SISTEMA E MÉTODO PARA SUPRESSÃO DE MOVIMENTO DE ESTRUTURA FLUTUANTE
Campo da Invenção [001] Esta invenção está relacionada a dispositivos de supressão de movimento que podem ser presos a estruturas flutuantes para reduzir ondulação, arfada, e/ou guinada.
Fundamento da Invenção [002] Estruturas flutuantes em um corpo de água podem estar sujeitas a movimentos induzidos por onda e/ou corrente tais como ondulação, arfada, e/ou guinada. Para navios de passageiros, tais como navios de cruzeiro, é desejável minimizar estes movimentos devido a enjoo de mar e ao conforto dos passageiros. Para navios de carga, é desejável minimizar estes movimentos para proteger a carga. Para navios de perfuração e/ou produção fora da costa é desejável minimizar estes movimentos devido à segurança da tripulação e conexões e fadiga de linhas para os navios, tais como tubos de perfuração, linhas de importação e exportação, tendões, umbilicais, e outros.
[003] Para navios, dispositivos de supressão de movimento ativos e passivos, tais como giroscópios, cascos especialmente projetados, tanques, pesos móveis, molas, e asas, foram usados para suprimir movimento. A maioria de tais dispositivos trabalha quando o navio está em movimento. É geralmente mais difícil de suprimir o movimento de um navio estacionário.
[004] Patente US No. 6.910.438 expõe um sistema de supressão de oscilação para inibir ressonância vertical e rotacional de uma plataforma flutuante. O sistema de supressão de oscilação inclui câmaras de absorção de energia montadas no ou sobre o casco da plataforma flutuante. As câmaras podem ser presas separadamente ou integradas como parte da estrutura. As câmaras são incluídas de gás em uma porção superior, e massa de água em uma porção inferior. As câmaras são fechadas ou parcialmente ventiladas nas
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 8/55 / 13 extremidades superiores e se abrem nas suas extremidades de fundo. O gás incluso na porção superior da câmara atua como uma mola de gás reagindo contra a plataforma flutuante e a massa de água. A supressão de oscilações ressonantes do sistema de plataforma flutuante é realizada pelas mudanças de pressão de mola de gás atuando no sistema de plataforma flutuante em oposição de fase a forças externas. Patente US No. 6.910.438 está incorporada aqui por referência em sua totalidade.
[005] Há uma necessidade na técnica por sistemas e métodos melhorados para suprimir movimentos de estruturas flutuantes.
[006] Há uma necessidade na técnica por sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes que não sofrem das desvantagens da técnica anterior.
[007] Há uma necessidade na técnica por sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes a frequências de excitação diferentes.
[008] Há uma necessidade na técnica por sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes a múltiplas frequências de excitação. Estes e outras necessidades se tornarão aparentes àqueles de habilidade na técnica na revisão desta especificação, incluindo seus desenhos e reivindicações.
Sumário da Invenção [009] Em um aspecto, a invenção provê um sistema incluindo uma estrutura flutuante, a estrutura sujeita a ondas e/ou correntes de água; e pelo menos um sistema de supressão de movimento preso à estrutura flutuante; o sistema de supressão de movimento incluindo uma primeira coluna de água oscilante sintonizada a uma primeira frequência e uma segunda coluna de água oscilante sintonizada a uma segunda frequência.
[0010] Em outro aspecto, a invenção provê um método incluindo colocar uma estrutura flutuante em um corpo de água, o corpo de água
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 9/55 / 13 incluindo ondas e/ou correntes de água; prender uma primeira coluna de água oscilante sintonizada a uma primeira frequência à estrutura flutuante, pelo menos uma porção da primeira coluna de água oscilante no corpo de água; e prender uma segunda coluna de água oscilante sintonizada a uma segunda frequência à estrutura flutuante, pelo menos uma porção da segunda coluna de água oscilante no corpo de água.
[0011] Vantagens da invenção podem incluir um ou mais do seguinte:
- sistemas e métodos melhorados para suprimir movimentos de estruturas flutuantes;
- sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes que não sofrem das desvantagens da técnica anterior;
- sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes a frequências de excitação diferentes; e/ou
- sistemas e métodos para suprimir movimentos de estruturas flutuantes a múltiplas frequências de excitação.
Breve Descrição das Figuras [0012] Figura 1 ilustra uma vista lateral de uma estrutura flutuante em um corpo de água.
[0013] Figura 2 ilustra uma vista de topo de uma estrutura flutuante em um corpo de água.
