Modelo analítico para otimização da distribuição de módulos de flutuação em risers de aço lançados em lazy wave

Abstract

A exploração de petróleo em águas profundas e ultra profundas impõe diversos desafios técnicos, especialmente no projeto dos risers. Entre as soluções estudadas para viabilizar o uso de risers de aço em grandes profundidades, destaca-se a configuração lazywave, amplamente consolidada na indústria offshore. Essa configuração reduz as trações e o desgaste estrutural ao desacoplar o movimento da unidade flutuante do ponto de contato do risercom o leito marinho, minimizando as cargas transmitidas e prolongando a vida útil do sistema. Devido ao grande número de variáveis de projeto (estruturais e ambientais),a definição da distribuição dos flutuadores demanda elevado esforço computacional, uma vez que tradicionalmente depende de análises iterativas e da experiência do projetista. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma metodologia para a determinação automática e otimizada da distribuição dos módulos de flutuação, a partir de informações provenientes das etapas iniciais do projeto. O objetivo é minimizar a amplitude de variação de tensões em regiões críticas do riser, parâmetro fortemente associado àvida em fadiga. A otimização é conduzida em regime estático, com base em uma formulação analítica que representa adequadamente o comportamento da estrutura e reduz significativamente o custo computacional quando comparada ao modelo de análise baseado no Método dos Elementos Finitos implementado no programa comercial(OrcaFlex)utilizado comoreferência. Os resultados obtidos demonstram que, mesmo com as simplificações assumidas, como a inelasticidadeda linha e a ausência de efeitos dinâmicos, o modelo analítico é capaz de reproduzir com boa precisão o comportamento estrutural observado numericamente. Assim, o procedimento desenvolvido mostra-se promissor como ferramenta de apoio à definição preliminar de configurações lazywaveem risers de aço, conciliando precisão, eficiência e aplicabilidade nas fases iniciais de projeto.Os resultados demonstraram boa concordância entre as configurações obtidas pelo modelo analítico e pelo OrcaFlex, com diferenças pouco significativas nas soluções finais. Em termos de desempenho computacional, o modelo analítico gerou os 2.000 pontos do espaço amostral em aproximadamente 10 horas, enquanto o OrcaFlex demandou cerca de 38 horas para a mesma tarefa, representando uma redução de aproximadamente 75% no tempo de processamento.

Abstract: Deepwater and ultra-deepwater oil exploration presents significant technical challenges, particularly in riser design. Among the solutions studied to enable the use of steel risers at great depths, the lazy-wave configuration stands out, being widely established in the offshore industry. This configuration reduces axial loads and structural wear by decoupling the motion of the floating unit from the riser?s seabed contact point, minimizing transmitted forces and extending the system?s service life. Due to the large number of design variables, both structural and environmental, defining the distribution of flotation modules requires substantial computational effort, as it traditionally relies on iterative analyses and designer experience. In this context, the present work proposes a methodology for the automatic and optimized determination of the flotation module distribution based on information obtained during the initial design stages. The objective is to minimize the variation in stress amplitude in critical regions of the riser, a parameter strongly linked to fatigue life. The optimization is performed under static conditions using an analytical formulation that accurately represents the structural behavior while significantly reducing computational cost compared to a finite-element-based analysis implemented in the commercial software (OrcaFlex) used as reference. The results show that, even with simplifications such as line inelasticity and the neglect of dynamic effects, the analytical model can reproduce the structural behavior observed numerically with good accuracy. Therefore, the proposed procedure is a promising tool for supporting the preliminary design of lazy-wave steel risers, combining precision, efficiency, and applicability in the early design stages. The results showed good agreement between the configurations obtained using the analytical model and OrcaFlex, with only minor differences in the final solutions. In terms of computational performance, the analytical model generated the 2,000 sample points in approximately 10 hours, whereas OrcaFlex required about 38 hours for the same task, representing a reduction of roughly 75% in processing time.