LOAD OUT DE PLANTA DE PROCESSO PARA PLATAFORMAS TIPO MONOCOLUNA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE TECNOLOGIA ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA LOAD OUT DE PLANTA DE PROCESSO PARA PLATAFORMAS TIPO MONOCOLUNA Aluna: Ana Carolina de Oliveira Lessa Orientadora: Profa. Marta C. T. Reyes Co-Orientador: Peter Kaleff

2 INDICE 1 INTRODUÇÃO A MONOBR OPÇÕES PARA O DECK MATING INTRODUÇÃO INSTALAÇÃO DA PLANTA DE PROCESSO TRADICIONAL DE FPSOs DECK MATING TRADICIONAL MATING DE GRANDES BLOCOS LOAD OUT DA PLANTA DE PROCESSO LOAD OUT CONVENCIONAL INTRODUÇÃO ETAPAS DO LOAD OUT CONVENCIONAL Princípios do embarque Filosofia do embarque Seleção da Barcaça Esquema de bombeamento Condição de lastro inicial A maré e o embarque (load out) LOAD OUT DA PLANTA DE PROCESSO LOCAL PROPOSTO PARA A OPERAÇÃO OPÇÕES DE LOAD OUT ELEMENTOS ENVOLVIDOS NA OPERAÇÃO PLATAFORMA PLANTA DE PROCESSO BARCACA DE TRANSPORTE DA PLANTA DE PROCESSO MODELACAO DA OPERAÇÃO O PROGRAMA OS MODELOS CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO Definição de carregamento Calculo do equilíbrio inicial Seleção dos tanques a serem utilizados na operação Considerações sobre a operação Analise da ESTABILIDADE da operação BARCAÇA FS Condição de estabilidade - Inicial Condição de estabilidade - Final Mono BR Condição de estabilidade - Inicial Condição de estabilidade - Final CONCLUSÕES BIBLIOGRAFIA...57

3 1 INTRODUÇÃO Atualmente com as rápidas mudanças tecnológicas, constantemente somos levados a pensar em novas e mais eficazes alternativas. E buscando essas alternativas mais eficientes para a exploração de petróleo, chegou-se ao conceito de plataformas FPSO do tipo monocoluna. As unidades FPSO do tipo mono-coluna apresentam uma série de vantagens quando comparadas com uma unidade FPSO, como menores movimentos e menor peso de aço. No entanto a sua construção apresenta desafios específicos diferentes desafios apresentados pela construção de navios. Porém, para as plataformas em geral, uma das principais causas de demora na construção é devido ao tempo de instalação dos equipamentos e principalmente da planta de processo. Uma técnica altamente recomendada que garante uma melhora significativa na produção de unidades FPSO não convertidas e, como conseqüência, a redução do tempo tanto de edificação quanto de instalação dos equipamentos, consiste em se explorar paralelamente as estratégias de construção do casco e a integração do casco com os equipamentos. Uma forma de encurtar significativamente o tempo de construção consiste na edificação em conjunto da estrutura da plataforma e da planta de processo para, depois de finalizada a construção de ambas, ser realizada a união entre a planta de processo e o casco através de uma operação chamada deck mating. A operação de deck mating é realizada por meio de uma embarcação que transporta o convés até a unidade e realiza sua transferência. No caso de semi-submersíveis a embarcação se posiciona entre as colunas da unidade e através da redução de seu calado, deposita o convés sobre os apoios previamente preparados na unidade, essa operação já foi realizada, inclusive no Brasil. No caso da MonoBR um processo semelhante fica prejudicado, pois ela não possui aberturas que permitam a passagem de uma embarcação. Uma alternativa é deixar-se uma abertura na região superior da unidade que permitisse o posicionamento adequado da barcaça. Uma vez posicionado o convés, os elementos de fechamento seriam soldadas à unidade, finalizando o processo de instalação do convés. Alternativas para a instalação do convés da MonoBR foram consideradas, como será apresentado no decorrer deste relatório. A proposta deste trabalho é fazer a avaliação do ponto de vista de estabilidade de uma operação de load out de uma planta de processo para uma plataforma do tipo monocoluna.

4 2 A MONOBR A MONOBR é uma plataforma que tem como característica marcante a utilização de um casco cilíndrico com eixo vertical. Projetada para um deslocamento de mais de 120 mil toneladas, a estrutura terá um calado de aproximadamente de 45 metros, suficientes para suportar uma planta de processo de mais de 35 mil toneladas. A MonoBR estará entre as maiores já projetadas no mundo e terá capacidade de produção de 200 mil barris de petróleo diários. Na figura 2.1 podemos observar um desenho da MonoBr e na tabela 2.1 temos suas características principais. Figura A MonoBR Tabela 2.1 Características Principais da MonoBR Em alto-mar, os movimentos causados pela ação das ondas podem se tornar grandes inimigos das plataformas que extraem petróleo a milhares de metros de profundidade, em águas profundas e ultra profundas. É possível verificar esse fenômeno na bacia de Campos, o maior campo petrolífero brasileiro, onde as ondas do oceano Atlântico são suficientes para balançar em demasia as plataformas petrolíferas, por maiores estas que sejam. Logo, um dos principais focos no desenvolvimento de plataformas é a obtenção de um melhor comportamento em ondas comparando-se a outras concepções já existentes. Com isso, o casco foi projetado com base em estudos hidrodinâmicos, sendo sua forma concebida de modo que as forças de ondas no casco fossem minimizadas, sendo compensadas por aumentos na massa adicional e no amortecimento, em todos os graus de liberdade. Para atingir tal característica, o formato do casco englobou um moon pool central e variações do diâmetro na altura da linha d água (praia), além de dispositivos redutores

