Curso de Extensão Dutos Flexíveis e Umbilicais

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1 Curso de Extensão Dutos Flexíveis e Umbilicais INTRODUÇÃO: O Uso Offshore de Dutos Flexíveis no Brasil Palestrante: Eder Fachini Petrobras Engenheiro de Equipamentos E&P-SERV/US-IPSUB/ESSUB/EISUB Novembro de 2014

2 Um pouco de história Duto Flexível Visão Geral Umbilical Visão Geral Histórico na Petrobras - Estágios no Desenvolvimento de Flexíveis Duto Flexível na PETROBRAS Navios PLSV S

3 Um Pouco de História PLUTO Pipeline Under The Ocean O projeto PLUTO inicialmente foi projetado como um esforço de guerra das forças aliadas para o suprimento de gasolina, do tanque de armazenagem localizado ao sul da Inglaterra até as frentes de batalha na França, em 1942 (II Guerra Mundial)

4 PLUTO Pipeline Under The Ocean Projeto pioneiro no esforço de guerra Problemas no projeto dos dutos

5 PLUTO Pipeline Under The Ocean Tubo chumbo de 3" diâmetro, duas camadas de fita de papel, uma camada de algodão com betume, 4 camadas de fita de aço maleável, uma camada intermediária de juta, armaduras de arames de aço e uma camada externa de juta (diâmetro externo 4.5 ). 780 milhas de dutos no total Instalado a uma velocidade média de 5 knots ( 9km/h) Projetos da indústria offshore, atualmente, instalam dutos a uma velocidade média de 0,3 km/h

6 PLUTO Pipeline Under The Ocean

7 Um Pouco de História Após a guerra, na década de 50 o IFP (Instituto Frances de Petróleo) com apoio do governo russo iniciou a utilização do antecessor dos atuais dutos flexíveis (flexdrill), no apoio a perfuração de campos de petróleo da Rússia. Posteriormente o custo e alguns desafios mecânicos se mostraram intransponíveis, o foco do desenvolvimento foi redirecionado para aplicações de tubos flexíveis offshore. A primeira aplicação de patente intitulada Transporte Submarino de Fluidos através de Tubo Flexível foi registrada em Em 1972 o IFP fundou a Companhia Coflexip para comercializar a tecnologia com foco no desenvolvimento de tubos flexíveis na indústria do petróleo. A primeira instalação industrial foi em 1973 no campo de Emeraude da ELF no Congo.

8 Duto Flexível Visão Geral Duto Flexível é o nome dado para um tipo de estrutura tubular, feita pela disposição concêntrica de várias camadas de diferentes materiais metálicos e poliméricos, que é usado em larga escala no escoamento de hidrocarbonetos e água em ambiente oceânico. Escoamento de Hidrocarboneto Escoamento de Água

9 Duto Flexível Visão Geral I ) ESTRUTURAS TÍPICAS DE LINHAS FLEXÍVEIS 1 - Classificação dos dutos flexíveis quanto a construção Bonded Pipe ( Duto Flexível Colado ) A construção tubular no qual o reforço metálico é integrado e colado em um processo de vulcanização com materiais elastoméricos. Material têxtil é incluído na estrutura para obter reforço estrutural adicional ou separar as camadas elastoméricas.

10 Duto Flexível Visão Geral I ) ESTRUTURAS TÍPICAS DE LINHAS FLEXÍVEIS 1 - Classificação dos dutos flexíveis quanto a construção Unbonded Flexible Pipe ( Duto Flexível Não-Colado ) A construção tubular consistindo de camadas poliméricas e metálicas separadas entre si, permitindo movimentos relativos entre as camadas e cada camada desempenhando determinada função mecânica. Escoamento de Hidrocarboneto Escoamento de Água

11 Duto Flexível Visão Geral Unbonded Pipe Carcaça Metálica: colapso Barreira de Pressão: estanqueidade 3- Armadura de Pressão: pressão interna e resistência mecânica radial 4- Camada anti-atrito 1 5- Armaduras de Tração: resistência mecânica na direção axial 6- Fitas de Alta Resistência: resistência mecânica radial impedindo folgas radiais ou desarranjo das armaduras de tração 7- Camadas Poliméricas Intermediárias (capa adicional / isolamento térmico) 8- Capa Externa: proteção mecânica e contra a corrosão das armaduras

