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Sistemas Submarinos de Escoamento

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  1. Sistemas Submarinos de Escoamento

  2. Sistemas Submarinos de Escoamento • Um sistema de escoamento pode ser definido como um conjunto de equipamentos (dutos flexíveis, rígidos, PLET –Pipeline End Termination), cuja função principal é escoar fluidos de um ponto de partida até um ponto de chegada.

  3. Sistemas Submarinos de Escoamento 1)Dutos de coleta (de produção), gas-lift e injeção (normalmente, de água). • Dutos de cotela da produção (transportam o petróleo desde os poços produtores submarinos até a unidade estacionária de produção; • Dutos de gas lift (transportam gás natural (tratado na UEP) até os poços produtores submarinos; • Dutos de Injeção de água (transportam a água (tratada na UEP) até os poços injetores submarinos.

  4. Sistemas Submarinos de Escoamento 2)Dutos de Exportação • Dutos de exportação de óleo (oleodutos), que transportam óleo (tratado) desde a UEP até o ponto de recebimento (terminais oceânicos ou terrestres, por exemplo) • Dutos de exportação de gás (gasodutos), que transportam gás natural (tratado) desde a UEP até o ponto de recebimento.

  5. Sistemas Submarinos de Escoamento • De acordo com sua função, os dutos submarinos (offshore pipelines) podem ser classificados da seguinte forma: • Flowlines - transportam óleo e/ou gás dos poços até os manifolds; transportam óleo e/ou gás dos manifolds até a plataforma; transportam água e outras substâncias das plataformas de produção, através de manifolds de injeção, até a cabeça de poços de injeção; • Infield Flowlines - transportam óleo e/ou gás entre plataformas; • Export Pipelines - transportam óleo e/ou gás das plataformas de produção até a costa.

  6. Sistemas Submarinos de Escoamento • O trecho do duto que fica suspenso é denominado de riser e o trecho que fica em contato com o solo marinho é denominado de duto submarino (pipeline, flowline).

  7. Sistemas Submarinos de Escoamento • Um sistema marítimo de escoamento pode ser classificado com base no tipo de duto que o compõe: • Sistema de escoamento de dutos flexíveis. • Sistema de escoamento de dutos rígidos. • Sistema misto (trechos de dutos rígidos e flexíveis.

  8. Sistemas Submarinos de Escoamento • Riser é o trecho do duto que conecta a UEP a um equipamento a meia-água ou no fundo, inclusive um tramo flowline. Nas UEPs, as estruturas do tipo riser ficam suspensas, em configurações de catenária (catenária-livre ou variações).

  9. Risers Rígidos • São tubos de aço formados por uma série de juntas de aproximadamente 12 metros de comprimento, acopladas umas às outras, geralmente unidos por solda de topo. Pode estar envolvido por flutuadores para diminuir o seu peso, quando em lâminas d’água profundas.

  10. Riser Flexível • Os risers flexíveis são mangotes especiais compostos por uma superposição de camadas plásticas, que fornecem estanqueidade interna e externa, e de camadas metálicas espiraladas, responsáveis pela resistência à ação dos diversos carregamentos mecânicos aos quais as linhas flexíveis estão submetidas ao longo da sua vida útil. Sua principal característica é a baixa rigidez à flexão.

  11. Riser Flexível

  12. Funções de cada camada: • Camada metálica de resistência à pressão externa -1; • Camada plástica de vedação interna - 2 - responsável pela contenção do fluido interno; • Camada metálica de resistência à pressão interna - 3; • Camada plástica de proteção anti-abrasiva entre camadas metálicas - 4; • Camadas metálicas de resistência à tração 5 e 6; • Camada plástica externa de proteção - 7;

  13. Riser Flexível • As informações da estrutura de um tramo flexível são apresentadas, pelos fabricantes, na folha de dados (Data Sheet). Tal documento contém dados sobre: • A estrutura em si, como por exemplo, resistência ao colapso hidrostático, resistência à pressão interna, rigidez à flexão, raio de curvatura mínimo para estocagem, pesos cheio e vazio (na água, e no ar).

  14. Configurações dos Sistemas Instalados • Para os dois tipos básicos de “risers” existentes, sejam os rígidos ou os flexíveis, existem uma variedade de configurações de instalação. • As configurações mais comuns para linhas flexíveis são: a catenária livre, a “lazy” S, a“steep” S, a “lazy wave”, a “steep wave” e a “pliant wave. • Entre as configurações citadas anteriormente apenas a catenária livre e a “lazy wave” se mostram viáveis para a utilização de SCR.

