O Estado da Arte do FPSO

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1 O Estado da Arte do FPSO Victor Alves de Medeiros Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval e Oceânico. Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes Rio de Janeiro Janeiro de 2015

2 O Estado da Arte do FPSO Victor Alves de Medeiros PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO. Examinado por: Orientadora: Prof.ª D. Sc. Marta Cecilia Tapia Reyes Prof. D. Sc. Julio Cesar Ramalho Cyrino Eng. Naval José Maria Hollanda Alvares Pimenta Prof.D. Sc. Severino Fonseca da Silva Neto RIO DE JANEIRO, RJ- BRASIL JANEIRO DE 2015

3 Medeiros, Victor Alves O Estado da Arte do FPSO/ Victor Alves de Medeiros - Rio de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2015 X, 69 p.: il.: 29,7 cm. Orientador: Marta Cecilia Tapia Reyes Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval e Oceânica, Referências Bibliográficas: p O Estado da Arte 2. FPSO 3. Conversão 4. Turret 5. Spread Mooring I. Tapia Reyes, Marta Cecilia. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e Oceânica. III. O Estado da Arte do FPSO. iii

4 AGRADECIMENTOS Aos amigos Engenheiros Navais da PETROBRAS da área de Afretamento da ENG- SUB, principalmente ao Henrique Vaz, José Maria Pimenta, Rodrigo Loureiro e Diego Cascelli, por todo apoio e conhecimentos transmitidos que foram essenciais durante a execução deste trabalho. À todos os amigos de faculdade que me ajudaram bastante no curso, principalmente ao Felipe Mello e Lucas Vivacqua. À orientadora do projeto de graduação Marta Tapia, sem ela o trabalho não alcançaria o nível de conteúdo atingido. À minha mãe Rogéria, por me aturar durante todos esses anos, sempre me tratando com um amor e carinho incondicional. Ao meu pai Claudio, por me incentivar nos estudos. À todos os meus amigos que estiveram comigo em todos os momentos, sempre dispostos a contribuir. Em especial ao meu primo Joaquim Medeiros, ao Yuri Alves, Roger Guimarães, Pedro Hugo, Augusto Rêgo. E também aos amigos de infância Júlio Tomaz e Diego Cavalcanti. iv

5 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico. O Estado da Arte do FPSO Victor Alves de Medeiros Janeiro/2015 Orientadora: Marta Cecília Tapia Reyes Curso: Engenharia Naval e Oceânica O trabalho descreve todos os sistemas encontrados nas diferentes configurações que podem se desdobrar um FPSO. São apontadas vantagens e desvantagens de cada configuração através exemplos. Outro fator abordado foram as tendências nas tecnologias e dados da frota de FPSO s atual. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Naval Engineer. The State of Art of FPSO Victor Alves de Medeiros January/2015 Advisor: Marta Cecília Tapia Reyes Graduation: Naval Engineering This paper describes all systems found in different settings of FPSO. Advantages and disadvantages of each configuration through various examples are cited. Another factor discussed were trends in technology and data from the current FPSO fleet. vi

7 Sumário 1 INTRODUÇÃO Histórico O trabalho O CASCO DO FPSO Navio VLCC antigo Convertido em FPSO FPSO Convertido Nova Construção FPSO Construído Nova Concepção A PLANTA DE PROCESSO ANCORAGEM e RISERS: Configurações de ancoragem Spread Mooring System Turret Layouts de ancoragem Equipamentos da ancoragem Fairleads Guincho Mordentes (Chain Stopper): Polia direcionadora: Paiol de amarras Equipamentos de risers MANIPULAÇÃO DA CARGA CARGA E DECARGA NOS TANQUES ESTAÇÃO DE ALÍVIO SISTEMAS AUXILIARES E OU SEGURANÇA Sistema Inertização dos Tanques vii

8 6.2 Sistema de Combate a Incêndio Sistema de combate a Incêndio por água: Sistema Fixo de Combate a Incêndio por Gás Inerte Sistema de Combate a Incêndio Extintores Portáteis Sistema de Detecção de Fogo e Gás SISTEMA PROPULSIVO TENDÊNCIA NAS TECNOLOGIAS Casco do FPSO PLANTA DE PROCESSO Carga e descarga nos tanques ANCORAGEM e RISERS: OFFLOADING Dados e tendências da frota Mundial Principais empresas Diferentes Filosofias de engenharias no projeto de FPSO Análise dos FPSOs que entraram em operação nos últimos anos CONCLUSÕES BIBLIGRAFIA viii

9 1 INTRODUÇÃO O FPSO (Floating Production Storage and Offloading) é um sistema flutuante de exploração de petróleo que reúne numa única unidade as funções de produção, armazenamento e descarregamento para outros navios. A estrutura flutuante pode ser um navio novo ou uma conversão de um navio antigo. Figura 1 Modelo de um FPSO Este sistema de produção flutuante consiste em uma estrutura com instalações de produção incorporadas, que recebem petróleo e gás de poços submarinos por meio de dutos condutores conhecidos como risers. Os FPSO s estão ganhando terreno, roubando o espaço das plataformas semisubmersíveis, por razões de disponibilidade de espaço, capacidade de carga e sobre tudo capacidade de armazenamento. A principal diferença entre uma plataforma semi-submersível e um FPSO está na capacidade de armazenamento de óleo, na qual o FPSO representa uma solução única. Esse tipo de sistema se destaca em locais onde não há uma rede de dutos para transporte do petróleo ou onde a implantação destes se torna inviável técnica ou economicamente e há então a necessidade de estocagem em poços cujas características ainda são obscuras, pois possui uma maior flexibilidade quanto aos seus aspectos operacionais. 1

10 1.1 Histórico O desenvolvimento das atividades de exploração de petróleo em águas cada vez mais profundas, produziu a demanda por novos equipamentos e novas técnicas que permitissem a pesquisa geológica, a perfuração de poços submarinos e a exploração destes, e logicamente o transporte do petróleo da unidade de produção até os locais de distribuição, e unidades com esses fins começaram a ser construídas, com características convenientes de acordo com os parâmetros de cada local. Nas décadas de 70 e 80, a maior parte das reservas submarinas conhecidas estavam em profundidades de no máximo 140 metros, e esse tipo de campo era explorado com sistemas fixos no fundo do mar em que o petróleo geralmente era transportado para a costa através de dutos submarinos. Em 1987, estima-se que as reservas inexploradas estavam concentradas em torno das bases de produção já estabelecidas, e que cerca de 70% delas tinhas profundidades menores do que 150 metros e 80% delas estavam num raio de 50 km de distância das instalações existentes, de forma que as unidades fixas supriam bem a demanda e os sistemas flutuantes tinham um participação limitada. Os sistemas flutuantes se tornaram realidade em 1974 quando se instalou um FPSO em águas da Indonésia para exploração do campo Adjurna pela companhia Arco. Poucos anos depois, em 1977, a companhia Shell pôs em serviço um FPSO para a exploração do campo de Castellon na costa mediterrânea da Espanha. Em 1981, entrou em operação o primeiro FPSO instalado no Brasil, o PP Moraes. Em estudos feitos em 1994, 40% das reservas inexploradas estavam em profundidades maiores do que 300 metros, e muitas delas em novas áreas como a costa da África, locais que não possuíam instalações próximas, o que tornava inviável a construção de dutos para o transporte do petróleo necessitando assim de capacidade de estocagem dos sistemas. Além disso, as descobertas de grandes reservas submarinas de petróleo diminuíram bastante, de forma que se buscavam meios de se explorar as reservas menores e com características geológicas mais complexas e das quais se conhecia menos. Com as crises financeiras das décadas de 80 e 90 e com a queda dos preços de petróleo, passou-se a priorizar a redução do custo por barril na produção, e consequentemente cresceu a procura de soluções que viabilizassem e exploração em poços de menor tamanho no sentido de aumentar o retorno financeiro. 2

11 Todas essas mudanças no contexto Mundial de exploração marítima de petróleo tornaram os sistemas flutuantes mais atrativos e apresentaram os FPSO s como a alternativa mais viável às plataformas. Isso acontece porque além de mais baratos e mais simples (diversas etapas de exploração reunidas numa única unidade), os sistemas podem ser construídos a partir da conversão de navios tanques já existentes, podem ser reutilizados em outras bacias, possuem grande capacidade de estocagem e representam menores riscos financeiros na exploração de poços com parâmetros desconhecidos. 1.2 O trabalho Neste presente trabalho, o autor contou com sua experiência em alguns projetos de FPSOs Spread Mooring afretados pela PETROBRAS atrelada a uma ampla pesquisa de outras configurações para criar um trabalho do estado da arte do FPSO. Trata dos principais sistemas e equipamentos do FPSO, a evolução e seus prós e contras principalmente na construção, instalação e operação. Além disso, foi dado destaque aos elementos que configuram o FPSO como uma unidade única em relação às demais. Do capítulo 2 ao 6, foram tratados os principais sistemas que compõem um FPSO. Foram descritos os tipos de casco empregados, se convertidos, construídos com projeto de conversão, ou construídos com projeto customizado. Outro sistema é o da planta de processos no qual foram descritos os tipos de construção e instalação da planta. O sistema de carga e descarga nos tanques, onde foram explicadas as configurações de bombas, como funciona o sistema que transfere o óleo para os tanques e o que transfere dos tanques para o alívio (offloading). O sistema de ancoragem e risers, onde foram descritos os principais equipamentos e as variações de Spread Mooring e Turret do ponto de vista de engenharia. O sistema de alívio, que faz a transferência do óleo para o navio aliviador, onde foram descritos os principais equipamentos envolvidos, a evolução destes e como funciona a operação. No sistema propulsivo, foram descritos casos em que este sistema é utilizado ou não. Nos sistemas auxiliares de segurança (inertização dos tanques, combate a incêndio, detecção de fogo e gás) são descritos o funcionamento básico e seus equipamentos. 3

