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COMPARTILHANDO CONHECIMENTOS EXCLUSIVOS SOBRE CULTURA E ENGENHARIA

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Análises de Colapso em Risers Flexíveis


1. Introdução


Os risers, tubos que fazem a ligação entre os poços de petróleo, no solo marinho, e as plataformas ou navios, na superfície, são considerados como uma das partes críticas de um sistema de exploração offshore. Essas estruturas ficam continuamente sujeitas às ações dinâmicas de ondas, correntes marítimas e movimento da plataforma, podendo ter o seu comportamento influenciado pelo grande número de solicitações a que são submetidos [1].


Embora o aço seja o material tradicionalmente empregado na produção de risers, em águas profundas e ultraprofundas os risers de aço tendem a atingir seus limites físicos, tornando-se dispendiosos. Isso porque, com o aumento da profundidade da lâmina d’água, o peso do riser sobrecarrega a plataforma e encarece do sistema como um todo, devido à necessidade de instalação de sistemas de flutuação maiores e mais eficazes. Nesse cenário, risers de compósito (polimérico reforçado com fibras) surgem como uma solução atrativa e viável. Oferecem vantagens sobre os convencionais de aço porque os materiais compósitos possuem maior resistência à fadiga e à corrosão, além de poderem ser projetados para ter maior resistência nas direções das cargas.


2. Tipos de Risers


Eles podem ser definidos classificando-se a sua funcionalidade como:

  • Riser de produção: utilizado na transferência dos fluidos produzidos (óleo e gás) do poço à plataforma;

  • Riser de injeção: responsável por injetar água no reservatório e ajudar a manter sua pressão;

  • Riser de exportação: utilizado na transferência do fluido processado da plataforma até a terra ou outra unidade;

  • Riser de perfuração: adotado principalmente para proteger a coluna da broca de perfuração do poço.


3. Riser Rígidos


Riser rígidos são tubos de aço formados por uma série de juntas soldadas ou rosqueadas, em lâminas profundas, pode ser utilizado flutuadores para diminuir o peso, possuem grande rigidez e resistência a cargas axiais, radiais e de flexão. Normalmente são compostos de aço ou titânio, e tem sido largamente empregado na exploração em águas profundas por possibilitar a utilização de grandes diâmetros, operar com maior variedade de pressões internas, além disso, a sua simples fabricação oferecem maior dificuldade de manuseio, armazenagem, transporte e instalação.


Figura 1: Exemplo de riser rígido, extraído de [2]


4. Riser Flexíveis


Segundo [3] os risers flexíveis são dutos compostos pela superposição de camadas plásticas e metálicas que lhe conferem respectivamente estanqueidade e resistência mecânica, caracterizando-se pela baixa rigidez à flexão.

O mercado de dutos flexíveis no Brasil é crescente devido ao uso dos sistemas de produção flutuantes que atendem as demandas em águas ultra profundas, porém os centros de pesquisa ainda enfrentam desafios para obtenção de dutos flexíveis mais resistentes e com menor peso.


O riser flexível pode ser classificado de acordo com a função e camada interna:

  • Rough Bore: Duto com parede interna rugosa, envolvendo o transporte de fluidos que possuem gás (Produção e exportação de óleo, injeção, produção e exportação de gás). Possui obrigatoriamente carcaça.

  • Smooth Bore: Duto com parede interna lisa, envolvendo transporte de fluidos sem gás (injeção de água). Não há necessidade da carcaça.


Há também outra classificação de acordo com sua construção:

  • Unbonded pipe: As camadas metálicas e poliméricas não são unidas entre si, garantindo um movimento relativo entre elas.

  • Bonded pipe: As camadas são coladas por um processo de vulcanização com o elastômero.


A seleção dos tubos flexíveis deve levar em consideração fatores como:

  • Propriedade e composição do fluido interno (quantidade de CO2, H2S e água);

  • Taxa de escoamento requerida;

  • Pressão e temperatura do fluido;

  • Vida útil do duto e lâmina d’água;

  • Necessidade de isolamento térmico;

  • Método e navio para instalação.


Sua construção consiste na sobreposição de diversas camadas, conforme ilustrado na Figura 2. Vale ressaltar que as camadas podem ser construídas a partir do empilhamento de diversas sub-camadas dispostas em angulações distintas, tal fato é comumente visto quando adotado materiais compósitos em sua construção.


Figura 2: Seção transversal típica de um riser flexível, extraído de [4].



5. Estudo de colapso


Uma das análises de interesse da indústria é a de colapso de tubulares. Nessa análise, se busca compreender melhor a resistência estrutural do duto quando exposto a um diferencial de pressão de fora para dentro, ou seja, que gere uma tendência de colapso.


Tal falha possui um comportamento bem conhecido pela literatura, em que o duto possui uma sequência de deformação ao longo do tempo se aproximando de um formato de infinito ().


Figura 3: Sequência da configuração deformada, extraído de [5].


Abaixo pode ser vista uma imagem de ¼ de tubo colapsado, com a escala amplificada, em termos de suas tensões de Von Mises.



Figura 4: ¼ de tubo colapsado, figura do autor.


Com essa análise, se pode determinar a carga de instabilidade da estrutura, chamada de pressão de colapso. Graficamente esse carregamento pode ser identificado como o ponto de inflexão da curva de ovalização dinâmica do tubo. No caso da modelagem compósita em casca do exemplo, verifica-se a formação de um platô, o que continua indicando a existência de uma instabilidade devido à perda de resistência da estrutura frente ao aumento da carga.



Figura 5: Carga de instabilidade da estrutura, figura do autor.


Nota-se que este gráfico apresenta a variação da pressão externa em função da variação da ovalização dinâmica do tubular (Δ(t)), o qual é calculado segundo a equação a seguir:




Onde:


Além disso, Rmaior e Rmenor consistem no maior raio do duto ovalizado e no menor raio do duto ovalizado, respectivamente. Enquanto que Ux(t) e Uy(t) consistem na variação dos raios ao longo do tempo, conforme ilustrado na Figura 6.



Figura 6: Representação de seção transversal ovalizada ao longo do tempo, adaptado de [6].



Fontes:


[1] SOBRINHO, L. L. Desenvolvimento de Tubos Compósitos Visando Aplicação como Risers. 2009. Tese de Doutorado. Tese de D. Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.


[2] DE LEÃO CRAIG, SARDINHA, A. P. et al. Análise dos sistemas de Risers utilizados na produção de óleo em sistemas submarinos. Caderno de Graduação-Ciências Exatas e Tecnológicas-UNIT-SERGIPE, v. 2, n. 2, p. 23-36, 2014.


[3] SILVA, V. R. M.; Análise global de riser rígido vertical tracionado no topo para águas ultra-profundas, Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica, 2011.


[4] COSTA, S.P.H. Pedro, Análise da conexão vertical direta na instalação de linhas flexíveis e umbilicais. Projeto de graduação. UFRJ, Rio de Janeiro, 2015, p. 12.


[5] KYRIAKIDES, Stelios; CORONA, Edmundo. Mechanics of offshore pipelines: volume 1 buckling and collapse. Elsevier, 2007, p. 176.


[6] KYRIAKIDES, Stelios; LEE, Liang-Hai. Mechanics of Offshore Pipelines, Volume 2: Buckle Propagation and Arrest. Gulf Professional Publishing, 2020, p. 59.


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