avaliação flambagem local verif colapso lançamento dutos rígidos submarinos

7/25/2019 Avaliao Flambagem Local Verif Colapso Lanamento Dutos Rgidos Submarinos

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAO TECNOLGICACELSO SUCKOW DA FONSECA CEFET/RJ

Avaliao da flambagem local e verificao docolapso no lanamento de dutos rgidos submarinos

Daniel Fabio SettiLuis Felipe Gomes Barbosa

Thais Abraho Lucas da Silva

Projeto final apresentado em cumprimento snormas do Departamento de Educao Superior

do CEFET/RJ, como parte dos requisitos para obtenodo ttulo de Bacharel em Engenharia Industrial Mecnica

Prof. Orientador: Paulo Pedro Kenedi

Rio de JaneiroMaio de 2014


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DEDICATRIA

Dedicamos este projeto aos nossos pais por sempre acreditarem em nosso potencial. E por

terem nos apoiado nos momentos mais difceis da vida.


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AGRADECIMENTOS

Agradecemos o apoio, confiana e total suporte dos nossos pais e familiares durante o curso e

essencialmente durante a elaborao do projeto.

Agradecemos ao nosso orientador por todo o tempo e ateno dedicados ns durante o

desenvolvimento do projeto.

Agradecemos aos engenheiros mecnicos Marcelo Hertz e Fabiana Mayworm sempre

dispostos a nos ajudar quando solicitados.

Agradecemos a instituio CEFET-RJ pela estrutura e aos professores pelo conhecimento

adquirido ao longo do curso.


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RESUMO

O rpido crescimento da indstria de leo e gs e a descoberta do Pr-Sal no Brasil tem

resultado em novas pesquisas para superar os desafios tecnolgicos da extrao de leo e gsem guas ultraprofundas. Para estes ambientes severos a melhor alternativa utilizar dutos

rgidos, pois estes possuem estrutura simples que reduzem o custo de fabricao e possuem

maior resitncia falha em guas ultraprofundas. Este projeto prope a verificao de

flambagem local e colapso de um duto rgido com especificao DNV LSAW 450 durante a

fase de instalao em guas ultra profundas pelo mtodo S-Lay.Este clculo ser realizado de

acordo com a norma DNV-OS-F101. Os resultados obtidos pela norma sero comparados

com o modelo analtico proposto com base na mecnica dos slidos, relacionando fora e

deslocamento.

Palavras Chave: Dutos rgidos, Flambagem local, Colapso.


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ABSTRACT

The fast growth of the oil industry and the discovery of the pre salt fields in Brazil have been

resulting in new approaches to overcome the technological challenges of oil extraction atseveral thousand meters of water depth. In such a harsh environment, the best alternative is

the rigid pipeline utilization, because it has a simple structure which reduces the

manufacturing cost and has a higher resistance to failure in ultra-deep waters. This project

proposes a verification of local buckling and collapse of a rigid pipeline, with specification

DNV LSAW 450, during the installation phase in ultra-deep water by the S-Lay method. It

will be calculated according to DNV-OS-F101 standard. The standards results have been

compared with the proposed mechanics of solids analytical models, which relate forces anddisplacements.

Keywords: Rigid pipeline, Local Buckling, Collapse


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SUMRIO1.Introduo ................................................................................................................................ 1

1.1 Motivao e Justificativa .................................................................................................. 21.2 Objetivos ........................................................................................................................... 21.3 Metodologia e Trabalho Realizado................................................................................... 21.4 Organizao do Trabalho.................................................................................................. 3

2.Descrio dos mtodos de instalao ...................................................................................... 42.1 Mtodo de instalao por S-Lay....................................................................................... 4

2.1.1 Introduo ao Mtodo S-Lay..................................................................................... 42.1.2 Stinger........................................................................................................................ 5

2.2 Atividades durante a instalao de dutos rgidos pelo mtodo S-Lay. ............................. 6

2.2.1 Inicializao ............................................................................................................... 62.2.2 Procedimento de inicializao ................................................................................... 7

2.3 Mtodo de Instalao porJ-Lay....................................................................................... 92.4 Mtodo S-Laypara guas ultraprofundas ....................................................................... 102.5 Mtodo de instalao por "Reeling" ............................................................................... 112.6 Comparao entre os principais mtodos de lanamento ............................................... 14

3.Embarcaes de lanamento .................................................................................................. 153.1 EmbarcaoDeep Bluepara o mtodo deReeling eJ-lay............................................. 153.2 Embarcao FDS2 para os mtodosJ-lay eS-lay (opcional) ......................................... 163.3 EmbarcaoAllseas Solitairepara o mtodoS-lay........................................................ 173.4 Embarcaes tipo DLB (derrick lay barge) para o mtodoS-lay.................................. 193.5 Comparao entre os embarcaes e mtodos utilizados ............................................... 20

4.Duto Rgido Submarino ......................................................................................................... 214.1 Classificao da linha ..................................................................................................... 214.2 Processo de fabricao.................................................................................................... 22

4.2.1. Tubos com costura .................................................................................................. 224.2.2. Tubos sem costura .................................................................................................. 24

5.Modos de falha ...................................................................................................................... 25

5.1 Efeito Brazier .................................................................................................................. 25

5.2 Ruptura por presso interna ............................................................................................ 265.3 Fadiga ............................................................................................................................. 265.4 Flambagem Local ........................................................................................................... 26

5.4.1. Flambagem seca ..................................................................................................... 295.4.2. Flambagem molhada............................................................................................... 295.4.3 Bifurcao ................................................................................................................ 30

5.5 Colapso ........................................................................................................................... 316.Estudo de caso: A anlise do mtodo S-Laypara guas ultraprofundas ............................... 33

6.1 Anlise da Catenria ....................................................................................................... 336.1.1 Formulao do comprimento da catenria............................................................... 33

6.1.2 Parmetros envolvidos ............................................................................................. 34


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6.2. Clculo das solicitaes no duto .................................................................................... 366.2.1 Equilbrio Esttico ................................................................................................... 396.2.2 Anlise de Grficos para Trao Efetiva e Trao no Tensionador. ....................... 41

6.3.Clculo dos deslocamentos radiais ................................................................................. 436.3.1. Teorema de Castigliano .......................................................................................... 44

6.3.2. Mtodo da Superposio ........................................................................................ 466.3.3 Anlise de tenses pelo critrio de von Mises ......................................................... 476.3.2. Deslocamento radial e Ovalizao na seo transversal localizada no TDP .......... 506.3.3. Deslocamento radial e Ovalizao na seo transversal localizada no Tensionador.......................................................................................................................................... 53

7.Metodologia utilizada pela Norma DNV-OS-F101............................................................... 567.1 Flambagem Localizada ................................................................................................... 56

7.1.1 Colapso do sistema .................................................................................................. 56

7.1.2 Propagao de Colapso ............................................................................................ 58

7.2 Critrio de Carregamento Combinado ............................................................................ 597.2.1 Condio de carregamento controlado .................................................................... 59

7.3 Condio de deslocamento controlado ........................................................................... 617.4 Aplicao da norma para o modelo ................................................................................ 62

8.Concluso .............................................................................................................................. 64Referncias Bibliogrficas ........................................................................................................ 65ANEXOS .................................................................................................................................. 68ANEXO A: Equilbrio esttico

ANEXO B: Anlise de tenses no TDP

ANEXO C: Anlise de tenses no TensionadorANEXO D: Ovalizao no TDPANEXO E: Ovalizao no TensionadorANEXO F: Verificao do colapso e flambagem local pela DNV OS F101


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Esquema do lanamento do Mtodo S-Lay(modificado) [1]. .................................... 5

Figura 2: Balsa de apoio para transporte de tubos de 12 m [2]. ................................................. 5

Figura 3: Representao dostinger na embarcao (modificada) [3]. ....................................... 6

Figura 4: DMA iniciando lanamento [14]. ............................................................................... 7

Figura 5: Configurao para incio de instalao (modificada) [15]. ......................................... 7

Figura 6: Etapa de finalizao de lanamento (modificada) [15]. .............................................. 8

Figura 7: Esquema do lanamento do Mtodo J-Lay [4]. .......................................................... 9

Figura 8: Verticalizao na sada dostinger [5]. ...................................................................... 10

Figura 9: Base em terra (Spool base)[6]. .................................................................................. 11Figura 10: Atividade de bobinamento (spooling)[7]. ............................................................... 12

Figura 11: Embarcaes com carretel na horizontal [9]. .......................................................... 13

Figura 12: Embarcao com carretel na vertical [9]. ................................................................ 13Figura 13:Deep Blue(Technip) Vista real [10]. ...................................................................... 15

Figura 14: Embarcao FDS2 Saipem [11]. ............................................................................. 16

Figura 15: Torre de lanamento ajustvel [11]. ........................................................................ 17

Figura 16: EmbarcaoAllseas Solitaire[12]. ......................................................................... 18

Figura 17: EmbarcaoAllseas Solitairecomstinger [12]. ..................................................... 18

Figura 18: Tensionador da embarcaoAllseas Solitaire[12]. ................................................ 19

Figura 19: Embarcao DLB (Iroquois) Vista real [13]........................................................... 19

Figura 20: Duto rgido submarino [16]. ................................................................................... 21

Figura 21:Flowlinesconectados s terminaes fixas [17]. .................................................... 22

Figura 22: Desenho esquemtico do processo de fabricao UOE (modificado) [3]. ............. 23