[0014] Figura 3 ilustra uma vista lateral de uma estrutura flutuante em um corpo de água com sistemas de supressão de movimento.
[0015] Figura 4 ilustra uma vista de topo de uma estrutura flutuante em um corpo de água com sistemas de supressão de movimento.
[0016] Figura 5 ilustra uma vista lateral de um sistema de supressão de movimento.
[0017] Figura 6 ilustra uma vista lateral de um sistema de supressão de movimento.
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 10/55 / 13 [0018] Figura 7 ilustra a resposta de um sistema com e sem sistemas de supressão de movimento.
Descrição Detalhada [0019] Em uma concretização, é exposto um sistema incluindo uma estrutura flutuante, a estrutura sujeita a ondas e/ou correntes de água; e pelo menos um sistema de supressão de movimento preso à estrutura flutuante; o sistema de supressão de movimento incluindo uma primeira coluna de água oscilante sintonizada a uma primeira frequência e uma segunda coluna de água oscilante sintonizada a uma segunda frequência. Em algumas concretizações, o sistema também inclui um conector preso à estrutura flutuante, e fixado a uma estrutura submarina. Em algumas concretizações, o conector é selecionado de um umbilical, um tubo ascendente e um tendão. Em algumas concretizações, o pelo menos um sistema de supressão de movimento inclui um sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir ondulação da estrutura flutuante. Em algumas concretizações, o pelo menos um sistema de supressão de movimento inclui um sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir arfada da estrutura flutuante. Em algumas concretizações, o pelo menos um sistema de supressão de movimento inclui um sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir guinada da estrutura flutuante. Em algumas concretizações, o pelo menos um sistema de supressão de movimento inclui um primeiro sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir guinada da estrutura flutuante, um segundo sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir arfada da estrutura flutuante, e um terceiro sistema de supressão de movimento adaptado para suprimir ondulação da estrutura flutuante. Em algumas concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 2 a 30 ciclos por minuto. Em algumas concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 3 a 20 ciclos por minuto. Em algumas
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 11/55 / 13 concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 5 a 15 ciclos por minuto.
[0020] Em uma concretização, é exposto um método incluindo colocar uma estrutura flutuante em um corpo de água, o corpo de água incluindo ondas e/ou correntes de água; prender uma primeira coluna de água oscilante sintonizada a uma primeira frequência à estrutura flutuante, pelo menos uma porção da primeira coluna de água oscilante no corpo de água; e prender uma segunda coluna de água oscilante sintonizada a uma segunda frequência à estrutura flutuante, pelo menos uma porção da segunda coluna de água oscilante no corpo de água. Em algumas concretizações, o método inclui também prender um conector à estrutura flutuante, e prender um conector a uma estrutura submarina. Em algumas concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 2 a 30 ciclos por minuto. Em algumas concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 3 a 20 ciclos por minuto. Em algumas concretizações, a primeira frequência e a segunda frequência são de 5 a 15 ciclos por minuto.
[0021] Se referindo agora à Figura 1, é ilustrado sistema fora da costa 100. Sistema 100 inclui a estrutura flutuante 102 flutuando em corpo de água 110 perto da superfície de água, que é presa a conector 104, qual conector 104 está preso à estrutura de subsuperfície 106, que está adjacente a leito de mar 108.
[0022] Ondas e/ou correntes 112 em água 110 podem causar ondulação 120, arfada 122 e/ou guinada 124 de estrutura flutuante 102.
[0023] Se referindo agora à Figura 2, uma vista de topo de estrutura flutuante 102 é mostrada. Arfada 122 é definida como movimento rotacional sobre eixo 132. Guinada 124 é definida como movimento rotacional sobre eixo 134.
[0024] Em algumas concretizações, a estrutura flutuante 102 pode ser
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 12/55 / 13 uma plataforma fora da costa flutuante, uma plataforma de perna de tensão, uma plataforma semissubmersível, um navio de perfuração, um navio de produção, um FPSO, um navio, ou um barco, ou outros tipos de estruturas flutuantes como são conhecidos na técnica. Em algumas concretizações, o conector 104 pode ser uma corda, um cabo, uma linha de ancoragem, um tubo ascendente, uma linha de importação, uma linha de exportação, um tubo de broca, ou um umbilical, ou outros tipos de conectores como são conhecidos na técnica. Em algumas concretizações, a estrutura de subsuperfície 106 pode ser uma âncora, uma cabeça de poço, uma linha de fluxo de subsuperfície, uma Árvore de Natal, uma bomba, um separador, ou outros tipos de estruturas de subsuperfície como são conhecidos na técnica.
