1 CONCEITOS DE REDUNDÂNCIA APLICADOS AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO DINÂMICO DE PLATAFORMAS DE PERFURAÇÃO OFFSHORE COMO ESTRATÉGIA DE AUMENTO DA CONFIABILIDADE Thales Moran & Júlio Arlindo Azevedo Resumo – Os Sistemas de Posicionamento Dinâmico (DP) atuam no sentido de manter embarcações maríti- mas em uma determinada coordenada e aproamento através do controle exclusivo dos seus propulsores, sem o auxílio de âncoras e rebocadores, e independente das condições climáticas. O DP é parte das soluções Integra- das de Automação Naval, onde em seus passadiços po- dem-se realizar atividades de monitoramento e aciona- mento de equipamentos do navio. No caso das platafor- mas móveis de perfuração offshore a perda de posicio- namento é traduzida na maioria das vezes como parada de produção e altos riscos de segurança operacional. O objetivo deste trabalho é analisar as redundâncias do Sistema de Posicionamento Dinâmico como estratégia de aumento da disponibilidade e confiabilidade dos seus componentes e subsistemas. Palavras-Chave: Sistemas de Posicionamento Dinâmi- co, Perfuração Offshore, Sistemas de Potência, Redundân- cia, Configuração Paralelo Simples, MODU, IAS. I – INTRODUÇÃO O registro da participação do petróleo na vida do homem remonta a tempos bíblicos. Na antiga Babilônia, os tijolos eram assentados com asfalto e o betume era largamente uti- lizado pelos fenícios na calafetação de embarcações. Os egípcios o usaram na pavimentação de estradas, para embal- samar os mortos e na construção de pirâmides, enquanto os gregos e romanos dele lançaram mão para fins bélicos[9]. O petróleo era retirado de exsudações naturais encontradas em todos os continentes. Sobre o ponto de vista comercial, a “Era do Petróleo” t e- ve início no início do século XVIII com a exploração de poços em terra (onshore) com não mais que 20 metros de profundidade. O primeiro poço offshore que se tem notícia foi perfurado a 30 metros da costa do Mar Cáspio através de uma plataforma fixa[4]. Gradualmente, a indústria de perfuração avançou para exploração offshore em águas cada vez mais profundas. Em 1897 na Califórnia foi construído o primeiro píer para co- nectar a costa terrestre a um poço que estava distante 400 metros da terra conforme apresentado na Fig. 1[4]. Artigo apresentado no II Seminário de Automação Industrial e Sistemas Eletro-Eletrônicos – SAISEE (ISSN 2319-0280), ocorrido em 04 de Março na cidade de Santa Rita do Sapucaí-MG. Fig.1 – Píer de Summerland para perfuração de poço costeiro. As MODUs (Mobile Offshore Drilling Units) nasceram a partir do desenvolvimento das plataformas auto elevatórias (Jack-ups), o que foi considerado um marco histórico da indústria, pois foram as primeiras sondas que permitiram maior mobilidade em ambiente marítimo, sendo transporta- das por rebocadores. O mecanismo auto elevatório permitiu que as estruturas treliçadas ficassem estacionadas no fundo do oceano enquanto que o maquinário de perfuração estives- se suspenso acima da coluna d’água. Tipicamente essas son- das operavam em águas rasas de não mais que 300 metros, e ainda são largamente utilizadas, sobretudo no Mar do Norte. Apesar do avanço, o alto custo e as dificuldades para movimentar de um poço para outro limitou o uso das Jack- ups. Neste contexto, surgiram em 1953 as primeiras sondas semi submersíveis ancoradas (Moored Rigs), que como o próprio nome sugere, necessitam para a manutenção da po- sição, o lançamento de âncoras e cabos, ou sistemas de atra- cação em multipontos no fundo do oceano. As sondas anco- radas operam estavelmente com lâmina d’agua em torno de 800 metros[4]. Os pontos desfavoráveis das unidades que operam com Sistemas de Posicionamento Fixo estão relacionados à baixa elasticidade do sistema de ancoramento, a falta de amorte- cimento hidrodinâmico e a exposição aos movimentos das ondas, ventos e correntes marítimas. Além disso, a perfuração em alto mar requeria grande quantidade de âncoras, correntes e guinchos o que aumentou o custo e limitou a aplicabilidade desse tipo de embarcação para operações com profundidade maior do que 1500 me- tros[7]. A Fig. 2 apresenta exemplos de sondas da empresa Ensco plc que operam com Sistemas de Posicionamento Fixo.
