sesam : ferramentas de análise de pipelines e flowlines

Sesam : Ferramentas de Análise de Flowlines e Pipelines

João Henrique Volpini MattosEngenheiro NavalRegional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software

Agosto 2012

Presenter

Presentation Notes

Obstáculos no fundo do mar com até 50m de altura. O fundo do mar é muito desigual, com um elevado número de vãos livres. Necessitam de uma grande intervenção que seja razoavel a todos.

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. Slide 2

Ferramentas de análise de flowlines e pipelines baseadas nas melhores práticas DNV

Presenter

Presentation Notes

Esta apresentação irá mostrar como podemos ajudá-lo a tomar as decisões corretas em um projetar viável economicamente, estruturado para condições extremas e gerenciar o seu risco.

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

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


FatFree


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.


Terminologia de Vãos Livres

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ombro(spam shoulder)

comprimento do vão(spam length)

altura do vão(spam height / gap)


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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Presenter

Presentation Notes

2005 na Ásia


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

Presenter

Presentation Notes

All disciplines complex, lot of details, difficult to cover all aspects.


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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Presenter

Presentation Notes

Contém todos os dados de entrada e saída mais importantes, exceto os ambientais.


FatFree : Gabarito para Dados de Correnteza

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Presenter

Presentation Notes

Contém os dados de correnteza. Uma folha para cada zona ambiental.


FatFree : Gabarito para Dados de Ondas

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Presenter

Presentation Notes

Contém os dados de ondas. Várias folhas, uma para cada zona ambiental.


FatFree : Folha de Plotagem

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Presenter

Presentation Notes

Contém os resultados para apresentação gráfica e alguns parâmetros de configuração definiiveis pelo usuário.


FatFree : Folha Multi-Modos

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Presenter

Presentation Notes

Contém informações para modos mais altos de vibração (importados de FEM)


FatFree : Folha “Span Runs”

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Presenter

Presentation Notes

Permite que vários casos de vãos sejam executados de ums só vez.


StableLines


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.


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.


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.


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


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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Presenter

Presentation Notes

Destaque para as seguintes regiões da planilha : Pipeline (pode ser especificado duto ou umbilical) e revestimento Solo e ambiente Ondas e correnteza Área de resultados com os dados e gráficos principais.


StableLines : Dados do Duto ou Umbilical

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duto umbilical


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


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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Presenter

Presentation Notes

DNV-OS-F101 oferece muito mais do que é calculado na planilha


Code-Checks de OS-F-101 Code Compliance

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Propagação de flambagem

Colapso (flambagem local)

Explosão por sobre-pressão


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


OS-F101 Code Compliance : Relatórios (2)

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Verificação carregamento controlado Verificação de deslocamento controlado


PET


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.

Presenter

Presentation Notes

Planilhas integradas, isto é, os dados de uma vão para outra.


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


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.


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.


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

Presenter

Presentation Notes

Este tipo de instalação é utilizado em águas profundas. Cálculo da catenária aproximado. Não utilizar em águas rasas.


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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Presenter

Presentation Notes

Maiores diâmetros, profundidades convencionais. O ponto de inflexão é tomado como sendo no ponto onde o pipeline sai do stinger. Isto é uma simplificação aproximada. O cálculo é feito baseado em um comportamento de catenária entre o ponto de inflexão e o ponto de toque e será impreciso em águas rasas.


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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Presenter

Presentation Notes

O principal meio de proteção contra a corrosão é o revestimento do duto, que deve ser de altíssima qualidade. Os anodos de sacrifíco são um backup para cobrir eventuais falhas no revestimento ou danos ao mesmo.


Alguns Usuários das Ferramentas

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Safeguarding life, property and the environment

www.dnv.com

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