Análise do comportamento mecânico de brackets da fundação de fairleads de uma plataforma fpso através de simulação numérica

Abstract

Os sistemas de ancoragem em plataformas de produção de petróleo pois são responsáveis por manter o posicionamento da embarcação mediante ação de cargas ambientais. Usualmente tais sistemas fazem uso de diversas linhas de ancoragem, formadas por amarras e cabos de aço, aliados a diversos equipamentos situados na própria plataforma. Um destes equipamentos é o fairlead, uma roldana que guia a linha de ancoragem em direção ao deck da plataforma e não permite que cargas torcionais e horizontais se façam presentes nos demais equipamentos do sistema. As geometrias mais usuais de fairlead são fixadas a plataforma através de fundações soldadas, conhecidas como brackets. Os brackets são estruturas robustas compostas por chapas de aço espessas e de alta importância para o correto funcionamento não apenas do fairlead, mas de todo o sistema de ancoragem. Diante do exposto, o presente estudo analisou a geometria de brackets de sustentação de fairleads com chapas menos espessas que as comumente usadas, submetidos a um carregamento equivalente à solicitação ambiental máxima. A pesquisa fez uso do método Design Construtal para analisar o comportamento mecânico de 6 geometrias diferentes de brackets em relação ao limite de escoamento através de modelagem computacional desenvolvida na ferramenta Mechanical APDL do software ANSYS, que faz uso do Método dos Elementos Finitos. As geometrias estudadas foram baseadas nos brackets em operação na plataforma P-66 da Petrobras. Primeiramente, foram determinadas as cargas ambientais atuando na plataforma e as características das linhas de ancoragem para dois casos, o de carregamento máximo ambiental e o de carregamento máximo acidental, onde 4 linhas do caso anterior foram removidas. Os dados referentes a Bacia de Campos foram empregados nesses cálculos. A plataforma foi considerada estática assim como as cargas atuantes sobre ela. Os brackets são constituídos de chapas de aço AH36, com limite de escoamento de 355 MPa, e o carregamento foi aplicado a eles como pressão na região interna de uma furação que envolve um eixo acoplado ao fairlead. Para atestar o comportamento seguro dos brackets, a tensão máxima de von Mises neles deve ser inferior ao limite de escoamento do aço. As geometrias de brackets testadas são consideradas soldadas ao costado e variam entre si pela forma da chapa de aço horizontal. O modelo computacional do bracket foi desenvolvido utilizando o elemento finito do tipo sólido e as simulações foram efetuadas com malhas até cerca de 500 mil elementos finitos. Como conclusão, 3 das 6 geometrias extrapolaram a tensão de escoamento do aço, enquanto as outras 3 apresentaram valores em um dos brackets com baixo fator de segurança, mas dentro do comportamento linear. Ainda foi possível observar que o uso de chapas mais finas pode propiciar o surgimento de zonas de concentração de tensão, principalmente na região de união entre as chapas e o sólido ao redor da furação onde o carregamento é aplicado.

Mooring systems on oil production platforms are responsible for maintaining the set positioning of the vessel through environmental loading action. Usually, this system makes use of many mooring lines and several equipment located on the platform to operate them. One of these equipment is fairlead, a pulley that guides the anchor line towards the deck of the platform and does not allow torsional and horizontal loads to be present in the other equipment of the system. The most common fairlead geometries are attached to the platform through welded foundations, known as brackets. The brackets are robust structures composed of steel plates with large thickness, they have high importance for the correct functioning not only of the fairlead but of the entire mooring system. The present study analyzed the geometry of brackets supporting fairleads with plates less thick than those commonly used, subjected to a load equivalent to the maximum environmental request. The research made use of the Design Constructal method to analyze the mechanical behavior of 6 different geometries of brackets in relation to the yielding limit through computational modeling developed in the tool Mechanical APDL of the software ANSYS, that makes use of the Finite Element Method. The geometries studied were based on the brackets in operation on the P-66 platform of Petrobras. In the preliminary stages of the study were determined the environmental loads acting on the platform and the characteristics of the mooring lines for two cases, the maximum environmental state and the maximum accidental state, where 4 lines from the previous case were removed. Data for the Campos Basin were used in these calculations. The platform was considered static as well as the loads acting under it. The brackets are made of AH36 steel plates with a yield limit of 355 MPa, and the loading was applied to them as a pressure in the inner region of a hole that involves a shaft coupled to the fairlead. To attest the safe behavior of the brackets, the von Mises maximum stress on them should be less than the steel yielding limit. The bracket geometries tested are considered welded to the hull and vary by the shape of the horizontal steel plate. The computational model of the bracket was developed using the finite element of the solid type and the simulations were carried out with meshes up to about 500,000 elements. As a conclusion, 3 of the 6 geometries extrapolated the yielding stress limit of the steel, while the other 3 presented values in one of the brackets with low safety factor, but still within the region of linear behavior. It was also possible to observe that the use of thinner plates can lead to the of zones of tension concentration, especially in the region of union between the plates and the solid around the hole where the loading is applied.