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CONCEITOS DE REDUNDÂNCIA APLICADOS AO SISTEMA DE POSICIONAMENTO
DINÂMICO DE PLATAFORMAS DE PERFURAÇÃO OFFSHORE COMO
ESTRATÉGIA DE AUMENTO DA CONFIABILIDADE
Thales Moran & Júlio Arlindo Azevedo
Resumo – Os Sistemas de Posicionamento Dinâmico
(DP) atuam no sentido de manter embarcações maríti-
mas em uma determinada coordenada e aproamento
através do controle exclusivo dos seus propulsores, sem o
auxílio de âncoras e rebocadores, e independente das
condições climáticas. O DP é parte das soluções Integra-
das de Automação Naval, onde em seus passadiços po-
dem-se realizar atividades de monitoramento e aciona-
mento de equipamentos do navio. No caso das platafor-
mas móveis de perfuração offshore a perda de posicio-
namento é traduzida na maioria das vezes como parada
de produção e altos riscos de segurança operacional. O
objetivo deste trabalho é analisar as redundâncias do
Sistema de Posicionamento Dinâmico como estratégia de
aumento da disponibilidade e confiabilidade dos seus
componentes e subsistemas.
Palavras-Chave: Sistemas de Posicionamento Dinâmi-
co, Perfuração Offshore, Sistemas de Potência, Redundân-
cia, Configuração Paralelo Simples, MODU, IAS.
I – INTRODUÇÃO
O registro da participação do petróleo na vida do homem
remonta a tempos bíblicos. Na antiga Babilônia, os tijolos
eram assentados com asfalto e o betume era largamente uti-
lizado pelos fenícios na calafetação de embarcações. Os
egípcios o usaram na pavimentação de estradas, para embal-
samar os mortos e na construção de pirâmides, enquanto os
gregos e romanos dele lançaram mão para fins bélicos[9]. O
petróleo era retirado de exsudações naturais encontradas em
todos os continentes.
Sobre o ponto de vista comercial, a “Era do Petróleo” te-
ve início no início do século XVIII com a exploração de
poços em terra (onshore) com não mais que 20 metros de
profundidade. O primeiro poço offshore que se tem notícia
foi perfurado a 30 metros da costa do Mar Cáspio através de
uma plataforma fixa[4].
Gradualmente, a indústria de perfuração avançou para
exploração offshore em águas cada vez mais profundas. Em
1897 na Califórnia foi construído o primeiro píer para co-
nectar a costa terrestre a um poço que estava distante 400
metros da terra conforme apresentado na Fig. 1[4].
Artigo apresentado no II Seminário de Automação Industrial e Sistemas
Eletro-Eletrônicos – SAISEE (ISSN 2319-0280), ocorrido em 04 de Março
na cidade de Santa Rita do Sapucaí-MG.
Fig.1 – Píer de Summerland para perfuração de poço costeiro.
As MODUs (Mobile Offshore Drilling Units) nasceram a
partir do desenvolvimento das plataformas auto elevatórias
(Jack-ups), o que foi considerado um marco histórico da
indústria, pois foram as primeiras sondas que permitiram
maior mobilidade em ambiente marítimo, sendo transporta-
das por rebocadores. O mecanismo auto elevatório permitiu
que as estruturas treliçadas ficassem estacionadas no fundo
do oceano enquanto que o maquinário de perfuração estives-
se suspenso acima da coluna d’água. Tipicamente essas son-
das operavam em águas rasas de não mais que 300 metros, e
ainda são largamente utilizadas, sobretudo no Mar do Norte.
Apesar do avanço, o alto custo e as dificuldades para
movimentar de um poço para outro limitou o uso das Jack-
ups. Neste contexto, surgiram em 1953 as primeiras sondas
semi submersíveis ancoradas (Moored Rigs), que como o
próprio nome sugere, necessitam para a manutenção da po-
sição, o lançamento de âncoras e cabos, ou sistemas de atra-
cação em multipontos no fundo do oceano. As sondas anco-
radas operam estavelmente com lâmina d’agua em torno de
800 metros[4].