12 No capítulo 7, foram descritas tendências nas tecnologias dos sistemas descritos e a evolução de alguns deles. No capítulo 8, são apresentados dados e tendências na frota de FPSO s. 4

13 2 O CASCO DO FPSO Para o desenvolvimento de regiões sem infraestrutura submarina, sobretudo em regiões mais afastadas e de grande lâmina d água, onde a instalação de dutos para exportação de óleo muitas vezes se faz inviável, surgiu a necessidade de sistemas que pudessem armazenar a produção de forma que a mesma fosse escoada de tempos em tempos por navios aliviadores e nesse contexto desenvolveu-se a exploração de petróleo com FPSO s. Desde que surgiram os primeiros FPSO s, o método mais aplicado tem sido o da conversão de navio petroleiro antigo em FPSO, muito em função das resoluções MARPOL que passaram a restringir o uso de casco singelo. Com o passar do tempo o número de cascos petroleiros a disposição foram ficando escassos, então surgiram novos projetos para a construção de FPSO. Abaixo foram descritos os diferentes métodos de construção. 2.1 Navio VLCC antigo Convertido em FPSO Este método consiste na aquisição de um casco petroleiro VLCC (Very Large Crude Carrier) para transformá-lo num FPSO através de um novo projeto desenvolvido para a conversão. As principais vantagens deste método são o baixo custo e prazo das obras. As principais modificações realizadas no casco do navio petroleiro para conversão em FPSO são: Troca de chapas e inclusão de reforços estruturais Stools (Estruturas de Suportaçãodos Módulos/Skids) Extensão do convés da proa (na configuração Spread Mooring) Extensão estrutural de suporação do turret na Proa (Para Turret Externo) Buraco aberto no casco para passagem do turret interno Suporte para guindastes Balção de risers com os I-tubes (Configuração Spread Mooring ) Spools de captação de água do mar Fair Lead Paiol de amarras Bolina Maior Troca da Superestrutura dependendo do projeto 5

14 Travamento do leme Figura 2 - Extensão do convés de proa Figura 3 - Suporte no costado para os guindastes Figura 4 Instalação da bolina As modificações de conversão acima citadas, podem ser divididas por dois fatores que são o reforçamento estrutural e as adaptações para a operação, a ancoragem e os risers do FPSO. 6

15 O reforçamento estrutural é feito pela troca de chapas, por necessidade de uma chapa de maior espessura, como é feito com a chapa do convés em alguns casos, em razão do alto peso da planta de processos, ou a troca de uma chapa em razão do nível de desgaste em que ela se encontra, aliado a taxa de corrosão adotada no projeto, visto que, enquanto um navio é projetado para ficar 5 anos operando sem docar, um FPSO é projetado para ficar cerca de 20 anos. Ou também por adicionar reforçadores estruturais como borboletas em regiões com acúmulo de tensões. Outras modificações estruturais são a implantação do balcão de risers para a configuração spread mooring, a extensão estrutural na proa para suportar toda a carga do turret externo, o suporte estrutural para os guindastes e a inserção de stools que vão suportar a planta de processos sobre o convés. As adaptações que permitem a operação são extensão do convés da proa para o carretel do offloading no caso da configuração spread mooring, spools de captação de água do mar, o travamento do leme, a troca da bolina por uma maior e a troca da superestrutura dependendo do projeto. Vale dizer que a instalação das bolinas (figura 4) visa amortecer os movimentos de roll no casco. Outros equipamentos instalados que integram o sistema de risers e ancoragem são os fairleads, o paiol de amarras e os guinchos de pull-in dos risers e da ancoragem. O casco do tipo convertido é o mais comum dentre os FPSOs. Em razão da resolução MARPOL, que implementou a obrigação de casco duplo em petroleiros de maneira gradual, ou seja, os antigos navios de casco singelo vieram entrando em proibição com o passar dos anos de acordo com a data na qual foi construído o navio e chegou a 100% de proibição no ano de 2010 quando os petroleiros construídos depois de 1984 entraram em exigência. Por isso, petroleiros antigos disponíveis no mercado por terem entrado em exigência estão praticamente extintos e, assim, a vantagem econômica a favor dos FPSO s convertidos já não é mais tão acentuada. 7

16 Relação dos FPSOs Operando no Mundo em 2014 Não Convertidos Convertidos Figura 5 Relação dos FPSO s operando no Mundo em 2014 quanto a serem convertidos ou não [1] 2.2 FPSO Convertido Nova Construção O produto final deste método se assemelha ao anterior citado, salientando-se apenas do fato que por ser uma construção nova, a confiabilidade do mesmo é maior e por isso a manutenção é menor que a de um casco antigo convertido. Normalmente opta-se pela construção do casco do FPSO quando não se tem cascos usados disponíveis no mercado para a conversão. A construção pode ser feita usando um projeto de petroleiro em estaleiros que são internacionalmente reconhecidos pela produtividade na construção de projetos específicos de determinados cascos, visando reduzir o prazo de construção. Um exemplo disso é o FPSO Cidade de Caraguatatuba, projetado pela MODEC e encomendado ao estaleiro japonês MES (Mistsui Engineering & Shipbuilding). Neste projeto, a MODEC utilizou a forma do casco de um petroleiro VLCC tradicional (Para se beneficiar da alta produtividade do MES) e adaptou as facilidades requeridas à unidade. Prova disso, foi o prazo de apenas 9 meses desde o primeiro corte de aço até o lançamento do casco, já com diversos equipamentos, como se pode ver na figura a seguir. O FPSO irá 8

17 operar para a PETROBRAS no Pré-sal brasileiro através de um contrato de afretamento com a MODEC. Figura 6 - FPSO Cidade de Caraguatatuba após lançamento do casco. Casco construído a partir de projeto de conversão. Esse tipo de construção pode ser com casco singelo ou casco duplo. A empresa que requer o FPSO simplesmente escolhe o projeto de petroleiro no qual um determinado estaleiro tem experiência e constrói somente com as modificações extremamente necessárias. No projeto do Caraguatatuba, por exemplo, a MODEC não mudou nem o sistema de carga com praça de bombas do projeto original, o que traria uma vantagem operacional considerável. Outra característica deste exemplo foi que se manteve a planta propulsiva no projeto. 2.3 FPSO Construído Nova Concepção Existe também, a construção de cascos com projeto específico para serem FPSO s, como é o caso do conjunto de FPSO s Replicantes da PETROBRAS. Estes possuem uma forma diferente dos cascos de petroleiro, pelo fato de que na fase de projeto foi decidido não usar uma forma que ofereça menor resistência ao avanço (desnecessária para o FPSO), e sim uma que gere menor quantidade de movimento. Em razão disso, o casco 9

18 tem a proa achatada e o formato de caixa de sapato como é possível notar na figura abaixo. Outra característica é que o sistema propulsivo não faz parte do escopo deste projeto. Figura 7 - FPSO P-66 (Replicante) É importante ressaltar que o principal motivo da PETROBRAS ter optado pela construção dos cascos em série denominados Replicantes foi baratear os custos de produção inerentes ao crescimento da curva de aprendizado a cada nova construção, com isso, a cada nova construção a experiência do estaleiro é maior, diminuindo prazos e barateando custos. Outro exemplo disso foi a série de FPSO s: Kizomba A, B e C, operando na costa africana. As acomodações não necessariamente estão localizadas na região da popa em FPSO s Novas Construções. Caso esteja na proa, vale lembrar que regulamentos estatutários determinam que partes perigosas mantenham-se numa distancia segura das acomodações e com isso flare passa ficar localizado na popa. O casco duplo em FPSO não é mandatório na maioria dos países, somente nos EUA e na Austrália existe proibição de casco singelo em FPSO s, porém por segurança e também facilitar na limpeza dos tanques ele é empregado no costado dos projetos customizados de construção nova. 10

19 Tendo em vista o que já foi mencionado a respeito das características de cada tipo de casco de FPSO, segue a seguir uma tabela, com exemplos, que ilustram as principais diferenças entes eles. O símbolo representa o tipo de casco que se configura como a melhor solução de cada característica. Figura 8- Tabela criada que compara entre os três tipos de casco de um FPSO 11