12 Duto Flexível Visão Geral Smooth Bore Duto flexível no qual a barreira de pressão é a primeira camada interna. Estrutura adotada em poços injetores de água e aquedutos

13 Duto Flexível Visão Geral Rough Bore Duto flexível no qual a carcaça é a camada mais interna. Estrutura adotada em poços produtores de óleo, injetores de gás, oleodutos e gasodutos

14 Duto Flexível Visão Geral Unbonded Pipe (Permeação)

15 Duto Flexível Visão Geral Flowlines São denominados os dutos que, depois de instalados, ficam apoiados no fundo e, portanto não sofrem solicitações cíclicas, além de possuírem um comportamento considerado basicamente estático. Essas linhas flexíveis (flowlines), fazem a ligação entre o poço e o manifold, ou entre o poço e o riser. Riser - As aplicações dinâmicas de linhas flexíveis geralmente acontecem quando estas interligam pontos entre unidades de produção e equipamentos submarinos, ou trechos estáticos

16 Duto Flexível Visão Geral

17 Duto Flexível Visão Geral Suporte Cônico I-tube Suporte Castelo

18 Duto Flexível Visão Geral Configurações dos Risers (Sistemas Acoplados)

19 Duto Flexível Visão Geral Sistemas Desacoplados Riser Híbrido Auto-Sustentável (RHAS) Bóia de Sustentação de Risers (BSR)

20 Duto Flexível Visão Geral Processo de Fabricação Carcaça Intertravada Extrusão da Camada Plástica

21 Duto Flexível Visão Geral Processo de Fabricação Espiral intertravada (por ex. em perfil Zeta) Armaduras de Tração

22 Duto Flexível Visão Geral Conector VAULT Flange END-FITTING BODY

23 Duto Flexível Visão Geral Normas Aplicáveis: API-RP17B Recommended Practice for Flexible Pipe API-SPEC 17J Specification for Unbonded Flexible Pipe ISO Petroleum and Gas Industries- Part 2 Flexible Pipe Systems for Subsea Applications I-ET PAZ-038 FLEXIBLE PIPE (Replacement of Standard N-2409)

24 Umbilical de Controle Visão Geral É um agrupamento de mangueiras hidráulicas, cabos elétricos, fibras óticas ou ainda combinação destes entre si, podendo ser armados ou não e com cobertura polimérica. Tem como finalidade interligar sistemas de controle entre poços ou manifolds de produção/injeção e plataformas de produção, etc. O umbilical permite grandes deflexões sem um aumento significativo na rigidez ao dobramento.

25 Umbilical de Controle Visão Geral Principais Fornecedores de umbilicais para a Petrobras Prysmian (ex-pirelli) (Fábrica no Brasil) MFX Marine Flexibras (Fábrica no Brasil) (Fábrica no Brasil) (Fábrica no Brasil) Nexans (Noruega)

26 Umbilicais Umbilical de Controle Visão Geral

27 Umbilical de Controle Visão Geral Umbilicais 2+3CE Flat Pack 6+4+1CE

28 Umbilical de Controle Visão Geral Umbilicais 9+3+1CE 9f+1CE

29 Umbilicais Umbilical de Controle Visão Geral

30 Umbilical de Controle Visão Geral Normas Aplicáveis: API-RP17I Recommended Practice for Flexible Umbilicals API-SPEC 17E Specification for Umbilicals

31 Histórico na Petrobras

32 Histórico na Petrobras Principais Recordes de Perfuração e Produção

33 1º estágio ( ) ª Descoberta da Petrobras no Mar - Campo de Garoupa º Contrato de Lançamento de Flexíveis (navio Flexservice 1 FS1)

34 1º estágio ( ) 1977 Início do Sistema de Produção Antecipada (EPS) Campos de Garoupa e Namorado (RJS-9A) 1º flowline de produção (100m de profundidade) 1978 Campo de Bonito (RJS-38) 1º riser de produção

