipo de navio são referenciados para cada condição de carregamento estabelecido com um determinado calado. o Posição: define a origem do sistema de coordenadas do navio.

o Banda e trim: banda é a inclinação permanente da embarcação para um dos bordos. Trim é a inclinação longitudinal da embarcação.

o Aproamento: é o ângulo entre o eixo longitudinal do navio e o eixo X do sistema de coordenadas global.

o Convenção de sinais: é necessário verificar a convenção de sinais obtidos no documento de RAO e com o modelo no Orcaflex.

o RAO’s de deslocamento:

• Origem do RAO: é o ponto da embarcação para o qual RAO foi calculado.

• RAO de deslocamento: define os movimentos de resposta em surge,

heave, roll, pitch e yaw, para uma faixa de períodos e direções de

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4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Nesta seção será apresentada a análise dos resultados dinâmicos obtidos.

A Tabela 4-1, a seguir, mostra os resultados obtidos para o movimento do navio flutuando, ou seja, sem carga, em mar irregular. Esta tabela servirá como apoio para identificar pontos semelhantes no espaço de tempo da análise.

Tabela 4-1 – Resultados obtidos para o movimento do navio flutuando em mar irregular

Direção

[deg] Hs [m] Tp [s] Seed Tempo (s) GZ-Aceleração (m/s²) Tempo (s) GZ-Aceleração (m/s²) Tempo (s) GZ-Velocidade (m/s) Tempo (s) GZ-Velocidade (m/s) 90 1.5 8 12345 6534.9 0.584 331.5 -0.576 6537.0 0.742 333.6 -0.784 90 1.5 8 23451 811.4 0.644 6641.5 -0.641 6647.7 0.845 6643.5 -0.855 90 1.5 8 34512 9356.7 0.683 9360.6 -0.694 9358.7 0.894 9362.7 -0.861 90 1.5 8 45123 10304.8 0.601 10308.8 -0.617 10306.8 0.781 10310.7 -0.760 90 1.5 8 51234 421.5 0.607 425.5 -0.600 423.4 0.770 8068.6 -0.747 90 1.5 9 12345 688.8 0.680 692.7 -0.621 690.8 0.852 686.8 -0.839 90 1.5 9 23451 8730.4 0.632 8734.6 -0.679 8732.5 0.902 8736.7 -0.891 90 1.5 9 34512 3437.0 0.630 3433.1 -0.713 3431.1 0.891 3435.1 -0.933 90 1.5 9 45123 7242.1 0.606 7246.1 -0.627 7244.1 0.848 3681.3 -0.790 90 1.5 9 51234 8847.1 0.632 8851.2 -0.639 466.9 0.884 462.4 -0.891 90 2 8 12345 6534.9 0.779 331.5 -0.769 6537.0 0.990 333.6 -1.046 90 2 8 23451 811.4 0.859 6641.5 -0.854 6647.7 1.127 6643.5 -1.140 90 2 8 34512 9356.7 0.910 9360.6 -0.925 9358.7 1.192 9362.7 -1.148 90 2 8 45123 10304.8 0.801 10308.8 -0.822 10306.8 1.041 10310.7 -1.014 90 2 8 51234 421.5 0.809 425.5 -0.800 423.4 1.027 8068.6 -0.996 90 2 9 12345 688.8 0.907 692.7 -0.828 690.8 1.136 686.8 -1.119 90 2 9 23451 8730.4 0.843 8734.6 -0.905 8732.5 1.203 8736.7 -1.189 90 2 9 34512 3437.0 0.841 3433.1 -0.951 3431.1 1.187 3435.1 -1.244 90 2 9 45123 7242.1 0.809 7246.1 -0.836 7244.1 1.131 3681.3 -1.053 90 2 9 51234 8847.1 0.843 8851.2 -0.853 466.9 1.179 462.4 -1.189 135 1.5 8 12345 5017.8 