24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore

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1 24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore Rio de Janeiro, 15 a 19 de Outubro de 2012 Projeto conceitual do comboio padrão Transpetro para transporte de álcool na Hidrovia Tietê-Paraná. Lênin Valério Mena, Alves Valério Engenharia Jorge Guillermo Nikulin Aracena, PROMEF- TRANSPETRO Resumo: O presente trabalho descreve o processo de projeto conceitual do comboio padrão TRANSPETRO para transporte de álcool na hidrovia Tietê Paraná. Para este fim, postulou-se uma metodologia para projetar embarcações seguras, orientando a segurança para o centro do processo de projeto, evitando assim um conflito entre a produção e operação da embarcação. Seguindo os conceitos de que a segurança é global, o desenvolvimento das embarcações, para o transporte a granel de combustíveis em águas restritas, foi conduzido para produzir soluções integradas entre o projeto e esses novos conceitos de segurança. 1 Introdução O projeto de embarcações representa um dos maiores desafios da arquitetura naval. Embora, existam vários métodos, e alguns tenham sido desenvolvidos com sucesso para tratar os diferentes problemas de projeto, estas aproximações dependem em grande parte da forma como são ponderadas as condições de contorno do problema. Isto é, as condições econômicas, ambientais, de operação, as limitações tecnológicas e os requerimentos do armador. São então necessárias várias análises para identificar a combinação de parâmetros que determinaram às características do objeto projetado. Embora um bom projeto sempre deva levar em consideração uma margem de segurança, isto invariavelmente, até as últimas décadas, foi conduzido através de uma complacência mínima com as regras impostas pela administração competente [1, 2], e conseqüentemente não foi direcionado de modo ótimo do ponto de vista da manobrabilidade, segurança da navegação e respeito ao meio ambiente. Uma tendência clara de mudança foi proposta, principalmente com relação aos padrões de segurança, considerando a experiência de serviço de embarcações construídas, como a principal base de informações. 2 Princípios de projeto Dois princípios foram utilizados no projeto do combóio: 1) Projeto para Construção (Design for Construction) recomendado a décadas, e que, consiste basicamente, em usar o bom senso no projeto para construir de forma fácil e eficiente [3]; 2) "Projeto para Segurança" (Design for Safety), que sugere projetar no sentido de melhorar a segurança da embarcação, por analogia. Assim postulou-se que devia ser adotada uma metodologia para projetar embarcações seguras, orientando a segurança para o centro do processo de projeto, evitando um conflito entre a produção e operação da embarcação. 3 Requerimentos de projeto Simulações numéricas exaustivas e avaliações técnico econômicas dos resultados, levaram a TRANSPETRO a concluir que, numa primeira etapa, vinte (20) comboios de empurra seriam utilizados nas operações de transporte a granel de álcool através da hidrovia Tietê-Paraná. 1

2 Assim, foi definido que o transporte seria realizado usando comboios composto por um (01) empurrador e quatro (04) barcaças sem propulsão na configuração de 2 x 2 (tipo Tietê). Cada comboio deveria transportar no mínimo 5600 toneladas do produto, aproximadamente 7200 metros cúbicos. A velocidade do comboio carregado deveria ser superior a 5,5 nós, em viagem livre. As embarcações, tanto as barcaças como o empurradores, deveriam atender plenamente os requisitos da autoridade fluvial, e os requisitos de segurança e meio ambiente, assim como as limitações da hidrovia. 3.1 A hidrovia A hidrovia Tietê-Paraná possui várias características próprias e limitações, elas são: 1. Restrições impostas pelas vias navegáveis (calado, margens, canais, formato da hidrovia, etc.); 2. Outros elementos que compõem o sistema (terminais, pontes, eclusas, mísulas, etc.). 3. Fatores humnos e aspectos ambientais. As principais limitações da hidrovia referem-se às dimensões máximas e formato das embarcações para eclusagem. Em geral, as dimensões máximas das embarcações são: comprimento de 137 metros de comprimento, 11 metros de largura e um calado de 2,75 metros, com pé de piloto de 0,3 metros. Enquanto ao formato das embarcações, existe uma limitação no perfil das embarcações, especialmente com 11 metros de boca, devido à mísula estrutural triangular existente no fundo da eclusa de Barra Bonita, (com 3,00 m de altura e 0,80 m de base), pelo que os costados das embarcações devem possuir um perfil apropriado e não serem retos até o fundo, conforme mostra a figura:. Outro aspecto importante é a passagem sob as pontes. Em alguns casos os comboios duplos (2x2) devem ser desmembrados (1x2) para passar sob as pontes, pois colisões em pontes são as mais frequentes. Colisões em pontes e eclusas também representam uma porcentagem importante dos acidentes [4]. 3.2 Acidentes por tipo de embarcação 3.3 Acidentes por tipo de colisão Do total de acidentes registrados, 48% são relativas a colisões, sendo que 60% referemse a colisões em pontes e 30% referem-se a colisões em eclusas. Além disso, existe a limitação de altura das obras mortas das embarcações, em função das alturas disponíveis sob as pontes, que em alguns casos chega a 7,0 metros; como nos casos dos rios Tietê (até entrada Canal Pereira Barreto) e Piracicaba. Fig. 3.1 Estrutural da eclusa de Barra Bonita Fig. 3.3 Amarração do comboio na eclusa 4 O desenvolvimento do projeto 2