35 1º estágio ( ) Desenvolvimentos em profundidades de 100 a 400m ID das linhas instaladas: 2.5 a Criação da Flexibrás Fábrica de linhas flexíveis e de umbilicais em Vitória (ES)

36 1º estágio ( ) FLEXIBRÁS Fábrica de Flexíveis Localização: Vitória (ES)

37 2º estágio ( ) As descobertas em águas cada vez mais profundas aceleraram o desenvolvimento de novas tecnologias para dutos em aplicações estáticas e dinâmicas (camadas com novas funções e camadas mais resistentes)

38 2º estágio ( ) Investimento em Pesquisa com Suporte técnico da UFRJ / COPPE Desenvolvimento de programas para cálculo de tensões em linhas flexíveis

39 2º estágio ( ) Softwares desenvolvidos pela Petrobras: Objetivos: FRAES cálculo de tensões locais em flexíveis: ANFLEX cálculo de tensões globais em flexíveis Estimar cargas induzidas nos flexíveis durante as operações de lançamento e de produção Verificar os cálculos realizados pelos fornecedores no projeto do flexível Verificação da capacidade estrutural remanescente no flexível após dano em serviço

40 2º estágio ( ) 1990 Marlim Pré-Piloto 2 poços flexíveis: 36km

41 3º estágio ( ) Surgimento de novos fornecedores de flexíveis com o incentivo da Petrobras: Wellstream (então com fábricas no Reino Unido e EUA); Furukawa (fábrica estabelecida no Japão/tecnologia fornecida para NKT); º Fornecimento de flexíveis pela Wellstream 1994 Consolidação da Norma Petrobrás N-2409 aplicável ao projeto de linhas flexíveis

42 3º estágio ( ) Padronização das Especificações Técnicas de Linhas Flexíveis (até 1000m de profundidade). Objetivos Garantia do desempenho das linhas Intercâmbio de linhas flexíveis

43 3º estágio ( ) 1992 Marlim Piloto 10 poços flexíveis: 168km

44 3º estágio ( ) º Recorde de instalação de flexível Campo de Marlim Profundidade: 781 m º Recorde de instalação de flexível Campo de Marlim Profundidade: 1027 m

45 3º estágio ( ) 1995 Início das atividades do navio Sunrise 2000 (instalação de flexíveis e umbilicais em até 1500m de profundidade)

46 4º estágio ( ) Acordos de Cooperação Tecnológica (TCA s) Realização de oito (8) TCA s com os fornecedores de linhas flexíveis visando o desenvolvimento de produtos pioneiros.

47 4º estágio ( ) PETROBRAS solicita aos fornecedores a certificação das ferramentas utilizadas no projeto e dos processos de fabricação. Realização de testes para qualificação de linhas flexíveis Garantia da confiabilidade do produto final Testes realizados em laboratório: estáticos e cíclicos DIP teste teste em escala real para a avaliação do desempenho de flexíveis em águas profundas

48 4º estágio ( ) Testes para Qualificação de Linhas Flexíveis Teste de tração; Teste de colapso; Teste de resistência à compressão radial; Teste de tração combinada com flexão; Teste de tração combinada com pressão interna; Teste de fadiga; Teste de fixação da capa externa; Teste de estanqueidade da capa externa; Teste de ciclagem da pressão interna; Teste de válvulas de vent ; Teste de campo ( Dip Test ).

49 4º estágio ( ) Padronização dos dados ambientais por região da costa; Padronização de flexíveis por parâmetros pré-definidos; Sistema de gerenciamento de obstáculos submarinos; Uso de estacas de ancoragem (torpedos) para controle de tensão no flowline; Plano de inspeção preventiva; Sistema de reparo de risers.

