Estudo comparativo de análises no domínio do tempo e da freqüência em risers flexíveis

Comparative study of time and frequency domain analyses of flexible risers

ENGENHARIA CIVIL

Estudo comparativo de análises no domínio do tempo e da freqüência em risers flexíveis

Comparative study of time and frequency domain analyses of flexible risers

Alyson Gomes Vaillant^I; Ricardo Franciss^II; Marcílio Sousa da Rocha Freitas^III

^IPetróleo Brasileiro S/A - PETROBRAS, Centro de Pesquisas e Desenvolvimento - CENPES, Tecnologia Submarina. E-mail: [e-mail]

^IIPetróleo Brasileiro S/A - PETROBRAS, Centro de Pesquisas e Desenvolvimento - CENPES. Tecnologia Submarina. E-mail: [e-mail]

^IIIPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil, LAMEC/DECIV/Escola de Minas/UFOP. E-mail: [e-mail]

RESUMO

O procedimento mais realista para se efetuarem análises dinâmicas de risers flexíveis é o uso da análise no domínio do tempo. Análises no domínio do tempo conseguem levar em conta todas as não-linearidades inerentes ao sistema como a geométrica, a interação solo-estrutura, etc. Entretanto essas análises demandam um esforço computacional e um tempo de simulação muito grandes. Outros problemas associados às análises no domínio do tempo são: o sinal produzido pela simulação não é único e o comprimento do sinal deve ser grande o suficiente para garantir a estabilidade dos parâmetros estatísticos. Com o intuito de solucionar esses problemas, podem-se utilizar análises no domínio da freqüência ao invés de análises no tempo por serem muito mais rápidas e necessitarem menor esforço computacional. Uma das diferenças entre as duas metodologias é que, no domínio da freqüência, as não-linearidades inerentes ao sistema são linearizadas e os efeitos dessas alterações ainda não são bem conhecidos. Por essa razão, foi proposto um estudo comparativo entre análises no domínio do tempo e da freqüência de estruturas flexíveis, a fim de verificar a influência da não consideração de algumas não-linearidades e tentar determinar uma faixa de utilização para análises no domínio da freqüência.

Palavras-chave: Risers, domínio do tempo, domínio da freqüência, análise dinâmica, offshore.

ABSTRACT

The more accurate procedure for the dynamic analysis of flexible risers is time domain analysis. Time domain analyses takes into account all non linearities inherent to the system, such as geometry, soil-structure interaction etc. However, these analyses demand expensive computational effort and time. Others associated problems with time domain analyses are: the signal produced by simulation is not unique and the signal's length should be large enough to guarantee statistical parameters stability. An alternative method for this problem can be the use of frequency domain analysis instead of time domain analysis, since it is faster and requires much less effort. One of the main differences between the two methodologies is that the non linearities inherent to the system are linearized in the frequency domain and the effects of these modifications are not totally known, yet. Therefore, it was proposed to perform a comparative study between time and frequency domain analyses of flexible structures, analyzing the influence of not taking into account some non linearities and trying to find a range of applicability for frequency domain analyses.

Keywords: Risers, time domain, frequency domain, dynamic analysis, offshore.

1. Introdução

Com a crescente demanda por óleo combustível e gás natural, a explotação de petróleo tem se desenvolvido bastante. Atualmente, uma boa parte das jazidas petrolíferas em atividade e a maioria das jazidas recentemente descobertas no Brasil se encontram em águas profundas e ultraprofundas (Scientific American Brasil, 2003).

A explotação e a produção de petróleo em lâminas d'água cada vez mais profundas são, na atualidade, os principais desafios de engenheiros e projetistas, exigindo-se , para alguns componentes estruturais das plataformas, uma atenção especial (Lima et al., 2002 apud Santos, 2004). Entre esses componentes, destacam-se os risers (estruturas que conectam a unidade flutuante ao equipamento submarino) de perfuração, completação e produção e as linhas de ancoragem de plataformas semi-submersíveis e FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading).