20 3 A PLANTA DE PROCESSO Será abordado neste trabalho os tipos de apoio da planta e como é feita a integração. A planta de processos em si, de um FPSO, não difere das demais unidades de produção. Seus equipamentos vão ser dependentes das características do campo no qual o FPSO opera e das finalidades da empresa produtora. No que diz respeito ao projeto de construção e instalação, os módulos podem ser concebidos de maneiras diferentes. Geralmente a planta é içada em partes, através de duas possibilidades, módulos ou skids. Existe outra maneira de fazer a integração que é pelo método jack-deck, entretanto, este método desenvolvido pela TECHNIP ainda é mais conceitual do que realidade, o mesmo será mais detalhado na seção 7.2. É bom lembrar que a integração planta e casco através da operação de deck matting realizada em plataformas semi-sub é diferente do método jack-deck, não sendo possível ser feita em FPSO s. O método de construção e içamento por módulos, consiste na construção por grupo de equipamentos de forma integrada. Para suportar o peso dos módulos é instalado sobre o convés uma estrutura treliçada de multi-apoio que distribui o peso dos mesmos. A maior vantagem deste método é que todos os equipamentos internos a cada módulo já estão integrados entre si no momento do Lifting e a maior desvantagem é que o projeto fica limitado a cábrias de grande capacidade devido ao grande peso dos módulos. A configuração da planta pode ser dividida em módulos de boreste e módulos de bombordo. Nesta metodologia o Pipe-rack normalmente fica imbutido dentro do módulo. Figura 9 Estrutura multi-apoio a esquerda e módulo içado inteiro a direita Outra concepção é a construção por Pancakes e skids. Os Skids basicamente são fragmentos do módulo içados separadamente. Os Pancakes são formados por estruturas de 12

21 suportação denominadas stools, juntamento com o convés de porta-aviões ( Aircraft Deck ). A seguir, uma figura que ilustra um pancake. Figura 10 Ilustração do Pancake, formado pelos stools e convés de porta-aviões Figura 11 Içamento de Skid Neste método, o comissionamento no casco é mais complexo, pois tem mais uniões de tubulação para serem feitas devido aos skids serem içados separadamente. Em contra partida, neste método não há necessidade de cábrias de alta capacidade de carga, além disso, os pancakes diminuem a interface entre o casco e a planta deixando o convés principal mais limpo. O layout da planta é dividido em Módulos de boreste, Skids do Pipe-rack central e Módulos de Bombordo.A diferenciação da planta por módulos ou Skids só existe no momento de construção e integração. Quando os skids estão instalados no 13

22 pancake, eles formam grupos delimitados na planta, pertencentes ao mesmo processo e podem ser referidos como sendo módulos. Por exemplo, o processo de remoção de CO2 é composto por alguns Skids que quando instalados no pancake, formam o módulo de remoção de CO2. Figura 12 Exemplo de planta com Skids Figura 13 - Convés de Porta-Aviões 14

23 Tanto o método de construção por Pancakes/Skids quanto por Módulos possuem vantagens e desvantagens, e, salvo condições que impossibilitem um dos métodos, como por exemplo, a ausência de balsas guindaste capazes de içar os altos pesos dos Módulos, é notável que o escolha de um método em detrimento de outro se dá mais em função da filosofia da empresa do projeto do que as variáveis envolvidas. 15

24 4 ANCORAGEM e RISERS: Ancoragem e Risers são sistemas que para os FPSO s estão diretamente relacionados. O sistema de ancoragem é, talvez, o sistema que mais diferencia os FPSO s em relação a outros tipos de plataforma de petróleo e por isso é tratado de maneira especial neste trabalho. 4.1 Configurações de ancoragem Existem duas alternativas básicas de ancoragem e suas implicações em outros sistemas serão detalhadas ao longo do trabalho, Turret e Spread Mooring System (SMS). Para as plataformas do tipo SS, os sistemas de ancoragem são sempre do tipo SMS Spread Mooring System Este é um tipo de ancoragem que consiste numa amarração que fixa as duas extremidades do navio, proa e popa, e com isso restringe todos os movimentos do navio. A escolha do aproamento de um FPSO ancorado em SMS é feita tendo em vista, principalmente, os esforços resultantes das condições ambientais sobre o sistema de ancoragem e o arranjo submarino da locação. No entanto, a definição do aproamento tem impacto relevante sobre vários aspectos do projeto que somente serão avaliados em fases posteriores do empreendimento, como por exemplo, as operações de alívio. Neste sistema são utilizadas duas estações de alívio, uma na proa e outra na popa, além disso, os navios aliviadores precisam ter posicionamento dinâmico. A grande vantagem deste sistema é não possuir os componentes mecânicos (estrutura com rolamentos e swivel) necessários ao sistema turret, que são muito caros e cuja tecnologia é dominada por poucas empresas Turret O turret é uma estrutura composta por um corpo central cilíndrico, conectado ao casco de uma embarcação através de rolamentos e uniões rotativas (Swivel), que permite a chegada das linhas de amarração e dos risers num único ponto. Todos os equipamentos de ancoragem, descritos mais adiante, assim como aqueles que compõem o sistema de transferência de fluidos como os manifolds, lançadores/ recebedores de pig, swivel, suporte dos risers, medição fiscal, injeção química e controle subsea encontram-se no compacto módulo que é o Turret. 16

25 Este tipo de configuração permite um livre movimento de rotação do navio, de forma que ele possa se alinhar com a força ambiental predominante. Essa característica requer apenas uma estação de offloading na popa do navio, possibilita uma aproximação e alinhamento seguro do navio aliviador antes e durante a operação de alívio e suporta uma condição de mar mais adversa como crítica para suspender o offloading. Além disso, reduz o impacto de greenwater sobre o convés e equipamentos da planta, pois o greenwater geralmente passa a ficar restringido a região da proa. Outra vantagem é que qualquer aproximação de navio de apoio torna-se mais segura, sobretudo com turret interno, pelo fato de todas as linhas de ancoragem e risers estarem concentradas em um só ponto. Como desvantagens, pode-se dizer que pelo fato do turret dar certa liberdade de movimentos ao navio, o desgaste no qual são submetidos os risers torna-se maior nesta configuração, sobretudo pelo movimentos de pitch. Além disso, poucas empresas no mundo detém essa tecnologia, então é uma escolha mais custosa e arriscada. Existem diferentes configurações para a instalação do turret ao FPSO. A seguir será demonstrado como funciona cada configuração. Figura 14 Tipos de Ancoragem Turret Externo Este sistema consiste de uma estrutura fixada na proa ou popa do navio e projetada para fora do casco, de forma a não permitir interferência deste com as linhas de 17

26 ancoragem. Os risers e as linhas de ancoragem passam e são fixados respectivamente, na parte central do turret, que é fixa. Existe um rolamento entre a parte fixa (ancorada) e a estrutura externa do turret para possibilitar o giro livre do navio. O swivel de produtos é instalado na parte fixa superior do turret, de onde saem as tubulações rígidas em direção ao navio. A estrutura de suportação do turret, construída na extremidade do casco, é um local crítico para falha estrutural pois toda e carga de ancoragem e riser está concentrada ali, com isso, é aplicado em locais com condições de mar calmo a moderado, tem menor número de risers e geralmente é menos custoso. Não é indicado para locais de águas profundas. Figura 15 - Detalhe Turret Externo Turret Interno As observações para o turret interno são semelhantes ao do externo, salientando-se apenas que, pelo fato da estrutura estar inserida diretamente no casco da unidade flutuante, é possível se adequar melhor o projeto de uma estrutura para receber uma grande quantidade de risers. Ou seja, não existe um braço de ligação entre o turret e o casco do navio. A sua maior aplicação hoje é no projeto de FPSO s que demandam uma grande quantidade de risers (consequência de um número elevado de poços de produção). Embora seja uma aplicação incomum e pouco bem vista em turrets, os risers rígidos foram implementados no FPSO Espírito Santo em turret interno, isso porque nele 18

27 os movimentos de pitch são reduzidos, resultando numa redução dos danos causados por fadiga nos risers. Figura 16 Ilustração de Turret Interno Observações: Normalmente existem dois manifolds, sendo um sobressalente abaixo do swivel para as linhas de produção. Cada poço produtor necessita de três linhas (produção, controle e injeção) Turret Desconectável Interno/Externo Alguns FPSOs que operam em regiões com maior probabilidade de grandes tormentas ou Icebergs, tem um sistema de ancoragem desconectável por bóia turret (Turret submersível), como por exemplo o FPSO BW PIONEER, pioneiro nesta tecnologia, que opera nos campos de Cascade e Chinook no Golfo do México. 19

28 Figura 17- Tuttet Interno Desconectável do FPSO BW Pioneer O PPSO é desconectado do turret em caso de condição adversa e deslocado até um local abrigado, evitando o risco de ruptura de risers, cabos de ancoragem ou danos na plataforma. O turret desconectável pode ser tanto interno quanto externo, como é demonstrado na figura a seguir. Figura 18- Turret Externo desconectável do FPSO Cossack Pioneer O turret desconectável é mais complexo devido aos mecanismos de desconexão e tem maiores necessidades de manutenção. De acordo com Xia, J. [6], necessita de mais tripulantes a bordo, planta de propulsão, casco duplo e outros requerimentos. O 20

