Sesam para Subsea, Umbilicals, Risers e Flowlines (SURF)

Sesam para Subsea, Umbilicais, Risers & Flowlines

Visão Geral

João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
Regional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software

Agosto 2012

Como podemos ajudá-lo a tomar as decisões certas ?

Desenvolvendo produtos para o projeto de ativos e gerenciamento de
riscos, deste sua concepção até a desmobilização, nas áreas
marítimas, de offshore e de processos industriais

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

DNV Software

 DNV Software é uma das unidades da DNV, atuando como sua “software-house”
comercial, servindo mais de 5.000 usuários nas áreas marítimas, offshore de
indústrias de processo.
 DNV Software tem cerca de 350 funcionários dedicados ao desenvolvimento,
testes, suporte e comercialização de suas soluções.
 DNV Software é estabelecida em 12 dos 300 escritórios da DNV : Oslo, Londres,
Glasgow, Houston, Shanghai, Pequim, Singapore, Pusan, Kaohsiung, Rio de
Janeiro, Mumbai e Dubai
 Mais de 50 anos de experiência no desenvolvimento de software de qualidade
baseado no grande conhecimento e expertize da DNV.


Áreas de Atuação da DNV Software
Safeti™ Sesam™ Nauticus™
Classificação
Risco & Confiabilidade Avaliação Estrutural
Marítima & Offshore

Synergi - Gestão de Risco, QHSE e Integridade
Produtos e soluções líderes no projeto de embarcações e plataformas
offshore, análise hidrodinâmica, avaliação estrutural, análise de risco,
gerenciamento do ciclo de vida, gerenciamento do processo de projeto e
engenharia baseada no conhecimento.


Aplicações Subsea


Subsea Umbilicals Risers Flowlines – SURF


A Importância de um Projeto Adequado
 Alguns custos típicos :
- Perfuração com MODU : USD 700K a 1.4M /dia
- Plataforma fixa e topside : USD 400M
- Risers e umbilicais : US$ 1.000 a 2.600/m (20 a 50 por projeto) – total típico US$
150M
- Instalação pipelines : US$ 150.000/km
- Parada de produção : US$ 60M/dia
- Valor do gás dentro dos pipelines de
Nord Stream : US$ 80M

 SURF contribui com 20% do custo de
uma instalação de produção.

Analise, analise, analise ...
antes de construir


Utilização do Sesam no SURF
 Subsea
- GeniE & Usfos para análises estruturais
- Simo para operações marítimas
 Umbilicais e risers flexíveis
- DeepC para análise global (ULS & FLS)
- UmbiliCAD para desenho da seção transversal
- Helica para tensão e fadiga na seção transversal
- Vivana para análise de VIV
 Risers
- DeepC para projeto dos risers
- Riflex para análise no domínio to tempo
 Flowlines e pipelines
- FatFree para cálculo do free-span de acordo com DNV RP-F105
- StableLines para on-bottom stability de acordo com DNV RP-F109
- DNV-OS-F101 Code Compliance para sistemas de pipeline submarinos
- PET (Pipeline Engineering Tool) para projeto preliminar de pipelines


Simulação de
Operações
Marítimas

Operações Marítimas
 Atividades não rotineiras de limitada duração, especialmente projetadas :
- Load out
- Float out, float on/off
- Off loading
- Lifting, lift off, mating
- Towing
- Launching, upending, positioning
- Riser/umbilical instalation
- Transito e posicionamento de semisubs,
FPSOs, jackups, etc.

 Normas e Práticas Recomendadas DNV
- DNV-OS-H101 Marine operations, General
- DNV-OS-H102 Marine Operations, Loads and Design
- DNV-OS-H201 Load Transfer Operations
- DNV-OS-H202 Sea Transports
- DNV-RP-H101 Risk Management in Marine and Subsea Operations
- DNV-RP-H102 Modeling and Analysis of Marine Operations
- …

Desenvolvido e mantido pela Marintek.
Simo (1) Comercializado pela DNV.

