Sesam : Ferramentas de Análise de Flowlines e Pipelines
João Henrique Volpini MattosEngenheiro NavalRegional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software
Agosto 2012
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Ferramentas de análise de flowlines e pipelines baseadas nas melhores práticas DNV
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Ferramentas de Análise de Pipelines
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Desenvolvidas pela Engenharia de Pipelines da DNV/Noruega, baseadas nas normas e práticas recomendadas DNV.
A partir de 2011, comercializadas e suportadas pela DNV Software.
Aplicações em VBA (Visual Basic for Applications) com interface Excel :- FatFree : DNV-RP-F105- Code Compliance : DNV-OS-F101- StableLines : DNV-RP-F109- Pipeline Engineering Tools (PET) : DNV-OS-F101, DNV-RP-F105 e DNV-RP-F103
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FatFree
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Porque Análise de Vãos Livres Evitar reparos custosos.
Assegurar um transporte estável de óleo ou gas.
Prevenir poluição ambiental.
Otimizar a correção e intervenção no leito marítimo.
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Leito marítimo desigual Vão livre com intervenção Erosão do solo (scour)
Assegurar um transporte estável de óleo ou gas.
Otimizar a correção e intervenção no leito marítimo.
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Terminologia de Vãos Livres
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ombro(spam shoulder)
comprimento do vão(spam length)
altura do vão(spam height / gap)
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Categorias de Vãos Livres Vão curto
- Comportamento similar à vigas- Modo simples de meia onda
Vão longo- Comportamento similar à cabos- Excitação de múltiplos modos
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Analise Antes de Consertar Exemplo típico de dano por fadiga em pipeline.
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Avaliação de Vão Livre - Multidisciplinar Condições ambientais
- Condições do escoamento combinado de ondas e correnteza
- Topografia local
Carregamento- Vibração induzida por vórtices VIV (alinhada e cruzada)- Cargas diretas das ondas e efeitos de proximidade
Resposta estrutural- Interação entre o solo e a tubulação- Não-linearidades (geométricas, propriedades
estáticas/dinâmicas)
Critério de aceitação- Abordagem por curvas S-N (solda, defeitos, …)
VIV- Vivana para análise- FatFree para cálculos de vão livre de acordo com a DNV
RP-F105
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Meta :Estabelecer uma estratégiapara a análise de vãoslivres, definindo um critériode segurança aceitável aum mínimo custo
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DNV-RP-F105 Prover recomendações práticas e
critérios de projeto para a avaliação devãos livres em dutos submarinossubmetidos ao efeito combinado decarregamento de ondas e correnteza.
Combina o conhecimento detalhado emvárias disciplinas :- Hidrodinâmica, VIV e modelos de carre-
gamento- Condições ambientais, estatísticas de longo
prazo- Análise de fadiga- Resposta estrutural, incluindo aspectos geo-
técnicos
Filosofia de segurança de acordo com anorma DNV-OS-F101
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FatFree
Auxiliar a realizar uma análise rápida e segura com relação ao vão máximopermissível.
Auxiliar na decisão sobre a necessidade de corrigir o leito marítimo ouintervir sobre um vão livre.
Reduzir custos através da redução das correções desnecessárias, poispermite vãos maiores quando comparados à outras normas e códigos.
Dois tipos de análises :- Nível I : Critério de fadiga utilizando parâmetros reais do vão e estimativas
simplificadas de frequências e modos de vibração.- Nível II : Critério de fadiga baseado em respostas de autovalores definidos por
análise por elementos finitos.
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FatFree : Folha Principal
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FatFree : Gabarito para Dados de Correnteza
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FatFree : Gabarito para Dados de Ondas
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FatFree : Folha de Plotagem
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FatFree : Folha Multi-Modos
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FatFree : Folha “Span Runs”
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StableLines
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Modos de Falha da Falta de Estabilidade do Duto O duto se move em excesso lateralmente sob a ação de forças
hidrodinâmicas (é o problema mais desafiador e frequente).
O duto flutua na água (importante mas simples).
O duto afunda mais do intencionado no leito marítimo (em geral não é umproblema).
O duto flutua em solo liquefeito quando a intenção original era que ficasseenterrado (relativamente simples mas em algumas ocasiões negligenciado).
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Estabilidade Lateral Forças motrizes
- Arrasto e forças de inércia devidas ao escoamento da água : ondas e correnteza
Forças resistivas- Interação com o solo : fricção mas resistência passiva (devido à penetração).
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Escoamento
O duto irá se mover se as forças motrizes forem maiores que as forças resistivas.O objetivo do projéto é o de assegurar que esta movimentação não será muito grande.
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Forças MotrizesCorrenteza
A velocidade normalmente é medida a uma distância de 2 a 5m acima do leito marítimo :- Magnitude- Direção
No projeto deve ser usada a velocidade média sobre o duto, levando em conta a camada limite e direção.
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Ondas
Em geral os dados fornecidos são (para ondas de superfície) :- Altura da onda (x extremo anual, pode ser
direcional e/ou sazonal)- Período da onda (x extremo anual, pode
ser direcional e/ou sazonal)- Parâmetro de pico do espectro.- Direção (simples decomposição)- Espalhamento
Transformada para velocidade induzida da partícula e período no fundo.
