Apresentação Sesam para Flowlines & Pipelines

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Sesam : Ferramentas de Análise de
 Flowlines e Pipelines
João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
Regional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software
Agosto 2012
Presenter
Presentation Notes
Obstáculos no fundo do mar com até 50m de altura. O fundo do mar é muito desigual, com um elevado número de vãos livres. Necessitam de uma grande intervenção que seja razoavel a todos.
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Ferramentas de análise de 
flowlines e pipelines baseadas nas 
melhores práticas DNV
Presenter
Presentation Notes
Esta apresentação irá mostrar como podemos ajudá-lo a tomar as decisões corretas em um projetar viável economicamente, estruturado para condições extremas e gerenciar o seu risco.
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Ferramentas de Análise de Pipelines
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 Desenvolvidas pela Engenharia de Pipelines da DNV/Noruega, baseadas 
nas normas e práticas recomendadas DNV.
 A partir de 2011, comercializadas e suportadas pela DNV Software.
 Aplicações em VBA (Visual Basic for Applications) com interface Excel :
- FatFree : DNV-RP-F105
- Code Compliance : DNV-OS-F101
- StableLines : DNV-RP-F109
- Pipeline Engineering Tools (PET) : DNV-OS-F101, DNV-RP-F105 e DNV-RP-F103
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FatFree
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Porque Análise de Vãos Livres
 Evitar reparos custosos.
 Assegurar um transporte estável de óleo ou gas.
 Prevenir poluição ambiental.
 Otimizar a correção e intervenção no leito marítimo.
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Leito marítimo desigual Vão livre com intervenção Erosão do solo (scour)
Assegurar um transporte estável de óleo ou gas.
Otimizar a correção e intervenção no leito marítimo.
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Terminologia de Vãos Livres
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ombro
(spam shoulder)
comprimento do vão
(spam length)
altura do vão
(spam height / gap)
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Categorias de Vãos Livres
 Vão curto
- Comportamento similar à vigas
- Modo simples de meia onda
 Vão longo
- Comportamento similar à cabos
- Excitação de múltiplos modos
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Analise Antes de Consertar
 Exemplo típico de dano por fadiga em pipeline.
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Presenter
Presentation Notes
2005 na Ásia
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Avaliação de Vão Livre - Multidisciplinar 
 Condições ambientais
- Condições do escoamento combinado de ondas e 
correnteza
- Topografia local
 Carregamento
- Vibração induzida por vórtices VIV (alinhada e cruzada)
- Cargas diretas das ondas e efeitos de proximidade
 Resposta estrutural
- Interação entre o solo e a tubulação
- Não-linearidades (geométricas, propriedades 
estáticas/dinâmicas)
 Critério de aceitação
- Abordagem por curvas S-N (solda, defeitos, …)
 VIV
- Vivana para análise
- FatFree para cálculos de vão livre de acordo com a DNV 
RP-F105
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Meta :
Estabelecer uma estratégia
para a análise de vãos
livres, definindo um critério
de segurança aceitável a
um mínimo custo
Presenter
Presentation Notes
All disciplines complex, lot of details, difficult to cover all aspects.
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DNV-RP-F105
 Prover recomendações práticas e
critérios de projeto para a avaliação de
vãos livres em dutos submarinos
submetidos ao efeito combinado de
carregamento de ondas e correnteza.
 Combina o conhecimento detalhado em
várias disciplinas :
- Hidrodinâmica, VIV e modelos de carre-
gamento
- Condições ambientais, estatísticas de longo
prazo
- Análise de fadiga
- Resposta estrutural, incluindo aspectos geo-
técnicos
 Filosofia de segurança de acordo com a
norma DNV-OS-F101
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FatFree
 Auxiliar a realizar uma análise rápida e segura com relação ao vão máximo
permissível.
 Auxiliar na decisão sobre a necessidade de corrigir o leito marítimo ou
intervir sobre um vão livre.
 Reduzir custos através da redução das correções desnecessárias, pois
permite vãos maiores quando comparados à outras normas e códigos.
 Dois tipos de análises :
- Nível I : Critério de fadiga utilizando parâmetros reais do vão e estimativas
simplificadas de frequências e modos de vibração.
- Nível II : Critério de fadiga baseado em respostas de autovalores definidos por
análise por elementos finitos.
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FatFree : Folha Principal
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Presenter
Presentation Notes
Contém todos os dados de entrada e saída mais importantes, exceto os ambientais.
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FatFree : Gabarito para Dados de Correnteza
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Presenter
Presentation Notes
Contém os dados de correnteza. Uma folha para cada zona ambiental.
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FatFree : Gabarito para Dados de Ondas
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Presenter
Presentation Notes
Contém os dados de ondas. Várias folhas, uma para cada zona ambiental.
