ANLISE COMPARATIVA DE CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE RISERS

RGIDOS

Leile Maranho Froufe

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOS

PROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA

OCENICA.

Aprovada por:

________________________________________

Prof. Theodoro Antoun Netto, Ph.D.

________________________________________

Prof. Ilson Paranhos Pasqualino, D.Sc.

________________________________________

Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.

________________________________________

Dr. Lus Alberto DAngelo Aguiar, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

JUNHO DE 2006

ii

FROUFE, LEILE MARANHO

Anlise Comparativa de Critrios de Dimen-

sionamento de Risers Rgidos [Rio de Janeiro]

2006

IX, 204p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Ocenica, 2006)

Dissertao Universidade Federal do Rio

de Janeiro, COPPE

1. Critrios de Dimensionamento de Risers Rgidos

2. Modos de Falha em Risers Rgidos

3. Formulaes das Normas para Risers Rgidos

I. COPPE/UFRJ II.Ttulo (Srie)

iii

Dedico este sonho....

Ao meu pai, que nunca freqentou uma faculdade, mas sempre nos incentivou a

estudar. A voc (in memorian) sempre meu carinho, admirao e agradecimento,

pelas lgrimas que eu ganhei quando voc soube que eu havia apenas passado na

primeira fase do Vestibular...era s o incio.

minha me, professora e educadora das crianas de outras mes. A voc meu

reconhecimento por ter sempre sido a melhor professora, esposa, companheira e me

do mundo, se dando de corpo e alma a todos ns filhos e alunos.

A ambos, meu reconhecimento e carinho pela forma como fomos educados.

Ao meu irmo e minha irm, que sempre celebraram minhas vitrias. Tenho certeza

de que estaro celebrando mais esta. E, afinal, porque irmos so presentes eternos.

Aos meus cunhados, sobrinha, primos, primas, tios e tias porque a vida sem famlia ,

no mnimo, sem emoo.

Aos amores da minha vida, meus presentes de Deus, as melhores coisas do mundo:

meu namorado Rodrigo e minha filha Giulia, porque vocs preenchem a minha vida,

porque aqui est dedicado o tempo que no pude dedicar a vocs e porque por vocs

e para vocs eu sempre darei o melhor de mim e sempre procurarei ser melhor a cada

dia. Amo vocs.

noite e madrugada, pois sem elas boa parte desta tese no existiria. J que, como

diz a minha filha: Mame, no que quando t na hora do Sol e voc no t

trabalhando, voc fica comigo? No mame? No ?

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus e a Nossa Senhora, protetora das mes.

minha me e ao meu pai que me permitiram e sempre me incentivaram a estudar.

Ao Rodrigo, pelas ajudas tecnolgicas, pelo incentivo, pelo apoio, por boa parte das

referncias bibliogrficas, por me aturar e por me desestressar.

Aos amigos Pat (ABS), Deborah (Suporte), Diego (ABS), Astrid (Projemar), Theo (LTS)

e Adriana (LTS) que nunca me deixaram desistir desta tese.

amiga Chris (ABS) pelas dicas na fadiga. amiga Claudinha Claro pelas ajudas de

ltima hora.

A Tuanjie Liu do ABS Houston, quem s conheo por e-mail, por todas as dicas

fornecidas e pela ajuda nas normas do ABS.

Ao meu orientador Theodoro, que no tendo sido apenas o meu amigo Theo, me

mostrou a sua e a minha capacidade. O meu amigo no me deixou desistir e me

ajudou no meu tema e o meu orientador me mostrou o trabalho duro a ser feito e

atravs dele, me fez aprender.

Aos professores e profissionais com idias e projetos maravilhosos, Srgio Sphaier e

Tatalo, por sempre terem acreditado e confiado em mim. Embora, infelizmente, eu no

possa ter seguido a hidrodinmica de vocs.

Zlia, minha me preta e bab da Giulia, pois se em vrios momentos ela no

estivesse cuidando e brincando com a Giulia pra mim, eu nunca teria conseguido.

Aos dias nublados e chuvosos, que me ajudaram a no olhar pela janela e ter vontade

de sair correndo para a praia!

Ao meu chefe Pricles, meu casamento de quase 15 anos, meu brao direito e

exemplo profissional: a voc minha admirao pelo profissional que , sabendo manter

a tranqilidade no caos, e a voc meus agradecimentos por tudo de profissional neste

tempo todo e ainda, pessoalmente, por ajudar a minha me a tomar conta de mim.

Meu sincero muito obrigada, pois sei que para a realizao deste projeto pessoal

voc foi o maior atingido pela minha ausncia no trabalho. Eu compenso!

Ao meu irmo Lus Cludio, Engenheiro Florestal, D.Sc. em Produo Vegetal, digo

assim, um estudioso nato, pelo apoio moral nas minhas horas de maior desespero,

tentando sem dvida me acalmar: Relaxa... Se Deus tivesse tentado defender uma

tese de seu grande trabalho (a criao da humanidade), ele teria sido reprovado com

certeza: ela no tem ttulo, no tem referncias bibliogrficas, no tem ndice, no tem

sumrio e nem mesmo orientadores ou banca. Pensa assim: se Ele pode ser

reprovado, voc tambm pode sem vergonha nenhuma.

v

AGRADECIMENTO ESPECIAL

minha pequena-grande Giulia que com apenas 4 anos teve grande participao

nesta tese, seja me fazendo companhia nos fins de semana e feriados de pijama,

seja me ajudando a colorir as referncias bibliogrficas, seja me ajudando a

datilografar meu texto, seja tendo apenas curtido ou assegurado o fato de eu estar ali,

o dia todo, sentadinha ao alcance dos olhos dela, ou ainda, seja me mostrando como

a vida pode ser simples sempre.

Depois de todos esses meses tentando estudar tudo sobre colapso de dutos rgidos,

voc, em apenas alguns traos, conseguiu simplificar tudo.

A voc, Fofinha, meu agradecimento pela sua participao mais do que especial em

tudo na minha vida.

Fig.001 Colapso na verso da Giulia

vi

Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

ANLISE COMPARATIVA DE CRITRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE RISERS

RGIDOS

Leile Maranho Froufe

Junho/2006

Orientador: Theodoro Antoun Netto

Programa: Engenharia Ocenica

Os sistemas de risers so constitudos basicamente de tubos que conectam

uma unidade flutuante a poos no fundo do mar, rvore de natal ou manifolds, e

transportam leo, gua, gs ou misturas. Durante as fases de instalao e operao,

os mesmos esto sujeitos a diferentes carregamentos. Tendo em vista estes

carregamentos, a resistncia dos risers pode ser analisada para os modos de falha de

ruptura, colapso, propagao de colapso e fadiga. Existem diferentes formulaes em

diferentes normas para avaliao da resistncia dos risers a estes modos de falha. O

objetivo desta dissertao avaliar as expresses e os requisitos aplicveis das

normas existentes, comparando os resultados obtidos atravs das suas formulaes

com resultados experimentais, analticos e/ou numricos disponveis e com

formulaes tericas disponveis na literatura. Ao final so propostas estimativas para

os fatores de segurana e analisadas as discrepncias entre cada norma. Anlises

so realizadas de forma a avaliar comparativamente o grau de conservadorismo das

diferentes normas e as incertezas obtidas em cada estimativa proposta.

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

COMPARATIVE ANALYSIS OF DESIGN CRITERIAS FOR RIGID RISERS

Leile Maranho Froufe

June/2006

Advisor: Theodoro Antoun Netto

Department: Ocean Engineering

The risers systems are basically formed by tubular elements, which connect the

floating unity to sub sea wells, christmas trees or manifolds, in order to transport oil,

water, gas or mixtures. During the installation and operation phases, the risers are

subject to different types of loads. Aiming these loadings, the riser strength can be

analyzed for different failure modes, such as collapse, propagation buckle and fatigue.

There are different formulations in different codes for the evaluation of the risers

strength with respect to these failure modes. The objective of this thesis is to evaluate

the expressions and applicable requirements from the existing codes, comparing the

obtained results with the experimental ones, as well as, the analytical and/or numeric

ones available in the literature. Additionally, at the end of this study, some safety

factors are proposed and also some discrepancies among each code are analyzed.

Analyses are performed in order to compare the conservatism degree among different

codes and the uncertainty obtained in each proposed estimate.

viii

NDICE

1 INTRODUO 1 1.1 Objetivo e Importncia da Dissertao 2 1.2 Metodologia 2 1.3 Motivao 3 1.4 Estrutura da Dissertao 4

2 REVISO BIBLIOGRFICA 5

2.1 Carregamentos e Modos de Falha 5 2.2 Ruptura 5 2.3 Colapso 9 2.4 Propagao de Colapso 14 2.5 Fadiga 20 2.6 Anlise dos Resultados 24 2.7 Normas 26

2.7.1 American Bureau of Shipping 26 2.7.2 Det Norske Veritas 29 2.7.3 American Petroleum Institute 33 2.7.4 Comparao entre as Normas 35

3 RUPTURA 36

3.1 Introduo 36 3.2 Presso de Ruptura das Normas 37 3.3 Presso de Ruptura obtida a partir de Modelo Analtico 41 3.4 Presso de Ruptura obtida a partir de Modelo Numrico 43 3.5 Presso de Ruptura obtida a partir de Testes Experimentais 43 3.6 Comparao entre Resultados Experimentais, Analticos, Numricos e Normas 44 3.7 Critrios de Dimensionamento das Normas 47 3.8 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Ruptura das Normas 50 3.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Experimentais, Numricos e Analticos 53 3.10 Anlise dos Resultados 55 3.11 Concluses e Recomendaes 57

4 COLAPSO 59

4.1 Introduo 59 4.2 Presso de Colapso obtida a partir de Testes Experimentais 61 4.3 Presso de Colapso obtida a partir de Modelo Numrico 62 4.4 Presso de Colapso obtida a partir de Modelo Analtico 63 4.5 Presso de Colapso das Normas 63 4.6 Comparao entre Resultados Experimentais, Numricos, Analticos e Normas 70 4.7 Verificao da Influncia da Ovalizao para os Casos de Presso Pura 74 4.8 Critrios de Dimensionamento das Normas 75 4.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Colapso das Normas 76

ix

4.10 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Experimentais, Numricos e Analticos 78 4.11 Anlise dos Resultados 81 4.12 Consideraes sobre os Casos Presso-Flexo 82 4.13 Concluses e Recomendaes 87