Simulação de operações marítimas (comportamento de
estruturas flutuantes e cargas suspensas) no domínio do
tempo.
 Características :
- Modelação flexível de sistemas multi-corpos.
- Simulação não-linear no domínio do tempo.
- Carregamento de ambiente (vento, ondas, corrente).
- Forças de ancoragem e de posicionamento.
- Posicionamento dinâmico.
- Forças de acoplamento (guindastes, defensas, etc.).
- Dinâmica da zona de splash.
 Aplicações :
- Operações de offloading.
- Deck mating, remoção/instalação de módulos.
- Operações com guindastes (lifting).
- Transferência (offloading)
- Instalação de TLPs.


Simo (2)
 Cálculo do movimento de qualquer número de corpos
- Forças “fracas” de acoplamento e engate
- Integração das equações de movimento para cada corpo
separadamente
- Passo máximo de tempo relacionado ao menor período
natural

 Cada corpo tem 3 ou 6 graus de liberdade
- Vários modelos de forças

 Sistemas de posicionamento
- Molas
- Linhas de ancoragem
- Impelidores

 Acoplamentos
- Molas e amortecedores


Cidade do
Samba

Maracanã

Aeroporto

Ancoragem Santos
Dumont

Imagens de Oceânica Engenharia, Consultoria e Projetos Ltda.


Mimosa (1) Comercializado pela DNV.

Sistema para análise estática e dinâmica de ancoragem
 Cálculos no domínio da frequência
 Cargas ambientais devido a ondas, vento e corrente
 Movimentos induzidos por ondas
 Movimentos lentos de flutuação
 Linhas de ancoragem compostas
 Movimento transiente após rompimento da linha
 Estatística não gaussiana
 Posicionamento dinâmico com impelidores
 Análise de estabilidade de navios ancorados pelo turret
 Simulações de longo prazo
 Cálculo da resposta extrema baseada em Rayleigh
 Espectro de rajadas de vento API

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Mimosa (2)
 Desvio padrão, período de oscilação médio, valor significativo e máximo esperado,
são disponíveis para:
- Movimento de qualquer ponto da embarcação no domínio da frequência para os 6 graus de
liberdade.
- Tensão de ancoragem estática e dinâmica, incluindo a devido ao movimento de deriva lenta.

 Movimento transiente após ruptura da linha ou falha no impelidor (DP blackout) em
termos do tempo versus movimento, tensão, trajetória do movimento, excursão
máxima de qualquer ponto da embarcação e tensão máxima de ancoragem.
 Comprimento de cabo requerido no guincho para mover a embarcação para uma
nova posição.
 Distribuição ótima de tensões.

Slide 15

Projeto de
Risers

Risers
 Trecho da tubulação que fica em suspensão
e que faz a transferência de material (hidro-
carbonetos, fluidos de injeção, fluidos de
controle, gás) entre o leito oceânico e as
unidades de perfuração ou produção na
superfície.
 Continuamente sujeitos às ações dinâmicas
de ondas, correntes marítimas e movimento
da plataforma, tem seu comportamento
influenciado pelo grande número de esfor-
ços a que são submetidos, sendo considera-
dos como uma das partes críticas de um
sistema de exploração offshore.

Riser rígido
Riser flexível


Tipos de Análises Cobertas pelo Sesam
 ULS
- Deflecções, forças, tensões e resultados de code-checks
- DeepC (Simo + Riflex)

 FLS
- Fadiga global e refinada
- DeepC (Simo + Riflex)

 VIV
- Resposta de frequência e dano por fadiga
- VIV cruzado e alinhado
- Vivana


Riflex (1) Comercializado pela DNV.
Análise estrutural não linear de risers e umbilicais, descrevendo o seu com-
portamento global estático e dinâmico.

 Deslocamento, curvatura, ângulos, esforços
resultantes (tensão efetiva, momento fletor e torsor)
 Estruturas marítimas delgadas
- Risers flexíveis, SCR, linhas de ancoragem, umbilicais,
tendões de TLP, linhas de reboque, mangueiras de
transferência.
 Recursos
- Ondas regulares e irregulares
- Recurso para perturbação cinemática
- Perfis arbitrários
- Efeitos de pressão hidrostática interna e externa
- Contato com leito do oceano
- Propriedades não lineares de materiais
- Formulação do contato Pipe-in-Pipe
- Elementos de conexão (rótulas, juntas flexíveis, etc.)