29 mecanismo de conexão pode demorar alguns dias para ser estabelecido, o que acarreta mais dias de perda na produção do que os FPSOs spread moooring em áreas com probabilidade de ciclones Turret Externo com CALM-Yoke CALM (catenary anchor leg mooring) Yoke consiste de uma monobóia conectada à embarcação por meio de um braço rígido articulado no casco denominado Yoke. Foi utilizada no FPSO PP Moraes após a ruptura da torre articulada, seu primeiro sistema de ancoragem. O sistema consiste de uma monobóia, cuja conexão entre esta e o casco é através do Yoke, sobre o qual passa a linha de produção ou produto. O conjunto é projetado para receber os risers, seu sistema de ancoragem e os esforços do navio Turret Externo com Tower-Yoke É uma solução pouco comum e que é viável apenas para águas rasas. A configuração é semelhante à calm-yoke, porém ao invés da monobóia utiliza-se uma estrutura rígida ancorada diretamente ao leito marinho, como uma pequena jaqueta. A estrutura articulada de conexão não restringe os movimentos de roll nem pitch do navio, além disso possui um grande tanque com água de lastro que funciona como restaurador de movimentos do navio. A produção é escoada ao navio pela torre através de um sistema de swivels localizados acima do rolamento. O fornecedor SOFEC garante que o sistema pode ser instalado tanto na proa quanto na popa. 21

30 Figura 19 - FPSO Bohai Shi Ji ( China ) com Sistema de ancoragem Tower Yoke Layouts de ancoragem Os layouts de ancoragem são diferenciados conforme a configuração de ancoragem. A seguir são explanadas as diferenciações básicas. Sistema SMS No sistema spread mooring, o layout padrão é formado por quatro quadrantes de ancoragem, dois em cada bordo e localizados próximos a proa e popa. Para grande lâmina d água, geralmente são seis as linhas de ancoragem em cada quadrante. Cada quadrante possui os equipamentos de ancoragem descritos anteriormente, assim como suas configurações. 22

31 Figura 20 Trilho por onde corre o guincho móvel de ancoragem Sistema Turret No sistema Turret, o arranjo padrão consiste na chegada das amarrras diretamente no Turret, por fora dos risers que estão localizados mais para o centro do Turret e dispostas de maneira circular com mesmo raio em relação ao centro do Turret. O número de linhas é bem menor que no sistema SMS. 23

32 Figura 21 Sistema Turret 4.2 Equipamentos da ancoragem A seguir, faremos uma listagem dos principais equipamentos presentes no sistema de ancoragem do FPSO: Fairleads São polias que direcionam a chegada das amarras aos equipamentos de tracionamento, quando na sua chegada junto à unidade flutuante. Normalmente são instaladas no casco das unidades no sistema SMS ou na região inferior do próprio turret. Na configuração SMS, o modelo de ancoragem tradicional na chegada das amarras é formado por fairleads submersos quando possível e os mordentes no convés. Os fairleads instalados abaixo da linha d água são preferíveis por evitar o contato acidental das amarras com o barco de apoio, porém dependendo da geometria do casco nem sempre é possível fazer a instalação dos fairleads submersos a ré, pois o costado tende a inclinar nesta região. 24

33 O tipo de fairlead mais comum é o móvel, sendo o responsável pelos movimentos das amarras na direção longitudinal, ao girar em torno de um pino. Uma solução inovadora implementada no FPSO Cidade de Ilhabela é um equipamento que faz o papel de uma rótula, preso através de uma estrutura de suporte no costado e permite o movimento das amarras em todas as direções e, além disso, tem o mordente imbutido. Sendo assim, os fairleads que estão localizados acima desta rótula não tem mais a necessidade de prover os movimentos para as amarras e por isso são utilizados fairleads fixos, que tem a finalidade de direcionar as amarras apenas de maneira axial até o guincho linear. Figura 22- Sistema Inovador com mordente acoplado a uma rótula, fairleads fixos e sem paiol de amarras do Cidade de Ilhabela Não é todo turret que possui fairleads, nos turrets externos é comum os mordentes estarem diretamente na chegada das amarras, sem a necessidade dos fairleads Guincho São equipamentos de tracionamento de linhas de ancoragem, de forma a permitir que estas operem com as suas pretensões de projeto. No caso de sistemas de ancoragem passivos, onde o ajuste das linhas de ancoragem não se faz necessário ao longo da vida útil 25

34 operacional devido ao alongamento dos cabos de poliéster, e também para sistemas ativos principalmente, os guinchos devem estar operacionais e adequadamente mantidos. Os sistemas de acionamento existentes para guinchos de ancoragem compreendem as configurações: eletropneumático, eletro-hidráulico (através de unidade hidráulica de comando), e finalmente o sistema hidráulico (através de unidade hidráulica de força). Atualmente os guinchos de ancoragem em grande maioria recebem força hidráulica de uma unidade em comum e possuem apenas duas classificações básicas: Guinchos lineares ou Chain Jacks: são guinchos utilizados principalmente para amarras, executando o recolhimento de comprimentos proporcionais aos comprimentos dos elos do segmento e de forma não-contínua. Normalmente se usa um sistema móvel caso se queira que o mesmo seja usado em mais de uma linha de ancoragem. Figura 23 -Mordentes perfilados e Guincho linear ao fundo acoplado sobre um mordente no convés principal do FPSO Cidade de Mangaratiba Guinchos rotativos ou Windlasses: são guinchos utilizados para amarras ou cabos de aço, executando o pagamento ou recolhimento de quaisquer comprimentos necessários e de forma contínua. Comumente são instalados horizontalmente, tendo como principal vantagem a possibilidade de acionar da mesma posição mais de uma linha de ancoragem em diferentes momentos. Entretanto, esta configuração utiliza uma área de 26

35 convés muito maior do que com os guinchos lineares e por isso este tipo de guincho não tem sido mais empregado nos projetos recentes. Figura 24 - Guincho Rotativo Horizontal (Windlass) Outra configuração possível é uma híbrida, onde um sistema duplo de pagamento e recolhimento do guincho possui uma coroa de barbotin para operar com amarras e ainda um tambor para operar com cabos de aço Mordentes (Chain Stopper): O chain stopper, ou mordente, é utilizado para travar a amarra na estrutura da unidade flutuante numa posição que garanta uma tensão predeterminada. Desta forma, a carga, no topo da linha de ancoragem, é transferida para a plataforma. Possui normalmente um hawse pipe ou tubo guia, e flaps articulados de forma a permitir que a amarra seja tracionada somente num sentido. Os projetos mais tradicionais possuem os mordentes sobre o convés usando amarras de topo robustas e dispensando o uso de Chain Pipe. Mordentes instalados no ChainPipe O chainpipe é uma tecnologia recente que tem por finalidade reduzir a fadiga sobre as amarras através da implementação do mordente dentro do tubo do chain pipe. Isso restringe as tensões somente à direção axial. Além disso, o Chainpipe funciona como uma proteção das amarras contra possíveis contatos entre si, com o casco ou com algum barco de apoio. 27

36 Antes dos ChainPipes, o modelo de ancoragem na chegada das amarras era formado por fairleads submersos quando possível e os mordentes no convés. Os Fairleads instalados abaixo da linha d água eram preferíveis por evitar o contato acidental das amarras com o barco de apoio, porém dependendo da geometria do casco, nem sempre é possível fazer a instalação dos fairleads submersos, pois o costado tende a inclinar nesta região. Um fator crítico do sistema tradicional (sem chain pipe ) é a fadiga gerada sobre a amarra quando esta passa sobre os fairleads, o que é contornado com o uso de amarras robustas. Figura 25- Chain pipes acoplados aos fairleads Polia direcionadora: Esta polia tem o papel de direcionar a amarra do mordente ao paiol de amarras. Utilizada somente no momento de instalação das linhas. Normalmente é utilizada uma polia móvel por quadrante. Somente utilizada no sistema SMS. Transversal A polia direcionadora na transversal é o tipo mais comum. Com ela, o guincho linear móvel corre num trilho junto com a polia também móvel ou através das polias fixas percorrendo todo o quadrante de ancoragem, como é o caso do FPSO Cidade de Paraty. 28

37 Figura 26 - Polia direcionadora transversal móvel do FPSO Cidade de Mangaratiba Longitudinal Polias direcionadoras no sentido longitudinal fazem parte de projetos mais recentes que não fazem uso do paiol de amarras. Neste esquema, a polia deve ser obrigatoriamente móvel. Um Exemplo deste sistema é o FPSO Cidade de Ilhabela. A seguir, é demonstrado o esquema de ancoragem com polia direcionadora longitudinal. Figura 27- Esquema com polia direcionadora na longitudinal 29

38 4.2.5 Paiol de amarras O Paiol de amarras é onde ficam estocadas as amarras de instalação. Normalmente tem capacidade para cerca de 150m de amarras e é usado um paiol por quadrante de ancoragem. Durante a operação de instalação são utilizados guinchos auxiliares, cabos e amarras mensageiras para possibilitar o acoplamento com a parte da amarra que já foi fincada no leito marinho. O barco de apoio faz o trabalho de unir esta parte, no navio, à que já está instalada no mar. Figura 28- Paiol de amarras antes da instalação Em projetos recentes como no FPSO Cidade de Ilhabela, não se faz uso do paiol de amarras. Nesta configuração, a amarra de instalação é trazida pelo barco de apoio, ficando no casco somente a amarra mensageira. A vantagem deste sistema é o ganho de área de convés com a ausência do paiol. 30