5 COLAPSO PROPAGANTE 89

5.1 Introduo 89 5.2 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Testes Experimentais 92 5.3 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Modelo Numrico 94 5.4 Presso de Propagao de Colapso obtida a partir de Modelo Analtico 95 5.5 Presso de Propagao de Colapso Terica obtida na Literatura 95 5.6 Presso de Propagao das Normas 100 5.7 Comparao entre Resultados Experimentais, Numricos, Analticos, Literatura e Normas 103 5.8 Critrios de Dimensionamento das Normas 114 5.9 Comparao entre os Critrios de Dimensionamento e os Resultados Obtidos para as Presses de Propagao de Colapso das Normas 116 5.10 Comparao entre o Colapso e a Propagao de Colapso 123 5.11 Anlise dos Resultados 127 5.12 Concluses e Recomendaes 131

6 FADIGA 132

6.1 Introduo 132 6.2 Anlise dos Fatores de Segurana das Normas 136 6.3 Anlise das Curvas S-N 138

6.3.1 Curvas S-N das Normas 138 6.3.2 Resultados Numricos e Algoritmos 143 6.3.3 Resultados Experimentais 144 6.3.4 Comparao entre as Normas e os Resultados Numricos, Algoritmos e Experimentais 145

6.4 Concluses 155 7 CONCLUSES E RECOMENDAES FINAIS 156

7.1 Comparao Geral entre as Normas 156 7.2 Ruptura 157 7.3 Colapso 158 7.4 Propagao de Colapso 159 7.5 Fadiga 159 7.6 Ordem de Grandeza dos Fatores de Segurana Estimados 160 7.7 Anlise dos Resultados 161 7.8 Recomendaes para Trabalhos Futuros 161 7.9 Notas Gerais 162

8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 164 APNDICE 172

1

1 INTRODUO

Os sistemas de risers so constitudos basicamente de tubos que conectam

uma unidade flutuante a poos no fundo do mar, rvore de natal ou manifolds, e

transportam leo, gua, gs ou misturas.

Os risers podem ser flexveis ou rgidos, ou mesmo uma combinao entre os

dois tipos e constituem uma parte considervel dos custos totais nos campos de

explorao de petrleo, os quais esto relacionados aos custos de fabricao,

instalao e manuteno, por exemplo. No caso de risers rgidos de ao, o custo do

ao em si est essencialmente relacionado s suas dimenses, ou mais

especificamente, sua espessura (para um dado material e dimetros definidos).

Assim, uma reduo na espessura reduz os custos de ao otimizando assim o projeto,

de forma que a espessura seja a mnima possvel, mas ainda assim fornea

resistncia necessria ao duto. Adicionalmente reduo de custos, linhas mais

esbeltas so mais leves e, em conseqncia disto, apresentam maior agilidade na

instalao.

Por outro lado, para um dado dimetro, que est diretamente relacionado

vazo necessria do fluido e material pr-definidos, a espessura da parede do duto

essencialmente a grandeza que define a sua resistncia, devendo ser suficientemente

otimizada. Portanto, critrios de projeto devem ser aplicados de forma a obter a

espessura tima, ou de forma genrica, a melhor relao dimetro/espessura (D/t),

que fornecer a resistncia necessria, com custos otimizados.

De forma geral, tratando-se de cargas operacionais, os dutos submarinos devem

ser projetados para satisfazer os requisitos funcionais devidos aos carregamentos

correspondentes ao meio interno (fluido sendo transportado), ao meio externo, cargas

ambientais oriundas de ondas e correntes e movimentos da unidade flutuante durante

a vida til de projeto.

A fase de instalao tambm uma fase crtica no projeto dos risers. Durante a

instalao, alm do carregamento combinado de flexo e presso externa, o duto est

sujeito trao axial exercida pela embarcao de lanamento para evitar a

flambagem prematura da linha (colapso) devida curvatura excessiva. O estado de

tenses gerado por esta condio de carregamento deve ser mantido, com fatores de

segurana adequados, abaixo do correspondente resistncia limite do duto.

Tendo em vista os carregamentos indicados acima, durante operao e

instalao, a resistncia dos risers pode ser analisada para os seguintes modos de

falha bsicos: ruptura, colapso, propagao de colapso e fadiga, os quais esto

apresentados nesta dissertao.

2

possvel encontrar na literatura critrios de dimensionamento para estes

modos de falha, bem como formulaes de diversos autores para definio das

presses crticas de ruptura, colapso e propagao de colapso. A determinao destas

presses crticas um dos passos iniciais no projeto dos risers. Avaliar a discrepncia

encontrada entre as normas neste passo assim de grande importncia para o

projeto.

1.1 Objetivo e Importncia da Dissertao

O objetivo desta dissertao avaliar a aplicao das normas existentes e suas

discrepncias, comparando os resultados obtidos atravs das formulaes

encontradas nas mesmas entre si e com resultados experimentais, analticos e/ou

numricos disponveis na literatura, no que diz respeito ruptura, ao colapso e

propagao de colapso, conforme aplicvel.

No que diz respeito fadiga, so analisadas as diferenas fundamentais entre

as curvas S-N propostas por cada norma e os fatores de segurana definidos pelas

mesmas. Alguns resultados prticos so tambm apresentados.

Diversos trabalhos anteriores a este foram desenvolvidos abrangendo o mesmo

contedo, os quais so inclusive referenciados ao longo desta dissertao. A

importncia desta dissertao est no fato da mesma ser focada na anlise crtica das

expresses, ou mais precisamente, nos critrios estabelecidos pelas normas, de forma

a verificar a adequao dos mesmos, ou at mesmo o nvel de conservadorismo

embutido.

De forma geral, as normas fornecem valores conservadores, pois levam em

considerao uma margem de segurana para o projeto. O objetivo foi identificar e

quantificar, na medida do possvel, esta margem de segurana e analisar as

expresses tericas definidas nas normas.

Ao final do trabalho possvel identificar, por exemplo, quais normas so mais

conservadoras, quais os critrios estabelecidos por cada norma e quais fatores de

segurana esto embutidos em cada formulao.

1.2 Metodologia

Primeiramente foi realizada uma pesquisa das normas disponveis para o projeto

de risers rgidos. As principais normas relacionadas com o objeto deste estudo foram:

ABS Guide for Building and Classing Subsea Riser Systems, 2005 [1], DnV Dynamic

Risers, DNV-OS-F201, 2001 [2], Design, Construction, Operation, and Maintenance

of Offshore Hydrocarbon Pipelines (Limit State Design), API RP 1111, 1999 [3] e

3

Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines, 1991, ASME

B31G-1991 [4].

Para cada uma das normas acima, os critrios de falha foram verificados entre si

e posteriormente comparados com os resultados disponveis em outros trabalhos.

1.3 Motivao

A experincia no dia-a-dia com utilizao de normas de projeto incentivou a

busca do que havia disponvel para o projeto de risers rgidos, o que levou

basicamente s normas j mencionadas do ABS [1], DnV [2], API [3] e ASME [4].

Tendo em vista a reviso das normas acima mencionadas, notou-se que

basicamente o projeto dos sistemas de risers consiste de duas fases: a fase inicial

onde so avaliados os critrios de ruptura, colapso e propagao de colapso e a fase

de detalhamento, onde uma anlise estrutural desenvolvida para determinao das

tenses atuantes nos dutos e verificao final do projeto, incluindo fadiga.

Uma vez que o processo de anlise estrutural basicamente o mesmo inclui

as mesmas consideraes de cargas e verificao das tenses atuantes optou-se

por se fazer uma comparao entre as normas no que diz respeito verificao inicial

do projeto, uma vez que cada norma apresenta suas formulaes especficas.

Pelos fluxogramas observados nas normas, apresentados no captulo 2, nota-se

que o projeto inicial o mesmo, no entanto, neste ponto que as normas diferem:

diferentes formulaes empricas so fornecidas para os diferentes modos de falha.

Portanto, optou-se por estudar as discrepncias e correlaes fornecidas por estas

formulaes e buscar as normas mais ou menos conservadoras, o que foi, portanto, a

primeira motivao para este estudo.

A reviso bibliogrfica indicou a importncia da anlise dos modos de falha

descritos acima: diversos trabalhos indicam resultados de pesquisas analticas,

numricas e experimentais sobre este assunto. De posse destes resultados, havia

assim a possibilidade de tentar realizar uma anlise crtica dos resultados obtidos

pelas expresses indicadas nas normas, ou mesmo tentar quantificar os fatores de

segurana embutidos em cada uma, comparando-os com os valores obtidos pelas

mesmas.

No caso do Brasil, o aumento cada vez maior das lminas dgua, associado

aos novos campos de explorao no Brasil, tem motivado uma atividade contnua de

pesquisa em risers rgidos de ao, no qual os modos de falha representados pelo

limite ltimo de resistncia de dutos intactos sujeitos a carregamentos combinados de

presso, flexo e trao, bem como da resistncia residual de dutos avariados, tm

4

sido largamente estudados atravs de testes experimentais e simulao numrica [5].

A procura por estes resultados no Laboratrio de Tecnologia Submarina,

COPPE/UFRJ (LTS), e em outras referncias foi uma motivao adicional para este

trabalho.

No caso de risers, sujeitos s cargas dinmicas de operao, a resistncia

fadiga um aspecto importante a ser analisado. Para a anlise de fadiga, trs fatores

bsicos so considerados: a determinao da variao de tenso, a escolha da curva

S-N aplicvel e a definio do fator de segurana aplicvel ao projeto. Uma vez que a

anlise de tenses realizada atravs da anlise global, equivalente para todas as

normas, este trabalho se concentrou em analisar os fatores de segurana aplicveis

ao projeto e as curvas S-N, j que estes so os aspectos que podem apresentar

discrepncias.

Uma motivao adicional para o trabalho consistiu na anlise de todos os

resultados obtidos. Assim, exceto para o modo de falha de fadiga, alm da

comparao dos valores entre si, uma anlise do grau de preciso dos resultados

obtidos foi elaborada para cada modo de falha estudado.