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FatFree : Folha de Plotagem
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Presenter
Presentation Notes
Contém os resultados para apresentação gráfica e alguns parâmetros de configuração definiiveis pelo usuário.
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FatFree : Folha Multi-Modos
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Presenter
Presentation Notes
Contém informações para modos mais altos de vibração (importados de FEM)
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FatFree : Folha “Span Runs”
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Presenter
Presentation Notes
Permite que vários casos de vãos sejam executados de ums só vez. 
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StableLines
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Modos de Falha da Falta de Estabilidade do Duto
 O duto se move em excesso lateralmente sob a ação de forças
hidrodinâmicas (é o problema mais desafiador e frequente).
 O duto flutua na água (importante mas simples).
 O duto afunda mais do intencionado no leito marítimo (em geral não é um
problema).
 O duto flutua em solo liquefeito quando a intenção original era que ficasse
enterrado (relativamente simples mas em algumas ocasiões negligenciado).
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Estabilidade Lateral
 Forças motrizes
- Arrasto e forças de inércia devidas ao escoamento da água : ondas e correnteza
 Forças resistivas
- Interação com o solo : fricção mas resistência passiva (devido à penetração).
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Escoamento
O duto irá se mover se as forças motrizes forem maiores que as forças resistivas.
O objetivo do projéto é o de assegurar que esta movimentação não será muito grande.
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Forças Motrizes
Correnteza
 A velocidade normalmente é medida a 
uma distância de 2 a 5m acima do leito 
marítimo :
- Magnitude
- Direção
 No projeto deve ser usada a velocidade 
média sobre o duto, levando em conta 
a camada limite e direção.
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Ondas
 Em geral os dados fornecidos são 
(para ondas de superfície) :
- Altura da onda (x extremo anual, pode ser 
direcional e/ou sazonal)
- Período da onda (x extremo anual, pode 
ser direcional e/ou sazonal)
- Parâmetro de pico do espectro.
- Direção (simples decomposição)
- Espalhamento
 Transformada para velocidade induzida 
da partícula e período no fundo.
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Direção e Espalhamento da Onda
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Direção principal
Duto
Cristas das ondas
Somente a componente 
perpendicualr ao duto irá 
tentar movê-lo.
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Forças de Resistência
 Em geral consiste de duas partes :
- Fricção pura de Coulomb
- Resistência passiva FR devido à penetração.
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Estabilidade de Dutos Submarinos
 O principal objetivo da análise de estabilidade de dutos apoiados no leito marítimo é
calcular o deslocamento transversal do mesmo devido às forças hidrodinâmicas de
ondas e correnteza.
 A estabilidade vertical do duto também deve ser garantida. Ele não pode nem
flutuar (peso próprio vazio x empuxo), e nem afundar demasiada-mente no solo
(peso próprio cheio x resistência do solo).
 Dados do duto :
- Duto vazio com D/t > 29 irá flutuar
- O conteúdo tem um grande impacto :
• ρágua = 1025kg/m3
• ρóleo = 700-900kg/m3
• ρgás = 0-200kg/m3 (~1kg/m3 por bar) 
- Revestimento térmico
• Densidade 600-900kg/m3
• Aumento no diâmetro (e carregamento) 50~60mm
- Revestimento de concreto (utilizado para aumentar o peso)
• Densidade 1900~3400kg/m3
• Aumento no diâmetro (e carregamento) 40~120mm
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DNV-RP-F109
 Fornecer um critério de projeto racional
para a avaliação da estabilidade de dutos
submarinos sujeitos à ação das ondas e
correnteza.
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StableLines (1)
 Baseado na prática recomendada DNV-RP-F109.
 Validado, verificado e comparado com resultados de campo para dutos e 
umbilicais.
 Qualquer parâmetro pode ser variado, auxiliando os projetistas a definirem 
bons critérios para as condições relevantes de seus projetos. 
 Análises de sensibilidade importantes podem ser executados e reportados 
automaticamente.
 Quatro diferentes tipos de solos : areia, argila, pedra e com fricção definida 
pelo usuário. 
 Três métodos de estabilidade lateral são cobertos :
- Estabilidade absoluta, nenhum movimento do duto
- Estabilidade generalizada, com deslocamento de 0.5xOD ou 10xOD
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StableLines (2)
 Afundamento do duto no solo ou a utilização de trincheiras são levados em 
conta na redução do carregamento.
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Afundamento do duto Trincheira
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StableLines (3)
 A sensitividade aos parâmetros de projeto mais críticos são apresentados
em gráficos, permitindo que o projetista perceba as implicações da falta de
precisão com facilidade.
