Onde os mecanismos de giro funcionam em uma plataforma de perfuração offshore
Uma plataforma de perfuração offshore — seja ela autoelevatória, semissubmersível ou navio-sonda — utiliza caixas de engrenagens planetárias de acionamento de giro em vários locais ao longo dos sistemas de perfuração e manuseio de materiais. Cada local impõe uma combinação diferente de torque, velocidade, ambiente e classificação de segurança — mas todos compartilham os desafios comuns da corrosão marinha, movimento das ondas e acesso restrito para manutenção.
Guindastes de pedestal offshore giram no convés da plataforma para manusear tubos de perfuração, revestimento, equipamentos e cargas de navios de suprimento. O mecanismo de giro deve operar em constante névoa salina, enquanto manuseia cargas de 20 a 150 toneladas em raios de 20 a 50 metros. Torque de giro: 30.000 a 120.000 Nm. O guindaste é vital para a plataforma — se ele não puder girar, a plataforma não poderá receber suprimentos nem manusear tubos.
O sistema automatizado de chave inglesa para tubos e o sistema de posicionamento de tubos utilizam mecanismos de giro para posicionar a coluna de perfuração entre a estrutura, a passarela e o centro do poço. Esses mecanismos operam na Zona 1, área classificada como perigosa — diretamente acima do poço, onde pode haver presença de gás hidrocarboneto. Torque de giro: 5.000 a 25.000 Nm. A certificação ATEX ou IECEx é obrigatória.
Alguns sistemas de perfuração utilizam mecanismos de giro para indexação da mesa rotativa ou para o gerenciamento do circuito de serviço do top drive — posicionando o equipamento de torque da coluna de perfuração ao redor do centro do poço. Esses mecanismos operam sob as maiores cargas de vibração na plataforma, transmitidas da coluna de perfuração através da estrutura da torre de perfuração. Torque de giro: 10.000 a 40.000 Nm.
O transportador de BOP e os sistemas de teste de toco utilizam mecanismos de giro para rotacionar o conjunto de preventores de explosão (BOP) de 100 a 400 toneladas durante a manutenção e os testes. Essas são as cargas mais pesadas que qualquer mecanismo de giro na plataforma pode manusear — porém, operam com pouca frequência (a cada 2 a 4 semanas). Torque de giro: 80.000 a 200.000 Nm.
Mecanismo de giro para aplicações offshore. Cada unidade deve suportar simultaneamente os requisitos de névoa salina contínua, cargas dinâmicas induzidas por ondas e atmosferas explosivas, por um período de 20 a 30 anos.
Movimento Ondulatório — A Base Dinâmica que Adiciona Cargas Giroscópicas e Inerciais a Cada Operação de Giro
Em terra, um mecanismo de giro rotaciona uma carga contra a gravidade e o atrito. Em uma plataforma marítima, o mecanismo de giro rotaciona uma carga contra a gravidade, o atrito E as forças inerciais geradas pelo movimento da plataforma. Quando a plataforma se desloca verticalmente (movimento vertical) 3 metros em um período de onda de 10 segundos, cada massa na plataforma experimenta uma aceleração de aproximadamente 0,3 g — aumentando o peso efetivo de uma carga de guindaste de 50 toneladas em 15 toneladas durante o movimento ascendente e reduzindo-o em 15 toneladas durante o movimento descendente.
Quando a plataforma se inclina (movimento angular) 5 graus no mesmo período, a lança do guindaste — que está a 30 metros do centro de giro — experimenta uma aceleração lateral que gera um momento de tombamento dinâmico, além do momento estático. Esse momento dinâmico induzido pela onda oscila com o período da onda, adicionando e subtraindo continuamente do torque de giro necessário em regime permanente.
| Estado do Mar | Elevar (m) | Inclinação (graus) | Fator de Carga Dinâmica | Aumento do torque de giro |
|---|---|---|---|---|
| Calmo (Hs < 1 m) | 0,5 – 1,0 | 1 – 2 | 1,05 – 1,10 | +5 a +10% |
| Moderado (Hs 2 – 4 m) | 2 – 4 | 3 – 6 | 1,15 – 1,30 | +15 para +30% |
| Áspero (Hs 4 – 8 m) | 4 – 8 | 6 – 10 | 1,30 – 1,60 | +30 a +60% |
Por que as fórmulas de dimensionamento terrestre subestimam o tamanho das unidades de transmissão offshore: O fator de carga dinâmica induzido por ondas adiciona de 15 a 60% ao torque de giro necessário, em comparação com a mesma carga e raio em terra. Um acionamento de giro adequadamente dimensionado para uma elevação de 80 toneladas a um raio de 30 metros em terra (aproximadamente 23.500 Nm) é subdimensionado para a mesma elevação no mesmo raio em uma plataforma em mares moderados — o fator dinâmico aumenta o requisito para 27.000 a 30.500 Nm. Os acionamentos de giro offshore devem ser dimensionados usando os fatores de carga dinâmica da DNV ou API para o estado do mar específico do local, e não o cálculo estático em terra.
O mecanismo de giro em uma plataforma offshore deve suportar tanto a carga em regime permanente quanto a carga dinâmica induzida pelas ondas — aumentando a necessidade total de torque em 15 a 60% em comparação com a operação idêntica em terra.