[0025] Se referindo agora à Figura 3, é ilustrado o sistema fora da costa 100. Sistema 100 inclui estrutura flutuante 102 flutuando em corpo de água 110 perto da superfície de água, que é presa a conector 104, qual conector 104 está preso à estrutura de subsuperfície 106, que está adjacente a leito de mar 108.
[0026] Sistema de supressão de movimento 202 foi preso à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou guinada. Sistema de supressão de movimento 204 foi preso à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou arfada. Sistema de supressão de movimento 206 foi preso à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou arfada.
[0027] Em algumas concretizações, o sistema de supressão de movimento 202 inclui 2 ou mais estruturas de coluna de água oscilante, por exemplo cerca de 2 a cerca de 10, ou de cerca de 3 a cerca de 5. Cada estrutura de coluna de água oscilante pode ser sintonizada para amortecer uma frequência ou gama de frequência. Em algumas concretizações, gamas de frequência adequadas incluem de cerca de 2 a cerca de 30 ciclos por minuto, por exemplo de cerca de 3 a cerca de 20 ciclos por minuto, ou de cerca de 5 a
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 13/55 / 13 cerca de 15 ciclos por minuto, ou cerca de 12 ciclos por minuto. Em algumas concretizações, para um sistema de supressão de movimento com 3 estruturas de coluna de água oscilante, uma primeira estrutura de coluna de água oscilante pode ter uma frequência de cerca de 2 ciclos por minuto, uma segunda estrutura de coluna oscilante de água pode ter uma frequência de cerca de 12 ciclos por minuto, e uma terceira estrutura de coluna de água oscilante pode ter uma frequência de cerca de 30 ciclos por minuto.
[0028] Se referindo agora à Figura 4, é ilustrada a estrutura flutuante 102. Estrutura de coluna de água oscilante 202a, estrutura de coluna de água oscilante 202b e estrutura de coluna de água oscilante 202c foram presas à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou guinada. Estrutura de coluna de água oscilante 204a, estrutura de coluna de água oscilante 204b e estrutura de coluna de água oscilante 204c foram presas à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou arfada. Estrutura de coluna de água oscilante 206a, estrutura de coluna de água oscilante 206b e estrutura de coluna de água oscilante 206c foram presas à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou arfada. Estrutura de coluna de água oscilante 208a, estrutura de coluna de água oscilante 208b e estrutura de coluna de água oscilante 208c foram presas à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação. Estrutura de coluna de água oscilante 210a, estrutura de coluna de água oscilante 210b e estrutura de coluna de água oscilante 210c foram presas à estrutura flutuante 102 para suprimir ondulação e/ou guinada.
[0029] Se referindo agora à Figura 5, é ilustrado o sistema de supressão de movimento 300 em água 110, que inclui estrutura de coluna de água oscilante 302a, estrutura de coluna de água oscilante 302b e estrutura de coluna de água oscilante 302c. Estrutura de coluna de água oscilante 302a tem altura 304a, respiro 306a, porção de água 308a, e porção de ar 310a. Estrutura de coluna de água oscilante 302b tem altura 304b, respiro 306b, porção de
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 14/55 / 13 água 308b, e porção de ar 310b. Estrutura de coluna de água oscilante 302c tem altura 304c, respiro 306c, porção de água 308c, e porção de ar 310c.
[0030] Em geral, quanto maior a altura de estrutura de coluna de água oscilante, mais baixa a frequência à qual está sintonizada. Semelhantemente, quanto menor a abertura no respiro, mais baixa a frequência à qual está sintonizada. A altura e/ou abertura de respiro pode ser modificada como desejado para alcançar a resposta de frequência desejada da estrutura de coluna de água oscilante.
[0031] Em algumas concretizações, respiros 306a, 306b e 306c são todos cerca do mesmo tamanho, e a estrutura de coluna de água oscilante 302a tem a frequência mais alta devido a seu comprimento curto 304a, a estrutura de coluna de água oscilante 302c tem a frequência mais baixa devido a seu comprimento longo 304c, e a estrutura de coluna de água oscilante 302b está entre isso.
