ALETAS SUPRESSORAS DE MOVIMENTO INDUZIDO POR VORTEX
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um acessório provido a estruturasde grande porte submersas de configuração cilíndrica ou predominante-mente cilíndricas; especificamente aplicado em plataformas flutuantes deprospecção de petróleo, tipo mono-coluna ou SPAR, que possibilita alterara atuação das vibrações induzidas por vórtices nestas estruturas,principalmente quando estiverem sujeitas a fortes correntezas.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADA
A indústria petrolífera em águas profundas requer a utilização deunidades estacionárias de produção (UEP)1 que depois de ancoradas aoleito do mar operaram como uma unidade flutuante produtiva ou deexploração de poços de petróleo.
Um dos principais desafios neste ambiente é manter a estabilidadedas plataformas independente das condições de mar. Esta manutençãoconsiste em diminuir ao máximo a influência das ondas marinhas queempurram e puxam as plataformas, bem como das correntezas que agemna porção submersa dessas estruturas.
Atualmente, em decorrência da possibilidade do posicionamentodestas estruturas flutuantes em regiões onde predominam correntezas dealta velocidade, tais como Golfo do México, tem-se observado epesquisado com maior detalhamento as vibrações ocasionadas pelosmovimentos induzidos por desprendimento de vórtices, que constitui umproblema hidroelástico dos mais difíceis, devido à interaçãofluido/estrutura.
A passagem de um fluido no entorno de uma estrutura pode causarvibrações transversais ao fluxo, oriundas do desprendimento de vórtices.Já foi constatado que vibrações induzidas por vórtices em plataformas comamplitude de resposta muito elevada podem ocasionar danos nasoperações a bordo à medida que haja um aumento dos esforços devido àscorrentes marinhas, ondas ou ambas.
O fenômeno de desprendimento de vórtices devido à passagem deum fluido já vem sendo observado desde tempos antigos. Ocorre nas maisvariadas estruturas sujeitas a um fluido em movimento, e pode serprovocado por uma corrente de ar, água ou outro fluido qualquer.
Ocorre principalmente quando uma seção circular imersa em umacorrente de fluido gera na passagem da superfície de contato, umacamada limítrofe do fluido que se separa, formando duas camadascisalhantes que se deslocam à jusante do escoamento de cada um doslados da seção circular do corpo cilíndrico. Estas camadas tendem arevolver-se formando uma esteira de vórtices à jusante do corpo cilíndrico.
A esteira de vórtices, dependendo da velocidade da corrente,viscosidade do fluido, e das dimensões do corpo cilíndrico imerso, geraforças cíclicas capazes de atuar com grande intensidade e de diferentesmodos sobre o corpo imerso.
Os movimentos induzidos por vórtices (Vortex Induced Motions),doravante referenciado como VIM, tratam de um fenômeno que ocorre emestruturas flutuantes de grande porte quando expostas a uma fortecorrenteza. Ele é similar ao VIV (Vibrações Induzidas por Vórtices)comumente presentes em estruturas esbeltas, tais como dutos, risers elinhas de ancoragem, no entanto no VIM, a freqüência de formação dosvórtices é mais baixa.
A diferença principal entre o VIM e o VIV está na escala doproblema, e nas condições de fixação das estruturas.
Estruturas esbeltas como dutos, risers e linhas de ancoragem,geralmente apresentam as duas extremidades afixadas, o que facilita aindução de uma vibração, enquanto que grandes estruturas flutuantes sãoapenas ancoradas, facilitando a indução de um movimento vertical devidoà atuação das forças geradas pelos vórtices.
As plataformas possuem diâmetro hidrodinâmico e massa muitosuperior aos dos elementos submetidos ao VIV1 o que acarreta períodosde vibração maiores. Já foram observadas em estruturas reais, vibraçõescom amplitudes da ordem de 60% do diâmetro da plataforma, estasoscilações geram diversas situações de risco de acidentes em operaçõesa bordo ou entre embarcações, além de agravar a fadiga e as tensões doscomponentes conectados à mesma.