5 de movimento chamados de saias, que estão presentes externamente ao costado e internamente ao moon pool. As saias são estruturas na parte inferior do casco, que produz efeitos semelhantes às bolinas de navios, aumentando a massa adicional e o amortecimento do sistema. Por se tratar de um sistema estacionário, sua dimensão não fica limitada à resistência ao avanço, e sim às limitações estruturais. O moon pool também é baseado em sistemas já conhecidos, sendo utilizado para a passagem de equipamentos em navios de perfuração. Seu dimensionamento usual é feito de modo que o movimento interno da água seja mínimo. O moon pool atua também como um redutor passivo de movimentos, devido à diferença de fase entre os movimentos de heave da plataforma e da água interna ao moon pool, semelhante a um sistema massa-mola. Do ponto de vista estrutural, embora a MONOBR seja um casco cilíndrico, a concepção desta foi toda pensada visando à utilização somente de chapas planas e reforçadores paralelos, aumentando a possibilidade de automação de soldas, minimizando a quantidade de HH por tonelada de aço processada. Em relação aos conceitos de FPSOs baseados em cascos com forma de navio ou balsa, a MONOBR apresenta algumas vantagens que podem ser mais ou menos significativas dependendo do cenário de produção, como: Apresenta as características de movimentos de uma semi-submersível convencional, porém com alta capacidade de armazenamento. Os baixos movimentos são muito convenientes para a utilização de SCR(Steel Catenary Risers). Maior reserva de estabilidade na condição avariada, permitindo correções nos ângulos de banda. Flexibilidade operacional no que tange ao carregamento e descarregamento de tanques e à capacidade de atingir calados propícios para inspeção ou reparo, apenas com operações lastro e deslastro. Baixa razão peso estrutural/deslocamento da unidade. Facilidade de construção, podendo ser adotadas práticas convencionais de fabricação e montagem. Flexibilidade na escolha do local de conexão dos risers, se externos ao costado, podendo ficar no nível do convés ou no da própria saia, ou internos ao moonpool. Menores movimentos, possibilitando a utilização de SCR em catenária livre;

6 3 OPÇÕES PARA O DECK MATING 3.1 INTRODUÇÃO Considerando que a melhor solução para reduzir o tempo de construção é fazer a edificação da estrutura da plataforma e da planta de processo em paralelo, foram consideradas e indicadas a seguir as alternativas viáveis para a instalação do convés da MonoBR. 1.- Instalação da planta de processo tradicional de FPSOs. 2.- Deck mating tradicional como o realizado em plataformas semi-submersíveis. 3.- Mating de parte do casco com a planta (flutuante) e com submersão do casco restante. 4.- Load out da planta de processo completa. 3.2 INSTALAÇÃO DA PLANTA DE PROCESSO TRADICIONAL DE FPSOs A instalação da planta de processo da forma tradicional de FPSOs é realizada por meio do içamento dos módulos da planta. Equipamentos capazes de levantar cargas pesadas são comuns em estaleiros, e na última década a pré-fabricação tornou-se uma prática padrão, conseqüentemente, o planejamento do içamento dessas cargas é um elemento importante na ordenação, programação, orçamento e segurança da construção. No entanto, diferentemente dos FPSOs para os quais a operação de montagem da planta é realizada no cais, neste caso, em decorrência do pontal da monocoluna ser muito maior, a operação vai depender da disponibilidade de altura dos guindastes para que ela seja montada no cais, ou a operação pode ser realizada em lugar abrigado com profundidade suficiente para que a plataforma seja lastrada e com o uso de cabrias de grande capacidade. 3.3 DECK MATING TRADICIONAL Para a realização do deck mating tradicional, semelhante ao realizado nas plataformas semi-submersíveis, terá que ser praticada uma abertura na casco, que dependerá das dimensões da embarcação de transporte utilizada para a operação. A figura 3.1 ilustra a seqüência da operação de deck mating tradicional, nela podemos ver o corte na estrutura do casco, neste caso, da largura do moon pool da plataforma.

7 Figura Deck mating tradicional A operação de deck mating aconteceria da forma tradicional, com a plataforma sendo lastrada, a barcaça sendo rebocada para dentro da abertura e, depois, sendo lastrada para permitir o assentamento da planta sobre o casco. E para o fechamento do casco, teriam as opções de instalar blocos, porém esta opção apresenta alto grau de complexidade, pois os blocos teriam que ser rebocados, posicionados e soldados ao casco, ou ainda adaptar o projeto de forma que a abertura seja permanente, sendo que esta apresenta o inconveniente de diminuir a capacidade de armazenamento de plataforma. A figura 3.2 ilustra como ficaria a plataforma adaptada, sem o fechamento do casco. Figura Deck mating sem fechamento do casco.

8 3.4 MATING DE GRANDES BLOCOS Esta opção consiste em construir o casco em duas seções separadas, a seção inferior seria provida de gaiutas provisórias para fornecer flutuabilidade e estabilidade suficiente à estrutura, a parte superior é planejada de forma tal que tem flutuabilidade própria. Ambas as partes devem ser providas de fechamentos provisórios para manter a estanqueidade dos tanques. As partes seriam transferidas até um lugar abrigado e com profundidade suficiente para realizar a operação de mating. No local a parte inferior é afundada de forma a permitir a inserção do bloco superior e realizar a solda dos elementos. Este tipo de operação já foi realizado em maio de 1998 para a plataforma de perfuração Molikpaq, que está ilustrada na figura 3.3 abaixo, e coincidentemente as análises de estabilidade para esta operação foram feitas no programa MOSES, programa que utilizaremos neste trabalho. Figura Seqüência de mating da plataforma Molikpaq. 3.5 LOAD OUT DA PLANTA DE PROCESSO Uma outra opção que se apresenta é o load out da planta de processo completa, esta operação consiste em submergir a plataforma até certo calado e realizar a transferência da planta de processo desde uma barcaça. Na figura 3.4 podemos ver uma proposta inicial de load out. Em comparação com as outras opções de deck mating, o load out mostra-se bastante vantajoso, já que não é necessário realizar modificações no projeto original, que não tem intervenção na estrutura e é eliminado o tempo de soldagem e alinhamento dos

9 elementos estruturais. Com isso o tempo total da operação é reduzido consideravelmente. Por se mostrar a opção mais interessante em comparação com as demais, a operação de load out será a opção a ser estudada no projeto. Figura Proposta de load out utilizando guinchos.