39 4.3 Equipamentos de risers A definição do sistema de ancoragem implica totalmente na configuração dos risers. Será abordado neste subcapítulo os layouts padrão de cada configuração de riser e todos os principais equipamentos e sistemas envolvidos. Layout dos Risers em SMS No sistema Spread, a chegada dos risers se dá pelo costado de bombordo onde os risers ficam dispostos de forma enfileirada. A primeira interface na chegada dos risers no navio ocorre na boca de sino que fica localizada no balcão de risers inferior. Figura 29- Chegada dos risers pelo costado de bombordo no Sistema SMS Layout dos Risers em Turret O layout dos risers no sistema Turret consiste na chegada do risers alinhados de maneira circular e concêntrica no Turret. 31

40 Figura 30- I-tubes dentro do turret Para cada riser que chega no navio, existem equipamentos específicos, como os I- tubes que tem a função de guiar eles na chegada ao swivel e a boca de sino que trava eles junto ao casco. 32

41 Figura 31 Local de chegada do risers no Turret. Em amarelo é possível notar as bocas de sino Sistema de Pull-in Enquanto que dois terços dos danos ocorridos nos riser ocorrem durante a instalação, é fundamental que este sistema seja bem projetado para o tipo de riser que vai operar. O sistema, normalmente é composto por guincho, polia direcionadora e um trolley que percorre cada slot de riser para realizar o pull-in. No sistema Turret, a configuração é formada por um guincho linear fixo ou móvel. O guincho fixo faz uso de polias de desvio. O guinchos móvel faz 2 movimentos de rotação ( sobre ele próprio ou gira junto com uma plataforma) e o movimento de deslizamento retilíneo sobre um trilho. Com isso, ele e capaz de percorrer cada slot de riser. 33

42 Figura 32 Guincho móvel de Pull-in no Turrer [6] Figura 33 Movimentos realizados pelo guincho móvel de pull-in no Turret [6] No sistema SMS, existem também as configurações de guinchos fixos ou móveis.a vantagem do guincho fixo é que ele possibilita os módulos de manifold não ocuparem área 34

43 de convés e a desvantagem é que o guincho esticado por toda a região de passagem do trolley de pull-in oferece menor segurança.o guincho de pull-in móvel é mais seguro, porém rouba espaça da planta de processos. Essas são alternativas que, podem ser atribuídas à filosofia de cada empresa. Por exemplo, existem empresas que preferem trabalhar com o guincho do pull-in fixo, possibilitando os módulos de manifold ficarem fora do foot-print da planta, enquanto que outras empresas optam em seus projetos por uma máquina do pull-in que forma um conjunto móvel incluindo guincho, polia e uma unidade eletro-hidráulica. I-Tube Os I-Tubes são estruturas cilíndricas presas ao costado que servem para suportar a boca de sino e alinhar os risers na chegada ao navio. No sistema Turret, os I-tubes fazem ligação direta da boca de sino ao hang-off no convés, como é mostrado na figura a seguir. Figura 34- Típica Interface dos Risers de um FPSO com Turret No sistema SMS, os I-tubes são curtos e não se estendem por todo o costado. É formado por duas partes localizadas no balcão de risers inferior e no balcão de risers 35

44 superior. O balcão de risers é uma estrutura fixada no costado e que tem a finalidade de apoiar os I-tubes e suportar toda a carga dos risers. Figura 35 I- tubes inferiores de risers flexíveis (menores) e rígidos (maiores) Hang-off é a operação que faz a conexão do riser com o spool. Spool é um tubo rígido por onde passam os fluidos de produção e injeção que tem a finalidade de fazer a conexão com os risers. No caso do FPSO Cidade de Ilhabela, existem os I-tubes comuns que servem para a passagem de risers flexíveis, nos quais o hang-off é feito no balcão de riser superior e os I- tubes especiais que guiam os risers rígidos, nos quais o hang-off é feito no balcão de riser inferior. Os I-tubes de exportação de gás são os que possuem maior diâmetro. Na figura a seguir, é possível notar em primeiro plano um riser flexível com hangoff feito e ao fundo a chegada de um spool vermelho de um riser rígido. Figura 36 Hang-off no convés 36

45 Boca de sino (Bellmouth) A boca de sino é um equipamento que é instalado de forma conectada ao I-tube que serve para travar e direcionar os risers na chegada ao navio. Estão presentes em todos os tipos risers. Figura 37 - Balcão de risers inferior com as bocas de sino já instaladas embaixo Figura 38 - Balcão de risers superior. Detalhe para os I-tubes superiores 37

46 As linhas dos poços que chegam e saem da plataforma e a linha de exportação e injeção de gás e água são equipadas com válvulas de bloqueio automático do tipo SDV (Shut down valve), tanto para os rígidos como para os flexíveis. Figura 39 I-tube com boca de sino já instalada Manifolds O manifold consiste em um componente que promove a junção e direcionamento das diversas tubulações provenientes da chegada dos risers de produção num único fluxo para a planta. Também é composto por válvulas que controlam a vazão de cada linha. No sistema SMS eles ficam distribuídos pelo bordo de chegada dos risers, podendo estar acima do balcão de risers ou na área de convés. Para possibilitar que os manifolds fiquem numa altura aceitável acima da região do pull-in, o guincho do pull-in deve ser fixo, para que o espaço destinado ao pull-in seja baixo, contendo apenas o cabo transpassado e a polia móvel que se desloca ao longo dele. Esta configuração é bastante vantajosa por não ocupar o foot print da área de convés, tendo como desvantagem o cabo de aço com alta tensão física estendido pela região do pull-in, 38

47 como desvantagem, este sistema demanda um plano de segurança para conter a área no momento do pull-in. No sistema Turret, os manifolds ficam localizados na própria região do Turret. Figura 40- Modelo com módulos de manifolds destacados em azul sobre o balcão de risers 39

48 5 MANIPULAÇÃO DA CARGA Neste capítulo, foi abordada a questão dos sistemas de bombas que promovem a carga e descarga de óleo nos tanques e também sobre a estação de alivio do navio, por onde se localizam todos os equipamentos que vão permitir esta operação. Uma solução de engenharia empregada nos FPSO s é a de utilizar navios aliviadores com capacidade de armazenagem de petróleo menor que a do FPSO, o que possibilita o lastro em óleo. A figura a seguir ilustra a variação total do carregamento antes, durante e depois da operação de alívio, nela é possível notar que após a descarga para o navio aliviador, ainda resta grande parte de óleo nos tanques, funcionando como lastro. Figura 41- Variação do volume de óleo carregado considerando carga e descarga ao longo do tempo. Gráfico retirado da referência [2] 5.1 CARGA E DECARGA NOS TANQUES O último estágio do óleo na planta de processos é o tratador eletrostático que tem por finalidade de retirar as últimas partículas de água remanescentes no óleo, de lá ele vai 40

49 para uma bomba de transferência que direciona o óleo para um duto distribuidor (header) por onde vão ter ramificações para cada tanque e assim é feita a carga dos tanques. A exportação do petróleo bruto é feita utilizando-se bombas de carga. As operações de exportação de petróleo bruto são executadas manualmente e monitoradas continuamente a partir de uma estação operacional na Sala de Controle Central. Todas as indicações de pressão, ulagem do tanque de carga, vazões de exportação e posições de válvulas de carga podem ser verificadas a partir desse local. As bombas de carga em navios convertidos, geralmente são bombas centrífugas verticais acionadas por turbina a vapor e localizadas a ré, na praça de bombas (normalmente 3 bombas de aproximadamente 5000 m³/h). Isso porque essa é a configuração mais usual em petroleiros e na conversão, este sistema geralmente é reaproveitado para não impactar no prazo da obra. Em novas construções, geralmente são utilizadas configurações de uma bomba em cada tanque, podendo ser do tipo submersa, acionadas por motor hidráulico acoplado. Ou bombas de eixo longo (deep well) com acionamento por motor elétrico, com o motor elétrico no convés e o eixo ligando até a bomba no fundo do tanque. Esses tipos de bombas tem um custo de aquisição maior, porém são mais eficientes, já que possuem mínima perda na sucção. Além de ser um sistema de controle mais simples e que proporciona menos tubulações dentro dos tanques, o que facilita a manutenção. Um exemplo de FPSO com bombas de carga do tipo submersa são os FPSO s Convertidos Seção Onerosa, onde o projeto prevê a retirada do sistema original composto por praça de bombas. Como exemplo de sistema com bombas de eixo longo, pode-se citar os FPSO s Replicantes, de Nova Construção. Esses sistemas com bombas submersas ou de eixo longo são mais comuns em petroleiros que possuem planta de geração elétrica a bordo, pois demandam uma potência elétrica maior que o sistema com casa de bombas e muitas vezes essa potência demandada não é possível ser suprida em petroleiros com MCP. Nos navios de produtos claros, estes sistemas são essenciais para acabar com o risco de contaminação da carga, pois trabalham com diferentes cargas e estas com alto valor comercial. 5.2 ESTAÇÃO DE ALÍVIO 41

