INSPEÇÃO EM LINHAS DE ANCORAGEM DE UNIDADES DE PRODUÇÃO Ricardo Célio Freire Gonçalves Luís Cláudio Sousa Costa Petróleo Brasileiro SA PETROBRAS Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.
SINOPSE Há cerca de 10 anos a PETROBRAS decidiu empregar unidades flutuantes para produção de campos de petróleo em caráter permanente. Em alguns casos a tecnologia de ancoragem existente não fornecia as condições mais convenientes para o desenvolvimento dos campos encontrados, tendo a PETROBRAS decidido pela implantação de alguns novos conceitos, como ancoragem "taut leg", o uso de cabos de poliéster e âncoras de carga vertical. O uso de materiais não convencionais em sistemas de ancoragem de plataformas traz, ao mesmo tempo, enormes vantagens competitivas e desafios, tais como, viabilizar uma economia da ordem de 30 milhões de dólares no desenvolvimento do campo de Marlim e por outro lado, não ter qualquer referência para previsão de desempenho a longo prazo, uma vez que a PETROBRAS possui as instalações mais antigas do mundo usando esta tecnologia. Sob este aspecto a inspeção destes elementos toma uma importância capital, pois, existem hoje 9 unidades ancoradas na Bacia de Campos usando estes novos conceitos e todas as unidades em estudo para implantação, também, dependem destes mesmos materiais para ancoragem. É apresentada a experiência obtida pela PETROBRAS na inspeção de sistemas de ancoragem de unidades flutuantes de produção nos últimos dez anos, os programas de inspeção / manutenção adotados e alguns resultados já obtidos. 1. DEFINIÇÕES Amarra corrente utilizada para ancoragem de unidades flutuantes Ancoragem convencional Sistema de ancoragem cujas linhas se apresentam em catenária e mantém a posição através da força induzida pelo desequilíbrio das configurações geométricas das linhas, contrabalançando as forças ambientais (fig. 1). Ancoragem taut leg Sistema de ancoragem cujas linhas se apresentam atirantadas e mantém a posição através da força induzida pela deformação elástica dos cabos de poliéster contrabalançando as forças ambientais (fig. 2). Cabo de poliéster Cabos de fibra sintética trançados, usados em ancoragem pelo baixo peso e capacidade de absorver as cargas ambientais, transformando-as em deformação elástica (fig. 3). ROV Veículo operado remotamente. Robô submarino, dotado de câmera de vídeo e manipuladores. Spiral strand Tipo de construção especial de cabos de aço onde as camadas sucessivas de fios são torcidas em direções opostas, gerando um cabo balanceado ao torque e muito sensível a danos no manuseio. 2. INTRODUÇÃO Define-se como um sistema de ancoragem, um conjunto de elementos capazes de manter uma unidade flutuante em uma posição de equilíbrio sem auxílio de propulsão. Normalmente, um sistema de ancoragem é composto por um conjunto de linhas, sendo cada linha composta de um ponto fixo no solo marinho (âncora) e elementos que conectam este ponto à unidade. Estes elementos de ligação podem ser compostos de amarras, cabos
de aço e ou cabos de poliéster. Apesar dos sistemas de ancoragem serem projetados com fatores de segurança e redundância, geralmente, para suportar toda a vida de projeto da Unidade na locação, é necessário inspecionar periodicamente suas linhas, para garantir a integridade dos elementos que as compõem. É também uma exigência das Sociedades Classificadoras para manutenção do Certificado de Classe da Unidade, considerado imprescindível para a licença de operação fornecida pelas autoridades ambientais. 3. HISTÓRICO Os critérios de inspeção adotados pelas Sociedades Classificadoras, inspeção de todas as linhas do sistema a cada 5 anos, são adequados para Unidades móveis, usadas na perfuração e completação de poços. Estas permanecem ancoradas na mesma posição por períodos da ordem de meses. Neste caso é, portanto, fácil ter acesso aos elementos do sistema a bordo das embarcações de manuseio, cumprindo-se assim o requisito mencionado acima. Quando se passa a considerar Unidades de porte muito maior, capazes de suportar uma planta de processo para 180 mil barris de petróleo por dia, permanecendo no mesmo local por 20 anos, em princípio, com as linhas de ancoragem projetadas à corrosão e fadiga para trabalharem todo este tempo, os requisitos são muito mais específicos. Para tanto os Planos de Inspeção são desenvolvidos individualmente para cada Unidade e apresentados para aprovação da Sociedade Classificadora. Quando há ocorrência de anormalidades, o Plano é analisado para verificar a necessidade de inclusão de novas tarefas ou alteração da periodicidade. Os Planos de Inspeção procuram sempre minimizar o manuseio das linhas para inspeção, pois, além de ser um procedimento caro, da ordem de US$ 80 a 200 mil, experiências