PROCEDIMENTOS DE TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM OPERAÇÕES DE DECK MATING

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO CENTRO DE TECNOLOGIA - ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA EENX01 PROJETO FINAL EM ENGENHARIA NAVAL PROCEDIMENTOS DE TRANSFERÊNCIA DE CARGA EM OPERAÇÕES DE DECK MATING André Luiz Parente Machado DRE:

2 1. Introdução Embarcações de transporte Diferenças entre plataformas fixas e plataformas flutuantes O Sistema de Deck Mating Plataforma semi submersível Descrição geral do funcionamento Engenharia detalhada Concepção estrutural Projeto dos equipamentos Operações Preparação do casco Preparação da barcaça Amarração do casco e lastro até o calado de mating Transporte do topside Operação de mating Plataforma Fixa (Jaqueta) Engenharia Detalhada Concepção estrutural Sistema de equipamentos Sistema de lastro / deslastro: Sistema de macacos hidráulicos Operações com o topside e a embarcação de transporte Operações no estaleiro Operação de loadout Transporte Operação de floatover Plataforma Spar Descrição da instalação do topside Preparação Spar outfitting Offload do topside e fixação Reboque do catamarã Pull in do catamarã Transferência de Carga Potenciais Falhas Mecânicas em Deck Mating por Floatover Falhas Funcionais Falhas Estruturais Piston Binding & Galling Instabilidade no Elastômero Assentamento em coluna de areia Falha de Cumprimento de Especificações Load Curve Properties Efeitos do Peso Próprio da Unidade Determinação do Ponto Zero Efeito da temperatura Conclusões Referências

3 1. Introdução O sistema de deck mating foi concebido para facilitar a transferência do topside que está sobre uma embarcação que flutua livremente para uma subestrutura fixa ou flutuante. Este sistema possui partes móveis, propriedades dinâmicas complexas, e considerações estruturais pouco entendia pela maior parte dos engenheiros. Existem riscos que são inerentes a este tipo de operação, e falhas podem acontecer. Como resultado alguns clientes aumentaram suas exigências. Eles possuem rígidas especificações, número reduzido de fornecedores e exigido inúmeros testes nas unidades do sistema. Felizmente ainda não houve acidente que tenha ocasionada a perda total do topside. O objetivo deste trabalho é o de estudar e compreender melhor o processo de deck mating nas plataformas mais comum existentes: plataforma fixa, semi-submersível e spar. Analisando a transferência de carga do topside para a subestrutura e seus componentes mais importantes, bem como estudar as falhas mais comuns neste tipo de operação. 3

4 2. Embarcações de transporte Escolher corretamente o tipo de embarcação que transportará o topside até o mating site é muito importante para que seja alcançado o sucesso em uma operação de deck mating. Alguns fatores são muito importantes na escolha da embarcação: Local de construção do topside. Local do deck mating. Tipo de plataforma em que será instalado o deck box. Existem dois tipos de embarcações que podem fazer uma operação de deck mating por floatover, uma barcaça e um navio heavy lift. As barcaças muitas vezes são construídas especificamente para o topside que futuramente irá transportar. As barcaças são mais baratas comparadas aos navios heavy lift, porém menos seguras em relação a estabilidade e comportamento no mar, alem de não terem propulsão própria, ou seja, precisam ser rebocadas para o mating site. A configuração do transporte em barcaça pode variar de mono-casco para catamarã. A configuração em um único casco é usada para o deck mating em plataforma semi-submersíveis, jaquetas, TLPs. Já a configuração de catamarã para a instalação do deck box em SPARs, Torres complacentes e jaquetas. Já os navios heavy lift possuem propulsão própria e apresentam um excelente comportamento no mar, sendo indicado para o transporte do topside por longas distâncias, muitas vezes do outro lado do globo. Um topside construído na Singapura pode ser perfeitamente transportado para ser feito o deck mating em uma plataforma construída no Brasil. Figura 1 Navio Heavy Lift 4

5 Figura 2 Barcaça simples Figura 3 Duas barcaças em configuração de catamarã Subestrutura Monocasco Catamarã Semi-sub X Jaqueta X (X) TLP X SPAR X Torre complacente X 5

6 O quadro a seguir mostra um comparativo das diferenças entre o navio heavy lift e a barcaça: Heavy Lift Barcaça Estabilidade Estável em todos os modos de operação. Estabilidade tem q ser verificada durante o transporte. Apoio Projetado para apoiar toda a equipe Apoio limitado a parte da equipe. da embarcação transportada. Custo Mais caro, porém possui um tempo menor de contrato. Mais barato por dia de contrato, porém o contrato é mais longo. Seguro / Risco Devido a maior segurança, o seguro é relativamente baixo. Pode custar uma parcela significativa do preço do reboque. Velocidade Boa velocidade, pois foi projetado Bastante lento. para navegar em mar aberto. Risco Com boa amarração, os riscos são mínimos Os riscos são grandes, inerentes à existência de duas unidades (rebocador e barcaça) e o aparelho de reboque 6

7 3. Diferenças entre plataformas fixas e plataformas flutuantes Deck mating por floatover é um instalação bastante versátil. O floatover pode ser empregado tanto em águas rasas quanto em águas ultra-profundas, para estruturas fixas, complacentes ou flutuantes, em condições de swell ou de ondas aleatórias. Em cada combinação de condições, no entanto, diferentes preocupações devem ser discutidas. A principal preocupação é estrutura fixas X flutuantes e, com ênfase secundária, águas rasas X águas profundas e águas calmas X mar agitado Em estruturas fixas, a transferência de carga e o processo de separação são de importância primordial. Isso é em conseqüência da necessidade de alterar o estado do deck box de flutuação livre para fixado em suportes rígidos. A rigidez de uma jaqueta aumenta os requisitos para compensação de movimentos e absorção de energia durante o contato do deck, transferência de carga e separação da barcaça. A abertura central e local de calado reduzido reduz as necessidades de transporte e docagem. A abertura central permite a utilização de uma única barcaça de transporte. As águas rasas aumentam a eficiência do sistema de amarração. A estrutura fixa é mais simples para a docagem da barcaça. O oposto é verdadeiro para estruturas flutuantes. A transferência de peso e separação é facilitada pela livre flutuação da estrutura. A flutuação funciona como uma mola macia que absorve a energia do impacto e facilita a separação. No entanto e exigência de duas barcaças formando um catamarã (no caso das SPARs) dificulta o transporte do topside até o mating site. O aumento da lâmina d água diminui a eficiência do sistema de amarração. E plataformas flutuantes também estão sujeitos a movimentos, aumentando assim os movimentos relativos entre a barcaça e a estrutura de suporte. Este fator dificulta a docagem da barcaça, bem como a supressão dos movimentos relativos de surge e sway. Como mencionado anteriormente, uma lâmina d água profunda apresenta desafios para a acoplagem. Esta etapa do processo é ainda mais complicada em condições de severa de mar. Este trabalho tem como objetivo entender a operação de transferência de carga do deck mating por floatover, percebendo as diferenças e semelhanças do deck mating nos diversos tipos de plataformas existentes.. 7

8 4. O Sistema de Deck Mating A instalação pelo método de floatover envolve a transferência de um topside vindo de uma estrutura flutuante sujeito as ações de ondas em uma subestrutura, fixa ou flutuante, como uma jaqueta ou semi-submersível. Este processo crítico é facilitado por um sistema de deck mating que atenua os impactos do inicio do mating, normaliza as cargas dinâmicas durante a transferência de peso e também pode ser usado para atenuar os impactos durante a separação no fim do processo. Este sistema consiste tipicamente de um sistema de absorção de impacto elastomérico entre o topside e a subestrutura, geralmente referida como Leg Mating Unit (LMU), e também freqüentemente tem um sistema entre o topside e a embarcação de transporte, geralmente referido como Deck Support Unit (DSU). Um exemplo de LMU é mostrado na figura 4. Esta unidade é tipicamente colocada em uma peça de transição entre o pino e a perna do topside para uma plataforma fixa. A unidade compreende um receptor preso a um pistão. Este repousa sobre varias camadas de elastômeros, com placas guias laterais. Os elastômeros, receptor e pistão ficam dentro de um invólucro. Figura 4 Leg Mating Unit Estruturalmente o LMU deve resistir as cargas laterais durante o processo de floatover a transmitir estas cargas para a estrutura em volta. O LMU deve, além disso, transmitir o peso do topside através do receptor, elastômeros, suporte e repassar para a estrutura. O carregamento pode ser transmitido ao receptor na direção normal ou angulado. Cada arranjo tem implicações funcionais e conseqüências estruturais. O ângulo do cone pode variar de 60º a 30º. A função do LMU é o de capturar os cones das pernas do topside no inicio do mating. Isso ocorre depois da embarcação de transporte ser posicionada em relação a subestrutu- 8