Novas ferramentas de análises, novas tecnologias e pesquisas de novos materiais têm sido desenvolvidas devido às severas condições impostas pela explotação e produção em águas profundas e ultraprofundas.

Os risers, que são elementos críticos para a produção em águas profundas e ultraprofundas, passaram a apresentar um comportamento dinâmico mais acentuado, comportamento este extremamente influenciado pelos movimentos do corpo ao qual eles se encontram conectados, que impõe em sua extremidade superior movimentos de translação e de rotação. Além desses movimentos, atuam nos risers cargas que incidem diretamente em sua própria estrutura, como: peso próprio, pressão externa e interna, variações de temperatura, efeitos hidrodinâmicos das ondas e correntes e cargas que agem concentradas, como as cargas de tração aplicadas no topo em sistemas de perfuração.

Há duas técnicas para se proceder à análise de risers; são elas: simulações no domínio do tempo, que podem ser divididas em aleatórias e determinísticas, onde as solicitações são dadas como funções do tempo (sendo a representação das cargas hidrodinâmicas através de mar irregular muito mais realista que a representação de mar regular) e simulações no domínio da frequência, onde as solicitações são dadas como espectros de freqüência.

As análises no domínio do tempo consideram de forma adequada as não-linearidades existentes devido aos efeitos dos carregamentos hidrodinâmicos, contato solo-estrutura, grandes deslocamentos, etc. Entretanto, a não-linearidade presente na parcela de arrasto da fórmula de Morison proíbe o uso da teoria de processos randômicos lineares e compromete a determinação da resposta dinâmica das estruturas offshore pelo método da análise aleatória no domínio da freqüência (Dantas, 2000). As forças geradas pelas cargas hidrodinâmicas são avaliadas por meio da equação de Morison, que, em sua forma original, guarda uma relação não-linear quadrática com a velocidade relativa fluido-estrutura.

Sendo a velocidade do fluido uma variável aleatória, nas análises no domínio da freqüência, devem ser utilizadas técnicas de linearização estatística para que possa ser utilizado esse procedimento de cálculo da resposta estrutural no domínio da freqüência. Dessa forma, deve-se efetuar a linearização da equação que fornece os esforços gerados pelos carregamentos hidrodinâmicos, assim como da estrutura em uma dada posição. No ALFREQ (2006), programa não-linear de elementos finitos no domínio da freqüência, o termo de arrasto da força hidrodinâmica para as análises de risers no domínio da frequência é traduzido por um modelo hidrodinâmico linear equivalente.

Segundo estudos realizados por Dantas (2004), as análises no domínio da freqüência têm-se mostrado muito eficientes em análises de fadiga de risers rígidos, sendo que os resultados obtidos têm mostrado muito boa correspondência com os resultados das análises no domínio do tempo.

Entretanto, para estruturas com grandes não-linearidades geométricas, como é o caso de análises de cargas extremas para um riser em catenária livre, os resultados das análises no domínio da freqüência podem apresentar diferenças significativas, quando comparados aos resultados obtidos pelas análises no domínio do tempo.

Uma vez que os efeitos gerados pelas linearizações que acontecem durante as análises no domínio da freqüência de risers flexíveis, tal como a linearização do termo de arrasto na equação de Morison, ainda não são bem conhecidos, necessita-se de uma análise mais detalhada desse tipo de simulação.

As análises dinâmicas são normalmente realizadas no domínio do tempo com custo de processamento elevado, o que pode conduzir a um cronograma de projeto inviável ou a atrasos para a entrega dos resultados. Tais análises podem ser efetuadas por meio do método dos elementos finitos (MEF) a partir da utilização de alguns programas, tais como ANFLEX (ANFLEX, 2006), FLEXCOM (FLEXCOM, 2006) etc.