Figura 23: Seo transversal do duto imperfeito aumentada [3]. ............................................. 23

Figura 24: Processo de fabricao de tubos por extruso (modificada) [3]. ............................ 24

Figura 25: Efeito Brazier [18]. ................................................................................................. 25

Figura 26: Flambagem Local [20]. ........................................................................................... 26Figura 27: Razo alta D/t [3]. ................................................................................................... 27Figura 28: Razo moderada D/t [3]. ......................................................................................... 27Figura 29: Razo baixa D/t [3]. ................................................................................................ 28

Figura 30: Modo de falha tipo diamante [18]. .......................................................................... 28

Figura 31: Modo de falha tipo barril [18]. ................................................................................ 29

Figura 32: Deslocamento radial de um duto submetido a presso externa no linear [3] ........ 30

Figura 33: Colapso no duto [3]. ................................................................................................ 31

Figura 34: Ponto de Bifurcao. [19] ....................................................................................... 32

Figura 35: Representao dos parmetros (modificada) [22]. .................................................. 35

Figura 36: Trao efetiva e peso aparente (modificada) [17]. .................................................. 37

Figura 37: Solicitaes atuantes no equilbrio esttico (modificado).[25] ............................... 39

Figura 38: Fora de reao dostinger(modificado) [3]. .......................................................... 40

Figura 39: Fora X Profundidade. ............................................................................................ 41

Figura 40: Fora X Profundidade da catenria. ........................................................................ 42Figura 41: Momento fletor X raio de curvatura ....................................................................... 43


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Figura 42: Fora pontual (P) e diagrama de equilbrio da seo transversal. ........................... 44Figura 43: Disposio das sapatas na seo transversal. .......................................................... 46Figura 44: Mtodo da superposio.......................................................................................... 47Figura 45: Fora Normal com relao ao ngulo. .................................................................... 48Figura 46: Momento fletor em relao ao ngulo .................................................................... 48

Figura 47: Tenso referente ao ngulo no quadrante. .............................................................. 49Figura 48: Comportamento do deslocamento em relao ao ngulo........................................ 51Figura 49: Simplificao das cargas no TDP. .......................................................................... 51Figura 50: Fora em relao ao deslocamento radial no ponto A. ........................................... 52Figura 51: Fora em relao ao deslocamento radial no ponto C. ........................................... 52Figura 52: Ovalizao - Dimetro mximo e mnimo [3]. ....................................................... 53Figura 53: Deslocamento radial em relao ao ngulo............................................................. 54


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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Aplicabilidade [1, 3, 8, 9]. ........................................................................................ 14

Tabela 2: Dados das embarcaes [10, 11, 12 , 13]. ................................................................ 20Tabela 3: Dados de projeto ....................................................................................................... 36Tabela 4: Resultados da anlise de tenses no Tensionador .................................................... 50Tabela 5: Resultado da anlise de tenses no TDP .................................................................. 50Tabela 6: Deslocamentos radiais e ovalizao no tensionador e no TDP. ............................... 55


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LISTA DE TERMOS E SMBOLOS

guas ultraprofundas (ultra deep water)- profundidades maiores ou iguais a 2000 m

S-Laymtodo de lanamento no qual o perfil do duto assemelha-se a um S

J-Lay- mtodo de lanamento no qual o perfil do duto assemelha-se a um J

Reeling- mtodo de lanamento com frabricao do duto em terra e enrolamento em um

carretel

Stinger- rampa de lanamento utilizada no mtodo S-Lay

J-Lay Tower- torre de lanamento utilizada no mtodoJ-Lay

Spool base- Base em terra utilizada para fabricao e bobinamento do duto no mtodoRelling

Overbend- regio de curvatura no duto na rampa de lanamento

Sagbend- regio de curvatura do duto na regio prxima ao ponto de contato com o solo

Touchdown Point(TDP)- Primeiro ponto de contato do duto com o leito marinho

Dinamic Positioning(DP)Posicionamento dinmico da embarcao

Dead Man Anchor(DMA)ncora utilizada para incio da fase de lanamento

Lay down- lanamento da segunda extremidade do duto

Joint - Tubos de 12 m de comprimento

Riser- duto posicionado verticalmente, ou em catenria, conectando o poo plataforma.

Flowlines - duto com a maior parte do seu comprimento apoiado no leito marinho, que se

conecta s unidades fixas ou aos risers

UOEProcesso de fabricao do duto

Efeito Brazier- Ovalizao devido flexo pura

Flambagem local (local buckling)Ovalizao excessiva da sesso transversal do duto


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Colapso (Collapse)Falha que inutiliza o duto sendo necessria sua troca

SMYSTenso de escoamento

SMTSTenso de resistncia

DNV LSAW 450Duto certificado pela DNV fabricado atravs de soldagem longitudinal e

com limite de escoamento de 450 MPa

Comprimento da catenria ngulo de inclinao dostingercom a horizontal Distncia do TDP at sada dostinger Distncia entre TDP e a embarcao Trao efetiva Peso submerso por unidade de comprimento

Peso aparente da catenria

RC- Raio de curvatura

Fora Normal de contato de uma sapata com o dutoSapataPonto de contato do duto com o tensionador

TensionadorEquipamento utilizado para manter a trao do duto. Possui a funo de manter

o formato da catenria

Deslocamento Radial da seo transversal Ovalizao


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Captulo 1

1.Introduo

As ltimas dcadas destacaram-se pela crescente atividade de explorao de petrleo e

gs no Brasil e no mundo. Os combustveis fsseis passaram a ser vistos como a principal

fonte de energia, tornando-se assim de grande importncia para o desenvolvimento

econmico e tecnolgico. O Brasil encontra-se em uma posio privilegiada com relao

oferta de petrleo e de gs natural.

Recentes descobertas na rea do pr-sal demandaro grandes quantidades de recursos

financeiros, humanos e tecnolgicos e devero levar o Brasil a sua auto-suficincia na

produo desses combustveis e conduzir o pas a uma posio relevante como exportador no

mercado internacional.

A descoberta da rea do Pr-Sal vem ratificar o Brasil como pas explorador de

combustveis fsseis a grandes profundidades (ultra deep water) a qual nos leva a constantes

pesquisas e desenvolvimentos de novas tcnicas a fim de aperfeioar a explorao final desses

produtos.

Dentro deste contexto no qual tecnologias inovadoras so aplicadas, destaca-se a

necessidade de embarcaes de instalao de dutos rgidos cada vez maiores, a fim de

conseguir vencer as barreiras impostas pelas grandes profundidades existentes.

O Brasil dever demandar a instalao de 8 mil km de dutos submarinos em guas

ultraprofundas entre 2012 e 2017. O volume representar 19% da demanda global projetadapara o perodo. A previso faz parte de um estudo de mercado produzido pela consultoria

norte-americana Quest Offshore, especializada na rea de leo e gs. A instalao destes dutos

submarinos aumentar a malha dutoviria nacional.

Segundo o plano de negcios da Petrobras (petrolfera detentora da maior parte do

mercado de explorao e produo de combustveis fsseis do pas), at 2017, sero

produzidos diariamente mais de 1 milho de barris de petrleo s no Pr-Sal. Para atingir essa

meta, o Plano de Negcios e Gesto 2013-2017 foca na rea de Explorao e Produo.


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Conforme mencionado anteriormente, a instalao de dutos submarinos em guas

profundas envolve mtodos caros e de alta complexidade tecnolgica, requerendo

embarcaes especializadas com custo dirio elevado e anlises que garantem a integridade

estrutural do duto durante toda a vida til do projeto (instalao, testes e operao).

Estas avaliaes so feitas baseadas em dados oriundos da regio na qual esses dutos

sero instalados, bem como, baseados em normas internacionais e especificaes tcnicas

desenvolvidas para suprir a necessidade dessas avaliaes.

1.1 Motivao e Justificativa

Com base nas anlises a serem desenvolvidas para instalao desses dutos, destaca-se

a necessidade da anlise de falhas dos mesmos.

Esta avaliao se faz necessria uma vez que a perda de dutos por flambagem local e

posterior colapso traro prejuzos de custo e prazo no previstos.

Assim, de forma a evitar tais impactos essa avaliao deve ser feita em toda e qualquer

atividade de instalao de dutos submarinos, seja ela em guas rasas ou em guas profundas, a

fim de reduzir o risco de dano aos dutos.

1.2 Objetivos

Sero apresentados dentro deste projeto as modalidades de instalao dos dutos

submarinos rgidos, suas embarcaes e a aplicabilidade de cada um dos mtodos.

O objetivo principal anlise da seo transversal nas regies crticas afim deevitar a flambagem local e colapso.

1.3 Metodologia e Trabalho Realizado

Para as anlises apresentadas neste projeto sero realizados clculos utilizando os

conceitos da mecnica dos slidos e critrios estabelecidos pela norma DNV-OS-F101.

Ser utilizado o software MATHCAD 14.0 para a realizao dos clculos do

modelo analtico proposto e critrios baseados na norma. Todas as anlises a serem


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realizadas sero com base na bibliografia do projeto, nos conhecimentos adquiridos no

curso de graduao de Engenharia Mecnica do CEFET/RJ e tambm na consulta e

nivelamento de conhecimentos com o professor orientador e profissionais da indstria

offshore.

1.4 Organizao do Trabalho

O trabalho foi organizado em oito captulos.

No Captulo 1 apresenta-se o tema selecionado e a metodologia a ser desenvolvida no

projeto.

