SITUA / Prosim

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Prosim, SITUA

O Programa Prosim

O Prosim, desenvolvido pelo LAMCSO em parceria com a Petrobras, é um programa orientado à simulação do comportamento de sistemas de produção de petróleo offshore. Executa análises estáticas e dinâmicas não-lineares no domínio do tempo, considerando o acoplamento entre o comportamento hidrodinâmico do casco de unidades flutuantes e o comportamento estrutural-hidrodinâmico das linhas de ancoragem e risers.

O programa baseia-se em uma formulação acoplada, que emprega um modelo hidrodinâmico para efetuar a análise de movimentos do casco, associado a uma formulação de elementos finitos para a representação rigorosa da contribuição das linhas ao comportamento global do sistema. A formulação acoplada considera implicitamente e automaticamente todos os efeitos não-lineares e dinâmicos decorrentes da interação entre o casco e as linhas, e portanto permite ganhos significativos em termos de precisão dos resultados. Vale recordar que, historicamente, o Prosim foi o primeiro programa, a nível mundial, a disponibilizar tais recursos (sua primeira versão foi liberada em 1997).

O programa é capaz de tratar também outros aspectos relevantes dos fenômenos físicos envolvidos, incluindo por exemplo o contato, durante a análise dinâmica, entre linhas e cascos e de linhas entre si; o comportamento hidrostático não-linear de mangotes parcialmente flutuantes, etc.

Aspectos das formulações e métodos de análise do Prosim

Em resumo, as principais características dos módulos de análise do programa Prosim são as seguintes:

Formulação de Elementos Finitos
- Elementos de Treliça: padrão, e modificado considerando aproximação de efeitos de flexão;
- Elementos de Pórtico: de dois nós, baseados na formulação Lagrangeana Atualizada convencional e na formulação corotacional; elementos de quatro nós, baseados na formulação isoparamétrica, Lagrangeana Total; capazes de tratar efeitos não-lineares tanto geométricos quanto físicos.

Modelos Hidrodinâmicos
- Modelo híbrido (equivalente ao modelo de Hooft), combinando a formulação baseada na teoria Potencial com a formulação de Morison, para tratar plataformas compostas por membros reticulados (Semi-Submersíveis, TLPs);
- Modelo puramente baseado na teoria Potencial, para tratar navios.

Algoritmos de Integração no Tempo
- Métodos Implícitos (Newmark Regra Trapezoidal; Algoritmos com propriedades dissipativas: αΗ Newmark, αΒ Newmark);
- Métodos Explícitos (Newmark Diferença Central; Hulbert-Chung; Chung-Lee).

Algoritmos de Solução de Problemas Não-Lineares
- Newton-Raphson (padrão, modificado);
- Técnicas de Controle de Comprimento de Arco (arc-length);
- Técnicas de Aceleração de Convergência (line-search);
- Métodos de Relaxação Dinâmica implícitos e explícitos.

Algoritmos de Solução de Sistemas de Equações
- Métodos Diretos (Método de Gauss implementado em um esquema de armazenamento em perfil, e Método de Cholesky);
- Métodos Iterativos (Gradientes Conjugados Pré-condicionado PCG).

Recursos Especiais para Situações de Instalação e Avaria

Vale mencionar que o programa Prosim foi desenvolvido originalmente para a análise de movimentos de unidades já instaladas, em fase de operação, sob condições ambientais extremas. Já as principais aplicações recentemente consideradas concentram-se em situações típicas de instalação e avaria, que podem apresentar instabilidade e devem resistir a condições ambientais específicas deste tipo de operação. Desta forma, os métodos de análise e de integração requeridos devem ser distintos dos considerados originalmente, já que o interesse estará focado, principalmente, sobre o regime transiente da resposta dinâmica e nos seus máximos, enquanto na análise de sistemas em fase de operação o interesse recai sobre o regime permanente.

Assim, o Prosim incorpora novos algoritmos e métodos numéricos desenvolvidos especificamente para a análise de problemas de instalação e avaria, incluindo:

- Algoritmos de solução para a dinâmica transiente de linhas;
- Métodos de representação do solo e sua interação com as linhas, de forma a se determinar, por exemplo, a parcela efetiva de carga que é transferida ao ponto de ancoragem;
- Novas formulações de elementos finitos.