Os pontos desfavoráveis das unidades que operam com
Sistemas de Posicionamento Fixo estão relacionados à baixa
elasticidade do sistema de ancoramento, a falta de amorte-
cimento hidrodinâmico e a exposição aos movimentos das
ondas, ventos e correntes marítimas.
Além disso, a perfuração em alto mar requeria grande
quantidade de âncoras, correntes e guinchos o que aumentou
o custo e limitou a aplicabilidade desse tipo de embarcação
para operações com profundidade maior do que 1500 me-
tros[7]. A Fig. 2 apresenta exemplos de sondas da empresa
Ensco plc que operam com Sistemas de Posicionamento
Fixo.
2
Fig.2 – Jack-Up ENSCO 102 e Semi-sub. Ancorada ENSCO 5004.
Os Sistemas de Posicionamento Dinâmico surgiram com
o objetivo de fornecer grande mobilidade às embarcações
uma vez que não existia ligação física da plataforma com o
fundo do mar – exceto pela coluna de perfuração.
Os primeiros projetos de um Sistema DP com controle
automático de posição foram utilizados em 1961 com o EU-
REKA da Shell Oil Company e em 1964 pelo CALDRILL 1
da Caldrill Offshore Company, ambos nos Estados Uni-
dos[4]. A unidade da Shell foi capaz de perfurar em profun-
didades de 1300 metros, em condições ambientais adversas
com ondas de 6 metros de altura e velocidade do vento mai-
or do que 21 metros por segundo, um cenário certamente
inviável para a operação de sondas ancoradas. Ambos eram
equipados por dois dispositivos de referência Taut Wire, que
são basicamente cabos tensionados verticalmente, presos a
um peso que repousa no leito marinho[3] para determinarem
a deriva da unidade. Quatro propulsores de 300 HP eram
acionados por computador para restaurar a posição da plata-
forma.
Atualmente os navios-sonda de última geração operam
em águas profundas e ultra profundas que variam de 300 a
3.000 metros de lâmina d’agua[9]. A Fig. 3 apresenta exem-
plos da frota da empresa Odebrecht Óleo e Gás que operam
na bacia de Campos desde 2012 e que são equipados por
dispositivos de automação integrada ao sistema de posicio-
namento dinâmico.
Fig.3 – Semi-sub. ODN Delba3 e Navio-Sonda Norbe IX.
O grande desafio para uma sonda offshore é evitar que as
forças externas provocadas pelo ambiente venham a danifi-
car os equipamentos que serão descidos no poço ou até
mesmo inviabilizar a operação. Por isso, torna-se essencial
que a unidade permaneça posicionada na superfície do mar
dentro de um círculo com raio de tolerância relacionado aos
esforços máximos permitidos pelos equipamentos de subsu-
perfície – como a máxima excursão permissível para os ri-
sers (tubos ascendentes). É o que mostra a Fig. 4[6].
Fig.4 – Máxima excursão permissível e segurança operacional.
Os limites de trabalho seguro podem variar, dependendo
da natureza da tarefa no plano de perfuração e a influência
das correntes nos risers. Esses limites devem refletir o risco
associado a cada tarefa, por exemplo, existem diferentes
limites aceitáveis para perfuração, assentamento do revesti-
mento e teste do poço [3].
Em casos de perda do Sistema DP, dependendo da ex-
cursão da unidade em relação ao poço, a perfuração precisa
ser interrompida ou o poço deverá ser abandonado por ques-
tões de segurança operacional. Nestes casos o BOP (Blow
Out Preventer) é o equipamento de controle de poço respon-
sável por cisalhar a coluna de perfuração, isolar o poço e
permitir a desconexão da sonda em segurança.
As aplicações de sistemas DP não se limitam a apenas as
sondas de perfuração, estes dispositivos são amplamente
utilizados em rebocadores, navios cargueiros, embarcações
de lançamento de linhas, sistemas flutuantes de produção e
navios comerciais, militares e de turismo.