10 4 LOAD OUT CONVENCIONAL 4.1 INTRODUÇÃO O procedimento denominado de load out convencional consiste da transferência de uma estrutura oceânica construída em terreno plano, em estaleiro sem carreira de lançamento ou dique seco, para uma embarcação de transporte cuja função é levar a estrutura até um local adequado à colocação em flutuação. Procedimentos de load out tiveram início com o lançamento de jaquetas e foram evoluindo até o load out de unidades FPSO de grande porte, lançadas em blocos estanques e interligadas já em flutuação. O load out consiste em apoiar a estrutura sobre um berço munido de roletes ou dispositivos de deslizamento e transferi-la ao longo de trilhos e por meio da ação de guinchos ou strand jacks para uma embarcação de transporte cujo objetivo é levar a estrutura até o local de posicionamento definitivo. Do ponto de vista hidrostático o processo de load out demanda um controle muito preciso da sustentação que a embarcação de transporte fornece à estrutura em lançamento. Este controle é exercido por meio do esgotamento de tanques estrategicamente posicionados na embarcação de transporte. Na medida em que a estrutura ocupa uma área progressivamente crescente sobre o convés da embarcação de transporte, demandando com isso uma sustentação de magnitude crescente, a embarcação de transporte tem seus tanques esgotados fornecendo a sustentação necessária. Dado que este procedimento pode se estender por várias horas, um controle do efeito de marés também é necessário. Uma vez estando a estrutura definitivamente posicionada sobre a embarcação de transporte, segue-se a fase de reboque do conjunto até um local adequado à colocação em flutuação da estrutura. Nesta fase tanto a estabilidade estática quanto o comportamento dinâmico do conjunto precisam ser cuidadosamente avaliados dado que o centro de gravidade do conjunto pode se elevar significativamente. Por fim, na fase de colocação em flutuação da estrutura, a embarcação de transporte é gradativamente submergida por meio de lastreamento até que a estrutura ganhe flutuação própria e se desprenda da embarcação de transporte. Esta última fase é semelhante ao processo que ocorre em um dique flutuante, entretanto, dada a reduzida área de linha d água fornecida pelas extensões de flutuação (gaiutas) da embarcação de transporte, um estudo cuidadoso dos movimentos tanto da estrutura quanto da embarcação de transporte é necessário para se avaliar o risco de abalroamento vertical entre ambas. Do ponto de vista estrutural é necessária a provisão do controle das tensões atuantes tanto na estrutura sendo transportada quanto na embarcação de transporte dado que ambas, por serem constituídas de materiais elásticos (como o aço) sofrem deformações significativas e ficam sujeitas a uma evolução de tensões cujos limites precisam ser controlados.

11 4.2 ETAPAS DO LOAD OUT CONVENCIONAL Uma completa rede de compatibilidade deve ser estabelecida previamente ao embarque de estruturas. Desde a seleção de barcaças até o lastreamento, condição essencial para neutralizar eventuais transtornos pelas variações de maré Princípios do embarque A carga a ser embarcada é transferida do cais do estaleiro para o convés de uma barcaça que estará flutuando junto ao cais, devidamente fundeada e amarrada em posição. Para que a transferência se realize em segurança e sob completo controle é necessário que a barcaça esteja nivelada com o cais e que esta condição permaneça constante durante toda a operação. De uma maneira mais explícita, deve ser observado o seguinte: A barcaça deve ser lastrada para permanecer em águas parelhas durante todo o tempo; O empuxo fornecido pela barcaça deve ser constantemente igual ou ligeiramente superior à soma de todas as cargas sobre a barcaça; A barcaça deverá permanecer horizontal e alinhada com a direção de embarque durante todo o tempo necessário à operação; Na prática todos estes parâmetros são mantidos dentro de tolerâncias aceitáveis Filosofia do embarque A filosofia do embarque consiste portanto no seguinte: Selecionar uma barcaça que seja compatível com a carga a ser embarcada e com o cais de embarque; Estabelecer um esquema de bombeamento que permita manter as condições prescritas nos princípios básicos, ou seja: o Neutralizar a variação da maré; o Neutralizar o afundamento pelo embarque da carga; o Neutralizar os momentos longitudinal e transversal provocados pela entrada e movimentos da carga sobre o convés da barcaça; Estabelecer uma condição de lastro inicial que permita atender ao esquema de bombeamento e ainda; o permita iniciar o embarque no início do tramo ascendente da curva de maré; o permita completar o embarque bem antes da estofa da preamar; o se possível permita, em caso de não se poder completar o embarque no tramo ascendente da curva de maré, manter a barcaça nas condições prescritas nos princípios, durante a descida da maré, até a baixa-mar subseqüente e recomeçar o embarque no ciclo de maré subseqüente.