Com o desenvolvimento das técnicas de construção e adoção demateriais mais leves e resistentes, as estruturas da indústria do petróleotornaram-se mais sujeitas a ação dessas forças hidrodinâmicas. Um dosprincipais desafios nesse ambiente é manter a estabilidade dasplataformas independente das condições de mar. Dentre os diversosprocedimentos para esse fim, o principal deles consiste em diminuir aomáximo o deslocamento da plataforma ao longo do seu eixo vertical(balanço axial) e o deslocamento angular em relação mesmo eixo vertical(balanço angular).
O aumento da profundidade da lâmina de água, onde as plataformastêm sido ancoradas bem como seus calados requerem por conseqüência oaumento das exigências de segurança para que estas plataformas possamoperar nessas regiões, tornando cada vez mais complexa a busca desoluções técnicas para enfrentar os desafios inerentes às condiçõesambientais (de mar e de tempo) típicas de alto-mar, especificamentequando há freqüência de fortes correntezas.
As plataformas tipo SPAR1 usualmente encontradas nestascondições de mar, utilizam para a redução de VIM frisos helicoidaiscontínuos ou segmentados em torno do corpo da plataforma, conhecidasno meio técnico como "strakes". Estes acessórios têm que ter larguraaproximada de 10% do diâmetro principal da estrutura e duas ou trêsentradas para se tornarem eficazes. O objetivo da adoção de um acessóriocom esta geometria é quebrar as emissões ordenadas de vórtices,diminuindo assim a atuação destas forças sobre a plataforma.Recentemente, os movimentos induzidos por vórtices - VIM têmsido observado nas plataformas do tipo SPAR instaladas no Golfo doMéxico, abrindo um novo campo de pesquisa. Para estes movimentos,aspectos como a amarração assimétrica e o escoamento tridimensionaltornam o problema ainda mais complexo. Pode-se concluir, portanto, que aaplicação dos frisos ordenadamente arranjados no costado destasplataformas não foram suficientes para eliminar o problema.
Adiciona-se a este fato, que a construção destes frisos helicoidais émuito cara e contribuem com o acúmulo de peso excessivo sobre aestrutura, tornando quase que inviável seu dimensionamento paraplataformas do tipo mono-coluna, devido ao diâmetro principal deste tipode plataforma ser muito grande quando comparado com o calado.
Além disso, plataformas que adotam esta alternativa requeremprocedimentos especiais e onerosos para seu transporte e lançamento.
Como estes frisos geralmente apresentam dimensões próximas a cincometros, e são muito finos em relação ao corpo da plataforma, qualquererro em operações de transporte e lançamento pode ocasionar danos ouacidentes.
Para o caso de estruturas cilíndricas de grande comprimento, existea opção de colocação de "spoiler plates", conforme apresentado porBlevins [Flow Induced Vibration, New York : Van Nostrand Reinhold, 1990].Neste caso as chapas fragmentadoras são quadradas, com dimensões de1/3 do diâmetro e espaçadas de 2/3 do diâmetro, dispostas radialmenteeqüidistantes em torno do perímetro do corpo, em vários níveis distintos aolongo da estrutura.
A solução com chapas fragmentadoras, na mesma proporção emque é utilizada para cilindros esbeltos, também não é viável para umaplataforma do tipo mono-coluna, devido à quantidade de materialnecessária. Ou seja, esta solução se aplica melhor para cilindros depequeno diâmetro e com um grande comprimento expostos ao campo develocidades do fluido.
Desde 2003, vem sendo estudado também o uso de plataformastipo mono-coluna para a produção de óleo em condições de mar iguais asencontradas no Golfo do México.