9 ra, tipicamente com uma combinação de linhas de amarração e defensas. Os movimentos relativos entre o topside e a subestrutura precisam ser impedidos de modo que o círculo de movimento observado do cone esteja dentro do diâmetro do receptor do LMU. Em alguns instantes, as cargas laterais serão atenuadas por elastômeros colocados radialmente no LMU. Após o inicio do mating, o LMU atua absorvendo os impactos do afundamento da embarcação. A curva de carregamento x deflexão é tipicamente nãolinear, fornecendo uma baixa rigidez durante os impactos iniciais, porém aumentando a substancialmente a rigidez quando em alta deflexão. Esta alta deflexão é alcançada quando o percentual de transferência de carga fica quase completo, e o aumento da rigidez atua reduzindo os movimentos verticais relativos. Existem duas opções de LMU para a conclusão da transferência de peso. A opção mais comum tem sido a de ao completar 100% da transferência de peso, surgir um espaçamento entre a perna do topside e o topo do pino. A segunda opção é, portanto a de obrigar que o topside baixe mantendo o contato com os pinos. Tipicamente isto é feito dentro de um recipiente de areia. O LMU repousa sobre um leito de areia compactada que é drenada para baixar o LMU após o término do processo de floatover. A altura da coluna de areia é geralmente definida para remover toda carga adicional do LMU depois de estabilizado o contato do topside com o pino. UM DSU é essencialmente muito similar a um LMU, embora tenha algumas diferenças em sua configuração. O receptor pode ser atualmente uma superfície plana que permite o deslizamento lateral ou apenas uma pequena área, cone inverso para apoiar o topside. O funcionamento do DSU é basicamente a mesma do LMU. O DSU começa o floatover comprimido, contudo se expande durante a transferência de peso. Em relação a transferência de peso, o DSU faz a função inversa do LMU, aliviando os impactos durante a separação da embarcação de transporte. Figura 5 Deck Suport Unit 9

10 Figura 6 Posição do topside antes do mating. 10

11 5. Plataforma semi-submersível 5.1 Descrição geral do funcionamento Abaixo temos um breve resumo das principais etapas das operações de mating: Reboque do casco de um estaleiro para zona abrigada (mating site), Conexão do casco com as linhas ancoradas pré-instaladas mating site, Lastragem do casco para o calado definido no projeto como o do início do mating Reboque do topside na barcaça para o mating site, Entrada da barcaça no casco entre as colunas, Posicionamento das aberturas do deck box sobre as guias cônicas do casco, Deslastragem do casco para a inserção dos docking piles no fundo do deck box, A transferência dos peso do topside da barcaça para os apoios localizados no topo das colunas, por contínuo deslastro, Ao alcançar 100% da transferência de peso, lastra-se a barcaça para aumentar o espaço entre a barcaça e o deck box, Retirada da barcaça quando o vão necessário entre a esta e o deck box é atingido. 5.2 Engenharia detalhada As atividades normalmente incluídas nesse estágio são: Engenharia Estrutural, Detalhamento da operação, Projeto de preparação da barcaça, Especificação da instalação de equipamento, Relatório para o transporte até o mating site, Procedimentos para a operação de instalação, Supervisão / assistência durante a operação Concepção estrutural O crítico dessa fase é a interface entre o projeto da estrutura topside / casco e a sua interação com a barcaça, e a análise estrutural do casco. Assim, este exige um estudo integrado (estrutural e arquitetura naval) baseado em um modelo completo que incorpora a rigidez do topside / casco e a rigidez dos diversos componentes (shock pads, hawsers, fenders...). Barcaça para construção e mating Para as fases de construção e instalação normalmente constroem uma barcaça especificamente para o deck box que ficara acima dela. Sobre a barcaça, o projeto da estrutura garante uma distribuição uniforme das cargas estáticas e dinâmicas do topside nas principais anteparas da barcaça, inserindo abaixo do lower deck madeira de forma que compense as deformações aplicadas pelo peso próprio. 11

12 Durante a construção, o deck box é montado sobre o gradeado com counter timbers para permitir a horizontalidade. Antes do float out, estas peças são removidas por macacos hidráulicos. Finalmente, para o processo do float out, o deck box está apoiado sobre o gradeado da barcaça, exibindo uma deformação de alquebramento, já com os módulos instalados e pronto para o mating Suportes do mating Após completar a transferência do peso na barcaça para o casco da plataforma, o topside estará apoiado em 12 suportes (ver Figura 7). Cada coluna é equipado com 3 suportes, uma no canto interno, e os outros dois na metade da distância do lados internos. Normalmente eles consistem de uma caixa reforçada com cerca de 1,3 x 1,3 m, capaz de suportar uma carga vertical superior a toneladas. Figura 7 Localização dos 12 suportes do mating Para alcançar um balanço entre momento de flexão no topo da coluna e o tosamento do deck box, a carga aplicada em cada coluna é de forma intencional fracionada em 40% no suporte do canto e 30% em cada um dos outros dois suportes. Inicialmente a transferência da carga era feito por meio de calços e crush tubes que sofriam deformação plástica. Feita a transferência peso transferência, qualquer deformação adicional é interrompido pela inserção cunhas entre os tubos. Devido à falta de reversibilidade, a necessidade de intervenção manual durante a operação, e da necessidade de remover os suportes, esta abordagem está caindo em desuso. A nova concepção consiste em inserir entre o deck box e os suportes do mating um elastômero conjugado com calço. Isto permite que a operação seja revertida a qualquer 12

13 momento para rebocar de volta para o estaleiro sem qualquer ação em particular no mating site. Cone guia Próximo de cada suporte do canto interior há um docking pile (ver Figura 8), normalmente um tubo de cerca de 800 milímetros diâmetro e devidamente reforçado. No topo deste pino, existe um cone de 45 graus para inserção dentro da abertura no deck box. Para evitar qualquer necessidade de uso de calços manuais durante a operação, os cones guias tem almofadas feitas com a deposito de material com baixo valor de tensão de escoamento soldado e com a espessura ajustada com o objetivo de se ter uma folga de 30 mm entre o cone e a abertura do deck. O docking pile é projetado para resistir a uma carga interna pré-estimada gerada pelas deformações relativas entre o topside e o casco, durante o deslastro. Além disso, o projeto leva em conta a carga do impacto inicial, e as cargas dinâmicas durante o reboque da semi-submersível montada de volta para o estaleiro para a conclusão dos trabalhos. Figura 8 Detalhe do cone guia e do suporte do mating Infill panels Quando o topsides está apoiado sobre as colunas, mas especificamente sobre os 12 suportes. Permanece um vão entre o topo das colunas e o fundo do deck box. Esta área é fechada com chapas reforçadas denominadas infill painéis (ver Figura 9). Devido ao tosamento do deck box, estes painéis têm de ser sua altura ajustadas e, em seguida, soldados ao longo de todo perímetro da coluna. As cargas ambientais adicionais relativas ao campo de operação nas as placas. Devido ao envelhecimento da borracha, uma parte da carga interna do mating também será transferida de forma harmoniosa dos elastômeros os infill panels. A análise estrutural global é desenvolvida como a seguir. 13

14 Fundo do deck box Topo da coluna Infill panel Figura 9 Detalhe dos infill panels Análise global Os estudos desenvolvidos para a operação de mating pode ser resumidos da seguinte forma: Deslocamentos e deformações relativas entre o topside e o casco, Especificação e acompanhamento das tolerâncias de fabricação, Definição de elastômero e calços para transferência de carga para o topo das colunas, Definição da espessura das almofadas a serem soldadas nos docking pile permitindo minimizar a folga e cargas internas, Estimativa das deflexões durante a seqüência de deslastro para controlar as cargas a- plicadas durante a transferência de peso. Verificação da rigidez dos suportes do mating e do deck box. O modelo global em elementos finitos (ver figuras 10 e 11) do deck box e do casco foram simplificados para modelos de vigas após uma calibração precisa das deformações elementares (cisalhamento, flexão, torção). 14

