Hoje em dia, a maioria das operações de alívio é feita utilizando um sistema de posicionamento dinâmico (DP). O sistema DP permite controlar a posição relativa entre o navio aliviador e o FPSO (Floating Production Storage and Offloading), trazendo desta forma muitas vantagens à operação. Neste tipo de operação os dois corpos flutuantes precisam ficar muito próximos um do outro em alto-mar, aumentando de forma significativa a interação hidrodinâmica entre eles. Quando um corpo está no mar ele se torna uma barreira à propagação das ondas, distorcendo o campo de ondas ao redor. Este efeito é chamado de efeito de sombra de onda ou simplesmente efeito de sombra. O efeito de sombra depende do comprimento de onda, do tamanho do corpo que o está criando e da direção de propagação da onda. O efeito de sombra altera de forma significativa a distribuição de energia das ondas do mar na região do fenômeno, alterando desta forma, o comportamento do corpo que está sob a influência do mesmo. Com o comportamento do corpo alterado é esperado que o sistema DP se comporte de forma diferente quando sob influência do efeito de sombra. Este trabalho se propõe a estudar a influência que o efeito de sombra causa no sistema DP, visando obter dados para melhorar os projetos de sistema DP. / Nowadays, a great number of offloading operations is carried out using a dynamic positioning (DP) system. The DP system allows the position between the shuttle tanker (ST) and the FPSO platform (Floating Production Storage and Offloading) to be controlled, bringing several advantages to the operation. In this kind of operation the two vessels must be kept very close in the sea, increasing significantly the hydrodynamic interaction effects between them. When a body is floating at the sea, it turns into a barrier to the wave propagation, disturbing the wave field around it. This effect is called shielding effect or shielding area. The shielding area depends on the wave length, the size of the body and the wave direction. The shielding area significantly disturbs the energy of the wave field nearby the FPSO. Because of that, it is expected that the shuttle tanker presents a different hydrodynamic behavior. The purpose of this work is to study the influence of the shielding area on the DP system, trying to obtain data to improve DP systems design.

Hoje em dia, a maioria das operações de alívio é feita utilizando um sistema de posicionamento dinâmico (DP). O sistema DP permite controlar a posição relativa entre o navio aliviador e o FPSO (Floating Production Storage and Offloading), trazendo desta forma muitas vantagens à operação. Neste tipo de operação os dois corpos flutuantes precisam ficar muito próximos um do outro em alto-mar, aumentando de forma significativa a interação hidrodinâmica entre eles. Quando um corpo está no mar ele se torna uma barreira à propagação das ondas, distorcendo o campo de ondas ao redor. Este efeito é chamado de efeito de sombra de onda ou simplesmente efeito de sombra. O efeito de sombra depende do comprimento de onda, do tamanho do corpo que o está criando e da direção de propagação da onda. O efeito de sombra altera de forma significativa a distribuição de energia das ondas do mar na região do fenômeno, alterando desta forma, o comportamento do corpo que está sob a influência do mesmo. Com o comportamento do corpo alterado é esperado que o sistema DP se comporte de forma diferente quando sob influência do efeito de sombra. Este trabalho se propõe a estudar a influência que o efeito de sombra causa no sistema DP, visando obter dados para melhorar os projetos de sistema DP. / Nowadays, a great number of offloading operations is carried out using a dynamic positioning (DP) system. The DP system allows the position between the shuttle tanker (ST) and the FPSO platform (Floating Production Storage and Offloading) to be controlled, bringing several advantages to the operation. In this kind of operation the two vessels must be kept very close in the sea, increasing significantly the hydrodynamic interaction effects between them. When a body is floating at the sea, it turns into a barrier to the wave propagation, disturbing the wave field around it. This effect is called shielding effect or shielding area. The shielding area depends on the wave length, the size of the body and the wave direction. The shielding area significantly disturbs the energy of the wave field nearby the FPSO. Because of that, it is expected that the shuttle tanker presents a different hydrodynamic behavior. The purpose of this work is to study the influence of the shielding area on the DP system, trying to obtain data to improve DP systems design.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.