Considerando as condições ambientais destas áreas e assumindoque as plataformas mono-colunas podem apresentar um comportamentode VIM parecido com o de SPARs, foi iniciada uma investigaçãoexperimental focando nas respostas de mono-colunas em VIM. Algunsresultados deste desenvolvimento foram apresentados por Campos[Stability Criteria and Analysis of a Monocolumn Concept, OMAE 2004-51531], Torres [Study of Numerical Modelling of Moonpool as MinimizationDevice of Monocolumn Hull, OMAE 2004-51540] e Cueva [Estimation ofDamping Coefficients of Moonpools for Monocolumn Type Units, OMAE2005-67332],
Miyagawa [Development of New Coneepts on Floating Produetionstorage and Offload Unit, OMAE 1989, Volume I, pgs 49-55] apresentouuma comparação de novos conceitos de plataformas flutuantes, incluindomono-coluna, mas focou na análise dos movimentos de 1a ordem.
Matsuura [Development of Mono-Column Type Hull Form withPassive Type Motion Damping Devices for Floating Produetion System,OMAE 1995, Volume l-A, pgs. 403-410] estudou o uso mono-colunas emcampos marginais, com foco nos movimentos de "heave" e "pitch" comofunção de variações da geometria do casco e inclusão de um tanque "anti-pitch".
Tanabe and Matsuura [FPS Development - A New Concept ofMONOCOLUMN, Black SEA-97] apresentaram uma visão geral do projetode mono-colunas para campos marginais.
Chou [Self Installed Single Column Floater, OMAE2004-51466]apresentou a plataforma mono-coluna auto-instalável (ESISCF), umconceito com geometria similar às SPARs, mas com calado menor epresença de anéis circulares. Estas diferenças permitem instalaçãovertical, reduzindo custo. Assim, o foco do trabalho é na estabilidade eprocedimentos de instalação.
O conceito MPU-SEMO, apresentado no endereço de internetwww.mpu.no, e o conceito Sevan Marine, apresentado por Syvertsen andLopes, no endereço www.sevanmarine.com, têm a vantagem de reduzir ocusto de construção devido à simplicidade do casco, que é composto decasco cilíndrico e uma saia. Este modelo teve uma unidade instalada em2007 no Brasil, e foi a primeira plataforma mono-coluna instalada nomundo.
Aker Kvaerner desenvolveu diversas variações do conceito TentechBuoyform, apresentado no endereço www.akerkvaerner.com, estaplataforma de movimentos melhorados tem um casco cônico para reduzira força do impacto de icebergs.
No entanto, apesar das diferenças entre os conceitos apresentados,todos têm em comum a seção circular da coluna principal. Assim,emissões de vórtices são inevitáveis e os problemas de VIM podemocorrer. Entretanto, nenhum dos trabalhos apresentados abordou oassunto mais profundamente.
Diante deste quadro é fácil concluir que uma estruturapreponderantemente cilíndrica de grande diâmetro, tal qual umaplataforma mono-coluna, imersa em uma corrente marinha veloz,inevitavelmente apresentará problemas em ralação ao VIM, acarretandoalgum tipo de prejuízo. No entanto é inviável a adoção de soluçõestradicionais como os frisos helicoidais ou chapas fragmentadoras,obedecendo aos parâmetros utilizados atualmente.
Se fossem adotados, em plataformas mono-colunas, os parâmetrosrecomendados pelas atuais pesquisas, que sugerem frisos com dimensõesde até 10% do diâmetro da estrutura, seriam necessários frisos comdimensões de até dez metros radiais a estrutura principal.Mesmo que esta solução fosse eficaz, a sua realização seria degrande dificuldade técnica, pois para que as estruturas dos frisos emhélice fossem soldados no costado da plataforma, necessitaria de umsuporte na estrutura interna do casco cruzando em diagonal seus reforçosinternos.
Para superar problemas como excesso de peso e custo elevado deprodução, foram desenvolvidas as aletas supressoras de movimentoinduzido por vortex (VIM), objeto da presente invenção, para seremaplicadas a estruturas cilíndricas de grande porte, e em especial emplataformas tipo mono-colunas.
Torna-se clara a elevada importância da identificação desses novosmeios e parâmetros para anular os efeitos do VIM em estruturas de grandeporte e diâmetros, mas de baixo calado.