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Direção e Espalhamento da Onda
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Direção principal
Duto
Cristas das ondas
Somente a componente perpendicualr ao duto irá tentar movê-lo.
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Forças de Resistência Em geral consiste de duas partes :
- Fricção pura de Coulomb- Resistência passiva FR devido à penetração.
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Estabilidade de Dutos Submarinos O principal objetivo da análise de estabilidade de dutos apoiados no leito marítimo é
calcular o deslocamento transversal do mesmo devido às forças hidrodinâmicas deondas e correnteza.
A estabilidade vertical do duto também deve ser garantida. Ele não pode nemflutuar (peso próprio vazio x empuxo), e nem afundar demasiada-mente no solo(peso próprio cheio x resistência do solo).
Dados do duto :- Duto vazio com D/t > 29 irá flutuar- O conteúdo tem um grande impacto :• ρágua = 1025kg/m3
• ρóleo = 700-900kg/m3
• ρgás = 0-200kg/m3 (~1kg/m3 por bar)
- Revestimento térmico• Densidade 600-900kg/m3
• Aumento no diâmetro (e carregamento) 50~60mm
- Revestimento de concreto (utilizado para aumentar o peso)• Densidade 1900~3400kg/m3
• Aumento no diâmetro (e carregamento) 40~120mm
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DNV-RP-F109
Fornecer um critério de projeto racionalpara a avaliação da estabilidade de dutossubmarinos sujeitos à ação das ondas ecorrenteza.
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StableLines (1) Baseado na prática recomendada DNV-RP-F109.
Validado, verificado e comparado com resultados de campo para dutos e umbilicais.
Qualquer parâmetro pode ser variado, auxiliando os projetistas a definirem bons critérios para as condições relevantes de seus projetos.
Análises de sensibilidade importantes podem ser executados e reportados automaticamente.
Quatro diferentes tipos de solos : areia, argila, pedra e com fricção definida pelo usuário.
Três métodos de estabilidade lateral são cobertos :- Estabilidade absoluta, nenhum movimento do duto- Estabilidade generalizada, com deslocamento de 0.5xOD ou 10xOD
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StableLines (2) Afundamento do duto no solo ou a utilização de trincheiras são levados em
conta na redução do carregamento.
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Afundamento do duto Trincheira
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StableLines (3)
A sensitividade aos parâmetros de projeto mais críticos são apresentadosem gráficos, permitindo que o projetista perceba as implicações da falta deprecisão com facilidade.
Boas curvas de projeto para a tomada de decisões importantes - como adensidade do concreto do revestimento, o peso requerido como função davelocidade da correnteza ou direção - são apresentadas facilmente, permitindo o projeto com a maior eficiência possível.
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StableLines : Folha Principal
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StableLines : Dados do Duto ou Umbilical
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duto umbilical
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StableLines : Resultados Numéricos
ws Peso real submerso.
wrequired Peso requerido submerso para a estabilidade lateral.
ws,vertical Peso requerido submerso para a estabilidade vertical.
tconc Espessura necessária de concreto para ambas as estabilidades.
tsteel,added Espessura adicional do aço para um duto estável.
tarmour Espessura da armadura do umbilical para atender à estabilidade.
wdry,final Peso quando a espessura da armadura for igual à requerida.
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StableLines : Folha de Plotagem
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StableLines : Folha “Parametric Runs”
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StableLines : Folha de Resultados
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OS-F101 Code Compliance
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DNV-OS-F101 Norma desenvolvida para oferecer critérios e
guias no desenvolvimento conceitual, projeto,construção, operação e abandono de sistemasde dutos submarinos
Assegurar que estes processos sejam segurose conduzidos com cuidado com relação à se-gurança e proteção do meio ambiente
Fornecer um padrão de segurança interna-cionalmente aceitável para sistemas de dutossubmarinos, definindo os requisitos mínimospara cada fase.
Servir como um documento de referência téc-nica em assuntos contratuais entre o contra-tante e a contratada
Servir como um guia para o projetista, contra-tante e contratada
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OS-F101 Code Compliance De acordo com a norma DNV OS-F101.
Code-checks suportados :- Sobre-pressão do sistema em condições de teste e operação- Colapso para o duto vazio- Propagação de flambagem para duto vazio- Cargas geradas por carregamento controlado (momentos, força axial e sobre-
pressão externa/interna)- Cargas geradas por deslocamento controlado (deformação axial e sobre-pressão
externa/interna)
O programa calcula :- Espessura mínima da parede para
as condições dadas- Fator de utilização baseado na
espessura definida pelo usuário.