15 Figura 10 Modelo em elementos finitos do casco Figura 11 Modelo de vigas do casco (deformado) Em cada etapa do deslastro, a deflexão horizontal no docking pile (veja a Figura 12 e 13) e o deslocamento vertical nos suportes do mating estabelecidas. Em paralelo, diversos controles dimensionais fornecem a distância atual entre docking piles opostos e a altura dos suportes do mating, respectivamente no deck box e no topo do casco. Por superposição. Por superposição de deslocamentos calculados e figuras do as-built, a espessura dos calços é definida, e finalmente a deflexão esperada do elastômero durante a transferência de peso é determinada. 15

16 Figura 12 Deslocamento no topo das colunas no calado de 40 m. Figura 13 Esforços induzidos nos docking piles durante a inserção Esta inversão de curvatura do deck box (ver Figura 14 e 15) é considerado para a verificação estrutural, especialmente em elementos sujeito a flambagem, projeto de tubulação, projeto das fundações dos módulos e todos componentes submetidos a deslocamentos diferenciados. 16

17 Figura 14 Deck box em alquebramento quando apoiado sobre a barcaça Figura 15 Deck box em tosamento quando apoiado nos suportes do mating Além disso, todas as estruturas do mating são verificadas a operação e instalação sobre condições extremas (ver figura 16). 17

18 Figura 16 Tensão de Von Mises no canto interno da coluna Projeto dos equipamentos Sistema de amarração do casco Durante a operação de mating, o casco é ancorado no mating site, por linhas de amarração em catenária amarração feitas de cabo de aço e amarras. Procedimentos específicos de amarração foram desenvolvidos ancorar o casco no mating site: pré-instalação no local, a conexão no casco e, em seguida, tensionamento e nivelamento das tensões nas linhas sem a possibilidade de uso de guinchos. O sistema de amarração é também concebido para manter a plataforma em posição após mating para a instalação do spider deck. Sistema de amarração entre a barcaça e o casco Durante o mating, a barcaça é amarrada ao casco a garantir um bom controle dos deslocamentos relativos. A amarração é composta de equipamento que é dimensionado para atender aos movimentos da barcaça e casco e as características das condições ambientais do local. As amarras ligadas ao casco utilizam um guincho com cabos e uma extremidade de n- ylon para ajustar a rigidez da linha. A rigidez da linha é determinado para o controle e o comportamento, e também evitar altas cargas dinâmicas pico nas linhas. No entanto, as linhas permanecem rígidas o suficiente para manter um bom controle da posição relativa da barcaça e do casco. O deslocamento total de ambos os corpos flutuantes são enormes (cerca de toneladas do casco e toneladas da barcaça), assim a quantidade de energia devido aos movimentos é substancial. A utilização de sistemas amarras mais o sistema de defensas permitem o controle dos 18

19 movimentos, com bons resultados. As guias dos cabos, polias e cabeços são projetadas e dimensionadas para satisfazer todas as configurações possíveis durante a entrada, mating e retirada d barcaça. Defensas do casco: Defensas do tipo usado para proteção em pernas de jaquetas para instalação do topside por floatover foram instalado nas colunas do casco para proteger tanto a barcaça quanto ao casco durante o mating. É utilizado uma pequena folga de cerca de 0,2 a 0,3 m entre o casco da barcaça e as defensas. A capacidade das defensas é definida em conformidade com os movimentos da barcaça, a energia do impacto e a rigidez do casaco da plataforma. Um sistema de guias e defensas é utilizado na barcaça para garantir o alinhamento e proteção durante a fase crítica do início da entrada no navio entre as colunas. Sistema de lastro / deslastro do casco A operação de mating é feita principalmente por deslastro do casco da plataforma. Para isso, o sistema de lastro da foi adaptado com um sistema adicional completar o arranjo permanente. Em especial, as seguintes modificações foram exigidas: Conexões para o sistema de lastro de um número de compartimentos que não são normalmente utilizados como lastro: paiol de amarras, reservatórios de água doce, tanques de combustível, Aumento do diâmetro da linha de esgoto nas colunas para que possa ser utilizado para lastro de porões vazios, Centralização temporária da sala de controle em uma coluna, A instalação temporária de transmissores de nível para porões vazios, Sistema de controle da plataforma feita por software e controles adicionais. Sistema de lastro / deslastro da barcaça A barcaça é lastrada simultaneamente com o deslastro do casco da plataforma. O principal objetivo de se lastrar a barcaça é corrigir a excentricidade do convés de modo a que a barcaça permaneça sem banda e nem trim mesmo após transferência de carga. O lastro na barcaça é realizado utilizando bombas portáteis submersíveis. Controle do lastro / deslastro Cerca de toneladas de água de lastro são esvaziados durante a transferência de carga, que demora cerca de 15 horas. O processo é desenvolvido com as sucessivas fases de deslastro de colunas e pontoons, a fim de manter a deformação do casco dentro dos limites admissíveis. 19

20 5.3 Operações Preparação do casco O casco é equipado equipamentos temporários para o mating. Os equipamentos temporários são necessários para prover geração de energia e ventilação, necessária para operar casco sozinho durante o mating, que foram instalados no topo de cada coluna sobre uma pequena plataforma (ver figura 17). Figura 17 Casco Preparação da barcaça A preparação da barcaça para a viagem de ida foi concluída até a instalação do equipamento de mating, e todos os equipamentos testados e pré-instalados para facilitar o trabalho offshore. As preparações incluem: Instalação dos aparelhos para reboque, Estrado para o topside, Instalação dos guinchos das amarras e equipamentos (polias, guia dos cabos, cabeços...), análise dos guinchos e pré-disposição dos cabos para facilitar o manuseio e conexão Iluminação, Dispositivos de movimentação de bombas de lastro e mangueiras, Geração de energia e tanques de combustível, Escadas de acesso, Pranchas de acessos para rápida movimentação entre a barcaça e as quatro colunas da plataforma, Equipamentos de segurança, Sala de controle, 20

21 Instalações de banheiros e dormitórios Amarração do casco e lastro até o calado de mating As operações offshore começam pela pré-instalação e teste das 8 amarras mating site. Após a conclusão das obras de preparação, o casco é rebocado para o mating site, e ligada as linhas pré-instaladas. Em seguida, o casco é lastrado para realizar o ensaio operacional final e medições precisas são tomadas ao final do controle dimensional. Os testes incluem lastro para o calado do mating de 40 metros e, em seguida, deslastro até o calado de 35m para verificar a eficiência do deslastro dos porões vazios e dos tanques de lastro. Após a conclusão dos testes, o casco foi retornou ao calado de inicial Transporte do topside A barcaça carregada com o deck box é rebocado do estaleiro para o mating site. A decisão de rebocar a barcaça dependente da aprovação do casco nos testes e as condições climáticas (ver figura 18). Figura 18 Chegada da barcaça ao mating site Operação de mating Para acompanhar o processo, toda a operação tem de ser monitorada a partir de uma sala de controle com a informação relativas a barcaça, sistema de lastro do casco da plataforma e o conhecimento das condições do ambiente. As informações incluem: 21

22 Informações do navio: calado, banda, Configuração do lastro, Peso do navio e centro de gravidade, Carga transferida. Estas informações, em conjunto com previsões metereológicas são utilizado para o processo de tomada de decisão em cada passo da operação de instalação. De forma a obter uma boa previsão mar e swell, um modelo específico de propagação de ondas do mating site deve ser desenvolvido. Um bom sistema de comunicações é também é vital para que o sucesso dessa complexa operação seja alcançada em um limitado tempo de duração: rádios de comunicação U.H.F. e V.H.F. devem ser entregue à todas as pessoas envolvidas no processo. Acima de tudo, deve ser dada prioridade a todos os procedimentos de segurança. Reuniões devem ser organizadas antes de cada passo operacional paraa explicar os aspectos da segurança para o pessoal envolvido. Um sistema de controle POB no local para identificar a todas as vezes, a localização das pessoas. A transferência do pessoal foi feita usando um navio especifico em duas colunas do casco por escadas de acesso instaladas nestas colunas. O navio permaneceu na assistência no mating site, por perto para a segurança. As portas estanques situadas na parte inferior de cada coluna do casco foram mantidas fechadas durante a operação. Os passos operacionais do mating são descritas a seguir. Chegada da barcaça: Após a chegada da barcaça no mating site, o casco foi lastrado até o calado de 40m e 2 amarras cruzadas na popa foram conectados na popa da barcaça e dois rebocadores presos a popa da barcaça garantem um bom controle da entrada nas colunas (Figura 19). 22