A Interface SITUA

O SITUA integra uma interface gráfica especializada, com recursos de aquisição de dados; pré-processamento e geração de modelos para análise pelo programa Prosim; e pós-processamento dos resultados das análises.

- Permite a aquisição de dados batimétricos e de obstáculos de fundo a partir do banco de dados SGO da Petrobras, e a aquisição de dados meteoceanográficos e definição de carregamentos ambientais a partir de Especificações Técnicas da Petrobras.

- Incorpora procedimentos de geração de modelos numéricos para diferentes sistemas offshore (compostos por dutos, linhas de ancoragem, risers, mangotes, equipamentos submarinos, plataformas fixas e flutuantes, embarcações de apoio), em diferentes situações de instalação e avaria. Podem ser gerados modelos também para diferentes procedimentos de movimentação e operação de dutos, plataformas de perfuração, produção, etc.

- Inclui recursos de pós-processamento para visualização e tratamento estatístico dos resultados das análises do Prosim, incluindo animações e geração de gráficos de resposta.

Os módulos da Interface SITUA

A interface de pré-processamento está associada a diferentes módulos de geração de modelos, que também empregam recursos básicos de análise estática, como descrito sucintamente a seguir:

- Módulos de Geração de Modelos de Operações de Instalação de Linhas de Ancoragem - adequados a padrões predefinidos de procedimentos de instalação de linhas de ancoragem, para representação das operações mais usuais (por exemplo operações de hookup, configurações de linha com bóias e pendentes ou poitas; pagamento de linha com ponta solta para pré-instalação; configurações de abandono de linha após pré-instalação; instalação de linhas pela primeira e segunda extremidade; ajuste de pré-tração por encurtamento de linha). Em casos onde é requerida uma análise dinâmica, são gerados modelos de elementos finitos para serem simulados através do módulo de análise Prosim.

- Módulos de Equilíbrio Estático e Movimentação - Diversas operações típicas que podem ser analisadas de forma quasi-estática são tratadas diretamente pela própria interface, através destes módulos, com recursos para: Determinação da posição de equilíbrio neutro da plataforma; Análise de operações de posicionamento e movimentação de plataformas, ajuste automático de peso e CG da unidade (simulando lastro de maneira simplificada), e de Equalização de tração de linhas de ancoragem através do pagamento e recolhimento de linhas.

- Módulo Ancoragem BGL Geração de Modelos para planejamento de operações de movimentação da balsa BGL, ancorada por um conjunto de linhas com bóias, incluindo recursos de verificação de interferências com obstáculos de fundo, lidos a partir do banco de dados SGO da Petrobras.

- Gerenciamento Automático de Análises Estáticas: Mapa de Rigidez, Diagrama de Offset - A interface SITUA tem recursos para disparar automaticamente os módulos de análise do Prosim e coletar resultados de conjuntos extensos de análises, gerando informações úteis para o projeto de UEPs. Dentre eles podem ser mencionados os recursos de geração de Diagramas de Offset (diagramas polares indicando, para um conjunto de direção do carregamento ambiental, os valores de passeio estático) e de Mapas de Rigidez (tabelas com valores de tração no topo dos risers ou linhas de ancoragem para uma série de offsets da plataforma para diferentes direções, permitindo obter diagramas de rigidez do conjunto das linhas e/ou resultantes de cargas de correnteza absorvidas pelos risers e transmitidas à plataforma).

- Módulo PetroPipe Geração de Modelos para diferentes tipos de operações de lançamento de dutos: S-Lay, J-Lay, Reeling; e para outras operações com dutos, tais como tie-in de superfície; deflexão lateral; inicialização de lançamento; arraste até uma base-guincho em terra.

- Módulo de Equipamentos Submarinos Geração de Modelos para instalação de equipamentos submarinos, incluindo Manifolds, Base de Fluxo, Módulo de Bomba, etc.

- Módulo de Pós-Processamento Incorporam rotinas orientadas ao pós-processamento e visualização dos resultados obtidos durante as simulações estáticas e dinâmicas: visualização de configurações deformadas, gráficos com curvas de resposta, e recursos para exportação de figuras para geração de relatórios.