50 4º estágio ( ) Parâmetros Padronizados em flexíveis: Faixas de profundidade Para risers, flowlines e umbilicais: 0-500m; m; m Para flowlines e umbilicais: m Utilização por função e tipo de fluido Poços de produção e manifolds Serviço e Gas Lift Injeção de Água Exportação de Óleo e Gás Diâmetros 2,5 até 14,5

51 4º estágio ( ) EHC 6+4+CE Production Manifolds EHC 9+3+CE Production Wells EHC 5+CE Injection Wells

52 Padronização dos Flanges 4º estágio ( ) ID da linha Especificação do Flange 2 1/2 Flange 2 9/16 - API Type 17SS-5000# Spec 17D Tab BX Flange 4 1/16 - API Type 17SS-5000# Spec 17D Tab BX Flange 7 1/16 - API Type 17SS-5000# Spec 17D Tab BX to 9 Flange 9 - API Type 17SS-5000# Spec 17D Tab BX to 10.5 Flange 11 - API Type 17SS-5000# Spec 17D Tab BX to 12 Flange 13 5/8 - API Type 6B-3000# Spec 6A Tab BX-160 (instead of RX57) >12 Flange 16 3/4 API Type 6B-2000# Spec 6A Tab BX-161 (instead of RX65) Umbilicais Flange 5 1/8 - API Type 6B-2000# Spec 6A Tab Flat face

53 Especificação para Boca de Sino 4º estágio ( ) ID Diâmetro da Bôca de Sino & I-tubo Umbilicais (todos) / ,5 34 ISU (2 ½ ID+ 8x ½ ) 26

54 4º estágio ( ) Isolamento Térmico Faixas padronizadas para o coeficiente de troca térmica (TEC) WAX DEPOSITS HYDRATE PLUG

55 4º estágio ( ) Padronização das condições ambientais de projeto (meteocean data); Dados ambientais referentes a duas décadas de operações na Bacia de Campos são registrados em um banco de dados.

56 1997 4º Recorde de instalação de flexível Marlim Sul 3 Profundidade: 1709 m 4º estágio ( )

57 5º estágio ( ) 1999 Contratos para lançamento de linhas flexíveis e de umbilicais em até 2000m de profundidade 5º Recorde de instalação de flexível Campo de Roncador Profundidade: 1883 m

58 5º estágio ( ) º fornecimento de linhas flexíveis pela NKT ( 4 e 6 para o campo de Marlim)

59 6º estágio ( ) 2004 Novas ETs de Fadiga Requisito de dimensionamento das linhas flexíveis considerando alagamento do anular em parte da vida útil Acréscimo dimensional dos Enrijecedores de Curvatura) Revisão da N2409 Inclusão de cladeamento em INCONEL nos acessórios (conectores);

60 Especificação para Boca de Sino: 6º estágio ( ) Os diâmetros das bocas de sinos aumentaram de tamanho em face dos novos requisitos de projeto ID Diâmetro da Bôca de Sino & I-tubo Umbilicais (todos) / ,5 44 IPU (2.5 ) 26 IPU (4 1/16 30

61 6º estágio ( ) 2005 Elaboração de novos requisitos técnicos para aquisição visando a padronização de Dutos Flexíveis e Umbilicais Discussões realizadas com os fornecedores visando a implementação de melhorias nos projeto e processo de montagem dos conectores devido a não-conformidades detectadas em operação. Inauguração da fábrica da Wellstream em Niterói

62 7º estágio ( ) Assinatura de Contratos de Fornecimento de Dutos Flexíveis em grandes pacotes Frame Agreement, onde há uma extenso catálogo de estruturas Qualificação de dutos flexíveis para LDA 2500m para os projetos do Pré-sal.

63 Estágio atual ( ) Discussão e implementação de novos critérios de padronização de Dutos Flexíveis para a área do Pós-sal e Pré-sal Inclusão de requisitos para cálculo de vida útil considerando o espaço anular alagado durante toda a vida útil Assinatura de contratos (qualificação e fornecimento de dutos flexíveis) do tipo Frame Agreement para a área do Pré-sal (LDA 2500m) Integridade: implementação de sistemas de monitoramento do riser de topo (duto flexível) e de testes após o pull-in.

64 Duto Flexível na PETROBRAS A Petrobrás é o maior usuário de dutos flexíveis no mundo. Por que não usar dutos rígidos? Por que usar dutos flexíveis?

65 Duto Flexível na Petrobras Por que não usar dutos rígidos? Projeto de dutos rígidos necessita ter um empreendimento bem consolidado em termos de arquitetura submarina para que o projeto seja viável. É um projeto dedicado para uma determinada aplicação. Por que usar dutos flexíveis?