23 Figura 19 Figura 20 Ao usar guinchos no convés, a barca foi deslocada através das duas primeiras colunas do casco, sendo estes protegidos por 4 defensas localizado em cada coluna (Figura 20). Após a popa da barcaça passar a 1 ª coluna do casco, 2 amarras na proa da plataforma são ligados à barcaça e o 2 rebocadores da popa são desconectados (Figura 21). 23

24 Figura 21 Uma vez que os rebocadores são desconectados, a operação de entrada da barcaça é retomada. A translação da barcaça é controlada, por guinchos da proa enquanto o alinhamento é garantido pelo rebocador na proa da barcaça (Figura 22). Figura 22 Quando a popa da barcaça alcança a ré das colunas, as 2 amarras cruzadas da popa são descruzadas. Na posição final, a barcaça é presa ao casco por 4 linhas. Isto garante o posicionamento preciso dos cones guias sobre as aberturas do deck box (Figura 23). 24

25 Figura 23 Contato entre o topside e o casco: Através deslastre do casco, os docking piles são acoplados sucessivamente, com uma com um controle da precisão e tolerância. Os movimentos relativos são de cerca de + / -100 milímetros tanto horizontalmente quanto verticalmente. No início do contato no primeiro suporte do mating, é necessário um preciso controle da altura do calço e da deflexão do elastômero para garantir a correta distribuição de carga entre os 3 suportes do mating. A transferência das primeiras toneladas do peso do topside para as colunas é feito de forma rápida a fim de acabar com os movimentos relativos. Continuação da transferência de carga: Após o primeiro contato, o deslastro do casco continua. A transferência de cargas para o casco é feita com o controle da localização do COG que é realizada com o controle da configuração do deslastro do casco juntamente com o ajuste da configuração do lastro da barcaça. A operação de deslastre é realizada com uma taxa média de cerca de toneladas / hora, a operação completa de deslastro é realizada em 10 horas dos quais 8 horas é para a operação de transferência de carga. 25

26 Remoção da barcaça Com o calado do casco ajustado o espaçamento entre o fundo do deck box e a barcaça é de aproximadamente 2 metros. A barcaça foi retirada dentre as colunas com o auxílio de rebocadores (ver Figura 24). Figura 24 Retirada da barcaça Figura 25 Deck mating completo 26

27 6. Plataforma Fixa (Jaqueta) 6.1 Engenharia Detalhada As atividades normalmente incluídas na fase de engenharia são: Engenharia Estrutural, Detalhamento da operação, Preparação do navio, Especificação de instalação de equipamentos, Transporte, Procedimentos para a operação de instalação, Supervisão / assistência durante a operação Concepção estrutural O crítico dessa fase é a interface entre o projeto da estrutura topside / jaqueta e a sua interação com a análise estrutural do navio. Assim, este exige um estudo integrado (estrutural e arquitetura naval) baseado em um modelo completo que incorpora a rigidez do topside / jaqueta e a rigidez dos diversos componentes (shock pads, hawsers, fenders...). O projeto dos apoios no navio são de maior importância para todas as operações: Load out: impõe trim ao navio e distorce o deck, Transporte: os apoios são impostos à efeitos dinâmicos e esforços devido à distorção do deck, Mating: suportar cargas horizontais que causam carregamento dinâmico e impacto durante todo o tempo do mating. No navio de transporte, uma grelha permite a distribuição de cargas estáticas e dinâmicas do topside para toda a estrutura do navio. Além disso, a grelha é projetada tendo em vista a relação entre peso do topside e a rigidez da embarcação. A estrutura da grelha (ver figura 2) é concebida para utilização em múltiplas instalações e usa um conceito modular para simplificá-la a adaptação a um determinado projeto. A fixação do topside (ver figura 3) é concebida tendo em conta as diferentes etapas da seqüência da operação e rápida instalação ou remoção: Instalação parcial para as operações no estaleiro, logo após o load out; fixações adicionais para o navio quando em stand-by no estaleiro sob condições extremas (se necessário), como por exemplo, tufões; finalização das instalações para partida. Remoção parcial das fixações do navio quando está em stand-by no mating site; remoção final das fixações para a entrada do navio na jaqueta. Auto releasing (sem a necessidade de operação específica, apenas oxicorte) e de fácil re-instalação, em caso de necessidade. 27

28 6.1.2 Sistema de equipamentos Sistema de amarração do navio A amarração é composto de equipamentos que são dimensionados para atender às carac- terísticas dos movimentos do navio, a rigidez da jaqueta e as condições do mating site. As amarras ligadas à jaqueta usam um guincho com cabos de aço e para ajustar a rigidez da linha. A rigidez da linha selecionada é tal que seja evitada ter ressonância com períodos onda e também evitar altos picos de cargas dinâmicas nas linhas. No entanto, as linhas devem permanecer rígidas o suficiente para manter um bom controle da posição do navio. As guias dos cabos, polias e cabeços são concebidas e dimensionadas para satisfazer todas as configurações possíveis durante a entrada, mating e de retirada do navio. D efensas na jaqueta (Figura 26): As defensas são concebidas para absorver os impactos do navio sobre as pernas da ja- As defensas são equipadas com um escudo de aço para garantir um bom contato queta. com as defensas da própria embarcação e para permitir a variação do calado do navio durante o mating. Um pequeno espaço de 0,2 a 0,3 m é usado entre o navio casco e o escudo. Figura 26 Defensas 28

29 A capacidade das defensas é definida em conformidade com os movimentos navio, a energia do impacto e com a estrutura do navio. Um sistema de guias e defensas na popa do navio assegura a orientação e proteção du- a fase crítica do início da entrada do navio na rante jaqueta. Peça de transição e cones guias: No topo de cada perna da jaqueta casaco está instalada uma peça de transição. Este é composto de um cone guia para facilitar a instalação offshore e um reforço de espessura. Os cones guias (ver figura 27) são projetados em um ângulo de 45 º e montado sobre uma base cilíndrica de 50 a 100 mm. A peça de transição apresenta altos valores de carga concentrada devido ao contato me- tal com metal. É necessário ser feita uma análise em elementos finitos para verificar os esforços locais nas peças de transição. Figura 27 Típico cone guia com LMU Leg mating units (LMU) (ver figura 28) Um elemento-chave na instalação por floatover é um sistema localizado na interface entre a jaqueta e o topside. Esse elemento geralmente é chamado de leg mating unit (LMU) ou amortecedor. O LMU executa 4 principais funções durante a fase do mating: Centralização das pernas do topside durante a primeira fase do lastro do navio, Reduzir os movimentos do navio / topside durante o lastro do navio, 29

30 Reduzir a carga do impacto entre o topside e a jaqueta, Garantir uma posição final precisa (guia rígido) das pernas do topside no pino da ja- O sistema tem como características principais: queta. O sistema proporciona a absorção da energia na direção vertical e horizontal, A rigidez é ajustada de modo que o topside e a jaqueta entrem em contato com cerca de 50% do peso do topside transferido, O sistema é totalmente integrado dentro das pernas do topside, Os componentes elásticos, amortecedores horizontais e anéis verticais são feitos de poliuretano, A estabilidade da unidade é garantida por um tubo central. A peça móvel composto do funil e do tubo guia, permite ao cone da jaqueta ser acopla- mesmo com algum movimento / excentricidade do navio, e assegurar a estabilidade do, da unidade para evitar a flambagem ou colapso. Figura 28 Leg Mating Unit Sistema de lastro / deslastro: O sistema de lastro combina a vazão de poderosas bombas com lastro por gravidade para a aproximação do topside na jaqueta. Isto resulta em um curto período de duração 30

