Estabilidade Hidrodinâmica

Prévia do material em texto

5/15/2017
1
5/15/2017
2
Sistema Marítimo de Produção
Dutos
 Funções principais e classificação
 Projeto de dutos
 Garantia de escoamento
 Estabilidade hidrodinâmica
 Fadiga por VIV
 Instalação
5/15/2017
3
Dutos
 Funções principais e classificação
 Projeto de dutos
 Garantia de escoamento
 Estabilidade hidrodinâmica
 Fadiga por VIV
 Instalação
Projeto de Dutos Submarinos
Definição das Características do duto:
‐ Material
‐ Diâmetro Interno
Parâmetros de Projeto:
‐ Características do Reservatório
‐ Características de Transporte e Produção
Definição da Rota:
‐ Minimizar Comprimento
‐ Minimizar Vãos Livres
Definições de Materiais e Revestimentos:
‐ Revestimento Anti‐corrosivo
‐ Revestimento Isolante
Ações de Proteção:
‐ Intervenções no Solo
‐ Intervenções Estruturais (Calçamento, etc.)
Análise de Instalação:
‐ Análise de Lançamento (Tipos de Lançamento)
Otimização do Duto:
‐ Diâmetro Interno
‐ Peso Submerso
‐ Espessura da Parede
‐ Códigos, Normas e Especificações
‐ Respeitar Raio Mínimo
‐ Materiais e Revestimentos
Análise de Tensões / Estados Limites:
‐ Análise de Colapso
‐ Análise Térmica
‐ Análise de Vãos Livres
‐ Estabilidade Hidrodinâmica
5/15/2017
4
Projeto de Dutos
 DNV‐RP‐F109: 
1) “Absolute Lateral Static Stability”: 
 Garante que as cargas hidrodinâmicas atuantes no duto sejam 
menores do que a resistência do solo, não permitindo o 
deslocamento lateral do duto. 
 Calculado através de expressões analíticas fornecendo fatores de 
segurança.
2) “Generalized Lateral Stability Method”:  
 Permite deslocamentos máximos admissíveis, analisando o peso 
requerido através de curvas pré‐calibradas;
3) “Dynamic Lateral Stability Analysis”: 
 Análise dinâmica por EF fornecendo diretamente os parâmetros da 
resposta estrutural do duto
(tensão/deslocamento, a serem comparados com valores limites).
5/15/2017
5
Estabilidade Estática Absoluta:
 Não tolera deslocamentos laterais;
 Garante que as cargas hidrodinâmicas são menores que a resistência do 
solo.
 
 
 
_
_
cos
( ) sin
cos
s t R
sc y
D I s t L
s t
sc z
L
w F
F F w F
w
F
   

       

 
_
_
1.0
1.0
D I L
sc y
s R
L
sc z
s
F F F
w F
F
w
 

  

Estabilidade Estática Absoluta:
1) Cargas Hidrodinâmicas – Formulação de Morison; 
2) Interação Solo‐Duto ‐ Fatores de Redução de Carga;
3) Cargas Hidrodinâmicas ‐ Cargas Verticais e Horizontais;
   
 
 
2
2
1
2
4
1
2
D w d
I w m
L w l
F D C U t U t
F D C A t
F D C U t

 

     
    
    
 
 
2* * * *
,
2* * * *
,
1
2
1
2
Y tot y w Y
Z tot z w Z
F r D C U V
F r D C U V


      
      
, , , ,tot i perm i pen i tr ir r r r  
+
=
5/15/2017
6
Estabilidade Estática Absoluta:
4) Interação Solo‐Duto ‐ Resistência do Solo:
 Força coesiva do solo: Considera o coeficiente estático de fricção e a 
força normal aplicada ao solo;
 Força de resistência passiva do solo: Considera a penetração da 
tubulação no solo (zp).
lat at RF F F 
Estabilidade Generalizada:
 Admite certo valor de deslocamento lateral para o duto;
 Fornece o peso requerido para atingir estabilidade, 
em termos do peso significativo do duto L.
 [DNV‐RP‐F109] sugere duas faixas para o deslocamento lateral 
admissível: 
 0,5D ( “virtually stable pipe”)  Lstable; 
 10D  L10.
 Critérios de deslocamento intermediário podem ser estabelecidos,  
através do peso requerido LY para um deslocamento admissível Y:
 O duto está estável se o valor de L é maior que o peso requerido Lstable , 
L10 ou LY . 212
s
w S
wL
D U   
5/15/2017
7
Critério Absoluto:
Critério Generalizado:
 