66 Duto Flexível na Petrobras Por que não usar dutos rígidos? Projeto de dutos rígidos necessita ter um empreendimento bem consolidado em termos de arquitetura submarina para que o projeto seja viável. É um projeto dedicado para uma determinada aplicação. Por que usar dutos flexíveis? Permite aplicação em cenários diversificados com a vantagem da reutilização em mais de um projeto respeitando os limites das especificações técnicas do fornecimento.

67 Duto Flexível na Petrobras É possível colocar dutos rígidos no arranjo submarino abaixo?

68 Duto Flexível na Petrobras Alguns modos de falha em linhas flexíveis (fases de instalação e de operação) 1. Ruptura / desconexão do enrijecedor de curvatura; 2. Corrosão dos acessórios ; 3. Desgaste das proteções anti-abrasão de risers na região do TDP; 4. Colapso de linhas de injeção de água; 5. Loop" das linhas durante a instalação ou excursão da UEP; 6. Dano na capa externa ; 7. Flambagem lateral e radial das armaduras de tração 8. Corrosão-fadiga e corrosão sob tensão das armaduras de tração; 9. Falhas na ancoragem do duto no conector (risers); 10. Falha no MCV durante CVD 11. Trinca das armaduras de pressão

69 Duto Flexível na Petrobras Casos de falha em linhas flexíveis (fases de instalação e de operação)

70 Duto Flexível na Petrobras Principais Desafios DFs trabalhando com fluidos corrosivos (H2S,CO2, etc); DFs para altas temperaturas e altas pressões. DFs de grandes diâmetros para LDA > 2000 m; DFs para LDA até 2500m; Desenvolvimento de novos produtos para aplicação em águas ultra-profundas

71 Duto Flexível na Petrobras Qual o limite do uso de dutos flexíveis? -P-52: dutos flexíveis de coleta até 2000m (estáticos) e 1800m (dinâmicos) -Projetos atuais: - Teores elevados de H2S e CO2 H2S - Aumento considerável das pressões e temperaturas de projeto e de operação - LDA: 2250m (riser) / 2500m (flowline)

72 Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Problemas e soluções Duto Flexível na Petrobras Cálculo da vida útil dos risers e dos conectores considerando o anular alagado com água do mar desde o início da operação e durante toda a vida; Necessidade de aprimoramento das metodologias utilizadas pelos fornecedores, principalmente as utilizadas nos cálculos de fadigacorrosão das estruturas, no dimensionamento dos conectores e nos cálculos para definição das pressões parciais ou fugacidade de contaminantes no espaço anular; -Necessidade de utilização de sistemas complacentes ou desacoplados tendo como consequência o aumento do tempo de instalação (riser em Lazy Wave com flutuadores); -Interferência entre risers e de risers com a plataforma (estrutura e sistema de ancoragem

73 Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Problemas e soluções Duto Flexível na Petrobras - Aumento das cargas de instalação com a necessidade de definir restrições de estado de mar -Conector: possibilidade de fragilização dos conectores devido à despressurização de gás rico em CO2, com a necessidade de adequação do materiais das terminações dos conectores para suportar temperaturas muito baixas; -O CO2 em estado supercrítico (altas pressões) pode causar o inchamento (swelling) e o empolamento (blistering) na barreira de pressão implicando na necessidade de testes e de limitação na taxa de despressurização;

74 Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Problemas e soluções Duto Flexível na Petrobras - Necessidade de desenvolvimento de materiais metálicos e poliméricos adequados aos elevados teores de contaminantes, às elevadas temperaturas e pressões; -Limitações das estruturas com relação ao colapso curvo e à flambagem lateral na LDA de instalação e de projeto implicando na necessidade de restrição do Raio Mínimo de Curvatura. -Monitoramento do rompimento dos arames e do momento de alagamento do anular; -Otimização das estruturas com a utilização do conceito de pressão diferencial

75 Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Problemas e soluções Duto Flexível na Petrobras Necessidade de um extenso programa de qualificação: - Testes de curta duração em escala real (colapso, colapso curvo, crushing, explosão, etc); - Testes de longa duração em escala real (tração-flexão, traçãotração, teste cíclico de pressão e temperatura de acordo com o apêndice B da API-RP-17B, fadiga da armadura de pressão, etc); - Testes de materiais metálicos (corrosão, fadiga-corrosão, corrosão sob tensão, corrosão em escala real, etc); - Testes de materiais poliméricos (testes de descompressão, longa exposição, permeação, etc) - DIP Test.