II – PRINCÍPIOS DO POSICIONAMENTO DINÂMICO
A IMO – The International Maritime Organization – de-
fine uma unidade marítima posicionada dinamicamente
aquela que possui a capacidade de se manter automatica-
mente em uma posição fixa ou navegar por uma rota pré-
determinada, através exclusivamente do uso dos seus pro-
pulsores (thrusters)[15].
Desta forma, a principal função de um Sistema de Posi-
cionamento Dinâmico é controlar a posição e o aproamento
(heading) da embarcação, ou seja, permitir que essas duas
propriedades se mantenham ou alterem de acordo com o
controlador (se em modo automático) ou ação do operador
(se em modo manual).
O princípio de funcionamento de um Sistema DP é base-
ado nas leis da mecânica clássica, onde se assume a premis-
sa de que um corpo em equilíbrio é aquele que está sujeito à
resultante de todas as forças atuando sobre si com valor
igual a zero. Desta forma, o controlador de um DP “perce-
be” e “calcula” a resultante das forças externas que atuam na
embarcação, e envia um comando para que propulsores cri-
em uma força resultante contrária para manter o equilíbrio.
3
A principal vantagem do advento desta tecnologia está
relacionado à sua flexibilidade quando à mudança ou manu-
tenção da posição. Além disso, o fato de não depender do
uso de âncoras possibilitou a operação em águas ultra pro-
fundas. As desvantagens estão relacionadas ao maior custo
do DP em relação aos sistemas fixos, pois o investimento
inicial, consumo de combustível e o custo das instalações
são maiores. Outro ponto desfavorável do DP é a vulnerabi-
lidade em relação à falhas e blackouts, exigindo nos navios
sistemas complexos de propulsores, controladores e gerado-
res de emergência e investimentos em manutenção. Tam-
bém, as operações subaquáticas com mergulhadores e ROVs
(Remotely Operated Vehicles) ficaram limitadas devido ao
uso contínuo dos propulsores.
II.1 – Eixos de liberdade de movimento dos navios
Basicamente as forças ambientais que atuam em embar-
cações offshore são aquelas providas pela ação dos ventos,
correntes marítimas e ondas do mar, o que permite seis eixos
de movimento conforme a Fig. 5[4].
Os movimentos de translação “avanço” (Surge) e “deri-
va” (Sway) são medidos através dos sensores que fazem
parte dos sistemas de referência de posição (GPS, Laser e
Microondas), e fornecem informações quanto à posição da
unidade; a “guinada” (Yaw), por sua vez, é medida através
das bússolas magnéticas (gyros) e fornecem informações
quanto ao aproamento da unidade. Todos os movimentos de
translação são controlados através da ação de propulsores.
Sensores de vento ou “anemômetros” são essenciais para
medir a velocidade e direção dos ventos. Essa é uma das
principais variáveis de entrada necessárias para que o con-
trolador do Sistema DP possa calcular as forças que os pro-
pulsores devem produzir para estabilizar a embarcação nos
três eixos do plano horizontal[4].
Fig.5 – Representação dos graus de movimento de um navio.
Os movimentos de rotação Pitch, Roll e Heave Compen-
sation são medidos através dos sensores de referência verti-
cal (Motion Reference Units – MRUs), não sendo controla-
dos pelos propulsores. O Sistema DP, no entanto, faz o mo-
nitoramento contínuo dessas grandezas de rotação para que
elas possam ser compensadas no modelo de controle dinâ-
mico, uma vez que, estes movimentos rotacionais podem
interferir na precisão dos sistemas de referência de posi-
ção[4].
II.2 – Modelo de Controle Dinâmico
Para que o navio se mantenha dentro de limites específi-
cos de posição e aproamento, e que a resposta na atuação
dos propulsores seja rápida, precisa e estável, a concepção
do DP foi estruturada sobre o princípio do controle em ma-
lha fechada. A principal característica desse controle retroa-
tivo é fazer com que um sistema reaja de forma a corrigir o
desvio entre o sinal de saída e os sinais de referência e en-
trada.
Basicamente os elementos da malha de entrada do Sis-
tema DP são provenientes dos sensores; os elementos de
saída são os propulsores; e os elementos de controle são os
controladores das estações de trabalho. A Fig. 6[7] apresen-
ta de forma resumida a localização física destes três elemen-
tos que compõem a malha de controle do DP.