A invenção descrita a seguir decorre da contínua pesquisa nestesegmento, cujo enfoque objetiva prioritariamente reduzir ao máximo oumesmo eliminar a formação de esteiras de vórtices neste tipo de estruturaflutuante, evitando que a mesma sofra a menor influência possível destasforças, a fim de manter o equilíbrio e a estabilidade, mesmo quandosujeitas a correntezas velozes.
A presente invenção também visa prover um dispositivo aplicável emqualquer tipo de estrutura de grande ou pequeno porte, sujeita ao fluxo deum fluido, com qualquer configuração construtiva alongada.
Outros objetivos que a aleta supressora de VIM, objeto da presenteinvenção, se propõe alcançar; são a seguir elencados:
a. Mitigar os movimentos induzidos por vórtices em estruturas degrande diâmetro;
b. Quebrar a correlação dos vórtices formados na esteira devórtices em estruturas de grande diâmetro;
c. Ser um acessório barato e leve para ser aplicado ao casco;
d. Possibilidade de ser aplicada em diversas estruturas depequeno ou grande diâmetro, que estejam sujeitas a um fluxode fluido;
e. Ser um acessório dimensionalmente muito menor do que osatuais acessórios supressores de vórtices conhecidos datécnica, mas com igual, ou melhor, eficiência;
f. Poder ser instalada mesmo depois de a plataforma estar emoperação;
g. Comprovado resultado quando aplicado em estruturas degrande diâmetro tais como plataformas mono-colunas;
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Refere-se a presente invenção a um acessório aplicadopreferencialmente a plataformas de petróleo para mitigar os movimentosinduzidos por vórtices.
Resumidamente a estrutura acessória pode ser descrita como umconjunto de componentes do tipo frisos poligonais para serem aplicadospreferencialmente ao costado molhado de estruturas predominantementecilíndricas flutuantes das mais variadas capacidades. Cada componente éafixado aleatoriamente sobre o costado da plataforma. A fixação é feita emuma posição radial ao eixo principal da dita plataforma, e com suas bordaslaterais sempre dispostas em uma posição paralela ao eixo da ditaplataforma. A largura de cada componente é preferencialmente calculadaem uma proporção de 1/20 do diâmetro total da plataforma, apresentandojunto ao costado uma espessura na faixa de 0,80 metros a 1,20 metros,decrescendo até a sua extremidade livre. A altura a ser adotada em cadacomponente também obedece a proporção de 1/20 do diâmetro total daplataforma.
É importante que cada componente seja aleatoriamente disposto aolongo da superfície de cada 1/8 de seção do costado da plataforma,posicionado em qualquer ponto desta superfície molhada do costado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSA invenção será descrita a seguir mais detalhadamente, emconjunto com os desenhos abaixo relacionados, os quais, meramente atítulo de ilustração, acompanham o presente relatório, do qual é parteintegrante, e nos quais:
A Figura 1 retrata uma vista em perspectiva de uma plataformamono-coluna provida da invenção proposta
A Figura 2 retrata vista em corte lateral de uma plataforma providada invenção proposta.
A Figura 3 retrata uma vista superior de um dos componentes dainvenção proposta.
A Figura 4 retrata vista superior em corte de uma plataforma providada invenção proposta.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A aleta supressora de movimento induzido por vortex (VIM), objetoda presente invenção, foi desenvolvida a partir de pesquisas que visavamdisponibilizar um acessório mais leve do que os existentes no mercado, detal forma que não necessitasse modificações nas estruturas internas doscascos, e principalmente, que oferecesse um melhor resultado quandocomparados aos das técnicas atualmente conhecidas.
Neste sentido as pesquisas foram voltadas para o desenvolvimentode um acessório que fosse capaz de ser aplicado a estruturaspredominante cilíndricas flutuantes das mais variadas capacidades, commaior interesse nas plataformas tipo mono-colunas.