No Captulo 2 so apresentados e descritos os principais mtodos de instalao de

dutos rgidos no leito marinho e as atividades realizadas como inicializao, Lay Down,

recuperao e abandono.

O Captulo 3 aborda as principais embarcaes utilizadas para a realizao das

atividades de lanamento, em conjunto, so apresentados dados tcnicos, suas principais

caractersticas e uma breve comparao entre elas.

O Captulo 4 apresenta o duto rgido, o processo de fabricao e a classificao das

linhas aps o lanamento.

No Captulo 5 so abordados os principais modos de falha com nfase no tema

proposto pelo trabalho: flambagem e colapso.

No Captulo 6 so apresentados os clculos das solicitaes na catenria atravs do

equilbrio esttico, alm dos deslocamentos radiais e ovalizaes.

O Captulo 7 apresentado a metodologia utilizada pela norma DNV-OS-F101 para a

verificao do colapso e da flambagem local.

No Captulo 8, Concluso, realizada a comparao entre os resultados obtidos por

mecnica dos slidos e pela norma.


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Captulo 2

2.Descrio dos mtodos de instalao

A instalao de dutos submarinos constitui algumas das mais desafiadoras operaes

na rea offshore. Os desafios tecnolgicos trouxeram grandes pesquisas no setor, estudos

relacionados aos diferentes mtodos de instalao, bem como, novas ferramentas

computacionais para execuo das simulaes numricas.

Os mtodos mais comuns de instalao so:

Mtodo S-Lay;

MtodoJ-Lay;

Reeling.

Nos tpicos a seguir os mtodos sero descritos, assim como, sua aplicabilidade nas

atividades de instalao.

2.1 Mtodo de instalao por S-Lay

O mtodo tradicional de instalao de dutos offshoreem guas relativamente rasas

referido basicamente como mtodo S-Lay.O perfil do duto assemelha-se a um S durante a

sua instalao at tocar o leito marinho. Durante o lanamento do duto atravs da popa da

embarcao de instalao e antes do mesmo alcanar o leito marinho, sua suportao feita

atravs de uma estrutura metlica treliada equipada com roletes mais conhecida como

stinger, ilustrado naFigura 3.Esta regio conhecida como overbend. Assim que o duto

toca o leito marinho formada uma segunda regio conhecida comosagbend.

2.1.1 Introduo ao Mtodo S-Lay

O mtodo S-Layconsiste na construo e montagem de dutos em uma embarcao de

instalao e seu posterior lanamento, formando a catenria em forma de S.

O projeto de lanamento define a curvatura estabelecida at o apoio total do duto no

solo marinho.

AFigura 1 retrata o esquema do lanamento do mtodo S-lay. Ao iniciar a atividade,

tubos de 12 m so aproximados por uma balsa de apoio, representado naFigura 2.


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Figura 1: Esquema do lanamento do Mtodo S-Lay(modificado) [1].

Figura 2: Balsa de apoio para transporte de tubos de 12 m [2].

2.1.2 Stinger

O stinger realiza o controle da deflexo do duto na rea de overbend(regio localizada

acima do ponto de inflexo do duto). Ele utilizado para suavizar ou eliminar a forte variaoangular que o duto sofre ao deixar a embarcao a fim de evitar picos de momento fletor

(bending moment)no ltimo rolete dostingeros quais podem causar a flambagem localizada.


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Figura 3: Representao dostinger na embarcao (modificada) [3].

2.2 Atividades durante a instalao de dutos rgidos pelo mtodo S-Lay.

A instalao de dutos rgidos dividida nas seguintes operaes: inicializao,

finalizao da operao, eventuais abandonos e recuperaes. Todas estas operaes devem

ser simuladas e analisadas antes do lanamento.

2.2.1 Inicializao

No incio da operao de lanamento necessrio que a extremidade livre do duto

esteja presa a um ponto fixo. O controle do comportamento do duto permite a reduo da

trao imposta linha, evitando assim, que a mesma sofra uma severa flexo. Normalmente,

este ponto fixo representado por ncoras, pernas de plataformas ou embarcaes com

posicionamento dinmico (DP).

Aps a definio do posicionamento, iniciado o lanamento de uma ncora

denominadaDead man anchor (DMA), mostrada naFigura 4.Uma vez a ncora posicionada

corretamente a embarcao ir arrast-la e enterr-la no leito marinho para evitar

escorregamento durante o lanamento do duto. Normalmente para essa operao utiliza-se

ncoras modeloDelta Fliper.


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Figura 4: DMA iniciando lanamento [14].

2.2.2 Procedimento de inicializao

Inicialmente posiciona-se a ncora Dead Man Anchor a uma distncia igual a

requerida para o comprimento do cabo afastado do local de destino do duto. Em seguida o

cabo de ncora tensionado at a tenso especificada para verificar que no h

escorregamento do mesmo.

Em seguida, o cabo da ncora cortado de acordo com a distncia especificada pelo

projeto e fixado na cabea de instalao que guiado pela ncora at o assentamento no leito

marinho, conforme representa aFigura 5.

Figura 5: Configurao para incio de instalao (modificada) [15].


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Na medida em que a soldagem dos tubos executada, o lanamento sincronizado a

essa operao e ao deslocamento da embarcao.

Em seguida inicia-se a operao chamadaLay Down. Nesta operao a primeira pontado duto guiada por um cabo que ancorado ao fundo do mar. O duto pode ser lanado livre

at uma determinada profundidade e ento um cabo conectado extremidade livre.

Ao trmino da etapa de linha de montagem, inicia-se o lay downtambm conhecido

como lanamento de segunda extremidade, que consiste no lanamento da segunda ponta da

linha podendo ser conectada ou no a um equipamento. O guincho da embarcao

responsvel por auxiliar o lanamento suportando toda carga da catenria e do equipamento,

at a linha alcanar o leito marinho. Neste momento, a trao anteriormente exercida pelotensionador, aplicada pelo guincho para finalizao do lanamento, conforme aFigura 6.

Figura 6: Etapa de finalizao de lanamento (modificada) [15].

Todas as situaes passveis de acontecer durante a instalao do duto devem ser

simuladas e analisadas. Estas incluem no s o lanamento propriamente dito, mas tambm a

inicializao e a finalizao da operao, alm de eventuais abandonos e recuperaes que

caracterizam-se de forma planejada ou no.

Uma operao no planejada ocorre por motivo de emergncia, devido s condies

climticas e martimas, nesses casos preciso abandonar o duto no mar.

Quando as operaes de lanamento forem interrompidas, a extremidade do duto

abandonado deve ser bem tamponada, no devendo ser reaberta at o reincio das atividades.


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2.3 Mtodo de Instalao por J-Lay

O mtodo J-lay uma variao do mtodo S-lay, pois a rampa de lanamento

construda em uma posio quase vertical, sendo transformada em uma torre de lanamento

conhecida como J-Lay Tower. Este arranjo no necessita da utilizao de stinger e,

consequentemente, o duto no possui uma curvatura overbend prximo sada da

embarcao. Todo o comprimento da linha fica suspenso na forma de uma catenria em J,

como mostra aFigura 7.

Figura 7: Esquema do lanamento do Mtodo J-Lay [4].

O duto deixa a embarcao em ngulo quase vertical, as maiores tenses esto na

curvatura no sagbend. No h a necessidade de limitar a catenria suspensa em funo do

comprimento de stinger. Desta forma, as tenses de lanamento so mais baixas que as

relacionadas aos outros mtodos. Consequentemente, o touchdown point (TDP) no to

afastado da embarcao como no mtodo S-Lay. Esta caracterstica ajuda no posicionamentoda embarcao e torna o lanamento mais preciso.

A torre que suporta a rampa de lanamento possui elevada altura, afetando

significativamente a estabilidade da embarcao. Caso seja adotado em guas muito rasas, o

lanamento em J-Lay pode acarretar em curvaturas muito acentuadas no sagbend,

ocasionando o aumento de tenses, podendo ocorrer falhas.

O processo de montagem do duto realizado na embarcao com o abastecimento dematerial proveniente de balsas de apoio, ilustrada naFigura 2.


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No primeiro momento, ocorrem as fases de pr-fabricao de dutos, na qual os tubos

de 12 m so soldados, formando um double joint (unio de dois tubos com 12 m cada

totalizando 24 m) ou quad joint (unio de quatro tubos com 12 m cada, totalizando 48 m). No

segundo momento, o duto passa pelos sistemas de elevao que o posiciona na vertical e de

transferncia para a torre de lanamento, onde feita a montagem atravs de alinhamento,

soldagem, inspeo por ultrassom e revestimento. Concludas estas operaes o duto est

preparado para ser lanado.

2.4 Mtodo S-Laypara guas ultraprofundas

As tecnologias de lanamento de dutos rgidos tm sido aprimoradas constantemente e

atualmente possvel utilizar o mtodo em S-Layno apenas em guas rasas, mas tambm em

guas ultraprofundas. Utilizados em profundidades de 1000 at 3000 m, fazendo com que esse

novo mtodo atinja lminas dgua antes apenas alcanadas pelo mtodo emJ-Lay.

Essa nova forma de lanar apresenta as mesmas caractersticas do mtodo

convencional S-Lay com relao construo e fabricao da linha rgida. Diferindo

principalmente pela configurao adotada da rampa, de maneira a obter-se maior

verticalizao na sada do stinger, conforme apresentado na Figura 8.As demais diferenas

so atribudas a necessidade de altos valores de trao nos tensionadores e o alto nvel de

deformao do duto na regio desagbend.

