TECNOLOGIA DO ESPÍRITO SANTO
COORDENADORIA DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARLOS LEONARDO SILVA DE ALMEIDA
RAFAEL BOLDRINI BRÊDA
SUELLEN FREIRE RIGATTO
ESTRUTURA PARA MEDIDOR DE ESPESSURA DE
TUBOS DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO: ANÁLISE
ESTRUTURAL
SÃO MATEUS- ES
2013
MARLOS LEONARDO SILVA DE ALMEIDA
RAFAEL BOLDRINI BRÊDA
SUELLEN FREIRE RIGATTO
ESTRUTURA PARA MEDIDOR DE ESPESSURA DE
TUBOS DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO: ANÁLISE
ESTRUTURAL
SÃO MATEUS – ES
2013
Trabalho realizado pelos alunos do curso de Engenharia Mecânica, apresentando ao componente curricular de Resistencia dos Materiais I.
Lista de Figuras
Figura 1 – Corrosão em um tubo ... 6
Figura 2 – Redução da parede pro abrasão ... 6
Figura 3 – Defeitos encontrados na parede interna de um tubo de produção ... 7
Figura 4 – Base de instalação da sonda... 8
Figura 5 – Local de instalação: sobre o BOP ... 8
Figura 6 – Imagem em corte do BOP (Blow Out Preventer) ... 9
Figura 7 – Catarina ... 10
Figura 8 – Instalação de um caminhão ligado ao equipamento de medição de espessura ... 12
Figura 9 – Suporte móvel ... 13
Figura 10 – Medidor de espessura argentino ... 14
Figura 11 – Ângulo máximo: 5º ... 17
Figura 12 – Diagrama de corpo livre ... 19
Figura 13 – Dimensões do flange ... 20
Figura 14 – Vista ortogonal ... 22
Figura 15 – Vista frontal ... 23
Sumário
Objetivos ... 5 Objetivo geral ... 5 Objetivos específicos ... 5 Introdução ... 6 Fundamentação teórica ... 9 Definição do problema ... 11 O que já existe? ... 12 Soluções prévias ... 15 Especificações funcionais ... 17 Resultados e conclusões ... 22 Referências bibliográficas ... 26Objetivos
Objetivo geral
Desenvolver a parte estrutural de um medidor de espessura de tubos para a produção de petróleo.
Objetivos específicos
Investigar as forças presentes na estrutura estudada; Projetar um suporte com as características especificadas; Dimensionar a estrutura do medidor.
Introdução
Técnicas não invasivas de medição de espessura constituem uma necessidade crescente nos processos industriais, principalmente na indústria de petróleo e gás.
O presente projeto tem por objetivo apresentar um projeto estrutural de um medidor de espessura de tubos usados na produção de petróleo, apresentando uma modelagem matemática do problema físico e busca identificar soluções para realizar a medição de espessura da parede no momento em que este é retirado do poço, evitando assim gastos subsequentes com transportes, desparafinação, inspeção e armazenamento. Uma grande vantagem são as informações real time das condições de outros equipamentos do poço inferidas a partir destas medidas.
Tubos para a produção de petróleo são usados há muitos anos e com o decorrer do tempo começam a sofrer problemas de perda de material por corrosão, abrasão metálica e erosão por estar em ambientes corrosivos e transportar líquidos que colaboram para a deterioração do mesmo. Veja figuras 1, 2 e 3.
Figura 3: Defeitos encontrados na parede interna de um tubo de produção.
Com estes defeitos podemos chegar à total paralisação da produção do poço e consequentemente ao lucro cessante.
O propósito desse trabalho é analisar estruturalmente um dispositivo que será capaz de medir a espessura dos tubos da coluna de produção. Desse modo, não haverá a necessidade de desparafinar e limpar o tubo para depois o transportá-lo para realizar a inspeção.
Por ainda se encontrar em fase de estudo, não serão abordados nesse trabalho assuntos referentes ao funcionamento do medidor de espessura. O dispositivo será analisado apenas estruturalmente, a fim de chegarmos na melhor solução estrutural.
O medidor de espessura estará localizado acima do BOP (Blow Out Preventer – sigla em inglês) por questões de segurança. A figura 4 indica a base de instalação da sonda e a figura 5 indica com clareza o local de instalação do medidor.
Figura 4. Base de instalação da sonda.
Fundamentação teórica
O BOP é um dos equipamentos mais importantes do sistema de perfuração (TSUKADA; YAMAMOTO & MOROOKA, 2007).
O BOP é um equipamento de segurança usado com o objetivo controlar as pressões no interior do poço durante a operação de perfuração e circular o kick quando houver ocorrência. O kick é um fenômeno que pode ocorrer durante a perfuração quando o poço de petróleo alcança uma formação de pressão anormalmente alta. Segundo Tsukada, Yamamoto e Morooka (2007) o diferencial de pressão entre o poço e a formação causa o influxo de fluido da formação para dentro do poço e aumenta a sua pressão de fundo, o que pode resultar se não controlado apropriadamente, no escoamento descontrolado de fluidos do poço para a superfície, induzindo um blowout.
