ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE DUTOS RÍGIDOS DURANTE A
INSTALAÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
Daniel Hall de Mattos
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.
Orientador(es): Breno Pinheiro Jacob
Fabrício Nogueira Corrêa
Rio de Janeiro
Setembro de 2012
iii
Mattos, Daniel Hall de
Estudo do Comportamento de Dutos Rígidos
durante a Instalação em Águas Profundas/ Daniel Hall de
Mattos. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2012.
XXII, 128p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Breno Pinheiro Jacob
Fabrício Nogueira Corrêa
Dissertação (mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa
de Engenharia Civil, 2011.
Referências Bibliográficas: p. 89-90.
1. Estruturas Offshore. 2. Dutos Rígidos. 3.
Análises de Instalação. I. Jacob, Breno Pinheiro, Corrêa,
Fabrício Nogueira. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Civil. III.
Estudo do Comportamento de Dutos Rígidos durante a
Instalação em Águas Profundas.
iv
À minha esposa, Gabriela e,
às minhas filhas Isabela e Sophia.
v
AGRADECIMENTOS
A Deus, por tudo.
À minha esposa, Gabriela, pelo seu amor, apoio incondicional e paciência,
fundamentais para a realização deste trabalho.
À minha filha Isabela e enteada Sophia, pelas inúmeras alegrias e compreensão
pelo pouco tempo disponível a elas durante o curso.
A meus pais e irmã, por todo apoio, compreensão e investimento em minha
educação ao longo da vida, viabilizando a realização do curso de Mestrado.
À minha avó Ruth, pelos ensinamentos de vida, bondade e fé.
À minha família, pela total credibilidade e votos de confiança em todos meus
planos e projetos de vida.
Aos meus AMIGOS, pela amizade e apoio nesta empreitada.
Aos professores e orientadores Breno e Fabrício, por toda ajuda, valiosa
orientação e compreensão nos momentos de dificuldades.
Aos professores do Programa de Engenharia Civil da COPPE, pelos
conhecimentos ministrados ao longo do curso.
Aos amigos da SUPORTE, pelo companheirismo em minhas trajetórias
acadêmica e profissional.
Aos amigos e às gerências da Subsea 7, pela compreensão, sobretudo na fase de
conclusão deste trabalho.
Ao amigo Nestor Guevara do laboratório LAMCE/COPPE, por sua crucial ajuda
em momentos-chave de meu curso de mestrado.
Ao amigo Vinicius Mendonça da Subsea 7, por sua criteriosa revisão deste
trabalho.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
ESTUDO DO COMPORTAMENTO DE DUTOS RÍGIDOS DURANTE A
INSTALAÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS
Daniel Hall de Mattos
Setembro/2012
Orientadores: Breno Pinheiro Jacob
Fabrício
Nogueira
Corrêa
Programa: Engenharia Civil
Este trabalho trata de um estudo do comportamento de dutos rígidos submarinos
quando de sua instalação em águas profundas. Neste contexto, apresenta o método Steep
S-Lay, uma técnica eficiente de lançamento de dutos rígidos em grandes profundidades.
Contudo, os critérios atuais, utilizados para controlar os carregamentos atuantes no
duto, precisam ser reavaliados de modo a viabilizar a utilização em larga escala deste
método em águas profundas.
Serão realizadas avaliações analíticas e numéricas, esta última com a utilização
do software ORCAFLEX, com a pretensão de varrer os cenários possíveis de ocorrência
durante o lançamento em grandes lâminas d’água, demonstrando ainda onde os critérios
atuais são aplicáveis e onde precisam ser revistos.
Estudos paramétricos serão apresentados, considerando diversos valores de
diâmetro externo, espessura de parede e profundidade, de maneira a apresentar o
comportamento do duto, bem como determinar uma envoltória de casos admissíveis,
por profundidade com base nos critérios atuais.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
STUDY OF PIPELINE BEHAVIOR DURING INSTALLATION IN DEEP
WATERS
Daniel Hall de Mattos
September/2012
Advisors: Breno Pinheito Jacob
Fabrício Nogueira Corrêa
Department: Civil Engineering
This work is a study of the behavior of rigid subsea pipelines during its
installation in deep waters. It presents the Steep S-Lay method, an efficient technique for
laying rigid pipelines at great water depths. However, the current criteria used to control
the loads acting on the pipeline need to be reassessed in order to enable the widespread
use of this method in deep waters.
Analytical and numerical evaluations, the latter with the use of software
ORCAFLEX, will be carried out to present the possible scenarios occurring during pipe
laying in deep waters, showing where the current criteria is applicable and where it
needs to be revised.
Parametric studies will be presented considering several values of outer
diameter, wall thickness and depth so as to exhibit the behavior of the pipeline, as well
as determine an envelopment of allowable cases, for each water depth, based on the
current criteria.