Figura 8: Verticalizao na sada dostinger [5].


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11

Com relao aos aspectos econmicos, o lanamento em S-Lay para guas ultra

profundas preferido ao mtodo J-Lay por reduzir o tempo de operao, pois permite um

grande nmero de estaes de trabalho para soldagem e revestimento, o que configura maior

produtividade nas operaes.

Contudo, em guas ultraprofundas, o S-Lay necessita de uma curvatura elevada na

regio do stingerde maneira a adquirir um ngulo de sada prximo da vertical, o que pode

gerar deformaes plsticas nas paredes do duto. Alm de requerer maior capacidade dos

tensionadores para manter o duto suspenso.

A sequncia de fabricao nas embarcaes de S-Lay para guas profundas segue

basicamente a configurao proposta para o S-Laytradicional.

2.5 Mtodo de instalao por "Reeling"

No mtodo de lanamento Reel-Lay, a fabricao da linha realizada em uma base

onshore (Spool Base), ilustrada naFigura 9,e bobinada em um carretel, como mostra aFigura

10,que pode possuir at 30 m de dimetro [8]. Em seguida a bobina estocada no convs de

uma embarcao que responsvel pelo transporte e instalao.

Figura 9: Base em terra (Spool base)[6].


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12

Figura 10: Atividade de bobinamento (spooling)[7].

Esse mtodo de instalao propicia um ambiente de trabalho mais seguro e estvel. A

instalao por reeling pode ser at 10 vezes mais rpida do que outros mtodos

convencionais. Isto permite que o lanamento ocorra quando as boas condies climticas

possuem um curto perodo de tempo [1].

Os custos dos trabalhos neste mtodo so reduzidos, pois permitem operaes como

soldagem, ensaios no destrutivos, revestimentos anti-corroso sejam executadas onshore, em

comparao com os mesmos procedimentos realizados offshore.

Na maioria das vezes esta forma de instalao utiliza dutos de at 18 (457mm) de

dimetro. Os dutos bobinados no podem ser revestidos por concreto, pois este um material

com dureza elevada e frgil, assim ocorrendo a ruptura ao ser enrolado. Esta deformao

plstica seguida pelo tensionamento do duto pode causar perda de espessura de parede e

resistncia do material em determinadas reas do duto [8]. Motivo pelo qual a espessura de

parede precisa ser maior do que as usadas nos outros mtodos.

Depois de enrolada a bobina colocada na embarcao e levada para o local de

instalao. O duto bobinado pode ser instalado pelo mtodo S-Layou J-Laydependendo da

posio da bobina (horizontal ou vertical) na embarcao e da profundidade.

O mtodo S-Lay aplicado quando a bobina encontra-se na posio horizontal,

ilustrado naFigura 11 e a profundidade intermediria. A embarcao pode ser estaticamente

(uso de ncoras) ou dinamicamente posicionada (posicionamento via GPS).


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13

Figura 11: Embarcaes com carretel na horizontal [9].

O mtodo J-Lay utilizado quando a bobina encontra-se na vertical, ilustrado na

Figura 12 e a profundidade intermediria ou ultraprofunda. Neste caso, para essa

configurao, a embarcao sempre dinamicamente posicionada.

Figura 12: Embarcao com carretel na vertical [9].

O carregamento imposto ao duto no mtodo reeling,est relacionado a dois modos de

falha: local buckling(flambagem localizada) e plastic collapse(colapso plstico). Os outros

modos de falha nos dutos lanados pelo mtodo reelingso: ovalizao, deformao plstica

acumulada e crescimento de trincas (fratura).


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14

2.6 Comparao entre os principais mtodos de lanamento

A Tabela 1 a seguir faz uma comparao entre as profundidades de utilizao,

vantagens e desvantagens de cada mtodo de lanamento.

Tabela 1: Aplicabilidade [1, 3, 8, 9].

Mtodo Utilizao Vantagem (s) Desvantagem (s)

J-Lay

Adequado para ainstalao em guasprofundas eultraprofundas.

-Apropriado para instalardutos de grande dimetroe revestido com concreto.

- Tenses menores pois

no h overbend

- No apropriado paraa instalao de dutos emguas rasas;

- Baixa taxa deproduo devido

soldagem em uma nicaestao.

S-Lay

Convencional

Utilizado para fazer olanamento de dutosrgidos em lminasdgua rasas eintermedirias.

-Alta taxa de produodevido a vrias estaesde trabalho;

-Apropriado para instalarduto revestido comconcreto.

- Necessidade decontrolar a curvaturaimposta pelo stinger(overbend).

S-Layparaguas

ultraprofundas

Esse mtodo utilizadoem guas ultraprofundas(1000 at 3000 m) com oauxlio de embarcaescapazes de posicionar ostinger em um ngulocom aproximadamente90.

- Reduz o tempo deoperao garantindomaior produtividade emrelao ao mtodoJ-Lay.

- Necessita de umacurvatura elevada naregio dostinger;

- Requer maiorcapacidade dostensionadores.

Reel-Lay Adequado para guasrasas e ultraprofundas

- Instalao 10 vezes maisrpida;

- Custos menores nostrabalhos devido fabricao do dutoOnshore.

- Comprimento limitadoimplicando no retorno

base para recarregar ocarretel;

- No adequado parainstalao de dutorevestido com concreto;

- Limitao de dimetrodo duto em at 18 enecessidade de maiorespessura de parede.


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Captulo 3

3.Embarcaes de lanamento

Nos tpicos a seguir so descritas as embarcaes utilizadas nos seguintes mtodos de

lanamentos: S-Lay, J-Lay e Reeling. Assim como, suas caractersticas, capacidade e dados

operacionais.

3.1 Embarcao Deep Bluepara o mtodo de Reeling eJ-lay

A embarcao Deep Blue, ilustrada na Figura 13, uma estao de construo e

lanamento de dutos. A embarcao combina os mtodos Reel-Lay(dimetros de 4 a 18) e

J-Lay(dimetros de 4 a 28) permitindo a instalao de dutos flexveis e rgidos em guas

profundas e ultraprofundas (at 3000 m), alm de acomodar cerca de 160 tripulantes [10].

Figura 13:Deep Blue(Technip) Vista real [10].

Os tensionadores doDeep Blueso capazes de sustentar uma carga de 550 toneladas e

so projetados para dutos rgidos ou flexveis. A embarcao pode carregar at 10.000

toneladas de duto em uma mesma viagem [10].


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3.2 Embarcao FDS2 para os mtodos J-lay eS-lay (opcional)

A embarcao FDS2, ilustrada naFigura 14, apta para fazer o lanamento de dutos

com 4 a 36 de dimetro e de transportar at 325 trabalhadores a bordo. Sua torre de

lanamento (J-Lay Tower) capaz de implantar quad jointsem tenses de linha de at 1.500t

e de suportar tenses na catenria de at 2.000t [11].

Figura 14: Embarcao FDS2 Saipem [11].

Seu sistema verstil e funcional permite o ajuste do ngulo da torre de lanamento

entre 0 e 96 graus e uma faixa de trabalho entre 45 e 96 graus, como mostra a Figura 15,

admitindo que o mesmo faa lanamentos tanto em guas ultraprofundas (at 3.000 m) quanto

em guas rasas. Alm disso, a embarcao possui tambm uma rampa de lanamento (stinger)

ajustvel o que permite lanamentos no modo S-Lay[12].


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Figura 15: Torre de lanamento ajustvel [11].

3.3 Embarcao Al lseas Soli tair e para o mtodoS-lay

A embarcao Allseas Solitaire, representada pela Figura 16, utiliza o mtodo de

lanamento S-lay sendo considerada uma das melhores do mundo, pois possui o recorde

mundial de capacidade de lanamento atingindo 2.775 m de lmina dgua em guas

ultraprofundas. Esta embarcao possui um stinger de 97 m, ilustrada naFigura 17,que pode

ser ajustado at ngulos prximos de 90 o que possibilita o lanamento S-Lay em guas

ultraprofundas.


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Figura 16: EmbarcaoAllseas Solitaire[12].

Figura 17: EmbarcaoAllseas Solitairecomstinger [12].

Esta embarcao possui comprimento total de 397 m (incluindo stinger) e largura de

41 m. Permite acomodao de at 420 pessoas e instala dutos de 2 a 60 de dimetro no

mtodo S-lay. Os 3 tensionadores da embarcao possuem capacidade de 350t cada, com

velocidade de lanamento de 30 m/min, conformeFigura 18 [12].


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19

Figura 18: Tensionador da embarcaoAllseas Solitaire[12].

3.4 Embarcaes tipo DLB (derr ick lay barge) para o mtodoS-lay

Esta embarcao, mostrada naFigura 19,possui 122 m de comprimento e 30 m de

largura. Ela acomoda 256 pessoas, possui 8 estaes de trabalho e instala dutos de 4 a 48 dedimetro atravs do mtodo S-Lay. Seus tensionadores possuem a capacidade de suportar de

99 t at 199 t. Possuistingere um guindaste de alta capacidade [13].

Figura 19: Embarcao DLB (Iroquois) Vista real [13].


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3.5 Comparao entre os embarcaes e mtodos utilizados

A Tabela 2 a seguir faz uma comparao entre as embarcaes utilizadas e seus

respectivos mtodos de lanamento.

Tabela 2: Dados das embarcaes [10, 11, 12 , 13].