31 da operação de mating (entre 2,5 horas e 4 horas), começando a partir de redução do espaço entre o topside e a jaqueta até a retirada do navio após o mating Sistema de macacos hidráulicos O sistema de macacos hidráulicos as seguintes características: A operação de elevação é totalmente reversível, Alta confiabilidade e redundância de todos os componentes principais, A operação de elevação pode continuar em caso de falha em um macaco, Capacidade de permitir uma rápida retração para a retirada da barcaça, Capacidade para continuar operando com dano nos tubos hidráulicos / conexões ou falha elétrica, Capacidade para realizar a retração em caso de falha elétrica geral. 6.2 Operações com o topside e a embarcação de transporte Operações no estaleiro A primeira operação realizada com o sistema de macacos hidráulicos é o de levanta- do loadout. Du- mento do topside, normalmente cerca de 4 meses antes da data prevista rante esta etapa, todo o topside é suportado pelos macacos hidráulicos e o peso do top- são side e a posição do centro de gravidade estimados. Faltando alguns dias para a operação de load out um segundo levantamento do topside é realizado, para realizar um teste de retração em alta velocidade do sistema de macacos hidráulicos baixando todo seu comprimento 1,8 m Operação de loadout Após a mobilização, no estaleiro, o navio é equipado especificamente para o loadout (Figura 29), e para as operações de floatover com os seguintes equipamentos: Grelha, Geração auxiliar de energia para alimentar o sistema de macacos hidráulicos, incluin- do geradores redundantes e o sistema de distribuição elétrica, Guinchos para amarração parcial e equipamentos de ancoragem / amarração (guia dos cabos, polias, cabeços...) Durante a operação de loadout, o topside fica apoiado no sistema de macaco hidráulico que permite um acompanhamento do carregamento e o controle por apoio a fim de compensar o trim e banda do navio. O topside é puxado ao longo de trilhos em direção ao navio por strand jacks conectados na estrutura. Para reduzir o atrito durante a skid, pads de baixa fricção são instaladas anteriormente abaixo da estrutura. 31

32 Para realizar essa delicada operação é necessário um contínuo ajuste do lastro no navio a fim de manter constante o nível entre o convés do navio e o cais. Figura 29 Loadout transversal A preparação do navio antes da partida para o mating com a instalação dos seguintes componentes: Fixação do topside, Instalação e testes dos equipamentos restantes do sistema de amarração, Luzes de navegação, Ligação do gerador de energia auxiliar no sistema de macacos hidráulicos e teste final no sistema, Sistema de câmeras de vídeo Transporte O topside, apoiada sobre a grelha, é transportado a do estaleiro para o mating site em um navio de transporte pesado. O transporte é rápido e seguro com um elevado grau de flexibilidade de rota devido às condições climáticas Operação de floatover A operação é monitorada de uma sala de controle com informações referentes ao navio e ao sistema de macacos hidráulicos, alem das informações referentes às condições de tempo. As informações incluem: Informações do navio: calado, banda, trim e posição do centro de gravidade, 32

33 Todos os dados relativos ao funcionamento do sistema hidráulico: pressão, etc., Altura e carga suportada por cada macaco hidráulico, As condições ambientais (onda, vento e corrente através da leitura de uma bóia) e as previsões meteorológicas para as próximas horas (12 a 36 horas), Câmera de vídeos para visualizar as pernas durante a operação de mating, Tensões nas linhas de ancoragem, Movimentos do navio. Estas informações devem ser avaliadas para tomada de decisões em cada etapa da instatambém vital para que essa complexa operação lação. Um bom sistema de comunicações é seja realizada em um curto tempo: Rádios de comunicação U.H.F. e V.H.F. para todo o pessoal envolvido pessoal a bor- e atualizações da previsão metereoló- do do navio e a bordo dos rebocadores, Comunicação por satélite para obter simulações gicas. O modelo deve ser calibrado com as medições reais do mating site aproximada- mente 1 semana antes da chegada navio. Os procedimentos devem ser desenvolvidos para lidar com eventuais situações extremas que possam acontecer. Amarração e entrada do navio A instalação offshore começa pela manobra e amarração do navio fora da jaqueta utilizando uma combinação de 4 linhas de ancoragem para âncoras pré-testadas (ver figura 30). 33

34 Figura 30 Embarcação ancorada fora da jaqueta Em seguida, as 2 amarras longitudinais de popas cruzadas são ligadas a partir da popa do navio para pino da jaqueta mais afastado, para permitir um controle preciso da popa da embarcação, quando este entrar na primeira fila da jaqueta (figura 31). Figura 31 Embarcação antes da entrada Ao usar os guinchos sobre o convés, o navio é movido por dentro da jaqueta que está protegida por 8 defensas de borracha localizadas em cada pino. 34

35 Tendo a popa do navio alcançado a segunda fila de pinos da jaqueta, as 2 amarras longitudinais de proa conectadas à primeira fila de pinos são presas no navio. Quando a popa do navio alcança a última fila da jaqueta, as 2 amarras longitudinais de popa que estão cruzadas são descruzadas com o auxílio do guincho no convés do navio. Na posição final, o navio é amarrado no interior da jaqueta pelas 4 linhas longitudinais e 4 linhas transversais que serão adicionadas nos pinos externos. Isto garante o posicionamento preciso das pernas do topside sobre as pernas da jaqueta. Estes 8 amarras são concebidas para manter o período natural do navio longe do período das ondas e curto o suficiente para evitar os efeitos de deriva. Isso é obtido graças à um esticador (rigidez de 100 ton/m) instalado nas linhas de amarração. Contato entre o topside e a jaqueta Através do processo de lastro do navio, as pernas do topside encaixam nas pernas das jaquetas, uma folga de cerca de 700 mm é deixada para evitar qualquer maior impacto (figura 32). O movimento vertical máximo das pernas do topside é de + / mm, com cerca de 400 milímetros na horizontal. Durante a operação de lastro, é feita a medição da maré em tempo real para poder ser feito o ajuste do plano de lastro. Figura 32 Embarcação posicionada antes do lastro T ransferência de peso por macacos hidráulicos até 50% da carga: A instalação do topside na jaqueta é realizado pela total retração dos macacos hidráuli- (1,8 m) dentro de aproximadamente um minuto. O movimento de retração dos ma- cos cacos hidráulicos tem dois efeitos: Acaba com a folga residual, Transfere parte do peso do topside para a jaqueta e, como conseqüência, reduz o car- 35

36 regamento do topside referente ao movimento de heave do navio. No início do contato as pernas estão alinhadas aos encaixes cônicos e aos amortecedores instalados nas pernas do topside, e o topside e as pernas da jaqueta entram em contato nos amortecedores A retração dos macacos hidráulicos continua e resulta na transferência de cerca de 50% do peso do topsides sobre as pernas da jaqueta, Com essa carga transferida o navio já não apresenta movimentos devido às ondas. Nesta fase, os amortecedores já estão sobre máxima compressão e o topside e as pernas da jaqueta passam a ter um contato aço com aço. Durante a rápida retração dos macacos hidráulicos, paradas devem ser evitadas. Esta etapa é considerada como um ponto de sem retorno (embora a operação permaneça teo- ricamente reversível) fazendo com que a jaqueta suporte o topside em uma configuração segura. Nesta fase, o navio, a jaqueta e o topside passam a se comportar como um único corpo. Continuação da transferência de carga: Após a primeira retração dos macacos hidráulicos, a operação de lastro do navio prosse- entre o navio e o topside, os macacos são gue. Para evitar qualquer movimento relativo progressivamente extendidos e um adicional de 20% da carga convés é progressivamente transferido para a jaqueta, mantendo uma carga mínima aplicada no navio. A transferência de cargas para a jaqueta, juntamente com o controle da localização do COG são realizadas pelo controle da configuração de lastro incluindo o efeito da maré, juntamente com o ajuste do sistema de macacos. Transferência da carga restante e separação do navio: Quando o lastro requerido tiver sido adicionado e os macacos estiverem extendidos no- eles são recolhidos pela segunda vez para transferir rapidamente os 100% da vamente, carga do topside para a jaqueta e criar a separação suficiente entre o convés do navio e o topside para evitar qualquer risco de impacto durante a remoção do navio. Remoção do navio: O calado do navio é ajustado, para se atingir uma distância mínima de 1500 mm entre o deck do navio e o topside, mantendo uma borda livre segura de pelo menos 1,0 m. O navio é então retirado da jaqueta com o auxílio de rebocadores que puxam 2 linhas de amarração preso a proa do navio que deixa o topside instalado na jaqueta (figura 33). 36