Conforme pesquisas realizadas, a atuação de uma esteira devórtices ocorre principalmente quando uma seção predominantementecircular imersa em uma corrente de fluido gera na passagem da superfíciede contato, uma camada limítrofe do fluido que se separa, formando duascamadas cisalhantes que se deslocam à jusante do escoamento de cadaum dos lados da seção circular do corpo. Com o intuito de impedir aformação desta esteira de vórtices, atualmente têm-se munido com frisosas plataformas de formatos cilíndricos. Estes frisos sempre obedecem auma disposição simétrica em torno do eixo principal da plataforma. Noentanto todos os projetos apresentados até a atualidade na prática nãoimpediram, ou mesmo reduziram suficientemente, a atuação das esteirasde vórtices em plataformas imersas em grandes correntezas.
A Figura 1 retrata uma vista em perspectiva da atual invenção. Umadas características mais evidentes é a dimensão extremamente menor decada friso, em relação ao recomendado pela técnica atual para umaestrutura flutuante na proporção de uma plataforma mono-coluna. Se fosseadotado o critério atual de frisos com dimensão estimada de 10% dodiâmetro efetivo da estrutura principal, os frisos deveriam atingir pelomenos 10 metros radialmente a partir do costado da plataforma. Noentanto, as aletas supressoras de VIM (100) agora propostas, necessitampara o mesmo caso a metade dessa dimensão.
Apesar de ter sua geometria da placa semelhante a dos "spoilerplates", a utilização das aletas supressoras de VIM (100), formando umconjunto de componentes (101) aplicado em uma unidade mono-coluna(1) segue uma distribuição aleatória em torno do costado (2) molhado daplataforma (1), diferente tanto dos "strakes" quanto da placa de Blevins.
Estas ficam localizadas em uma mesma seção circular e aquelasdispostas tal qual uma hélice. Além disso, tanto os "strakes", quanto asplacas de Blevins (1990), não têm resultados comprovados para mono-colunas, por conseqüência também da grande razão diâmetro/comprimento molhado.
Cada componente (101) da aleta supressora de VIM (100) tempreferencialmente uma configuração poligonal e é fixado ao costado (2) daplataforma (1) em uma posição radial ao eixo principal da dita plataforma,e com suas bordas laterais (101a) e (101b) sempre dispostas em umaposição paralela ao eixo.
A importância da disposição aleatória de cada componente (101)das aletas supressoras de VIM (100) sobre o costado (2) molhado daplataforma (1) fundamenta-se principalmente na capacidade destadisposição não apresentar simetria na quebra da esteira de vórtices,quebrando conseqüentemente a correlação dos vórtices formados naesteira de vórtices em estruturas de grande diâmetro.
Em testes comparativos realizados em laboratório, estadiferenciação proposta na disposição dos componentes (101) sobre ocostado da plataforma (1), demonstrou ser a melhor solução na reduçãoda amplitude da oscilação induzida por vórtices em função da velocidadedas correntezas, se comparado com os métodos atualmente conhecidos,principalmente quando aplicados em plataformas mono-colunas.
A disposição radial de cada componente (101) da aleta supressorade VIM (100), com suas bordas laterais (101a) e (101b) sempre dispostasem uma posição paralela ao eixo da plataforma (1) é importante tanto paracontribuir com a quebra da esteira de vórtices, mas principalmente parasolucionar um problema estrutural da plataforma.
Se os componentes (101) da aleta supressora de VIM (100) fossemdispostos inclinados como uma seção de hélice, semelhante as "strakes",os suportes internos de sustentação, internos ao casco, teriam que cruzarem diagonal os reforços internos da plataforma (1). Esta solução defixação acarretaria diversos problemas estruturais de montagem, os quaisdeveriam ser superados.
Com a disposição construtiva sugerida, os reforços estruturais daplataforma (1) passam a atuar complementarmente à fixação doscomponentes (101).
As Figuras 2, 3 e 4, permitirão um melhor entendimento dodimensionamento e posicionamento dos componentes (101) sobreplataformas do tipo mono-colunas, a principal aplicação da atual invenção.