 Boas curvas de projeto para a tomada de decisões importantes - como a
densidade do concreto do revestimento, o peso requerido como função da
velocidade da correnteza ou direção - são apresentadas facilmente, 
permitindo o projeto com a maior eficiência possível.
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StableLines : Folha Principal
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Presenter
Presentation Notes
Destaque para as seguintes regiões da planilha :
Pipeline (pode ser especificado duto ou umbilical) e revestimento
Solo e ambiente
Ondas e correnteza
Área de resultados com os dados e gráficos principais.
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StableLines : Dados do Duto ou Umbilical
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duto umbilical
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StableLines : Resultados Numéricos
ws Peso real submerso.
wrequired Peso requerido submerso para a estabilidade lateral.
ws,vertical Peso requerido submerso para a estabilidade vertical.
tconc Espessura necessária de concreto para ambas as estabilidades. 
tsteel,added Espessura adicional do aço para um duto estável.
tarmour Espessura da armadura do umbilical para atender à estabilidade. 
wdry,final Peso quando a espessura da armadura for igual à requerida. 
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StableLines : Folha de Plotagem
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StableLines : Folha “Parametric Runs”
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StableLines : Folha de Resultados
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OS-F101 Code Compliance
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DNV-OS-F101
 Norma desenvolvida para oferecer critérios e
guias no desenvolvimento conceitual, projeto,
construção, operação e abandono de sistemas
de dutos submarinos
 Assegurar que estes processos sejam seguros
e conduzidos com cuidado com relação à se-
gurança e proteção do meio ambiente
 Fornecer um padrão de segurança interna-
cionalmente aceitável para sistemas de dutos
submarinos, definindo os requisitos mínimos
para cada fase.
 Servir como um documento de referência téc-
nica em assuntos contratuais entre o contra-
tante e a contratada
 Servir como um guia para o projetista, contra-
tante e contratada
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OS-F101 Code Compliance
 De acordo com a norma DNV OS-F101.
 Code-checks suportados :
- Sobre-pressão do sistema em condições de teste e operação
- Colapso para o duto vazio
- Propagação de flambagem para duto vazio
- Cargas geradas por carregamento controlado (momentos, força axial e sobre-
pressão externa/interna)
- Cargas geradas por deslocamento controlado (deformação axial e sobre-pressão
externa/interna)
 O programa calcula :
- Espessura mínima da parede para
as condições dadas
- Fator de utilização baseado na
espessura definida pelo usuário.
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Presenter
Presentation Notes
DNV-OS-F101 oferece muito mais do que é calculado na planilha
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Code-Checks de OS-F-101 Code Compliance
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Propagação de flambagem
Colapso (flambagem local)
Explosão por sobre-pressão
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OS-F101 Code Compliance : Tela Principal
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OS-F101 Code Compliance : Relatórios (1)
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Verificação de sobre-pressão (explosão)
Colapso e propagação de flambagem
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OS-F101 Code Compliance : Relatórios (2)
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Verificação carregamento controlado Verificação de deslocamento controlado
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PET
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PET – Pipeline Engineering Tool
 PET – ferramenta de cálculo para a fase preliminar de projeto de dutos :
- DNV-OS-F101 Design Checks
- Pesos e volumes
- Deformação das extremidades
- Flambagem de Perturbação
- Estabilidade On-Bottom
- Fatiga (free spam)
- Esforço no carretel
- Armazenamento em carretel
- Instalação J-Lay e S-Lay
- Proteção catódica
 Relatórios de impressão
gerados para cada cálculo
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FatFree, StableLines e,
DNV OS-F101 devem ser utilizados em 
análises mais rigorosas.
Presenter
Presentation Notes
Planilhas integradas, isto é, os dados de uma vão para outra.
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PET : Características
 Os dados são salvos em um arquivo específico do projeto “projeto.pet”.
 Os dados são transportados de módulo para módulo.
 A maioria dos dados são definidos nos módulos “DNV-OS-F101” e “Weight 
& Volume”.
 As células em amarelo são dados requeridos que devem ser fornecidos pelo 
usuário.
 Células em negrito e travadas são calculadas pelo programa.
 Os cálculos são realizados e os dados salvos assim que deixamos uma 
célula de dados.
 O salvamento significa que o arquivo antigo será sobrescrito. Utilize “save 
project as ...” quando necessário.
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PET : DNV-OS-F101
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 Code-checks suportados :
- Sobre-pressão do sistema 
em condições de teste e 
operação
- Colapso
- Propagação de flambagem
- Cargas geradas por 
carregamento controlado 
Cargas geradas por 
deslocamento controlado
 O programa calcula :
- Espessura mínima da parede 
para as condições dadas
- Fator de utilização baseado 
na espessura definida pelo 
usuário.