Já para as análises dinâmicas não-lineares no domínio da freqüência, não é possível representar as não-linearidades mencionadas anteriormente. Entretanto essas análises demandam um menor esforço computacional e um tempo de simulação muito menor. Assim, diante da possibilidade de redução do custo computacional e do tempo de análise, a análise dinâmica no domínio da freqüência se torna bastante atrativa e pode se constituir numa ferramenta de apoio ao projetista.

Dessa forma, o objetivo desse trabalho é verificar se as análises no domínio da freqüência podem ser utilizadas como uma metodologia para predizer os casos de carregamentos críticos associados à tração no topo, cargas máximas e raios de curvatura mínimos para a região do TDP (Touch Down Point), a fim de se reduzir o tempo despendido na execução das análises dinâmicas. Para tanto, foi realizado um estudo comparativo entre análises efetuadas no domínio do tempo e da freqüência de estruturas flexíveis submetidas às mais diversas condições de carregamento, verificando qual a influência das linearizações inerentes às análises no domínio da freqüência.

2. Metodologia

A metodologia de análise mais comumente adotada nos projetos de riser é baseada na análise dinâmica não-linear no domínio do tempo, determinística ou aleatória, devido à possibilidade da representação mais adequada das não-linearidades inerentes ao modelo. Este é o modelo de análise implementado no ANFLEX (2006), programa utilizado pela Petrobras e como mecanismo para as simulações no domínio do tempo realizadas nesse trabalho. Para as análises no domínio da freqüência, utilizou-se o programa ALFREQ (2006), também de uso interno na Petrobras.

De um modo geral, o que se busca para as análises no domínio do tempo e da freqüência é a solução da equação do movimento dada pela Eq. 1 (Torres et al., 2005).

Entretanto, nas análises no domínio da freqüência, se assume que as matrizes de massa, , de amortecimento, , e de rigidez, , são mantidas constantes ao longo da análise e assume-se, também, que a força e o deslocamento da estrutura são dados pelas seguintes expressões:

Substituindo as Eq. 2 e Eq. 3 na Eq. 1, obtém-se a Eq. 4. Assim, para obtenção do espectro de resposta nas análises no domínio da freqüência, deve-se encontrar a solução da Eq. 4, considerando que os parâmetros , , e não variam no tempo (Dantas, 2000).

O problema é que a força dada pela equação de Morison é uma função periódica, mas não harmônica e essa forma de representação não é válida para o termo de arraste da formulação descrita por Morison. Dessa maneira, necessita-se efetuar a linearização do termo de arrasto dado pela equação de Morison, a fim de suprir essa deficiência e obter uma aproximação harmônica razoável (Lane et al., 2001).

A metodologia de análise implementada no ALFREQ (2006) assume a realização de uma análise estática não-linear prévia à análise dinâmica, comum ao realizado no ANFLEX (2006), que leva a estrutura a uma posição deformada final, a partir da qual será realizada a análise dinâmica, sem a atualização da geometria do riser.

Nesse estudo, para efetuar a comparação entre as análises nos domínios do tempo e da freqüência, foram utilizados os programas ANFLEX (ANFLEX, 2006), para análises no domínio do tempo, e ALFREQ (ALFREQ, 2006), para as análises no domínio da freqüência. Foram levados em conta uma série de parâmetros que podem afetar, ou ser responsáveis, por diferenças entre as duas metodologias de análises. Todos os casos foram avaliados para a configuração em catenária livre e foram consideradas dezesseis condições de carregamento, além da variação do espectro de onda, ver Figura 1.

Os parâmetros avaliados, assim como as premissas assumidas nas análises, se apresentados a seguir. Mais detalhes e os dados utilizados para realização das análises podem ser obtidos em Vaillant (2007).

• Altura de onda H_s: foram efetuadas análises variando esse parâmetro dentro de um intervalo de aplicação que contemple desde análises de fadiga a análises de extremo. Assim, foram efetuadas análises para as alturas significativas de onda de 2, 4, 6 e 8m.