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Code-Checks de OS-F-101 Code Compliance
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Propagação de flambagem
Colapso (flambagem local)
Explosão por sobre-pressão
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OS-F101 Code Compliance : Tela Principal
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OS-F101 Code Compliance : Relatórios (1)
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Verificação de sobre-pressão (explosão)
Colapso e propagação de flambagem
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OS-F101 Code Compliance : Relatórios (2)
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Verificação carregamento controlado Verificação de deslocamento controlado
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PET
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PET – Pipeline Engineering Tool PET – ferramenta de cálculo para a fase preliminar de projeto de dutos :
- DNV-OS-F101 Design Checks- Pesos e volumes- Deformação das extremidades- Flambagem de Perturbação- Estabilidade On-Bottom- Fatiga (free spam)- Esforço no carretel- Armazenamento em carretel- Instalação J-Lay e S-Lay- Proteção catódica
Relatórios de impressãogerados para cada cálculo
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FatFree, StableLines e,DNV OS-F101 devem ser utilizados em análises mais rigorosas.
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PET : Características Os dados são salvos em um arquivo específico do projeto “projeto.pet”.
Os dados são transportados de módulo para módulo.
A maioria dos dados são definidos nos módulos “DNV-OS-F101” e “Weight & Volume”.
As células em amarelo são dados requeridos que devem ser fornecidos pelo usuário.
Células em negrito e travadas são calculadas pelo programa.
Os cálculos são realizados e os dados salvos assim que deixamos uma célula de dados.
O salvamento significa que o arquivo antigo será sobrescrito. Utilize “save project as ...” quando necessário.
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PET : DNV-OS-F101
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Code-checks suportados :- Sobre-pressão do sistema
em condições de teste e operação
- Colapso- Propagação de flambagem- Cargas geradas por
carregamento controlado Cargas geradas por deslocamento controlado
O programa calcula :- Espessura mínima da parede
para as condições dadas- Fator de utilização baseado
na espessura definida pelo usuário.
Não faz análise de sensibilidade como a DNV-OS-F101 Code Compliance Worksheet
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PET : Peso e Volume Cálculo do volume, massa e
peso dos componentes que constituem o duto, isto é, aço, camadas de revestimento e conteúdo.
Aborção de água pelo concreto pode ser levada em considera-ção.
Estes parâmetros são calcu-lados individualmente e totaliza-dos por metro de duto ou para um comprimento determinado.
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PET : Expansão das Extremidades Cálculo da expansão da extremi-
dade devido à temperatura e pressão interna durante a operação e teste do sistema.
A resistência do solo pode ser informada como um coeficiente de atrito ou uma força de resis-tência axial.
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PET : Flambagem de PerturbaçãoDutos são sujeitos à altas forças decompressão axiais devido à tempera-tura e pressão interna. Para que aflambagem de perturbação ocorra énecessária que o duto tenha umaimperfeição inicial, que aparece típica-mente quando o duto repousa sobreirregularidades no leito marítimo.
O propósito deste módulo é : Estimar o nível de segurança com relação
à flambagem de perturbação.
Predizer a temperatura, pressão interna ealtura da imperfeição que pode disparar aflambagem de perturbação.
Estimar a altura de revestimento paraprevenir a flambagem de perturbaçãocom um nível de segurança determinado.
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PET : Estabilidade On-Bottom Nível de segurança em função
dos dados fornecidos.
Peso requerido do revestimento para assegurar um dado nível de segurança.
Espessura da parede de aço para assegurar um dado nível de segurança.
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Diferentemente do StableLines, neste mó-dulo não são informados dados direcio-nais do metaoceano, mas sim um expoen-te da função de espalhamento.
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PET : Fadiga Cálculo do vão livre (free spam)
permissível considerando o VIV em linha e cruzado de acordo com a DNV-RP-F105.
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Diferentemente do FatFree, neste módulonão são informados dados direcionais(correnteza e ondas são consideradosperpendiculares ao duto).Os resultados foram calibrados para umavida útil mínima de 50 anos, não devendoser utilizados para vida útil menor oufases temporárias.
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PET : Esforço no CarretelMétodo de instalação utilizado paradutos de aço de pequeno diâmetro.
Cálculo da tensão de flexão máxi-ma no carretel de acordo comDNV-OS-F101.
Tensão plástica de deformaçãoacumulada durante o enrolamen-to, desenrolamento, alinhamento etensionamento.
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PET : Armazenamento em Carretel Cálculo do comprimento e massa de
duto em um dado carretel ou bobina, de acordo com :- Restrição de volume ou- Restrição de peso
O número de voltas e de camadas no carretel também é calculado.
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PET : Instalação J-Lay Força axial no topo do pipeline.
Força horizontal no topo do pipeline.
Curvatura e momento máximo.
Distância entre a barcaça e o ponto de toque no fundo.
Comprimento livre do duto.
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Saipem S-7000
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PET : Instalação S-Lay Força axial no topo do pipeline. Tensão no stinger incluindo razão de
utilização de acordo com DNV-OS-F101. Curvatura e momento incluindo razão de
utilização de acordo com DNV-OS-F101. Distância da barcaça ao ponto de toque. Comprimento livre do duto. Raio mínimo horizontal.
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PET : Proteção Catódica Requisitos de anodos calculados de acordo
com DNV-RP-F103 para assegurar :- Material suficiente nos anodos para cobrir a
perda média na vida útil do duto.- Corrente suficiente ao final da vida útil para
despolarização.- Espaçamento máximo.
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Alguns Usuários das Ferramentas
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Safeguarding life, property and the environment
www.dnv.com