Sesam : Ferramentas de Análise de Pipelines e Flowlines

Sesam : Ferramentas de Análise de
Flowlines e Pipelines
João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
Regional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software

Agosto 2012

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

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

Ferramentas de Análise de Pipelines

 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.

Leito marítimo desigual Vão livre com intervenção Erosão do solo (scour)


Terminologia de Vãos Livres

altura do vão
comprimento do vão (spam height / gap)
ombro (spam length)
(spam shoulder)


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


Analise Antes de Consertar
 Exemplo típico de dano por fadiga em pipeline.


Avaliação de Vão Livre - Multidisciplinar
 Condições ambientais Meta :
- Condições do escoamento combinado de ondas e Estabelecer uma estratégia
correnteza
para a análise de vãos
- Topografia local
livres, definindo um critério
 Carregamento de segurança aceitável a
- Vibração induzida por vórtices VIV (alinhada e cruzada) um mínimo custo
- 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


DNV-RP-F105
 Prover recomendações práticas e
critérios de projeto para a avaliação de
vãos livres em dutos submarinos
submetidos ao efeito combinado de
carregamento de ondas e correnteza.
 Combina o conhecimento detalhado em
várias 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 a
norma DNV-OS-F101


FatFree

 Auxiliar a realizar uma análise rápida e segura com relação ao vão máximo
permissível.
 Auxiliar na decisão sobre a necessidade de corrigir o leito marítimo ou
intervir sobre um vão livre.
 Reduzir custos através da redução das correções desnecessárias, pois
permite 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.


FatFree : Folha Principal


FatFree : Gabarito para Dados de Correnteza


FatFree : Gabarito para Dados de Ondas


FatFree : Folha de Plotagem


FatFree : Folha Multi-Modos


FatFree : Folha “Span Runs”


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 um
problema).
 O duto flutua em solo liquefeito quando a intenção original era que ficasse
enterrado (relativamente simples mas em algumas ocasiões negligenciado).


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).

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 Motrizes
Correnteza Ondas
 A velocidade normalmente é medida a  Em geral os dados fornecidos são
uma distância de 2 a 5m acima do leito (para ondas de superfície) :
marítimo : - Altura da onda (x extremo anual, pode ser
- Magnitude direcional e/ou sazonal)
- Direção - Período da onda (x extremo anual, pode
ser direcional e/ou sazonal)
 No projeto deve ser usada a velocidade - Parâmetro de pico do espectro.
média sobre o duto, levando em conta - Direção (simples decomposição)
a camada limite e direção. - Espalhamento

 Transformada para velocidade induzida
da partícula e período no fundo.


Direção e Espalhamento da Onda
Somente a componente
Duto perpendicualr ao duto irá
tentar movê-lo.

Direção principal

Cristas das ondas


Forças de Resistência
 Em geral consiste de duas partes :
- Fricção pura de Coulomb
- Resistência passiva FR devido à penetração.


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 de
ondas e correnteza.
 A estabilidade vertical do duto também deve ser garantida. Ele não pode nem
flutuar (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


DNV-RP-F109

 Fornecer um critério de projeto racional
para a avaliação da estabilidade de dutos
submarinos sujeitos à ação das ondas e
correnteza.


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


StableLines (2)
 Afundamento do duto no solo ou a utilização de trincheiras são levados em
conta na redução do carregamento.

Afundamento do duto Trincheira


StableLines (3)
 A sensitividade aos parâmetros de projeto mais críticos são apresentados
em gráficos, permitindo que o projetista perceba as implicações da falta de
precisão com facilidade.
 Boas curvas de projeto para a tomada de decisões importantes - como a
densidade do concreto do revestimento, o peso requerido como função da
velocidade da correnteza ou direção - são apresentadas facilmente,
permitindo o projeto com a maior eficiência possível.


StableLines : Folha Principal


StableLines : Dados do Duto ou Umbilical

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.


StableLines : Folha de Plotagem


StableLines : Folha “Parametric Runs”


StableLines : Folha de Resultados


OS-F101 Code Compliance


DNV-OS-F101
 Norma desenvolvida para oferecer critérios e
guias no desenvolvimento conceitual, projeto,
construção, operação e abandono de sistemas
de dutos submarinos
 Assegurar que estes processos sejam seguros
e conduzidos com cuidado com relação à se-
gurança e proteção do meio ambiente
 Fornecer um padrão de segurança interna-
cionalmente aceitável para sistemas de dutos
submarinos, definindo os requisitos mínimos
para 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


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.


Code-Checks de OS-F-101 Code Compliance
Explosão por sobre-pressão

Colapso (flambagem local)

Propagação de flambagem


OS-F101 Code Compliance : Tela Principal


OS-F101 Code Compliance : Relatórios (1)

Colapso e propagação de flambagem

Verificação de sobre-pressão (explosão)


OS-F101 Code Compliance : Relatórios (2)

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 impressão
gerados para cada cálculo
FatFree, StableLines e,
DNV OS-F101 devem ser utilizados em
análises mais rigorosas.


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.


PET : DNV-OS-F101
 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.


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.


PET : Flambagem de Perturbação
Dutos são sujeitos à altas forças de
compressão axiais devido à tempera-
tura e pressão interna. Para que a
flambagem de perturbação ocorra é
necessária que o duto tenha uma
imperfeição inicial, que aparece típica-
mente quando o duto repousa sobre
irregularidades no leito marítimo.

O propósito deste módulo é :
 Estimar o nível de segurança com relação
à flambagem de perturbação.
 Predizer a temperatura, pressão interna e
altura da imperfeição que pode disparar a
flambagem de perturbação.
 Estimar a altura de revestimento para
prevenir a flambagem de perturbação
com um nível de segurança determinado.


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.

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.

Diferentemente do FatFree, neste módulo
não são informados dados direcionais
(correnteza e ondas são considerados
perpendiculares ao duto).
Os resultados foram calibrados para uma
vida útil mínima de 50 anos, não devendo
ser utilizados para vida útil menor ou
fases temporárias.


PET : Esforço no Carretel
Método de instalação utilizado para
dutos de aço de pequeno diâmetro.

 Cálculo da tensão de flexão máxi-
ma no carretel de acordo com
DNV-OS-F101.
 Tensão plástica de deformação
acumulada durante o enrolamen-
to, desenrolamento, alinhamento e
tensionamento.


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.


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.

Saipem S-7000


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.


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.


Alguns Usuários das Ferramentas


Safeguarding life, property
and the environment

www.dnv.com


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