0.151 5013.9 -0.153 6399.1 0.203 1467.0 -0.202 135 1.5 8 23451 9795.8 0.176 9799.7 -0.200 9797.7 0.256 9801.7 -0.239 135 1.5 8 34512 2122.1 0.159 3384.8 -0.166 3744.2 0.221 3386.9 -0.206 135 1.5 8 45123 3773.9 0.171 9562.4 -0.177 9560.3 0.248 9564.6 -0.233 135 1.5 8 51234 4810.4 0.164 6829.8 -0.166 7848.5 0.215 6831.8 -0.216 135 1.5 9 12345 3160.2 0.180 3156.1 -0.201 4768.6 0.287 3158.2 -0.269 135 1.5 9 23451 7046.7 0.194 7042.5 -0.215 4830.5 0.298 7044.6 -0.302 135 1.5 9 34512 932.6 0.184 9043.1 -0.175 9943.1 0.286 9045.3 -0.269 135 1.5 9 45123 1799.8 0.195 1795.4 -0.220 1793.1 0.305 1797.6 -0.317 135 1.5 9 51234 4531.9 0.201 8654.9 -0.192 4534.2 0.291 10347.0 -0.292 135 2 8 12345 5017.8 0.201 5013.9 -0.204 6399.1 0.271 1467.0 -0.268 135 2 8 23451 9795.8 0.235 9799.7 -0.266 9797.7 0.342 9801.7 -0.319 135 2 8 34512 2122.2 0.213 3384.7 -0.221 3744.2 0.295 3386.9 -0.274 135 2 8 45123 3773.9 0.228 9562.4 -0.236 9560.3 0.331 9564.6 -0.311 135 2 8 51234 4810.4 0.218 6829.8 -0.222 7848.5 0.288 6831.8 -0.288 135 2 9 12345 3160.2 0.240 3156.1 -0.268 4768.6 0.384 3158.2 -0.359 135 2 9 23451 7046.7 0.257 7042.5 -0.288 4830.5 0.398 7044.6 -0.403 135 2 9 34512 932.6 0.244 9043.1 -0.234 9943.1 0.382 9045.3 -0.359 135 2 9 45123 1799.8 0.259 1795.4 -0.294 1793.1 0.406 1797.6 -0.423 135 2 9 51234 4531.9 0.268 8654.9 -0.257 4534.2 0.388 10347.0 -0.389 180 1.5 8 12345 6128.9 0.147 4077.0 -0.145 6130.9 0.185 6126.9 -0.184 180 1.5 8 23451 8613.2 0.176 8617.1 -0.180 8615.1 0.232 8619.1 -0.217 180 1.5 8 34512 5074.4 0.190 5070.5 -0.205 5068.6 0.251 5072.5 -0.256 180 1.5 8 45123 1522.4 0.173 1526.2 -0.173 1524.3 0.219 1528.2 -0.208 180 1.5 8 51234 7794.9 0.190 7790.9 -0.184 7796.9 0.238 7792.9 -0.246 180 1.5 9 12345 8703.3 0.150 5466.8 -0.145 8705.5 0.206 8701.2 -0.201 180 1.5 9 23451 2838.7 0.151 8368.3 -0.143 570.9 0.204 2836.6 -0.214 180 1.5 9 34512 7047.7 0.165 7051.7 -0.165 7049.7 0.221 7053.7 -0.202 180 1.5 9 45123 1717.9 0.199 1722.2 -0.182 1720.1 0.278 1715.7 -0.268 180 1.5 9 51234 8480.6 0.159 8484.6 -0.146 8482.6 0.217 8478.5 -0.203 180 2 8 12345 6128.9 0.196 4077.0 -0.194 6130.9 0.247 6126.9 -0.245 180 2 8 23451 8613.2 0.235 8617.1 -0.239 8615.1 0.309 8619.1 -0.290 180 2 8 34512 5074.4 0.253 5070.5 -0.273 5068.6 0.335 5072.5 -0.341 180 2 8 45123 1522.4 0.231 1526.2 -0.230 1524.3 0.292 1528.2 -0.277 180 2 8 51234 7794.9 0.254 7790.9 -0.246 7796.9 0.317 7792.9 -0.328 180 2 9 12345 8703.3 0.200 5466.8 -0.194 8705.5 0.275 8701.2 -0.268 180 2 9 23451 2838.7 0.202 8368.3 -0.190 570.9 0.272 2836.6 -0.285 180 2 9 34512 7047.7 0.220 7051.7 -0.220 7049.7 0.294 7053.7 -0.269 180 2 9 45123 1717.9 0.266 1722.2 -0.242 1720.1 0.370 1715.7 -0.357 180 2 9 51234 8480.6 0.212 8484.6 -0.195 8482.6 0.289 8478.5 -0.271 Parâmetros Navio GZ-Aceleração GZ-Velocidade