_
cos t
sc y
req
L
L
 
 
 
 
_
_
cos
( ) sin
cos
s t R
sc y
D I s t L
s t
sc z
L
w F
F F w F
w
F
   

       

Estimativa Inicial
Verificação
sim
não
0reqW 
_sc y
_sc y SF  req reqW W
req reqW W discrW 
1Iter Iter 
Calcula 
limIter Iter
5/15/2017
8
Critérios de Estabilidade
 Estabilidade vertical em água:
 Verificação inicial, a fim de evitar a flutuação do duto em
água;
 A densidade específica do duto (Sg) acima de 1.1 garante a
estabilidade vertical em água.
1.0ww
s g
B
w B S
  
Critérios de Estabilidade
 Cálculo do peso submerso do duto:
2
4 w
s t
t
g
B D
w W B
WS
B
 
 

5/15/2017
9
 Estabilidade Estática Absoluta:
 Verifica o equilíbrio lateral entre as forças hidrodinâmicas e a
resistência do solo;
 Compara o equilíbrio vertical entre a carga de sustentação
(lift) e o peso submerso;
Critério Absoluto
 
 
 
_
_
cos
( ) sin
cos
s t R
sc y
D I s t L
s t
sc z
L
w F
F F w F
w
F
   

       

 
_
_
1.0
1.0
D I L
sc y
s R
L
sc z
s
F F F
w F
F
w
 

  

Critério Absoluto
 Considerações:
 A carga ambiental de onda é regular e unidirecional;
 As velocidades e acelerações no nível do duto são calculadas com
base na teoria linear de onda;
 Os carregamentos de pico consideram as forças hidrodinâmicas,
as quais são calculadas com base na formulação de Morison;
 A resistência do solo é baseada na força de atrito (Fat) adicionada a
uma parcela de resistência passiva (FR) que considera a penetração
inicial do duto.
5/15/2017
10
 Característica Ambiental de Onda:
 Teoria Linear de Airy
 Mar regular
Critério Absoluto
 Velocidades no nível do duto  Acelerações no nível do duto
 
 
cosh ( ) cos( )sinh( )
sinh ( ) sin( )sinh( )
horiz
vert
k z d
u a k x t
k d
k z d
u a k x t
k d
 
 
  
  
 
 
2
2
cosh ( ) sin( )sinh( )
sinh ( ) cos( )cosh( )
horiz
vert
k z d
a a k x t
k d
k z d
a a k x t
k d
 
 
  
   
Critério Absoluto
 Característica Ambiental de Corrente:
 Perfil de corrente pode variar com a profundidade e apresentar
variação em sua direção;
 Redução da velocidade de corrente no fundo pode ser adotada
devido a rugosidade do solo.
Tipo de Solo Diâmetro Médio do Grão [mm]
Rugosidade 
z0 [m]Silte e Argila 0.0625 ≈ 5 
Areia fina 0.25 ≈ 1 
Areia média 0.5 ≈ 4 
Areia grossa 1.0 ≈ 1 
Cascalho 4.0 ≈ 3 
Seixo 25 ≈ 2 
Rocha Fraturada 125 ≈1 
Rocha 500 ≈ 4 
          0 00 0
ln ln sinln lnr cr
z z z
V z V z
z z z
   
5/15/2017
11
Critério Absoluto
 Cargas Hidrodinâmicas – Formulação de Morison:
 Considera as velocidades e acelerações no nível do duto devido
a onda e corrente;
 Coeficientes de força derivados de testes em condições de fluxo
constante (Cd, Cl e Cm).
   