3 O projeto uma embarcação geralmente é realizado através de três fases: projeto conceitual; projeto preliminar, e do projeto contratual. O processo de concepção inicial é frequentemente ilustrada pela espiral de projeto (Figura 4.1) que indica que, a partir dos objetivos do projeto, o projetista deve trabalhar para encontrar a melhor solução que se ajuste em equilibrar os diferentes parâmetros inter-relacionados. A partir dos objetivos, o projeto conceitual deve fornecer informações suficientes para uma avaliação técnico-econômica básica das alternativas a serem consideradas. No projeto preliminar refina-se o projeto conceitual, preenchem-se a estrutura e os arranjos e otimiza-se o desempenho em serviço. Nesta fase, o construtor deve ter informações suficientes para o orçamento. O projeto contratual detalha finalmente os arranjos e sistemas, de acordo com os requerimentos do armador, os que deverão ser atendidos contratualmente. O projeto final tem seu inicio nesta fase, onde, após o contrato, o projeto deve ser desenvolvido para a produção, de forma a facilitar a montagem da estrutura, instalação dos equipamentos e sistemas. O sistema de produção das embarcações também deve ser considerado nas fases de concepção, sobretudo quando se colocam restrições sobre o projeto que podem afetar os custos Figura 4.1 Espiral de projeto As formulações dos modelos para obter as respostas que definem as características das embarcações, tornam-se então fundamentais na realização desses estudos. Uma vez definidas e organizadas as analises e avaliações, estas são seqüenciadas e formalizadas dentro de um processo de otimização. O resultado deste processo dependerá da forma como são ponderados os requerimentos de projeto e das limitações impostas pelo meio, isto é, o resultado da formulação dependerá do modelo e das condições de contorno do problema. 5.0 As soluções Especificas do projeto O projeto de navios mercantes normalmente é focado principalmente no aspecto econômico, como visto acima, porém no caso da hidrovia Tietê Paraná, existem outros fatores que não são puramente econômicos, e dizem relação com a segurança da navegação e a proteção do meio ambiente. 5.1 O Arranjo Geral As dimensões das embarcações (barcaças e empurradores) foram calculadas tendo em vista os requerimentos do armador, principalmente os relativos à capacidade e às limitações nas dimensões impostas pelas obras de engenharia da hidrovia. No caso das barcaças, a capacidade de carga e o peso da estrutura e equipamentos, moldaram as formas de casco duplo nas embarcações, que foram projetadas como barcaças de extremo, amplamente utilizadas em hidrovias. Este formato, quando em comboio, permite um melhor desempenho hidrodinâmico e um melhor aproveitamento dos espaços de carga. No caso do Empurrador, os requisitos de estabilidade, habitabilidade, ergonomia e área de manobras, ajudam a definir a área do convés e conseqüentemente a boca da embarcação. O pontal da embarcação foi definido pela demanda de espaço para o sistema de máquinas e pela capacidade de armazenamento de óleo combustível, que deveria ser estocado em tanques estruturais de casco duplo, por requerimento do armador. O dimensionamento do sistema de propulsão foi determinante na definição das formas da popa, porém o aspecto construtivo foi também considerado, utilizando-se superfícies desenvolvíeis. O arranjo do empurrador considera acomodações para a tripulação, composta por nove tripulantes, e também um passadiço elevatório, para atender aos requisitos das Normas da Autoridade Marítima, com relação ao ângulo de visada do passadiço. Desta forma, foram determinadas as dimensões principais para o comboio de 2 x2, sendo as dimensões típicas são as seguintes: 3

