Projeto de linhas flexíveis

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Projeto de linhas flexíveis
Dezembro 2004 - Coppe
Jean-Paul Ferraz
Sumário
Documentação de projeto
Seqüência de projeto
Aplicações
Tipos de tubos flexíveis
Camada por camada
Projeto de flexíveis
2
Projeto de tubos flexíveis - Documentação
Documentação de projeto
Î Documentação contratual
z
z
z
z
Carta convite
Edital
Requisição de Material (RM)
Especificações técnicas (ET)
Î Especificações técnicas do cliente
z
z
z
z
z
z
Das estruturas (diâmetro, aplicação, condições)
Dos fluidos escoados
Dos dados ambientais (onda, corrente, vento, etc.)
De análises globais e locais
De análise de fadiga
De qualificação (testes)
Î Normas aplicáveis
z Internacionais: API 17J, API 17B, DNV, ISO
z Petrobras: N-2409
3
Projeto de tubos flexíveis – Seqüência de projeto
Seqüência de projeto
Î Convite, Edital junto com todos os requisitos técnicos do cliente
Î Proposta técnico-comercial > estruturas definidas
Î Qualificação > realização de testes de qualificação
Î Engenharia de detalhe > emissão de relatórios de projeto
4
Projeto de tubos flexíveis
Testes de qualificação
Î Colapso
Î Pressão interna, explosão
Î Tração + pressão interna
Î Compressão mecânica radial
Î Teste de fadiga
Projeto de tubos flexíveis – Aplicações
Aplicações
Î Flowline (aplicação estática)
Î Riser dinâmico
Î Riser estático
6
Projeto de tubos flexíveis – Aplicações
7
Projeto de tubos flexíveis – Tipos de tubos flexíveis
Rough bore: fluido contendo gás (produção de óleo, gás, etc.)
Smooth bore: fluido sem gás (injeção de água, etc.)
8
Tubos flexíveis particulares
Î Estruturas 55°
Î Estruturas com isolamento térmico
Î Umbilicais (controle hidráulico, injeção química)
Î ISU (Integrated Service Umbilical)
Î IPB (Integrated Production Bundle)
9
Estruturas 55°
z Sem armadura de pressão
z Aplicação limitada a pressões de projeto inferiores
a 2500 psi (riser) & 3000 psi (flowline)
z Estruturas apropriadas para serem enterradas
(problemas de estabilidade, etc.)
10
Estruturas com isolamento
térmico
Î evitar formação de parafina,
hidrátos
Î Garantir uma temperatura de
chegada na planta de
processo
Î Favorecer o escoamento
11
Umbilicais
12
ISU®
Î Núcleo: tubo flexível comum
Î Arranjo: mangueiras de injeção
e/ou control, cabos elétricos, etc.
13
IPB
Capa externa
Isolamento
Arranjo de componentes
Tubo flexível comum
14
Projeto de tubos flexíveis – Camada por camada
Carcaça
Rough Bore.
fabricação
Resistência ao colapso
15
Carcaça
Î Função
z Resistir ao colapso hidrostático
z Resistir às compressões mecâncicas radiais
Î Material
z Aço inoxidável (304, 304L, 316L, duplex, etc.)
Î Os principais parâmetros para a seleção do grau do aço (preocupação com a
corrosão):
z
z
z
z
z
z
Pressão e temperatura máximas de projeto
Teor de CO2
Teor de H2S
Presença de água (Water Cut)
Teor de cloretos nessa água
pH da água ou composição iônica
16
Tensionadores
17
18
Tensionadores (cotinuação)
Camada de
pressão
fabricação
Estanqueidade e transmissão do esforço
da pressão interna
19
Camada de pressão
Î Função
z Assegurar a estanqueidade interna
Î Os principais materiais, selecionados em função de
temperatura, pressão, fluidos, etc. :
z Polietileno (água / gás e óleo dependendo de temperatura e
pressão)
z Crossflex® (água / gás e óleo dependendo de temperatura e
pressão)
z Rilsan® (poliamida 11) (gás e óleo, limitações dependendo de
temperatura, pressão, presença de água e seu pH)
z Coflon® / Gamma-flex® (gás e óleo, altas pressões &
temperaturas)
20
21
Camada de pressão (continuação)
Î Os principais parâmetros para a seleção dos materiais
(preocupações: compatibilidade química, envelhecimento):
z Pressão e temperatura de projeto
z Pressão e temperatura de operação
z Presença de água (Water Cut, vapor, etc.)
z Teor de CO2
z Teor de H2S
z Composição iônica da água ou pH
z Vida útil da linha
z Especificação de todos os produtos químicos injetados (álcoois, ácidos,
inibidores de corrosão, etc.) estipulando composição química,
concentração, freqüência de injeção e temperatura.
