BR112015028207B1

BR112015028207B1 - Dispositivo de carenagem e método para a montagem, armazenagem e posicionamento de dispositivo de carenagem

Info

Publication number: BR112015028207B1
Application number: BR112015028207-5A
Authority: BR
Inventors: Kjetil SKAUGSET
Original assignee: Statoil Petroleum As
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2022-05-10
Also published as: AU2013393599B2; BR122020015734A8; AP2016009013A0; US20190203852A1; EP3016849B1; US20160102783A1; CA2911058C; US10690265B2; EP3536598B1; AU2013393599A1; US10274107B2; BR112015028207B8; CA2911058A1; BR122020015734A2; CN105307929A; EP3016849A1; BR112015028207A2; EP3536598A1; WO2015000513A1

Abstract

CARENAGEM E MÉTODO. Um dispositivo de carenagem para a redução de vibrações ou movimentos induzidos por vórtice e para minimizar o arrasto em torno de um elemento substancialmente cilíndrico, imerso em um meio fluido, compreendendo uma carenagem rotativamente fixada em torno do elemento cilíndrico, a carenagem compreendendo uma cápsula com um formato de seção transversal principalmente cilíndrico, com um diâmetro externo (D) em seguida ao diâmetro externo do elemento cilíndrico, de um ponto de estagnação para cima de 0 graus a pelo menos ± 90 graus e que a ± 90 graus continua como duas partes semelhantes a aleta em uma direção para a popa, por meio do que as partes semelhantes a aleta são convexamente curvadas em direção à popa de ± 90 graus, assim afilando em direção entre si e definem uma abertura ou vão extremo traseiro menor do que a altura de afastamento da carenagem. Um método para fixação, armazenagem e posicionamento do dispositivo de carenagem é também descrito.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se genericamente à redução de vibração induzida por vórtice (“VIV”) e, mais particularmente, a um dispositivo de carenagem para a redução de VIV em tubos ou outros componentes estruturais imersos em um fluido e método para armazenagem e posicionamento de dispositivos de carenagem.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] A busca por reservas de óleo e gás, através das diversas décadas passadas, resultou na necessidade de exploração em águas cada vez mais profundas. Isto, por sua vez, tem conduzido à necessidade de produtores fora da costa para construir estruturas que possam suportar fortes correntes oceânicas, que pudessem ameaçar a integridade estrutural dos oleodutos, risers ou outros componentes imersos.

[0003] As oscilações VIV dos risers são sabidas aumentar o arrasto e têm conduzido a fadiga estrutural. Um meio provado de suprimir esta vibração e o uso de carenagens e verdugos. Estas coberturas essencialmente modificam o fluxo ao longo do cilindro, disparando a produção de vórtices de Karman, de modo que eles atuem menos coerentemente ou bastante longe a jusante, de modo que eles interajam menos com o corpo. Na técnica anterior existente há dois tipos gerais de estruturas, verdugos helicoidais e carenagens, para a supressão da VIV ou movimentos induzidos por vórtice (VIM) em torno de objetos imersos dispostos verticalmente, tais como risers ou outros elementos de construção de apoio.

Verdugos Helicoidais

[0004] Os verdugos helicoidais são fixados no lado externo de uma estrutura, a fim de suprimir a VIV alterando o padrão de mudança de vórtice, bem como a correlação dos vórtices mudados ao longo do comprimento do espécime. A mais comum geometria de verdugo helicoidal comum é o verdugo de três-partidas. Este consiste de três perfis triangulares ou trapezoidais, que são helicoidalmente enrolados e se estendem ao longo do comprimento do espécime. Os perfis podem ser permanentemente fixados ao espécime ou, mais comumente, fixados usando-se módulos que são presos ao espécime. Independentemente do método de fixação, os verdugos helicoidais não são projetados para deslocarem-se de qualquer forma durante a operação, porém, sem dúvida, permanecer em uma posição estacionária relativa ao objeto. Dois parâmetros principais definem o formato global dos verdugos: relação de passo (P/D) e altura de verdugo (h/D), onde P designa o passo do verdugo em relação à direção principal de fluxo, D é o diâmetro externo do cilindro e h é a distância da seção transversal externa do membro de cilindro para a ponta do verdugo. Além disso, a geometria local do próprio perfil de verdugo caracteriza os verdugos helicoidais.

Carenagens:

[0005] As carenagens são fixadas a um membro estrutural, a fim de alterar o padrão de mudança do vórtice daquele membro, quando sujeito a fluxo de fluido ambiental. As carenagens são fixadas de uma maneira que as permitam girar em torno do centro do membro estrutural (por exemplo, um riser de perfuração marinha) a que elas são fixadas. Isto permite que a carenagem se alinhe coma direção do fluxo ambiente. Vários projetos de seção transversal de carenagens existem hoje em dia.

[0006] Em adição, outros meios de suprimir a VIV também existem, tais como ovéns perfuradas, porém todos ressentem-se de alguns aspectos negativos, que favorecem os dois grupos de concepções acima a serem usados largamente na indústria hoje em dia.