Ressalta-se que este estudo voltado para anlise de risers rgidos, uma vez

que existe a tendncia ao seu desenvolvimento e aplicao cada vez maior na

indstria offshore.

1.4 Estrutura da Dissertao

Esta dissertao est apresentada da forma descrita a seguir.

No captulo 2 feita uma reviso bibliogrfica dos principais trabalhos utilizados

e uma descrio geral das principais normas utilizadas.

No captulo 3 analisado o modo de falha de ruptura, no captulo 4, o modo de

falha de colapso, no captulo 5, a propagao de colapso e no captulo 6, o modo de

falha de fadiga. Cada um destes captulos contm uma reviso bibliogrfica especfica

de cada um destes modos de falha, no indicada propositalmente no captulo 2 para

uma melhor organizao de cada modo de falha.

No captulo 7 apresentada uma concluso geral do trabalho realizado.

No captulo 8 so apresentadas as referncias bibliogrficas utilizadas para o

desenvolvimento desta dissertao.

No Apndice so apresentados alguns conceitos gerais sobre os sistemas de

risers.

5

2 REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Carregamentos e Modos de Falha

Diversas atividades de pesquisa vm sendo desenvolvidas abrangendo o estudo

da integridade estrutural de sistemas de risers. No caso especfico do Brasil, estas

atividades esto, na sua maioria, relacionadas ao desafio proveniente do processo de

instalao de risers rgidos na Bacia de Campos, incluindo estudos relacionados

resistncia ltima de dutos intactos e a resistncia residual de dutos com defeitos,

atravs de testes experimentais e modelos numricos e/ou analticos [5].

Adicionalmente s cargas cclicas as quais os risers esto sujeitos, s cargas de

flexo e trao, durante sua instalao e operao e s cargas trmicas, dois aspectos

bsicos devem ser considerados no projeto: a presso do fluido no interior do riser

presso interna e a presso do meio externo ao riser presso externa.

Sob o aspecto da presso atuante, um duto sujeito presso interna est sujeito

falha por ruptura (burst) e no caso da presso externa, o duto est sujeito falha por

colapso (buckling) e por propagao de colapso (propagation buckle).

Considerando os efeitos de todos os carregamentos aos quais o riser est

sujeito, durante a sua vida til e incluindo os carregamentos provenientes do processo

de instalao, a resistncia fadiga tambm um modo de falha importante a ser

verificado.

Cada um desses modos de falha - a ruptura, o colapso, a propagao de

colapso e a fadiga - foi estudado nesta dissertao e uma reviso das principais

referncias utilizadas est apresentada a seguir. Ressalta-se que uma reviso mais

abrangente de cada modo de falha especificamente apresentada em cada captulo

correspondente.

2.2 Ruptura

Os dutos, terrestres ou submarinos, esto sujeitos a defeitos que podem afetar

diretamente sua integridade estrutural ao longo de sua vida til. Dentre estes defeitos,

a perda de espessura causada pela corroso um dos que afetam a sua resistncia

ao das cargas operacionais e ambientais, reduzindo sua integridade estrutural, o

que pode levar a uma possvel falha. Com o envelhecimento das linhas de transporte

de leo e gs em todo o mundo, e tendo em vista a constante preocupao com as

instalaes atuais e futuras, a avaliao da resistncia limite de dutos com defeitos de

6

corroso passou a ter grande importncia, sendo necessrio evitar que os dutos

corrodos eventualmente sofram rupturas (ou tambm colapso) que impliquem em

interrupes na operao e vazamentos de produtos com conseqentes danos

ambientais, por exemplo. Para evitar o risco de perda ou queda na produo, as linhas

devem ser submetidas a inspees peridicas, para detectar os defeitos, e uma

posterior avaliao da resistncia do duto nos trechos onde os mesmos foram

localizados. Ressalta-se assim a importncia da avaliao da integridade estrutural de

linhas corrodas. Muitas linhas so mantidas em operao mesmo depois de sinais de

corroso terem sido observados nas mesmas. Para tal, so recalculadas e reavaliadas

as presses mximas internas admissveis dos produtos que esto sendo

transportados, considerando a nova situao dos dutos corrodos. Mtodos para

avaliao de defeitos causados por corroso esto disponveis h dcadas, porm,

com o passar dos anos, algumas modificaes foram propostas e, nos ltimos anos

tm sido desenvolvidos mtodos alternativos baseados na anlise de estudos

paramtricos por elementos finitos. Resultados experimentais de dutos com defeitos e

dutos intactos so comparados a resultados numricos obtidos atravs de modelaes

por elementos finitos, como o objetivo de investigar a ruptura nos dutos [6], [7].

Para esta dissertao foram buscados na literatura resultados disponveis

relativos anlise da presso interna e da ruptura em dutos e notou-se que estes

efeitos foram analisados em diversos trabalhos, atravs principalmente, da

comparao de resultados de dutos intactos e dutos com pequenos defeitos de

corroso.

Ressalta-se, contudo, que os efeitos de corroso nos dutos no foram

analisados nesta dissertao, pois os mesmos no so considerados nas principais

normas objeto deste estudo ABS, DnV e API, nas referncias utilizadas [1], [2] e [3].

Nestas referncias, considera-se que mecanismos para preveno da corroso sero

instalados nos dutos e, portanto, as mesmas no consideram a corroso diretamente

em suas formulaes de projeto. Assim, destaca-se em cada trabalho analisado, os

quais esto descritos a seguir, os resultados obtidos para dutos intactos que esto

apresentados ao longo do captulo 3.

Com o objetivo de avaliar a presso de ruptura de dutos intactos e dutos com

defeitos axi-simtricos, 5 modelos de dutos intactos e 8 modelos de dutos com

defeitos, em ao carbono e em ao inox, foram analisados na referncia [8]. Partindo-

se das equaes bsicas de tenso circunferencial, axial e radial para um duto sujeito

presso interna e dos conceitos e formulaes obtidos a partir da teoria da

plasticidade, foi elaborado um modelo analtico para anlise estrutural de dutos

7

sujeitos presso interna. Adicionalmente ao modelo analtico, foi elaborado um

modelo numrico e modelos experimentais para validao dos resultados obtidos. No

modelo numrico, os dutos foram modelados utilizando-se o mtodo dos elementos

finitos, com espessura uniforme e comprimento longitudinal superior a 10 vezes o seu

dimetro externo, utilizando-se um modelo bidimensional axi-simtrico e o programa

computacional ABAQUS. O carregamento de presso foi aplicado de maneira

uniforme em toda extenso interna do modelo.

Adicionalmente aos modelos acima, foram ainda realizados testes experimentais

nos modelos. Antes da realizao do experimento os modelos tiveram suas superfcies

externas mapeadas cuidadosamente para que os valores geomtricos medidos

fossem comparados com os valores nominais e, posteriormente, na correlao dos

modelos numricos e analticos com os resultados dos testes experimentais. Todos os

modelos testados foram instrumentados com extensmetros eltricos (strain-gages)

e com transdutores lineares de deslocamento (lvdts), de modo a se monitorar

deformaes e deslocamentos radiais em diversos pontos do modelo durante o

experimento. A presso interna aplicada aos modelos foi medida com o auxlio de um

transdutor eletrnico de alta preciso, completando assim a instrumentao do

modelo. Os testes foram realizados no LTS em um aparato especialmente

desenvolvido para simulao do processo de carregamento sob presso interna.

As anlises realizadas nesta referncia, atravs das comparaes entre os

resultados numricos, analticos e experimentais para os modelos intactos e modelos

com defeito, indicaram que existe uma relao para o decrscimo na presso de

ruptura que depende muito mais do defeito (corroso) do que do material utilizado.

A influncia da corroso na resistncia dos dutos foi tambm analisada nas

referncias [6], [7] e [9]. No estudo foi proposto estabelecer um procedimento simples,

obtido a partir de resultados experimentais e da realizao de um estudo paramtrico,

que pudesse capacitar o inspetor submarino uma rpida avaliao do efeito

detrimental de um dano simples, decidindo posteriormente quais anlises e/ou aes

seriam mais adequadas em cada caso.

Na srie de experimentos, 7 modelos em escala reduzida foram testados sob

cuidadosas condies de controle. Um dos modelos era intacto, enquanto nos 6 outros

modelos foram simulados defeitos de corroso.

Antes de serem submetidos aos ensaios, os modelos tambm tiveram suas

superfcies mapeadas para que se pudesse comparar com os valores nominais, uma

vez que a interpretao dos resultados experimentais, e posterior comparao com os

resultados numricos, implica no conhecimento das distribuies das imperfeies

8

geomtricas iniciais dos modelos testados, visto terem influncia na resistncia dos

dutos. Todos os modelos testados foram instrumentados com strain-gages de modo a

se determinar a carga de ruptura, como no caso anteriormente descrito. Os testes

foram tambm realizados no interior de cmara hiperbrica horizontal do LTS, em um

aparato especialmente desenvolvido para simulao do processo de carregamento

sob presso interna.

Em paralelo aos testes experimentais, foi elaborado um modelo numrico

baseado no mtodo dos elementos finitos para simulao computacional da presso

interna em dutos corrodos e intactos. Os dutos foram modelados com espessura

uniforme e comprimento longitudinal igual a 10 vezes o seu dimetro externo. Para

modelao utilizou-se o programa ABAQUS e foi adotado um modelo tridimensional

com representao de meia geometria de duto.

Com base nos resultados obtidos, e em requisitos especficos de formulaes

que avaliam a integridade estrutural de dutos corrodos, foi realizado um estudo

paramtrico para obter a perda de capacidade da linha corroda. Este estudou resultou

num ajuste linear para avaliao da integridade estrutural que depende basicamente

das caractersticas do duto e do defeito de corroso.

Os estudos paramtricos realizados nesta referncia, atravs da variao do

material e dos parmetros geomtricos, indicaram ainda que o parmetro do defeito

que gera o efeito mais prejudicial na presso de ruptura do duto a profundidade do

mesmo.