viii
Índice
1 Introdução ... 1
1.1 Contexto e Motivação ... 1
1.2 Objetivo e Escopo ... 1
1.3 Histórico ... 2
1.4 Metodologia Adotada ... 3
1.5 Organização do Texto ... 3
2 Descrição dos Métodos de Lançamento ... 5
2.1 Introdução ... 5
2.2 Método S-lay ... 5
2.3 Método J-Lay ... 6
2.4 Método Reel-Lay ... 7
2.5 Considerações sobre o projeto de lançamento de dutos rígidos ... 8
3 Critérios Normativos de Projeto ... 10
3.1 Geral ... 10
3.2 Critérios de Projeto ... 10
3.2.1
Pressão interna (Bursting)
... 10
3.2.2
Flambagem Local (Local Buckling)
... 11
3.3 Critério Simplificado de Lançamento ... 17
4 Método Steep S-Lay: S-lay em Águas Profundas ... 19
4.1 Introdução ... 19
4.1.1
Características do Método
... 20
ix
4.1.3
Ovalização
... 24
4.1.4
Impacto do aumento da deformação no tamanho dos defeitos nas soldas
... 25
4.1.5
Impacto do aumento da deformação no crescimento das fraturas à fadiga
... 25
4.1.6
Curvatura residual
... 25
4.2
Monitoramento
... 27
4.3 Evolução
da deformação
... 27
4.4
Rotação do duto
... 31
4.5
Tração
... 31
4.5.1
Tracionadores
... 32
4.5.2
Alagamento
... 32
4.6
Considerações normativas aplicadas ao
... 35
5 Estudos Paramétricos ... 36
5.1 Introdução ... 36
5.2 Definição da configuração de lançamento ... 37
5.2.1
Configuração Inicial dos Roletes da Embarcação & Stinger
... 37
5.2.2
Aprimoramento das Análises
... 38
5.3 Avaliação analítica simplificada do raio mínimo de curvatura ... 38
5.4 Avaliação numérica considerando modelo de stinger ... 40
5.4.1
Descrição do Software
... 41
5.4.2
Características do Duto
... 42
5.4.3
Propriedades do Material (RAMBERG-OSGOOD)
... 47
5.4.4
Descrição do Modelo
... 49
x
6 Resultados ... 60
6.1 Introdução ... 60
6.2 Avaliação analítica simplificada do raio mínimo de curvatura ... 60
6.3 Avaliação numérica considerando modelo de stinger ... 68
6.3.1
Análises Estáticas:
... 68
6.3.2
Análises Dinâmicas:
... 80
7 Comentários Finais ... 86
7.1
Conclusões
... 86
7.2
Comentários sobre a deformação aceitável na regiao do overbend
... 87
7.3
Sugestões para trabalhos futuros
... 88
8 Referências Bibliográficas ... 89
9 Anexos ... 91
9.1 Tabela-Resumo dos Resultados Estáticos ... 91
xi
Lista de Figuras
Figura 1 – Operação de lançamento - Método S-lay. ... 6
Figura 2 – Operação de lançamento - Método J-Lay. ... 7
Figura 3 – Operação de lançamento - Método Reel-Lay... 8
Figura 4 - Embarcação Posicionada Dinâmicamente (Solitaire - Allseas) ... 19
Figura 5 - Método Steep S-Lay – Configuração de lançamento. ... 21
Figura 6 - Comportamento elasto-plástico do aço. ... 27
Figura 7 – Diagramas de Tensão e Deformação de dutos submetidos à flexão. ... 29
Figura 8 – Tensão e Deformação Residuais sem Tração... 30
Figura 9 – Detector de Colapso sendo inserido na linha (Referencia [20]). ... 34
Figura 10 – Relação Tensão-Deformação através da equação de Ramberg-Osgood. ... 49
Figura 11 – Vista geral do Modelo no ORCAFLEX. ... 51
Figura 12 – Detalhes da embarcação – Rampa de Lançamento & Stinger. ... 52
Figura 13 – Detalhes da embarcação – Primeiro Passo da Simulação (Duto suspenso por
“guinchos”). ... 52
Figura 14 – Detalhes da embarcação – Segundo Passo da Simulação (Duto apoiado nos
roletes). ... 53
Figura 15 – Detalhes dos Roletes. ... 53
Figura 16 – TDP & Sagbend. ... 54
Figura 17 – Gráfico – Raio de Curvatura x Deformação. ... 62
Figura 18 – Gráfico – Raio de Curvatura x Diâmetro Externo. ... 63
Figura 19 – Gráfico – Coeficiente Angular x Deformação (Raio de Curvatura). ... 64
Figura 20 – Gráfico – Comprimento da Rampa x Deformação. ... 66
Figura 21 – Gráfico – Comprimento da Rampa x Diâmetro Externo. ... 67
Figura 22 – Gráfico – Coeficiente Angular x Deformação (Comprimento da Rampa). ... 67
Figura 23 – Máxima Deformação de Flexão x Máxima Deformação Total. ... 69
Figura 24 – Tração Efetiva ao longo do comprimento do duto. ... 70
Figura 25 – Tensão de von Mises ao longo do comprimento do duto. ... 71
Figura 26 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 4,5 polegadas). ... 72
Figura 27 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 6,625 polegadas). ... 72
Figura 28 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 8,625 polegadas). ... 73
Figura 29 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 10,75 polegadas). ... 73
xii
Figura 31 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 14 polegadas). ... 74
Figura 32 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 16 polegadas). ... 75
Figura 33 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 18 polegadas). ... 75
Figura 34 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 20 polegadas). ... 76
Figura 35 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 22 polegadas). ... 76
Figura 36 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Duto de 24 polegadas). ... 77
Figura 37 – Gráfico – Tração Efetiva x Espessura de Parede (Dutos de 26 a 34
polegadas). ... 78
Figura 38 – Gráfico – Tração Estática x Tração Dinâmica - Duto de 4,5 polegadas. ... 80
Figura 39 – Gráfico – Máxima Deformação no Overbend (Caso Estático x Caso
Dinâmico) - Duto de 4,5 polegadas. ... 81
Figura 40 – Gráfico – Máxima Tensão de von Mises no Sagbend (Caso Estático x Caso
Dinâmico) - Duto de 4,5 polegadas. ... 82
Figura 41 – Gráfico – Tração Estática x Tração Dinâmica - Duto de 34 polegadas. ... 83
Figura 42 – Gráfico – Máxima Deformação no Overbend (Caso Estático x Caso
Dinâmico) - Duto de 34 polegadas. ... 84
Figura 43 – Gráfico – Máxima Tensão de von Mises no Sagbend (Caso Estático x Caso
Dinâmico) - Duto de 34 polegadas. ... 85
xiii
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Critério Simplificado – DNV-OS-F101 [6]. ... 18
Tabela 2 – Diâmetros externos considerados nas análises. ... 39
Tabela 3 – Características dos dutos. ... 42
Tabela 4 – Propriedades do Material. ... 47
Tabela 5 – Coordenadas dos roletes da embarcação. ... 55
Tabela 6 – Coordenadas dos roletes do Stinger. ... 55
Tabela 7 – Dados meteoceanográficos. ... 57
Tabela 8 – Combinações de Carregamentos Ambientais. ... 58
Tabela 9 – Resultados – Raio de Curvatura Mínimo. ... 61
Tabela 10 – Comprimentos mínimos de rampa de lançamento... 65
1
1 Introdução
1.1 Contexto e Motivação
Atualmente, os dutos rígidos submarinos constituem papel importante dentro da esfera
offshore, representando provavelmente a maior porcentagem de equipamentos relacionados às
instalações de petróleo e gás offshore. Com o advento da produção de petróleo em grandes profundidades, bem como com o aumento da utilização de gás natural, foi gerada uma crescente demanda pela construção de extensos gasodutos para transportar o gás oriundo destes campos de grandes lâminas d’água para as refinarias e terminais em terra.
Muitas vezes, os campos de petróleo em águas profundas localizam-se em regiões relativamente distantes da costa. Sem sistemas de exportação de gás associados, estes vêm sendo desenvolvidos através da reinjeção deste gás em reservatórios adequados para posterior recuperação. Hoje, tais campos petrolíferos são cada vez mais comuns e juntamente com a valorização do gás, políticas restritivas à sua queima, devidamente alinhadas com os processos de otimização dos recursos energéticos, assim como com a redução da emissão de gases poluentes na atmosfera, o transporte deste produto apresenta-se como um desafio.
O método S-lay surge como uma técnica eficiente de lançamento de dutos rígidos, particularmente para gasodutos extensos, contudo os critérios utilizados para controlar os carregamentos atuantes no duto precisam ser reavaliados, de modo a se aplicar ao cenário de águas ultra profundas. Esta necessidade reside, basicamente, em definir valores mais elevados de deformações admissíveis, de modo a reduzir parâmetros como tração efetiva, bem como possibilitar a utilização de stingers com menores dimensões, reduzindo riscos associados às operações de lançamento, dentro dos limites de segurança e operacionalidade.