ATEX e Atmosferas Explosivas — O Requisito que Muda Tudo Sobre Escolhas de Materiais e Projetos
Em uma plataforma de perfuração offshore, a área de perfuração e as áreas adjacentes são classificadas como atmosferas explosivas de Zona 1 ou Zona 2, de acordo com a ATEX (Diretiva Europeia 2014/34/UE) ou IECEx (equivalente internacional). Nessas zonas, misturas explosivas de gás e ar podem estar presentes durante operações normais (Zona 1) ou durante condições anormais (Zona 2). Qualquer equipamento operando nessas zonas — incluindo mecanismos de giro — deve ser projetado para evitar a ignição da atmosfera explosiva.
A temperatura da superfície externa da carcaça do mecanismo de giro não deve exceder a temperatura de autoignição dos gases presentes — tipicamente entre 200 e 300 graus Celsius para gases de hidrocarbonetos (classe de temperatura T3 ou T4). Esse limite deve ser mantido mesmo nas condições operacionais mais adversas: torque máximo, temperatura ambiente máxima e radiação solar máxima. O projeto térmico da carcaça, a eficiência da engrenagem e o tipo de lubrificante influenciam a temperatura máxima da superfície.
Se alguma parte do mecanismo de giro estiver exposta à atmosfera perigosa (como o engrenamento da engrenagem pinhão-coroa), os materiais não devem produzir faíscas por atrito, impacto ou falha mecânica. O aço carbono padrão em contato com aço carbono pode produzir faíscas. Engrenagens com classificação ATEX podem exigir materiais de pinhão que não produzam faíscas (ligas de cobre-níquel, certos bronzes) ou o encapsulamento completo da engrenagem em uma carcaça à prova de explosão. A abordagem de encapsulamento (Exd — à prova de explosão) é a solução mais comum para mecanismos de giro em plataformas de perfuração.
Um acionamento de giro com classificação Exd envolve todo o mecanismo de engrenagem e o motor em uma carcaça projetada para conter qualquer explosão interna sem transmitir chamas para a atmosfera externa. A espessura da parede da carcaça, as dimensões da folga do flange e o torque dos fixadores devem estar em conformidade com a norma IEC 60079-1 — adicionando de 20 a 40% ao peso e custo da carcaça em comparação com um acionamento padrão sem classificação ATEX. A carcaça deve ser testada sob pressão a 1,5 vezes a pressão máxima de explosão antes da entrega.
Três modos de falha específicos para sistemas de giro de perfuração offshore
A pista de rolamento do rolamento de giro — a superfície de aço endurecido sobre a qual as esferas ou roletes do rolamento se movem — é o componente mais sensível à corrosão em um sistema de giro offshore. A névoa salina penetra pela vedação do rolamento e se mistura com a graxa. Os íons cloreto presentes na água salgada iniciam a corrosão por pite na superfície da pista. Cada pite se torna uma concentração de tensão que se propaga, resultando em lascamento por fadiga sob a carga de contato de rolamento. Ao contrário dos sistemas de giro em terra (onde a corrosão é insignificante ao longo de 10 a 20 anos), as pistas de rolamento de rolamentos offshore podem desenvolver corrosão por pite visível em 3 a 5 anos sem graxa anticorrosiva adequada e manutenção da vedação.
Cada ciclo de onda adiciona um componente de torque dinâmico à carga do acionamento de giro — de 5 a 10 segundos por ciclo, de 6 a 12 ciclos por minuto, 24 horas por dia. Ao longo de um ano de operação contínua, os dentes da engrenagem sofrem de 3 a 6 milhões de ciclos de tensão adicionais apenas devido ao movimento das ondas — excedendo em muito o número de ciclos das operações de giro propriamente ditas. A fadiga induzida por ondas é de baixa amplitude, mas de alta frequência — a combinação mais prejudicial para superfícies de dentes de engrenagens cementadas. Os cálculos padrão de fadiga de engrenagens em terra subestimam a vida útil dos dentes em 30 a 50% se a ciclagem induzida por ondas não for incluída.
A carcaça à prova de explosão (Exd) depende de folgas de flange usinadas com precisão para conter qualquer ignição interna. Essas folgas devem permanecer dentro da tolerância dimensional da norma IEC 60079-1 durante toda a vida útil. A corrosão por sal, os ciclos térmicos e o impacto mecânico decorrentes das operações rotineiras da plataforma podem alargar as folgas das flanges além das dimensões certificadas. Quando a folga excede o valor máximo permitido, a carcaça deixa de ser certificada para conter uma explosão interna — e o acionamento torna-se uma potencial fonte de ignição na atmosfera da Zona 1. Essa degradação é invisível do lado externo da carcaça e só pode ser detectada por meio da inspeção dimensional da folga da flange durante uma inspeção programada.
Acima: Fábrica da Korea Ever-Power. Abaixo: Centro de testes — os motores offshore passam por testes de corrosão em ambiente marítimo, verificação da pressão da carcaça ATEX e simulação de torque dinâmico antes da entrega.
Caixa de engrenagens planetárias de acionamento de giro para plataformas de perfuração offshore — Perguntas frequentes
A Korea Ever-Power fornece caixas de engrenagens planetárias para acionamento de giro de plataformas de perfuração offshore com classificações de carga dinâmica DNV, revestimentos marítimos C5-M e opções à prova de explosão ATEX, de 5.000 a 200.000 Nm. Informe o tipo de plataforma e a aplicação do equipamento para obter uma especificação para uso marítimo.
Editor: Cxm