[0007] Tais sistemas da técnica anterior, como mencionados acima, são documentados na literatura e são dados a seguir. Livros e papéis na supressão de vibrações induzidas por Vórtice e métodos de supressão de VIV: • Sarpkaya, T. 1979, “Vortex-induzed oscillations”, Journal of Applies Mechanics 46, pgs. 241 - 258. • Blevins, R. D., 1990, Flou-induced Vibrations. Van Nostrand Reinhold: New York, USA • Griffin, O.M. & Ranberg, S.E., 1982, “Some recent studies of vortex shedding with application to marine tubulars and risers”, ASME Journal of Energy resources Technology,104, pp. 2 - 23. • Bearman, P.W., 1984, “Vortex shedding from oscillating bluff bodies”, Annual review of Fluid Mechanics, 16, pp. 195-222. • Zdravkovich, M.M., 1997, Flow around circular cylinders, Vol. 1: Fundamentals, Oxford University Press: London, UK. • Naudascher, E & Rockwell, D., 1993, Flow-Induces Vibrations: An engineering Guide. Balkema: Rotterdan, Netherlands. • Faltinsen, O.M., 2005, Hydrodynamics of High-Speed Marine Vehicles. Cambridge University Press. • kristiansen, T., 2009. Two-dimensionalnumerical and experimental studies of piston-mode ressonance. Ph.D. thesis, norwegian University of Science and Technology. • Newman, J.N., 1977, Marine Hydrodynamics. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts. • Sumer, B.M. & Fredose J., 1997, Hydrodynamics around Cylindrical Structures. World Sientific: Singapore. • Skaugset, K. B., 2003, On the Suppresion of Vortex Induced Vibrations of Circular Cylinders by Radial Water Jets, Ph. D. Thesis, Norwegian University of Science and Technology.

[0008] A publicação de patente neste campo inclui o seguinte: US5410979, US 5421413, US5984584, US6010278, US6067922, US6179524B1, US61976768B1, US6223672B1, US2006/0021560A1 e EP2049805B1.

[0009] A seguir, o status da técnica anterior mencionada é explicado em mais detalhes. Em termos de verdugos helicoidais conhecidos da técnica anterior, os seguintes aspectos e limitações devem ser observados:

[0010] Capacidade de suprimir vibrações induzidas por vórtice (VIV):

[0011] Dimensões específicas de verdugos helicoidais são necessárias para obterem-se características de supressão de VIV apropriadas. O passo e a altura do verdugo são parâmetros vitais. Em geral, aumentando-se a altura do verdugo tem-se um efeito positivo sobre a supressão das características das VIV. Entretanto, isto advém com o preço de elevadas forças de arrasto.

Elevadas forças de arrasto:

[0012] Como explicado acima, os verdugos helicoidais aumentarão as forças de arrasto sobre o membro estrutural. Isto representa um problema de capacidade estrutural, bem como limitações operacionais potenciais. No caso de um riser de perfuração marinho, isto pode limitar a operação em termos de pretensão, limitações de ângulo de topo e base e tensão máxima no riser. Como resultado, a unidade de perfuração pode ser forçada a suspender as operações de perfuração em correntes fortes.

[0013] Em termos de carenagens e, em particular, carenagens marinhas conhecidas da técnica anterior, os seguintes aspectos e limitações devem ser observados:

Capacidade de suprimir vibrações induzidas por vórtice (VIV):

[0014] A razão principal para fixar a carenagem como um dispositivo de supressão de VIV é reduzir as vibrações e fadiga de material na estrutura. Entretanto, as carenagens existentes têm variável desempenho de supressão. Por exemplo, a janela de condição de fluxo, em que carenagens da técnica anterior funcionam como desejado, é limitada. Quando a condição de fluxo experimentada (tal como correntes oceânicas) não é determinística, porém varia de magnitude e direção para um dado local, é vital obterem-se excelentes características de supressão de VIV para todas as condições operacionais. Em consequência, um projeto de carenagem, que somente trabalhe em uma janela de condição de fluxo específica, é indesejável.

Estabilidade global:

[0015] As carenagens existentes podem tornar-se globalmente instável para condições de fluxo de corrente específicas. Isto é um fenômeno de ressonância. Os movimentos associados com tal instabilidade global podem ser devastadores para um membro estrutural. Os movimentos tornar-se-ão consideravelmente maiores do que os associados com a resposta VIV e podem causar rápida fadiga de material ou sobrecarga estrutural. Para uma aplicação afastada da costa, o potencial associado a perda de contenção de hidrocarbonetos e ao risco de saúde, segurança e ambiente (HSE) pode ser relativamente elevados.

Cargas globais na estrutura:

[0016] As carenagens são em geral associadas com forças de arrasto relativamente baixas. Entretanto, há muito espaço para melhoria em comparação com os projetos existentes. As forças locais sobre a carenagem são sabidas danificarem as carenagens durante posicionamento, recuperação e operação. Este é especialmente o caso para grandes carenagens e associadas com interações de ondas quer na moonpool ou na parte superior da coluna d’água, onde a ação das ondas é mais predominante. As forças fluidas sobre as partes individuais das carenagens podem tornar-se bastante grandes para fazer com que a carenagem se desintegre estruturalmente ou fique grudada, impedindo arfagem pelo tempo, durante operação. Como isto é sabido ter parado as operações de perfuração, há necessidade de novas carenagens serem pequenas e robustas, a fim de evitar isto.

Robustez Problemas operacionais:

[0017] Quando se posicionando as carenagens em uma unidade de perfuração afastada da costa, diversos desafios operacionais chaves são associados com o tamanho e peso da carenagem. Carenagens pequenas e leves superam muitos problemas operacionais.

Armazenagem:

[0018] As atuais carenagens ou verdugos helicoidais requerem espaço de armazenagem relativamente grande em uma unidade de perfuração. Algumas unidades de perfuração podem ter espaço muito limitado para transportar tais dispositivos.

Tempo e custo de instalação e recuperação:

[0019] Um fator de custo chave para uma operação de perfuração é o tempo para posicionar e recuperar um riser marinho. O uso de verdugos helicoidais tradicionais ou carenagens marinhas parará as operações normais devido à mão-de-obra manual envolvida na fixação dos dispositivos de supressão das VIV em cada junta do riser marinho. Posicionamento total aumentado e tempo de recuperação não somente aumentará o tempo total gasto na operação, mas também aumentará a demanda na janela de tempo disponível, necessária para realizar a operação. As unidades de perfuração afastadas da costa oneram elevadas taxas de sonda diárias, em consequência tempo para instalação e posicionamento podendo provar-se muito dispendioso.