anteriores mostraram que, é alta a probabilidade de introdução de descontinuidades nos elementos das linhas de ancoragem durante a execução da inspeção. As formas de evitar a retirada de linhas são o uso de inspeções por ROV, a introdução de corpos de prova na linha e o super-dimensionamento de alguns elementos A grande vantagem do uso de ROV é a possibilidade de inspecionar todas as linhas do sistema rapidamente e a um custo menor do que a remoção de uma única linha. Por outro lado, por ser uma inspeção visual, fica-se limitado à detecção e descontinuidades externas e de grandes dimensões. Os corpos de prova são componentes provisórios do sistema, com as mesmas características de um determinado elemento permanente. Eles são removidos periodicamente para uma avaliação indireta dos danos acumulados nos elementos que permanecem instalados. Este método está sendo empregado para a avaliação dos cabos de poliéster, para os quais não há registro de desempenho de longo prazo, pois a Petrobras é a empresa que aplica esta tecnologia há mais tempo na indústria (fig. 4). Além do pioneirismo da PETROBRAS, não se dispõe, até a presente data, de uma técnica confiável para inspeção de cabos de poliéster em operação, que não seja a inspeção visual. Os intervalos de tempo adotados para retirada dos corpos de prova são de 1,0 ano após a instalação do sistema de ancoragem, e a seguir a cada 2,5 anos. O superdimensionamento, por razões técnicas (excesso de peso) e econômicas, só pode ser
adotado em pequenos trechos dos elementos. Normalmente escolhe-se o trecho enterrado para adoção desta técnica, instalando um dispositivo de conexão e desconexão submarino em um ponto logo acima do afloramento da linha de ancoragem no solo marinho. Os cabos de aço, com diâmetros da ordem de 100mm e comprimentos de algumas centenas de metros, apresentam construções de 6 pernas ou spiral strand, com galvanização do tipo pesada. Tem-se complementado a inspeção visual dos mesmos com inspeções eletromagnéticas, de acordo com a norma PETROBRAS N-2566 (1), sendo utilizado o critério de rejeição estabelecido na norma API RP 2I (2). Estas inspeções são realizadas por amostragem (normalmente duas linhas) a intervalos de tempo pré-definidos. A partir dos resultados obtidos em cada inspeção, define-se um novo intervalo de tempo para uma próxima inspeção, nos cabos das linhas remanescentes. As amarras, assim como os cabos de aço, são inspecionadas, por amostragem, em intervalos de tempo pré-definidos. As inspeções e os critérios de aceitação adotados são os estabelecidos na norma API RP 2I. 4. RESULTADOS A seguir, são apresentados alguns resultados de inspeções realizadas em componentes de linhas de ancoragem de unidades de produção, instaladas na Bacia de Campos. Não é pretensão deste trabalho, mostrar os resultados de todas as inspeções realizadas. Os resultados aqui mostrados têm como objetivo exemplificar as inspeções dos principais componentes que constituem uma linha de ancoragem. Cabos de poliéster Durante a instalação dos primeiros cabos de poliéster, foi observado que, no toque dos cabos no fundo do mar, especialmente quando ainda não completamente encharcados com água, havia a penetração de partículas do solo marinho. Quando estas partículas eram muito finas (argila) o efeito nocivo era pequeno porém, há uma queda acentuada nas propriedades quando se trata de partículas de areia. Os filamentos de poliéster são cortados pelas arestas dos grãos de areia, reduzindo em mais de 30% a resistência à tração do cabo. Para minimizar este problema, nos cabos adquiridos hoje, existe um filtro protetor entre a jaqueta externa e os sub-cabos que compõem a alma de um cabo de poliéster (fig. 3). Até a data atual, já foram retirados e avaliados corpos de prova de três unidades de produção (P-19, P-26 e P-27}, com 1,0 e 2,5 anos de operação. Todos os corpos de prova foram submetidos a inspeções visuais e testes de ruptura, para avaliação da resistência residual. Os resultados dos testes de ruptura são apresentados na TABELA I. Observa-se que os corpos de prova retirados das plataformas P-19 e P-26 apresentaram, de forma aleatória, resultados superiores e inferiores à carga de ruptura de projeto, não indicando uma tendência de queda das propriedades com o tempo de operação. Os resultados obtidos abaixo da carga nominal mínima de ruptura (MBL) estão associados a problemas de fabricação das terminações dos cabos, já detectados e corrigidos (3). Os resultados obtidos nos corpos de prova retirados destas duas unidades mostram que, os cabos de poliéster de todos os dois sistemas de ancoragem encontram-se em condições de permanecerem em operação, dentro dos limites de segurança estabelecidos por projeto.