A figura 6 mostra uma imagem em corte de BOP em corte didático.
Outro equipamento utilizado pelas SPT (Sonda de produção Terrestre) é a Catarina, que segundo Mansano (2004), é um conjunto de polias móveis justapostas num pino central, pela movimentação dos cabos passados entre a mesma e o bloco, a Catarina se movimenta ao longo da torre de perfuração ou da SPT. Com a figura 7 é possível visualizar uma Catarina externamente.
Definição do problema
No atual sistema utilizado no Brasil para produção de petróleo em terra, a inspeção de tubos não ocorre de maneira tão simples.
Um poço em terra sofre intervenções a fim de controlar alguns problemas que venham a ocorrer na exploração. Nessas intervenções com o auxílio da sonda, são tirados os equipamentos do poço de petróleo. Dentre eles está a coluna de tubo.
Por não ter condições de avaliar o estado qualitativamente no momento que é retirada a coluna de produção do poço, é necessário um estoque maior de tubo, já que o poço não pode ficar parado esperando o que foi retirado ser limpo, transportado até inspeção e retornado ao poço. Dessa forma, os tubos são retirados, assim como outros equipamentos que venham ser o responsável pela intervenção, e são colocados outros tubos que estavam em estoque em seu lugar nessa mesma operação.
Além do custo excessivo com um estoque maior de tubos da coluna de produção, também há um gasto grande com o transporte e limpeza, do tubo para inspeção, que no cenário atual não é realizada no local de produção de petróleo.
O que já existe?
Visualizando tal oportunidade, uma empresa argentina desenvolveu um medidor de espessura de tubos de coluna de produção. De fato, esta utiliza como medição, principalmente raios gamas, o que resulta em uma precisão micrométrica.
Esta empresa usa em sua estrutura física um veículo que fica conectado com o medidor de espessura e é o local do processamento de dados. Veja a figura 8.
Figura 8: Instalação de um caminhão ligado ao equipamento de medição de espessura.
Com esta tecnologia, não há necessidade de centralização do tubo desta forma o suporte funciona livre. Como mostra a figura 9.
Figura 9: Suporte móvel.
O problema desse método consiste no fato da utilização de radiação no processo para medir a espessura, como mostra a figura 10. O uso de radiação no ambiente brasileiro esbarra em barreiras, que burocratizam e desmotivam esta técnica e, além disso, há uma norma brasileira que exige informar toda a população que estiver no entorno e possíveis locais de deslocamentos, da existência desta fonte radioativa.
Neste contexto, o efeito radiativo é responsável por uma análise profunda do defeito. Porém, na área de exploração se espera apenas uma resposta da inspeção de tubos: “O tubo é reutilizável ou pode-se descartá-lo para sucata?”
Portanto, o que se espera, na prática e ao longo de anos de experiência dos engenheiros de petróleo no conhecimento dos poços, esta resposta tende a ser muito mais qualitativa do que quantitativa.
Soluções prévias
A proposta é desenvolver a parte estrutural de um medidor de espessura que não utilize radiação para operar. O que evitaria barreiras que poderiam inviabilizar o projeto.
Como o que se espera é uma análise qualitativa do tubo, uma técnica alternativa é a utilização de campos eletromagnéticos e através de sensores será possível obter um resultado satisfatório com uma estreita margem de erro o que poderá aprovar ou reprovar o reuso do tubo no poço. Caso o tubo seja aprovado, pode-se inserir novamente o mesmo no poço da forma como foi retirado. A medição ocorrerá à medida que os tubos passarem por dentro do medidor de espessura, durante a intervenção no poço.
A princípio analisaremos a possibilidade de fixar o medidor de espessura no BOP com parafusos. Porém, como os esforços da operação de retirada dos tubos são de ordem grande, o que poderia exigir muito da estrutura do medidor.
Outra ideia seria deixar livre o medidor apoiado no BOP, dispensando o uso de parafusos para sua fixação. Isso faria com que o medidor pudesse se deslocar horizontalmente acompanhando o tubo. É importante ressaltar que isso não trás problemas quanto a estruturas adjacentes do poço de petróleo, pois o BOP já é projetado para não se deslocar horizontalmente. Ele é fixo.
Com tal ideia os esforços horizontais no medidor de espessura se restringem apenas no atrito do medidor com o BOP, pois até certo ponto o medidor pode-se deslocar livremente. E ainda espode-se atrito é desprezível, já que neste ambiente há presença de óleos que reduzem o atrito entre o BOP e o medidor de espessura.
Com tal ideia os esforços horizontais no medidor de espessura se restringem apenas no atrito do medidor com o BOP, pois até certo ponto o medidor pode-se deslocar livremente. E ainda espode-se atrito é desprezível, já que neste ambiente há presença de óleos que reduzem o atrito entre o BOP e o medidor de espessura.