Embarcao Mtodo(s) ProfundidadeDimetro do

dutoCapacidadeTensionador

Comprimentox Largura

Tripulao

Deep BlueReeling/J-

Lay3000 m

Reeling: 4 a18

J-Lay: 4 a28

Reeling: 550tJ-Lay: 770t

206,5 x 32 m 160 pessoas

FDS2 J-Lay/S-Lay J-Lay: 3000 m 4 a 36J-Lay: 2000tS-Lay2 x 90t

183 x 32 m 325 pessoas

AllseasSolitaire

S-Lay 2775 m 2 a 60 3 x 350t 397 x 41m 420 pessoas

DLBIroquois

S-Lay 700 m 4 a 48 99t at 199t 122 x 30 m 256 pessoas


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Captulo 4

4.Duto Rgido Submarino

Os dutos, conforme a Figura 20, instalados pelas embarcaes citadas no captulo

anterior tem sido amplamente utilizado nas ltimas dcadas para transportar fluidos derivados

do petrleo. Em relao ao lanamento para guas profundas, o conceito de duto rgido cada

vez mais adequado para atender s necessidades, preferindo-se a sua utilizao em

comparao aos dutos flexveis devido ao custo de fabricao e sua vida til.

Figura 20: Duto rgido submarino [16].

4.1 Classificao da linhaAps o lanamento, o duto pode ser denominado risereflowlinesdependendo da sua

disposio na linha.

- Riser: duto posicionado verticalmente, ou em catenria, conectando o poo

plataforma.

- Flowlines: duto com a maior parte do seu comprimento apoiado no leito marinho,

que se conecta s unidades fixas ou aos risers, ilustrado naFigura 21.


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22

Figura 21:Flowlinesconectados s terminaes fixas [17].

4.2 Processo de fabricaoOs processos de fabricao podem resultar em tubos com unio soldada (tubo com

costura) ou sem unio soldada (sem costura). A seguir sero apresentados os processos mais

utilizados.

4.2.1. Tubos com costuraSegundo Kyriakides et al (2007) tubos com dimetro externo maior do que 16

normalmente so fabricados atravs do processo chamado UOE.

Neste processo o tubo passa por uma prensa que faz com que a chapa de ao fique

com o formato da letra U e em seguida passa por outra prensa que deixa a chapa no formato

da letra O, como ilustrado na Figura 22. Aps o tubo soldado de forma automtica

longitudinalmente, interna e externamente por arco submerso e expandido a frio (etapa E).

Aps estas etapas o tubo passa por teste hidrosttico, ultrasom, raio-X e inspeo de solda

entre outros [3].


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Figura 22: Desenho esquemtico do processo de fabricao UOE (modificado) [3].

Aps o processo de fabricao, a seo transversal caracterizada como imperfeita,

visto que com o procedimento de alteraes e conformaes das formas geomtricas, as

sees do duto no formam uma circunferncia perfeita, conforme ilustra aFigura 23.

Figura 23: Seo transversal do duto imperfeita aumentada [3].


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24

4.2.2. Tubos sem costuraTubos sem costura so gerados a partir de barras de ao laminadas. Em uma primeira

etapa a barra aquecida, posicionada e pressionada contra um mandril para abrir a cavidade

interna do tubo. Em seguida, com o dimetro interno gerado, o tubo expandido radialmentee laminado para melhorar a tolerncia dimensional da parede e diminuir a ovalizao imposta

ao longo do processo. AFigura 24 ilustra o processo.

Figura 24: Processo de fabricao de tubos por extruso (modificada) [3].


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Captulo 5

5.Modos de falha

Neste captulo sero descritos os principais modos de falha que podem ocorrer no

lanamento de dutos rgidos.

5.1 Efeito BrazierA ovalizao da seo transversal, estgio que antecede a flambagem do duto, na

literatura chamada de Efeito Brazier, e estudado o efeito de deformao plstica localizada

devido ao seu curvamento no lanamento, ocorrendo assim a falha pelos diferentes modos da

relao D/t.

Quando um duto com seo transversal passvel de deformao submetido a flexo

pura, ocorre uma alterao no estado de equilbrio na forma geomtrica da seo transversal.

Esta alterao proporcionada por um achatamento, chamada de ovalizao. Esta mudana

diminui a resistncia e a rigidez flexo. importante destacar que este comportamento no

linear. AFigura 25 ilustra o efeito.

Figura 25: Efeito Brazier [18].


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26

5.2 Ruptura por presso interna

Este modo de falha tambm pode ser conhecido por ruptura esttica. Consiste na

ruptura de um segmento do duto quando este submetido aos incrementos de presso interna.

A ruptura acontece quando o limite de trao do material alcanado.

Para evitar que este tipo de falha ocorra, realiza-se o teste hidrosttico. Neste teste o

material submetido uma presso maior do que a presso de projeto.

5.3 Fadiga

Ocorre quando cargas ou deformaes inferiores ao limite de escoamento podemresultar na fratura do material quando aplicadas ciclicamente ou com variao no tempo. A

fadiga resulta de um esforo alternado que induz a formao de trincas e a propagao das

mesmas.

5.4 Flambagem Local

O tipo de falha caracterstico devido ao comportamento de flexo do duto a

flambagem localizada (local buckling) conforme representa a Figura 26, este tipo de

flambagem ocorre devido instabilidade da parede do duto. A flambagem localizada pode ser

identificada como o excesso de ovalizao em relao ao valor aceitvel, o qual pode ser

calculado. A flambagem localizada avaliada neste projeto refere-se somente fase de

instalao da linha, portanto no ser considerada fase de operao.

Figura 26: Flambagem Local [20].


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A falha por flambagem local caracterizada pela alterao da geometria na seo

transversal e esta necessariamente influenciada pela razo dimetro espessura (D/t).

A relao de dimetro espessura (D/t) classificada como alta, naFigura 27,mdia,naFigura 28 ou baixa, conforme ilustra aFigura 29,e apresentada de forma qualitativa para

cada tipo de modo de falha dessa natureza.

Figura 27: Razo alta D/t [3].

Figura 28: Razo moderada D/t [3].


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28

Figura 29: Razo baixa D/t [3].

A geometria da seo transversal ps-flambagem pode ser agrupada em dois tipos,

modo diamante (diamond) e modo barril (bulging). As falhas pelo modo diamante so

provenientes da alta relao D/t para cargas compressivas axiais.

O modo diamante tpico representado pela Figura 30 e consiste na presena de

depresses na superfcie do duto analisado, as mesmas possuem o formato de losangos e o

deslocamento da parte superior/inferior da parede tende a se aproximar do centride da seo

transversal.

Figura 30: Modo de falha tipo diamante [18].

O modo barril ilustrado pelaFigura 31 e ocorre em sua superfcie um deslocamento

da parede do duto de modo a se afastar do centride, o que justifica o formato barril

movendo-se para fora.


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Figura 31: Modo de falha tipo barril [18].

5.4.1. Flambagem seca

A flambagem seca ocorre normalmente pela compresso da seo transversal do duto

no touchdown point(TDP) ou na regio dostinger, devido perda de posio da embarcao

ou por perda de capacidade trativa pelos tensionadores. Verificam-se as altas cargas nos

roletes da rampa de lanamento (roletes da embarcao e do stinger) e a alterao na forma

geomtrica do duto, diferindo significativamente do lanamento normal.

A falha por flambagem seca ocorre quando a presso externa maior que a interna.

Aps o acontecimento desta, o duto recolhido para embarcao para que o trecho seja

cortado no local da falha.

5.4.2. Flambagem molhada

Na flambagem molhada ocorre uma fratura no duto abaixo da linha dgua e o duto

inundado. Para que o lanamento continue, necessrio colocar o duto no leito marinho,

recolher o duto de volta para embarcao e remover a parte danificada.

Em guas ultraprofundas o alagamento da linha configura uma das piores adversidades

para o lanamento, uma vez que desperta altos nveis de trao na linha rgida. Dependendo

do dimetro e espessura de parede, o alagamento pode representar um significativo aumento

de peso, podendo chegar ao dobro do mesmo [20].

Normas como a DNV-OS-F101, preconizam como a questo do alagamento deve ser

tratada. Conforme a norma, quando ocorre um alagamento acidental a embarcao deve ser


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30

capaz de sustentar todo o peso gerado pela geometria do duto. Tais interpretaes so

contestveis, quando se considera um lanamento no-convencional (dutos de grandes

dimetros em altas profundidades).

A integridade do duto, para o caso de alagamento, deve ser garantida atravs da

verificao de colapso do sistema, da norma DNV-OS-F101, considerando uma situao ALS

(Accidental Limit State) [20].

5.4.3 Bifurcao

o fenmeno que ocorre nos tubos sob a forma de rugas, no qual precede a carga

limite natural induzida pelo efeito Brazier sobre flexo. A medida em que o duto submetido

ao curvamento, podem surgir rugas na parte que sofre a compresso.

O termo bifurcao usado para descrever o comportamento do duto ao atingir a

presso crtica de flambagem . A partir deste ponto duas solues so possveis: uma seria aresposta trivial e a outra seria o colapso do duto a uma determinada presso . AFigura 32mostra a presso crtica de flambagem e a presso de colapso para um duto perfeito e

imperfeito em funo do deslocamento [3].

Figura 32: Deslocamento radial de um duto submetido presso externa no linear [3]


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31

Onde,

P = Presso crtica;

Presso inicial; Deslocamento radial mximo;R = Raio externo.