  15. Configuração em catenária Livre • Em geral, com o aumento da profundidade três problemas podem inviabilizar uma catenária: • Excesso de Tração no topo (pois todo o comprimento suspenso é sustentado pelo ponto de conexão); • Compressão Dinâmica (relacionada a ocorrência de flambagem); • Baixa vida útil devido à fadiga (principalmente na região do topo e no TDP).

  16. Lazy S Lazy Wave A configuração S utiliza bóias de subsuperfície e um tensionador sustentando a bóia fixo no leito do mar. A configuração “Wave” utiliza módulos de flutuação distribuídos ao longo da linha.

  17. Steep S Steep Wave Esta configuração é composta de uma catenária e um trecho reto. A configuração “Steep” se mostra ainda melhor do que a “Lazy”, pois não apresenta o problema do TDP. São recomendadas para situações em que existe um espaço muito pequeno para o segmento apoiado.

  18. Pliant Wave Um tendão fixa o tubo próximo ao solo, com a função de diminuir o movimento lateral e evitar que esforços sejam transferidos a extremidade. Esta configuração é normalmente utilizada quando o espaço disponível no campo é pequeno ou existe o perigo de que ocorra choque entre risers e umbilicais.

  19. Características: • Estas configurações apresentam uma seção intermediária que passa por um arco com flutuadores, cujo empuxo, alivia o peso suportado pelo sistema flutuante, e contribui com o momento restaurador quando sob solicitações laterais.

  20. As principais vantagens em se utilizar os SCRs em águas profundas são: • Possível utilização para uma grande série de diâmetros; • Opera com grandes variedades de pressões internas; • Possível utilização para altas temperaturas; • Bom conhecimento sobre as características e comportamento dos materiais utilizados; • Múltiplos SCRs contribuem para a rigidez na amarração.

  21. As principais preocupações relativas à aplicação do SCR em águas profundasincluem: • A tecnologia ser relativamente nova; • O método de instalação ser crítico; • Possibilidade de fadiga no duto e seus acessórios; • O custo alto de mobilização da embarcação de instalação.

  22. Comparação entre Risers Rígidos e Flexíveis

  23. Comparação entre Risers Rígidos e Flexíveis

  24. Comparação entre Risers Rígidos e Flexíveis

  25. Acessórios Utilizados nas Linhas RígidasJuntas Flexíveis (Flex Joint) • Sua função principal é o de prover rigidez flexional à extremidade da linha onde está conectada, permitindo um certo grau de liberdade de rotação. Reduz drasticamente as tensões induzidas por movimentos relativos entre a unidade flutuante e o “riser”.

  26. Acessórios Utilizados nas Linhas Flexíveis • Na conexão com o topo da plataforma, são comumente empregados os bend stiffeners, ou enrijecedores de curvatura. Este acessório permite a transição suave de rigidez entre o riser flexível e o ponto de conexão. São colocados como proteção contra flexão excessiva. O bend stiffener consiste em uma seção cônica de material polimérico (normalmente poliuretano termoplástico poliéster).

  27. Concepções de Sistemas Híbridos de Risers • Single Leg Hibrid Riser (SLHR) • Riser Híbrido Auto Sustentável (RHAS) • Risers com bóia de Subsuperfície – Boião

  28. Single Leg Hibrid Riser (SLHR) • Este sistema misto consiste de uma base fixa na fundação que realiza a conexão entre a linha de fundo, e um riser de aço vertical, composto de juntas de riser; uma bóia e um conjunto gooseneck que interconecta o riser, o jumper flexível e a bóia, localizada abaixo da superfície.

  29. Single Leg Hibrid Riser (SLHR) • O conjunto gooseneck consiste de todos os componentes compreendidos entre o topo dos tanques de flutuação e a junta de reforço superior do riser de aço, e realiza a interface com o jumper flexível, conectando o riser de aço à unidade flutuante. O conjunto de estrutura de aço contêm uma curvatura para que o fluido que sobe verticalmente, saia do riser de aço e passe para a linha flexível.