12 Este último requisito pode ser dispensável desde que seja previsto um Sistema de Recuperação (Retrieval System) da estrutura, caso em que o lastro deverá ser suficiente para manter a barcaça em condições durante parte do tramo descendente da curva de maré, promovendo um intervalo de tempo suficiente para remoção da estrutura Seleção da Barcaça A barcaça para ser adequada ao embarque de uma determinada estrutura deve, em termos gerais, satisfazer no mínimo aos seguintes requisitos: Possuir uma capacidade de empuxo líquido (deslocamento-peso leve-peso de outras cargas já embarcadas) de cerca de 2,5 vezes o peso da carga a ser embarcada. O empuxo líquido é calculado para o calado de 0,85D que é o máximo calado geralmente permitido pelas sociedades classificadoras para as condições estáticas do embarque; Possuir um pontal suficiente para se compatibilizar com o cais, em todas as condições de lastro requeridas durante a operação e em emergência, bem como, para não ter ultrapassado o valor de calado igual a 0,85D na maré máxima previstas para o dia da operação; Possuir capacidade de embarcar lastro equilibrado em quantidade suficiente para manter a barcaça em condições, caso ocorra uma impossibilidade de prosseguir o embarque logo no início da operação, até a maré alta prevista. É interessante notar que muitas barcaças utilizadas para embarque possuem arranjos de tanques inadequados com tanques não simétricos, reduzindo consideravelmente a capacidade de lastro equilibrado Esquema de bombeamento De uma maneira geral, as barcaças utilizadas para embarque de estruturas offshore, não possuem nenhum sistema de bombeamento ou o possuem com capacidade limitada sem suficiente flexibilidade para atender aos requisitos operacionais do embarque. Sendo assim, o esquema de bombeamento utilizado para o embarque consiste em um grande número de bombas elétricas submersíveis. A quantidade de bombas será definida em função da quantidade de lastro a ser transferida de cada tanque e do tempo estimado para a operação. Atualmente, a vazão de bombas não é um limitante da operação, pois são disponíveis no mercado bombas submersíveis de até 3000 m3/h. No entanto, geralmente as bombas utilizadas são menores, pois são portáteis, passam pela boca de visita dos tanques no convés da barcaça e devido a sua capacidade de relativamente pequena é possível manter-se um número razoável de bombas de reserva. O esquema de bombeamento é constituído pelos seguintes sistemas: Sistema de transferência proa popa para neutralizar o momento longitudinal. Este sistema geralmente tem mão dupla porque o momento muda de sinal durante a operação de embarque ou então durante a locação na posição final de transporte; Sistema de controle de calado I. Este sistema é constituído por bombas instaladas dentro dos tanques previamente designados e lastrados para esta

13 operação. O número de bombas a ser instalado (vazão requerida) é função da diferença entre a taxa de variação de maré e a taxa de entrada da carga na barcaça; Sistema de controle de calado II. Este sistema é constituído de bombas instaladas nos bordos da embarcação dentro do mar e bombeiam para dentro dos tanques previamente designados para receber este lastro. A vazão requerida para estas bombas é calculada considerando-se a velocidade máxima de subida da maré sem considerar a entrada de nenhuma carga (Operação Parada por Emergência) Condição de lastro inicial A condição de lastro inicial deve prover a quantidade necessária de lastro para a realização de todas as fases da operação, bem como, para atender as emergências previsíveis tais a impossibilidade de prosseguimento durante a maré descendente. Para isto é necessário prever-se os seguintes itens de lastro : Lastro para compensar o trim devido à entrada da carga. Como este lastro fica obrigatoriamente armazenado em tanques da extremidade da barcaça por onde entra a carga, há necessidade de outro item lastro que é: Lastro para equilibrar o lastro de trim; Lastro para equilibrar a banda devido à entrada de carga. Este lastro também obrigatoriamente fica no bordo onde a parte mais pesada da carga irá embarcar, provocando a necessidade de outro item de lastro, que é: Lastro para equilibra o lastro de banda; Lastro equilibrado, isto é, que pode ser removido sem alterar o equilíbrio da barcaça, de preferência, igual ao peso da peça a ser embarcada. Para estruturas passíveis de pesagem na sua completação as margens de lastro para compensação de momentos são da ordem de 10%. Para aquelas cujo peso é estabelecido por cálculos a margem é de 20%. Todos os itens de lastro devem ser convenientemente majorados, devido ao fato de que o sistema de bombeamento, de maneira geral, não consegue retirar os últimos 0,15m de lastro do fundo do tanque. É necessário prever-se tanques vazios na condição inicial para armazenar o lastro referente ao empuxo da maré, nos casos em que este é superior ao peso a ser embarcado A maré e o embarque (load out) A maré é o grande elemento perturbador das operações de embarque tradicionais, onde a carga é transferida do cais do estaleiro para o convés de uma barcaça. Nos embarques em lagos ou rios fora da influência das marés, ou presente caso em estudo, no qual a maré age sobre os dois corpos flutuantes, tudo se processa mais simplesmente, bastando que se tenham os itens de lastros previstos na condição inicial, para se chegar ao término da operação sem surpresas. Não há tempo limite para a operação, não há necessidade de se prever sistema de recuperação da estrutura nem de espaço para o

14 excesso de lastro, não há que se preocupar com a borda livre mínima na preamar e nem com a falta de empuxo na baixa-mar.

15 5 LOAD OUT DA PLANTA DE PROCESSO Na opção de load out proposta para o caso das embarcações do tipo monocoluna, a operação se realizaria com a seguinte seqüência: A plataforma com o convés concluído recebe a planta de processo, também concluída, por meio de uma operação semelhante ao load out de estruturas a partir de um cais fixo para uma embarcação de transporte. A diferença básica consiste no fato de que tanto a embarcação de transporte da planta quanto a plataforma são objetos flutuantes, cujo comportamento estático e dinâmico precisa ser mantido dentro de limites aceitáveis por meio de mecanismos de controle ou por imposição de características de projeto apropriadas. Comparando com o load out tradicional explicado anteriormente, neste caso a maré não influencia na operação, já que os dois corpos estarão variando em conjunto com a maré, simplificando assim a operação. O sistema de bombeamento também é diferente, pois no caso do load out da planta de processo, os maiores momentos serão no sentido transversal, já que a transferência será nesse sentido para reduzir o deslocamento da carga e conseqüentemente o tempo de operação. Do ponto de vista do equilíbrio, ele se torna mais complexo, pois agora temos dois corpos independentes que deverão estar nivelados durante todo o tempo de transferência da carga. Isso significa gerenciar o lastro das duas embarcações separadamente para que estejam com trim e banda zero e com a mesma borda livre. A operação de load out exige a realização de sucessivas operações simultâneas de lastramento da barcaça e deslastramento da plataforma, portanto o esquema de bombeamento deve ser tal que permita neutralizar os momentos longitudinal e transversal provocados pelo movimento da carga sobre o convés da barcaça e da plataforma. 5.1 LOCAL PROPOSTO PARA A OPERAÇÃO Para a realização da operação de load out da MonoBR é necessário um local com as seguintes características: - seja abrigado da ação de ondulações (swell); - seja abrigado do vento ou com incidência mínima; - possua profundidade superior a 53 metros; - nenhum tráfego de embarcações, exceto as utilizadas para a operação, ou tráfego mínimo. Após uma análise preliminar foi selecionado o local da costa brasileira: a enseada de Angra dos Reis no estado de Rio de Janeiro. Este é foi local escolhido para a operação de Deck Mating da plataforma P52; a área é abrigada, possui profundidade de 55 metros, mas tem o inconveniente de apresentar muito tráfego de embarcações que vão para o terminal PETROBRAS. A região é mostrada na figura 5.1.