Riflex (2)
 Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU (Norwegian
University of Science and Technology) como um JIP.
- BP Petroleum Development
- Conoco Norway
- Esso Norge
- Norske Hydro
- Saga Petroleum
- Statoil
 Imbatível na velocidade de obtenção
da solução diversas configurações de risers

 Excepcionalmente estável
 Grande flexibilidade
 Grande versatilidade para cargas ambientais
 Opera com grandes massas de dados muito eficientemente

Slide 20

VIV – Vibração Induzida por Vórtices
 Fenômeno gerado pela oscilação do
movimento do fluido devido à criação
de uma esteira de vórtices a juzante
do corpo.

corrente esteira de vórtices


VIV – Problemas Decorrentes
 Risers e pipelines
- Redução da vida útil devido à fadiga.
- Aumento na tensão axial.
- Aumento nas cargas extremas
- Aumento no arrasto

 SPAR, TLP, Semis, etc.
- Aumento no movimento global
- Aumento nas tensões das linhas de
ancoragem.


Desenvolvido e mantido pela Marintek e NTMU.
Vivana Comercializado pela DNV.

Cálculo de VIV em estruturas esbeltas sujeitas à correnteza.
 Extensão opcional do Riflex.
 Análise estática e dinâmica
- Utiliza o modelo e análise estática do Riflex
- Utiliza o método de elementos finitos
- Propriedades não constantes, tais como diâ-
metro e rigidez
- Sheared current
- Leito marítimo desigual
- Resposta 3D
 Análise de VIV
- No domínio da frequência
- Carregamento de VIV a partir de coeficientes semi-empíricos baseados em modelos.
- Frequências de resposta discretas
- Cálculo da amplitude do movimento e amplificação do arrasto
- Cálculo de fadiga.


Análise Acoplada
TLP
Os flutuantes, linhas de ancoragem, risers, e FTL,
FLOW TRANSFER LINE constituem um sistema dinâmico integrado que
CALM BUOY
responde ao vento, corrente e ondas de maneira
complexa.

FPSO Axial force at two ends of FTL
(wave/wind/current_180deg, swell_225deg)

end at FPSO end at TLP

4000 4050 4100 4150 4200
(sec)

 Na análise da resposta dinâmica do flutuante, a análise acoplada leva em conta a
restauração, amortecimento e forças inerciais dos outros corpos.

 O flutuante, ancoragem e risers são resolvidos simultaneamente, com equilíbrio
dinâmico em cada passo de tempo.


Efeitos do Acoplamento
1) Restauração estática do sistema de posicionamento como uma função do desloca-
mento do flutuante.
2) Carga de corrente e seus efeitos na força de restauração do sistema de ancoragem
e de risers.
3) Fricção com o leito marítimo (se as estruturas tiverem contato com o fundo).
4) Amortecimento pelos sistemas de ancoragem e risers devido à dinâmica, corren-
teza, etc.
5) Contato casco-riser (importante em Spars).
6) Forças adicionais de inércia devido aos sistemas de ancoragem e risers.

Análise desacoplada : 1) levado em conta com precisão
2), 4), 6) podem ser aproximados
3), 5) geralmente não são considerados

Análise acoplada : Tratamento consistente de todos os 6 efeitos


DeepC
Ferramenta para análise acoplada de risers, ancoragem e corpos flutuantes
estacionários.
 Modelagem de estruturas delgadas.
 Definição e execução de análises no domínio do tempo :
– Riflex e Simo para análise acoplada.
– Riflex para análise convencional de riser.
 Pós-processamento estatístico.
 Análise de fadiga dos risers.
 Code-checking de carregamento combinado de risers
metálicos.


DeepC : Propósitos
 Análise tradicional do projeto de risers para águas rasas e profundas, desde a
modelagem até a análise de fadiga e verificação por normas.
 Calcular precisamente as respostas das linhas de
ancoragem/risers e o movimento da embarcação.
 Efetuar análise acoplada com vários corpos
conectados, cobrindo todos os tipos de layouts
de campos.
 Levar em conta os efeitos de acoplamento :
- Forças de restauração não lineares
- Amortecimento devido à dinâmica das estruturas
delgadas
- Carregamento nas estruturas delgadas
- Forças de inércia nas estruturas delgadas

 Servir de pré e pós-processador gráfico para
Simo e Riflex.