1.2 Objetivo e Escopo
O objetivo deste trabalho é demonstrar, através de estudos paramétricos de casos, o comportamento de um duto submarino quando de sua instalação em águas ultra profundas através do método Steep S-Lay, mostrando abordagens de algumas normas utilizadas no âmbito de projeto, bem como a literatura existente sobre o assunto, como forma de explorar os critérios de aceitação das mesmas. Pretende-se, ainda, obter com os resultados de avaliações analítica e numérica, uma envoltória de casos admissíveis para o lançamento em águas profundas, apresentando graficamente, para cada diâmetro de duto, os parâmetros necessários para o lançamento em cada profundidade considerada. Combinando tal envoltória resultante das
2
simulações numéricas com os resultados da avaliação analítica, pode-se, pois, estimar a configuração ideal de lançamento para cada cenário estudado.
1.3 Histórico
Usualmente, os gasodutos de exportação necessitam ser tratados com uma abordagem diferenciada quando comparados à maioria das linhas que interligam os sistemas dentro de um campo de petróleo. A diferença principal entre eles reside no diâmetro e comprimento, que para os gasodutos de exportação costumam ser muito superiores, conforme indicado em [1] e [2].
As linhas rígidas componentes de um campo apresentam, usualmente, diâmetros compreendidos entre 8” e 12” e comprimentos entre 5 km e 10 km, enquanto as linhas de exportação são tipicamente compreendidas entre 16” e 34” e extensão que pode exceder os 100 km, ambos fatores que impactam diretamente os métodos de instalação envolvidos.
As operações de lançamento de linhas dentro dos campos em grandes lâminas d’água são normalmente executadas através dos métodos J-Lay ou Reel-Lay, métodos estes limitados no que se refere à instalação de longos gasodutos, de acordo com o apresentado em [3]. O método J-Lay, que tipicamente apresenta uma estação de solda, necessita que longas juntas compostas de tubos (quatro ou seis tubos) sejam empregadas para obter-se produtividade competitiva para longos gasodutos. Requerendo, assim, grandes embarcações para realizar o trabalho, que muitas vezes não estão disponíveis no mercado.
O Reel-Lay é um método muito eficiente de lançamento, contudo dentre suas limitações, estão a capacidade da embarcação lançar apenas comprimentos relativamente curtos de dutos, precisando em seguida retornar à base para recarregar o carretel, e a restrição de diâmetro máximo de 16 polegadas, atualmente, devido às características geométricas do carretel para garantir a integridade do duto / revestimento, inviabilizando muitas vezes a instalação de grandes gasodutos.
A referência [3] demonstra que, como resultados destas limitações, a utilização do S-lay convencional precisa ser considerada. O método de lançamento denotado S-lay consiste em uma técnica eficiente, quando se trata do lançamento de grandes extensões de linhas rígidas. Contudo, os critérios atuais adotados para o controle dos carregamentos atuantes no duto apresentam uma necessidade de reavaliação de maneira que possam ser adotados para águas profundas.
3
1.4 Metodologia Adotada
Para alcançar os objetivos propostos, adotou-se como metodologia a realização de dois tipos de estudos paramétricos. O primeiro trata-se de uma avaliação analítica do raio de curvatura admissível, onde variando o diâmetro externo do duto para diferentes níveis de deformação, excedendo inclusive valores de recomendações normativas, determinou-se o raio de curvatura e comprimento de rampa necessário ao lançamento.
Posteriormente, serão realizadas simulações numéricas estáticas para diversos valores de diâmetro externo, espessura de parede, e profundidade de maneira a apresentar o comportamento do duto quando de seu lançamento em águas profundas, bem como determinar uma envoltória de casos admissíveis ao lançamento, por profundidade. Adicionalmente, serão realizadas simulações dinâmicas para os casos críticos estáticos, como forma de apresentar a influência dinâmica nos cenários considerados.
1.5 Organização do Texto
Neste item, uma breve descrição do conteúdo de cada capítulo é feita de forma a facilitar a leitura do texto.
O capítulo 1 apresenta o contexto e motivação para realização do presente estudo, bem como os objetivos e escopo da dissertação. Apresenta ainda um breve histórico referente ao que vem sendo desenvolvido a respeito do tema, assim como descreve a metodologia empregada para alcançar os objetivos propostos.
O capítulo 2 traz uma descrição dos métodos de lançamento empregados atualmente, detalhando cada tipo de metodologia de instalação, e apresentando os parâmetros envolvidos, vantagens e desvantagens, e cenários nos quais são usualmente empregados.
O capítulo 3 apresenta as principais recomendações normativas existentes e utilizadas para a avaliação da integridade dos dutos. No referido estudo, as formulações serão empregadas como forma de balizar os resultados em termos de momentos fletores, tensões e deformações admissíveis. Este capítulo apresenta, ainda, os critérios de avaliação, baseados no estado limite último de tensões e deformações.
O capítulo 4 descreve detalhadamente o método de lançamento Steep S-Lay e seus diversos aspectos. São abordadas, aqui, por exemplo, as principais diferenças entre o lançamento através do método S-lay convencional e o S-lay em águas profundas (Steep S-Lay), detalhando os parâmetros que devem ser considerados, tais como: Ovalização, Impacto do aumento da deformação no tamanho dos defeitos nas soldas, Impacto do aumento da
4
deformação no crescimento das fraturas à fadiga e Curvatura residual significativa despertada no duto quando do aumento do nível de deformações na região de overbend. Dentre várias referências, cita-se as seguintes como principais relativas ao assunto: PERINET & FRAZER [1][3], BULLOCK II, GEERTSE & LANDWEHR [2], MCKINNON [4], MACARA [5].
O capítulo 5 descreve a metodologia adotada para a realização dos estudos paramétricos, objetos deste trabalho. Apresenta as abordagens analítica e numérica, detalhando os modelos, bem como a realização das análises. Na avaliação analítica serão testados diversos valores de diâmetro externo do duto, para diferentes níveis de deformação, excedendo inclusive valores de recomendações normativas, de modo a determinar o raio de curvatura e comprimento de rampa necessário ao lançamento.
Neste capítulo, são descritos os casos considerados nas análises, onde serão avaliados os diferentes pares diâmetro e espessura de parede, para diversas profundidades. Por fim, apresenta a metodologia adotada para a realização das análises dinâmicas, considerando os aspectos relativos aos dados ambientais e comportamento da embarcação.