  30. Vantagens do Sistema • Uma vantagem técnica e operacional deste sistema é que a bóia e grande parte do riser vertical não sofrem efeitos relevantes da onda próximas à superfície da água, diminuindo assim, os riscos de ruptura por fadiga no componente rígido. Por outro lado, o uso de riser rígido em grande parte da profundidade mostra-se mais vantajoso em termos econômicos do que utilizar um riser flexível.

  31. Riser Híbrido Auto Sustentável - RHAS • Neste sistema se tem um riser rígido que se estende desde o fundo do mar até 100 m abaixo do nível da água, sendo que a conexão do transporte de fluidos à unidade de produção flutuante é feita através de linhas flexíveis ligadas à um tanque que permite a auto-sustentação do riser vertical.

  32. Risers Híbridos de Produção • Os projetos das estruturas, instaladas na parte superior, independem da crescente lâmina d’água (LDA). • Os projetos das estruturas, instaladas na parte inferior, independem da ação direta das ondas. Portanto, diz que as extremidades do duto estão desacopladas, isto é, que os movimentos impostos em uma extremidade não são trasmitidos diretamente ao longo do duto para a outra.

  33. RHAS-Riser Híbrido Auto Sustentável de Exportação da P-52 • Benefício: viabilização de risers de grande diâmetro em águas ultra-profundas, redução de cargas na UEP  Desacoplamento do Riser da plataforma • Possibilidade de instalação do sistema submarino e dos risers antes da chegada da plataforma.

  34. Risers Híbridos de Produção: Riser Tower • Constitue na aplicação de um bundle rígido para risers acoplados no leito marinho através de uma fundação de alta resistência de carga vertical e fadiga e mantidos verticalizados por meio da carga de empuxo dos flutuadores instalados ao longo de sua extensão ou de um único flutuador instalado na extremidade do riser. • Normalmente sua extremidade superior fica a 100 m de profundidade da superfície do mar.

  35. Risers Híbridos de Produção:Riser Tower Riser Tower Girassol (Angola) O bundle rígido ou de aço permite a montagem em um único tubo condutor dos dutos que compõem determinada interligação submarina Simplificando-se o tempo de instalação das linhas e proporcionando um isolamento melhor das linhas de fluxo, porém deve-se avaliar se existem canteiros disponíveis para a fabricação e montagem do bundle rígido e embarcações capazes de operar este tipo de duto.

  36. Risers com Bóia de Subsuperfície - Boião • O sistema consiste de uma grande bóia submersa, ancorada abaixo da superfície, suportando risers de aço em catenária (SCR’s) entre o fundo do mar e a bóia, e jumpers flexíveis conectando os SCR’s à unidade flutuante. A bóia deste sistema é ancorada no fundo do mar por quatro tendões e estacas de fundação adequadas.

  37. Risers com bóia de Subsuperfície - Boião

  38. Risers com Bóia de Subsuperfície - Boião • Este sistema resolve os principais problemas encontrados na utilização de um único tipo de riser em águas profundas(necessidade de maiores diâmetros para linhas flexíveis, o que inviabiliza o transporte e produção; e para os risers rígidos em catenária (SCR), presença de esforços concentrados na região de topo e em contato com o solo.

  39. Risers com Bóia de Subsuperfície - Boião • Benefício: • Viabilização de risers de grande diâmetro em águas ultra-profundas, • Redução de cargas na UEP  Desacoplamento do Riser da plataforma • Possibilidade de instalação do sistema submarino e dos risers antes da chegada da plataforma possibilitando assim um ganho no prazo de interligação dos poços a UEP e consequentemente a antecipaçao da produção do campo.

  40. Sistemas Híbridos de Risers • O comportamento destes sistemas nas condições reais em que ele opera pode ser estudado através de simulações numéricas. • O comportamento do sistema também pode ser estimado e previsto utilizando-se testes experimentais em tanques de prova com modelos reduzidos. Tais experimentos usualmente exigem grandes investimentos para a sua realização.