Projeto de
Umbilicais

Umbilicais
Conjunto de mangueiras que transportam fluidos hidráulicos, ar comprimi-
do, fluidos para injeção química, cabos elétricos, fibra ótica, etc., para acio-
namento dos mecanismos de controle dos equipamentos submarinos e
monitoramento das caracteristicas do poço.

 Projeto estrutural :
– Avaliação para suportar cargas
extremas.
– Verificação da vida útil sob condi-
ções de carga cíclica.

 Complicadores :
– Deslizamento entre camadas e
elementos.
– Efeito do desgaste das camadas.
– Dano por fadiga.


Projeto de Umbilicais
• Massa e peso submerso
• Requisitos funcionais Projeto dos • Rigidez UmbiliCAD
• Normas e padrões componentes • Curva de capacidade simplificada

Projeto da seção • Rigidez UmbiliCAD
transversal • Curva de capacidade simplificada & Helica

• Flutuante e umbilicais
• Diagrama de dispersão Análise global • Série temporal para cada estado
• Análise com e sem acoplamento de mar DeepC
e fadiga
• Etc.

Verificação de
capacidade e Helica
fadiga

30

Desenvolvido e mantido pela UltraDeep.
UmbiliCAD Comercializado pela DNV.

Ferramenta de projeto da seção transversal de umbilicais.
 Auxilia na geração dos desenhos e curvas de capacidade.
 Projetos elaborados em horas ao invés de dias.
 Elimina a necessidade de software de CAD complementar.
Helix position : 270.0000
600

500

Total helix stress
400

300

200

Capacity Curve
100 1200
100% Utilisation
1100 80% Utilisation
0 1000
-0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004
900 Curvature
800

Tension [kN]
700
600
500
400
300
200
100
0.0
0.0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.24 0.28
Curvature [1/m]


Helica (2)
 Características da seção transversal levadas em
conta :
- Movimento relativo entre camadas/componentes
- Fricção, aderência/deslizamento (dependente da
tensão)
- Histerese do momento fletor x curvatura

 Análise de fadiga no curto prazo
- Avaliação do dano por fadiga em uma condição
ambiental de curto prazo, considerando o
carregamento em termos de séries temporais de
Séries temporais
simultâneas de curvatura bi-axial e tensão efetiva (Riflex)
produzida pela resposta da análise dinâmica global.
- Helica utiliza os resultados do DeepC como a Curvas de capacidade
(Helica)
resposta no domínio do tempo da análise dinâmica
global.

 Análise de fadiga em longo prazo
- Avaliação da fadiga de longo prazo pela acumulaçã
de todas as condições de curto prazo.


Projeto de flowlines
e pipelines de acordo com as
práticas DNV

OS-F101 Code Compliance
Software de code-check acordo com a norma DNV-OS-F101 “Submarine
Pipeline Systems”.
 Interface Excel.
 Verificação de conformidade para :
– Explosão devido à pressão excessiva nas condições
de operação e teste.
– Colapso para o pipeline vazio.
– Propagação da flambagem para o pipeline vazio.
– Carregamento controlado por interação das cargas
(momento, força axial e sobrepressão interna/externa)
– Deslocamento controlado por interação das cargas (tensão axial e sobrepressão
interna/externa).
 O programa calcula :
– A espessura mínima do duto para as condições dadas.
– A utilização baseada em uma espessura da parede fornecida pelo usuário.


FatFree
Software de análise do vão livre de pipelines de acordo com DNV-RP-F105
“Free Spanning Pipelines”.
 Análise de ULS e FLS devido ao VIV
(alinhado e cruzado) criado pela correnteza
e carregamento de ondas.
 Cálculo das tensões de pico de Von Mises.
 Análise de sensibilidade para altura do vão,
trenches, comprimento do vão.
 Curvas SN da DNV-RP-C203.


StableLines
Software de análise de estabilidade de pipelines sujeitos aos efeitos de onda
e correnteza, baseado nos princípios da DNV-RP-F109 “On-Bottom Stability
Design of Submarine Pipelines”.
 Variação de qualquer parâmetro.
 Análises múltiplas em uma única
execução.

 Três métodos de estabilidade lateral :
– Estabilidade absoluta (nenhum movimento do pipeline).
– Estabilidade generalizada com deslocamento de 0,5 OD.
– Estabilidade generalizada com deslocamento de 10 OD.