O capítulo 6 apresenta os resultados obtidos nas análises, demonstrando graficamente os produtos resultantes das avaliações analítica e numérica, de maneira a facilitar sua leitura e interpretação. Este capítulo reúne, ainda, gráficos comparativos entre os métodos, indicando a envoltória de casos possíveis e viáveis para um lançamento em Steep S-Lay.
Finalmente, o capítulo 7 fornece as conclusões acerca dos resultados obtidos e das principais considerações abordadas e referenciadas no presente trabalho. São também apresentadas, neste capítulo, algumas sugestões para pesquisas ou trabalhos futuros.
5
2 Descrição dos Métodos de Lançamento
2.1 Introdução
O presente item abordará os métodos usuais de lançamento de dutos rígidos submarinos e suas principais características, como forma de apresentar as particularidades inerentes a cada método, e como eles podem ser aplicados nos cenários offshore.
2.2 Método S-lay
O método S-lay consiste no lançamento do duto, onde a fabricação do duto é realizada horizontalmente na embarcação, na seção da embarcação denominada Firing Line, originando alta flexão na saída do barco (na rampa de lançamento ou stinger), na região conhecida por
overbend, bem como em outra junto ao fundo (sagbend).
A Figura 1 apresenta a operação de lançamento na qual se vê a embarcação, onde os segmentos do duto são soldados sobre uma rampa de montagem, contendo estações de soldagem, um ou mais tracionadores, que controlam a tração na linha e, consequentemente, os momentos concomitantes, e uma estrutura treliçada (stinger), usada para suavizar ou minimizar a forte variação angular que o duto sofre ao deixar a embarcação.
A mesma Figura 1 mostra a trajetória típica em “S” do duto até o mesmo tocar e apoiar-se sobre o leito marinho. O projeto em questão consiste, basicamente, em definir a curvatura estabelecida por roletes discretos, instalados ao longo da rampa (ainda na embarcação) e ao longo do stinger, bem como a força de tração a ser aplicada no tracionador, de modo a garantir a integridade estrutural do duto durante sua instalação. Ressalta-se que há roletes ao longo de toda a rampa de montagem para a movimentação do duto, mas que estes só passam a formar uma curva no trecho após os tracionadores, ou seja, há alinhamento perfeito dos segmentos aos serem soldados.
6
Figura 1 – Operação de lançamento - Método S-lay.
Devem ser estudados, ainda nesta fase de projeto, os casos particulares de inicialização e abandono final do lançamento, bem como eventuais etapas de abandono de emergência ou recuperação do duto em função de condições ambientais adversas ou acidentais.
No início da operação de lançamento, é necessário que a extremidade livre do duto no fundo marinho esteja presa a um ponto fixo, dimensionado para resistir à tração imposta à linha, evitando, assim, que a mesma sofra a severa flexão que seria causada caso a estrutura do duto estivesse em balanço. Normalmente, este ponto fixo é representado por âncoras, pernas de plataformas ou embarcações com posicionamento dinâmico (DP).
Ao final do lançamento, o mesmo problema ocorre, sendo aqui adotado o procedimento inverso, qual seja, um cabo é conectado à extremidade do duto e a um guincho na embarcação, mantendo-o tracionado até que este repouse sobre o leito marinho.
2.3 Método J-Lay
O método J-Lay é similar ao método S-lay, apenas a rampa de lançamento é construída em posição quase vertical, não havendo, nesta situação, a região de overbend. Por este motivo, este método foi desenvolvido primordialmente para águas profundas. Figura 2 ilustra um lançamento utilizando o método J-Lay.
7
Figura 2 – Operação de lançamento - Método J-Lay.
2.4 Método Reel-Lay
No método Reel-Lay, a linha é fabricada em terra e estocada em rolos de grande diâmetro no convés da embarcação para transporte e instalação (Figura 3). Neste caso, a grande limitação diz respeito ao diâmetro máximo do duto, que pode ser estocado desta forma. Este método tem sido utilizado para diâmetros de até 16 polegadas. Além disso, há que se considerar a impossibilidade da adoção de revestimento de concreto nestes dutos. Uma vez que o concreto não resistiria à curvatura imposta pela estocagem. A maior vantagem deste método, em relação aos outros, é a grande velocidade de instalação.
8
Figura 3 – Operação de lançamento - Método Reel-Lay.
2.5 Considerações sobre o projeto de lançamento de dutos rígidos
Além dos métodos de instalação pela superfície, existem ainda os métodos de instalação por arraste, onde o duto é construído em terra, provido de flutuadores e arrastado próximo à superfície ou próximo ao fundo por rebocadores, conforme permitam as condições ambientais locais.
O projeto do lançamento também define a janela de operação adequada para a instalação do duto. Esta definição é elaborada com base na avaliação dos efeitos dos movimentos da embarcação sobre a linha durante o lançamento. Tais efeitos impõem uma parcela dinâmica sobre as tensões às quais o duto está sujeito durante o lançamento, cujo resultado final deve ser mantido dentro dos limites de segurança para a estrutura.
É também parte integrante do projeto de lançamento do duto, o dimensionamento de todos os acessórios eventualmente acoplados às extremidades da linha, tais como: flanges cegos, cabeças de inícialização de lançamento, cabeças de teste hidrostático, cabeças de recebimento de pigs (elementos normalmente de borracha, que se movem sob pressão pelo interior do duto para limpeza, desobstrução ou para verificações dimensionais do mesmo), etc. Estes acessórios nada mais são do que terminações tubulares especiais acopladas à extremidade da linha por meio de ligações flangeadas ou soldadas.
9
O início e o abandono final da linha em sua posição alvo são, algumas vezes, dificultados pela existência de obstáculos produzidos por outras linhas anteriormente instaladas. Uma prática comum nestes casos é iniciar ou terminar a operação de lançamento longe da posição alvo e trazer a extremidade da linha para a posição desejada, através de um deslocamento lateral pelo fundo do mar. O dimensionamento destas operações também faz parte do projeto de lançamento do duto.
Com a finalidade de garantir e preservar a integridade a integridade do duto durante sua instalação, a análise de lançamento é realizada a partir de uma embarcação equipada para este fim. Todas as situações passíveis de acontecer durante a instalação do duto devem ser simuladas e analisadas. Dentre os diversos métodos de instalação de dutos pela superfície, um dos mais empregados atualmente é método S-lay, escopo deste trabalho e que será mais bem detalhado a seguir.
10
3 Critérios Normativos de Projeto
3.1 Geral
Atualmente, pode-se citar a norma DNV-OS-F101 [6] como a principal referência normativa no que se refere a dutos submarinos, e sobre a qual existe atualmente a maior parte das discussões de alteração ou extensão de critérios de aceitabilidade.
A seguir, serão apresentados todos os estados limites (modos de falha) a serem considerados no projeto de dutos submarinos para todas as fases relevantes de um projeto de dutos submarinos.