Não faz análise de sensibilidade como 
a DNV-OS-F101 Code Compliance 
Worksheet
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PET : Peso e Volume
 Cálculo do volume, massa e 
peso dos componentes que 
constituem o duto, isto é, aço, 
camadas de revestimento e 
conteúdo.
 Aborção de água pelo concreto 
pode ser levada em considera-
ção.
 Estes parâmetros são calcu-
lados individualmente e totaliza-
dos por metro de duto ou para 
um comprimento determinado.
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PET : Expansão das Extremidades
 Cálculo da expansão da extremi-
dade devido à temperatura e 
pressão interna durante a 
operação e teste do sistema.
 A resistência do solo pode ser 
informada como um coeficiente 
de atrito ou uma força de resis-
tência axial.
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PET : Flambagem de Perturbação
Dutos são sujeitos à altas forças de
compressão axiais devido à tempera-
tura e pressão interna. Para que a
flambagem de perturbação ocorra é
necessária que o duto tenha uma
imperfeição inicial, que aparece típica-
mente quando o duto repousa sobre
irregularidades no leito marítimo.
O propósito deste módulo é :
 Estimar o nível de segurança com relação
à flambagem de perturbação.
 Predizer a temperatura, pressão interna e
altura da imperfeição que pode disparar a
flambagem de perturbação.
 Estimar a altura de revestimento para
prevenir a flambagem de perturbação
com um nível de segurança determinado.
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PET : Estabilidade On-Bottom
 Nível de segurança em função 
dos dados fornecidos.
 Peso requerido do revestimento 
para assegurar um dado nível 
de segurança.
 Espessura da parede de aço 
para assegurar um dado nível 
de segurança.
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Diferentemente do StableLines, neste mó-
dulo não são informados dados direcio-
nais do metaoceano, mas sim um expoen-
te da função de espalhamento.
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PET : Fadiga
 Cálculo do vão livre (free spam) 
permissível considerando o VIV 
em linha e cruzado de acordo 
com a DNV-RP-F105.
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Diferentemente do FatFree, neste módulo
não são informados dados direcionais
(correnteza e ondas são considerados
perpendiculares ao duto).
Os resultados foram calibrados para uma
vida útil mínima de 50 anos, não devendo
ser utilizados para vida útil menor ou
fases temporárias.
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PET : Esforço no Carretel
Método de instalação utilizado para
dutos de aço de pequeno diâmetro.
 Cálculo da tensão de flexão máxi-
ma no carretel de acordo com
DNV-OS-F101.
 Tensão plástica de deformação
acumulada durante o enrolamen-
to, desenrolamento, alinhamento e
tensionamento.
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PET : Armazenamento em Carretel
 Cálculo do comprimento e massa de 
duto em um dado carretel ou bobina, 
de acordo com :
- Restrição de volume ou
- Restrição de peso
 O número de voltas e de camadas no 
carretel também é calculado.
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PET : Instalação J-Lay
 Força axial no topo do pipeline.
 Força horizontal no topo do pipeline.
 Curvatura e momento máximo.
 Distância entre a barcaça e o ponto de toque 
no fundo.
 Comprimento livre do duto.
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Saipem S-7000
Presenter
Presentation Notes
Este tipo de instalação é utilizado em águas profundas.
Cálculo da catenária aproximado. Não utilizar em águas rasas.
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PET : Instalação S-Lay
 Força axial no topo do pipeline.
 Tensão no stinger incluindo razão de 
utilização de acordo com DNV-OS-F101.
 Curvatura e momento incluindo razão de 
utilização de acordo com DNV-OS-F101.
 Distância da barcaça ao ponto de toque.
 Comprimento livre do duto.
 Raio mínimo horizontal. 
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Presenter
Presentation Notes
Maiores diâmetros, profundidades convencionais.
O ponto de inflexão é tomado como sendo no ponto onde o pipeline sai do stinger. Isto é uma simplificação aproximada.
O cálculo é feito baseado em um comportamento de catenária entre o ponto de inflexão e o ponto de toque e será impreciso em águas rasas.
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PET : Proteção Catódica
 Requisitos de anodos calculados de acordo 
com DNV-RP-F103 para assegurar :
- Material suficiente nos anodos para cobrir a 
perda média na vida útil do duto.
- Corrente suficiente ao final da vida útil para 
despolarização.
- Espaçamento máximo.
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Presenter
Presentation Notes
O principal meio de proteção contra a corrosão é o revestimento do duto, que deve ser de altíssima qualidade.
Os anodos de sacrifíco são um backup para cobrir eventuais falhas no revestimento ou danos ao mesmo.
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Alguns Usuários das Ferramentas
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Safeguarding life, property 
and the environment
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