37 Figura 33 Topside instalado após a retirada da embarcação 37

38 7. Plataforma Spar O deck mating por floatover em spars sempre é um grande desafio, principalmente devido ao mating site que deve ser relativamente profundo. Até a pouco tempo atrás o deck mating de spars eram feitas com a utilização de cábrias. Entretanto uma nova a- bordagem vem ganhando força à poucos anos, que é o deck mating por floatover com a utilização de duas barcaças em uma configuração de catamarã. Com o recém crescimento offshore surgiram vários tipos de plataforma spar com o peso seco do deck box podendo variar entre toneladas e toneladas. Os topsides instalados por içamento em spars foram feitos por guindastes com capacidade de içamento que variava entre toneladas (um único guindaste) e toneladas (múltiplos guindastes). O deck box mais pesado instalado por içamento em uma spar foi o do spar Diana que tinha seu peso seco em torno de toneladas. Foram necessários cinco guindastes para a instalação deste deck box. Existem grandes vantagens, especialmente para grandes deck box, se o deck box for instalado por floatover. Algumas destas vantagens são: Vantagem em relação ao tempo e custo de integração e comissionamento dos módulos em terra e não no mar. Desacoplamento do planejamento de tempo de fabricação do convés da disponibilidade de navios cábrias. Existe uma longa história de sucesso em deck mating por floatover em águas abrigadas, essa história vem desde a plataforma Beryl da Móbil no mar do norte em 1975 que tinha um deck box de ton até o Hibernia HMDC, instalado no Canadá em 1997 com ton de deck box. Até recentemente, entretanto, apenas um floatover foi realizado havia sido feita em uma estrutura flutuante em águas abertas que foi o TLP Auger com ton de deck box em Em 2006 foi feita a primeira instalação de deck box por floatover em uma spar: a spar Kikeh. O deck mating foi feito numa lamina d água de 1320 metros na China. O peso do deck box era de toneladas. Este foi também o primeiro floatover feito com uma configuração de catamarã em águas abertas. O deck mating de toneladas da Hibernia citada anteriormente também foi feita com uma configuração de catamarã, porém em águas abrigadas. 7.1 Descrição da instalação do topside Preparação O floatover de uma spar segue o seguinte método de instalação: O casco da spar é rebocado até a sua posição final no mating site, colocada na posição vertical, preso nas amarras, lastrada para que seja alcançada a borda livre necessária para o deck mating. O topside é transferido para uma barcaça e rebocado para a base das operações de instalação. 38

39 Duas barcaças para o floatover são equipadas com a estrutura de suporte do topside e equipamentos de manobra são rebocadas para a base das operações de instalação. As barcaças do floatover são posicionadas entre barcaça de transporte, abaixo do topside. O offload do topside é feito pelo lastro da barcaça de transporte, transferindo todo o peso do topside para as barcaças do floatover, e então a barcaça de transporte é retirada. O topside é fixado às barcaças para que o conjunto se torne rígido e se comporte como um catamarã. O catamarã é rebocado para o mating site. Oito linhas de manobra / posicionamento são instaladas do catamarã para o casco da spar. O catamarã é puxado de encontro ao casco, fazendo com que o casco da spar se posicione entre os cascos do catamarã, fazendo assim o alinhamento entre os guias do topside com as pernas do casco da spar. A transferência de peso é feita pelo deslastro do casco da spar até que todo o peso do topside seja retirado das barcaças. O deslastro continua até que o calado de projeto seja atingido. As barcaças são retiradas Spar outfitting O casco da spar foi rebocado para o mating site com os seguintes componentes: Sistema de defensa (figura 34). Sistema de manobra / linhas de posicionamento. Sistema temporário de lastro / deslastro. Células de impacto (figura 35). Figura 34 sistema de defensa no lado sudoeste da spar 39

40 Figura 35 LMU (Célula de impacto) À sudoeste e a sudeste do casco são instalados defensas de borracha com o formato em V. Essas defensas são instaladas formando um ângulo de 45º com a direção da aproximação do catamarã e é usado como o guia inicial para a entrada do catamarã. A leste e oeste defensas similares são instaladas horizontalmente e verticalmente. O espaçamento entre o catamarã e as defensas de leste e oeste é que define as dimensões dessas defensas. Dentro de cada perna da spar em que o topside é apoiado existe uma célula de impacto com a função de absorver o impacto do carregamento vertical e horizontal entre o casco da spar e o topside durante a transferência de peso. O topo de cada célula de impacto é equipado com um cone que guia o topside. O impacto vertical é absorvido por uma série de camadas de borracha e placa de metal. O número de camadas e sua capacidade de compressão de terminam a curva de carga / compressão de cada célula de impacto. As quatro células de impacto são projetadas para suportar 80% da carga do topside antes de alcançar 700mm de compressão total. Dependendo de como o peso do topside é transferido e o centro de gravidade, a curva de carga / compressão de cada célula de impacto pode ser ajustada pela troca de camadas com diferentes taxa de compressão. O impacto da carga horizontal é absorvido por um anel de borracha que envolve o espaço entre o exterior da célula de impacto e o interior da perna. Uma vez terminada a transferência de carga a célula de choque continua na perna durante toda vida útil da spar, entretanto não é incluída como parte da concepção estrutural da perna. 40

41 7.1.3 Offload do topside e fixação. Após revisão da previsão meteorológica, condição do navio e procedimentos com a tripulação, capitães dos rebocadores e equipe de engenheiros, é tomada a decisão de iniciar o transporte e a manobra e floatover das barcaças em posição para o offload do topside. Com a barcaça de transporte posicionada é feita a o floatover da primeira barcaça que do futuro catamarã (figura 36). Após o floatover da barcaça esta é puxada em direção à barcaça de transporte por meio de guinchos até que a barcaça se posicione corretamente abaixo da estrutura do topside (figura 37) e sendo amarradas à barcaça de transporte. O procedimento para o posicionamento da segunda barcaça é idêntico ao da primeira barcaça (figura 38). Figura 36 Posicionamento da primeira barcaça do floatover sob o topside 41

42 Figura 37 Terminado o posicionamento das barcaças do catamarã, retiram-se as fixações do topside e a barcaça de transporte é lastrada até atingir 1 metro de distância entre a estrutura do skid a os guias do topside. Já com o peso do topside todo sobre o catamarã, é feito um ajuste do calado, banda e trim. Figura 38 Barcaça de transporte e barcaças do floatover em posição 42

43 A barcaça de transporte continua por baixo do topside, por permitir fácil acesso às duas barcaças, até o fim das instalações de todas as fixações e preparações para o reboque do catamarã Reboque do catamarã Devido ao catamarã ter uma boca tão grande como seu comprimento, ele apresenta pouca estabilidade direcional. Esta estabilidade direcional é fornecida por um rebocador preso na popa do catamarã. Enquanto dois rebocadores puxam o catamarã, um terceiro oferece resistência ao deslocamento, prevendo assim estabilidade direcional ao casco do catamarã (figura 39 e 40). Figura 39 Desenho esquemático do reboque do catamarã Figura 40 Reboque do catamarã 43

44 7.1.5 Pull-in do catamarã O catamarã é conectado a duas linhas para o pull-in (figura 41), a barcaça a leste é presa a linha #4 enquanto a barcaça a oeste é presa na linha #3. Um rebocador é conectado na popa da barcaça a leste, enquanto outro rebocador é conectado na popa da barcaça a oeste. O catamarã então é aproximado do casco da spar. O pull-in do catamarã consiste nos seguintes passos: Os rebocadores presos a popa das barcaças se posicionam no lado oposto da spar, mantendo sua posição com DP, e seus guinchos matem uma tensão constante nos cabos. Os rebocadores presos a proa das barcaças mantêm posição. O catamarã assim está posicionado para entrar de popa na spar. São então instaladas as linhas de manobra #8 e #1 no conector a nordeste e noroeste da spar. As linhas de manobra #7, #4, #5 e #2 são instaladas a sudeste e sudoeste. O catamarã é puxado até que a popa das barcaças passe próxima da spar. Figura 41 Operação de pull in A orientação das linhas de manobra permite que o pull-in das barcaças do catamarã seja controlado pelas linhas #4 e #5. O alinhamento transversal é controlado pelas linhas #2 e #7 até que a popa das barcaças passem pelo eixo leste-oeste da spar. A partir deste ponto as linhas #2 e #7 tornam-se pouco efetivas, enquanto que as linhas #1 e #8 tornam-se mais efetivas. Uma vez que a plataforma passa pelo eixo leste oeste, a operação de pull-in é momentaneamente interrompida, as linhas #2 e #7 são desconectadas, e reconectadas aos conectores a nordeste e noroeste respectivamente. O catamarã então é puxado para sua posição final com os cones guias do topside alinhados sobre as células de impacto. 44

45 Figura 42 Pull in rigging 7.2 Transferência de Carga A transferência de carga consiste das seguintes etapas: Instalação do sistema temporário de energia. Inicio da transferência. Diminuição do espaçamento entre os cones guias e as células de impacto ate seu encaixe. Retirada das estruturas de fixação quando a transferência de carga atingir aproximadamente 50%. Continuar o deslastro da spar até o topside se separar das barcaças e estas serem retiradas. Continuar o deslastro da spar ate que este alcance o calado de projeto. 45