3.2 Critérios de Projeto
3.2.1 Pressão interna (Bursting)
Este critério diz respeito ao efeito da pressão interna nas paredes do duto e é empregado basicamente durante a fase de operação, uma vez que durante a fase de instalação a pressão interna não é considerada. Deve satisfazer a seguinte relação, de maneira a conter a pressão interna: SC m b e lx
t
p
p
p
(
1)
(1) Onde,plx pressão interna durante a fase de operação ou pressão durante o teste hidrostático;
pe pressão externa atuante;
m fator de resistência do material (adotado igual a 1,15, para o Estado Limite Último, Estado Limite de Serviço e Estado Limite Acidental. Adotado igual a 1,00 para Estado Limite de Fadiga).
SC fator de resistência de classe de segurança (Tabela 5-5 da referida norma DNV-OS-F101 [6]).
11
3
2
2
)
(
cb bf
t
D
t
t
p
(2) Onde,
15
,
1
;
u y cbf
f
Min
f
pb pressão de resistência interna;t espessura de parede nominal; D diâmetro externo nominal;
fy tensão de escoamento do material, a ser utilizada no projeto;
fu tensão de ruptura do material.
A redução na resistência de contenção da pressão devido a forças compressivas reais (Load Controlled Condition, a ser explicada posteriormente) deve ser considerada.
3.2.2 Flambagem Local (Local Buckling)
O critério de flambagem localizada (colapso das paredes do duto) implica em uma deformação bruta na seção transversal. Os seguintes pontos devem ser observados:
- colapso do sistema (apenas pressão externa); - propagação da flambagem;
- critério de carga combinada, isto é, interação entre as pressões externa e interna, força axial e momento fletor.
Um grande acúmulo de deformação plástica pode agravar a flambagem local, devendo este efeito ser computado nas análises.
a) Colapso do sistema
A Resistência característica, pc(t), para resistir a pressão externa deve ser calculada a
partir da seguinte equação de terceiro grau:
12
t
D
f
t
p
t
p
t
p
t
p
t
p
t
p
t
p
c(
)
el(
))
(
c(
)
2
p(
)
2)
c(
)
el(
)
p(
)
0
(
(3) 2 31
2
)
(
D
t
E
t
p
el (4)D
t
f
t
p
p(
)
y
fab
2
(5) 2 31
2
)
(
D
t
E
t
p
el (6)03
,
0
min max 0
D
D
D
f
(7) Onde,pc pressão característica ao colapso;
pel pressão de colapso elástico;
pp pressão de colapso plástico;
f0 ovalização da seção;
E módulo de elasticidade do material; coeficiente de Poisson;
fab fator de fabricação do material;
Dmax diâmetro máximo admissível para o duto considerando as tolerâncias de
fabricação presentes na DNV-OS-F101 [6];
Dmin diâmetro mínimo admissível para o duto considerando as tolerâncias de
13
A pressão externa em qualquer ponto ao longo do duto deve satisfazer os seguintes critérios (verificações do colapso do sistema):
SC m c e
t
p
p
p
(
1)
min (8) Onde, pmin é o valor mínimo de pressão interna suportada. Normalmente tomada igual azero para dutos instalados (as-laid).
b) Propagação do Colapso
A propagação do colapso não pode ser iniciada a menos que a flambagem local tenha ocorrido. No caso em que a pressão externa excede os critérios a seguir, supressores de colapso (buckle arrestors) devem ser instalados e espaçados baseados no custo e nas premissas de projeto. O critério de propagação do colapso é explicitado como segue:
SC m pr e
p
p
(9) Onde, 5 . 2 235
D
t
f
p
pr y
fab45
t
D
ppr pressão de resistência ao colapso propagante;
fab fator de fabricação (Tabela 5-7 da DNV-OS-F101 [6]).
A capacidade dos supressores de colapso (buckle arrestors) depende dos seguintes fatores:
- Resistência à propagação de colapso de um tubo adjacente; - Resistência à propagação de um supressor de colapso infinito; - Tamanho do supressor de colapso.
14
c) Flambagem Local – Critério de carregamento combinado
Este critério pode ser descrito como a principal requisição normativa durante a fase de projeto de um duto rígido submarino. Subdivide-se em:
- Condição de carregamento controlado (Load Controlled Condition);
- Condição de deslocamentos controlados (Displacement Controlled Condition).
Dois tipos de verificações distintas se aplicam a estas duas condições. A condição de carga controlada (LCC) é aquela em que a resposta estrutural é primariamente governada pelas cargas impostas. A condição de deslocamentos controlados (DCC) é aquele em que a resposta estrutural é primariamente governada por deslocamentos geométricos. Contudo, o LCC pode sempre ser aplicado em qualquer seção do duto.
- Condição de carregamento controlado (Load Controlled Condition);
Aplicável a seções do duto sujeitas a momento fletor, força axial e pressão interna excessiva, que devem ser projetadas de modo a satisfazer as seguintes condições em todas as secções transversais:
1 2 2 2 2 2 2 t p p p t S p S t M M b c e i p p c i Sd SC m p c Sd SC m
(10)
1 , ' ' 2 2 2 2 2 2 t p p p t p S t M b c e i p c i Sd SC m c Sd SC m
(11)
D
t
t
f
t
S
p(
)
y
(12)
D
t
t
f
t
M
p(
)
y
2
(13)
y u cf
f
1
(14)15
b e i c p p p 1 3 1 1
(15) Onde, 3 2 b e i p p p 3 2 b e i p p pe
0 90 / 60 5 . 0 2 t D
(16)
Onde, 60 /t2 D 60 / 15D t2 MSd momento fletor de projeto;
SSd força axial efetiva de projeto;
pi pressão interna atuante;
pe pressão externa atuante;
pb pressão de colapso devido à pressão interna (bursting);
Mp momento fletor para o regime plástico;
Sp força axial para o regime plástico;
c parâmetro de tensão de escoamento;
16
parâmetro utilizado no critério de carregamento combinado.