Instalação e recuperação de HSE:

[0020] Elevados peso e tamanho da unidade de um dispositivo de supressão de VIV não é somente demorado, mas representa também um risco HSE nas fases de instalação e recuperação.

Exequibilidade da instalação:

[0021] Devido ao espaço limitado do piso de perfuração, um sistema e método mais simples e mais compactos para armazenagem e posicionamento são necessários.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0022] Portanto, é um objetivo da invenção prover um sistema e método de carenagem para pré-instalar e posicionar ditas carenagens que sejam mais eficazes e econômicos do que os da técnica anterior.

[0023] Este objetivo é resolvido com um sistema e método de acordo com as reivindicações independentes. Outros desenvolvimentos e modalidades vantajosos são revelados nas reivindicações dependentes e na descrição detalhada e figuras.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0024] Figura 1a-1c. Tipos de carenagem, de acordo com a técnica anterior.

[0025] Figura 2. Perspectiva ACC1.

[0026] Figura 3. Perspectiva ACC1 com elemento cilíndrico.

[0027] Figura 4a. Perspectiva descritiva ACC1.

[0028] Figura 4b. Seção transversal de carenagem ACC1 do ponto A ao ponto B ao longo do vão.

[0029] Figura 4c. Seção transversal de carenagem ACC1 do ponto B ao ponto C ao longo do vão.

[0030] Figura 5. Relação de Amplitude, A*, versus Velocidade Reduzida Nominal, U* para Carenagem ACC1 de Vibração Livre, comparando os 4 Testes de Frequência.

[0031] Figura 6. Coeficiente de Arrasto, CD, versus Re para Carenagem ACC1 de Vibração Livre, em Comparação com 4 Testes de Frequência.

[0032] Figura 7. Relação de Amplitude versus Velocidade Reduzida Nominal, U* para a Carenagem ACC_T95 com Coeficiente de Levantamento Categorizado, CLV.

[0033] Figura 8. Relação de Amplitude, A*, versus Velocidade Nominal Reduzida, U* para Carenagem ACC1_30 de Vibração Livre, em Comparação com os 4 Testes de Frequência.

[0034] Figura 9a. Curvas de análise de estabilidade teóricas para carenagem da técnica anterior da Figura 1b

[0035] Figura 9b. Curvas de análise de estabilidade teóricas para carenagem da técnica anterior da Figura 1c.

[0036] Figura 9c. Curvas de análise de estabilidade teóricas para a carenagem ACC1.

[0037] Figura 10. Junta de riser da técnica anterior.

[0038] Figura 11. Junta de riser com três carenagens pré-instaladas com dispositivos de restrição removíveis, em perspectiva.

[0039] Figura 12. Junta de riser com três carenagens pré-instaladas com dispositivos de restrição removíveis.

[0040] Figura 13. Seção de junta de riser com uma carenagem pré-instalada, dispositivos de restrição removíveis removidos.

[0041] Figura 14. Seção de dentro da carenagem com dispositivo de fixação de formato articulado para método 1.

[0042] Figura 15. Seção do lado interno da carenagem com dispositivo de fixação com formato articulado e pino de travagem para método 1.

[0043] Figura 16. Seção do elemento cilíndrico com dispositivo de fixação com formato articulado para método 2.

[0044] Figura 17. Seção do elemento cilíndrico com dispositivo de fixação com formato articulado e dispositivo de carenagem para método 2.

[0045] Figura 18. Seção do elemento cilíndrico com dispositivo de fixação com formato inserível e dispositivo de carenagem para método 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0046] A presente invenção representa uma vasta melhoria em relação à técnica anterior, como mencionado na seção fundamentos da invenção e Figuras 1a-1c, por meio do que as mencionadas deficiências da técnica anterior são tratadas pelas seguintes modalidades.

Dispositivo de carenagem Garra de Caranguejo Assimétrica (ACC)

[0047] A invenção é um novo projeto de carenagens específicas que, através de teste completo, mostrou desempenho superior em comparação com a existente tecnologia. Este dispositivo é fixado a um cilindro circular para supressão de vibrações induzidas por vórtice (VIV) ou movimentos induzidos por vórtice (VIM). o dispositivo é capaz de girar e torno do cilindro e é, em consequência, capaz de alinhar-se com a direção da corrente ambiente.

Formato da carenagem ACC

[0048] O formato das carenagens é específico da invenção. Quando descrevendo o formato, coordenadas angulares são usadas em relação ao cilindro circular, em torno do qual as carenagens são aplicadas. Neste contexto, o ponto de estagnação a montante, para um elemento cilíndrico estacionário principalmente circular, com um diâmetro externo (D), em fluxo sem atrito constante é indicado 0 grau, enquanto o a jusante é de pelo menos 180 graus. Esta invenção consiste de uma carenagem em que o formato da seção transversal é mudado próximo de metade do comprimento axial, o vão, da carenagem. O formato da seção transversal (CS1) na parte A é espelhado ao longo do eixo geométrico X-X e torna-se o formato de seção transversal (CS2) para o ponto B do segmento.

[0049] A presente modalidade é ainda definida por: a) o formato da carenagem é convexamente curvado à popa de ± 90 graus. A carenagem pode ser curvada também a montante em ± 90 graus, porém após ± 90 graus de curvamento é um pré-requisito. b) O comprimento da corda (C): a relação de comprimento da corda de carenagem total C/D pode, em uma forma de realização da invenção, ser 1,4 ou abaixo. O comprimento da corda (C) sendo o comprimento da borda de avanço da carenagem à extremidade traseira da aleta da carenagem, como mostrado na Figura 4a. c) Comprimento da corda assimétrico 1: A relação de comprimento da corda de carenagem total C/D é 1,4 ou abaixo. d) Comprimento da corda assimétrico 2: A relação de comprimento da corda de carenagem total C/D é 1,15 ou abaixo. e) A abertura da extremidade traseira é mais do que 80% da altura de elevação da carenagem (espessura máxima). A invenção também cobre abertura menor do que 80%, porém é visto por testes que a invenção tem melhor desempenho se a abertura for de mais do que 80%.