16 Figura Carta náutica da Baía de Angra dos Reis 5.2 OPÇÕES DE LOAD OUT Quanto ao sistema de transferência da planta de processo entre a barcaça e a plataforma, temos duas alternativas. -Transferência da planta por meio de guinchos Neste tipo de operação são utilizadas duas barcaças, uma para realizar a operação de transferência, localizada em frente à plataforma contendo os guinchos e sistema elétrico para a operação e outra que estará localizada atrás da barcaça com guinchos para realizar o freio da operação chamado de pull back, caso seja necessário. A barcaça de apoio à operação onde se encontram os guinchos da transferência também deverá estar nivelada com a plataforma e com a outra barcaça, com isso ela deverá conter sistema de bombas para gerenciamento de lastro, o que insere um elemento complicador a mais na operação. O esquema da operação está ilustrado na figura 5.2.

17 Figura 5.2 transferência com guinchos -Transferência da planta por meio de macacos hidráulicos (strand jacks) O esquema da operação é ilustrado na figura 5.3, e na figura 5.4 é mostrado em detalhe o strand jack. Este sistema tem a vantagem de eliminar as duas barcaças envolvidas diretamente na operação do load out, já que os macacos hidráulicos e o sistema de cabos e colocado na própria barcaça da planta de processo e já possuem sistema de freio, portanto não é necessária a instalação do sistema de pull back. Entretanto continua sendo necessária uma embarcação auxiliar para conter todos os geradores e sistemas elétricos para operar tanto o lastro como os macacos hidráulicos, porém sem demandar sincronia com as outras embarcações.

18 Figura Esquema de load out empurrando a planta de processo Figura 5.4 Strand Jack 5.3 ELEMENTOS ENVOLVIDOS NA OPERAÇÃO PLATAFORMA A MonoBR é uma plataforma do tipo mono coluna com um moon pool central, que atua como um redutor de movimentos melhorando assim o comportamento em ondas da plataforma quando comparada a outras concepções existentes. A MonoBR está entre as maiores plataformas do mundo e sua capacidade de produção está estimada em 200 mil barris de petróleo por dia. Para armazenar toda essa carga,

19 ela conta com 12 tanques de carga distribuídos na parte interna do casco, e outros 12 tanques de lastro disposto na parte externa, que são para compensar alguma situação operacional específica, já que a variação de calado não representa problemas para o projeto dos risers e a plataforma não precisará estar em operação sempre com o mesmo calado. As figuras 5.5 e 5.6 mostram as vistas de topo e de perfil da plataforma. Na tabela 5.1 é mostrada as características principais da MonoBR e na tabela 5.2 é mostrada a tabela de capacidade dos tanques. Figura 5.5 Vista de topo da MonoBR

20 Figura 5.6 Vista de Perfil da MonoBR Tabela 5.1 Características Principais da MonoBR

21 Tabela 5.2 Tabela de Capacidades da MonoBR PLANTA DE PROCESSO A função da planta de processo é separar e tratar os fluidos produzidos pelos poços. A planta em questão em nada difere das plantas de processo presentes nas plataformas em operação. O topside é composto pelos módulos Deck Box (M0), Separação de óleo A/B (M1A) e (M1B), Compressão de Gás (M2), Tratamento de Gás (M3), Pipe-Rack (M4), Geração de Energia A/B (M5A) e (M5B), Acomodação (M6), Heliponto (M7) e Queimador (M8). O peso considerado para o topside foi baseado em módulos semelhantes considerando uma contingência para possíveis alterações, já que se encontra em fase de projeto e não é possível determiná-lo com certeza. Foi estimado em ton. Na figura 5.7 é mostrado um esquema que ilustra a planta de processo. Já na tabela 5.3 temos os módulos que compõem a planta e seus respectivos pesos.

22 Figura Esquema da planta de processo Tabela Módulos da Planta de Processo BARCACA DE TRANSPORTE DA PLANTA DE PROCESSO Para realizar a operação é necessária uma embarcação com capacidade de lastro suficiente para absorver as mudanças de calado durante a operação, bem como ter suficiente área de convés e volume de casco para suportar a planta de processo cujo peso preliminar estimado é de tons. Existem no mundo diversas embarcações com estas características. Para efeito do presente estudo e visando a adoção de soluções implementáveis em nível nacional, será adotada como referência a barcaça FS-1 de propriedade da Fels Setal, utilizada na operação de deck mating da plataforma P-52. Vale, no entanto, lembrar que se trata de uma entre diversas opções e que a adoção desta opção em particular não invalida as considerações que serão desenvolvidas. Na figura 5.8 podemos observar seção típica da FS -1, na tabela 5.4 temos suas características principais, na figura 5.9 temos sua compartimentação, e na figura 5.10 podemos observar suas características hidrostáticas.