• Período T_p: foram efetuadas análises variando esse parâmetro dentro de um intervalo de aplicação que variou entre 8 e 15 segundos, variando de 1 em 1 segundo.

• Coeficiente de arrasto CD: foram efetuadas análises com dois valores de coeficiente de arrasto: 0,9 e 1,2.

• Tipo de unidade flutuante: foram realizadas análises para dois tipos de unidades flutuantes, uma plataforma do tipo FPSO e uma plataforma do tipo semi-submersível.

• Ponto de conexão utilizado coincidente com o centro de movimento da unidade (CM).

• Ponto de conexão levando em conta as dimensões do FPSO e considerando que este não esteja localizado próximo ao centro de movimento.

• Foram utilizados RAOs (Response Amplitude Operator - representam os movimentos de uma embarcação) que representassem os movimentos de um FPSO e uma SS (Semi-Submersível).

• Os dados de solo utilizados foram arbitrados de forma a simular as condições encontradas no campo.

• Os dados dos risers flexíveis utilizados foram gerados aleatoriamente, tomando o cuidado de manter os dados dentro de um intervalo de valores representativos.

• Foi utilizada uma profundidade de 1500m.

• Os offsets (movimentos no plano horizontal da plataforma) considerados nas análises foram 12% para o FPSO e 5% para a SS da lâmina d'água respectivamente.

• Correntes: alinhadas às ondas, utilizadas para os casos considerados colineares e defasadas de 60º das ondas para simular os casos CROSS.

• Foram levadas em conta as condições FAR, FAR CROSS, CROSSED FAR CROSS, NEAR, NEAR CROSS e CROSSED NEAR CROSS, as quais se encontram exibidas nas Figuras 2, 3 e 4.

• O duto foi considerado cheio de um fluido com densidade de 1025kg/m³.

As Figuras 2, 3 e 4 exibem graficamente as condições de carregamento utilizadas.

Na Figura 4, são mostrados os casos onde os offsets não são colineares e que possuem a mesma direção da corrente para os casos CROSS.

Para os casos de análise, todas as simulações no domínio do tempo foram realizadas para um intervalo de tempo de 10800s. Assim, os resultados dessas análises foram diretamente confrontados com os resultados das análises na freqüência. Todos os dados obtidos das simulações foram agrupados de forma a manter sempre um dos parâmetros da análise variável, por exemplo: fixando H_s = 2m e T = 10s e variando o coeficiente de arrasto, etc.

Os parâmetros comparados nas análises foram: forças de tração mínimas no topo e momentos TDP. Optou-se por obter os resultados não somente de um único elemento, mas de uma faixa de comprimento, tanto na região do topo, como no TDP, assim foi considerado um comprimento de 5m no topo e 200m no TDP. Para a região do TDP, a região de maior interesse em nossa avaliação ocorre em torno do TDP estático devido ao fato de as análises no domínio da freqüência não variarem este ponto durante a fase dinâmica do carregamento.

Para as comparações entre as diferentes metodologias foi utilizada a Eq. 5:

onde:

E (%) : é a diferença entre os resultados no domínio do tempo e da freqüência.

R_Tempo: é o resultado de uma simulação no tempo com um tempo T = 10800s.

R_Frequencia: é o resultado na freqüência com projeção T = 10800s.

3. Resultados

Foi obtida uma grande quantidade de gráficos que traduzem o comportamento das diferenças entre as metodologias de análise considerando os parâmetros citados no item anterior.

As Figuras 5 (a e b) exibem os esforços de tração e os desvios-padrão no topo, obtidos para análises nos domínios do tempo e da freqüência para o caso FAR colinear, considerando unidade do tipo FPSO, CD = 0,9, H_s=8m e T_p=15s, em uma comparação direta entre os esforços e desvios-padrão, sem aplicação da Eq. 5.