Os corpos de prova retirados da P-27, após 1,0 e 2,5 anos de operação, apresentaram a presença de organismos marinhos no espaço entre a capa e alma dos cabos. Devido às características abrasivas destes organismos, verificou-se que os mesmos provocaram o corte de filamentos de poliéster da alma do cabo, em um volume que não compromete, TABELA I RESULTADOS DOS TESTES DE RUPTURA REALIZADOS NOS CORPOS DE PROVA DE CABOS DE POLIÉSTER, RETIRADOS APÓS 1,0 E 2,5 ANOS DE OPERAÇÃO, DAS PLAT AFORMAS P-19, P-26 E P-27. PLATAFORM A MBL NOMINAL (t) TESTE 1,0 ano (t) TESTE 2,5 anos DESVIO (%) (t) 1,0 ano 2,5 anos P-19 710 672 750-5,4 5,6 P-26 710 814 692 14,6-2,5 P-27 630 658 600 4,4-4,8 ainda, a integridade dos mesmos. Apesar dos resultados dos dois corpos de prova retirados, apresentarem uma tendência de queda na carga de ruptura dos cabos, ainda é prematuro, afirmar que esta redução de propriedade está associada, única e exclusivamente à presença destes organismos. Acredita-se que exista uma contribuição significativa do processo de fabricação das terminações dos corpos de prova na redução da carga de ruptura dos mesmos, a exemplo do que ocorreu nos corpos de prova retirados dos sistemas da P-19 e P-26. Este fenômeno encontra-se ainda sendo estudado, com várias dúvidas a respeito do processo, tais como : Não se sabe ainda se este processo de deterioração é contínuo ou para após uma fase de dano inicial, qual o efeito que o filtro contra a penetração de areia vai ter neste fenômeno, pois, nenhum corpo de prova com este dispositivo foi analisado até o momento. Outros aspectos como profundidade, localização da Unidade na Bacia de Campos e fabricante do cabo ainda estão sendo analisados buscando alguma correlação, porém, a quantidade de eventos disponíveis ainda é pequena (corpos de prova de uma plataforma e uma monobóia onde ocorre o problema e de duas plataformas onde ainda não foi constatada a presença de organismos no interior do cabo). Um dos maiores problemas que se tem enfrentado com cabos de poliéster, é o corte dos mesmos por cabos de aço. Até a data atual, 9 cabos de poliéster foram cortados por cabos de aço instalados em barcos, que realizavam operações dentro dos limites do sistema de ancoragem com cabos de poliéster. Considerando que já foram instaladas 152 linhas com cabos de poliéster na Bacia de Campos, o dano causado por corte representa 5,9% dos cabos instalados. Face ao exposto acima, estabeleceu-se um procedimento na PETROBRAS, o qual estabelece que os cabos de trabalho utilizados por embarcações que irão operar dentro de um sistema de ancoragem com cabos de poliéster, obrigatoriamente devem ser de cabos sintéticos.