46 Figura 43 Topside alinhado com a spar para o floatover Figura 44 Contato entre a spar e o topside 46

47 Figura 45 Separação do topside das barcaças Figura 46 Retirada das barcaças 47

48 Figura 47 Cone e LMU alinhados Figura 48 Contato entre o cone e o LMU 48

49 8. Potenciais Falhas Mecânicas em Deck Mating por Floatover O sistema de deck mating se desenvolveu ao longo do tempo tornando o sistema mais robusto e não propensos a falhas catastróficas. As potenciais falhas em sistemas de Deck mating podem ser divididas em dois grupos. O primeiro e de longe o menos provável pode ser chamado de Falha Funcional; o segundo a mais comum pode ser chamado de Falha em Cumprimento de Especificações. Falhas funcionais são mais dramáticas, potencialmente catastróficas, mau funcionamento do sistema que resulta em falha completa de um ou mais componentes. Os componentes falham em prover uma função básica de suportar um carregamento ou suportar uma carga dinâmica. Falhas de Cumprimento de Especificações incluem todos os outros tipos de falhas no sistema. 8.1 Falhas Funcionais Existem várias potenciais falhas funcionais em interesse: colapso estrutural, ligação do pino ou galling, instabilidade na coluna de elastômero, e assentamento em coluna de areia. Colapso estrutural resulta da falha em analisar corretamente os componentes estruturais de aço. Isto primeiramente resulta de uma falha em entender o carregamento entre as unidades do mating e a o perfil de pressão gerado pelos elastômeros. A falha em um pino pela batida devido à binding ou galling pode ser causada pelo arranjo das guias dos pinos, tolerâncias de fabricação, e pela falta de preparação da superfície do aço, entre outras causas. Um elastômero pode exibir instabilidade e deformação devido a inadequações das guias. Esta instabilidade é difícil de analisar e se limitará em entender os aspectos mecânicos envolvidos Falhas Estruturais Falhas estruturais podem ocorrer em qualquer componente de aço ou nos componentes dos elastômeros. As bases de elastômeros em compressão não possuem falhas catastróficas quando montada com borracha natural de alto-grau e colagem química entre o elastômero e as placas. A razão para isso é que a superfície de ligação está em um ângulo de 90º com a direção do carregamento vertical. Falha na colagem pode ter como resultado a perda total da capacidade de suporte de carga. O risco de uma falha estrutural vem surge da falta de conhecimento das cargas internas nas unidades do mating. O primeiro desses riscos vem do perfil de pressão da compressão dos elastômeros. Testes e análise em elementos finitos nos dizem que um elastômero em compressão apresenta uma distribuição de pressão não uniformidade. O pico da pressão é no centro do apoio. Isso deve ser levado em conta na análise da carga no receptor feita através dos elastômeros e dos stools. Uma vez a carga sendo bem determinada podemos analisar corretamente os elementos estruturais do sistema Piston Binding & Galling Uma unidade de deck mating é uma unidade funcional telescópica sendo carregada simultaneamente em vários eixos. Não há análise que possa assegurar essa função. Quando ocorre binding ou galling numa unidade, as conseqüências podem ser severas. No mínimo da curva de carregamento será rígida, mas a unidade pode bind inteiramente e atuar como um nó rígido. Isso pode induzir um grande aumento no percentual de carga 49

50 suportado por apenas uma unidade e pode resultar em graves danos na estrutura em volta. Existem duas propriedades que devemos seguir corretamente: boa orientação e preparação de superfície. Boa orientação do pino significa que devemos ter dois pontos de contato separados por uma distancia ao longo de todo comprimento do pino. Estes dois pontos de contato devem ter pequenas tolerâncias. Além disto, a distância entre esses dois pontos de contato deve ser suficiente para limitar as pressões abaixo da superfície que resulta em galling nos materiais. Normalmente, será na ordem de 1.5 x o diâmetro da unidade, porém esta relação depende da relação entre a carga vertical e a carga lateral. Segundo, preparação da superfície dentro do diâmetro do guia e fora do pino pode suavizar o movimento e prevenir o galling. Preparação de superfície deve ser comprovada através de teste de laboratório. Além disso, o aço onde ocorrerá o contato deve ser selecionado com a dureza e granulação específica para resistir ao galling Instabilidade no Elastômero Flambagem em colunas estruturais de aço é relativamente familiar e bem estudado. Porém, flambagem em uma coluna de pads de elastômeros empilhados é um fenômeno virtualmente desconhecido. Modelos analíticos foram desenvolvidos para determinar instabilidade. Como acontece em todas as formas de flambagem de colunas, os fatores que contribuem para a flambagem são não-lineares. O número de pads ou a altura do elastômero desempenham um papel primordial. Elastômeros baixos e largos são mais estáveis e elastômeros altos e estreitos são geralmente menos estáveis. Contudo, diferentes configurações podem resultar em diferentes modos de forma. Apenas o elastômero mais baixo e mais largo pode induzir o primeiro modo de flambagem em arco, outros arranjos de interesse no deck mating formam um modo de forma helicoidal S, o segundo modo, quando colocado sob carregamento. Elastômeros mais altos e estreitos podem formar altos modos de forma. Testes em modelos em escala conduziram os elastômeros para vários fatores de forma (relação diâmetro e espessura). Quando a carga é aplicada um modo de forma helicoidal em S formou-se quando certo numero de pads foram colocados sob carregamento. Isso geralmente considerado no segundo modo de flambagem. Com o aumento da carga, o modo de forma torna-se mais acentuado. Ao contrario da flambagem em coluna de aço, o modo de forma é quase-estável até uma determinada carga. Em um elastômero sem guia, entretanto a estabilidade está sujeita à aceleração por deformação. Sob carregamento constante, o modo de forma continua progressivamente com o fim das placas dos elastômeros quando o S torna-se um ângulo acentuado. A rigidez do elastômero decai drasticamente com o aumento do ângulo das placas, até que ocorre o colapso Assentamento em coluna de areia Assentamento em areia é utilizado desde os Egípcios para assentar pesados objetos em algum lugar. Seu funcionamento, entretanto tem uma razoável complexidade. Esse sistema tem sido usado em sistemas de deck mating sem relato de falhas; contudo testes em programas indicam que um aspecto importante deve ser considerado. Uma coluna de areia suportará uma carga substancial, mas irá assentar 10% quase instantane- 50

51 amente sobre uma vibração substancial ou impacto. Portanto deve ser feita uma compactação prévia da areia antes de sua instalação no Leg Mating Unit. Uma coluna de areia compactada de forma incorreta pode ceder quando houver o impacto da barcaça em uma defensa ou no contato com um pino. Isso afetaria bastante o abaixamento do Leg Mating Unit. Algumas colunas de areia podem ter muitos metros de altura e só ter a capacidade de assentar centenas de milímetros. Este sistema é usado para realizar o assentamento final do topside na direção do topo dos pinos. O uso deste sistema tem uma grande vantagem, o de eliminar o impacto entre o chanfro da solda do topside e o topo dos pinos. 8.2 Falha de Cumprimento de Especificações Sistemas de deck mating são projetados para ser uma estrutura robusta e geralmente não sujeita a danos catastróficos. Existe, entretanto, um potencial significante para atrasar projetos ou danificar estruturas de plataforma pela concepção inadequada da unidade ou pela falta de testes. Erro primário em estabelecer a curva de carregamento do elastômero a ser usado, e prever corretamente como o elastômero irá se comportar na unidade completamente montada. Dois itens críticos são o efeito do peso próprio da unidade nos elastômeros e a adequada determinação do ponto zero de carregamento. Ao contrário de uma mola linear, as características não-lineares da compressão dos elastômeros são sensíveis as condições iniciais e não possuem o mesmo comportamento durante a carga e descarga sobre todas as condições. Em uma mola linear, o peso próprio da mola e o peso de qualquer componente carregado nela não afeta sua atuação. Ela continua sendo constante. Uma curva não-linear é muito macio para deformações iniciais, tal que o peso da unidade pode causar uma substancial deflexão. Propriedades da deformação visco-elástica podem aumentar esta deflexão, movendo o ponto zero do previsto. Existem outros aspectos técnicos nas características dos componentes dos elastômeros no sistema de mating. A temperatura afeta tanto na rigidez das unidades quanto na sua expansão térmica. Uma unidade pode ter um aumento ou diminuição na sua rigidez de mais de 5% como resultado da variação de temperatura durante o teste da unidade. Temperaturas mais baixas do que as registradas nos testes resulta em aumento da rigidez. Adicionalmente a unidade irá contrair sobre temperaturas mais baixas. Portanto os efeitos da temperatura devem ser considerados na determinação da rigidez. Estes aspectos são especialmente críticos onde o sistema de areia não pode ser usado. Em tais casos, as pernas do topside fazem contato com os pinos sob carregamento. Imprecisões nas curvas de carregamento devido à falha por conta dos fatores mencionados podem resultar em falha na aproximação do deck leg, em aumento do carregamento dinâmico ou aumento da tensão local. Abaixo temos uma introdução de algumas complexidades de uma curva de carregamento não-linear de um elastômero. Depois disso, questões da determinação do ponto zero, efeitos do peso próprio na curva de carregamento e efeitos da temperatura serão discutidos Load Curve Properties A curva de carregamento de um elastômero sob compressão é diferente a uma curva de uma mola linear. Ela é muito mais complexa, porém uma vez entendido pode ser usada de forma tranqüila no projeto de sistemas de mating para fornecer consistência 51

