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Esse projeto final de graduação apresenta o processo de dimensionamento de uma tubulação de sucção de óleo a partir de um vaso separador no módulo do flare de um navio plataforma. Utiliza-se como base de projeto a norma ASME B31.3, além das recomendações da DNV RP D101. Para garantir a integridade estrutural da tubulação é utilizada a teoria de viga e de membrana e um software de análise de elementos finitos apropriado da indústria. Levam-se em consideração, suportes, carregamentos como peso, p
Tipologia: Teses (TCC)
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Não perca as partes importantes!
Thiago Barreto de Aguiar
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Fernando Pereira Duda
Rio de Janeiro Abril de 2016
Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ
Thiago Barreto de Aguiar
Aprovado por:
Prof. Fernando Pereira Duda, D. Sc.
Profª. Lavinia Maria Sanabio Alves Borges, D. Sc.
Prof. Fábio Luiz Zamberlan, D. Sc.
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“Do not go gentle into that good night, Rage, rage against the dying of the light.” Dylan Thomas
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Primeiramente e acima de tudo, agradeço a meus pais, José Carlos e Cecy de Fátima, por todo ao amor e apoio que me deram durante toda minha vida, além do grande incentivo e suporte incondicional aos estudos. Tudo que pude e poderei conquistar na vida foi e será graças a eles.
Agradeço também aos colegas da Promon Engenharia, local onde fiz muitos amigos e pude me espelhar e aprender com grandes profissionais. Obrigado também a equipe de engenharia de tubulação da empresa e ao amigo Julio Goes por todo conhecimento passado a cerca dessa área de análise de tensões que tornaram a ideia deste projeto possível.
Gostaria de agradecer também ao professor Fernando Duda pela orientação do trabalho e pelas inestimáveis sugestões e recomendações apontadas. Agradeço também a professora Lavinia pelo curso de Análise Computacional de Tensões que tornou possível alinhar e entender as práticas de engenharia da indústria expostas nesse trabalho aos conhecimentos teóricos que a universidade proporciona.
Por fim, agradeço aos inestimáveis amigos que fiz na universidade por toda força que proporcionaram para superarmos juntos todos os obstáculos do curso durante esses cinco anos de graduação.
v
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
Structural Analysis of an oil pipeline in a platform-ship
Thiago Barreto de Aguiar
March/
Advisor: Fernando Pereira Duda
Course: Mechanical Engineering
This undergraduate project presents the design process of an oil suction pipeline coming from a knock out drum of a flare system in a platform-ship. It was based on ASME B31.3 standard, also recommendations of DNV RP D101. To ensure the structural integrity of the pipeline, beam theory, shell theory and appropriate finite element analysis software of the industry are used. They take into account supports, loads such as weight, internal pressure, thermal expansions, displacements of nozzles and external forces such as platform’s deflection, wind and waves.
Key-words: Stress analysis, beam theory, shell theory, finite element, pipe.
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Tensão radial Tensão tangencial Tensão longitudinal Tensão de cisalhamento Tensão resultante de torção Tensão admissível na temperatura de trabalho considerada Tensão admissível na temperatura ambiente Tensão admissível secundárias Tensão devido a flexão em acidentes Tensão limite de escoamento Fator de intensificação de tensões no plano do acidente Fator de intensificação de tensões no plano normal ao acidente Momento fletor no plano do acidente Momento fletor no plano normal ao acidente Momento de torção E Módulo de elasticidade Ec Módulo de elasticidade na temperatura ambiente (durante a montagem) Eh Módulo de elasticidade na temperatura especificada Z Momento resistente L Comprimento P Pressão R Raio D Diâmetro Flecha I Momento de inércia u Deslocamento Deformação Tensão p Carga distribuída s Cortante
O objetivo desse trabalho é analisar através da teoria de vigas, teoria de membranas e elementos finitos a integridade de uma linha de tubulação de sucção de óleo, garantindo que não haja falhas em função de dilatações, peso próprio, pressão, deslocamento de bocais, forças externas e outros tipos de carregamentos.