[0050] Para todas as modalidades, a altura de elevação da carenagem é definida como a distância de seção transversal máxima entre as aletas opostas da carenagem, conforme medido externamente à carenagem. O termo convexamente refere-se a uma forma convexa como vista externa à carenagem, tendo uma projeção para fora, afastada do elemento cilíndrico, como comparável com uma lente óptica dupla- convexa, e como oposto a uma forma côncava tendo uma depressão para dentro. As Figuras 2-4c mostrando o formato básico da carenagem de garra caranguejo assimétrica (ACC1) ilustrando isto mais. As tabelas 1-4 mostram exemplos não limitativos de dimensões de várias modalidades de carenagens ACC, como usadas em testes hidrodinâmicos. Todas as dimensões são em metros. Para as dimensões dadas abaixo e em termos do escopo da presente invenção, os valores de relação entre os valores são de mais importância do que as próprias dimensões reais. A Tabela 1 mostra as dimensões da carenagem ACC1 padrão.

Tabela 1. Dimensões de teste de garra caranguejo assimétrica 1 (ACC1). Os testes foram conduzidos com três carenagens ACC1 (norte, centro e sul), vão-com-vão, axialmente sobre uma viga.

[0051] Diversas outras variações da carenagem garra de caranguejo assimétrica foram também desenvolvidas e testadas, por meio do que os comprimentos das cordas de ambas aletas superior e inferior foram encompridados, a fim de produzir aberturas (vãos) de extremidades traseiras menores, com valores de 95%, 90% e 85%, em comparação com aquelas do vão de extremidade traseira ACC1 padrão.

Tabela 2. ACC_T95 dimensões do teste.

Tabela 3. ACC_T90 dimensões de teste.

Tabela 4. ACC_T85 dimensões de teste.

[0052] O dispositivo de carenagem e as modalidades de acordo com a presente invenção podem ser feitas de material de baixa corrosão, selecionados de um grupo de materiais consistindo de semiflexível, polietileno moldável, poliuretano, resina de vinil éster, cloreto de polivinila e fibra de vidro. Outros materiais poderiam facilmente ser considerados como se fossem conhecidos pela pessoa hábil.

Instalação Experimental

[0053] Experimentos VIV livres com as carenagens foram conduzidos no modo de reboque com o cilindro rebocado a jusante dos tirantes de reboque. A velocidade do carro foi, na maioria das vezes, variada de 0,5 a 4,5 m/s, dependendo da aparência das VIV e limitações do carro de rebocagem, fornecendo números Reynolds até cerca de 1,4 milhão. As molas helicoidais da estrutura amortecedora foram também variadas, resultando em velocidades nominais reduzidas. U*(VRN), de 2 a 24. Os testes livres foram realizados em quatro diferentes valores de dureza de mola para a ACC (vide figuras 5, 6 e 8). As acima mencionadas carenagens foram testadas na faixa de dureza de mola de aproximadamente 20, 45, 48 e 128 kN/m, que correspondia a frequências de sistema de 0,6, 0,9 1,2 e 1,5 Hz. O cilindro nu foi testado a 20 e 45 kN/m para realizar os testes de qualificação a ~0,6 e ~0,9 Hz.

Resumo dos Resultados

[0054] Nas Figuras 5 a 8 várias respostas às carenagens-ACC são mostradas. Os testes foram realizados com diferentes instalações de mola para a inteira faia que é pertinente às carenagens em condições de posicionamento. Os parâmetros principais para determinar a aplicabilidade de novos projetos de carenagem para uso no mundo- real são coeficientes de arrasto, CD, número de Reynolds (Re), amplitude da vibração (VIV), também conhecida como A* e o coeficiente de levantamento CLV. Em geral, estes parâmetros podem ser plotados entre si ou em relação a uma medida de velocidade de fluxo, também conhecida como velocidade reduzida nominal (U*).

[0055] Na Figura 5, a amplitude, A*, foi plotada versus a velocidade reduzida nominal, U*, para cada uma das frequências testadas para a carenagem ACC1. Ela mostra que a diferente dureza de mola, em consequência as frequências não tiveram significativo efeito sobre A* da carenagem em valores menores de U* (U*<15). Entretanto, houve alguma mudança em A* em valores elevados de U*, porém nenhum padrão claro era evidente. Houve casos de par de teste com algum movimento que resultou em mais elevados valores de A* de 0,1 com os valores de U* a 3 e 7. Mais tarde foi mostrado que estes valores ocorreram em elevados valores negativos de CLV, o que significa que com CLV ZERO o movimento seria menor e mais alinhado com o resto dos pontos de dados. Observe-se que os dois pontos localizados na esquerda superior podem ser atribuídos a erros de medição. A dimensões desta modalidade de carenagem particular são dadas na Tabela 1.

[0056] A Figura 6 mostra o coeficiente de arrasto, CD, versus número de Reynolds (Re) para cada uma das frequências testadas para a carenagem ACC1. Ela mostra que a diferente dureza de mola, em consequência as frequências, não tiveram significante efeito sobre o arrasto da carenagem. A carenagem tem uma média de 0,51 para CD comparado com uma média de0,50 durante testes fixos. As dimensões desta modalidade de carenagem particular são dadas na Tabela 1.