This thesis defines and applies a methodology for analyzing the possibility of extending the operating sector of DP shuttle tankers for offloading operations in Spread Moored FPSO Platforms. Extending the operating sector is beneficial to increase operations\' availability and to reduce DP power demand under certain environmental conditions. This study is important, since several emergency disconnections have occurred during offloading in Santos Basin because the shuttle tanker was pushed out of the green sector by environmental resultants that pointed to the West. However, this proposal has to be carefully analyzed in order to guarantee the operations\' safety and not to increase the risks of collision between FPSO and shuttle tanker, of oil pollution and of personnel safety. The methodology consists in five basic steps: Preliminary Risk Analysis to assess the potential hazards associated with the new sector; evaluation of the uptime gain through static analysis; evaluation of DP power demand inside the original and extended sector; real time simulations to evaluate the operation in a realistic environment; and, finally, field tests to validate the proposal. This thesis presents the contextualization of the problem, a bibliographical research, theoretical concepts, the detailed methodology and results of each step. The results show that the average uptime gain is significant both in Campos and Santos Basins - up to 9% and 13% respectively - and that the additional risks created by the sector extension are well mitigated if some recommendations are put into place. The conclusion of this thesis is that extending the operating sector is not only beneficial but also safe. / Esta dissertação define e aplica uma metodologia para analisar a possibilidade de extensão do setor operacional de navios aliviadores DP para operações de offloading em plataformas FPSO ancoradas em Spread-Mooring. Esta proposta apresenta como vantagens o aumento da disponibilidade das operações e redução na demanda de energia do navio DP em certas condições ambientais. O estudo é importante tendo em vista que várias desconexões de emergência já ocorreram durante operações de alívio na Bacia de Santos, porque o navio-tanque foi empurrado para fora do setor verde por resultantes ambientais que apontavam para oeste. No entanto, a proposta deve ser cuidadosamente analisada para garantir que o novo setor não aumenta os riscos de colisão, de poluição ambiental e de segurança às pessoas. A metodologia consiste em cinco etapas básicas: Análise Preliminar de Riscos (APR); avaliação do ganho de disponibilidade da operação; avaliação da demanda de energia do sistema DP nos setores original e estendido; simulações de manobra em tempo real; e, finalmente, testes em campo para validação da proposta. Esta dissertação apresenta a contextualização do problema, pesquisa bibliográfica, conceitos teóricos, a metodologia detalhada e os resultados de cada etapa. Os resultados mostram que o ganho médio de disponibilidade é significativo nas bacias de Campos e de Santos - até 9% e 13%, respectivamente - e que os riscos adicionais criados pela extensão do setor são devidamente mitigados se as recomendações levantadas na APR forem implementadas. A conclusão desta dissertação é que estender o setor operacional é, não somente benéfico, mas também seguro.

Hoje em dia com o crescente aumento da exploração de petróleo e gás em águas profundas, há um aumento na demanda por operações offshore envolvendo a cooperação entre unidades flutuantes. Tais operações requerem um alto nível de planejamento e coordenação, o que na maioria dos casos é feito com a troca de informação no nível de operação, com cada unidade flutuante comandada independentemente. Exemplos de operações deste tipo vão desde operações de alívio passando por operações de instalação de equipamento submarino, até operações de pesquisa envolvendo múltiplas unidades flutuantes dotadas de sistema de posicionamento dinâmico (DP). As vantagens do controle cooperativo surgem com a redução do erro da distância relativa durante a manutenção do posicionamento ou durante a execução de manobras de posicionamento conjuntas. No presente trabalho, os conceitos de controle de consenso são aplicados de forma combinada com o sistema DP de cada navio. A influência dos ganhos do controlador cooperativo no sistema como um todo será discutida, utilizando-se técnicas de análise da resposta em frequência. Simulações completas no domínio do tempo e experimentos usando modelos em escala serão utilizados para se demonstrar o funcionamento do controle cooperativo. Todas as simulações serão conduzidas no simulador Dynasim e os ensaios experimentais no tanque de provas da Engenharia Naval da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Além disso, serão feitas comparações entre os experimentos em tanque de provas e simulações numéricas equivalentes, demonstrando-se a validade dos ensaios numéricos. Será também demonstrado que os requisitos de projetos adotados