As curvas onde consta a letra "f" representam as análises no domínio da freqüência. De uma maneira geral, as Figuras obtidas exibiram uma boa proximidade entre os resultados das análises no domínio do tempo e da freqüência. Contudo o comportamento apresentado nas Figuras 5 (a) e (b) não representa o comportamento geral de todos os casos analisados, principalmente no que tange ao conservadorismo, que pode variar entre simulações no tempo e na freqüência, como pode ser visto na Figura 6, onde, ao invés da força mínima média das N simulações, foram comparados os resultados de apenas uma simulação, ocorrendo a inversão de conservadorismo. Entretanto as diferenças obtidas entre os resultados foram muito pequenas.

As Figuras 7 e 8 exibem curvas de momento e desvio-padrão de momento na região do TDP, mostrando as disparidades entre as diferentes metodologias. Pode-se observar desses gráficos os picos de momento que ocorrem quando consideramos as análises no domínio da freqüência, uma vez que o ponto em contato com o solo não varia com o tempo. Deve-se atentar para o fato de que as diferenças metodológicas adotadas não permitem que sejam realizadas essas comparações, necessitando se utilizar nas análises no domínio da freqüência de artifícios para compensar essas diferenças.

O comportamento das diferenças, conforme Eq. 5, entre as respostas obtidas no domínio do tempo e da freqüência frente à variação de H_s, pode ser visto na Figura 9. Pode-se verificar que ocorrem inversões nas declividades das curvas para períodos constantes, indicando uma tendência, ora conservadora, ora não conservadora. Essas mesmas conclusões podem ser retiradas da Figura 10, onde o parâmetro variável passa a ser o período do espectro.

Também se observou que o comportamento descrito pelo aumento do CD é influenciado pelo aumento da altura significativa e pelo período associado de forma não-linear, não havendo uma tendência bem definida no que tange ao seu aumento, podendo os resultados associados a esse aumento ser conservadores ou não.

Para visualização de outras Figuras e de mais resultados para os parâmetros citados, consultar Vaillant (2007).

Um resumo dos resultados obtidos nas análises está exibido na Tabela 1. As diferenças exibidas na Tabela 1 seguem a Eq. 5 e a referida Tabela foi dividido da seguinte forma:

• Coluna 1 - exibe os casos de carregamento analisados, conforme Figura 1.

• Coluna 2 - exibe para a carga de tração mínima no topo, a confirmação se as análises no domínio da freqüência identificaram ou não o caso crítico e o valor da diferença obtida, segundo a Eq. 5, entre os resultados de análise no domínio do tempo e da freqüência. Quando ocorre a identificação do caso crítico, preenche-se o quadro com o texto "OK" e, quando não, preenche-se o quadro com o texto "Não".

• Colunas 3 e 4 - exibem para a carga de tração máxima e momento no TDP a confirmação se as análises no domínio da freqüência identificaram ou não o caso crítico.

As outras colunas seguem o mesmo padrão descrito para as colunas 2, 3 e 4.

De acordo com a Tabela 1, pode-se notar que as análises no domínio da freqüência foram capazes de identificar, para os casos FAR, menos de 50% dos casos mais críticos, fornecendo diferenças cada vez maiores à medida que as não-linearidades aumentaram. Para os casos NEAR, foi possível a identificação de mais do que 50% dos casos, estando os resultados na freqüência com uma melhor acurácia, fato que se dá em função dos resultados obtidos no domínio do tempo e devido à redução das não-linearidades no topo.

Considerando todos os casos FAR (FAR, FAR CROSS, etc.), as análises no domínio da freqüência identificaram a condição mais crítica no topo para CD = 1,2, considerando os esforços de tração mínimos, entretanto isto não foi possível para CD = 0,9. Já para os casos NEAR (NEAR, NEAR CROSS, etc.), as análises no domínio da freqüência identificaram a condição mais crítica para ambos os CDs, 0,9 e 1,2.