5.5 Colapso

O colapso do duto pode acontecer de duas formas: pela carga limite (linear) ou pela

bifurcao (no linear), como ilustra a Figura 33. A ruptura do material ocorre quando aestrutura atinge a carga limite de resistncia do material. J o colapso por bifurcao ocorre

devido instabilidade da estrutura ocasionada pela formao de rugas na qual reduzem a

rigidez da seo transversal.

Figura 33: Colapso no duto [3].

Segundo Souza (1994), existem duas possibilidades de um duto submarino entrar em

colapso devido a flexo, descritas a seguir:

- Colapso por Carga Limite

Inicialmente, o momento aplicado ao longo do comprimento do duto gera pequenas

variaes de curvatura caracterizando uma fase linear elstica. Com o aumento do momento,

as imperfeies geomtricas e a plastificao do material produzem um comportamento no

linear e quando o momento mximo alcanado ocorre uma grande variao da curvatura at

que o duto colapse por carga limite.


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- Colapso por Bifurcao

Existem situaes que o colapso ocorre sem que o momento mximo tenha sido

alcanado. Este comportamento deve-se s pequenas ondulaes que surgem no ladocomprimido do duto ao sofrer a flexo. O modo de colapso recebe esta denominao, pois a

curva de carregamento do momento por curvatura sofre uma brusca mudana de

comportamento provocado por cargas secundrias (devido s ondulaes) de modo que a

trajetria da curva de colapso por carga limite desviada para uma trajetria secundria

atravs de um ponto, chamado ponto de bifurcao, conforme aFigura 34.

Figura 34: Ponto de Bifurcao. [19]


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33

Captulo 6

6.Estudo de caso: A anlise do mtodo S-Lay para guasultraprofundas

A anlise realizada neste projeto utiliza o mtodo S-Lay em guas ultraprofundas,

diferenciando-se do mtodo tradicional pelo fato de ser adotada em guas com profundidades

superiores a 2000 m. Sendo assim justificado pela exigncia de embarcaes especiais.

A embarcao Allseas Solitaire se adequa s condies da atividade envolvida,

contendo adaptaes no lanamento como a utilizao dostingerem angulaes superiores s

utilizadas no mtodo tradicional, tornando a posio da rampa de lanamento quase vertical.

Alm de permitir grandes solicitaes durante a instalao do duto por possuir trs

tensionadores de grande capacidade.

O duto selecionado para a anlise foi o DNV LSAW 450 com 20 de dimetro externo

e 1,2 de espessura. Conforme sua especificao, este um duto com costura soldado

longitudinalmente por arco submerso e possui tenso de escoamento (SMYS) de 450 MPa.

6.1 Anlise da Catenria

No lanamento pelo mtodo S-layem guas ultraprofundas, a forma em S do duto

no decorrer da instalao, caracterizada pelas curvaturas das regies de overbendesagbend.

A configurao da curvatura na catenria caracterizada pelo formato do stingerquepermite suavizar as solicitaes envolvidas, reduzindo assim a trao exercida pelos

tensionadores, conforme ilustra aFigura 3.

6.1.1 Formulao do comprimento da catenria

A equao geral da catenria foi desenvolvida para encontrar o comportamento da

curva de um cabo em suspenso com massa uniforme proposta por Jacques Bernoulli (1691).


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(6.1)Onde:

a = Constante;

x = Projeo na horizontal da catenria;

z = Projeo na vertical da catenria.

Tendo em vista o comportamento da catenria, na qual calculado o comprimento

segundo a equao (6.2) de Bridge (2005).

(6.2)Onde,

z = Profundidade em m;

= ngulo de inclinao dostingercom a horizontal.

6.1.2 Parmetros envolvidos

AFigura 35 mostra a anlise da catenria considerando: profundidade mxima ()conhecida, angulao ( 80) e comprimento submerso do stinger ( ) como

parmetros iniciais.


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35

Figura 35: Representao dos parmetros (modificada) [22].

A partir da anlise do comportamento da catenria (), obtm-se a distncia nadireo x representada por (), de acordo com a equao (6.3), que indica a distncia do TDPaostinger.de Bridge (2005).

(6.3)

Adotando: Sendo, o comprimento dostinger.Atravs da equao (6.4), calcula-se a distncia do TDP embarcao:

(6.4)A distncia

dever ser respeitada, pois limita a curvatura nas regies de sagbend

e overbendevitando maiores solicitaes que podem ocasionar falhas no lanamento do duto.

Segundo Amarante (2010), a abordagem para determinar a forma exata da catenria

consiste em estabelecer as condies de equilbrio esttico da linha a partir de alguns

parmetros fsicos e geomtricos, cujo desenvolvimento ser abordado no decorrer do projeto.


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36

6.2. Clculo das solicitaes no duto

Para a anlise do equilbrio esttico da linha, necessrio:

Desconsiderar o movimento da embarcao durante a fase de instalao; Desconsiderar os efeitos dinmicos de correnteza e ondas (para maiores e

menores profundidades respectivamente);

Considerar o soloflat(plano).

Para anlise sero considerados os dados de entrada apresentados naTabela 3.

Tabela 3: Dados de projeto

Parmetro ValorEspecificao do ao do duto DNV LSAW 450Massa especfica do ao () 7850 Dimetro externo ( 20 ( 508 mm)Espessura (t) 1,2 (30,48 mm)Dimetro interno (Di) 17,60 (447,04 mm)SMYS 450 MPaSMTS 535 MPaMdulo de Young (E) PaCoeficiente de Poisson 0,3Ovalizao mxima permitida

3,0 %

Densidade especfica da gua do mar 1025 Coeficiente de atrito esttico solo-ao 0,7Coeficiente de atrito esttico borracha-ao 0,9Presso atmosfrica () Gravidade (g) 9,81 m/sAngulao do stinger 80Comprimento submerso do stinger () 97 mProfundidade mxima ( 2000 mComprimento da catenria na direo X () 974 mDistncia do TDP embarcao () 991 mComprimento da catenria (

) para profundidade

mxima

2384 m

rea da seo transversal (): =

rea da gua deslocada (


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= Fora de trao mxima exercida pelos tensionadores (:

A embarcao selecionadaAllseasSolitairepossui 3 tensionadores com capacidade de350 t cada, totalizando uma carga de 1050 t. Portanto na equao (6.7), temos:

(6.7) Empuxo (E) e trao efetiva (:

Segundo o princpio de Arquimedes [29], um corpo imerso num meio fluido

submetido a uma fora de empuxo igual, em magnitude, ao peso do volume do fluido

deslocado.

Para aplicao desse princpio necessrio que o trecho infinitesimal de comprimento

(de duto esteja totalmente submerso e que a presso externa (pexterna) atue em toda a suasuperfcie. Alm disso, a fim de equilibrar o campo de presso atuante necessrio considerar

que as extremidades possuem fechamentos imaginrios, como mostra aFigura 36[23].

Figura 36: Trao efetiva e peso aparente (modificada) [17].

Durante a fase de instalao o empuxo varia de acordo com a massa submersa do duto

que esta sendo lanado. Conforme ocorre o lanamento maior o peso submerso e por

consequncia maior o peso deslocado de fluido.

Peso submerso por unidade de comprimento:

(6.8)


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38

Peso aparente da catenria :

(6.9)

Clculo da trao efetiva (:De acordo com Pesce (1997), a trao efetiva, e no a trao solicitante que

determina, do ponto de vista estrutural, a configurao de equilbrio esttico e rege a rigidez

geomtrica da linha a deslocamentos transversais, esta ltima a principal condicionante de sua

resposta dinmica, ou seja, a trao efetiva determinante para o clculo da tenso

longitudinal. Logo, para os clculos de equilbrio esttico do sistema preponderante a

utilizao da trao solicitante.

A equao (6.10) da trao efetiva definida por Galgoul (2009). Ento:

+ (6.10)Onde:

= Trao Efetiva;= Trao real atuante na face inferior do duto;= Presso externa;= rea externa;

= Presso interna;

= rea interna.Assim, tem-se:

O valor da trao efetiva no tensinador .


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39

6.2.1 Equilbrio Esttico

O modelo adotado, ilustrado naFigura 37,consiste no equilbrio de foras atuantes na

instalao do duto a fim de manter a geometria e a integridade estrutural do mesmo, evitando

a ocorrncia de falhas.

Fatores como a densidade do material utilizada na fabricao do duto, coeficiente de

atrito esttico do duto com o solo marinho, inclinao do stinger, trao no tensionador e

coluna dgua interferem na anlise do equilbrio e comportamento da catenria.

No estudo de caso apresentado neste projeto, a anlise ser realizada considerando o

lanamento de duto seco com 100 m de duto j lanado, ou seja, em contato com o solo

marinho. Os clculos foram realizados utilizando o software Mathcad14.0 e so explicitadosno anexo A (Equilbrio Esttico).

Figura 37: Solicitaes atuantes no equilbrio esttico (modificado).[25]

Considerando a fora F no ponto de reao dostinger, conforme representa aFigura 38.


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40

Figura 38: Fora de reao dostinger(modificado) [3].

(6.11)

Para o somatrio, foi considerado um trecho de 100 m de duto em contato com o solo

marinho (), Portanto tem-se:Fora normal do duto assentado:

(6.12) Peso aparente do duto na catenria:

(6.13)Trao exercida pelo Tensionador (T = 0):

(6.14)


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41

6.2.2 Anlise de Grficos para Trao Efetiva e Trao no Tensionador.

A anlise do grfico apresentado naFigura 39 representa o comportamento das foras

com relao a profundidade (z).