23 Figura Seção típica da Barcaça FS-1 Tabela Características principais da Barcaça FS-1

24 Figura Disposição dos tanques da Barcaça FS-1 Figura Curvas Hidrostáticas da barcaça FS-1

25 6 MODELACAO DA OPERAÇÃO A operação de load out exige um controle estrito da posição relativa entre a barcaça e a plataforma. Este controle é exercido por operações de lastramento de ambas as embarcações. Durante todo o processo a estabilidade estática das embarcações precisa ser assegurada. Do ponto de vista hidrostático a operação pode ser simulada com alto grau de pormenorização a partir das características geométricas e mecânicas das embarcações. Neste particular encontra-se pronto um modelo no programa MOSES para realizar os cálculos de movimentação relativa e estabilidade da operação. 6.1 O PROGRAMA MOSES é uma linguagem de simulação, todos os comandos que estão disponíveis são projetados para descrever um sistema ou para executar uma simulação. Assim, tendo o sistema básico definido, o usuário pode alterá-lo em muitas maneiras diferentes e mudar as condições iniciais para simulações similares ou executar tipos diferentes de simulações, sem alterar a definição básica do sistema. O MOSES é capaz de considerar quatro tipos de forças que agem em corpos: hidrostáticas, de vento, inércia, e aquelas que são aplicadas. Com o programa MOSES é possível realizar uma série de simulações, entre as quais: Lançamento de jaquetas, Análises no domínio do tempo e da freqüência de embarcações ancoradas, Análises no domínio do tempo e da freqüência de estruturas, Análises no domínio do tempo e da freqüência de TLP (tension leg platform), Simulação de docagem de jaquetas e estacas, Verticalização de jaquetas, Lastramento e estabilidade de embarcações, Enterramento de dutos, Içamento de estruturas com barcaça, Float-off de estruturas, Load out, Análises de tensões. 6.2 OS MODELOS Para determinar o lastro em cada etapa da operação, a plataforma MonoBr e a barcaça FS-1 foram modeladas no programa MOSES, que foi o programa utilizado para analisar o equilíbrio e a estabilidade da operação. A definição do modelo no programa MOSES e realizada em duas etapas: a definição geométrica da estrutura que é feita por meio de elementos chamados pelo programa de corpos e a definição dos tanques e outros elementos estruturais chamados de pecas onde estão inseridas todas as características de volume e capacidades.

26 MODELO 1 - A PLATAFORMA O casco da plataforma Mono BR inicialmente foi modelado como um corpo cilíndrico, com diferentes diâmetros e com um furo central, que representa o moon pool. As variações de diâmetro representam na estrutura o que é chamado de praias. Na figura 6.1 temos o modelo do casco da MonoBR. Figura Modelo MOSES da MonoBR Após ter o casco pronto, todos os compartimentos foram modelados como peças, que compõem o casco. Na figura 6.2 temos o modelo do casco e todos os compartimentos da plataforma.

27 Figura Modelo MOSES dos tanques da MonoBR

28 MODELO 2 - A BARCAÇA O modelo da barcaça foi realizado seguindo o mesmo método da plataforma. Com a tabela de cotas da embarcação, foi modelado o corpo no MOSES, e na seqüência os compartimentos, como peças que compõem o corpo. Na figura 6.3 podemos ver o casco da FS 1. E da mesma maneira que foi feito para a plataforma, foram modelados os tanques da FS 1, e esses estão mostrados na figura 6.4. Figura 6.3 Modelo MOSES da Barcaça FS-1

29 Figura Modelo MOSES dos tanques da FS CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO Definição de carregamento Definição de carregamento Para simular a operação, foi necessário discretiza-la. Do início da operação, onde a planta de processo está completamente apoiada na barcaça, até que ela se encontre na posição final, apoiada na plataforma, a planta terá que ser deslocada por 86 metros. Sendo assim, a operação foi dividida em 20 steps, cada step corresponde ao deslocamento de 4,3 metros da planta de processo. A condição de carregamento em cada etapa foi determinada a partir do conceito de que a planta, estará apoiada na barcaça e na plataforma, como uma viga bi-apoiada. Para que essa consideração represente a realidade, os corpos flutuantes deverão estar nivelados o tempo todo e o sistema de deslizamento escolhido deve ser tal, que permita que a carga esteja igualmente distribuída onde ela estiver apoiada. A tabela 6.1 abaixo representa a condição de carregamento em cada corpo e em cada fase da operação.

30 Tabela 6.1 Condições da carregamento Deslocamento (m) CONDIÇÃO DE CARREGAMENTO (tons) MONOBR FS - 1 0% % 4,3 5163, , % 8,6 9555, , % 12, , , % 17, , , % 21, , , % 25, , , % 30, , , % 34, % 38, , , % , , % 47, , , % 51, % 55, % 60, % 64, % 68, % 73, % 77, % 81, % Calculo do equilíbrio inicial Após a determinação das condições de carregamento, foi analisada para cada corpo em separado, a situação de equilíbrio para cada fase, considerando os corpos totalmente deslastrados. Essa análise, é necessária para determinar o trim e a banda máxima gerado pela operação (tabela 6.2) e conseqüentemente a quantidade de lastro inicial necessária para corrigir, até que a plataforma ou a barcaça estejam com trim e banda iguais a zero.

31 Tabela 6.2 Condição gerada pela operação, sem a correção do equilíbrio com lastro Seleção dos tanques a serem utilizados na operação A seleção dos tanques utilizados para obter o equilíbrio segue a seguinte lógica: para a plataforma, os tanques de carga, são para o afundamento e os de lastro para a correção de trim e de banda, já que eles estão próximos ao costado e geram maiores momentos. Para a barcaça, a princípio, os tanques dos bordos seriam para a correção de banda e os centrais para afundamento. Não foi necessário tanques para a correção de trim, pois teoricamente, o centro do convés está alinhado com o centro da barcaça e sendo a movimentação transversal, não gera trim, somente banda. No entanto, somente os tanques centrais para correção do afundamento não foram suficientes para manter a barcaça equilibrada com a plataforma, devido a grande variação de calado. Com isso foi feita uma avaliação com diversas combinações de tanques para corrigir a banda e, a combinação de tanques escolhida foi a que gerou menores tensões, esforço cortante e momento fletor, e corresponde aos tanques 2 e 9, PS e SB respectivamente. Após os tanques que seriam utilizados terem sido escolhidos, foi definida a quantidade mínima de lastro para a operação. E assim chegamos ao calado inicial da operação. A barcaça equilibrada, com a planta apoiada e o lastro mínimo, ficou com um calado igual a 7,18 metros, que corresponde a situação crítica. Para que a plataforma ficasse com a mesma borda-livre da barcaça, seria necessário um calado de 53,18 m. Porém, não foi possível alcançar este calado para a plataforma, o que levou a se pensar em novas opções.