Armadura
de pressão
fabricação
Resistência à pressão interna
22
Armadura de pressão
Î Função
z Resistir a pressão interna
z Resistir ao colapso hidrostático (smooth bore)
z Resistir às compressões mecâncicas radiais
Î Material
z Aço (vários graus disponíveis)
Î Os principais parâmetros para a seleção do grau do aço (preocupação com a
corrosão):
z
z
z
z
z
z
z
Pressão e temperatura de operação
Teor de CO2
Teor de H2S
Teor de água
Composição molar do fluido
Temperatura externa
Vida útil da linha
23
Armaduras
fabricação
Resistência à tração axial
24
Armaduras
Î Função
z Resistir aos esforços axiais
Î Material
z Aço carbono ou liga (vários graus disponíveis)
Î Os principais parâmetros (preocupação: corrosão):
z Pressão e temperatura de operação
z Teor de CO2
z Teor de H2S
z Teor de água
z Composição molar do fluido
z Temperatura externa
z Vida útil da linha
25
Capa externa
Estanqueidade externa
26
Capa externa
Î Função
z Assegurar a estanqueidade
z Proteger as camadas internas (corrosão, etc.)
Î Material
z Rilsan® (poliamida) ou TP-flex
z Polietileno
Î Os principais parâmetros para seleção do polímero
z Aplicação dinâmica > poliamida ou TP-flex
z Aplicação estática > Polietileno
27
Outras camadas
z Anti-desgaste (aplicação dinâmica) >
evitar desgaste das camada
metálicas
z Fitas acima das armaduras >
fabricação, resistir a compressão
axial devida ao efeito de fundo
negativo
28
Outras camadas (continuação)
z Tubo interno (smooth bore) >
estanqueidade interna
z Camada anti-colapso (smooth bore)
> transmitir a pressão externa para
a armadura de pressão
29
Projeto de tubos flexíveis – Fluxograma de projeto
30
Fluxograma de projeto
Estrutura preliminar
Projeto de enrijecedor
preliminar
Análises Globais
Análise local de tensões
redimensionar
camadas metálicas
N
Análise de efeito de fundo
inverso
Definição das
fitas sobre as
armaduras
critério
ok ?
S
Análise de fadiga
N
critério
ok ?
S
FIM
N
Redefinir classes de
onda ou enrijecedor
Projeto de tubos flexíveis – Estrutura preliminar
Estrutura preliminar
Î Materiais das camadas compatíveis com os fluidos escoados
Î Núcleo (carcaça, zeta, etc.) que atende o critério de colapso
Î Zeta/espiral/armaduras que atendem pressão de projeto
Î Armaduras compatíveis com tração axial e pressão interna
Î Armaduras e fitas que atendem efeito de fundo negativo e flambagem
lateral
Î Núcleo compatível com esforços de lançamento
31
Projeto de tubos flexíveis - Colapso
Colapso
Î As camadas que resistem a pressão externa: carcaça, armadura de
pressão (zeta, teta, psi, espiral)
Î Dois tipo de colapso: ovalização ou coração
Î Modelo e correlação com testes
32
Î Colapso em coração
33
Projeto de tubos flexíveis – Efeito de fundo inverso
Efeito de fundo inverso
Î Diferencial de pressão > compressão axial
Î Se a capa externa estiver danificada, uma “gaiola de passarinho” pode
se formar
Î Utiliza-se fitas de alta resistência (poliéster, Kevlar®) para manter as
armaduras organizadas
34
Î Gaiola de passarinho
35
Projeto de tubos flexíveis - Instalação
36
Compressão mecânica radial durante a instalação
Î Lançamento com tensionadores
Î Passagem por rodas ou calhas
Î Camadas que resistem: carcaça, armadura de pressão (zeta, teta, psi,
espiral)
Î Combinação de esforços: aperto do núcleo pelas armaduras em traçao
+ compressão localizada dos tensionadores / rodas / calhas
Î Cálculo com programa PARABAQ (baseado no ABAQUS)
Î Critérios: tensões nas camadas, deformação radial (API 17J / N-2409)
Instalação
Sistema de lançamento horizontal
Passagem na
“gutter” ou na roda
c/ um determinado raio
Passagem nos
tensionadores ou num
colar hidráulico
Tração de lançamento
38
Instalação (continuação)
Sistema de lançamento vertical
Passagem nos
tensionadores
Tração de lançamento
39
Î Tensionador
40
Î Roda
Critérios API
41
Projeto de tubos flexíveis – Análises globais
Análises globais
Î Objetivos
z Simular o comportamento estático e dinâmico do tubo flexível
z Averiguar a adequação da configuração selecionada (free hanging, pliant
wave, etc.)