 
 
2
2
1
2
4
1
2
D w d
I w m
L w l
F D C U t U t
F D C A t
F D C U t

 

     
    
    
Critério Absoluto
 Interação Solo‐Duto ‐ Fatores de Redução de Carga:
 Devido a permeabilidade do solo (rperm,i)
 Devido a penetração do duto no leito marinho (rpen,i)
 Devido a formação de trincheiras (rtr,i)
, , , ,tot i perm i pen i tr ir r r r  
5/15/2017
12
 Interação Solo‐Duto ‐ Fatores de Redução de Carga:
 Redução de Carga devido a Permeabilidade do Solo:
 Redução de Carga Devido à Penetração:
Critério Absoluto
,
,
1.0 1.4 0.3
1.0 1.3 0.1 0.0
p
pen y
p
pen z
z
r
D
z
r
D
   
      
, 0.7perm zr 
Critério Absoluto
 Interação Solo‐Duto‐ Fatores de Redução de Carga:
 Redução de Carga Devido ao Entrincheiramento:
 
 
0.42
0.25
,
0.46
0.43
,
1.0 1.18 5 , 5 45
1.0 1.14 5 , 5 45
t
tr y
t
tr z
zr
D
zr
D
 
 
        
        
5/15/2017
13
Critério Absoluto
 Cargas Hidrodinâmicas ‐ Cargas Verticais e Horizontais:
Cargas hidrodinâmicas horizontal e vertical são ajustadas pelos
fatores de redução, considerando coeficientes de pico de carga.
 
 
2* * * *
,
2* * * *
,
1
2
1
2
Y tot y w Y
Z tot z w Z
F r D C U V
F r D C U V


      
      
 Interação Solo‐Duto ‐ Resistência do Solo:
 A resistência total do solo é definida como a soma da parcela da força de
atrito com a resistência passiva do solo:
 Força coesiva do solo: Considera o coeficiente estático de fricção e a força
normal aplicada ao solo.
 Força de resistência passiva do solo: Considera a penetração da tubulação no
solo (zp).
Areia Argila
Critério Absoluto
lat at RF F F 
  1.252
1.25
5.0 0.15 26.7
26.7
p
s s s
R
C p
s s
z
se
DF
F z
se
D
  
 
                  
atF N 
1.31
0.39
4.1 pcR
C c
zF
F G D
     
5/15/2017
14
 Estabilidade Generalizada:
 Admite certo valor de deslocamento lateral para o duto, sob a
ação de um espectro de onda oscilatória de projeto;
 A DNV‐RP‐F109 sugere duas faixas para o deslocamento lateral
admissível:
 0,5D ‐ Constituindo um deslocamento de até metade do diâmetro
da tubulação, considerando dutos “praticamente estáveis” (Virtual
Stable Pipes);
 10D ‐ Estabelecendo um deslocamento de até dez vezes o
diâmetro.
Critério Generalizado
Critério Generalizado
 Considerações:
 A carga ambiental de onda é derivada de um espectro de ondas;
 A estabilidade é medida de acordo com o parâmetro de peso requerido:
 Lstable: Parâmetro de peso necessário para levar a uma tubulação
“praticamente estável” (com deslocamentos menores do que meio
diâmetro);
 L10: Parâmetro de peso requerido para a obtenção de um deslocamento
lateral menor que 10 vezes o diâmetro.
 O critério não é válido para águas profundas.
5/15/2017
15
Critério Generalizado
 Característica Ambiental de Onda:
 Espectro de JONSWAP
 Mar irregular
 Curvas de Projeto:
 Deslocamento lateral Y é governado por um conjunto de parâmetros
adimensionais:
 L é o peso significativo do duto:
 K é o número significativo de Keulegan‐Carpenter:
 M é a relação entre velocidades:
 N é o fator de aceleração espectral:
 τ é o número de oscilações :
 Gs é o parâmetro de densidade do solo (areia):
 Gcé o parâmetro de densidade do solo (argila):
Critério Generalizado
 , , , , , ,s cY f L K M N G G
20.5
s
w s
wL
D U
s uU TK
D

proj
u
t
T
 
s
u
UN
g T

'
s
s
w
G
g

 
u
c
s
SG
D  
s
VM
U

5/15/2017
16
Critério Generalizado
 Peso Requerido:
 O resultado da aplicação das curvas de projeto é o parâmetro de peso
requerido, o qual é comparado com o peso significativo L:
 Lstable: Peso requerido para deslocamentos menores do que 0,5D;
 L10: Peso requerido para a obtenção de deslocamento lateral menor que
10D;
 LY: Peso requerido para um deslocamento admissível Y.
 