Destaca-se que vrios trabalhos j foram desenvolvidos envolvendo a anlise da

influncia de defeitos/corroso na resistncia ruptura de dutos. Alm dos

anteriormente citados foram analisados os trabalhos desenvolvidos em [10], [11], [12],

[13] e [14]. Estes trabalhos no apresentam resultados de dutos intactos, apenas

dutos com defeitos. Cada trabalho apresentou estudos em diferentes dutos (dimetro,

espessura e material), com diferentes defeitos (uniformes, no-uniformes), diferentes

profundidades e comprimentos de defeito, e ainda com diferentes carregamentos

(presso interna pura ou combinao de presso interna e flexo). Os resultados

obtidos nestes trabalhos, atravs da comparao com resultados experimentais,

indicaram que a norma ASME B31G-1991, Manual for Determining the Remaining

Strength of Corroded Pipelines, 1991 [4] a que fornece melhores resultados para

dutos corrodos embora tenha se mostrado conservadora [10], [12]. As demais

referncias [11], [13] e [14] tratam basicamente do estudo elaborado para o

desenvolvimento da norma DNV-RP-F101, Corroded Pipelines [15], atravs da anlise

de resultados experimentais.

9

Uma vez que, durante o projeto dos risers, as normas consideram que

mecanismos sero providos para prevenir a corroso dos dutos (nas referncias

utilizadas [1], [2] e [3]), a anlise de dutos com defeitos de corroso no foi realizada

nesta dissertao, conforme j mencionado. Portanto, as referncias acima

mencionadas foram utilizadas apenas como base terica nesta dissertao. No

entanto, atravs do estudo destas referncias, verificou-se a utilizao da norma

ASME B31G [4]. Sendo assim, em adio s normas j anteriormente citadas ABS

[1], DnV [2] e API [3] para o caso especfico da presso de ruptura foram analisados

os critrios includos na norma ASME B31G [4]. Esta norma estabelece critrios para

avaliao da presso de ruptura de dutos com corroso. Nesta dissertao, para

comparao com as normas acima, a formulao aplicada considerando-se que o

duto no possui corroso, ou seja, considerando que o tamanho e a profundidade da

corroso so nulos, nas expresses propostas por esta norma.

2.3 Colapso

Os primeiros estudos de cascas cilndricas sujeitas variadas combinaes de

carregamento foram realizados por diversos pesquisadores utilizando teoria linear

clssica. No incio dos anos 10, novos estudos foram realizados considerando

pequenos deslocamentos, linearidade do material e geometria inicial perfeita e foram

assim estabelecidas formulaes para presso radial crtica. Mais tarde, novos

estudos foram realizados considerando o efeito da presso hidrosttica em cascas

cilndricas esbeltas. O colapso de dutos submetidos flexo pura foi inicialmente

investigado no incio dos anos 20. Assumindo-se que as sees transversais de um

duto longo se ovalizam gradualmente medida que fletido, com conseqente perda

de rigidez, foi assim proposta uma formulao para determinao da presso crtica de

flambagem elstica introduzindo o conceito de carregamento limite. A discrepncia

que foi posteriormente observada entre resultados experimentais e os resultados

obtidos atravs das formulaes analticas foi bastante discutida e, assim, foram

sugeridas novas equaes no-linerares de equilbrio de cascas, levando em

considerao grandes deslocamentos em substituio teoria linear clssica. A

importncia das imperfeies geomtricas iniciais na obteno da carga de colapso de

cascas cilndricas submetidas compresso axial foi observada no incio dos anos 50

e termos adicionais foram includos nas equaes no-lineares de equilbrio. O efeito

destas imperfeies foi novamente estudado para o caso de cascas cilndricas

esbeltas sujeitas presso externa e observou-se que a carga de colapso nestes

10

casos era significativamente menor carga terica proposta para estruturas perfeitas.

Teoria no-linear de cascas esbeltas, considerando grandes deslocamentos,

assumindo pequenas deformaes na superfcie mdia da casca e moderadas

rotaes, foi desenvolvida, o que levou introduo de alguns termos ligeiramente

diferentes, e outros ainda no propostos, nas equaes sugeridas anteriormente. No

incio dos anos 70, um grupo de pesquisadores desenvolveu durante 6 anos o primeiro

estudo especfico do comportamento pr e ps colapso de dutos submarinos sujeitos

flexo e presso. Foram propostas novas equaes linearizadas considerando, dentre

outros efeitos, as caractersticas elasto-plsticas do material. O advento do

computador e da tecnologia, principalmente na dcada de 80, influenciou de maneira

significativa a pesquisa cientfica e tecnolgica e, assim, equaes no-lineares

desenvolvidas desde os anos 30 foram implementadas em programas numricos. O

problema da cascas cilndricas, anteriormente enfocado de maneira geral, passou

ento a ser estudado de forma mais especfica por diversos pesquisadores.

Paralelamente, os estudos experimentais foram conduzidos de forma cada vez mais

criteriosa, demonstrando uma preocupao crescente dos pesquisadores em

determinar parmetros considerados anteriormente de pequena influncia na

determinao da resistncia limite de cascas cilndricas - tais como imperfeies

geomtricas iniciais, caractersticas elasto-plsticas e anisotropia do material, tenses

residuais devido ao processo de fabricao e histria de carregamento, dentre outros -

para diferentes carregamentos - como presso pura, flexo pura e combinao destes

carregamentos [16].

Alguns dos trabalhos mais recentes sobre este tema foram includos nesta

dissertao, no captulo 4. Uma reviso dos mesmos descrita a seguir.

Um modelo terico, desenvolvido a partir da mecnica dos slidos, foi

implantado em um programa computacional para clculo da presso de colapso em

dutos submarinos, atravs da formulao terica de cascas cilndricas circulares, nas

referncias [17] e [18]. As equaes de governo incorporam grandes deslocamentos e

o comportamento elasto-plstico do material.

Como forma de validao dos resultados numricos obtidos, os mesmos foram

comparados a resultados obtidos experimentalmente, atravs de testes realizados no

LTS, em modelos de ao. As propriedades mecnicas dos modelos foram obtidas

atravs de corpos de prova circunferenciais e longitudinais, retirados dos dutos de

origem, para serem testados em ensaios de trao uniaxial. A qualidade dos testes

experimentais em laboratrios fator essencial para a realizao de uma boa

11

correlao numrico-experimental. Sendo assim, os dados da geometria e das

propriedades de material dos modelos testados foram obtidos de forma a no

comprometer a validade do estudo.

Os modelos foram vedados em suas extremidades e testados em cmara

hiperbrica pressurizada com gua, onde incrementos de presso foram aplicados at

o colapso, que foi caracterizado por um forte estampido e repentina queda de presso

no interior da cmara.

O objetivo principal do trabalho desenvolvido nestas referncias, incluindo as

concluses relativas aos resultados implantados no programa computacional, se

concentra na avaliao da presso de propagao de colapso, portanto ser objeto do

item 2.4. Com relao presso de colapso, observou-se atravs dos resultados

numricos e experimentais apresentados, que a presso de colapso depende

fundamentalmente da relao D/t (relao dimetro-espessura), das imperfeies

geomtricas iniciais e da tenso de escoamento do material.

Um programa foi desenvolvido (COLPIPE), a partir de um programa j existente,

para clculo da presso de colapso em dutos, na referncia [19]. No programa

proposto, o duto foi modelado matematicamente utilizando a teoria de casca fina,

incorporando grandes deformaes e deflexes e considerando o comportamento

elasto-plstico do material do duto. O duto foi modelado como uma casca cilndrica

longa, sujeito ao de presso externa, trao e flexo. A casca cilndrica foi suposta

suficientemente longa para ser possvel desprezar os efeitos gerados pelas condies

de contorno. Alm disso, assumiu-se que o carregamento era uniforme ao longo do

duto, ou seja, todas as sees apresentavam o mesmo comportamento e, na situao

limite, todo o duto iria colapsar. Os resultados obtidos pelo programa proposto foram

ento comparados com resultados numricos obtidos atravs de dois outros

programas, BEPTICO da PETROBRAS/CENPES e RINGBUCK do LTS, e com

resultados experimentais. O programa RINGBUCK [20] um programa computacional

de diferenas finitas para o colapso de cascas finas sob presso externa combinada

com carga axial, no qual posteriormente, foi introduzido o carregamento de flexo. O

programa realiza anlise no-linear de cascas cilndricas imperfeitas, considerando

grandes deslocamentos e comportamento elasto-plstico do material. O programa

BEPTICO analisa dutos longos (anlise bidimensional) sob carregamentos

combinados de presso externa, trao e flexo. O procedimento de clculo

incremental e baseado no princpio do trabalho virtual mnimo.

12

Os resultados dos testes experimentais foram obtidos atravs do LTS em

modelos de ao e em alumnio. Os modelos em ao so os mesmos das referncias

[17] e [18].

As concluses mais significativas desta referncia referem-se ao programa

proposto COLPIPE: foi verificado atravs das comparaes com os resultados

experimentais e com os demais programas, que o programa proposto fornecia

resultados confiveis.

Adicionalmente, este trabalho inclui resultados que indicam o efeito na variao

da presso de colapso, dependendo do tipo de carregamento e das caractersticas

geomtricas e materiais dos dutos. Parmetros como a espessura do duto, tenso de

proporcionalidade do material e o encruamento do material foram amplamente

estudados para anlise do momento de colapso e da curvatura de colapso, para

diversos tipos de carregamento presso externa pura, presso externa e flexo e

flexo pura. A principal concluso observada, que est diretamente relacionada a esta

dissertao foi que, para um mesmo material e mesma ovalizao inicial, a presso de

colapso depende da relao D/t do duto, independentemente dos valores de D e de t.

A operao em guas profundas resulta normalmente na utilizao de dutos com

relaes D/t pequenas e, sempre que possvel, no uso de materiais de alta tenso.