A largura de cada componente (101), de borda a borda lateral(101a) e (101b), é preferencialmente calculada em uma proporção de 1/20do diâmetro total da plataforma (1). No entanto, em função dasvelocidades relativas entre estrutura flutuante e fluido, outras dimensõespodem ser adotadas sem ultrapassar a uma faixa de 20% da proporçãomáxima de 1/20 do diâmetro.
Cada componente (101) é fixado aleatoriamente, dispostos nasuperfície de cada 1/8 de seção do costado (2) molhado da plataforma (1),ou opcionalmente em uma faixa de arco de 20° a 23°, preferencialmente22,5°.
A técnica reside em fixar um componente (101) a aproximadamentecada seção de 1/8 de volta da plataforma (1), mas aleatoriamenteposicionado em qualquer ponto da superfície molhada do costado (2). Esteregime de posicionamento dos componentes (101) não oferece qualquertipo de equacionamento representativo do conjunto de aletas.
Opcionalmente, não há impedimento para que alguns componentes(101) adjacentes possam ser dispostos, dentro de suas respectivas seçõesde 1/8 de volta, obedecendo à geratriz de uma hélice sobre a áreamolhada da plataforma.
Junto ao costado (2) cada componente (101) apresenta umaespessura na faixa de 0,80 metros a 1,20 metros, suficientementeprojetado para fora em cada situação, para suportar o peso próprio docomponente mais os esforços a que estará sujeito. Esta espessuradecresce até a sua extremidade livre apresentando neste ponto uma faixade 0,60 metros a 0,10 metros.
A altura a ser adotada em cada componente (101) também obedeceà proporção de 1/20 do diâmetro total da plataforma (1). No entanto,também em função das velocidades relativas entre estrutura flutuante efluido a altura pode variar desde que não ultrapasse a uma faixa de 20%da proporção máxima de 1/20 do diâmetro.
É fácil perceber que apesar de a aleta supressora de VIM (100)preferencialmente não oferecer qualquer tipo de equacionamentorepresentativo da disposição do conjunto de seus componentes (101),dada a aleatoriedade de fixação dos mesmos, testes comparativosrevelaram que a atual invenção obtém a redução das amplitudes deoscilações de plataformas mono-colunas de uma maneira relevante, sem anecessidade de aplicar peso extra em excesso à estrutura, e com um meiode fixação dos ditos componentes que não altera os reforços internos doscascos. Tudo isso torna a proposta, diferentemente das técnicasanteriores, barata, eficaz e fácil de se prover ao projeto de uma plataforma.
Deve-se ressaltar que durante o projeto de uma nova plataforma, osensaios preliminares feitos em escala dos protótipos de plataforma nãooferecem meios de alterar algumas escalas, como por exemplo, aviscosidade da água. Mesmo adotando-se recursos alternativosexperimentais ou de cálculo, típicos da técnica, não há como garantir queo efeito dos acessórios supressores de VIM atuarão fielmente na futuraestrutura real como nos ensaios de laboratório.
Desse modo fica ressaltado outra vantagem inquestionável de seadotar a aleta supressora de VIM (100), pois devido a possibilidade decada componente (101) poder ser disposto aleatoriamente dentro de umsegmento de área do costado (2) molhado de uma plataforma mono-coluna, caso haja necessidade de uma calibração dos efeitos dacorrenteza sobre a estrutura em situação real, novos componentes (101)podem ser facilmente aplicados à plataforma em operação, oucomponentes (101) já instalados podem ser alterados de lugar.
Além disso, por ser extremamente simples, barata, e resistente, aatual invenção pode ser adotada em diversas outras estruturas sujeitas auma esteira de vórtices, reduzindo assim os custos de projeto, epropiciando um aumento acentuado da segurança operacional e daqualidade.
A invenção foi aqui descrita com referência às suas concretizaçõespreferidas. Deve, entretanto, ficar claro, que a invenção não está limitada aconcretizações voltadas para plataformas mono-colunas, podendo tambémser aplicada a outras estruturas cilíndricas em geral. Aqueles comhabilidades na técnica irão imediatamente perceber que alterações esubstituições podem ser feitas sem fugir do conceito inventivo aquidescrito.