 Geração de relatórios.
 Análise de sensibilidade apresentada graficamente.


Pipeline Engineering Tools - PET
PET é um software de análise de projeto preliminar de pipelines, cobrindo
diferentes aspectos do projeto.
 Verificação da norma DNV-OS-F101.
 Cálculo da masse e volume.
 Expansão das extremidades durante a operação
e testes.
 Flambagem.
 Estabilidade
 Fadiga
 Restrições e características do carretel.
 Tensões, curvatura e momento, distância do ponto de contato à unidade, cálculo da
catenária, etc., para instalações em J-Lay e S-Lay.
 Proteção catódica.


Sesam cobre o projeto de
- Subsea
- Operações marítimas
- Ancoragem
- Umbilicais
- Risers
- Flowlines e pipelines

Observações Finais
Ferramentas de engenharia Análise estrutural,
de pipelines de acordo com operações marítimas
as práticas DNV e ancoragem
Programmed by DNV Deep Water Technology
Open Case Save Case
STABLELINES ###### Vers. 1.0 Knut Vedeld (Knut.Vedeld@dnv.com)
On-Bottom Stability of Submarine Pipelines Björn Henriksen (Bjorn.Henriksen@dnv.com)
Calculate Parametric Runs
DNV version Expiry date: 23.02.2009 Release Note Olav Aamlid (Olav.Aamlid@dnv.com)
Input file name file Project: Generating Program Date: 06.06.2008 Calculations by NN
Output file name file References: Verification of version Verified by NN
Input path C:ProjectsOn-Bottom StabilityStableLinesTestInput Return Period Values for Wave and Current
Output path C:ProjectsOn-Bottom StabilityStableLinesTestInput Number of directions considered 12

Pipeline data Soil interaction Environmental Direction Hs,1-year Hs,10-year Hs,100-year Tp,1-year Tp,10-year Tp,100-year Uc,1-year Uc,10-year Uc,100-year
Parameters (deg) (m) (m) (m) (s) (s) (s) (m/s) (m/s) (m/s)
θpipe [deg] 90 ρwater [kg/m3] 1025 Sand s 8 0 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
Ds [m] 0.9140 ρsteel [kg/m3] 7850 z0 [m] 4.00E-05 zr [m] 0.2 30 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tsteel [m] 0.0450 ρconc [kg/m3] 3000 zt [m] - d [m] 40 60 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tconc [m] 0.0000 ρcont [kg/m3] 150 zp [m] - θ [deg] - 90 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
rtot,y - γ 3.3 120 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
Coating data d50 Tstorm [hrs]
0.5 3 150 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
Coating thickness [m] Coating Density [kg/m3] rperm,z 1 Stability Criterion 180 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tcoat,1 0.0003 ρcoat,1 1300 µ 0.60 .5D Displacement 210 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tcoat,2 0.0003 ρcoat,2 900 γs' [N/m3] 10000 τ 1058 240 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tcoat,3 0.0024 ρcoat,3 900 γs [N/m3] 12000 sg,operation 1.54 270 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tcoat,4 0 ρcoat,4 0 su [N/m2] 7500 d/D - 300 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
tcoat,5 0 ρcoat,5 0 Gc - γSC - 330 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
Empty condition
ws,operational Design condition for empty pipe Design condition for pipe in operation
Necessary weight v.s directions Concrete thickness v.s. density
ws,empty Operational
1-year and 10-year RPV Combination 10-year and 100-year RPV Combination condition
10000 0.30
Concrete thickness

8000 Results - Empty pipe Results - Pipe in operation 0.25
6000 0.20
ws

4000
ws [N] 2856 ws [N] 3641
0.15
2000 wnecessary [N] 4858 wnecessary [N] 7802 0.10
0 tconc [m] 0.044 tconc [m] 0.100 0.05
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
tsteel,added [m] 0.013 tsteel,added [m] 0.030 0.00
directions 1950 2117 2283 2450 2617 2783 2950 3117 3283 3450
ws,vertical [N] 668 ws,vertical [N] 668 Concrete density

Análise global, projeto da seção
transversal, fadiga e VIV
Avaliação de fadiga e VIV

40

Safeguarding life, property
and the environment

www.dnv.com


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