Para relaes D/t menores do que 20, o colapso predominantemente plstico, torna-

se mais importante a avaliao das caractersticas anisotrpicas do material na

presso de colapso. Adicionalmente, outros efeitos, como as imperfeies geomtricas

inicias na seo transversal do duto, a ovalizao inicial e a variao da espessura da

parede, devem ser tambm investigados. Sendo assim, a partir de estudos

paramtricos baseados em resultados numricos e experimentais, foi desenvolvido na

referncia [21] um estudo sobre a influncia destes diversos fatores na presso de

colapso. O colapso de dutos com relaes D/t baixas, essencialmente dutos de

grandes espessuras, foi estudado experimentalmente e analiticamente. Analiticamente

foi proposta uma equao bidimensional no linear, que leva em considerao os

parmetros acima descritos. O estudo analtico foi realizado considerando o material

isotrpico e considerando ainda as caractersticas anisotrpicas do material. Notou-se

atravs dos resultados, que o modelo contemplando as caractersticas anisotrpicas

do material fornecia resultados bem mais prximos dos resultados experimentais. Os

testes experimentais foram conduzidos utilizando-se ao inox (SS304), com dimetros

entre 25 e 38mm e comprimento variando entre 20 a 30 vezes o dimetro. Os tubos

foram vedados em suas extremidades e submetidos a carregamento de presso

externa. A presso foi ento aumentada gradativamente e monitorada at que

13

ocorresse o colapso do tubo, momento este definido por uma queda repentina de

presso. Os resultados experimentais e analticos dos modelos foram utilizados nesta

dissertao. Atravs dos resultados dos estudos paramtricos desenvolvidos foi

possvel concluir nesta referncia que a ovalizao inicial de extrema importncia na

determinao da presso de colapso e, por outro lado, observou-se que a influncia

da variao na espessura no significativa. Com relao a anisotropia do material,

observou-se que sua considerao importante para relaes D/t inferiores a 20,

quando o colapso predominantemente plstico.

Com o objetivo de determinar a presso de colapso em dutos sob carregamento

de presso externa e flexo, foi desenvolvido na referncia [16] um programa

computacional de diferenas finitas considerando o comportamento elasto-plstico do

material e imperfeies geomtricas inicias nos dutos. Para validao dos resultados

foram executados testes experimentais no LTS, em modelos de alumnio, devido

limitao da cmara hiperbrica empregada nos testes. Foram realizados testes de

presso pura, flexo pura e flexo-pressurizao nos modelos. Os resultados obtidos

atravs da modelao pelo mtodo de diferenas finitas foram comparados aos

resultados experimentais e foram considerados bem satisfatrios, indicando que a

formulao numrica proposta era considerada satisfatria. Ressalta-se que a

preciso dos resultados se mostrava fortemente dependente da malha utilizada no

modelo e dos incrementos de carregamento impostos na simulao numrica.

Observou-se, ainda, que as condies de contorno adotadas no modelo bordos

engastados ou apoiados no exerciam nenhuma influncia na obteno da carga

crtica, para os tubos testados. No entanto, mais uma vez observou-se a importncia

da ovalizao inicial do duto na determinao da presso de colapso. O colapso dos

modelos sob presso pura ocorreu no regime elasto-plstico do material, com apenas

alguns pontos de plastificao. Por outro lado, para os casos de flexo pura e flexo-

pressurizao, a falha se deu preponderantemente no regime plstico do material. Os

resultados obtidos para os casos de presso pura foram utilizados nesta dissertao.

O modo de falha de colapso em dutos com diferentes caractersticas de defeitos

de corroso foi ainda analisado na referncia [22], atravs da modelao de dutos no

programa ABAQUS, utilizando-se as propriedades materiais do ao API X77. As

diferentes caractersticas dos defeitos foram representadas atravs de diferentes

relaes d/t, ou seja, relaes entre a reduo na espessura (d) e a espessura original

do tubo (t) e diferentes ngulos de extenso do defeito. Os resultados apresentados

nesta referncia so apenas para dutos com defeito, sem nenhuma comparao com

14

dutos intactos ou apresentao de resultados para dutos intactos. As referncias

utilizadas no incluem em suas formulaes de projeto consideraes sobre corroso,

conforme mencionado anteriormente, assim no h sentido em se comparar estes

resultados com os resultados obtidos pelas normas. O principal objetivo desta

referncia se focava na anlise da presso de propagao de colapso, sendo assim as

principais concluses observadas so indicadas no prximo item (2.4).

Uma pesquisa mais abrangente do comportamento de tubos sujeitos a

carregamentos combinados de presso e curvatura foi desenvolvido na referncia [23].

Tubos extrudados de ao inox com relaes D/t de 24.5 e 34.7 foram utilizados em

testes experimentais. As propriedades materiais dos tubos testados foram obtidas de

testes de trao uniaxiais realizados em corpos de prova retirados dos modelos. As

imperfeies geomtricas iniciais foram determinadas para cada modelo. Os testes

experimentais foram realizados para diferentes histrias de carregamento: flexo at

um determinado valor de curvatura e posterior aplicao de presso externa at o

colapso, presso externa e posterior flexo at o colapso e ainda, incrementos de

curvatura e presso aplicados alternadamente at o colapso (carregamento radial).

Atravs dos resultados deste trabalho, observou-se que a histria de carregamento

um fator importante na definio da carga de colapso. Os resultados indicaram que os

casos mais desfavorveis, ou seja, que apresentaram valores de carga crtica

menores, foram os de carregamento radial, seguidos do caso pressocurvatura (P-

>k) e seguidos do caso curvaturapresso (k->P). Os resultados experimentais obtidos

nesta referncia foram utilizados nesta dissertao para uma avaliao dos critrios

contidos nas normas para os casos de carregamento combinado de presso e

momento.

2.4 Propagao de Colapso

No incio da dcada de 70, devido principalmente crescente demanda por

instalao de linhas de explorao e a idia da possibilidade de perda de linhas

submersas devido propagao de um eventual dano local, surgiram as primeiras

pesquisas sobre o fenmeno do colapso propagante em dutos submarinos para guas

profundas. O fenmeno foi ento observado e estudado por pesquisadores durante

testes experimentais em modelos em escala reduzida de dutos submarinos sob

carregamento combinado, com o objetivo de conhecer os principais parmetros que o

regem e buscar mecanismos para deter a propagao da falha. Em conjunto com os

15

resultados dos testes experimentais foram propostas equaes na literatura e nas

normas para estimativa da presso de propagao de colapso [17], [24].

Alguns estudos e resultados a respeito dos efeitos de propagao de colapso

foram includos nesta dissertao e esto descritos a seguir. Os resultados esto

apresentados no captulo 5.

Um modelo terico foi desenvolvido a partir da mecnica dos slidos e foi

implementado em um programa computacional, para clculo da presso de colapso e

presso de propagao em dutos submarinos nas referncias [17] e [18]. O modelo

terico tridimensional foi elaborado a partir da teoria de casca fina assumindo

pequenas deformaes e grandes rotaes. Na soluo numrica do problema foi

implementado um programa computacional de diferenas finitas baseado na tcnica

de relaxao dinmica.

Adicionalmente, um modelo numrico tridimensional, com imperfeies

geomtricas na forma de ovalizao inicial, foi desenvolvido para determinao da

presso de propagao de colapso, utilizando-se um programa comercial (ABAQUS)

na referncia [25].

De forma simplificada, pode-se dizer que a diferena entre os modelos

numricos de [17] / [18] e [25] que, diferentemente do que foi realizado em [17] e

[18], em [25] foi gerado um modelo tridimensional, com imperfeies geomtricas na

forma de ovalizao inicial, e este modelo foi analisado utilizando-se um programa

comercial ABAQUS sem nenhuma implementao no programa. Por outro lado,

alteraes foram implementadas em um programa existente, gerando um programa

novo com melhores resultados em [17] e [18].

Como forma de validao dos resultados numricos obtidos em [17], [18] e [25],

foram realizados testes experimentais no LTS. Foram selecionados 6 testes de

presso de propagao onde as propriedades mecnicas dos modelos foram obtidas

atravs de corpos de prova circunferenciais e longitudinais, retirados dos tubos de

origem, para serem testados em ensaios de trao uniaxial. Para a localizao da

falha sob presso externa e posterior controle da presso de propagao, os modelos

foram inicialmente avariados em prensa hidrulica, como o auxlio de cunha para

denteamento. Os modelos foram vedados em suas extremidades e testados em

cmara hiperbrica pressurizada com gua. Os testes foram conduzidos nos moldes

dos testes de presso pura. Inicialmente, o procedimento de teste consistia na

pressurizao gradual da cmara hiperbrica at o colapso do modelo (presso de

iniciao), resultando em queda da presso interna para um nvel inferior presso de

16

propagao. Posteriormente os incrementos de presso foram aplicados lentamente

de modo a manter um patamar de presso constante, definindo assim a propagao

do colapso.

Os resultados obtidos nas referncias [17] e [18] indicaram que as anlises de

colapso propagante realizadas pelo programa proposto validaram a teoria e o mtodo

numrico que foram empregados e desenvolvidos nestes trabalhos. Os resultados

obtidos apresentaram boa correlao com os testes experimentais. A completa

descrio das curvas de tenso versus deformao dos modelos analisados se

mostrou essencial para a obteno de bons resultados. Os trabalhos desenvolvidos

nestas referncias tambm foram encontrados na referncia [26]. Esta ltima foi

utilizada para obteno de alguns dados no indicados claramente nas referncias

anteriores, como descrito no captulo 5.

Os resultados obtidos na referncia [25] indicaram que a presso de colapso

bastante sensvel relao D/t, sendo menos influenciada pela tenso de escoamento

do material. Das expresses disponveis na literatura para estimativa da presso de

propagao de colapso, os resultados obtidos indicaram que a expresso de

AGA/Shell (indicada no captulo 5) se mostrou a mais adequada.