[0057] Na Figura 7 a amplitude, A*, foi plotada em relação à velocidade reduzida nominal, U* para a carenagem ACC_T95. Os dados foram classificados assim somente naqueles pontos onde o coeficiente de levantamento era quase zero (-0,005 < CLV < 0,005) foram plotados também dados com coeficientes de levantamento maiores do que 0,005. Nenhuma VIV era evidente. As dimensões desta modalidade de carenagem particular são dadas na Tabela 2.

[0058] Sob certas circunstâncias durante o posicionamento no oceano, uma carenagem pode tornar-se “grudada” em posição. Isto pode ser devido a excessivo marinho ou outras razões mecânicas. Para fins experimentais, uma carenagem ACC1 foi fixada com um passo de 30 graus e foi também testada. As dimensões desta modalidade de carenagem particular são dadas na Tabela 1, com exceção de que, para este experimento, a carenagem ACC1 central foi fixada em um ângulo de 30 graus em relação às duas carenagens vizinhas. Na Figura 8, a amplitude, A*, foi plotada versus a velocidade reduzida nominal, U*, para cada uma das frequências testadas. Os dados mostram que a diferente dureza de mola, em consequência frequências, tiveram um significativo efeito sobre A* da carenagem para a inteira faixa de U* testada. Pode ser observado que a curva A*-U* muda em direção à esquerda quando a dureza da mola aumenta.

Conclusões dos testes de arrasto fixados:

[0059] As variações geométricas das carenagens tiveram efeito observável sobre seus valores de arrasto nos testes fixados. O arrasto das carenagens ACC1 básicas é de aproximadamente metade daquele do tubo nu, assim as carenagens reduzindo 50% do arrasto do sistema.

Conclusões dos testes VIV livres:

[0060] Os testes de tubo nu foram conduzidos para validar a instalação do aparelho e os resultados se adaptaram bem com os dados históricos. A amplitude de pico da resposta VIV foi de A*=0,89 em uma velocidade reduzida U* de 8,2. O coeficiente de arrasto variou de cerca de 1,0 quando havia pouca VIV a cerca de 3,0 quando havia significante aprisionamento de VIV.

[0061] A carenagem garra de caranguejo assimétrica (ACC1) reduziu a amplitude da VIV em relação à inteira faixa de velocidade reduzida testada (0<U*<22).

[0062] Em geral, a diferença entre as carenagens ACC, em termos de A*, foi muito pequena, o que essencialmente significa que, em termos de supressão de VIV, todas quatro carenagens são satisfatoriamente eficientes. Mais especificamente, carenagens com mais curto comprimento de corda proveem mais elevada eficiência de supressão de VIV do que as carenagens com mais longos comprimentos de corda.

Processamento de Dados

[0063] A análise de dados básicos consistiu na determinação da amplitude da vibração (VIV) a* e da velocidade reduzida nominal U*, que são definidas como segue:

Onde σz é o desvio padrão da amplitude de fluxo cruzado (z) do movimento e Dg é o diâmetro de referência tomado como o diâmetro externo (espessura máxima) da carenagem. V é a velocidade do carro ou velocidade de fluxo. A frequência natural, fN(V=0), é tipicamente tomada de experimentos de água tranquila, entretanto, para estes experimentos, uma velocidade de fluxo lento foi requerida para alinhar as unidades. CD, CD = Coeficiente de arrasto CLV, CL = Coeficiente de levantamento (força de levantamento em fase com velocidade de fluxo cruzado do cilindro) CM = Coeficiente de massa adicionado (força de levantamento em fase com aceleração de fluxo cruzado de cilindro)

Estudos Teóricos de Estabilidade

[0064] As Figuras 9a-c mostram resultados de modelamento da análise de estabilidade para 3 tipos de carenagens, conforme baseado nos critérios de Blevins (1990) e Newman (1977) e iteração empregando o método de Routh com mais desvios e parametrizações fornecidas em kristiansen (2009) e Faltinsen (2005).

[0065] A forma do polinômio no caso de uma carenagem não-amortecida é dada no eixo-y (q(u) [(kg m/s)4] como:

, e é representada pela curva de base para cada um dos tipos de carenagem dadas. O eixo-y representa a velocidade de fluxo (U) em metros/s. Para os casos de simulação, onde um termo de amortecimento de Rayleigh empírico (q1U) é adicionado, o polinômio para o eixo-y assume a seguinte forma:

, em que

e ξ é um número não-dimensional. Valores mais elevados para ^ resultam em mais elevado amortecimento.

[0066] A curva de base para cada tipo de carenagem representa uma simulação sem o termo de amortecimento (q1U). Instabilidade de agitação pode aparecer quando o valor para q(U) na curva é negativo. A próxima curva adjacente à curva não- amortecida de base inclui o termo de amortecimento qiU com ξ = 0,04. A próxima curva adjacente inclui o termo de amortecimento q1U com ξ = 0,008. A próxima curva de topo adjacente inclui o termo de amortecimento qiU com ξ = 0,16.

[0067] Os termos q4, q2 e q0 são ainda expressos pelo seguinte:

I representa o momento de inércia, mf representa a massa da carenagem e r representa a distância entre o centro elástico (EC) e o centro de gravidade (CG). k , M, K,e τ são termos de parametrização como fornecidos ou derivados das publicações citadas acima.

[0068] Para sistemas que têm valores contínuos não-negativos q(U), eles são também incondicionalmente estáveis. Com uma ênfase nos resultados para a ACC1, pode ser visto que sob condições do mundo-real, com algum grau de amortecimento normal, a carenagem ACC1 pode ser vista exibir significativa estabilidade, enquanto que as carenagens EM e de aleta-Traseira exibem uma necessidade de mais amortecimento do que a carenagem ACC1.