52 e vantagens no desempenho. A primeira diferença é que a curva de carregamento é altamente não-linear, sendo macia no inicio da deflexão e aumentando sua rigidez por uma ordem de magnitude de 25-30%. Além disso, a curva não tem o mesmo comportamento em ciclos de carga e descarga, mas exibe histerese na absorção de energia, ou seja, consiste em que estes não recuperam logo, totalmente, a forma primitiva, após cessar o esforço elástico, o que resulta numa leve deformação que pode ser permanente. Esta propriedade de absorver energia reduz a severidade e o número de impactos, e a- mortece os movimentos da barcaça. Finalmente, a curva de carregamento muda dependendo do condicionamento do pad, exigindo que um pad deva ser condicionado através de cargas cíclicas antes do seu uso. A curva de carregamento normalmente cai em três regimes: scragging, Efeito de Mullin, e Pós Condicionado Repetitivo. A visco-elasticidade fornece a grande característica da curva de carregamento quase-estática. Scragging: O scragging ocorre durante os instantes iniciais que um molde novo é comprimido. Durante a compressão inicial, ocorre a ruptura em cadeias cruzadas de carbono. Uma vez ocorrido o scragging essas partes perdem permanentemente uma pequena porcentagem de sua altura. Esta propriedade não é vista novamente após o condicionamento inicial. Nenhum pad deve ser usado sem ser anteriormente solicitado no mínimo cinco vezes com o carregamento máximo de projeto. Efeito de Mullin: O efeito de Mullin é decorrente da redução temporária da rigidez devido a ruptura das cadeias de carbono durante a compressão. O processo ocorre sobre a primeira compressão de uma parte que tenha sido descarregada alguns minutos antes. Este efeito resulta na temporária, porem repetitiva redução da altura em 10% em deflexão. Isso é normalmente induzido por uma substancial compressão tanto estático quanto dinâmica. Curva repetitiva: A repetibilidade da curva de carregamento quase-estática é alta caso o pad tenha sido condicionado. O condicionamento do pad é geralmente feito após ser comprimido várias vezes para que ocorra o sragging. O efeito de Mullin é induzido pela compressão da parte que tenha ocorrido previamente o scragging através de algumas compressões (na média três) ou mantendo o pad sobre substancial carregamento (20% da carga estática é suficiente). Após isso, o ponto zero da curva é bem determinado e o comportamento do carregamento-deflexão é altamente repetitivo sobre uma larga variedade de condições de carregamento. Visco-Elasticidade: O último fator que contribui para variações no comportamento do carregamentodeflexão é a visco-elasticidade, que é composta de escoamento de fluido temporário e permanente do material sobre carregamento. A porção temporária, deformação viscoelástica, é o componente temporário que inclui a grande maioria do comportamento da deformação. A deformação global é uma função logarítmica. Após uma decaída inicial de rápida deformação, a variação da deformação reduz numa ordem de magnitude a cada decaída no tempo geralmente numa função linear. Esta pequena deflexão adicional 52

53 é geralmente descontada no projeto de sistemas de mating, e considerada como uma pequena deflexão ao longo do tempo na operação de floatover. A título de exemplo, especificações exigem que a tava de deformação deve ser menor que 1% na primeira hora. Depois disso, 2% de deformação são alcançados apenas na décima primeira hora, e 3% na centésima décima primeira hora. Esse tempo é reduzido se a carga não for constante. Durante as 4-6 horas de carregamento cíclico de um floatover, a deformação geralmente resulta em menos de 1% de diminuição da rigidez efetiva da unidade de mating Efeitos do Peso Próprio da Unidade Um elastômero funciona como um arranjo de molas em série. Contudo, uma vez que a curva de carregamento é não-linear com uma baixa rigidez para deflexões inicial, o peso dos componentes da unidade pode induzir substancialmente na precisão da determinação do comportamento do elastômero. O efeito é um aumento na rigidez. Como cada pad tem peso ligeiramente diferente entre si, a curva final de carregamento é muito difícil de prever apenas por cálculos. Ajustes podem ser necessários durante os testes com a unidade montada. Pads sobressalentes de varias rigidez podem ser necessários para ajustar a curva de carregamento Determinação do Ponto Zero Devido à relativa baixa rigidez em deflexões iniciais, a determinação do ponto zero para de um pad apenas é muito difícil. Em uma mola linear, uma linha reta pode ser traçada. Entretanto, a curva de formato não-linear e a diminuição da precisão do carregamento fazem a determinação do ponto zero ser muito difícil. Além disso, quando temos camadas em série a imprecisão aumenta. Ouro fator importante é a determinação do peso próprio mencionado acima, atua induzindo uma deformação no elastômero. Isso move o ponto zero através do tempo. Todavia um pad bem condicionado não fica sujeito a deformações substanciais após a montagem da unidade Efeito da temperatura A temperatura afeta a desempenho dos elastômeros de duas maneiras. A diminuição da temperatura aumenta a rigidez e contrai a unidade. O efeito nessas duas propriedades só ocorre numa variação grande de temperatura. Esses fatores ocorrem em condições de variação extrema de temperatura entre o local de testes e o local de instalação do topside. Esta é uma consideração importante a ser feita para que os testes seja feito em uma temperatura que não varie muito da temperatura da época do mating. 53

54 9. Conclusões O método de floatover método é comprovadamente uma boa tecnologia e apresenta um grande número de vantagens que reduzem a integração e tempo de comissionamento e o custo da instalação de um topsides. Este método é adaptado para instalações de unidades fixas e flutuantes. Essas vantagens podem ser listadas como abaixo: Permite a instalação do topside em águas rasas onde não há calado suficiente para a cabria operar. Este método permite a instalação quando o topside é pesado demais para as cabrias disponíveis. A estrutura do topside é concebida baseada em um arranjo modular, que incluem suporte para a construção do topside, loadout e fixações para o transporte. A operação dos macacos hidráulicos no, caso das jaquetas, é completamente reversível. O sistema de macacos hidráulicos possui um alto nível de redundância para atuar em diversas operações incluindo o levantamento do topside, load out e instalação offshore. Associado a um navio auto propelido, permite um tempo de transporte mais curto para o mating site quando comparado à combinação de barcaça-rebocador, garantindo assim uma maior velocidade de serviço e menor sensibilidade às condições metereológicas, alem de menores acelerações. O método considerado reduz o trabalho de integração e pré-comissionamento offshore pelo completo trabalho onshore comparado ao topside projetado no sistema de içamento de módulos. Reduz os custos de instalação quando comparado com a instalação feita por cabrias. 54

55 10. Referências 1. C Tribout, D Emery, P Weber, and R Kaper, Float overs Offshore West África, paper OTC 19073, Offshore Technology Conference J Hamilton, R French and P Rawstron, Kellogg Brown & Root Energy and Chemicals, Topsides and Jacket Modelling for Floatover Installation Design, paper OTC 19227, Offshore Technology Conference D Emery, L Ferron, J Naudin, P Thomas, P Weber, Mating of the Topsides onto the Lower Hull P52 Semi-Submersible, paper OMAE 57869, Offshore Mechanics and Artic Engineering S Byle, Potencial Failure Mechanisms in Floatover Deck Mating Systems, paper OTC 19047, Offshore Technology Conference JV Maher, I Prislin, JC Chao, JE Halkyard, LD Finn, Floatover Deck Installation for Spars, paper OTC 12971, Offshore Technology Conference D Edelson, M Luo, J Halkyard, D Smiley, Kikeh Development: Spar Topside Floatover Installation, paper OTC 19639, Offshore Technology Conference