Figura 39: Fora X Profundidade.

Atravs desta anlise, possvel observar que a trao no tensionador equivale

aproximadamente a 30% da capacidade mxima disponvel no prprio e possui

comportamento linearmente decrescente at atingir o seu valor mnimo (Fat) no TDP.

Por outro lado, o comportamento do peso aparente da catenria linearmente

crescente do tensionador ao TDP.

A anlise do grfico apresentado na do Figura 40, representa o comportamento das

foras com relao a profundidade (z), partindo do incio da catenria ao TDP.


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42

Figura 40: Fora X Profundidade da catenria.

A trao efetiva utilizada para os clculos estruturais mxima no incio da catenria,

onde equivale a 50% da capacidade dos tensionadores, pois influenciada pela presso

externa ao longo de toda a catenria.

A fora de atrito constante devido condio de anlise inicial para o trecho de 100

m j lanados.

6.2.3 Momento Fletor devido curvatura

Segundo Jensen (2010) o momentor fletor devido curvatura calculado de acordo

com a equao (6.15).

(6.15)Onde:

M= Momento fletor devido curvatura

RC= Raio de curvatura calculado de acordo com a equao (6.16)


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43

(6.16)O grfico apresentado naFigura 41 mostra o comportamento do momento em funo

do raio de curvatura. Pode-se concluir que o comportamento do raio de curvatura varia

exponencialmente em relao ao momento fletor. A partir de aproximadamente 500 m de raio

de curvatura, o momento fletor tender ao infinito.

Figura 41: Momento fletor X raio de curvatura

No modelo proposto o raio de curvatura controlado pela trao exercida pelo

tensionador. De acordo com a equao (6.16) quanto maior a trao, maior o raio de curvaturasuavizando as tenses nosagbend.

6.3.Clculo dos deslocamentos radiais

Para calcular a ovalizao da seo transversal necessrio obter os deslocamentos

radiais na seo transversal do duto. Foram calculados os deslocamentos radiais nas sees

transversais localizadas no tensionador e no TDP. Com base na norma utilizada foi feita umaverificao para constatar se as ovalizaes encontradas estavam dentro do limite permitido.


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44

6.3.1. Teorema de Castigliano

Para o clculo dos deslocamentos radiais nos pontos crticos das sees transversais doduto localizadas no TDP e no tensionador, analisou-se a configurao representada naFigura

42,para .

Figura 42: Fora pontual (P) e diagrama de equilbrio da seo transversal.

Atravs do diagrama de equilbrio e do Teorema de Castigliano [26], equao (6.17),

encontra-se o momento para o ponto A (, ponto C ( e a normal () para qualquerngulo de 0 a de acordo com as equaes (6.22), (6.24) e (6.19).

(6.17)Onde:

Trabalho de deformao da estrutura; Fora Normal; Raio externo do duto; rea da seo transversal;

Mdulo de Young;

Momento de Inrcia;


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45

Momento fletor.- Clculo do momento para o ponto A (

:

Aps a anlise do diagrama de equilbrio, temos as equaes (6.18) e (6.19), onde Q

o carregamento horizontal fictcio no ponto A [26].

(6.18) (6.19)

Para calcular o momento em A, adota-se o deslocamento angular desse ponto igual a

zero conforme a equao (6.20).

(6.20) (6.21)

Logo,

(6.22)Substituindo a equao (6.22) na (6.18), temos a equao do momento fletor para :

(6.23)- Clculo do momento para o ponto C (

:

Para na equao (6.24), tem-se o momento para o ponto C: (6.24)

- Deslocamento radial horizontal no ponto A ():Atravs da derivada parcial do trabalho de deformao em relao ao carregamento

horizontal fictcio na equao (6.25), tem-se: (6.25)


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46

(6.26)- Deslocamento radial vertical no ponto C (

):

Atravs da derivada parcial do trabalho de deformao em relao carga aplicada no

ponto C na equao (6.27), tem-se:

(6.27) (6.28)

6.3.2. Mtodo da Superposio

O mtodo da superposio pode ser utilizado caso a configurao de carregamento

ocorra de acordo com a Figura 43, pois permite a soma das foras normais, momentos e

deslocamentos que ocorrem na seo transversal.

Figura 43: Disposio das sapatas na seo transversal.

A fim de modelar a posio das sapatas do tensionador, os sistemas de coordenadas X-

Y foram deslocados em 15 positivos para os quadrantes pares e 15 negativos para os

quadrantes mpares em relao ao eixo principal na cor azul, como representado naFigura 44.

Considerando a simetria entre os quadrantes e as cargas, dividiu-se a configurao da

Figura 43 em duas parcelas. A primeira representa o comportamento das foras atuantes nos

quadrantes pares e a segunda nos quadrantes mpares.


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47

Figura 44: Mtodo da superposio.

6.3.3 Anlise de tenses pelo critrio de von Mises

Nesta anlise importante verificar se a estrutura ir resistir aos carregamentos sem

que as tenses ultrapassem a tenso de escoamento (SMYS). Os locais onde sero realizadas

as anlises sero as sees transversais do duto no TDP e no tensionador.

A anlise detalhada foi realizada e apresentada em planilha no Mathcad 14.0, nos

Anexos B e C, utilizando a tenso de von Mises [26].

Para calcular a tenso circunferencial e a equivalente na regio do sagbend, no TDP,

utilizou-se o momento fletor para o ponto C por este ser maior que no ponto A, visto que a

fora atua diretamente no ponto C, conforme demostra aFigura 42.

Para o tensionador utilizou-se o mtodo da superposio para obter os valores

mximos da normal e do momento que ocorrem nos quadrantes pares e mpares conforme os

grficos X e Y. A partir destes valores calculou-se a tenso equivalente para o ponto C pois

este o mais crtico.

Ao analisar o grfico apresentado naFigura 45,a fora normal atuante no ponto A

maior que no ponto C. Atravs da variao de , a fora tem comportamento varivel doponto A (

at o ponto C (

.


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48

Figura 45: Fora Normal com relao ao ngulo.

Ao analisar o grfico apresentado naFigura 46,a atuao do momento fletor no ponto

C maior que no ponto A, visto que a solicitao atuante est localizada no prprio ponto.

Figura 46: Momento fletor em relao ao ngulo

O clculo da tenso circunferencial realizado pelos efeitos das foras normais e dos

momentos fletores dos pontos A e C na seo transversal, representado no Grfico 8. As

equaes (6.29) e (6.30) representam esta anlise.

Para o ponto A, tem-se:


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49

(6.29)Para o ponto C, tem-se:

(6.30)Onde:

M = Momento fletor referente ao ponto;

r = Raio;

N = Fora Normal referente ao ponto;

Figura 47: Tenso referente ao ngulo no quadrante.

Ao analisar o grfico apresentado na Figura 47 em conjunto com as consideraesencontradas nos momentos e nas foras normais para os pontos nos grficos apresentados nas

Figura 45 eFigura 46,conclui-se que a tenso circunferencial superior no ponto C.

ATabela 4 e aTabela 5 resumem os resultados da anlise. A cor azul sinaliza que o

duto no falhar (a tenso referente menor do que a tenso de escoamento do material).


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Tabela 4: Resultados da anlise de tenses no Tensionador

Tabela 5: Resultado da anlise de tenses no TDP

6.3.2. Deslocamento radial e Ovalizao na seo transversal localizada no TDP

Para calcular o deslocamento radial e a ovalizao da seo transversal no TDP sero

utilizados dois mtodos: o Teorema de Castigliano, equaes (6.26) e (6.28), e a equao de

Timoshenko et al.(6.31) [27]. As anlises so explicitadas no Anexo D.

(6.31)Onde:

P = Carregamento pontual;

R = Raio externo;

E = Modulo de Young;

I = Momento de inrcia.

Raio dotubo

Tensocircunferencial

(MPa)

Tenso Radial(Mpa)

TensoLongitudinal

(MPa)

Tenso vonMises

(MPa)

circunf |/SMYS | LONG|/SMYS MISES/SMYS

Interno 7,85 0,0 110 106,00 0,02 0,24 0,24

Mdio 7,38 0,0 110 107,00 0,02 0,24 0,24

Externo 6,92 0,0 110 107,00 0,02 0,24 0,24

TENSO DE VON MISES - TENSIONADOR

Raio dotubo

Tensocircunferencial

(MPa)

Tenso Radial(Mpa)

TensoLongitudinal

(MPa)

Tenso vonMises(MPa)

circunf |/SMYS | LONG|/SMYS MISES/SMYS

Interno 54,20 0,0 27,60 47,00 0,12 0,06 0,10

Mdio 51,00 0,0 27,60 44,20 0,11 0,06 0,10

Externo 47,80 0,0 27,60 41,60 0,11 0,06 0,09

TENSO DE VON MISES - TDP


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51

O deslocamento em relao ao ngulo configura a representao do comportamento

peridico, apresentado naFigura 48.

Figura 48: Comportamento do deslocamento em relao ao ngulo.

Para os valores obtidos no grfico da Figura 48, os valores mximo e mnimo

representam os deslocamentos dos pontos A e C, respectivamente.

Simplificou-se a situao de acordo com aFigura 49.Essa simplificao possvel por

ser mais crtica do que a real distribuda na seo transversal (presso externa), pois a carga

aplicada a um nico ponto.

Figura 49: Simplificao das cargas no TDP.