[0069] Como visto pelos numerosos experimentos de laboratório, bem como estudos teóricos, os dispositivos de carenagem com aletas paralelas, tais como mostrados na Figura 1a, e/ou aletas longas, com mais elevadas relações de comprimento de corda, são geralmente menos eficientes com arrasto mais elevado e menos hidrodinamicamente estáveis. Os detalhes combinados a presente invenção mostraram que carenagens menores, mais leves, são mais hidrodinamicamente eficientes, menos volumosas, mais fáceis de armazenar e mais fáceis de instalar sem a necessidade de um ROV. Além disso, a presente invenção é vista ser posicionável em uma larga faixa de regimes de fluxo, correspondendo a condições de corrente oceânica variáveis, experimentadas em vários locais geográficos mundialmente.

[0070] Outra vantagem de acordo com a presente invenção, quando comparada com a técnica anterior, é que as carenagens ACC separadas operam independentemente por toda a extensão vertical do riser. Consideremos que, quando operando uma carenagem em uma coluna d’água , as condições no topo do riser podem ser completamente diferentes do que na seção inferior. Como tal, é importante ter-se uma carenagem que seja estável em muitas condições operacionais. De acordo com o tipo de carenagem da presente invenção, é possível vantajosamente posicionar muitas de tais carenagens instaladas na proximidade entre si. Esta pode ser uma configuração normal quando muitas carenagens são necessárias, tal como pode haver muitos risers de produção em um navio. Dado que a carenagem como descrita é globalmente estável, ela pode manipular as condições instáveis que podem ocorrer em alguns ambientes. Esta é uma vantagem principal. As carenagens da técnica anterior poderiam funcionar bem em uma seção do riser, porém elas podem não funcionar bem em outras seções. A instabilidade gerada em um nível pode provocar instabilidade em outras seções.

Método para Pré-instalação de Carenagens

[0071] Outro aspecto principal das carenagens de acordo com a presente invenção é que elas são construídas de tal maneira que podem ser pré-instaladas em seções de junta, por exemplo, risers de perfuração, antes do posicionamento. O ponto chave aqui é que as carenagens podem ser fixadas em risers de perfuração com o objetivo de economizar espaço de armazenagem nas plataformas, antes do posicionamento. As carenagens devem, portanto, ser bastante pequenas e feitas de tal maneira que possam envelopar e vedar o riser de perfuração quando não em uso. A Figura 10 mostra uma junta de riser da técnica anterior padrão antes da montagem de uma carenagem. A Fig. 11 mostra uma junta de riser da técnica anterior padrão, com carenagens pré-instalada, de acordo com a presente invenção. Aqui é mostrado comum conjunto de três carenagens que são mantidas em posição em torno da circunferência da junta de riser por meio de dispositivos de restrição removíveis. Os dispositivos de restrição removíveis podem compreender um material rígido, tal como tiras feitas de plástico ou metal fino o similar. Assim, uma junta de riser pode ser armazenada com carenagens encaixadas. A modalidade preferida é com carenagens de garra de caranguejo assimétrica (ACC) e com aletas que podem ser dobradas em torno das costas do riser, sem sobreporem-se. Assim, as aletas são trazidas em estreita proximidade com o riser durante armazenagem, a fim de economizar espaço de armazenagem. O presente novo modelo de pré-instalar carenagens pode aplicar- se a qualquer um do tipo assimétrico de carenagem das modalidades anteriormente descritas acima, ou qualquer tipo de carenagens assimétricas ou simétricas que compreendem aletas flexíveis dobráveis.

[0072] A pré-instalação de carenagens é uma nova concepção e representa um outro ovo aspecto da presente invenção. Todas existentes carenagens hoje em dia são instaladas após a junta de riser ser conectada na coluna de riser. O projeto das carenagens de acordo com a presente invenção possibilita que a carenagem seja dobrada e pode facilmente ser pré-instalada.

[0073] Este método e modalidades relacionadas são diretamente aplicáveis às carenagens anteriormente mencionadas, que podem ser pré-instaláveis em um elemento cilíndrico. Para um riser de perfuração marinho, isto significa que uma junta de riser de perfuração pode ser encaixada com uma carenagem marinha antes de ser fixada sobre a coluna de riser. A capacidade de armazenagem em uma prateleira de carenagem marinha normal pode ser limitada e a presente invenção auxilia em aliviar problemas de exigência de espaço. A tolerância para folga entre os risers marinhos pode variar durante a armazenagem e, em consequência, as exigências podem variar por esta razão. Para novas construções, isto pode ser ajustado.

[0074] A invenção compreende um projeto de carenagens que é dobrável e, desse modo, reduza dimensão durante a armazenagem. Quando tornado pronto para posicionamento, o mecanismo de abertura é ativado para travar as carenagens em uma posição pretendida e endurecer a estrutura para permanecer em posição durante a operação.

[0075] Quando o riser é para ser imerso no oceano, as carenagens podem ser ativadas. As carenagens podem ser ativadas da seguinte maneira:

[0076] As carenagens compreendem dispositivos de fixação conformados articulados no lado interno das carenagens, que dobram para fora quando as carenagens são abertas, ou as carenagens compreendem sulcos no lado interno das carenagens, por meio dos quais as aletas podem ser dobradas para trás e dispositivos de fixação de forma podem, por inserção e pressionados em posição, assegurar o formato das carenagens.