Fig.6 – Localização dos elementos básicos de controle do DP.
O Sistema DP deve não apenas contrabalancear a interfe-
rência das forças ambientais para manter a posição e aproa-
mento da unidade, mas também comportar-se dinamicamen-
te estável em situações de interferência por agentes externos
e transitórios, ter capacidade de predição das falhas dos sen-
sores, bem como fazer interação com o subsistema de ge-
renciamento de energia do navio. Essas características e
exigências tornam a malha de controle do Sistema de Posi-
cionamento Dinâmico mais complexa, necessitando de mais
de um loop[7], conforme a Fig. 7[4] que apresenta a mode-
lagem por blocos de controle.
O Vessel Model é a modelagem da resposta de um tipo
de embarcação para qualquer força externa, considerando a
sua aerodinâmica e hidrodinâmica[7]. Esse modelo prediz a
posição e aproamento de acordo com a comparação das for-
ças recebidas e situação anterior.
Os sensores de vento fazem a leitura da velocidade e di-
reção do vento que são convertidos em forças através do
modelo matemático Wind Model. As leituras dos gyros e
DGPS são medidas e comparadas entre seus componentes
em redundância, descartando-se aqueles que aparentemente
estão fora de uma margem aceitável de erro. Os dados de
aproamento e posição passam por um filtro (Kalman Filter)
para que sejam eliminados os ruídos para estabilização do
sistema dinâmico. O resultado é atualizado no modelo da
embarcação, e nas linguagens dos três eixos de liberdade de
movimento. O Error Computational é um filtro ”passa
baixa” que calcula as forças que não são monitoradas e
estimam a força de compensação a ser inserida no somatório
de entradas. Esse erro computacional na grande maioria das
vezes incorpora algoritmos para estimar os efeitos das
correntes marítimas e ondas[6].
4
Fig.7 – Modelagem em blocos do controle do DP.
Os ganhos estão atrelados aos diversos modos de opera-
ção do DP. Em modo manual, parte dos ganhos são proveni-
entes do Joystick analógico de comando. Existem vários
modos automáticos e cada um interfere de uma forma dife-
rente no controle de ganho representado pelo bloco “Selec-
ted Gain”. A Fig. 8[6] exemplifica alguns modos de opera-
ção do DP.
Fig.8 – Modos de Operação do DP: modo manual, modo de auto posi-
ção e modo por rota.
A Fig. 9[6] apresenta a diferença entre o modo High
Precision, que consequentemente está atrelado a um maior
consumo de energia e desgaste das máquinas e, o Relaxed
muito utilizado em condições de mar favoráveis onde a ne-
cessidade da atividade dos propulsores é menor. O modelo
carrot calcula a inércia do sistema e estima os ganhos no
intuito de manter o navio na condição operacional medida,
sem ultrapassar os setpoints.
O Thruster Allocation verifica quanto de força de pro-
pulsão será necessária para compensar o somatório das for-
ças que atuam na unidade. É neste bloco que equações con-
vertem a demanda total de propulsão de acordo com as ca-
racterísticas de cada propulsor[7], ou seja, determinam quais
serão os thrusters que precisam ser acionados, a potência
necessária, em qual direção da propulsão (Azimuth) e em
qual passo das hélices (Pitch).
Já o bloco Power Overload Control analisa se existe
energia o bastante disponível. Neste diagrama ocorre a inter-
face com o PMS (Power Management System), onde estra-
tégias de corte de cargas não essenciais são adotadas a fim
de priorizar o suprimento de energia apenas para os subsis-
temas críticos do DP.
Fig.9 – Comparação entre desvios de posição e propulsão para os mo-
dos de operação de Alta e Baixa Precisão.
O acionamento dos propulsores ocorre através dos Dri-
ves de comando de máquinas VFDs (Variable Frequency
Drives) ou SCRs (Silicon-Controlled Rectifiers). O feedback
é enviado ao Thruster Model que, por sua vez, converte a
força dos propulsores em Surge, Sway e Yaw para atualiza-
ção do bloco do Vessel Model. A diferença entre o setpoint
do propulsor e o seu feedback é monitorada constantemente.