[0032] Quando força para cima 330 é aplicada, o sistema de supressão de movimento 300, porções de água 308a, 308b e 308c são erguidas fora de água 110, e exercem uma força restauradora contrariada 332 devido à gravidade. Se o sistema de supressão de movimento 300 for mantido fora de água, ar flui em respiros 306a, 306b e 306c e água flui fora do fundo de estruturas de coluna de água oscilante 302a, 302b e 302c, de forma que níveis de água nas estruturas de coluna de água oscilante casam eventualmente com o nível de água de água 110. A velocidade desta restauração pode ser ajustada pelos tamanhos dos respiros e/ou dos comprimentos das colunas.
[0033] Quando força para baixo 340 é aplicada a um sistema de supressão de movimento 300, porções de ar 310a, 310b e 310c são empurradas em água 110 e exercem uma força restauradora contrariada 342 devido à flutuabilidade. Se o sistema de supressão de movimento 300 for mantido debaixo de água, ar flui fora de respiros 306a, 306b e 306c e água
Petição 870190131114, de 10/12/2019, pág. 15/55 / 13 flui no fundo de estruturas de coluna de água oscilante 302a, 302b, e 302c, de forma que níveis de água nas estruturas de coluna de água oscilante casem eventualmente com o nível de água de água 110. A velocidade desta restauração pode ser ajustada pelos tamanhos dos respiros e/ou dos comprimentos das colunas.
[0034] Se referindo agora à Figura 6, é ilustrado o sistema de supressão de movimento 400 em água 110, que inclui a estrutura de coluna de água oscilante 402a, estrutura de coluna de água oscilante 402b e estrutura de coluna de água oscilante 402c. Estrutura de coluna de água oscilante 402a tem altura 404a, respiro 406a, porção de água 408a, e porção de ar 410a. Estrutura de coluna de água oscilante 402b tem altura 404b, respiro 406b, porção de água 408b, e porção de ar 410b. Estrutura de coluna de água oscilante 402c tem altura 404c, respiro 406c, porção de água 408c, e porção de ar 410c.
[0035] Em geral, quanto maior a altura de estrutura de coluna de água oscilante, mais baixa a frequência à qual está sintonizada. Semelhantemente, quanto menor a abertura no respiro, mais baixa a frequência à qual está sintonizada. A altura e/ou abertura de respiro pode ser modificada como desejado para alcançar a resposta de frequência desejada da estrutura de coluna de água oscilante.
[0036] Em algumas concretizações, as alturas 404a, 404b e 404c são todas aproximadamente a mesma, e a estrutura de coluna de água oscilante 402a tem a frequência mais alta devido a seu respiro grande 406a, a estrutura de coluna de água oscilante 402c tem a frequência mais baixa devido a seu respiro pequeno 406c, e a estrutura de coluna de água oscilante 402b está entre isso.
[0037] Quando força para cima 430 é aplicada, o sistema de supressão de movimento 400, porções de água 408a, 408b e 408c são erguidos fora de água 110, e exercem uma força restauradora contrariada 432 devido à
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[0038] Quando força para baixo 440 é aplicada, o sistema de supressão de movimento 400, porções de ar 410a, 410b e 410c são empurradas em água 110, e exercem uma força restauradora contrariada 442 devido à flutuabilidade. Se o sistema de supressão de movimento 400 for mantido debaixo de água, ar flui fora de respiros 406a, 406b e 406c e água flui no fundo de estruturas de coluna de água oscilante 402a, 402b e 402c, de forma que níveis de água nas estruturas de coluna de água oscilante casem eventualmente com o nível de água de água 110. A velocidade desta restauração pode ser ajustada pelos tamanhos dos respiros e/ou dos comprimentos das colunas.
[0039] Em algumas concretizações, as colunas de água oscilantes podem ser abertas à água no fundo, e fechadas ao ar no topo, com um respiro pequeno provido no topo para ar fluir dentro e fora. Em algumas concretizações, as colunas de água oscilantes podem ser fechadas à água no fundo, e abertas ao ar no topo, com um respiro pequeno provido no fundo para água fluir dentro e fora. Em algumas concretizações, as colunas de água oscilantes podem ser abertas à água no fundo, e abertas ao ar no topo, com uma abertura de tamanho limitado provida no meio para água e/ou ar fluir dentro e fora, como uma tela, uma grelha, ou uma porção de diâmetro reduzido.