32 As opções que solucionariam o problema seriam: Uma barcaça maior, pois assim, mesmo com o carregamento, teríamos um calado menor, conseguindo colocar a plataforma no mesmo nível. Planta de processo mais leve, pois da mesma maneira obteríamos um calado menor. Iniciar a operação sem lastro na barcaça, e ir inserindo o lastro na medida em que ele fosse necessário. Dentre essas três opções, a que se mostrou mais interessante foi a última, pois assim não haveria alteração no projeto da planta e nem pesquisa de uma nova barcaça. Com esse novo conceito, o início da operação passa a ser com a barcaça sem nenhum lastro, somente com a planta apoiada e a plataforma lastrada de tal forma que ficasse nivelada com a barcaça. O novo calado obtido para a barcaça foi de 6,87 metros, e o calado correspondente para a plataforma 52,87 metros. A disposição dos tanques continua seguindo a mesma lógica, porém para alcançar o calado na plataforma, todos os tanques de carga foram enchidos ao máximo, pois esse será um lastro permanente, não irá alterar durante toda a operação. E os tanques de lastro foram completados até que o calado fosse alcançado. Para a plataforma, essa nova opção se torna bastante interessante, já que não é mais necessária a rede de tubulações de intercomunicação dos tanques, somente as bombas submersas tirando lastro da plataforma e jogando no mar. Se a configuração de transferência de lastro entre os tanques continuasse válida, isso poderia representar um empecilho à operação, pois as tubulações interfeririam nos trilhos do load out. Dessa forma condição inicial necessária para a operação de load out é mostrada nas figuras 6.5, 6.6 e 6.7 abaixo.

33 +++ B U O Y A N C Y A N D W E I G H T F O R B A R C A C A +++ ===================================================================== Process is DEFAULT: Units Are Degrees, Meters, and KN Unless Specified Results Are Reported In Body System Draft = 6.87 Roll Angle = 0.00 Pitch Angle = 0.00 Wet Radii Of Gyration About CG K-X = 3.65 K-Y = 8.83 K-Z = 8.64 GMT = GML = /-- Center of Gravity ---/ Sounding % Full Name Weight ---X Y Z Part BARCACA LOAD_GRO Part DECK LOAD_GRO ======== ======== ======= ======= ======= Total Buoyancy Figura 6.5 Condição inicial da FS 1

34 +++ B U O Y A N C Y A N D W E I G H T F O R M O N O +++ ================================================================ Process is DEFAULT: Units Are Degrees, Meters, and KN Unless Specified Results Are Reported In Body System Draft = Roll Angle = 0.00 Pitch Angle = 0.00 Wet Radii Of Gyration About CG K-X = K-Y = K-Z = GMT = GML = /-- Center of Gravity ---/ Sounding % Full Name Weight ---X Y Z Part DECK Part MONO LOAD_GRO Contents --- CT CT CT CT CT CT06A CT06B CT CT CT CT CT CT BT BT BT BT BT BT BT BT BT BT BT BT ======== ======== ======= ======= ======= Total Buoyancy Figura 6.6 Condição inicial da MonoBR

35 Figura 6.7 Configuração de lastro inicial para operação Com o desenrolar da operação, a plataforma passa a ser o referencial para o calado. Assim a carga é embarcada, gerando trim e banda na plataforma, o trim e a banda são corrigidos e esse novo calado, em que ela se encontra, é a situação na qual a barcaça terá que se enquadrar. A plataforma é o limitante, porque para ajustar o calado dela ao da barcaça geraria uma movimentação de lastro muito maior, demandando mais tempo para a operação, o que não seria interessante. Sendo assim, nas tabelas 6.3 e 6.4 abaixo são apresentadas a configuração de cada compartimento da MonoBR e da FS-1 necessária em cada etapa para a operação.

36 Tabela 6.3 Condições de lastro em cada compartimento da MonoBR necessária para a realização da operação Condição de carregamento de lastro para 0, 5 e 10 % do deslocamento da planta Condição de carregamento de lastro para 15, 20 e 25 % do deslocamento da planta

37 Condição de carregamento de lastro para 30, 35 e 40 % do deslocamento da planta Condição de carregamento de lastro para 45, 50 e 55 % do deslocamento da planta

38 Condição de carregamento de lastro para 60, 65 e 70 % do deslocamento da planta Condição de carregamento de lastro para 75, 80 e 85 % do deslocamento da planta

39 Condição de carregamento de lastro para 90, 95 e 100 % do deslocamento da planta

40 Tabela 6.4 Condição de lastro em cada compartimento da FS 1 necessária para a realização da operação Condição de carregamento de lastro para 0, 5 e 10 % do deslocamento da planta

41 Condição de carregamento de lastro para 15, 20 e 25 % do deslocamento da planta Condição de carregamento de lastro para 30, 35 e 40 % do deslocamento da planta

42 Condição de carregamento de lastro para 45, 50 e 55 % do deslocamento da planta As figuras abaixo ilustram a seqüência do load out. Nelas podemos ver o estágio de transferência em que o deck box se encontra, assim como o lastro presente em cada tanque tanto da barcaça como da plataforma simplificando as tabelas mostradas acima.