Um estudo sobre a dinmica da propagao do colapso em dutos longos

sujeitos presso externa foi realizado na referncia [27]. Vrios trabalhos so

publicados relacionados propagao de colapso em dutos com defeitos ou em dutos

intactos com o objetivo de quantificar a presso de propagao de colapso, seja

numericamente, analiticamente ou experimentalmente. A diferena nesta referncia

est na determinao do efeito dinmico da propagao de colapso, sendo na mesma

analisada a velocidade de propagao do colapso. Para tal, foram realizados testes

experimentais em modelos sujeitos presso externa no ar e na gua e, ainda,

elaborado um modelo numrico no ABAQUS. O modelo numrico foi utilizado para

avaliar a velocidade de propagao da falha, comparando os resultados obtidos

numericamente com os resultados obtidos experimentalmente. Os testes

experimentais foram realizados numa srie de tubos de ao inox SS-304, com relao

D/t de 27.9. Alguns aspectos interessantes da propagao de colapso so destacados

neste trabalho como o modo flip-flop de propagao, ou seja, o colapso se inicia e

percorre uma distncia ao longo do duto, posteriormente a direo do colapso

rotaciona de um ngulo de 90 e percorre uma nova distncia at voltar a direo

original. Observou-se com este estudo que, para uma dada presso, a velocidade de

propagao no ar superior velocidade de propagao na gua, confirmando a

importncia do meio fluido na presso de propagao. Este trabalho foi selecionado

17

para esta dissertao por apresentar resultados experimentais, em modelos de ao

inox SS-304, obtidos para a presso de propagao.

Observa-se na prtica que alguns dutos so envolvidos por uma camada externa

para selagem ou para proteo dos mesmos, ou seja, observa-se que os mesmos se

encontram em espaos confinados. Este dado prtico motivou os estudos realizados

na referncia [28], relativo avaliao quantitativa da presso de colapso propagante

de dutos em espao confinado. Sendo assim, resultados obtidos atravs de modelos

numricos e testes experimentais em dutos de ao inox SS-304 foram utilizados para

o desenvolvimento de expresses analticas, relacionando a presso de colapso

propagante em espao confinado s caractersticas geomtricas e mecnicas dos

dutos. Os resultados obtidos para os dutos no confinados esto apresentados no

captulo 5 para comparao com as normas. Observou-se nesta referncia que a

presso de propagao em espaos confinados superior presso de propagao

em espaos no confinados e, ainda, que a mesma depende da tenso de

escoamento do material, da relao D/t e das caractersticas de dureza do material.

O modo de falha do colapso propagante e sua preveno atravs da instalao

de enrijecedores do tipo buckle arrestors foi analisado na referncia [29]. Nesta

referncia no foram realizados experimentos prticos, no entanto, a mesma utilizou

resultados disponveis na literatura para testes em dutos realizados com material

APIX65 e APIX42 para o desenvolvimento do estudo proposto. Os resultados

encontram-se sob a forma normalizada Ppx1000/Escoamento e foram includos nesta

dissertao. Com este trabalho foi proposta uma equao de projeto para o fenmeno

de propagao de colapso, considerando a instalao de buckle arrestors, atravs das

anlises numricas independentes e comparaes com as informaes disponveis na

literatura.

Um estudo paramtrico tambm foi desenvolvido na referncia [30] atravs da

comparao entre resultados experimentais e numricos envolvendo a presso de

propagao de colapso em dutos longos. Neste trabalho foram realizadas anlises

numricas e foi proposta uma anlise tridimensional do problema, a qual, combinada

com resultados experimentais, foi utilizada para demonstrar a propagao de colapso

em dutos longos. Foram realizados testes experimentais em alumnio Al-6061-T6 e em

ao inox SS-304. Os testes foram realizados com dutos com comprimento

correspondente a mais do que 50 vezes o seu dimetro e que foram colocados em

cmara pressurizada com gua. O aumento de presso foi dado de forma

18

relativamente lenta, numa razo constante, atravs do bombeamento de gua no

sistema. Os resultados numricos obtidos atravs dos modelos indicaram que o

modelo 3-D proposto era o que mais se aproximava dos resultados experimentais,

sendo estes resultados numricos (adicionalmente aos experimentais) utilizados nesta

dissertao.

Estudos envolvendo comparaes entre resultados experimentais e modelos

analticos para determinao da presso de propagao foram desenvolvidos na

referncia [31]. O estudo analtico foi realizado atravs de um estudo de balano de

energia, ou seja, uma avaliao entre o trabalho externo realizado pela atuao da

presso externa no duto e o trabalho interno realizado durante a deformao do

mesmo. Os resultados obtidos foram comparados a resultados experimentais

realizados em modelos de alumnio e ao inox. Os resultados experimentais e

analticos indicados nesta referncia foram utilizados nesta dissertao. Atravs

destes estudos foram propostas equaes, atravs do ajuste dos dados obtidos pelo

mtodo dos mnimos quadrados, para estimativa da presso de propagao de

colapso para dutos em ao e dutos em alumnio.

Utilizando resultados experimentais de testes de presso de propagao em

tubos de ao inox e alumnio, uma expresso analtica para estimativa da presso de

propagao foi proposta na referncia [32]. De acordo com os resultados

experimentais, observou-se que a presso de propagao era dependente das

caractersticas ps-escoamento do material (mdulo tangente do material) e da

relao D/t. Tanto os resultados experimentais, como a expresso analtica proposta,

como ser visto a seguir, foram utilizados nesta dissertao.

Alm dos resultados numricos, experimentais e analticos, foram buscadas na

literatura as formulaes mais utilizadas para estimativa da presso de propagao de

colapso, para futura comparao.

Desde os anos 70 o fenmeno de propagao de colapso vem sendo bastante

discutido por diferentes grupos de pesquisadores [5], [17], [24]. Testes experimentais e

resultados tericos tm sido utilizados para validao de expresses utilizadas para

determinao da presso de propagao de colapso. Sendo assim, algumas destas

expresses tambm foram utilizadas nesta dissertao para fins de comparao dos

resultados obtidos. As formulaes utilizadas foram obtidas atravs das referncias

[17], [25], [32] e [33].

19

Uma srie de testes experimentais foram realizados utilizando tubos de ao em

escala reduzida com relaes D/t tpicas para determinao da presso de

propagao, na referncia [24]. Os resultados obtidos foram comparados com diversas

formulaes disponveis na literatura atravs de uma avaliao que utilizou parmetros

estatsticos. Atravs deste trabalho, observou-se que, para a faixa de D/t analisada

12 a 16 as formulaes mais adequadas foram as de Mesloh et al, Kyriakides &

Babcock e Langner. Todas estas formulaes e os resultados experimentais foram

includos nesta dissertao.

Uma nova expresso proposta pela Petrobras para determinao da presso de

propagao de colapso de dutos, provenientes de projetos conduzidos pelo

CENPES/TMEC, foi analisada na referncia [34], sendo parte dos testes experimentais

conduzidos pela COPPE/UFRJ. Os resultados obtidos por esta formulao foram

comparados aos resultados obtidos atravs de expresses disponveis na literatura e a

resultados obtidos experimentalmente, realizando-se uma anlise de confiabilidade

dos resultados obtidos para diversas faixas de D/t. Este trabalho apresenta apenas os

resultados finais para presso de propagao, obtidos para os modelos. No entanto,

at o momento, os dados sobre os modelos empregados (material, tenso de

escoamento, dimetro e espessura, por exemplo) e mesmo a prpria expresso

proposta pela Petrobras no esto disponveis na literatura. Sendo assim, os

resultados deste trabalho no puderam ser includos nesta dissertao, uma vez que

no foi possvel dispor dos dados bsicos de entrada para utilizao das expresses

das normas. Mas, destaca-se que este trabalho indicou que a expresso proposta pela

Petrobras fornece resultados bem confiveis para dutos com relao D/t entre 9 e 24.

Para dutos com relao D/t entre 24 e 37, a expresso de AGA/Shell foi a que melhor

se aproximou dos resultados experimentais. Para dutos com D/t entre 37 e 42, a

formulao de Steel & Spencer se mostrou a mais adequada. Estas expresses foram

includas nesta dissertao.

O modo de falha de propagao de colapso em dutos com diferentes

caractersticas de defeitos de corroso foi analisado na referncia [22]. Os dutos foram

modelados no programa ABAQUS, utilizando-se as propriedades materiais do ao API

X77. As diferentes caractersticas dos defeitos foram representadas atravs de

diferentes relaes d/t, ou seja, relaes entre a reduo na espessura (d) e a

espessura original do tubo (t), e diferentes ngulos de extenso do defeito. Os

resultados apresentados nesta referncia so apenas para dutos com defeito, sem

nenhuma comparao com dutos intactos ou apresentao de resultados para dutos

20

intactos. As normas no incluem em suas formulaes de projeto consideraes sobre

corroso uma vez que as mesmas partem do princpio de que mecanismos contra a

corroso sero providos para o duto, conforme j mencionado anteriormente, assim

no h sentido em se comparar estes resultados com os resultados nas normas. No

entanto, uma comparao rpida entre os valores numricos obtidos nesta referncia

e os valores obtidos pelas normas para a mesma relao D/t analisada e mesmas

caractersticas materiais do ao X77, indicou que os valores das normas so bem

superiores aos valores obtidos, j que a corroso no considerada nas suas

formulaes. Os resultados desta referncia no foram utilizados nesta dissertao,

sendo a referncia tendo sido utilizada apenas como base terica de estudo. Notou-

se, atravs dos resultados apresentados, que a propagao de colapso depende da

quantidade de corroso do duto. A mesma diminui com o aumento da profundidade da

corroso e o aumento do ngulo de extenso do defeito. Nota-se ainda que o colapso

localizado quando a profundidade do defeito de corroso superior a 10% da

espessura da parede do duto. Por outro lado, percebe-se que existe um colapso total

do duto quando a profundidade da corroso inferior a 10% da espessura original do

duto.

2.5 Fadiga

Os critrios de projetos primrios para risers esto relacionados aos requisitos

relativos presso externa e presso interna e, adicionalmente, vida til fadiga,

a qual deve exceder a vida requerida considerando-se um determinado fator de

segurana de projeto. Os danos de fadiga so causados pelo carregamento cclico no

riser, induzido pela combinao dos carregamentos provenientes do movimento da

unidade e carregamentos de onda e corrente, incluindo vrtice induzido. Os danos

relacionados fadiga ocorrem principalmente nas juntas soldadas no topo e na regio

do TDP do riser [35].

Historicamente, no que diz respeito resistncia fadiga, desde que a

explorao de petrleo comeou no Mar do Norte nos anos 60, ficou evidente que as

estruturas ocenicas projetadas para operao no Golfo do Mxico, por exemplo, no

eram adequadas para operao no Mar do Norte, em condies ambientais bem mais

severas. As estruturas passaram a apresentar danos que foram atribudos aos

resultados da ao das ondas durante as tempestades de inverno. Danos estes que

representavam a falta de resistncia das estruturas fadiga, devida s condies

ambientais mais severas. Tornou-se assim evidente, a necessidade de um melhor

entendimento do fenmeno de fadiga em estruturas offshore e de como evit-la [36].