Neste projeto de graduação a análise será feita em uma tubulação de processo. Estas transportam os fluidos que constituem a finalidade básica da indústria, seja pra processamento, armazenagem ou distribuição. Um exemplo são tubulações de óleos em refinarias, terminais e instalações de armazenagem ou distribuição de produtos de petróleo, tubulações de vapor em centrais termelétricas, tubulações de produtos químicos em indústrias químicas, etc. Esses tipos de fluidos exigem que a integridade da tubulação seja garantida, devido a segurança e aos custos. Porém, ao mesmo tempo, como as tubulações representam grande custo do empreendimento de um navio plataforma, suas análises não podem ser extremamente complexas e caras. Logo, aproximações que agilizem o cálculo, verifiquem os efeitos necessários para esse tipo de tubulação e continuem garantindo a integridade são necessárias e explicadas neste projeto com respaldo de normas consagradas.
Utiliza-se como base para cálculos e limites admissíveis a norma ASME B31. (Process Piping Guide) além da recomendações da DNV RP D101 (Structural Analysis of Piping Systems) e práticas de engenharia de tubulação utilizadas na indústria brasileira.
Figura 1 - Classificação de Tubulações Industriais [1]
Durante os dois últimos anos da graduação, tive o privilégio de estagiar na área de engenharia de tubulação da Promon Engenharia onde apliquei diversos conhecimentos adquiridos na universidade para o início de minha vida profissional. Junto a isso também adquiri algumas expertises na área que são muito próximas ao curso de Engenharia Mecânica, mas não são apresentadas a fundo no ambiente acadêmico. Por isso, esse projeto tem também como função complementar o interesse de futuros engenheiros sobre a área de tubulação que muito se utiliza da engenharia mecânica. Além disso, mostrar na prática, possíveis aplicações de disciplinas como Mecânica dos Sólidos e Elementos Finitos na indústria de engenharia do país.
O presente projeto está dividido nas seguintes etapas: primeiramente será apresentado um resumo do processamento geral envolvido na FPSO: onde está localizada a linha de tubulação estudada, o processo que ocorre no módulo do Flare, local mais específico em que a tubulação opera e o funcionamento dos equipamentos e componentes da linha.
O capítulo seguinte será a uma abordagem de quais carregamentos afetam a estrutura da linha e como eles são impostos no cálculo. Será apresentada também uma breve revisão de Mecânica dos Sólidos, aprofundando a teoria de vigas e de membranas utilizada nos cálculos. Juntamente com os cálculos das tensões estarão os limites admissíveis da norma ASME B31.3 e os fatores de intensificação de tensão em acidentes.
Complementando a teoria de vigas estará uma iniciação a teoria de elementos finitos responsável pela iteração no ambiente virtual dos cálculos através de um software muito difundido na indústria. Por último estarão os dados utilizados, resultados do software e sua interpretação no projeto junto com uma conclusão e bibliografia utilizada.
Nessa plataforma, o petróleo é elevado até a superfície por tubulações chamadas de risers, construídas para suportar grandes pressões exercidas pela coluna de água e o movimento da embarcação. Os risers chegam à plataforma e são conectados aos manifolds, que são um conjunto de válvulas e instrumentos de controle necessários para proporcionar flexibilidade e segurança a operação. No mesmo local, encontram-se os lançadores e recebedores dos pigs. Estes limpam as linhas removendo parafina e outros resíduos que aderem à parede interna do tubo, sendo fundamentais na manutenção das linhas de elevação e de equipamentos submarinos.
O óleo que chega ao manifold é alinhado para tubulações principais de grande diâmetro chamados de headers que são responsáveis pela coleta do óleo proveniente dos diversos poços produtores de petróleo. Em seguida é direcionado para os pré- aquecedores, incrementando-se à temperatura do petróleo em cerca de 5 °C. Então o petróleo segue para o aquecedor de produção, onde são encontrados trocadores de calor.
O petróleo ocupará o equipamento todo, maximizando a troca de temperatura com a água quente, pré-injetada no trocador. A uma temperatura de cerca de 180 ºC, a água cede calor ao petróleo, aquecendo-o a uma temperatura de cerca de 80 °C. Assim a capacidade de separação do óleo será aumentada com o decréscimo de densidade e viscosidade.