(47)

47 A Tabela 4-2, a seguir, mostra os resultados obtidos para o passo 1 utilizando mar irregular.

Tabela 4-2 - Resultados obtidos para o passo 1 com mar irregular

Analisando Tabela 4-1 com a Tabela 4-2, observa-se que a menor carga de topo ocorre num período de tempo próximo a menor aceleração do navio, em z, medida no tensionador inferior e observa-se que o menor raio mínimo de curvatura (MBR) no

Direção

[deg] Hs [m] Tp [s] Seed Tempo (s) Carga (mt) Tempo (s) Carga (mt) Tempo (s) MBR (m) Tempo (s) MBR (m)

90 1.5 8 12345 6535.2 116.162 332.0 87.726 333.1 68.564 336.9 56.447 90 1.5 8 23451 811.7 116.847 8114.5 86.208 6651.3 163.051 6647.7 56.205 90 1.5 8 34512 9356.8 117.693 9361.0 86.008 9362.2 157.937 5458.6 56.312 90 1.5 8 45123 10305.3 117.655 10308.8 86.969 6848.8 156.808 10314.8 56.557 90 1.5 8 51234 8120.9 116.479 9659.2 87.355 426.8 138.627 423.9 56.608 90 1.5 9 12345 689.1 118.066 692.9 86.866 8776.6 158.147 690.9 56.296 90 1.5 9 23451 7989.3 117.769 889.6 87.891 8736.1 149.199 7991.2 55.814 90 1.5 9 34512 3437.3 118.683 3433.5 84.946 3434.9 160.145 3431.1 56.013 90 1.5 9 45123 9656.8 117.037 10547.3 87.657 7247.6 138.788 7244.5 56.204 90 1.5 9 51234 8847.4 116.093 8851.5 87.478 461.6 154.890 8857.9 55.965 90 2 8 12345 6535.4 121.779 332.0 83.501 6534.6 182.089 4877.1 40.583 90 2 8 23451 811.6 123.427 8114.5 81.215 3415.8 227.492 6647.1 40.825 90 2 8 34512 9357.1 124.894 9361.1 79.550 5448.4 249.173 9374.3 40.858 90 2 8 45123 10305.3 122.803 10308.7 82.176 10304.5 205.554 10314.3 40.306 90 2 8 51234 8121.0 122.397 9659.2 82.514 8068.1 208.128 3547.1 55.874 90 2 9 12345 689.1 125.093 693.1 81.218 5728.6 236.786 698.1 40.391 90 2 9 23451 7989.4 123.776 8735.6 83.056 7280.2 235.738 894.9 40.303 90 2 9 34512 3437.6 122.819 3433.6 79.540 10494.9 226.845 3438.6 40.356 90 2 9 45123 10551.1 122.791 7246.4 83.197 3683.1 203.646 7251.9 40.467 90 2 9 51234 3955.0 122.291 8851.5 82.404 8846.6 241.872 8857.0 40.596 135 1.5 8 12345 9153.5 106.368 4172.0 96.769 4172.9 65.023 4176.4 59.871 135 1.5 8 23451 8823.4 106.066 9769.8 96.653 9770.6 65.139 9774.5 59.683 135 1.5 8 34512 7185.6 105.940 2096.2 96.779 2097.2 64.876 3359.8 59.812 135 1.5 8 45123 6896.3 105.769 1538.8 97.383 3748.9 64.994 9537.5 59.988 135 1.5 8 51234 4780.8 105.798 4784.2 97.464 4785.2 64.855 1480.4 59.952 135 1.5 9 12345 1263.4 106.001 6995.7 96.457 6996.5 65.302 1264.1 59.524 135 1.5 9 23451 7016.5 106.600 7013.0 96.977 4812.7 