50 Por ser um tipo de plataforma que armazena petróleo, o FPSO possui sistema de Alívio (Offloading) como um diferencial de outros tipos de plataforma. Dentre os inúmeros fatores que influenciam a concepção do projeto de um FPSO, verifica-se que a operação de transferência oceânica de óleo é fundamental na cadeia produtiva dessa alternativa de sistema flutuante de produção. Na condição de alívio, o sistema formado pelo conjunto navio cisterna e navio aliviador é submetido à ação de ventos, corrente e ondas, com magnitude e direções de incidência distintas, o que torna a operação de offloading delicada. O procedimento operacional consiste das manobras de amarração, conexão, transferência, desconexão e desamarração. Os sistemas de descarregamento nos FPSO s podem ser divididos entre as facilidades de bombeio/ transferência de óleo e as de amarração do navio aliviador. Seu projeto de engenharia, fabricação e manutenção devem ser conduzidos de forma a atender em sua plenitude as operações de offshore loading em tandem com mangote de transferência do tipo flutuante. São apresentados então os componentes do sistema de amarração e do bombeio e transferência de carga, mostrando desde as configurações inicialmente utilizadas em FPSO s até as mais recentemente especificadas, conforme a figura a seguir. Figura 42 - Estação de Offloading de Popa de um FPSO de Aproamento Fixo, destacando o carretel do cabo de amarração à esquerda e o carretel do mangote à direita. 42

51 A operação de transferência de óleo (offloading) será realizada periodicamente, através de mangotes flutuantes, com uma distância de cerca de 150 metros entre o navio aliviador e a plataforma. O mangote de transferência possui carcaça simples reforçada ou dupla e ficará armazenado em carretel. O óleo será bombeado através de uma estação de medição e seguirá para o navio aliviador através de uma mangueira flexível (mangote). O mangote de offloading é equipado em uma extremidade com uma válvula automática, que só pode ser aberta depois de estar corretamente conectada ao flange fixo do navio aliviador. A transferência é realizada com o sistema de inertização ligado mantendo a pressão de trabalho e teor de oxigênio nos tanques em níveis normais de operação e segurança. Ao final da operação de transferência de óleo, o mangote passa por um processo de lavagem para remoção do óleo interior. Esse processo consiste no bombeio de água salgada num regime de fluxo turbulento, no sentido do FPSO para o navio aliviador. A água bombeada para limpeza do mangote é retornada ao FPSO e enviada para o slop tank e o mangote recolhido. A figura a seguir, ilustra os tipos de conexão do cabo de amarração hawser feitos, ressaltando que em ambas extremidades naturalmente encontram-se trechos de amarras para os mordentes (chafing chains) que permitem o travamento nos mordentes das embarcações. Figura 43 - Amarração de navio aliviador convencional através do arranjo de reboque de emergência. 43

52 O cabo de amarração hawser em si delimita a distância máxima que o navio aliviador poderá operar do FPSO, sendo a principal barreira de segurança para a proteção do mangote de transferência de óleo, impedindo a ocorrência de cargas axiais provocadas pelo aumento excessivo da distância relativa. A distância é determinada pelos setores operacionais seguros, onde o raio central é traçado a partir de 150 metros da estação de alívio no FPSO, sendo esta medida a mesma do comprimento do cabo. Além destes, há os cabos mensageiros para transferência do hawser, as amarras para mordentes e ainda as conexões destes trechos, como ilustra a figura a seguir. Figura 44 - Arranjo de cabresteira e amarra para mordente ( chafingchain ) para transferência do Cabo de Amarração Hawser do FPSO para o Navio Aliviador. Os hawsers da unidade são armazenados pelos carretéis dos hawsers, os quais basicamente podem ser de eixo vertical ou de eixo horizontal. Apesar desta diferença, as funções são idênticas em ambas as posições, uma vez que dispõem de sistema de posicionamento do cabo (spooling device) para permitir um enrolamento adequado quando o cabo é recolhido. Na figura a seguir podem ser encontrados exemplos de hawser reels pagando o cabo de amarração e também na situação de cabo totalmente pago, quando uma amarra conecta a estrutura do carretel ao cabo já enviado. 44

53 Figura 45 - Carretel de Hawser com eixo na vertical e sistema de posicionamento de cabo. horizontal. Na figura a seguir podem ser encontrados exemplos de hawser reels de eixo Figura 46 - Carretel de Hawser com eixo na horizonal e divisão para estiva da chafing chain. Em função do acima exposto, passaram a ser instalados nos FPSO s meios de se estivar o mangote de transferência quando não sendo utilizado, bem como as facilidades para o adequado manuseio nas fainas de conexão com o navio aliviador. O primeiro sistema do tipo era do tipo calha ou chute, que estivava o mangote no convés principal do FPSO ao longo de seu comprimento, podendo atender a operações de transferência 45

54 tanto pela proa quanto pela popa. Na figura a seguir podem ser identificadas as estações de alívio de popa e de proa com o sistema tipo calha ou chute. Figura 47 - Estação de Alívio de Popa à esquerda e de Proa à direita de um FPSO com sistema de estiva e manuseio de mangote do tipo chute. A Figura a seguir, ilustra o manuseio do mangote para permitir a conexão com a tomada da tubulação de carga e posteriormente com o navio aliviador. Figura 48 - Operação de manuseio e conexão de mangote de transferência em FPSO com sistema de alívio do tipo calha ou chute. 46

55 No entanto, o adequado funcionamento deste tipo de sistema depende de um projeto de instalação de acordo com o tipo de mangote a ser utilizado e também de elevado nível de manutenção, principalmente dos roletes dentro da calha ( slipway ) por onde deve deslizar o mangote. Por exemplo, nas unidades P-43 e P-48 se esperava inicialmente operar nas duas estações e as transferências entre as estações (operação chamada change over) pudessem ser rápidas e práticas. Mas já no primeiro alívio, foram detectadas interferências entre os flanges das seções de mangotes com os roletes das slipways, fato este que impediu a operação pelo sistema principal, tendo sido necessário utilizar a conexão de mangote de emergência. Além disso, as capas flutuantes para sustentação da válvula na extremidade do mangote foram facilmente destruídas. Com todas as dificuldades acima expostas, passaram a ser especificados sistemas do tipo carretel de mangote (hose reel), permitindo a estiva do mangote de forma segura, mas principalmente com capacidade de manuseio mais suave, evitando danos constantes à linha, conforme pode se verificar na figura a seguir. Figura 49 - Estação de Alívio do tipo Carretel ou Hose Reel Todo FPSO possui uma estação de medição fiscal do óleo que é produzido, o que é fundamental para o controle do volume do mesmo. Esta estação fiscaliza o óleo antes de ser carregado nos tanques. 47

56 No Brasil, a PETROBRAS utiliza uma segunda estação de medição fiscal, que controla o fluxo no offloading. Esta estação foi criada para atender a critérios da ANP e é comumente instalada na popa. 48

57 6 SISTEMAS AUXILIARES E OU SEGURANÇA A seguir, são descritos os sistemas de combate a incêndio e detectores de fogo e gás presentes em qualquer plataforma e também o sistema de gás inerte que não existe nas demais plataformas que não armazenam. 6.1 Sistema Inertização dos Tanques A principal razão para a instalação do sistema de gás inerte é minimizar perigo de incêndio ou explosão nos tanques de armazenamento de carga por eliminação do oxigênio na superfície livre desses tanques. O método de proteção por meio de gás inerte consiste em isolar completamente esses tanques de armazenamento da atmosfera, mantendo uma pressão positiva por injeção de gás inerte para evitar a entrada de oxigênio nos tanques. As válvulas de alívio livres são os únicos meios de abertura dos tanques para atmosfera, a fim de controlar a pressão interna desses tanques. O sistema de gás inerte empregado nos FPSO s possui configuração similar ao utilizado nos navios petroleiros, porém com a ressalva que no FPSO o gás inerte é oriundo dos gases de exaustão da caldeira, que normalmente utiliza o gás natural produzido como fonte energética, enquanto que no petroleiro o gás inerte vem dos gases de exaustão do motor principal. O vapor produzido nas caldeiras atua como fornecedor de energia para as bombas de transferência de óleo de carga, bombas de dreno de óleo de carga e aquecedores dos tanques de slop da plataforma com vapor de água saturado. O gás é resfriado e limpo com água do mar na própria unidade de queima. Em seguida, ele é distribuído para os tanques de carga através de uma rede de tubulação. Antes das operações de carregamento, os tanques de carga são pressurizados com gás inerte e à medida que eles são carregados, o gás inerte existente é expelido pelas válvulas de alívio, mantendo a pressão constante no interior dos tanques com a superfície livre inertizada. Durante as operações de descarregamento ( offloading ), o líquido é bombeado dos tanques, enquanto o gás inerte é injetado, para manter uma pressão positiva e evitar a entrada de ar (oxigênio) no interior dos tanques. 49