A identificação do caso mais crítico entre as condições NEAR ou FAR é satisfatória devido à maior diferença nos resultados, que, normalmente, são muito superiores às diferenças encontradas, diferentemente de quando se está avaliando os casos dentro de uma mesma condição, por exemplo, FAR, variando-se somente um parâmetro, que pode levar a resultados muito próximos, dificultando a identificação do caso crítico pelas análises no domínio da freqüência.

Dessa forma, há uma boa utilização das ferramentas de análise no domínio da freqüência, uma vez que as análises conseguem identificar os casos mais críticos, quando os resultados esperados por meio de análises no domínio do tempo não se encontrarem próximos. Foi verificado das comparações realizadas que as análises no domínio da freqüência são capazes de identificar os casos mais críticos, desde que os resultados obtidos não se encontrem dentro de uma margem de segurança de ±10% do maior valor de tração.

4. Discussão dos resultados

Não foi possível prever o comportamento das cargas de tração no topo por meio das análises da freqüência quando comparadas ao domínio do tempo, indicando haver ou não conservadorismo, mas, de acordo com os resultados das análises, foi verificado que as diferenças entre as análises não foram significativas.

Nas análises no domínio do tempo, o fato de se considerar a atualização da geometria da estrutura faz com que exista uma região do riser, que ora entra em contato com o solo, ora se afasta do solo, conhecida como TDZ (Touch Down Zone). Entretanto a não atualização da estrutura nas análises no domínio da freqüência incorre em manter um único ponto em contato com o solo durante a realização da análise dinâmica, ponto conhecido como TDP.

A comparação para a região do TDP foi realizada com o intuito de mostrar as diferenças entre os resultados obtidos para simulações no tempo e na freqüência e de demonstrar a incapacidade das análises no domínio da freqüência de representar as não-linearidades implícitas à região do TDP. Dessa forma, as análises no domínio da freqüência, para a região do TDP, não conseguiram reproduzir com acurácia os resultados obtidos por meio das simulações no domínio do tempo, uma vez que as diferenças obtidas para as diferentes metodologias de simulação se traduzem em valores completamente discrepantes e conservadores. Entretanto, conforme mencionado anteriormente, essas diferenças metodológicas não permitem que sejam realizadas essas comparações, sendo necessário desenvolverem-se, para as análises no domínio da freqüência, artifícios, como a calibração das molas de solo, etc., para compensar tais diferenças. Caso contrário, ao se efetuarem análises de fadiga no domínio da freqüência, para a região do TDP, poderá ocorrer uma grande concentração de dano no elemento que corresponde ao TDP.

5. Conclusões

As análises no domínio da frequência demonstraram ser viáveis em substituição ao domínio do tempo nas fases preliminares de projeto para a determinação dos casos de carregamento mais críticos, visando à tração no topo, desde que os resultados obtidos não se encontrem dentro de uma margem de segurança de ±10% do maior valor de tração. Caso os resultados se encontrem dentro dessa faixa, todos os casos deverão ser avaliados no domínio do tempo.

Uma vez que os casos analisados não cobrem todas as situações, sugere-se que mais estudos sejam realizados para comparar as análises nos domínios do tempo e da freqüência levando em conta outras condições de projeto.

6. Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer imensamente a Petrobras, em especial ao CENPES/PDP/Tecnologia Submarina, pelo apoio técnico e financeiro recebidos e também por permitir que as informações contidas nesse documento fossem publicadas.

7. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 23/08/2007 e aprovado em 11/05/2009.

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• ANFLEX - Versão 6.5.3, Petrobras, 2006.
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• VAILLANT, A. G. Estudo comparativo de análises no domínio do tempo e da freqüência em risers flexíveis Ouro Preto: Universidade Federal de Ouro Preto - UFOP, 2007. (Dissertação de Mestrado).

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  05 Out 2009
• Data do Fascículo
  Set 2009

Histórico

• Aceito
  11 Maio 2009
• Recebido
  23 Ago 2007