[0077] Por meio de exemplo, a Figura 10 mostra uma junta de riser antes da fixação de uma carenagem. A Figura 11 mostra uma junta de riser com carenagens pré-instaladas em perspectiva, com dispositivos de restrição removíveis, de acordo com a presente invenção. A Figura 12 é outra vista da junta de riser, com carenagens pré-instaladas, com dispositivos de restrição removíveis da Figura 11, na vertical. Tanto na Figura 11 como 12 os dispositivos de carenagem são do tipo simétrico, por meio dos quais três dispositivos de carenagem são montados sobre a junta de riser cilíndrico. A Figura 13 mostra um dispositivo de carenagem pré-instalado parcialmente aberto, da Figura 11 ou 12, por meio do que os dispositivos de restrição removíveis foram removidos e o dispositivo de carenagem é parcialmente aberto antes do posicionamento. A Figura 14 mostra uma seção dentro de uma aleta de carenagem com um dispositivo de fixação de forma articulado, de acordo com um método e modalidade da presente invenção. O dispositivo de fixação de formato articulado é mostrado compreender duas abas dobráveis, por meio das quais uma ou ambas abas podem ser dobradas para dentro, a fim de conformarem-se com o formato do elemento cilíndrico. A Figura 15 mostra um outro estágio, de acordo com a Figura 14, por meio do qual um dispositivo de fixação conformado articulado de cada aleta de carenagem conforma-se ao formato do elemento cilíndrico e é mantido em posição com um pino de travamento. A junta de riser está então pronta para posicionamento. A Figura 16 mostra uma seção de um elemento cilíndrico com dispositivo de fixação conformado articulado, de acordo com outro método e modalidade da presente invenção. Nesta modalidade, o dispositivo de fixação com formato articulado pode ser fixado ao elemento cilíndrico antes da montagem do dispositivo de carenagem. Opcionalmente, o dispositivo de fixação conformado articulado pode ser fixado ao cilindro após a carenagem ter sido pré-instalada. A Figura 17 mostra um outro estágio, de acordo com a Figura 16, por meio do qual o dispositivo de fixação conformado articulado é dobrado para fora, conforma-se como formato do dispositivo de carenagem e é mantido em posição por sulcos localizados no lado interno das partes semelhantes a aletas do dispositivo de carenagem. A junta de riser está então pronta para posicionamento. A Figura 18 mostra uma seção de um elemento cilíndrico com uma seção de uma carenagem pré-instalada de acordo com ainda outro método e modalidade da presente invenção. Um dispositivo de fixação de formato é mostrado ser inserido entre o elemento cilíndrico e as aletas de carenagem e mantidas em posição pelos sulcos localizados no lado interno das partes semelhantes a aleta do dispositivo de carenagem. A junta do riser está então pronta para posicionamento.

[0078] Uma outra modalidade do presente método pode compreender remoção dos dispositivos de restrição e a carenagem saltará em posição devido à rigidez do material da carenagem. Isto poderia ser feito na água ou no convés, após ou antes do posicionamento da mola.

[0079] Em ainda outra modalidade da presente invenção, uma alavanca poderia ser fixada entre as aletas, por meio do que a alavanca poderia ser ativada por um ROV, se na água, que poderia forçar as aletas para a posição de redução-VIV correta.

[0080] As vantagens e melhorias principais conseguidas com todas as modalidades de acordo com a presente invenção, em comparação com a técnica anterior, incluem o seguinte: • Não limites operacionais para operações de perfuração afastadas da costa, devido a fadiga do riser de perfuração pelas vibrações induzidas por vórtice (VIV). Isto economiza tempo e custo para operadores de afastados da costa. • Tamanho/peso: Tempo reduzido gasto para encaixar/mobilizar dispositivo de supressão VIV em uma sonda de perfuração afastada da costa. Isto também economiza tempo e custo para operadores afastados da costa. • Baixas forças de arrasto no riser de perfuração. Reduzida tensão em riser e elementos fixados • Desempenho: Aumentada capacidade de suprimir vibrações induzidas por vórtice (VIV): • Forças de arrasto: Reduzidas em comparação com a tecnologia conhecida • Estabilidade global: Tem desempenho estável para toda as condições • Robustez: Aumentada robustez de um dispositivo de supressão • Pré-instalação de carenagens é eficaz em termos de tempo, custo e espaço de armazenagem

[0081] Embora a invenção precedente tenha sido descrita em alguns detalhes por meio de ilustração e exemplo para fins de clareza de entendimento, será prontamente evidente para aqueles de habilidade comum na técnica, à luz dos ensinamentos desta invenção, que certas mudanças e modificações podem ser feitas nela sem desvio do escopo das reivindicações anexas.

[0082] Embora a invenção tenha sido ilustrada e descrita em detalhes nos desenhos e descrição precedentes, tal ilustração e descrição são para ser consideradas ilustrativas ou exemplares e não restritivas e não é destinada a limitar a invenção às modalidades descritas. O mero fato de que certas medidas são citadas em mutuamente diferentes reivindicações dependentes, não indica que uma combinação destas medidas não possa ser usada vantajosamente.

Claims

1. Dispositivo de carenagem para a redução de vibrações ou movimentos induzidos por vórtice e redução de arrasto em torno de um elemento substancialmente cilíndrico imerso em um meio fluido, caracterizado pelo fato de que compreende: uma carenagem para montagem rotativa em torno do dito elemento substancialmente cilíndrico, a carenagem compreendendo um invólucro com um formato de seção transversal principalmente cilíndrica, com um diâmetro externo (D) seguindo o diâmetro externo do dito elemento cilíndrico de um ponto de estagnação à montante de 0 graus a pelo menos ± 90 graus e que a ± 90 graus continua em uma direção à popa como as primeira e segunda partes semelhantes a aleta, em que as primeira e segunda partes semelhantes a aleta são convexamente curvadas à popa em ± 90 graus, assim afilando uma em direção a outra e definindo uma abertura de extremidade traseira menor do que a altura de afastamento da carenagem, em que as primeira e segunda partes semelhantes a aleta definem, cada, um comprimento de corda (C); em que o comprimento de corda (C) da primeira parte semelhante a aleta é dimensionalmente diferente do comprimento de corda (C) da segunda parte semelhante a aleta, assim formando uma seção transversal assimétrica; e em que o comprimento de corda das primeira e segunda partes semelhantes a aleta muda em um local ou uma pluralidade de locais ao longo do comprimento do vão da carenagem.

2. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita abertura da extremidade traseira constitui uma faixa entre 80% e 100% da altura de afastamento da carenagem durante o posicionamento.

3. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a abertura da extremidade traseira é 80% ou menos da altura de afastamento da carenagem durante o posicionamento.

4. Dispositivo de carenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a relação entre o comprimento da corda e o diâmetro (C/D) é 1,4 ou menos durante o posicionamento.

5. Dispositivo de carenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de carenagem é configurado para ser armazenado em um primeiro formato e para ser acionado após posicionamento para um segundo formato, em que no dito segundo formato o dispositivo de carenagem provê propriedades redutoras de VIV.

6. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que, durante a armazenagem, as primeira e segunda partes semelhantes a aleta no sentido da popa de ± 90 graus são retidas em estreita proximidade ao elemento cilíndrico.

7. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que durante armazenagem as extremidades das primeira e segunda partes semelhantes a aleta não se sobrepõem.

8. Dispositivo de carenagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta compreendem pelo menos um dispositivo de fixação de formato, conectado ao lado interno das primeira e segunda partes semelhantes a aleta do dispositivo de carenagem, em que o dito pelo menos um dispositivo de fixação de formato compreende ainda seções dobráveis para conformarem-se com dito elemento cilíndrico, e meio para reter o dito pelo menos um dispositivo de fixação de formato em posição.

9. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de fixação de formato compreende uma articulação e o meio para reter o dito pelo menos um dispositivo de fixação de formato em posição é um pino de travamento.

10. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente o elemento cilíndrico, em que o dito elemento cilíndrico compreende pelo menos um dispositivo de fixação de formato articulado, conectado ao exterior do elemento cilíndrico, em que o dito pelo menos um dispositivo de fixação de formato articulado sendo extensível para fora para entrar em contato e conformar-se com o formato do lado interno das ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta do dispositivo de carenagem e reter em posição por meio de sulcos localizados no lado interno das ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta do dispositivo de carenagem.

11. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o lado interno das ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta do dito dispositivo de carenagem compreende sulcos para prender pelo menos um dispositivo de fixação de formato inserível.

12. Dispositivo de carenagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o elemento cilíndrico é um riser marinho.

13. Método para a montagem, armazenagem e posicionamento de dispositivo de carenagem, para a redução de vibrações ou movimentos induzidos por vórtice e minimização de arrasto em torno de elementos substancialmente cilíndricos imersos em um meio fluido, caracterizado pelas seguintes etapas: a) criar uma pluralidade de seções de junta preparadas para armazenagem pela montagem de dispositivos de carenagem em torno de respectivos elementos cilíndricos, em que os ditos dispositivos de carenagem incluem primeira e segunda partes semelhantes a aleta, que são retidas em estreita proximidade em torno dos elementos cilíndricos; b) conectar a pluralidade de seções de junta entre si antes do posicionamento no dito meio fluido; c) acionar os ditos dispositivos de carenagem, assim trazendo as ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta para fora da dita estreita proximidade em torno dos elementos cilíndricos; e d) imergir uma coluna compreendendo a pluralidade de seções de junta conectadas em um meio fluido, em que após o acionamento dos ditos dispositivos de carenagem, as ditas primeira e segunda partes semelhantes a aleta definem um comprimento de corda (C) em direção à popa em cada lado dos dispositivos de carenagem; em que o comprimento de corda (C) em um primeiro lado é dimensionalmente diferente do comprimento de corda (C) em um segundo lado oposto, assim formando uma seção transversal assimétrica; e em que o comprimento de corda de cada uma das primeira e segunda partes semelhantes a aleta muda em um local ou uma pluralidade de locais ao longo do comprimento do vão dos dispositivos de carenagem.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: aplicar pelo menos um dispositivo de fixação de formato dentro dos dispositivos de carenagem ao longo de uma direção axial, desdobrando pelo menos um dispositivo ou dispositivos de fixação de formato articulado de entre o elemento cilíndrico e o dispositivo de carenagem; e prender e travar o dito dispositivo ou dispositivos de fixação de formato no dispositivo de carenagem e no elemento cilíndrico por meio de um pino de travamento.

15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: aplicar pelo menos um dispositivo de fixação de formato dentro dos dispositivos de carenagem ao longo de uma direção axial, desdobrando pelo menos um dispositivo ou dispositivos de fixação de formato articulado de entre o elemento cilíndrico e os dispositivos de carenagem; e prender e travar o dito dispositivo ou dispositivos de fixação de formato aos dispositivos de carenagem e ao elemento cilíndrico por meio de sulcos dentro do lado interno dos dispositivos de carenagem.

16. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: aplicar pelo menos um dispositivo de fixação de formato dentro dos dispositivos de carenagem ao longo de uma direção axial, inserindo pelo menos um dispositivo de fixação de formato no lado interno dos dispositivos de carenagem ao longo da direção axial; e prender e travar o dito dispositivo ou dispositivos de fixação de formato ao dispositivo de carenagem e ao elemento cilíndrico por meio de sulcos dentro do lado interno dos dispositivos de carenagem ou com pinos de travamento.

17. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a etapa de imergir é realizada antes da etapa de acionar.

18. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de acionar é realizada por meio de um ROV.

19. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o elemento cilíndrico é um riser marinho.

20. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que durante o acionamento do dito dispositivo de carenagem, um mecanismo de abertura é ativado para travar o dispositivo de carenagem em uma posição destacada.

21. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que quando as primeira e segunda partes semelhantes a aleta são trazidas da dita estreita proximidade em torno dos elementos cilíndrico, os dispositivos de carenagem fornecem uma função de carenagem.