II.3 – Subsistemas do DP e Automação Integrada
O Sistema de Posicionamento Dinâmico exerce ainda a
função de integração de vários subsistemas da plataforma,
onde é possível acionar equipamentos remotamente, estabe-
lecer limites de parâmetros, monitorar dados em tempo real,
obter gráficos e históricos, verificar as condições meteoro-
lógicas, checar os alarmes ativos de todo e qualquer disposi-
tivo que direta ou indiretamente interfere na gestão das ope-
rações e na segurança da unidade. A Fig. 10 apresenta um
sistema de monitoramento do Sistema Elétrico de Potência
de uma unidade marítima.
Fig.10 – Tela do IHM Sistemas de Potência – Fabricante Kongsberg.
O Sistema DP pode ser divido em três subsistemas prin-
cipais: de Energia, Controle e Referência[3].
O subsistema de Energia, ilustrado pela Fig. 11[14],
compreende a geração, distribuição e consumo. Fazem parte
desse subsistema os geradores à diesel, cubículos de alta
tensão, centro de controle de motores, UPS (fonte de ali-
mentação ininterrupta), Drives de inversores de frequência e
as cargas não essenciais e essenciais como os propulsores,
motores do piso de perfuração e equipamentos de controle
de poço.
O subsistema de Controle se refere ao gerenciamento de
energia (PMS) automático ou manual e de posição – conso-
les, computadores, redes industriais, estações de trabalho
etc.
5
Fig. 11 – Principais componentes do subsistema de Energia.
O subsistema de Referência é representado essencial-
mente pela instrumentação do DP – anemômetros, bússolas
magnéticas, sensores de referência vertical, GPS, Sistemas
Acústicos, Microondas etc. – que fornecem um sinal de en-
trada, medem as condições ambientais e atualizam feed-
backs do modelo de controle.
Fazem parte também desse subsistema os serviços auxi-
liares que são incorporados à solução de automação integra-
da ao DP, como status dos sensores de detecção de incêndio
& gases tóxicos e o circuito fechado de monitoramento por
câmeras por exemplo.
III – CONFIABILIDADE DO SISTEMA DP
Por definição, “Confiabilidade” é a probabilidade de um
equipamento, componente ou sistema operar, sem falhas,
durante um período de tempo pré-determinado[10]. A Enge-
nharia da Confiabilidade, como uma ciência, foi impulsio-
nada pelas missões espaciais da década de 50 que devido à
complexidade e alto risco de suas operações, precisava da
implementação de estratégias que garantissem a máxima
disponibilidade, mantenabilidade e confiabilidade dos seus
subsistemas. As falhas causadas por fatores aleatórios deve-
riam ser entendidas e mitigadas a fim de não afetarem a se-
gurança de voo.
O ferramental matemático para os estudos de confiabili-
dade baseia-se em métodos estatísticos, critérios e modelos
probabilísticos. Estes métodos são utilizados para aplicações
nas fases de concepção, projeto, operação e manutenção de
qualquer sistema complexo que requeira baixa vulnerabili-
dade às falhas e máxima utilização do ciclo de vida do ativo.
Sobre o ponto de vista funcional e financeiro, o sistema
de controle das aeronaves exercia para a indústria espacial a
mesma relevância que o Sistema DP exerce hoje para a in-
dústria marítima de perfuração. Como abordado anterior-
mente, a perda do posicionamento dinâmico se traduz na
maioria das vezes em downtime e riscos para as pessoas e
meio ambiente. Motivado pelas adversidades que a perda do
posicionamento das sondas acarreta, os projetos dos Siste-
mas DP estão intrinsecamente relacionados a estudos de
confiabilidade, a fim de avaliar índices quantitativos relati-
vos às falhas, e estabelecer mecanismos que garantam o
funcionamento do DP em plena carga e de modo contínuo,
mesmo na ocorrência de falhas aleatórias em seus compo-
nentes ou subsistemas mais críticos.
Um dos mecanismos mais utilizados no Sistema de Posi-
cionamento Dinâmico como estratégia de aumento da confi-
abilidade é a configuração em paralelo de seus componen-
tes, ou também conhecida como o princípio da redundância.