Seções do tubo sujeitas a momento fletor, força axial efetiva e excessiva pressão externa devem ser projetados para satisfazer a seguinte equação:
1 2 2 min 2 2 2 2 t p p p t S S t M M c e SC m p c Sd SC m p c Sd SC m
(17)
1 ' ' 2 2 min 2 2 2 2 t p p p t S t M c e SC m c Sd SC m c Sd SC m
(18) - Condição de deslocamentos controlados (Displacement Controlled Condition).Seções do tubo sujeitas à deformação compressiva longitudinal (momento fletor e força axial) e excesso de pressão interna devem ser projetadas para satisfazer as seguintes condições em todas as seções transversais:
e i e c Rd Sd D t p p p p t 2, min / 2 45,
(19) Onde,Sd deformação compressiva de projeto;
h gw b e e c t p p p D t p p t
min 51. min 0.78 0.01 1 5.75 , (20) Onde,c resistência característica de deformação devida a momento fletor;
17
Seções do tubo sujeitas à deformação compressiva longitudinal (momento fletor e força axial) e excesso de pressão externa devem ser projetadas para satisfazer as seguintes condições em todas as seções transversais:
e SC m c e c SdD
t
p
p
t
p
p
p
t
min 2 2 min 8 . 0 2,
45
/
1
0
,
(21)A presente norma não explicita claramente quando a utilização do DCC é permitida. De acordo com a nota guia da seção D 604, o contato entre o duto e os roletes do stinger configura um exemplo não muito claro de aplicação do Critério de Deslocamento Controlado. Em larga escala, a configuração do duto se ajusta aos roletes, e seu comportamento tende ao DCC. Em escala local, contudo, a flexão do duto na região entre os roletes é determinada pela interação entre peso e tração, sendo assim um caso de LCC. Todavia, o contato do duto com o último rolete do stinger será sempre uma condição de carregamento controlado.
Fica o projetista, pois, obrigado a realizar análises de sensibilidade mais acuradas de maneira a validar sua utilização. Contudo, isso se torna uma recomendação um pouco evasiva, sobretudo quando se trata da utilização deste critério na região de overbend, no caso de um lançamento em Steep S-Lay.
3.3 Critério Simplificado de Lançamento
Há, ainda, o critério simplificado aplicável à fase de instalação, que serve de parâmetro para balizar as análises de lançamento. Necessitando, contudo, da avaliação final através dos critérios combinados (Local Buckling Check). Neste critério, existe muita discussão a respeito dos limites de aceitabilidade, pois o nível de deformações despertadas na região de overbend, por exemplo, pode ser aceitável em um limite acima dos descriminados, pois parte-se do princípio que é uma região de curvatura controlada, justificando a utilização do Displacement
Controlled Condition.
Este critério basicamente determina o nível de deformações aceitável para cada região do duto durante à instalação em S-lay, quais sejam:
18
a) Região de OverbendNo overbend, este critério permite que o nível de deformações despertado no duto esteja de acordo com o Critério I presente na Tabela 1, quando da realização somente da análise estática. Para a avaliação das deformações devem ser considerados os efeitos de força axial, momento fletor e reação nos roletes.
Durante a análise dinâmica, o nível de deformações deve estar de acordo com o Critério II, considerando também fatores de concentração de tensões, tais como buckle arrestors, etc.
Tabela 1 – Critério Simplificado – DNV-OS-F101 [6].
Critério X70 X65 X60 X52
I 0,270% 0,250% 0,230% 0,205
II 0,325% 0,305% 0,290% 0,260%
b) Região de Sagbend
Na região do sagbend, basicamente é definida uma tensão admissível, dentro da qual o duto não estará suscetível a falhas, como segue:
y eq
87
0
.
f
(22) Onde, eq tensão admissível;19
4 Método Steep S-Lay: S-lay em Águas Profundas
4.1 Introdução
As técnicas de S-lay convencional têm sido amplamente utilizadas por muitos anos para lançar dutos rígidos eficientemente. Baseam-se no principio básico de construir o duto em várias estações, onde a soldagem, o teste não destrutivo (NDT – Non-destructive Test) e o revestimento das juntas de campo podem ser realizados em paralelo, representando um processo de construção eficaz.
Após os processos de construção, o duto passa através dos tracionadores em direção ao
stinger localizado na popa da embarcação, controlando a configuração em “S” da geometria do
duto suspenso até o relevo marinho.
Conforme mencionado em [2], [3] e [9], muitas embarcações utilizadas para lançamento em S-lay desde a década de 70 perduram até os dias atuais, e têm sido aprimoradas com tecnologias, como processos automatizados de soldagem e teste não destrutivo, adequando-se cada vez mais ao lançamento de longas linhas rígidas. Tais embarcações podem ser posicionadas através de sistemas de ancoragem, que são adequadas usualmente até profundidade de 700 m, dependendo do diâmetro externo em questão, ou ainda através de sistemas de posicionamento dinâmico, que utiliza sistemas de propulsores redundantes de modo a garantir a posição estacionária da embarcação (
Figura 4
).Figura 4 - Embarcação Posicionada Dinâmicamente (Solitaire - Allseas)
A configuração formada entre o duto, durante sua passagem pela popa do navio de lançamento, e o relevo marinho denota o nível de carregamento despertado no tubo e, consequentemente, a viabilidade e integridade da operação de lançamento. Esta configuração pode ser dividida em duas seções principais, overbend e sagbend.
20
Região de overbend: região onde o duto encontra-se totalmente suportado pela estrutura do stinger. A geometria e curvatura da linha são completamente controladas, com exceção feita ao último rolete do stinger (Tip Roller), e definidas pela posição dos roletes de suportação ao longo da rampa / stinger. A geometria controla as deformações experimentadas pelo duto nesta região. O ângulo de saída do duto quando este deixa o stinger é um parâmetro crítico no que diz respeito ao controle das cargas no duto, ângulo que é influenciado diretamente pela tração atuante no duto e que controla a posição do ponto de inflexão entre as regiões de overbend e
sagbend.
Região de sagbend: região de vão livre que se estende desde o último rolete do stinger até o ponto onde o duto toca o solo (TDP ou touchdown point).
4.1.1 Características do Método Steep S-Lay
O lançamento através do método S-lay em águas profundas, ou Steep S-Lay, apresenta algumas diferenças do lançamento dito convencional, podendo ser definido por, basicamente, três parâmetros, quais sejam:
Profundidades de 1000 m a 3000 m
Necessidade de altos valores de tração nos tracionadores; Alto nível de deformação do duto na região de overbend;
Em termos simples, o método denominado Steep S-Lay apresenta as mesmas características do método convencional S-lay, no que tange à construção e fabricação da linha rígida. A principal diferença reside na configuração adotada da rampa, de maneira a obter-se maior verticalização na saída do stinger, conforme apresentado na Figura 5.
21
Figura 5 - Método Steep S-Lay – Configuração de lançamento.
Por razões econômicas, o lançamento em Steep S-Lay é preferido ao método J-Lay por reduzir o tempo de operação. Outra vantagem da utilização deste método está em impactar muito menos no sistema de posicionamento dinâmico da embarcação, pois com a verticalização reduz-se a tração de fundo (bottom tension), que governa a tração necessária na embarcação para a manutenção da posição.
Contudo, em águas ultra profundas, o S-lay necessita de uma curvatura elevada na região do stinger de maneira a adquirir um ângulo de saída próximo da vertical, o que pode gerar deformações plásticas nas paredes do duto. Neste caso, o duto apresenta uma curvatura residual na saída da região do overbend, o que pode influenciar tanto na fase de instalação (como rotação no duto, por exemplo) como no caso do duto assente sobre o leito marinho (efeitos de lateral buckling).