são atendidos pelos ensaios em tanque de provas. . / With the increasing of deep water oil & gas exploration, there is also an increase in the demand by offshore operations involving muti-vessels. Such operations require a high level of planning and coordination, which in most of the cases is made by information exchange at the operation level, being each vessel commanded independently. Examples of such operations are offloading, subsea equipment installation and subsea research operation; all of them involving multiples dynamically positioned (DP) vessels. The advantage of the cooperative control arises with the reduction of the relative positioning error during station keeping or transient maneuvers. In this work, the consensus control concepts are applied combined with the DP System of each ship. The cooperative DP controller will be investigated with the analysis of the coupled dynamics of the vessels. The influence of the cooperative control gains on the whole system will be discussed, using the frequency response of the open loop system. Fully nonlinear time-domain simulations and experimental results will be used to demonstrate the operation of the cooperative control. Besides that, comparisons between the small-scale experiments and equivalent numerical simulations will be carried out, validating the experimental results. It will also be demonstrated that the adopted design requirements are met. All tests will be carried out using the Dynasim numerical simulator and the small-scale experiments will be carried on the academic towing tank in the Naval Architecture and Ocean Engineering Department, Polytechnic School of University de São Paulo.

This thesis defines and applies a methodology for analyzing the possibility of extending the operating sector of DP shuttle tankers for offloading operations in Spread Moored FPSO Platforms. Extending the operating sector is beneficial to increase operations\' availability and to reduce DP power demand under certain environmental conditions. This study is important, since several emergency disconnections have occurred during offloading in Santos Basin because the shuttle tanker was pushed out of the green sector by environmental resultants that pointed to the West. However, this proposal has to be carefully analyzed in order to guarantee the operations\' safety and not to increase the risks of collision between FPSO and shuttle tanker, of oil pollution and of personnel safety. The methodology consists in five basic steps: Preliminary Risk Analysis to assess the potential hazards associated with the new sector; evaluation of the uptime gain through static analysis; evaluation of DP power demand inside the original and extended sector; real time simulations to evaluate the operation in a realistic environment; and, finally, field tests to validate the proposal. This thesis presents the contextualization of the problem, a bibliographical research, theoretical concepts, the detailed methodology and results of each step. The results show that the average uptime gain is significant both in Campos and Santos Basins - up to 9% and 13% respectively - and that the additional risks created by the sector extension are well mitigated if some recommendations are put into place. The conclusion of this thesis is that extending the operating sector is not only beneficial but also safe. / Esta dissertação define e aplica uma metodologia para analisar a possibilidade de extensão do setor operacional de navios aliviadores DP para operações de offloading em plataformas FPSO ancoradas em Spread-Mooring. Esta proposta apresenta como vantagens o aumento da disponibilidade das operações e redução na demanda de energia do navio DP em certas condições ambientais. O estudo é importante tendo em vista que várias desconexões de emergência já ocorreram durante operações de alívio na Bacia de Santos, porque o navio-tanque foi empurrado para fora do setor verde por resultantes ambientais que apontavam para oeste. No entanto, a proposta deve ser cuidadosamente analisada para garantir que o novo setor não aumenta os riscos de colisão, de poluição ambiental e de segurança às pessoas. A metodologia consiste em cinco etapas básicas: Análise Preliminar de Riscos (APR); avaliação do ganho de disponibilidade da operação; avaliação da demanda de energia do sistema DP nos setores original e estendido; simulações de manobra em tempo real; e, finalmente, testes em campo para validação da proposta. Esta dissertação apresenta a contextualização do problema, pesquisa bibliográfica, conceitos teóricos, a metodologia detalhada e os resultados de cada etapa. Os resultados mostram que o ganho médio de disponibilidade é significativo nas bacias de Campos e de Santos - até 9% e 13%, respectivamente - e que os riscos adicionais criados pela extensão do setor são devidamente mitigados se as recomendações levantadas na APR forem implementadas. A conclusão desta dissertação é que estender o setor operacional é, não somente benéfico, mas também seguro.