21

No que diz respeito operao, conforme acima mencionado, durante a vida til

do riser, o mesmo est sujeito s cargas cclicas (onda, corrente e movimento da

unidade qual o mesmo est acoplado) que induzem danos a estrutura do risers, os

quais se acumulam ao longo da sua vida til.

Adicionalmente, durante a instalao, os risers podem sofrer deformaes

plsticas que diminuem a sua resistncia fadiga, devido s mudanas nas

caractersticas materiais e geomtricas dos mesmos. A ocorrncia de danos locais

durante a instalao, operao ou fabricao, assim defeitos materiais ou defeitos nas

junes soldadas (falta de fuso ou falta de penetrao, por exemplo) tambm

contribuem para diminuio da resistncia fadiga. Os fenmenos descritos esto

ainda associados concentrao de tenso nas reas afetadas.

O mtodo mais utilizado para avaliao do dano fadiga, ou determinao da

vida til, o mtodo da curva S-N.

Por este mtodo, os seguintes passos bsicos so considerados na anlise de

fadiga:

Estimativa da distribuio de variao de longo prazo das cargas no riser e das tenses associadas;

Seleo da curva S-N apropriada ao projeto; Determinao do fator de concentrao de tenso; Estimativa do dano acumulado de fadiga atravs da Regra de Palmgren-Miner.

Adicionalmente, fatores de segurana apropriados so considerados para

determinao da vida fadiga para uma determinada vida til requerida.

Portanto, tendo em vista a avaliao do dano fadiga, ou determinao da vida

til, atravs do mtodo da curva S-N, de acordo com os diferentes passos acima

destacados, foi analisado nas normas os pontos onde as mesmas poderiam ser

distintas. Assim, foram analisadas as diferenas entre as curvas S-N e os fatores de

segurana estabelecidos por cada norma, pois estes so os pontos que podem variar

nos passos bsicos indicados acima. A estimativa das cargas, para o clculo das

variaes de tenso, segue o mesmo procedimento e realizada atravs da

modelao do sistema por elementos finitos: para as cargas cclicas consideradas no

projeto so determinadas as variaes de tenso no sistema em considerao. A

determinao do fator de concentrao de tenso e o clculo do dano acumulado

tambm podem ser equivalentes para as normas.

22

Foram ainda pesquisados na literatura dados disponveis para comparao com

aqueles estabelecidos pelas normas, principalmente no que diz respeito s curvas S-N

utilizadas.

Atravs do desenvolvimento de modelos numricos utilizando o mtodo de

elementos finitos e modelos analticos computacionais, o fenmeno da fadiga foi

estudado nas referncias [37] e [38], atravs da anlise de juntas soldados de risers

rgidos contendo defeitos planares. Os modelos utilizados baseiam-se na teoria da

mecnica da fratura e englobam os efeitos causados nos risers rgidos, quando da

instalao atravs do mtodo carretel. Foram ainda realizados nesta referncia, testes

experimentais em escala real em dutos de 8 polegadas contendo defeitos em sua

solda devidos falta de fuso ou falta de penetrao. Os resultados obtidos foram

expressos em forma de curvas S-N e comparados com curvas utilizadas em projetos

de risers rgidos. Somente os resultados numricos e os resultados analticos, obtidos

atravs de um algoritmo desenvolvido, se encontram disponveis para estas

referncias. Os resultados experimentais no foram disponibilizados. Sendo assim, os

resultados numricos e do algoritmo so utilizados nesta dissertao para comparao

com os parmetros fornecidos pelas normas estudadas. Nesta referncia, foi

observado que, mesmo com as simplificaes adotadas, o algoritmo desenvolvido

mostrou-se uma ferramenta gil e vivel. Os resultados obtidos pelo algoritmo se

mostraram mais conservadores do que os modelos numricos, podendo assim ser

utilizados como ferramenta de projeto. Adicionalmente, o algoritmo apresenta

facilidade de uso pois dispensa o uso de outros programas, como elementos finitos e

uso de modelos numricos que so mais complexos e mais demorados.

A influncia das deformaes plsticas induzidas pelo processo de lanamento

das linhas em J-lay e carretel foi estudada na referncia [39]. Foram realizados testes

experimentais em dutos API X65, de 12 polegadas de dimetro, 17.5mm de

espessura, que antes dos testes foram sujeitos deformaes que simulavam as

deformaes sofridas pelos dutos durante o seu lanamento. Os dutos foram soldados

utilizando processo de solda manual e processo de solda automtico. Os resultados

dos testes foram comparados a resultados obtidos atravs de curvas S-N utilizadas no

projeto de risers e observou-se que, em todos os casos, a vida til nos testes se

mostrava superior vida til obtida atravs das curvas S-N, indicando que, mesmo

com as deformaes induzidas, as curvas de projeto podem ser utilizadas, pois ainda

se mostram mais conservadoras. Nesta dissertao, os resultados dos testes

realizados foram comparados s curvas estabelecidas pelas normas.

23

A anlise de fadiga em risers de ao em catenria, atravs de uma anlise no

linear no domnio do tempo tem sido considerada um mtodo que fornece resultados

com uma boa acurcia. No entanto, o esforo computacional envolvido um fator

impactante no projeto, uma vez que diversas condies de carregamento devem ser

consideradas de forma que o tempo de simulao seja suficiente para garantir bons

resultados.

Tendo em vista a observao acima, um estudo paramtrico focado no

comportamento dos risers, na regio prxima ao topo, relativo aos danos de fadiga

devidos aos movimentos de primeira e segunda ordem, foi realizado na referncia [40],

utilizando-se modelos simplificados, no domnio da freqncia. Os resultados

indicaram que esta simplificao pode ser adotada numa fase inicial de projeto, pois

os mesmos se mostraram bem confiveis quando comparados aos resultados obtidos

atravs de uma anlise no linear no domnio do tempo, que requer um tempo muito

maior de execuo. Nesta referncia foram obtidos resultados numricos para a vida

til dos risers, dependendo do nvel de pr-tenso no mesmo durante instalao e da

flexibilidade da junta de flexo do topo. Os mesmos indicaram que a fadiga pode ser

um grande problema dependendo do nvel de pr-tenso adotada e da flexibilidade da

junta de topo. Os resultados expressos nesta referncia so em forma de vida til e

fadiga acumulada. Uma vez que clculos de vida til e dano no foram desenvolvidos

nesta dissertao, estes resultados no foram apresentados. Assim esta referncia foi

utilizada como base terica no estudo.

Adicionalmente ao trabalho descrito acima, foram realizados estudos de

sensibilidade na referncia [41], de forma a verificar que tipos de simplificaes podem

ser realizadas durante o clculo de fadiga atravs de uma anlise simplificada no

domnio da freqncia, sem que ocorra perda da qualidade dos resultados, ao menos

durante um estgio preliminar de projeto. Os estudos foram realizados em unidades

ancoradas atravs de sistema taut-leg e sistema em catenria e os resultados

mostraram que o comportamento em relao fadiga muito sensvel a diversos

fatores, dentre eles, a posio do riser na unidade, o aproamento da unidade, o tipo de

configurao e a lmina dgua. Desta forma, adicionalmente s observaes

indicadas acima para o estudo desenvolvido na referncia [40], este estudo

comprovou que uma aplicao genrica das simplificaes propostas no estudo, como

a excluso dos estados de mar com baixa probabilidade de ocorrncia, no sempre

possvel. Os resultados indicados neste estudo so expressos em forma de vida til,

24

como na referncia anterior e, portanto, tambm no foram utilizados nesta

dissertao, tendo sido a mesma utilizada como base terica de estudo.

Observa-se no projeto de risers que existe uma grande disparidade de dados

para estimativa do dano obtido considerando-se as vibraes induzidas por vrtice e,

geralmente a correlao entre os danos obtidos atravs de modelos computacionais e

o dano observado considerando os efeitos de vrtice induzido no boa. O resultado

destas observaes no projeto de risers para guas ultra-profundas a adoo de

fatores de segurana elevados na estimativa da vida til e o uso de supressores de

vrtices, que encarecem o projeto. Assim, existe um constante incentivo na pesquisa e

na busca de resultados para diferentes configuraes e arranjos de supressores em

diferentes modelos de risers (o que inclui diferentes relaes comprimento/dimetro,

por exemplo). Estudos como estes determinam as melhores configuraes dos

supressores de vrtice, por exemplo, para um dado perfil de corrente e podem ser

encontrados na referncia [42]. Os resultados obtidos indicam que a resposta de um

riser sem supressores bem distinta da resposta do risers com os supressores, como

de se esperar, no entanto, estas respostas dependem do tipo de supressores e de

sua geometria. Mais uma vez, observa-se que os resultados foram indicados nesta

referncia como a vida til obtida para cada teste e, portanto, no foram apresentados

nesta dissertao.

2.6 Anlise dos Resultados

Em alguma fase de seu trabalho, o pesquisador se v as voltas com o problema

de analisar e entender uma massa de dados relevante ao seu objeto particular de

estudo [43]. Nesta dissertao, o objeto de estudo em questo foram as normas, ou

mais especificamente uma avaliao de suas formulaes e dos resultados obtidos

atravs das mesmas. Avaliao esta realizada atravs de uma comparao entre os

resultados tericos das normas e os resultados experimentais, numricos e/ou

analticos obtidos na literatura ou de uma comparao das normas entre si.

Sendo assim, foram pesquisadas na literatura medidas que indicassem o grau

de confiabilidade ou o grau de incerteza dos resultados utilizados (disponveis) e

obtidos nesta dissertao.

De forma simplificada, no caso particular desta dissertao, as incertezas esto

relacionadas s formulaes propostas pelas normas e o parmetro para quantificar

25

estas incertezas ou a confiabilidade dos resultados obtidos esto relacionados aos

resultados disponveis que foram utilizados nesta dissertao.