58 Uma parte da água do mar é injetada nos borrifadores para resfriamento e limpeza do gás inerte. O restante é usado para resfriar a câmara de combustão e pré-resfriar o gás no tubo central dos geradores. Essa água é bombeada pela bomba de resfriamento do gerador de gás inerte ou pela bomba de emergência / serviço do gerador de gás inerte. 6.2 Sistema de Combate a Incêndio O sistema de combate a incêndio é composto pelos seguintes subsistemas: Sistema de combate a Incêndio por água: O sistema combate a incêndio do FPSO consiste num duto distribuidor (header) pressurizado que corre ao longo da plataforma com saídas de água e espuma (contra óleo) que serão utilizadas conforme o tipo de incêndio. O acionamento das bombas pode ser elétrico ou por motor diesel comum ou diesel-hidráulico. As bombas ficam localizadas em áreas não classificadas, normalmente sobre o convés ou em compartimentos fechados na praça de máquinas. As bombas de pressurização de água (bombas jockey) mantêm o sistema de combate a incêndio principal constantemente pressurizado a aproximadamente 20 bar. Na plataforma, o sistema utiliza a água salgada captada do mar. A abertura de qualquer ponto de consumo causa queda de pressão no sistema principal (anel de incêndio) ativando os pressostatos de baixa pressão que monitoram a pressão/fluxo no sistema principal. A queda de pressão/fluxo no sistema principal automaticamente ativa o sistema de combate a incêndio. As bombas de incêndio também podem ser acionadas manualmente. Além das bombas jockey, o sistema possui uma bomba de incêndio (principal) acionada por motor diesel e duas bombas acionadas eletricamente, sendo uma principal e outra reserva. As bombas de incêndio captam água das caixas de mar, enviando a água na pressão de operação para o anel de incêndio principal e pressurizando os componentes do sistema por toda a instalação incluindo convés principal, convés das acomodações, praça de máquinas, casa de bombas, etc. No caso de não funcionamento de uma das duas bombas de incêndio principais, a bomba reserva é automaticamente acionada para garantir a continuidade do sistema. 50

59 O sistema de combate a incêndio por água salgada alimenta os hidrantes, dilúvio e rede de espuma. Rede de Hidrantes: Os hidrantes são do tipo vertical providos de duas saídas do tipo storz instalados em locais estratégicos. Ao lado de cada hidrante existe um armário, contendo equipamentos de combate a incêndio, como: mangueiras, chaves, esguicho, etc. Sistema de Combate a Incêndio por Dilúvio: A finalidade desse sistema é resfriar os equipamentos adjacentes a alguma área onde esteja ocorrendo um incêndio, mantendo a integridade dos equipamentos e impedindo que o fogo se propague e se torne incontrolável. Sistema Fixo de Combate a Incêndio por Espuma: Canhões de espuma na planta de produção são posicionados de forma a prover cobertura em áreas não cobertas pelo sistema de dilúvio de espuma. Na prática, onde não há módulos acima do convés principal, onde seria instalado o sistema de dilúvio, o canhão de espuma é provido. Lembrando que como não há modulos diretamente acima desta área, em um evento onde haja derramamento de óleo, situação em que acionaríamos o sistema de espuma para prover proteção contra uma possível ignição, o óleo não chegaria imediatamente a esta área. Os canhões de espuma são oscilantes com acionamento manual. Uma vez ativados no local, passam a oscilar automaticamente espalhando por igual uma camada de espuma na área em questão Sistema Fixo de Combate a Incêndio por Gás Inerte Sistema fixo de combate a incêndio por CO2 tem como objetivo detectar e extinguir o fogo através de inundação total por gás na área efetiva de risco. Isto ocorre pois o CO2 diminui a concentração de oxigênio do ambiente fazendo com que o fogo não possa mais realizar o trabalho de combustão. Sistema fixo e automático de extinção de incêndio por CO2 é composto por centenas de cilindros de armazenamento, válvula de abertura rápida, tubos coletores, acionador automático, bicos nebulizadores e detectores automáticos. Este sistema cobre as seguintes áreas: 51

60 Figura 50 Áreas cobertas pelo sistema de combate a incêndio por gás inerte Sistema de Combate a Incêndio Extintores Portáteis A plataforma conta ainda com equipamentos portáteis de extinção de incêndio de água, pó químico seco, CO2 e espuma. O sistema portátil de extinção de incêndio por CO2 é composto por cilindros de armazenamento que são distribuídos de acordo com o potencial de risco de locais, tais como: sala do gerador de emergência, paiol de tintas, sala das bombas de incêndio, ECR, entre outras. 6.3 Sistema de Detecção de Fogo e Gás Atrelado ao sistema de combate, existe o sistema de detecção através de centenas de detectores distribuídos pelo FPSO. a) Detectores de fogo Têm o objetivo de identificar focos iniciais de incêndio e desta forma evitar que estes adquiram proporções maiores. Os detectores de fogo estão instalados na planta, baseados em uma variedade de princípios ativos, dependendo das características do local que eles protegem. O acionamento de qualquer um deles alarma na sala de controle e desencadeia as ações automáticas de controle. Os tipos de detectores de fogo utilizados são: Plug Fusível (ADV): Instalados nas áreas externas de processo, onde há dilúvio, em uma rede pressurizada com ar de instrumento. O calor produzido pelo incêndio fundirá os fusíveis, despressurizando o circuito entre o plug e a ADV, abrindo automaticamente as válvulas de dilúvio; 52

61 Detectores de Calor de Temperatura fixa (T): Instalado em ambientes fechados, onde as condições ambientais não permitem a utilização de detectores de fumaça. Detectores de fumaça (S): instalados em zonas onde os primeiros indícios de fogo são provenientes da emanação de fumaça, como em salas de painéis, baterias, etc. Detectores de chama (F): utilizados para identificar focos iniciais de incêndio baseado na existência de chamas (emissão de raios ultravioleta, e infravermelhos). Na instalação, este tipo de detector pode ser encontrado no interior dos invólucros dos turbogeradores, turbo-compressores, na área dos risers, etc. Os detectores de fogo encontram-se concentrados pelas acomodações e módulo elétrico. Além desses, existem em menor número distribuídos pela planta de processos, sistema de offloading, sala de bombas, sala de maquinas e caldeiras auxiliares. b)detectores de H2 Os detectores de H2 na planta de processo são instalados nos dutos de saída de ar do sistema de ventilação da sala de baterias. Estes detectores são do tipo catalítico. A ativação de um destes detectores (20% LIL) gera um alarme na Sala de Controle Central e a partida do sistema reserva dos ventiladores de exaustão na sala de baterias. A ativação de dois detectores (60% LIL) inibe o carregamento das baterias. c)detectores de H2S Os detectores de H2S estão instalados no âmbito de toda planta de processo de óleo e gás, bem como na entrada dos dutos do sistema de ventilação das unidades de ar condicionados das acomodações e da sala dos SCR. A ativação de um destes detectores (05 ppm) gera um alarme na Sala de Controle Central e a ativação de dois detectores (10 ppm) gera shutdown nível 03. As principais zonas protegidas por detectores de H2S são: Figura 51 - Zonas protegidas por detectores de H2S d)detectores de CO2 53

62 Os detectores estão instalados nas áreas da planta de processo onde o CO2 está presente no fluido processado, baseado no estudo de dispersão de gases. Os detectores de CO2 tem setpoint de alarme de 3900 ppm e 5000 ppm. A detecção a 3900 ppm aciona o alarme audível e visível na sala de controle. A detecção a 5000 ppm (votação 2 de N), aciona o alarme audível e visível na sala de controle e ao longo da instalação. As principais zonas protegidas por detectores de CO2 são: Figura 52 Zonas protegidas por detectores de CO2 e)detectores de Gás Têm a função de acionar um alarme ou iniciar a ação de shut down baseada nos níveis do alarme. O acionamento de qualquer um deles alarmará na sala de controle e iniciará as ações automáticas de controle. Os tipos de detectores de gás empregados são: Detectores de gás pontuais: Utilizados em áreas em que vazamentos possivelmente ocorrem devido a falhas do equipamento ou da tubulação, ou em áreas como entradas de ventilação; Linha de visão (LOS): Estes são utilizados para cobrir grandes áreas, normalmente as divisões entre módulos; utiliza princípios de feixes de infravermelho para o corte do gás. 6.4 SISTEMA PROPULSIVO Num primeiro momento pode parecer estranho pensar em sistema propulsivo para plataformas de petróleo já que elas operam ancoradas. No caso de FPSO s, pode ser vantajoso de se ter sistema propulsivo para o deslocamento da unidade até o local de 54

63 operação. Esse estudo de viabilidade vai variar de navios convertidos para construídos. Outro fator que influencia no uso de sistema propulsivo são os casos em que o Turret é desconectável. Em navios antigos convertidos, caso o sistema propulsivo esteja em condições de uso, o mais lógico é aproveitar esse sistema durante transporte até o local de operação, de forma a reduzir o tempo de viagem e a economizar o alto custo do reboque. Para cascos construídos com projeto de VLCC, necessariamente deverá se ter o investimento de um sistema propulsivo inteiro para que o navio possa ser auto-propelido. Nesses casos, normalmente haverá um estudo de viabilidade econômica que vai ser favorável à aquisição do sistema propulsivo caso a unidade tenha que percorrer longa distância. Um exemplo disso são os FPSO s que são construídos na Ásia para operarem no Brasil, como aconteceu com o FPSO Cidade de Caraguatatuba, que tem sistema propulsivo novo para ser utilizado somente uma vez. Para cascos Nova Construção customizados, não se coloca sistema propulsivo, visto que a forma do casco é inteiramente desenvolvida para otimizar a plataforma quando em operação. 55

64 Figura 53 - Instalação do Leme no FPSO Cidade de Caraguatatuba Um fator importante nos FPSO s que possuem sistema propulsivo é o projeto de travamento do leme de forma a impedir problemas de vibração no casco. 56

