Uma abordagem probabilística para o projeto vitalício de plataformas offshore

Aug 15, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7101 (2023) Citar este artigo

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As plataformas offshore são consideradas infraestruturas críticas, uma vez que qualquer interrupção no seu serviço vitalício pode resultar rapidamente no surgimento de grandes perdas. Embora estas estruturas sejam frequentemente concebidas tendo em conta o seu custo inicial de construção, vale a pena considerar um projecto baseado na vida útil, para que tanto os custos directos como os indirectos estejam envolvidos no processo de concepção. Aqui, é proposta uma abordagem baseada em probabilística para análise do custo do ciclo de vida (LCC) de plataformas offshore. Uma plataforma offshore fixa é projetada primeiro com base nos regulamentos de projeto atuais e para um período de retorno de 100 anos. Para o efeito do LCC na otimização do projeto, o efeito simultâneo da fusão das ondas, correntes e ventos é considerado probabilisticamente. Os elementos estruturais são projetados para cinco modelos diferentes; um modelo baseado nos requisitos de projeto atuais e o restante em mais do que os requisitos. O LCC de cada modelo é determinado em conformidade. Os resultados mostram que o modelo baseado em código não é ideal quando comparado com um período de custo vitalício; é necessário aumentar o tamanho dos elementos estruturais em até 10% para atingir um ponto ótimo. Os resultados mostram que com um aumento de 5% no custo inicial, observa-se uma diminuição no LCC até cerca de 46%. O trabalho aqui apresentado visa estimular as partes interessadas a promover o design baseado em LCC de estruturas importantes para reduzir os custos ao longo da vida.

Plataformas offshore são estabelecidas para extrair reservas de petróleo e gás das profundezas dos mares. Devido à sua importância, caso haja alguma interrupção em suas atividades rotineiras, seus stakeholders podem sofrer enormes prejuízos1,2. Embora as plataformas offshore sejam normalmente concebidas com base nas normas disponíveis, experiências recentes - como a que ocorreu no Golfo do México e que causou grandes danos - revelaram que um projecto baseado nas regulamentações actuais não é necessariamente economicamente óptimo3,4. A crença comum no projeto estrutural ideal é que ele deveria diminuir o custo inicial de construção; no entanto, o custo ao longo da vida pode ser muito superior ao custo inicial – nas regulamentações actuais, este ponto importante não é abordado. O custo vitalício é denominado custo do ciclo de vida (LCC) e é dividido em custos primários e secundários. O custo principal inclui aquisição de materiais, salários, construção, projeto, implementação, transporte, configuração e teste da plataforma5; o custo secundário refere-se ao custo do período de operação e aos riscos ao longo da vida da estrutura. Os danos podem ser definidos na forma de perda de uma plataforma e de oportunidades de investimento, lesões e vítimas de pessoal, custo de parar a extracção de petróleo e gás, testar novamente e arrancar a plataforma, perda de equipamento e reparação e modernização.

O projeto baseado em LCC para estruturas convencionais com uma abordagem probabilística tem recebido alguma atenção nas últimas décadas, por exemplo, Liu e Neghabat6, Asiedu e Gu7, Lagaros et al.8, Uddin e Mousa9, Marzouk et al.10, Behnam11, Hassani et al. al.12, Talaslioglu13,14,15 e Jebelli et al.16. Quanto às plataformas offshore, em geral, raros estudos ainda empregaram a abordagem acima mencionada, mas existem estudos para modelar probabilisticamente as características das cargas, ou para contabilizar os custos indiretos, particularmente os ambientais. Alguns estudos estimaram a velocidade do vento e a altura das ondas com modelos de verossimilhança. Heredia-Zavoni et al.17 determinaram a probabilidade de falha de plataformas com camisa de aço sob danos por fadiga, definindo funções de estado limite para suas cargas aplicadas. Lee et al.18 estimaram velocidades extremas do vento usando distribuições de Gumbel e Weibull. Para estudar diretamente as ondas, Kwon et al.19 empregaram um método estatístico para estimar níveis extremos do mar. Bea et al.20 generalizaram as características de risco do ciclo de vida das plataformas offshore com base na confiabilidade e avaliação de risco, considerando fatores internos e externos. Pinna et al.21 determinaram o projeto ideal de plataformas monopé por critérios de custo-benefício e consideraram as consequências econômicas da falha e a proporção do custo de construção. Leon e Alfredo22 propuseram um modelo de decisão óptima de custo-benefício baseado na fiabilidade para a gestão de risco de plataformas petrolíferas, considerando a integração de questões sociais e económicas num quadro de decisão de gestão e formularam as funções de custo como funções dos níveis de danos. Ang e Leon23 analisaram as estruturas offshore construídas na Baía do México com as funções de custo como índice de danos e aplicaram-nas a um método de projeto ótimo. Hasofer24 modelou a definição de confiabilidade para elementos estruturais. Rockweiss e Flessler25 propuseram um método numérico para cálculo da confiabilidade estrutural. O método de análise de comprimento de onda, que se baseia na nova teoria das ondas ligadas, foi introduzido por Zeinoddini et al.26 como a teoria da confiabilidade. Ricky et al.27 examinaram duas jaquetas marítimas fixas para possíveis falhas; eles estimaram a probabilidade de falha em diferentes direções. O nível de falha foi dividido em três categorias com base no índice de confiabilidade: leve, moderada e grave. Lee et al.28 projetaram uma estrutura marítima e calcularam a probabilidade de falha para diferentes períodos de retorno e seus correspondentes custos indiretos estimados. Então, determinando o LCC mínimo de uma função alvo, eles projetaram a estrutura para cargas ideais. Guédé29 introduziu um método de avaliação baseada no risco e desenvolveu um plano de inspeção como parte de um plano de gestão da integridade estrutural para plataformas offshore fixas. Ayotunde et al.30 avaliaram a correção das tecnologias de armazenamento de energia de alta potência para plataformas offshore do ponto de vista LCC. Vaezi et al.31 investigaram primeiro os efeitos de um sistema estrutural específico na resposta dinâmica de plataformas offshore e depois propuseram uma estrutura de otimização a ser empregada no projeto de estruturas marítimas sob cargas aplicadas. Qi et al.32 desenvolveram um modelo de corrosão dependente do tempo para plataformas móveis offshore. Li e Wang33 propuseram uma abordagem para calcular os benefícios ambientais de plataformas offshore otimizadas. Katanyoowongchareon et al.34 realizaram uma análise de confiabilidade e avaliação quantitativa de riscos para otimizar o custo direto de plataformas offshore. Colaleo et al.35 avaliaram os impactos ambientais e económicos de uma plataforma offshore existente do ponto de vista do LCC. Janjua e Khan36 desenvolveram um quadro de ecoeficiência para avaliação do impacto ambiental e económico de plataformas offshore. Heo et al.37 desenvolveram uma estrutura de otimização para uma transição energética offshore para avaliar os danos por fadiga.