Depois de aquecido, o petróleo irá para um vaso separador, ou knock out drum, de vapor-líquido (bifásico). Este tipo de vaso é utilizado em várias aplicações industriais para separar uma mistura. A gravidade faz com que o líquido se deposite no fundo do recipiente, onde ele é retirado. O vapor se desloca para cima a uma velocidade tal que minimiza o arrastamento de quaisquer gotículas de líquido que sai pela parte superior ou lateral do vaso.
O líquido separado na parte inferior do vaso será transportado para o flange de sucção de uma bomba na tubulação que será feita a análise neste projeto de graduação.
A partir dela, ele é bombeado para outro vaso separador, mas este será trifásico. Nele a função de separar o líquido é aprimorada, pois este também separa a água do óleo. Este processo em algumas plataformas pode continuar se repetindo em diversos vasos em série até o ponto de refino na separação requisitado pela operação.
Figura 3 - Esquemático de um Vaso Separador [3]
Quanto ao gás separado, este pode ser tanto direcionado para a queima no Flare ou para armazenagem, no caso deste vaso da P-66 que está localizado no módulo do Flare o gás será queimado. Cada navio plataforma possui diversos módulos, cada módulo tem um propósito dentro da operação de extração, refino e armazenagem do petróleo explorado.
A opção de liberar o gás vindo do separador na atmosfera, queimando-o ou não, é de essencial importância na indústria de óleo e gás. Muitas vezes a plataforma não é capaz de armazenar todo o gás produzido ou alguns tipos específicos que não são comercializáveis, portanto queimá-los no Flare é uma opção necessária, pois diminui o risco de incêndio e explosões. O sistema do Flare também serve como uma válvula de escape em caso de sobrecarga do sistema quando se detecta um aumento fora do padrão das pressões de trabalho em linhas de gases.
Neste capítulo serão apresentados os tipos de carregamentos e como eles afetam o sistema de tubulação. Em sequência, as definições de tensões e limites admissíveis pelas normas e como cada tipo de carregamento acarretará em um tipo específico de tensão. Finalizando com a formulação e dados de cálculo para estas tensões na tubulação.
Em uma análise de tensões de tubulações industriais existem diversos carregamentos aos quais a tubulação estará submetida. Em uma FPSO as principais cargas são as seguintes:
i. Pressão: Esta ocorre devido as condições em que o fluido opera. Podendo ser interna, no caso de pressões acima das do ambiente em que está operando a tubulação, ou externa no caso de trabalhar abaixo. É comum da pressão ser externa em operações no leito marinho e em unidades de vácuo.
ii. Peso: Junto ao peso da tubulação inclui-se o peso do fluido e dos componentes da linha, como válvulas, flanges, entre outros.
iii. Dilatações térmicas: Este tipo de carregamento é muito importante em caso de linhas operando em temperaturas acima do ambiente. Por isso, é preciso criar curvas que permitam maior flexibilidade na tubulação para criar espaço para dilatações, não sobrecarregando assim possíveis bocais nos extremos e não criando excesso de cargas de compressão.
iv. Deslocamento dos extremos: Esses deslocamentos surgem a partir de dilatações de equipamentos, por exemplo vasos de pressão que operam com temperatura elevada, ou trocadores de calor e vibrações de equipamentos rotativos como as bombas. v. Atrito: Forças de atrito são muito comuns serem dimensionadas nos suportes da tubulações como apoios. Normalmente se utiliza o coeficiente de 0,3 quando a interface é metal e metal, e 0,1 para interfaces metal e teflon, aplicada em suportes perto de bocais. vi. Inércia: Essas forças surgem devido a movimentos do navio. Estes ocorrem devido as ondas, cujas acelerações são projetadas para as maiores médias históricas para o período de operação da plataforma. Os principais movimentos da estrutura do navio que são relevantes para análise são o pitch e o roll.
Figura 5 - Movimentos da FPSO [6] vii. Vento: Será um carregamento imposto na análise para a maior média histórica de ventos naquele local, semelhante ao carregamento devido as ondas.
viii. Deflexão do navio:
A deflexão do navio, afeta as estruturas em que as tubulações estão apoiadas. Estas se deformam e geram movimentos na tubulação. Esses movimentos entrariam na análise como deslocamento nos suportes que são soldados a essas estruturas.