4 Barcaças: Comprimento : 60,0 m Boca : 11,0 m Calado máximo : 3,0 m Empurrador: Comprimento : 18,5 m Boca : 9,0 m Calado máximo : 2,75 m 5.2 O Arranjo Estrutural O projeto estrutural das barcaças abordou principalmente os aspectos arranjo, de resistência estrutural, atendimento às Regras de Construção e Classificação e de eficiência com relação ao peso da estrutura, uma vez que algumas espessuras das chapas tinham sido pré-fixadas nos requerimentos do armador, em função da experiência com outros comboios e devido aos freqüentes abalroamentos que ocorrem na hidrovia. No caso do Empurrador, foi dada ênfase ao problema das vibrações e nível de ruído nas acomodações, em função da relação peso potência da embarcação. 5.3 O Sistema de Propulsão Para atender os requisitos de velocidade e manobrabilidade do comboio, foi feita uma análise comparativa das opções de motorização e sistemas de governo para o comboio padrão. O aspecto de manobrabilidade em baixa velocidade é particularmente importante, tendo em vista o histórico de acidentes na hidrovia, como mostrado anteriormente. A análise foi feita a partir da relação entre a potência empregada no comboio e as toneladas de deslocamento. Esta análise baseia-se nos estudos realizados pelo departamento hidroviário da Secretaria de Estado de Transportes, em maio de Nesse trabalho apresenta-se uma relação dos índices utilizados nas diversas hidrovias dos Estados Unidos, França e Brasil. Abaixo reproduzimos a tabela ilustrativa. Hidrovias Índices (hp / t ) França 0,20 a 0,27 Estados Unidos 0,14 a 0,30 Paraná - Paraguai 0,16 Rio Madeira 0,14 Tabela 5.1 Índices hp/t Na hidrovia Tietê-Paraná, considerando a potência dos empurradores de 840 hp, obtémse um índice de 0,13, para um comboio de 6500 t. Deve ser notado que estes índices praticados na hidrovia Tietê-Paraná, assim como os valores inferiores dos índices praticados em outras partes do mundo, referem-se ao transporte de graneis sólidos. Os valores mais altos de potência são em geral praticados no transporte de líquidos inflamáveis ou mercadorias classificadas como perigosas. Outro aspecto importante a ser considerado é a questão da manobrabilidade do comboio, de forma a garantir a segurança da navegação tendo em vista a periculosidade da carga transportada [5, 6]. A estimativa de potência foi feita tomando como base séries sistemáticas e com base em provas de rio realizadas comboios de tamanhos similares atualmente em operação na hidrovia [7]. Foi verificada a necessidade de aumento de potência, em função do requisito de velocidade de 5,5 nós, o qual deveria ser obtido com 90% da potência nominal. BHP [hp] Estimativa de Potência BHP Comboio Tietê-Paraná Leve Carregado 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 Velocidade [nos] Fig. 5.1 Estimativa de potência Além disso, foram consideradas as dificuldades na aproximação nas eclusas, e a exigência de manobrabilidade, principalmente quando nas passagens sob pontes. O índice de potência do comboio passou para os níveis médios utilizados nos Estados Unidos e na França. O aumento de potência, não só visa atender de forma mais efetiva os sistemas de propulsão governo do comboio, mais também atender um próximo aumento do tamanho do comboio em alguns trechos da hidrovia, que 4

5 foi colocado também como requerimento do armador. Considerando os aspectos resposta rápida em manobras em baixa velocidade, foram analisados dois sistemas de propulsão: O sistema convencional, atualmente em uso na hidrovia, composto por motores Diesel de propulsão principal, linha de eixo convencional, propulsor em tubulão (tipo Kaplan), lemes de flanco lemes de ré; e O sistema azimutal, composto por motores Diesel de propulsão principal, linha de eixo com junta universal, propulsores azimutais em tubulão, em uso nas hidrovias do Rio madeira e na hidrovia Paraná Paraguai, no Brasil, e amplamente utilizadas em hidrovias no mundo. Foi verificada a ampla superioridade do sistema de propulsão azimutal, com relação ao sistema convencional, principalmente devido a manobrabilidade em baixa velocidade. Outra vantagem do sistema azimutal é que pode ser reparado sem a necessidade de docar da embarcação, ou até mesmo ser substituído. A diferença no valor do investimento inicial do equipamento azimutal chega a 25% do valor de um empurrador com um sistema de propulsão convencional, e a pouco mais de 5%, considerando o valor do comboio composto por um empurrador e quatro barcaças. Essa diferencia foi considerada aceitável se tendo em vista o ganho de tempo de operação devido à melhora significativa da manobrabilidade, no tempo manutenção das embarcações que pode ser reduzido evitando a docagem, e o consequente ganho de tempo efetivo de operação do comboio. Outros sistemas mais eficientes, e tecnologicamente mais avançados foram descartados em função dos altos custos de aquisição e manutenção. Uma rede auxiliar de dreno de 2 polegadas conectadas a duas bombas de débito positivo, para drenagem dos pocetos dos tanques de carga e das tubulações. Para o carregamento e descarregamento a barcaça terá dois (02) manifolds, no convés principal, um (01) de cada bordo. O sistema de ventilação de tanques foi projetado com válvulas de pressão e vácuo de alta velocidade, conectada a tubulações de duas polegadas de diâmetro, para recuperação dos vapores pelo terminal, caso seja necessário. O sistema prevê um retorno com válvula de segurança de sobre-pressão, instalação de alarmes de nível alto nos tanques de carga, instalação de sondas eletrônicas para medição de ulagem, em conjunto com sensores de temperatura em dois níveis, 95% e 98%, em cada tanque. As bombas de descarga serão quatro (04) independentes, com acionamento elétrico com capacidade de 150 m 3 /h e pressão de 100 m.c.a., do tipo submersa (deepwell); e duas bomba de débito positivo para a rede auxiliar de dreno de 2 pol. O sistema de sondagem dos tanques de carga é do tipo automatizado, próprio para o tipo específico de carga, sendo monitorado junto ao controle da bomba de carga. 5.4 Sistema de Descarga O sistema de descarga da barcaça padrão foi projetado com dois sistemas de tubulações: Um principal de sucção e descarga com quatro redes de 5 polegadas de diâmetro, conectadas a quatro bombas submersas. As quatro linhas estão ligadas a duas tubulações de 8 polegadas que possuem dois flanges de carga / descarga em ambos os costados da embarcação. 5