76 Duto Flexível na Petrobras Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Testes de qualificação (Colapso Curvo e Dip Test) DIP TEST Colapso Curvo Flambagem Radial Flambagem Lateral

77 Duto Flexível na Petrobras Qual o limite do uso de dutos flexíveis? Testes de qualificação (Teste dinâmico de fadiga)

78 Fornecedores de dutos flexíveis Duto Flexível na Petrobras Technip duas fábricas no Brasil (Vitória, ES) e Porto do Açu (RJ) - Fornecimento de dutos flexíveis para as áreas do Pós-sal e Pré-sal em LDA até 2500m GE-Wellstream fábrica no Brasil (Niterói, RJ) - Fornecimento de dutos flexíveis para as áreas do Pós-sal e Pré-sal em LDA até 2500m NOV fábrica no Brasil Porto do Açu (RJ) - Fornecimento de dutos de produção e gas lift para LDA de 1500, 1800 e 2000m (Pós-sal) - Em qualificação: dutos para a área do Pré-sal em LDA de 2500m Prysmian fábrica no Brasil em Vila Velha (ES) - Fornecimento de flowlines de produção sem isolamento térmico e serviço para LDA até 1500m (Pós-sal) - Em negociação: Programa de Qualificação para o Pré-sal (flowline).

79 Duto Flexível na Petrobras Total de Linhas na Bacia de Campos Quantidade total de linhas flexíveis e de umbilicais em operação na PETROBRAS (risers e flowlines)

80 Duto Flexível na Petrobras Apesar do duto flexível ser um produto de grande confiabilidade, as condições mais críticas de escoamento verificadas nos projetos atuais fazem com que aprimoramentos sejam necessários nas seguintes áreas: Qualificação e implementação dos métodos de monitoramento dos risers; Desenvolvimento de novos produtos para aplicação em águas ultra-profundas; Aprimoramento das metodologias utilizadas pelos fornecedores, principalmente as utilizadas no cálculo da vida útil dos risers

81 Duto Flexível na Petrobras Desenvolvimento de novos materiais com o objetivo de reduzir os teores de contaminantes no espaço anular dos risers; Melhoria contínua das proteções anti-corrosivas ou da seleção dos materiais resistentes à corrosão; Melhoria contínua nos procedimentos de montagem dos conectores

82 Embarcações para a instalação de dutos flexíveis e umbilicais PLSV PIPE Laying SUPPORT VESSEL Contratos atuais na PETROBRAS: - SEVEN CONDOR (SUBSEA 7) - SEVEN PHOENIX (SUBSEA 7) - SEVEN MAR (SUBSEA 7) - SEVEN SEAS (SUBSEA 7) - SEVEN WAVES (SUBSEA 7) - NORMAND SEVEN (SUBSEA 7) - K3000 (SUBSEA 7) - DEEP CONSTRUCTOR (TECHNIP) - SKANDI VITÓRIA (TECHNIP) - SKANDI NITERÓI (TECHNIP) - SUNRISE (TECHNIP) - CORAL DO ATLÂNTICO (TECHNIP) - ESTRELA DO MAR (TECHNIP) - AGILE (MC DERMOTT) - NO102 (MC DERMOTT) - NO105 (MC DERMOTT) - SAPURA DIAMANTE (SAPURA) - SAPURA TOPÁZIO (SAPURA) - SAPURA ESMERALDA (SAPURA) - POLAR ONYX (ODEBRECHT) - DEEP ENDEAVOUR (DEEP OCEAN)

83 PLSVs SEVEN PHOENIX SEVEN CONDOR SUNRISE K 3000

84 PLSVs SKANDI VITÓRIA NORMAND SEVEN SKANDI VITÓRIA SEVEN SEAS

85 FIM Eder Fachini