43 Figura 6.8 Configuração de lastro inicial para operação

44 Figura 6.9 Condição de carregamento para 30% do deslocamento

45 Figura 6.10 Condição de carregamento para 55% do deslocamento

46 Figura 6.11 Condição de carregamento para 60% do deslocamento

47 Figura 6.12 Configuração de lastro final para operação Considerações sobre a operação O tempo de operação depende essencialmente das bombas de transferência de lastro utilizadas. Como na plataforma o volume de água transferido é muito maior do que o da barcaça, a plataforma continua sendo o limitante da operação. A figura 6.13 mostra um gráfico que relaciona a vazão das bombas e o tempo de operação. Essa não é a vazão total necessária. Ela foi encontrada baseada no tanque em que mais foi retirada água.

48 Tempo de Operação 2500 Vazão das bombas (m3/h) tempo (h) Figura 6.13 Tempo de operação em função da vazão das bombas Considerando o tempo estimado para a operação de 3 horas, o que nos dá uma velocidade de transferência de 28,7 m/s, seria necessária a disposição de bombas que totalizassem a vazão mostrada na tabela 6.5 em cada tanque. Tabela 6.5 Vazão de bombas necessária em cada tanque para a realização da operação em 3 horas

49 6.4 Analise da ESTABILIDADE da operação Após realizar a análise de equilíbrio da operação, foram realizadas as análises de estabilidade para os 20 passos definidos anteriormente. No caso da barcaça ele deve atender os critérios da NORMAN 02, que são às Normas da Autoridade Marítima para Embarcações Empregadas na Navegação Interior, para a plataforma foram utilizados os critérios da DNV (Det Norske Veritas) para operações marítimas de load out (Rules for Planning and Execution of Marine Operations) BARCAÇA FS - 1 O estudo da estabilidade da barcaça foi desenvolvido com base no levantamento dos dados da embarcação e de acordo com as Normas da Autoridade Marítima para Embarcações Empregadas na Navegação Interior (NORMAN 02). Por se tratar de um local abrigado, a velocidade de vento considerada foi de 10 m/s. Segundo o capítulo 6 de NORMAN 02, as barcaças que operam nas regiões classificadas como área 2, parcialmente abrigadas, deverão atender aos seguintes critérios de estabilidade: A área sob a curva de estabilidade estática até o ângulo correspondente ao braço de endireitamento máximo não deve ser inferior a 0,080 m.rad; A altura metacêntrica inicial (GM0) não deve ser inferior ao valor da altura metacêntrica inicial requerida (GMr), calculada por intermédio da seguinte expressão: GM r = P. A. h Δ.tanθ onde: GMr = altura metacêntrica inicial requerida, em m; A = área lateral projetada da porção da embarcação acima da linha d água correspondente à condição de carregamento considerada, em m²; h = distância vertical entre o centróide da área A e metade do calado médio para a condição de carregamento considerada, em m; Δ = deslocamento da embarcação na condição de carregamento considerada, em t; θ = ângulo de inclinação entre a metade superior da borda-livre na condição de carregamento considerada e o canto superior do convés, ou 14, adotando-se o menor valor; P = 0,055 + (LPP / 1309)², em t/m²; e LPP = comprimento entre perpendiculares, em m. O ângulo de equilíbrio estático devido ao agrupamento de passageiros em um bordo deve ser inferior a 10, para as barcaças autopropulsadas ou não, que transportem passageiros.

50 Todas as condições de carregamento foram analisadas e aprovadas segundo os critérios, porém as condições críticas foram a condição inicial e a final pois em ambos os casos a planta se encontra integral em uma estrutura isto é a barcaça na condição inicial e a plataforma na condição final, os resultados para estas condições são apresentados a continuação, os resultados para as condições intermediarias se encontram no anexo Condição de estabilidade - Inicial O estudo de estabilidade da barcaça foi desenvolvido segundo os critérios sugeridos pela NORMAN 02, e foi aprovado em todos os critérios analisados. A figura 6.14 mostra a curva de momento de endireitamento mostrada em azul, a de momento de vento, mostrada em verde e a razão entre as áreas sob as curvas, em rosa. Figura 6.14 Curvas de momento de endireitamento e de vento para a condição inicial da barcaça Já a tabela 6.6 mostra o resumo da estabilidade para a condição inicial, nela podemos ver os critérios analisados e os resultados obtidos. Vale ressaltar que a grande folga com relação a razão entre as áreas, que deveria ser de no mínimo 1.4, e no caso foi de 39 se dá em conta de que o local da operação é um local abrigado de vento.

51 Tabela 6.6 Avaliação dos critérios de estabilidade da NORMAN 02 para a condição inicial da barcaça FS Condição de estabilidade - Final Conforme dito anteriormente, o estudo de estabilidade da barcaça foi desenvolvido segundo os critérios sugeridos pela NORMAN 02, e foi aprovado em todos os critérios analisados. A figura 6.15 mostra a curva de momento de endireitamento mostrada em azul, a de momento de vento, mostrada em verde e a razão entre as áreas sob as curvas, em rosa. Figura 6.15 Curvas de momento de endireitamento e de vento para a condição final da barcaça Abaixo, a tabela 6.7 mostra o resumo da estabilidade para a condição final, nela podemos ver os critérios analisados e os resultados obtidos.

52 Tabela 6.7 Avaliação dos critérios de estabilidade da NORMAN 02 para a condição final da barcaça FS Mono BR Já o estudo da estabilidade da plataforma foi desenvolvido com base nos critérios do DNV para load out (Rules for Planning and Execution of Marine Operations). E o critério ambiental, por se tratar de um local abrigado a velocidade de vento considerada foi de 10 m/s. Segundo o DNV, as operações de load out: Devem ser executados com GM mínimo inicial de 1,0 m A área sob a curva de momento de endireitamento e a curva do momento do vento deve ser calculada até um ângulo de banda de que seja ao menos: - O ângulo correspondente a segunda interseção das duas curvas; - O ângulo de alagamento; - O ângulo em que os membros estruturais ficam sobrecarregados. A área sob a curva de momento de endireitamento não deve ser menor que 1.4 vezes a área sob a curva do momento do vento. A figura 6.16 ilustra o critério explicado anteriormente, no caso a área (A+B) deve ser maior do que a área (B+C) no mínimo 1.4 vezes.