    10
0.5 10 0.5 0.5 0.00951000
log
log log log 0.50.5log 0.01
stable
Y stable
Y
L
L YL L

 

    
             
Critério Generalizado
 Peso Requerido:
 Areia:
 Argila:
       
 
3
3
1.12
0.67
2
1
10
2 2
1
90 , 0.58 log 0.60 log 0.47 1.0
2
c
stable
bC
bC
b
GL f M onde f M M M
N K
CC para K K
L K
CM C para K K
K
      
      
5/15/2017
17
 Sem consideração da inclinação do terreno:
 Critério Absoluto:
 Critério Generalizado:
Fator de Segurança
_ *
_ * *
s
sc z
Z
S R
sc y
Y Z
w
F
w F
F F

 

   
_sc y
req
L
L
 
 Com consideração da inclinação do terreno:
 Critério Absoluto:
 Critério Generalizado:
Fator de Segurança
 
 
 
_ *
_ * *
cos
cos
sin
s t
sc z
Z
S t R
sc y
Y S t Z
w
F
w F
F w F

   

      
 
_
cos t
sc y
req
L
L
 
5/15/2017
18
Consideração Peso Lastro
Lastro
 Métodos para conferir lastro ao duto:
5/15/2017
19
Comparação
 Dados de entrada:
Comparação Mar Regular
CAMADA SF SF SF SF SF
CONCRETO VERT. VERT. HORIZ. HORIZ. HORIZ.
[in] ÁGUA 0,5*D 10*D
1,625 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
1,75 1,01 0,03 0,01 0,02 0,03
1,875 1,04 0,12 0,06 0,07 0,15
2 1,06 0,22 0,10 0,13 0,26
2,125 1,09 0,31 0,14 0,18 0,38
2,25 1,12 0,40 0,18 0,24 0,50
2,375 1,15 0,49 0,22 0,29 0,62
2,5 1,17 0,58 0,26 0,34 0,74
2,625 1,20 0,66 0,30 0,40 0,86
2,75 1,22 0,75 0,34 0,45 0,98
2,875 1,24 0,83 0,38 0,50 1,11
3 1,27 0,92 0,42 0,55 1,23
3,125 1,29 1,00 0,46 0,60 1,36
3,25 1,31 1,08 0,49 0,65 1,48
3,375 1,34 1,16 0,53 0,70 1,61
3,5 1,36 1,24 0,57 0,75 1,74
3,625 1,38 1,31 0,60 0,80 1,86
3,75 1,40 1,39 0,64 0,85 1,99
3,875 1,42 1,46 0,67 0,90 2,12
4 1,44 1,54 0,71 0,95 2,25
4,125 1,46 1,61 0,74 1,00 2,39
4,25 1,48 1,68 0,78 1,05 2,52
4,375 1,50 1,76 0,81 1,09 2,65
4,5 1,52 1,83 0,84 1,14 2,79
 Critério Absoluto (em verde)  Critério Generalizado (em azul)
5/15/2017
20
Comparação Mar Irregular
CAMADA SF SF SF SF SF
CONCRETO VERT. VERT. HORIZ. HORIZ. HORIZ.
[in] ÁGUA 0,5*D 10*D
1,625 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
1,75 1,01 0,03 0,01 0,02 0,04
1,875 1,04 0,14 0,06 0,08 0,18
2 1,06 0,24 0,11 0,15 0,32
2,125 1,09 0,35 0,16 0,21 0,46
2,25 1,12 0,45 0,21 0,27 0,60
2,375 1,15 0,55 0,25 0,33 0,75
2,5 1,17 0,65 0,30 0,39 0,89
2,625 1,20 0,75 0,35 0,45 1,04
2,75 1,22 0,84 0,39 0,51 1,18
2,875 1,24 0,94 0,44 0,57 1,33
3 1,27 1,03 0,48 0,63 1,48
3,125 1,29 1,12 0,52 0,69 1,63
3,25 1,31 1,22 0,57 0,75 1,78
3,375 1,34 1,31 0,61 0,81 1,93
3,5 1,36 1,39 0,65 0,87 2,09
3,625 1,38 1,48 0,69 0,92 2,24
3,75 1,40 1,57 0,73 0,98 2,40
3,875 1,42 1,65 0,77 1,03 2,55
4 1,44 1,74 0,81 1,09 2,71
4,125 1,46 1,82 0,85 1,14 2,87
4,25 1,48 1,90 0,89 1,20 3,03
4,375 1,50 1,98 0,93 1,25 3,19
4,5 1,52 2,06 0,97 1,31 3,35
 Critério Absoluto (em verde)  Critério Generalizado (em azul)
Estabilidade Hidrodinâmica