[0040] Se referindo agora à Figura 7, é ilustrado um gráfico de resposta de um sistema flutuante a frequências normalizadas de onda com e sem
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11/13 sistemas de supressão de movimento presos ao sistema flutuante. Como usado aqui, o termo frequência normalizada significa a relação de frequência de frequência de excitação para a frequência natural de uma estrutura flutuante. Linha 500 indica a pior resposta, que corresponde ao sistema flutuante sem qualquer sistema de supressão de movimento preso. Linha 502 indica a segunda pior resposta, que corresponde ao sistema flutuante com um sistema de supressão de movimento preso, que tem uma única coluna de água oscilante. Linhas 504 indicam as melhores respostas, que correspondem ao sistema flutuante com um sistema de supressão de movimento preso, que tem múltiplas colunas de água oscilantes sintonizadas a frequências diferentes.
[0041] Em algumas concretizações, equações governantes de movimento para uma estrutura flutuante com um sistema de supressão estão publicadas abaixo como Equações la e 1b:
++8,{Χ^·) = Γ} (la) lit - dt + = ) = ],2—υ (lb) ífí J/ onde:
Μ = massa de estrutura flutuante incluindo massa adicionada
C = coeficiente de amortecimento de estrutura flutuante
K = rigidez de estrutura flutuante
X = resposta de estrutura flutuante em ondulação, arfada e/ou guinada mi = inércia de água dentro de coluna de água oscilante
Ci = coeficiente de amortecimento de coluna de água oscilante ki = rigidez de coluna de água oscilante xí = resposta de água dentro de coluna de água fi e /2 = termos de acoplamento entre estrutura flutuante e colunas de água oscilantes como funções da resposta de estrutura flutuante e
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12/13 respostas de água oscilante dentro de coluna de água gi e g2 = termos não lineares
Fi e F2 = forças de excitação devido a carregamentos ambientais [0042] Equação (la) representa os movimentos de estrutura flutuante em ondulação, arfada e/ou guinada. Equação (1b) descreve as respostas de coluna de água oscilante. Subscrito i representa a colunas de água oscilantes sintonizadas diferentemente.
[0043] Em algumas concretizações, sistemas e/ou métodos para sintonizar um sistema de supressão podem ser alcançados usando estruturas de coluna de água oscilante com comprimentos diferentes de forma que cada estrutura de coluna de água oscilante tenha frequências naturais diferentes (sintonizadas diferentemente). O ar aprisionado dentro de uma estrutura de coluna de água oscilante pode funcionar como uma mola, e a água pode funcionar como uma massa. Algumas estruturas de coluna de água oscilante podem ter um topo fechado (sem respiro) e fundo aberto. Ajustando a altura de coluna de água como também altura de ar, cada estrutura de coluna de água oscilante pode ser sintonizada diferentemente para frequências de excitação diferentes. A frequência natural da coluna de água oscilante é a função de altura de água e altura de ar (ou quantidade de ar aprisionado). Por exemplo, sem movimento de estrutura flutuante, a frequência natural fn de coluna de água oscilante pode ser achada da equação (1c) como segue (para diâmetro de tubo uniforme):
![Figure BRPI0716939B1_D0001](https://patentimages.storage.googleapis.com/92/c9/13/6f6135167eaa0c/BRPI0716939B1_D0001.png)
onde Z é altura de ar e H é altura de água dentro de tubo.
[0044] Em algumas concretizações, para sintonizar o sistema de supressão a frequências diferentes, tanto altura de ar e/ou altura de água pode
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[0045] Em algumas concretizações, amortecimento de estruturas de coluna de água oscilante pode ser alcançado tendo uma mudança de seção transversal dentro da coluna, por exemplo uma porção de diâmetro reduzido. Isto pode causar desvio de vórtice na mudança de seção transversal dentro da coluna de água. Quando água se move para cima e para baixo, vórtices podem se formar e dissipar energia.
[0046] Em algumas concretizações, amortecimento de estruturas de coluna de água oscilante pode ser alcançado usando telas ou defletores para controlar o fluxo de água. Usando malhas de tela de tamanho diferentes, quantidade diferente de amortecimento pode ser alcançada.
[0047] Em algumas concretizações, amortecimento de estruturas de coluna de água oscilante pode ser alcançado tendo uma abertura perto do topo da coluna, que usa um atraso de tempo devido a ar descarregando quando água se move para cima e para baixo. Isto pode ser usado para sintonizar o sistema de supressão com tamanhos de respiro diferentes.
[0048] Aqueles de habilidade na técnica apreciarão que muitas modificações e variações são possíveis em termos das concretizações, configurações, materiais e métodos expostos sem partir do seu espírito e extensão. Por conseguinte, a extensão das reivindicações anexas daqui por diante e seus equivalentes funcionais não deveria ser limitada por concretizações particulares descritas e ilustradas aqui, como estas são meramente exemplares em natureza.