Com o objetivo de estimar incertezas em modelos analticos propostos, vrios

autores adotaram parmetros de medidas de incerteza, tais como o fator BIAS e o

coeficiente de variao (COV) [25], [44].

O fator BIAS definido como a razo entre o valor real medido atravs de teste

experimental ou atravs de anlise de elementos finitos calibrada e refinada e o valor

previsto em projeto (formulao analtica) [25], ou seja, ele define o quanto o valor

proposto e o real se distanciam.

O coeficiente de variao COV definido como o quociente entre o desvio

padro e a mdia, freqentemente expresso em porcentagem. Sua vantagem

caracterizar a disperso dos resultados em termos relativos de seu valor mdio. Por

ser adimensional, este coeficiente fornece uma maneira de se comparar amostras de

tamanhos diferentes [25], [34], [45] o que ser especificamente valioso nesta

dissertao uma vez que a mesma apresenta nmero de amostras variveis, como

ser visto adiante.

Sendo assim, com o objetivo de avaliar a confiabilidade dos resultados das

expresses fornecidas pelas normas utilizadas nesta dissertao bem como dos

resultados disponveis na literatura, que tambm foram utilizados nesta dissertao,

para cada modo de falha foram determinados os fatores BIAS e, na medida do

possvel, os fatores COV.

Quanto mais prximo a unidade o fator BIAS e quanto menor o coeficiente

de variao COV, menos incertos e mais confiveis so os resultados obtidos. Um

fator BIAS igual a 1 significa que a estimativa perfeita, ou seja, o valor previsto

idntico ao valor medido. Um fator BIAS inferior a 1 representa um super-estimativa,

enquanto um fator superior a 1 significa uma sub-estimativa [12]. Para o coeficiente de

variao no existe um valor pr-definido aceitvel ou mximo para sua avaliao,

para o conjunto de resultados analisados.

No caso do fator BIAS, foi definido um fator para cada modelo disponvel e uma

mdia final para todos os resultados. Nesta dissertao, obter um fator BIAS para as

expresses das normas maior do que 1 esperado, pois existem os fatores de

segurana embutidos nas formulaes, assim, os valores das normas devem ser

inferiores aos valores disponveis, sejam eles experimentais, analticos ou numricos.

No caso do fator COV, ressalta-se que o mesmo foi avaliado na medida do

possvel dependendo dos resultados disponveis. Para cada modo de falha foram

coletados diversos resultados disponveis na literatura, os quais foram agrupados em

26

funo da relao D/t. Para a estimativa do fator COV, adotou-se que seria necessrio

no mnimo um conjunto de 2 resultados disponveis (2 amostras), de forma que

pudesse ser avaliado o desvio padro e a mdia entre estes valores. Assim, para cada

modo de falha este fator foi determinado em funo dos resultados disponveis.

Ressalta-se aqui que a aplicao dos fatores acima foi utilizada com o objetivo

de estimar incertezas com base em parmetros disponveis na literatura. Contudo,

vale notar que o objetivo desta dissertao no est em determinar fatores de

segurana baseados em tcnicas de confiabilidade, pois este processo demandaria

uma anlise bem mais refinada do que a anlise includa nesta dissertao [44]. Estes

fatores foram apenas includos como medidas de incertezas, para se avaliar

primariamente os resultados obtidos e utilizados ao longo desta dissertao.

2.7 Normas

A seguir esto apresentados os termos gerais e a aplicao das principais

normas utilizadas nesta dissertao: ABS, DnV e API. Destaca-se que as descries

de cada norma foram transcritas basicamente, na maneira como so indicadas em

cada norma, a fim de ser possvel mostrar de que forma cada norma se apresenta

para o leitor.

2.7.1 American Bureau of Shipping

A aplicao das normas do American Bureau of Shipping, ABS, utilizadas como

referncia nesta dissertao, est voltada ao fornecimento de dados tcnicos para o

projeto, fabricao, instalao e manuteno dos risers metlicos (rgidos)

submarinos. O principal objetivo das normas estabelecer os requisitos mnimos para

a classificao, manuteno da classificao, certificao e verificao dos sistemas

de risers pelo ABS. Sendo assim, so estabelecidos critrios para a reviso do projeto

e classificao de risers rgidos submarinos encontrados em Unidades Flutuantes de

Produo, como FPSOs, Spars, TLPs e Semi-submersveis. Os critrios abrangem

apenas os dutos, no abrangendo flanges ou outras conexes utilizadas, as quais

podem ser projetadas de acordo com padres reconhecidos como a ASME (The

American Society of Mechanical Engineers).

As normas do ABS abrangem tanto risers de produo quanto de perfurao.

A figura 2.1 ilustra o fluxograma de projeto considerado pelas normas do ABS

para o projeto e certificao de risers rgidos submarinos. Nota-se atravs do mesmo

27

que o projeto como um todo do riser submarino engloba todas as verificaes locais e

globais do riser, abrangendo ainda sua interface com a unidade qual o mesmo est

interligado. Sendo assim, para estas anlises os requisitos gerais de projeto e

carregamento devem ser cuidadosamente definidos para o projeto.

Incio do Projeto

Base de Projeto

Anlises e ProjetoPreliminar

Conf igurao Inicial do Riser;Seleo de Material;Seleo da Espessura da parede;Projeto do Componente do Riser.

AnliseGlobal

Anlises de Interf erncia

Anlise Local

Anlises da Instalao

Projeto de Proteo Catdica

Requisitos Funcionais;Dimetro do Riser;Vida til de Projeto;Dados do Fluido Interno;Dados da Embarcao;Dados Ambientais;Requisitos Operacionais;Condies de Carregamento de Projeto;Matriz de Projeto;Metodologias de Projeto.

Verif icao de Ruptura,Colapso e Propagao de

Colapso

Conf igurao do Riser;Tenses Extremas;Carregamento na Interf ace.

Dano Fadiga Combinado

Verif icao deResistncia do Riser

Verif icao daInterf ace Riser-

Embarcao

Supressor de VIV

Verif icao de Vida Fadiga do Riser

Verif icao deColiso

Verif icao de Fadigae Resistncia

Verif icao daViabilidade de Instalao

Projeto Global Ok?

Modif icar Projeto

Projeto Finalizado

Anlise Esttica

Anlise Dinmica

Anlise de Fadiga porVrtice Induzido

Anlise de Fadigadev ida aos

Mov imentos dePrimeira e Segunda

Ordem

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Sim

No

Fig.2.1 Fluxograma de projeto do ABS

28

A fim de prover uma viso geral desta norma, so apresentados a seguir,

resumidamente, alguns detalhes da metodologia de clculo e das bases de projeto

adotadas pela mesma.

1) Bases de projeto e combinaes de carregamento:

Os risers devem ser projetados para satisfazer aos requisitos funcionais estando

os mesmos sujeitos aos carregamentos do meio interno, do meio externo, requisitos

bsicos do projeto (dimetro, por exemplo) e vida til de servio, levando-se em

considerao todas as possveis combinaes de carregamento que levem s

condies mais desfavorveis de tenso, incluindo sobreposio de acontecimentos,

caso haja possibilidade de ocorrncia. Eventos extremos, que possuem baixa

probabilidade de ocorrncia simultnea, no necessitam ser levados em conta, de

forma a no serem estudadas e consideradas situaes irreais de carregamentos.

Adicionalmente, leva-se em considerao no projeto, a probabilidade de durao de

um determinado evento, como por exemplo a instalao, que dura um perodo menor

de tempo.

Os casos de carregamento a serem considerados devem refletir os processos de

manufatura, estocagem, transporte, teste, instalao, operao, recuperao e cargas

acidentais. O carregamento deve ser classificado como funcional, ambiental ou

construtivo e deve ser contnuo ou temporrio, cclico ou no. As cargas acidentais

devem ser consideradas separadamente levando-se em conta os fatores de risco de

cada evento em separado. O projeto dos risers deve estar baseado em condies de

projeto pr-determinadas que devero ser definidas durante a fase de projeto bsico

do mesmo.

2) Critrios de projeto:

Os critrios de projeto considerados nas normas incluem:

Ruptura; Colapso; Propagao de colapso; Fadiga. Por estes critrios so verificadas e levadas em considerao as possibilidades

de escoamento dos dutos, a ovalizao, a corroso ou o vazamento, por exemplo.

3) Espessura da parede:

A espessura da parede dos risers deve ser verificada para as condies de

transporte, instalao, servio e teste.

29

4) Anlise global:

A anlise global do riser engloba uma anlise esttica no linear, uma anlise

dinmica no domnio do tempo ou no domnio da freqncia e uma anlise de fadiga,

considerando a possibilidade de fadiga por vrtice induzido e fadiga devida aos

movimentos de primeira (onda) e segunda (baixa freqncia) ordens.

5) Anlise de interferncia:

Possveis interferncias devem ser analisadas, como por exemplo:

Riser de produo com riser de produo; Riser de produo com riser de perfurao; Risers e linhas de ancoragem; Risers e umbilicais; Risers e as unidades flutuantes; Risers e quaisquer outras obstrues.

6) Definio das cargas de projeto:

O carregamento nos risers pode ser divido em: ambiental, funcional e acidental.

As cargas ambientais so definidas como sendo as cargas impostas direta ou

indiretamente pelos fenmenos ambientais como onda, corrente e vento. Em geral,

so cargas variveis com o tempo e incluem componentes dinmicas e estticas.

As cargas funcionais so basicamente as cargas de peso, as sobrecargas que

podem variar durante a operao e as cargas de deformao que so impostas aos

risers atravs das condies de contorno, como o leito marinho e a unidade flutuante.

As cargas acidentais esto relacionadas condies anormais de operao,

falhas tcnicas ou falhas humanas. Exemplos tpicos so: terremotos, rompimento de

linhas de ancoragem e queda de objetos nas linhas, dentre outros.

2.7.2 Det Norske Veritas

Os padres estabelecidos pelo Det Norske Veritas, DnV, estabelecem critrios,

requisitos e um guia geral para o projeto estrutural e para anlise de risers sujeitos a

carregamentos estticos e dinmicos.

Os objetivos principais destas normas so:

Prover padres internacionais para a segurana de risers rgidos utilizados em unidades de perfurao