Especificações funcionais
A Catarina pode inclinar até 5º em relação à vertical, isso causa flexão na estrutura do medidor de espessura, de acordo com a proposta inicial. Portanto tal estrutura deve resistir a isso. Veja a figura 11.
Ainda nessa proposta, a qual os esforços horizontais são de grandes ordens, é necessário que outros componentes como roletes, os apoios dos roletes, o pino que segura o roletes também suportem os esforços sem atingir o seu limite de escoamento.
É imprescindível que o medidor de espessura se localize a cima do BOP. Dessa forma, garantimos que a segurança do poço não seja afetada com a presença do medidor de espessura.
A coluna de tubo deve ficar centralizada no medidor de espessura, já que a ideia inicial é usar a medição de espessura por efeitos eletromagnéticos e nesta técnica a centralização é imprescindível. Por isso, justifica-se o uso de roletes a fim de centralizar a coluna de tubo que é deslocada no interior do medidor.
Projeto
A partir das normas utilizadas no ambiente em questão, podemos chegar a um diagrama de corpo livre do problema a fim de identificar o caso mais crítico que o medidor está submetido, como mostra a figura 12.
Os materiais utilizados neste projeto são dois flanges e um tubo, que seguem normas internacionais. Para o tipo de material é utilizado o ASTM A105 e para a fabricação dos flanges a norma ASME B 16.5 #2500 8”. A figura 13 mostra detalhes do flange utilizado.
Figura 13. Dimensões do Flange.
Já os componentes como pinos, roletes e seus apoios são em aço-liga ABNT 4140/VL-20, que estão em conformidade para a soldabilidade requerida do conjunto, e tem como limite de escoamento 970 Mpa.
O Fator de Segurança utilizado nos cálculo foi de 2,5 (F.S. = 2,5).
Na extração do petróleo, o óleo pode vir acompanhado de água e impurezas. Para calcular a massa dos dois tubos com fluido, foi considerado o pior caso, que seria os dois tubos cheios de água. A consideração foi feita a partir da densidade da água, que por ser maior que a do óleo, torna o tubo mais pesado. A partir da consideração feita, foi estimado que a massa dos dois tubos mais a da água supostamente contida nele fosse de 649,24 kg.
A Catarina possui uma massa de 1800 kg e pode levantar até 150000 lbf com uma inclinação máxima de 5º em relação à vertical. Como a Catarina retira até dois tubos de uma vez, o cálculo da massa concentrada dos tubos e da água (pior caso) contida neles foi realizado para dois tubos. A massa dos dois tubos foi de 353,24 kg e da água de 296 kg.
Os cálculos seguem anexados ao trabalho presente e foram realizados de forma manual.
As figuras 14, 15 e 16 apresentam as perspectivas isométricas da estrutura do medidor de espessura.
Resultados e conclusões
A realização desse trabalho fora importante para se observar aplicações da disciplina de Resistência dos Materiais I de forma mais prática, assim como a necessidade de projetar um equipamento que atenda as necessidades da indústria.
É notória a importância da escolha e utilização de materiais que resistem aos esforços previstos no projeto, bem como suas dimensões.
Observa-se que durante o processo de projetar, é necessário ter em mente algumas alternativas ou formas diferentes, visto que a primeira ideia pode não ser a melhor.
Neste projeto, foram avaliados alguns pontos críticos, como mostra os cálculos anexados, e observado que haveria necessidade de alteração das dimensões iniciais, ou até troca do material. Porém, as alterações teriam que ser realizadas de forma muito significativa, deixando o projeto inviável. Dessa forma, o melhor caminho escolhido foi deixar livre o medidor de espessura para que ele acompanhe o movimento da coluna de tubo.
Isso infere em redução das forças horizontais de forma drástica, tornando o medidor viável para uma série de configurações, como a desenhada e a calculada. Posto que nesse novo modelo, o medidor não é parafusado ao BOP, apenas apoiado.
De acordo com os cálculos, foi observado que a solução mais viável para o projeto foi deixá-lo livre sobre o BOP para acompanhar o movimento do tubo. Dessa forma, as forças horizontais se restringem apenas ao atrito da estrutura do medidor de espessura com o BOP. No entanto, tal atrito pode ser considerado desprezível, devido à presença de óleos no ambiente de operação que reduzem drasticamente essa força em questão.
Referências bibliográficas
HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 5 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.
MANSANO, R. B. Engenharia de perfuração e completação em poços de petróleo. Disponível em:
<http://www.petroleo.ufsc.br/palestras/2004_08_05.pdf>. Acesso em 2 ago de 2013.
TSUKADA, R. I.; YAMAMOTO, M.; MOROOKA, C. K. ANÁLISE DE OPERAÇÃO DA INSTALAÇÃO DE RISERS E DESCIDA DE BOP EM SONDAS FLUTUANTES DE PERFURAÇÃO. Anais do 4ª Congresso Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento em Petróleo e Gás. Campinas. 2007.