65.534 3415.2 59.506 135 1.5 9 34512 5635.6 106.058 2343.5 97.197 2510.9 65.274 5636.5 59.559 135 1.5 9 45123 1769.7 106.412 8972.5 96.948 1774.8 65.690 1770.4 59.156 135 1.5 9 51234 8592.7 105.753 8571.5 96.849 10324.2 65.377 10328.8 59.530 135 2 8 12345 9153.5 107.886 4172.0 95.308 1444.1 65.640 4176.5 59.309 135 2 8 23451 8823.4 107.547 9769.8 95.160 9770.7 65.876 9774.6 59.056 135 2 8 34512 7185.6 107.270 2096.3 95.296 2097.2 65.547 3359.9 59.194 135 2 8 45123 6896.3 107.119 1538.8 96.053 3749.0 65.745 9537.5 59.382 135 2 8 51234 4780.8 107.114 4784.2 96.236 4785.3 65.594 7825.6 59.393 135 2 9 12345 1263.4 107.390 6995.7 94.729 6996.6 66.155 3131.1 58.740 135 2 9 23451 7016.5 108.326 7013.0 95.363 4812.8 66.359 3415.3 58.703 135 2 9 34512 5635.6 107.546 2343.6 95.696 2511.0 66.065 5636.6 58.837 135 2 9 45123 1769.7 107.938 8972.5 95.397 1774.9 66.567 1770.5 58.366 135 2 9 51234 8592.7 107.127 8571.5 95.215 10324.4 66.317 10328.9 58.677 180 1.5 8 12345 4857.3 105.248 4853.7 97.981 4470.8 64.701 6094.3 60.289 180 1.5 8 23451 8577.7 105.630 8581.6 97.620 8582.5 64.782 8578.6 59.978 180 1.5 8 34512 5039.0 105.685 5035.2 97.071 5036.0 65.024 5040.0 59.823 180 1.5 8 45123 1479.2 105.651 1475.6 97.257 3310.3 64.726 1480.1 60.125 180 1.5 8 51234 7744.1 105.477 7732.2 97.283 7733.0 64.816 7737.1 59.967 180 1.5 9 12345 7129.2 104.801 6897.8 98.076 6898.7 64.788 7129.9 60.219 180 1.5 9 23451 2803.5 104.941 8332.9 97.903 8333.7 64.853 2804.1 60.045 180 1.5 9 34512 7020.3 105.312 7016.4 97.626 7017.2 64.914 7021.2 59.963 180 1.5 9 45123 1682.6 105.669 1686.8 97.681 1687.6 65.020 1683.3 59.731 180 1.5 9 51234 5707.5 104.644 7647.6 98.346 5193.3 64.531 8445.7 60.266 180 2 8 12345 4857.4 106.484 4853.7 96.824 4854.5 65.353 6094.4 59.743 180 2 8 23451 8577.8 106.985 8581.6 96.287 8582.6 65.422 8578.6 59.360 180 2 8 34512 5039.1 107.128 5035.2 95.650 5036.1 65.726 5040.1 59.182 180 2 8 45123 1479.3 107.037 1475.6 95.890 1476.6 65.376 1480.2 59.550 180 2 8 51234 7751.6 106.802 7732.2 95.919 7733.1 65.520 7737.1 59.320 180 2 9 12345 7129.2 105.899 6897.8 96.935 6898.7 65.460 7130.0 59.634 180 2 9 23451 2803.5 106.100 8333.0 96.737 8333.8 65.521 2804.2 59.447 180 2 9 34512 7020.3 106.586 7016.5 96.345 7017.3 65.581 7021.3 59.323 180 2 9 45123 1682.6 107.130 1686.8 96.404 1687.7 65.830 1683.4 58.971 180 2 9 51234 5707.5 105.720 7647.6 97.296 10006.1 65.171 8445.8 59.687

Configuração em lazy wave

Topo TDP

Max Min Max Min