  41. Modelo Desacoplado • O estado da arte atual de análise e projeto de unidades flutuantes ancoradas baseia-se no uso de programas que compõem um procedimento de análise desacoplada que trata os movimentos do casco da unidade flutuante separadamente do comportamento estrutural dinâmico não-linear das linhas de ancoragem e risers. Com isso, os efeitos não-lineares devidos à interação do comportamento hidrodinâmico do casco com o comportamento estrutural e hidrodinâmico das linhas e risers não são considerados. Este procedimento desacoplado consiste em empregar a seguinte seqüência de análises: • 1. Em uma etapa inicial, programas como o ARIANE e DYNASIM efetuam a análise de movimentos do casco; nesta análise as linhas são representadas por um modelo simplificado composto por coeficientes escalares de massa, rigidez, amortecimento e carregamento, que são introduzidos na equação de movimento do flutuante. Os valores para estes coeficientes devem ser estimados, ou calibrados através de ensaios experimentais (por exemplo, um“decay test” que fornece coeficientes de massa adicionada e amortecimento). • 2. Em uma etapa posterior, os movimentos que resultam da análise do casco são fornecidos como dados de entrada para programas como o ANFLEX e o ORCAFLEX que são empregados para a análise e o projeto estrutural derisers isoladamente, agora representado por um modelo de elementos finitos.

  42. Análise Desacoplada

  43. Procedimento para a Análise de “riser” Rígido • Identificar todas as variáveis de projeto; • Verificar a possibilidade de colapso hidrostático na linha; • Verificar a possibilidade de propagação de trinca no “riser”; • A partir das verificações anteriores, definir a espessura final da parede do “riser”; • Uma vez definida a espessura da parede do “riser”, selecionar os modos de carregamentos a serem avaliados; • Definir as condições ambientais da região de operação e os movimentos da unidade através de seus RAOS; • Realizar as análises pertinentes aos componentes que formam o “risers”.

  44. Análises de Risers • Na análise estática, São aplicados incrementalmente deslocamentos prescritos no topo dos risers (em termos do percentual da lâmina d’água) e um perfil de correnteza. • Na análise dinâmica São acrescentados os movimentos prescritos devido à ação da onda no casco (regular ou irregular) e a onda atuando diretamente sobre o riser. Os movimentos gerados pela onda podem ser interpolados a partir de RAO’s ou fornecidos como um time-history do movimento da embarcação. RAO (Response Amplitude Operator) É a resposta da embarcação sob a ação de uma onda de amplitude unitária, em termos da amplitude de cada grau de Liberdade dos movimentos, para as várias direções de Incidência da onda sobre o casco e para várias frequências.

  45. Projeto de Risers • No procedimento atual para o projeto de risers, definem-se situações de carregamento Near, Far, Cross e Transverse. Para cada uma destas situações, a resposta dinâmica no domínio do tempo é determinada através da seguinte seqüência de análises: • Inicialmente, efetua-se uma análise não-linear estática para a determinação da configuração de equilíbrio, sob ação das parcelas estáticas do carregamento:peso próprio, correnteza, pré-tração e offset estático da embarcação (determinados na análise da ancoragem). Para a situação Far, o offset estático da embarcação e a correnteza são aplicados de modo a afastar o nó do topo do ponto da âncora. Para a situação Near, este carregamento é aplicado no sentido inverso, de modo a aproximar o nó do topo do ponto da âncora. Para a situação Cross, o carregamento é aplicado na direção perpendicular ao plano da linha. Para a situação Transverse, o carregamento é aplicado a 45 graus do plano da linha. • Em seguida, a partir da configuração estática, é feita uma análise não-linear dinâmica no domínio do tempo, que se inicia a partir dos resultados obtidos no último passo da análise estática. Esta análise inclui todas as parcelas estáticas do carregamento e acrescenta as parcelas dinâmicas, aplicadas no sentido apropriado, de acordo com a situação Near, Far, Cross ou Transverse: a onda atuando diretamente sobre os risers e as parcelas dinâmicas do movimento da embarcação. Ressalva-se neste procedimento, que os offsets estáticos e dinâmicos são obtidos como resultado da análise do sistema de ancoragem em diferentes situações, por exemplo, situação intacta ou danificada(com uma ou duas linhas rompidas).

  46. Ilustração da Alteração na Linha Elástica de um Riser Devida à Corrente e ao Offset da PLataforma

  47. Incidência dos Carregamentos

  48. Direção das condições ambientais

  49. Condições de Carregamento As condições de carregamento consideram combinações de condições extremas, de forma semelhante ao adotado no projeto do sistema de ancoragem: • Condição Acidental A Onda Centenária e Corrente Decenária. Onda Decenária e Corrente Centenária. • Condição Operacional Onda e Corrente Anuais. Quanto maior o período de retorno mais rigorosa a condição ambiental a ele associada.