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52

Os valores encontrados para os deslocamentos utilizando as equaes do mtodo de

Castigliano (6.26) e (6.28) foram: e e utilizando a equao (6.31)[24] foram:

e

.

AFigura 50 eFigura 51,representam o comportamento linear da fora em relao ao

deslocamento radial.

Figura 50: Fora em relao ao deslocamento radial no ponto A.

Figura 51:Fora em relao ao deslocamento radial no ponto C.


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53

Ao comparar os grficos, conclui-se que o ponto C possui maior rigidez (K) devido a

sua inclinao, sendo assim o deslocamento radial maior utilizando uma menor solicitao

de fora.

Para evitar a ocorrncia do evento de flambagem local na estrutura, a ovalizao no

poder exceder a 3 %, segundo a norma DNV-OS F101[28]. AFigura 52 mostra o dimetro

mximo e o dimetro mnimo usado para calcular a ovalizao atravs da equao (6.32).

(6.32)

Figura 52: Ovalizao - Dimetro mximo e mnimo [3].

Diante dos valores encontrados anteriormente, conclui-se que o mtodo adotado por

Castigliano para os deslocamentos radiais resultam em uma ovalizao ( maior do que a obtida pela equao (6.31) ( .6.3.3. Deslocamento radial e Ovalizao na seo transversal localizada noTensionador

Os tensionadores da embarcaoAllSeas Solitaire,Figura 18,possuem 4 sapatas cada

(pontos de contato simtricos na seo transversal). A distribuio de foras que atuam na

seo transversal do duto representada naFigura 43 e naFigura 44.As anlises encontram-

se explicitadas no Anexo E.

Tendo em vista que a fora normal (

) calculada no item anterior a soma dos trs

tensionadores e como estes possuem 12 pontos de contato no total, o clculo realizado


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dividindo-se a fora () pelo nmero total de pontos. Portanto, o valor utilizado para clculofoi .

Devido a angulao dos pontos de contato das sapatas com o duto, utilizou-se oconceito da superposio junto equao (6.32) abordada por Timoshenko et al. (1961) para

calcular os deslocamentos radiais.

Desta forma, calcula-se o deslocamento radial na horizontal (ponto A,) e na vertical(ponto C ) de acordo com as equaes (6.33) e (6.34) cujo o comportamento representado naFigura 53.

(6.33)

(6.34)

Figura 53: Deslocamento radial em relao ao ngulo.

Ao analisar o grfico apresentado naFigura 53,o deslocamento radial em relao ao

ngulo caracterizado pelo comportamento peridico com os valores mnimo e mximo em

0 e 90 referentes aos pontos A e C respectivamente.

ATabela 6 resume os valores encontrados para os deslocamentos radiais e ovalizao

no tensionador e no TDP.


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55

Tabela 6: Deslocamentos radiais e ovalizao no tensionador e no TDP.[

m]

[

m]

sem ovalizaoinicial [%]

Tensionador TDP

Os valores apresentados para ovalizao da seo transversal tanto no tensionador

quanto no TDP so menores que o mximo permitido pela norma, portanto os parmetros

esto de acordo com o referente projeto.

importante ressaltar que, por ter desconsiderado os carregamentos ambientais e a

movimentao da embarcao atuando no lanamento, os valores encontrados para a

ovalizao no TDP e no tensionador foram mais baixos do que o esperado.


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Captulo 7

7.Metodologia utilizada pela Norma DNV-OS-F101

A DNV (Det Norske Veritas) apresenta o cdigo OS-F101, cujo objetivo prover um

padro de aceitao internacional de segurana para dutos submarinos. Com o intuito de

garantir a confiabilidade, so definidos requisitos mnimos para projeto como: tipos de

fabricao e materiais, incluindo as fases de instalao, teste e operao, alm de

comissionamento, manuteno e operao de recuperao e abandono de linha.

A norma divide os modos de falha em dois tipos de Estado Limite: Estado Limite

ltimo e Estado Limite de Servio. Os modos de falha abordados neste projeto (flambagem

local e colapso) so classificados como Estado Limite ltimo.

As sees seguintes visam apresentar e avaliar alguns dos critrios desta norma.

Elaborou-se uma planilha de Mathcadpara verificao de ocorrncia da flambagem local e

colapso, a qual encontrada no Anexo F. Entretanto, sero desconsiderados os critrios que

envolvem carregamentos ambientais, presso interna e temperatura.

7.1 Flambagem Localizada

A flambagem localizada implica na deformao excessiva da seo transversal do

duto. Os seguintes critrios devem ser seguidos:

- Colapso do sistema (apenas presso externa);

- Propagao da flambagem (apenas presso externa);

- Critrio de carregamento combinado (interao entre presso internae externa, fora

axial e momento fletor).

7.1.1 Colapso do sistema

A presso externa em qualquer ponto ao longo do duto deve atender aos seguintes

critrios:

(7.1)


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57

Esta falha ocorrer no ponto mais fraco do duto.

Onde:

= Espessura mnima;= Presso externa;= Mnima presso interna que pode ser sustentada. Normalmente igual a zero

para os dutos que j esto acomodados no leito marinho;

= Resistncia caracterstica ao colapso; Fator de resistncia do material. Definido pela referncia [16] seo 5 C203Tabela 5-2; Fator de resistncia por classe de segurana. Definido pela referncia [16] seo

5 C204 Tabela 5-3.

A resistncia caracterstica para a presso externa (colapso) deve ser calculada deacordo com a equao (7.2):

(7.2)Onde:

D = Dimetro nominal externo;

Presso de colapso elstico. Calculada pela equao (7.3);

(7.3)E = Mdulo de elasticidade do material;

= Coeficiente de Poisson;= Presso de colapso plstico. Calculada pela equao (7.4);

(7.4)

= Fator de fabricao.Definido pela referncia [16] seo 5 C307 Tabela 5-5;


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= Tenso de ruptura usada no projeto. Calculada pela equao (7.5);

(7.5)

SMYS =Tenso de escoamento mnima especificada;

= Variao da tenso de escoamento devido temperatura. Para este projeto desconsiderado;= Fator de resistncia do material. Definido pela referncia [16] seo 5 C306

Tabela 5-4;

= Ovalizao. Calculada pela equao(7.6). , Se no utilizar (7.6)A ovalizao causada durante a fase de instalao deve ser considerada enquanto as

oriundas de flexo ou presso externa no.

7.1.2 Propagao de ColapsoA propagao do colapso s pode ser iniciada aps a ocorrncia da flambagem local.

No caso em que a presso externa excede os critrios a seguir, supressores de colapso (buckle

arrestors) devem ser instalados e espaados baseados no custo e nas premissas do projeto. O

critrio de propagao do colapso explicitado a seguir:

(7.7) , sendo 15 45

Onde:

= Presso de resistncia ao colapso propagante.


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7.2 Critrio de Carregamento Combinado

Este critrio subdivide-se em duas condies:

A condio de carga controlada (LCC) que aquela em que a resposta estrutural governada pelas cargas impostas podendo ser usada sempre e em qualquer seo do

duto. O carregamento combinado ser governado pela capacidade mxima de variao

do momento ao longo do duto;

A condio de deslocamento controlado (DCC) aquela em que a resposta estrutural

governada por deslocamentos geomtricos, para uso desta, uma anlise mais profunda

dever ser feita.

Neste projeto ser utilizado o critrio de carregamento controlado com ao de presso

externa, uma vez que as anlises destinam-se a avaliar o duto na fase de instalao sem a

presena de qualquer fluido no interior do mesmo.

7.2.1 Condio de carregamento controlado

As partes de duto que estiverem submetidas ao momento fletor, fora axial efetiva e

presso externa devem satisfazer o seguinte critrio para todas as sees transversais:

(7.7)Aplicada para:

- - -

Onde:

= Presso externa;= Presso interna mnima que pode ser sustentada. Normalmente igual a zero excetoem caso em que a instalao feita com duto preenchido de gua;


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= Presso de colapso caracterstica e deve ser baseada na espessura ;

= Momento fletor de projeto. Calculado pela equao (7.8).

(7.8)Onde:= Momento devido ao carregamento funcional;= Fator de efeito do carregamento para carregamento funcional. Definido pela

referncia [16] seo 4 G303 Tabela 4-4;

= Fator devido ao efeito de carregamento devido condio. Definido pelareferncia [16] seo 4 G304 Tabela 4-5;= Momento devido s cargas ambientais;

= Fator devido s cargas ambientais. Definido pela referncia [16] seo 4 G303Tabela 4-4;

= Momento devido interferncia;

= Momento devido s cargas acidentais;= Fator devido s cargas ambientais. Definido pela referncia [16] seo 4 G303Tabela 4-4;

= Fora axial efetiva de projeto. Calculado pela equao (7.9).

(7.9)

Onde:

= Fora axial funcional;= Fora axial ambiental;= Fora axial de interferncia;

= Fora axial devido aos acidentes.

(momento) e (tenso axial) denotam a capacidade plstica para um duto:


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(7.10)

(7.11)

(7.12)= Tenso de escoamento usada no projeto. Calculada pela equao (7.13). (7.13)

= Tenso de ruptura mnima especificada;= Variao da tenso de ruptura devido temperatura.

= Presso de rompimento;

= Parmetro de tenso causada pela vazo;= Efeito da taxa D/t.7.3 Condio de deslocamento controlado

As partes de duto que estiverem submetidas deformaes longitudinais compressivas(momento fletor e for

avaliação flambagem local verif colapso lançamento dutos rígidos submarinos

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