A instalação de dutos rígidos submarinos em grandes profundidades apresenta, ainda, outros desafios, sobretudo no que tange a ocorrência de elevados valores de flexão e tração durante o lançamento da linha rígida. Além disto, esta modalidade de lançamento denota alguns aspectos importantes, como variação da tração nominal, alagamento do duto, etc.
Percebe-se, hoje, a necessidade de se estudar criteriosamente o assunto, abrindo mão de alguns conservadorismos, garantindo, contudo a mesma segurança e controle dos parâmetros (especialmente a tração e nível de deformações no overbend) existente no lançamento convencional.
22
4.1.2 Considerações sobre Lançamento em Águas Profundas
De acordo com o explicitado no item anterior, o lançamento em grandes lâminas d’água pode ser definido por uma faixa de profundidades. No entanto, esta limitação pode ser uma problemática no que se refere à modalidade de lançamento. Na verdade, a instalação em águas profundas demanda requisitos específicos (tração, flexão, etc.) diretamente ligados às características do duto e aos equipamentos presentes na embarcação.
Em outras palavras, dependendo dos equipamentos do navio de lançamento (capacidades do tracionador, stinger, etc.) e das propriedades da linha em questão (peso submerso, rigidez, etc.), um lançamento em 500 metros de profundidade, pode apresentar um comportamento similar ao de uma instalação em águas profundas.
O método de lançamento S-lay oferece vantagens econômicas, pois permite um grande número de estações de trabalho para soldagem e revestimento, o que configura maior produtividade nas operações. Todavia, em águas profundas, o método S-lay requer maior capacidade dos equipamentos (tracionadores, por exemplo) para manter o duto suspenso e comprimento de stinger suficiente para obtenção de um ângulo de saída adequado ao duto.
O lançamento é governado, basicamente, por três parâmetros, quais sejam: o ângulo de saída do duto no stinger, o raio de curvatura do stinger e a tração no fundo. Estes parâmetros irão ditar as condições nas regiões descritas acima. O raio de curvatura na região de sagbend perto do TDP é controlado pela tração de fundo. As deformações no overbend são controladas pelo raio do stinger e as tensões no ponto de inflexão são governadas pelo ângulo de saída.
Quando consideradas as diferenças entre águas rasas e profundas, no que se refere ao lançamento em S-lay, o ângulo de saída é o parâmetro que representa a maior influência sobre os carregamentos sobre o tubo, assim como sobre a estrutura do stinger. Em um lançamento convencional, em lâminas d’água rasas, este ângulo em questão permanece na ordem de 30° com a horizontal, conforme [1] e [3]. Com o aumento da profundidade, obviamente o ângulo de saída deve ser aumentado, de maneira a manter a tração dentro dos limites da embarcação, até que o mesmo alcance valores próximos a 90°, sendo aplicável a águas profundas (Steep S-Lay).
De maneira a manter o raio da rampa dentro de uma faixa, onde possa ser configurado, deve ser empregado maior foco na deformação admissível na região de overbend. Isto permite aliar as vantagens do método J-Lay em águas profundas com a alta produtividade do S-lay convencional, embora para otimizar o raio da rampa seja fundamental que os limites de deformações sejam revisitados. O comportamento do duto submetido a altos níveis de deformação representa a base da discussão que pretende ser apresentada neste trabalho.
23
levando em conta o risco, o monitoramento e os benefícios agregados. Do ponto de vista das deformações admissíveis, para grandes profundidades a região de sagbend não é considerada critica. Já para a região da rampa/stinger, onde a curvatura é controlada, os critérios existentes devem ser reestudados, de maneira a diminuir o conservadorismo adotado em normas atuais e ampliar a competitividade entre as embarcações para a execução de projetos.
Outro potencial impacto se refere à fadiga na seção posterior ao stinger devida aos carregamentos dinâmicos ocorridos durante o lançamento. Muito embora este parâmetro não se apresente tão crítico em águas profundas quando comparado ao lançamento em águas rasas, devido à possibilidade maior de excursão e à maior flexibilidade do duto.
Devido ao longo vão livre formado pelo trecho do duto suspenso, dutos instalados em águas profundas, por definição, requerem altos níveis de tração. Conforme mencionado anteriormente, o ângulo de saída do stinger é da ordem de 90°, como resultado, de modo a evitar a necessidade de longos comprimentos de stinger e consequentemente de grandes embarcações, se faz necessária a redução do raio da rampa. Com o objetivo de obter um comprimento ótimo do stinger e possibilitar seu uso no método S-lay em grandes lâminas d’água, há que se estenderem os limites admissíveis de deformação na região da rampa além dos usuais 0,25% [3].
Conforme apresentado na referencia [3], o Estado Limite Último de Deformação para o aço é da ordem de 20% e, durante a operação de enrolamento no carretel de um navio Reel-Lay, por exemplo, essas deformações chegam a 2,0%. Consequentemente, o incremento de deformação no overbend além de 0,2% (Regime Elástico) não causará problemas à integridade do duto. Contudo o nível de deformação, por si só, não é o único parâmetro limitante, é necessário considerar os efeitos que este aumento dos níveis de deformação pode ter sobre outros aspectos do duto, quais sejam:
Ovalização;
Impacto do aumento da deformação no tamanho dos defeitos nas soldas; Impacto do aumento da deformação no crescimento das fraturas à fadiga; Curvatura residual.
24
4.1.3 Ovalização
A influência da ovalização do duto deve ser considerada sempre que as análises de lançamento em Steep S-Lay indicarem altos valores de deformações longitudinais devido à flexão na região do stinger. Análises localizadas através do Método dos Elementos Finitos também devem ser provisionadas para contemplar tal efeito.
Fenômeno comumente observado quando um duto é submetido à flexão, onde se inicia um processo de ovalização, cuja magnitude depende diretamente do nível de deformação à flexão e do nível de ovalização inicial. Abaixo são apresentadas duas relações empíricas que corealacionam a ovalização e a deformação de flexão, ambas extraídas da referencia [3]:
75 . 1 0
24
.
0
e
t
D
b
(23)
2 0375
.
0
e
t
D
b
(24)
Onde, b ovalização calculada; D diâmetro do tubo; t espessura do tubo;e0 deformação inicial imediatamente anterior a deformação de flexão aplicada.
Considerando um tubo de razão típica D/t igual a 20, submetido a uma deformação de flexão de 0,5%, pode estimar-se por meio das equações acima as ovalizações são:
%
43
.
0
1
b
%
375
.
0
1
b
Embora a abordagem acima seja empírica e as formulações difiram entre si, a partir dos resultados pode-se verificar que ambos os valores encontram-se bem abaixo do limite de ovalização aceitável pela DNV-OS-F101 [6] (3%), ainda que tenha sido considerada uma
25
deformação de 0.5%. Consequentemente pode-se inferir que o fenômeno da ovalização não se apresenta como restrição significativa ao incremento do nível de deformações na região de
overbend. Tais resultados não eliminam, ainda, análises mais rigorosas, como modelos em
elementos de casca, sobretudo para a região do overbend.