z Determinar os esforços e deformações aos quais será submetido
Î Programas de elementos finitos
z Deeplines
z Flexcom
z Orcaflex
Î Casos de análise
z Análises estáticas: GS
z Análises dinâmicas: GD
42
Dinâmico
43
Algumas configurações de risers dinâmicos
Casos de análises estáticas
45
Casos de análises dinâmicas
46
Projeto de tubos flexíveis – Análises globais
Análises globais (continuação)
Î Dados de entrada
z
z
z
z
Correnteza
Onda
Deslocamento da plataforma
Movimentos dinâmicos do sistema flutuante ou da embarcação de lançamento
Î Modelo
Î Dados de saída
z
z
z
z
z
z
Deformadas (estáticas & dinâmicas)
Força de topo
Ângulos
Compressão no “Touch Down Point” (TDP)
Curvaturas
Comprimentos suspensos
Î Análises de interferência
47
Perfil de corrente
48
Onda
Î Abordagem onda regular (Airy)
z A onda é definida por uma altura máxima (Hmax) e un período associado
(Tmax)
z A elevação da onda é senoidal, da forma η = η0 cos (ωt)
Î Abordagem irregular (mais representativo de um estado de mar real)
z A onda é definida por uma altura significativa (Hs) e períodos (Tp ou Tz)
e um espectro de energia (por exemplo de Jonswap)
z A elevação da onda é representada por uma soma de várias ondas
regulares
49
50
Movimentos dinâmicos de um sistema flutuante (plataforma, navio de
lançamento, etc.)
Î Graus de movimento definido por um RAO (Response Amplitude
Operator)
Î 3 translações (surge, sway e heave)
Î 3 rotações (roll, pitch e yaw)
Î Os movimentos são definidos com relação a um ponto determinado
(CM: Centro de movimento)
Î Cada movimento descrito por ξ = ξ0 cos (ωt + ϕ)
z Onde ω = 2π / T, T o período da onda, ϕ a defasagem entre movimento e
onda
51
COM
52
Modelo Deeplines
Deformadas estáticas
54
Deformadas dinâmicas
55
Força de topo
56
Ângulos
57
Curvatura ao longo da linha
58
Análise de interferência
59
Projeto de tubos flexíveis - Enrijecedor
Enrijecedor
Î Função
z Restringir curvaturas no flexível
z Assegurar uma transição de
rigidez suave
Î Construção
z Cone de poliuretano
z Dimensões definidas em função
dos envelopes de forças e
ângulos de topo
60
Projeto de tubos flexíveis - Enrijecedor
Enrijecedor (continuação)
Análise dinâmica
∆θ / T
Programa BENDING
∆θ
Curvatura
T
∆θ
F
61
Projeto de tubos flexíveis – Análises locais
Análises locais de tensão e deformações
Î Análise axi-simétrica
Î Programa EFLEX
Î Casos LS (RM)
Î Dados de entrada
z
z
z
z
Pressões interna / externa
Força axial (tração ou compressão)
Torque
Rotação
Î Dados de saída
z Tensões nas camadas
z Deformações axiais & radiais
62
Análises locais de tensão
63
Projeto de tubos flexíveis – Análises de fadiga
Análises de fadiga
Î Mecanismo
z Carregamento cíclico: variações de curvatura e força de topo ⇒ falha por
fadiga
Î Camadas afetadas
z Armadura de pressão (zeta, teta, espiral)
z Armaturas de tração
Î Programas
z Armadura de pressão > SLPM
z Armaduras de tração > LIFE
64
Análise de fadiga (continuação)
Classe 1:
H = 3.75
T=9.9
N= Soma das ondas
Î Ocorrência de ondas individuais
Î Divisão em classes de ondas
65
Análise dinâmica
para encontrar ∆T0, ∆θ0
para cada classe
Deeplines
⇒
Determinação da
variação de curvatura
(∆C 0) dentro do enrijecedor
(Bending)
⇓
Cálculo da vida do tubo
(LIFE / SLPM)
> Vida requerida,
ok
< Vida requerida,
redimensionar
estrutura ou
enrijecedor
66
Î Dados de saída
z SLPM
z LIFE, diagrama de Haigh
67

Projeto de linhas flexíveis

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