Cabos de Aço Foi realizada a inspeção eletromagnética de um cabo de aço, retirado de uma das linhas da P-18, após 5,5 anos de operação, período estabelecido para a primeira inspeção. Os resultados mostraram que o cabo sofreu uma redução máxima de sua seção reta metálica de 3 % quando comparado com um cabo novo (4). Face a baixa redução de área apresentada, foi estabelecido, junto com a Sociedade Classificadora, um período de mais 5 anos para uma nova inspeção. Este resultado encontrado para o cabo de aço da P-18, tem sido usado como referência para estabelecer os intervalos de inspeções de outras unidades que operam com cabos similares. Apesar disto, como toda a camada de revestimento de zinco do cabo, havia sido consumida, espera-se uma taxa de corrosão maior nas próximas inspeções, portanto, decidiu-se fazer a retirada de mais um cabo para inspeção após 7 anos de operação. Além disto está prevista para este ano a inspeção de 3 cabos com 10 anos de operação, instalados na plataforma P-20. Pretende-se assim obter novos pontos na curva de deterioração de cabos de aço para ancoragem na Bacia de Campos. A associação de cabos de poliéster com cabos de aço não balanceados tem se mostrado inadequada para instalações de longa duração. Os cabos de aço normalmente utilizados nas operações marítimas são cabos de 6 pernas com alma de aço independente. As extremidades destes cabos tendem a girar quando submetidas a variação de carga. As variações de cargas nos sistemas de ancoragem são constantes devido à passagem de ondas a cada poucos segundos. O cabo de poliéster não tem resistência á torção, permitindo o giro da extremidade do cabo que porventura esteja conectada a ele. Os cabos de aço trabalhando nestas condições podem falhar à fadiga em um tempo 9 vezes menor do que os submetidos às mesmas cargas, porém com as extremidades impedidas de girar(5). Amarras Os intervalos das inspeções nas amarras têm seguido um procedimento semelhante ao adotado para os cabos de aço. Resultados recentes, mostraram que as amarras começam a apresentar problemas localizados após 10 anos de operação. Provavelmente, devido a diferenças de propriedades entre os elementos, que geram pilhas galvânicas em pontos localizados. Entretanto, este foi um fato isolado, não devendo ser encarado como uma constatação. 5. CONCLUSÕES A adoção da utilização de corpos de prova instalados nas linhas de ancoragem, para avaliarem o desempenho dos cabos de poliéster, tem se mostrado uma ferramenta de grande importância como complemento às inspeções visuais. Por permitirem a avaliação da parte interna dos cabos de aço, a inspeção eletromagnética, tem permitido uma tomada de decisão quanto aos prazos de inspeção, com maior confiabilidade.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) N-2566-Inspeção Eletromagnética de Cabos de Aço. Norma Petrobras. Mar/2000. (2) API RP 2I (1997) In-Service Inspection of Mooring Hardware for Floating Drilling Units, 2st edn., American Petroleum Institute, Washington, D.C. (3) Costa, L.C. et all, Avaliação dos Corpos de Prova Retirados das Plataformas P-19, P- 26 e P-27 após um Ano de Operação, Relatório Projeto Pesquisa 02.08.05, ago/1999. Petrobras/CENPES. (4) Costa, L. C., Gonçalves, R. C. F., Pinto, P. H. L. e Souza, H. V., CT/CENPES/TMEC- 098/00, Inspeção Eletromagnética do Cabo de Aço Retirado da Linha #8 do Sistema de Ancoragem da P-18, jun/2000. (5) The University of Reading, Reading Rope Research, Club II, Final Report, 1999. Figura-1. Desenho esquemático de um sistema de ancoragem convencional. Figura-1. Desenho esquemático de um sistema de ancoragem convencional (em catenária).
Figura-2. Desenho esquemático de um sistema de ancoragem em taut-leg Figura-3. Desenho esquemático de um cabo de poliéster Ultraseven de fabricação da Cordoaria São Leopoldo.
Figura-4. Desenho esquemático, mostrando a inserção de corpos de prova de cabos de poliéster em uma linha de ancoragem.