4.1.4 Impacto do aumento da deformação no tamanho dos defeitos nas soldas
O aumento da deformação na região de overbend acarreta por sua vez um acréscimo de carregamento localizado na região da solda, que pode potencialmente resultar em crescimento de defeitos presentes nas soldas. Embora, na realidade, este fenômeno não é considerado um problema quando o crescimento dos defeitos são acessados através da abordagem da mecânica da fratura utilizada no ECA (Engineering Critical Assessment), onde o nível de tensões é muito distante das tensões observadas na rampa durante a instalação.
Adicionalmente, testes realizados para avaliação do crescimento de falhas durante operações de enrolamento no carretel (reeling), onde as deformações chegam a 2%, não apresentaram problemas com relação a este fenômeno. Assim, pode-se concluir que o incremento de deformações no overbend durante o lançamento em S-lay não aumenta substancialmente o tamanho das falhas nas soldas.
4.1.5 Impacto do aumento da deformação no crescimento das fraturas à fadiga
O crescimento de fraturas devidas à fadiga é governado, prioritariamente, pela magnitude e frequência dos ciclos de tensão experimentados pelas soldas do duto durante sua fase operacional. A tensão residual nestas áreas (juntas de campo) é muito grande e não são influenciadas pela curvatura aplicada durante o processo de lançamento. Como resultado se pode observar que o efeito do aumento do nível de deformações na rampa é desprezível no crescimento de trincas à fadiga.
4.1.6 Curvatura residual
Durante o processo de enrolamento no carretel (Método Reel-Lay), o duto é deformado plasticamente com níveis de deformação na ordem de 2%, sem afetar a integridade do duto, contudo confere ao tubo uma significativa curvatura residual que precisa ser removida. Isto se dá através da aplicação de uma deformação no sentido oposto, por meio de um processo de retificação realizado antes do duto chegar ao tracionador, bem como à rampa.
26
No método S-lay não é possível realizar nenhum tipo de retificação no duto após este deixar o stinger. Então, a curvatura e deformação residuais no duto, resultantes do incremento de deformação na rampa, são fatores potencialmente limitantes à máxima deformação admissível para o duto nesta região.
Em normas como API 5L [8], está preconizado que o desvio total da configuração retilínea deve ser inferior a 0,2% do comprimento do duto. O raio médio de curvatura correspondente a este desvio é também dependente do comprimento “L” do duto considerado. Através desta especificação, um desvio de 0,002L corresponde a um raio de curvatura admissível de 62,5L. Por exemplo, utilizando-a para um tubo de 5 m (comumente utilizado no processo de verificação do enrolamento do duto) o raio de curvatura residual é de 312 m. Conforme descrito por PERINET & FRAZER [3], tal curvatura induz a deformação de 0,05% para um duto de 12 polegadas e 0,073% para um duto de 18 polegadas. Considerando o aumento da máxima deformação na região de overbend de 0,2% para 0,35% acarreta um efeito significativo sobre as dimensões do stinger, bem como resultará em uma deformação residual de apenas 0,1%. Para tal, avaliações mais detalhadas são de necessárias, contudo observa-se, através das simplificações apresentadas, um grande ganho, por exemplo, na utilização de stingers de menor dimensão, em pequeno detrimento do nível de deformações no overbend.
Considerando a ovalização admissível comumente utilizada nas operações de reeling, o nível de deformação residual apresentado acima é considerado aceitável. Adicionalmente, deformações da ordem de 0,5% não representam risco no que se refere à integridade do duto.
Pode-se, assim, concluir que o incremento de deformações a níveis próximos a 0,35% pode ser realizado sem detrimento ou efeitos negativos ao lançamento do duto. A magnitude da curvatura residual na linha rígida, como consequência do patamar de deformação experimentado no overbend pode apresentar influência nos seguintes parâmetros:
Ângulo de saída do stinger; Configuração do sagbend;
Rotação do duto durante a instalação; Abandono do duto no relevo marinho;
27
4.2 Monitoramento
A deformação admissível está diretamente ligada a acurácia e viabilidade do sistema de monitoramento do lançamento. Por exemplo, em águas rasas o monitoramento pode ser realizado pelo tracionador, que é utilizado tanto como controle e operador ativo da instalação. Já em águas profundas o monitoramento é realizado através da geometria, em particular pelas distancias de contato entre o duto e os roletes do stinger.
4.3 Evolução da deformação
A flexão na região do overbend fará com que os níveis de tensão-deformação no tubo aumentem para acima do regime linear elástico. Consequentemente, na extremidade da seção do
overbend, o tubo sofrerá uma deformação residual. Esta deformação residual, por si só, não é
crítica, no entanto, é importante manter a curvatura do tubo dentro de limites aceitáveis. De acordo com [3], o limite de deformação aceitável não é perfeitamente definido, mas, considerando casos diversos, uma curvatura residual de raio igual a um diâmetro de tubo de 250 D a 500 D é considerada aceitável.
Figura 6 - Comportamento elasto-plástico do aço.
A estimativa da deformação residual é baseada no comportamento elasto-plástico do aço, conforme mostrado na Figura 6. A relação de tensão-deformação é linear com uma inclinação igual a E (módulo de elasticidade), com tensão permanecendo constante a um nível
28
igual à tensão do escoamento (Sy), e a deformação ao nível do escoamento dado pela equação
abaixo. Usando esta descrição da tensão-deformação, a relação com o raio de curvatura é apresentada na Figura 7 .
E
S
e
y
y(25)
Onde,ey deformação ao nível do escoamento do material;
Sy tensão de escoamento do material;
E módulo de elasticidade do material.
Supondo que a seção transversal do tubo permanecerá plana depois da deformação, tem-se:
29
Raio
Figura 7 – Diagramas de Tensão e Deformação de dutos submetidos à flexão.
Utilizando a suposição acima para o caso de flexão pura, isto é, sem contemplar o efeito da tração, a deformação residual é dada por:
)
(
0e
f
u
e
e
r
y
(26)
Onde,
)
(
)
cos(
2
2
)
(
u
sen
u
u
u
f
30
0arccos
e
e
u
y;
r
D
e
2
0;
r raio de curvatura do duto na seção solicitada.
Considera-se agora os diagramas de tensão e deformação residuais para o caso de flexão sem tração, como é ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Tensão e Deformação Residuais sem Tração.
Conforme mencionado anteriormente, para os valores de deformação analítica eo =
0,36% e residual er = 0,1%, o raio de curvatura residual encontrado é igual a 500 D, valor
aceitável de raio de curvatura na região de sagbend.