65 7 TENDÊNCIA NAS TECNOLOGIAS... Após a descrição dos principais sistemas empregados nas unidades FPSO, nesta seção o objetivo é fazer comentários sobre a evolução destes sistemas e as tendências nas tecnologias empregadas atualmente. 7.1 Casco do FPSO Como já foi mencionado anteriormente neste trabalho, o casco Nova Construção customizado é o projeto mais otimizado, integrando os diversos sistemas da forma mais eficiente, porém ainda não é considerado tendência devido a fatores financeiros e de prazo de construção. Cascos convertidos atualmente continuam fazendo parte da maioria dos últimos projetos. É esperado que com o ganho de experiência pelos estaleiros na construção de cascos novos customizados, o número destes suba em relação aos demais, porém atualmente os convertidos ainda continuam a ser a primeira opção. 7.2 PLANTA DE PROCESSO Tanto o método de construção por Pancakes/Skids quanto por Módulos possuem vantagens e desvantagens, e, salvo condições que impossibilitem um dos métodos, como por exemplo, a ausência de balsas guindaste capazes de içar os altos pesos dos Módulos, é notável que o escolha de um método em detrimento de outro se dá mais em função da filosofia da empresa do projeto do que as variáveis envolvidas. O inovador método jack-deck de fazer a integração [9], consiste no içamento da planta através de um tipo de auto-elevatória e que faz o matting após o navio entrar por baixo. As principais vantagens são o menor tempo de içamento (apenas 1 ou 2 blocos) e comissionamento, já que o mesmo é feito fora do navio, entretanto não há indícios de que o método já tenho sido usado. O procedimento é ilustrado abaixo. 57

66 Figura 54- Método de integração Jack-Deck [9] Uma mudança empregada na disposição da planta que é possível perceber em projetos recentes é o deslocamento do módulo dos manifolds para fora da área do convés, instalando-se sobre a estrutura do balcão de risers. Esta concepção amplia a área de convés disponível e consequentemente é possível se ter uma planta mais baixa. Essa é uma estratégia que minimiza a amplitude de movimento, sobretudo nos FPSO s com planta de processos de alta capacidade de produção devido ao alto centro de gravidade. A seguir, duas imagens exemplificam bem o que acontece. Figura 55 - Ilustração dos módulos de manifold fora da área de convés 58

67 Figura 56 Ilustração dos módulos de manifold sobre a área de convés 7.3 Carga e descarga nos tanques Em FPSO s de construção nova, é preferível o sistema de bombas submersas (Replicantes), pois é uma sistema mais eficiente, com mínima perda de sucção, além de ter menos tubulação dentro de tanque, tornando a manutenção mais fácil. Em FPSO s convertidos, configuração com praça de bombas é a mais comum, pois se quer reaproveitar a configuração original de forma a não estender muito o cronograma da obra. Uma desvantagem das bombas submersas é seu custo maior de aquisição, porém a vantagem imposta por este sistema numa unidade que opera por cerca de 20 anos e que sua produção movimenta bilhões de dólares ao longo da vida útil, essa diferença financeira não é tão relevante. 7.4 ANCORAGEM e RISERS: Historicamente, o tipo de ancoragem mais comum nos FPSO s é do tipo Turret como pode ser visto nos gráficos a seguir, que mostra o número de FPSO s por tipo de ancoragem utilizada que entraram em operação nos últimos anos. 59

68 Figura 57 Número de FPSO s que entraram em operação ao longo dos anos por tipo de ancoragem [1] Figura 58 Gráfico do número total Mundial de FPSO s por sistema de ancoragem, referente a agosto/2014 [fonte: Fearney Offshore] No sistema SMS, as linhas de amarração localizadas na extremidade da popa, como no FPSO mostrado na figura a seguir, não é muito comum. É notável que nos projetos atuais, os quadrantes de ancoragem continuam localizadas na proa e popa, porém mais próximas da meia nau, isso se deve muito em função da geometria em forma do casco em V nas extremidades, o que gera uma tensão maior nos fairleads. Através de estudo feito 60

69 pelo autor, nos FPSO s SMS afretados pela PETROBRAS recentemente, a distância dos quadrantes de ancoragem em relação ao meio navio é em média de 28% do LPP nos quadrantes de ré e 40% do LPP nos quadrantes de vante. Figura 59 Linhas de ancoragem em posição avançada na proa Em relação ao sistema de suportação de riser do I-tube especial, utiliza-se um forjado no topo do hang-off adaptor para suportar as cargas do contato com as cunhas. A solução por cunhas articuladas que fecham por gravidade é vantajosa tanto na redução dos tempos de instalação, quanto para segurança para o mergulhador. Figura 60 Sistema de Hang-off do riser rígido no I-tube inferior 61

70 7.5 OFFLOADING Considerando a natureza da operação deste cabo ambiente offshore, cargas altas de tração em ciclos de aproximação e afastamento do navio aliviador a indústria restringiu-se ao uso de materiais sintéticos com elevado módulo de elasticidade, tais como o náilon e o poliéster. Inicialmente, as transferências de carga de FPSO s eram feitas exclusivamente com o auxílio de embarcações de manuseio de linhas, as quais precisavam atender as operações durante todo o período de alívio. Isto ocorria em função da inexistência a bordo dos terminais de facilidades que reduzissem a intervenção humana, constituindo-se basicamente de uma tubulação rígida com terminação flangeada onde se conectava o mangote de transferência, conforme ilustra a figura a seguir. Figura 61 - Exemplos de antigos terminais com estações de alívio sem facilidades de movimentação e içamento para conexão do mangote de transferência. Apesar do menor custo de investimento inicial, além de requerer embarcação de apoio para manuseio dos mangotes aumentando a exposição à acidentes, esta configuração precária acarreta menor eficiência operacional em função da extensão das fases de conexão e desconexão. Como a estiva do mangote não é feita à bordo, ocorre também um aumento nos custos de manutenção devido à frequência de danos às seções, mesmo em mangotes de dupla carcaça. De acordo com o guia OCIMF [8], para a especificação técnica de mangotes a serem empregados na transferência de óleo offshore, os mangotes do tipo carcaça simples atualmente não são mais utilizados em operações de alívio por questão de segurança contra impactos ao meio-ambiente. No entanto, os mangotes de carcaça simples reforçada têm se 62

71 demonstrado uma excelente solução técnica, uma vez que o diâmetro e largura do carretel em comparação com os carretéis para mangotes dupla carcaça são menores. Com isso, passa a ser possível fazer uma otimização do arranjo no convés do FPSO. Outras vantagens da estiva do mangote em carretel é possibilidade de executar a manutenção da válvula na extremidade do mangote, válvula tipo disco com mola. Uma tendência notada nos projetos mais recentes é a utilização do carretel do mangote de offloading com eixo mais extenso de maneira a ter o enrolamneto numa única passada. Este novo modelo tem por objetivo reduzir a fricção e torção com os mangotes sobrepostos de maneira a prolongar sua vida útil. Figura 62 - Carretel de Offloading de um casco Replicante com eixo mais extenso 63

72 8 Dados e tendências da frota Mundial Após os sistemas funcionais terem sido descritos e seus procedimentos explicados, a título de contribuir para o conteúdo do presente trabalho, foi contemplado nesta seção, informações a respeito da frota de unidades FPSO no mundo. 8.1 Principais empresas Na figura a seguir, percebemos que os proprietários majors de FPSOs são MODEC, BW OFFSHORE, SBM e PETROBRAS, todos com mais de 10 unidades produzindo. De acordo com o plano de negócios da PETROBRAS até 2020, mais 12 unidades próprias serão construídas no período , com isso, a PETROBRAS irá mais que dobrar seu número de FPSOs nos próximos 6 anos e provavelmente será a maior empresa detentora de FPSOs no mundo com 23 unidades até Figura 63 Principais empresas [1] 8.2 Diferentes Filosofias de engenharias no projeto de FPSO Abaixo, segue tabela que demonstra que alguns aspectos de engenharia do FPSO que são decididos muitas vezes em função da filosofia da empresa que os projeta. Nela, foram tomados como exemplo os FPSO s mais recentes contratados por afretamento pela PETROBRAS. É possível notar que a empresa1 tem tradição de fazer o içamento por 64

73 Skids, possui guinchos de pull-in dos risers fixos, ancoragem com paiol de amarras e sem chain pipes, já a empresa 2, faz o içamento por módulos, possui o guincho do pull-in dos risers móvel e recentemente projeta a ancoragem com chain pipes e sem paiol de amarras. A excessão foi no projeto FPSO Cidade de Paraty que ainda possui paiol de amarras. A explicação disso é que esse foi o exemplo citado da empresa2 mais antigo e a modificação da configuração sem o paiol ainda não tinha sido implementada. Figura 64 Algumas características que diferenciam as filosofias de engenharia das empresas de projeto. 8.3 Análise dos FPSOs que entraram em operação nos últimos anos Pelo gráfico a seguir, que analisa o número de FPSO s que entraram em operação por ano, é notável o crescimento explosivo que houve nos últimos 4 anos, principalmente após a queda que houve após a crise de 2008 que afetou inclusive a PETROBRAS. 65