6 Fig. 5.2 Arranjo do Empurrador Padrão Fig. 5.3 Arranjo da Barcaça Padrão 6 Estimativa de Custos Estimativas de custos formam feitas com base nos valores de mercado para a construção de 100 embarcações, sendo 80 barcaças 20 empurradores. Os seguintes itens foram consideração na estimativa de custos: a) Estrutura b) Máquinas c) Redes E Tubulação d) Eletricidade e) Acessórios De Casco f) Acabamento g) Tratamento E Pintura h) Apoio Inicialmente o custo do empurrador foi estimado em aproximadamente US$ ,00 e o custo de cada Barcaça em US$ ,00. No preço de venda, para licitação, deveria ser considerada a necessidade de construir, montar ou transportar as embarcações até a hidrovia, uma vez que não seria possível navegar desde qualquer ponto da costa até lá. 7 Conclusões Este trabalho descreve de forma sintetizada o projeto conceitual do comboio padrão TRANSPETRO para o transporte de álcool na hidrovia Tietê Paraná, conforme os requerimentos do armador e dentro das Normas e Regulamentos estabelecidos pela Autoridade Marítima e as Normas de Regras das Sociedades Classificadoras [8,9]. Foi verificada e comprovada a viabilidade técnica para a construção de um COMBOIO PARA O SISTEMA MULTIMODAL DA HIDRIVIA TIETÊ PARANÃ, nos moldes propostos pela Gerência Técnica da TRANSPETRO (GETEC). Aponta-se uma tendência de mudança na abordagem dos métodos de projeto que utilizam os dados de embarcações existentes como a principal base de informações. Um novo posicionamento com relação à segurança coloca esta como um assunto chave que pode ser considerado em forma integrada no processo de projeto. Busca-se atender às novas tendências que se encontram além do tradicionalismo e em prol da inovação, decorrente do fato de que a atenção dedicada à segurança operacional das embarcações atualmente é significativa, e que no passado raramente foi maior. Os aspectos de segurança e facilidade de construção foram ponderados igualmente e de forma consistente no processo de projeto, em função dos requerimentos do armador e em função das limitações da área de operação. Desta forma, a segurança, que muitas vezes é vista como uma limitação do projeto, passou a ser prioridade. 8 Referências Bibliográficas [1] DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS. NORMAN 02 - Normas da Autoridade Marítima para Embarcações Empregadas na Navegação Interior, [2] MARINHA DO BRASIL, Capitania Fluvial Do Tietê-Paraná. Normas E Procedimentos Da Capitania Fluvial Do Tietê-Paraná, [3] THOMAS LAMB. Ship Design And Construction. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2004 [4] - FERREIRA NUNES, A. Estudos de Acidentes na Hidrovia Tietê Paraná: Aspectos preventivos. Tese de Mestrado USP, [5] PADOVEZI, C. D. Conceito de Embarcações Adaptadas à Via Aplicado à Navegação Fluvial no Brasil, [6] RIVA, J. Considerações Técnicas e Operacionais Sobre a Potência Propulsiva e 6

7 Condições de Governo e Manobra de Comboios Fluviais, Dep. Hidroviário de São Paulo, [7] INSTITUTO DE PESQUISAS TECNOLOGICAS IPT, - Avaliação do Desempenho de Comboios com Seis Chatas na Hidrovia Tietê Paraná, 2004 [8] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING (ABS), Rules For Building And Classing Steel Barges, [9] AMERICAN BUREAU OF SHIPPING (ABS), Rules For Building And Classing Steel Vessels For Service On Rivers And Intracoastal Waterways,