Perez-Benitez, J. A.; Padovese, Linilson Rodrigues
#MAGNETIC BARKHAUSEN NOISE#OIL RISERS#CLUSTERING METHODS#BARKHAUSEN NOISE#STEELS#ENGINEERING, MULTIDISCIPLINARY#INSTRUMENTS & INSTRUMENTATION
Risers are flexible multilayered pipes formed by an inner flexible metal structure surrounded by polymer layers and spiral wound steel ligaments, also known as armor wires. Since these risers are used to link subsea pipelines to floating oil and gas production installations, and their failure could produce catastrophic consequences, some methods have been proposed to monitor the armor integrity. However, until now there is no practical method that allows the automatic non-destructive detection of individual armor wire rupture. In this work we show a method using magnetic Barkhausen noise that has shown high efficiency in the detection of armor wire rupture. The results are examined under the cyclic and static load conditions of the riser. This work also analyzes the theory behind the singular dependence of the magnetic Barkhausen noise on the applied tension in riser armor wires.; Brazilian agency FAPESP [2008/10859-0]; Brazilian agency FAPESP
Franzini, Guilherme Rosa; Pesce, Celso Pupo; Salles, Rafael; Gonçalves, Rodolfo Trentin; Fujarra, André Luís Condino; Mendes, Pedro
#Experimental analysis#Flexible cylinder#Imposed top motins#TUBOS FLEXÍVEIS#ESTRUTURAS OFFSHORE FLUTUANTES
Experiments with a flexible and submerged cylinder were carried out to investigate fundamental aspects of risers dynamics subjected to harmonic excitation at the top. The flexible model was designed aiming a high level of dynamic similarity with a real riser. Vertical motion, with amplitude of 1% of the unstretched length, was imposed with a device driven by a servomotor. Four values of the ratio between the exciting frequencies and the first eigenfrequency were investigated, namely ft: fN,1 = 1 : 3; 1 : 1; 2 : 1 and 3 : 1. Cartesian coordinates of 43 monitored points positioned all along the span were experimentally acquired by using an optical tracking system. A simple Galerkin's scheme applied for modal decomposition, combined with standard Mathieu chart analysis, led to the idenfication of parametric resonances. A curious finding of this paper is that the Mathieu instability may simultaneously occur in more than one mode, leading to interesting dynamic behaviors, also revealed through standard power spectra analysis and displacement scalograms.; This work has been carried out after a research project sponsored by Petrobras. The first author acknowledges FAPESP for his post-doctoral scholarship, process no. 2013/09802-2. The second and third authors ackowledge CNPQ...
Confrontação numérico-experimental da dinâmica de sistema flutuante, considerando seu acoplamento com linhas de produção.; Comparison between numerical and experimental results on the dynamics of floating system coupled with risers.
Pereira, Felipe Rateiro
#Confrontação numérico-experimental#Ensaios em tanque de provas#Modelos escala reduzida#Numerical Offshore Tank - TPN#Numerical-experimental confrontation#Small-scale model tests#Tanque de Provas Numérico - TPN#Towing tank model tests
Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers...
Estudo numérico do escoamento ao redor de cilindros flexíveis.; Numerical investigation of flow around flexible cylinders.
Lima, Alessandro Alberto de
#Computational fluid dynamic#Mecânica dos fluidos computacional#Vibrações#Vibrations#Vortex methods#Vórtices dos fluidos
Este trabalho aborda o escoamento ao redor de cilindros flexíveis com grande razão de aspecto, representando os riser utilizados na indústria petrolífera. O escoamento foi dividido em seções bidimensionais ao longo do comprimento do riser. O método dos vórtices discretos foi utilizado para estimativa dos coeficientes hidrodinâmicos nas seções correspondentes e o acoplamento se dá através da dinâmica estrutural. Esta dinâmica é resolvida pelo método dos elementos finitos implementado no código Anflex (Mourelle et al. (2001)). Processamento paralelo é utilizado para acelerar o desempenho do método numérico. Um esquema master-slave ("mestre-escravo") utilizando MPI (Message Passing Interface1) é utilizado para que seja explorado o paralelismo da modelagem. As seções hidrodinâmicas são igualmente divididas ao longo dos nós de um cluster de computadores utilizado nos cálculos. Cada nó do cluster (núcleo de processamento) resolve o escoamento nas seções hidrodinâmicas necessárias. As forças hidrodinâmicas atuando nas seções correspondentes são enviadas ao processo mestre que também é responsável pela resolução da dinâmica estrutural. Uma das contribuições do presente trabalho é a possibilidade de análise de risers em regime pós-crítico...
Estudo comparativo entre modelos na análise local de tubos flexíveis.; Comparative study between modles in local analysis of flexible pipes.
Maranhão, Flamínio Alves Fávero
#Análise estrutural#Analytic model#Atrito#Finite element method#Flexible pipes#Friction#Mecânica offshore#Método dos elementos finitos#Modelos analíticos#Offshore mechanics#Structural analysis
Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre resultados obtidos através de um modelo analítico-numérico, um modelo em elementos finitos e resultados experimentais na análise estrutural local de tubos flexíveis utilizados na explotação de petróleo. Em particular, o modelo em elementos finitos proposto considera efeitos de não-linearidade decorrentes do contato e das forcas de atrito entre as camadas concêntricas do tubo, de forma a reproduzir curvas de histerese típicas obtidas em ensaios em escala real. Tais curvas não podem ser obtidas pelos modelos simplificados tradicionais, de maneira que sua obtenção por modelos em elementos finitos traz novas informações sobre o comportamento estrutural dos dutos Tomando como base e elemento motivacional os resultados de ensaios experimentais de um tubo flexível de 2,5, realizados no Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, são estudados um modelo analítico e um modelo em elementos finitos, ambos representando o tubo ensaiado experimentalmente, de maneira a apontar, de forma qualitativa e quantitativa, quais são os pontos fortes e fracos de cada abordagem. O modelo analítico-numérico simplificado, obtido de um campo de deslocamentos compatível com os carregamentos axissimétricos aplicados e de um conjunto de equações que envolvem equilíbrio de forcas e equações constitutivas lineares...
Estabilidade estrutural da configuração estática de risers em catenária.; Structural stability of the static configuration of catenary risers.
#Estabilidade de sistemas#Estruturas offshore#Finite element method#Flexible pipes#Método dos elementos finitos#Offshore structures#Stability of systems#Tubos flexíveis
Risers em configuração de catenária podem apresentar nível de tração muito baixo próximos ao fundo do mar. Isso pode ocorrer em algumas condições de lançamento, em que sua estrutura pode se configurar de forma quase vertical. Quando se trata de tubos flexíveis ou cabos umbilicais, a composição interna do riser contém armaduras helicoidais de tração. Essas podem induzir a ocorrência de giro axial quando o tubo é solicitado à tração. Se esse movimento não for permitido, surgirá um momento de torção na estrutura. O baixo nível de tração da configuração de catenária combinado com o momento de torção surgido durante o lançamento do riser pode levar a uma forma de instabilidade estrutural que culmina na formação de um laço. Isso é indesejável uma vez que, se existe o laço, dependendo dos esforços submetidos à linha, é possível que o laço se transforme em uma dobra, danificando a estrutura. O presente trabalho analisa as condições de formação de laços em configurações de catenária. Para isso, foram utilizados critérios de estabilidade aplicados a um modelo de elementos finitos, que leva em conta as não linearidades geométrica e de contato entre o riser e o solo. Foi utilizada uma formulação cinematicamente exata de elemento de viga através de uma descrição lagrangiana atualizada...
Compressão dinâmica em risers; Dynamic buckling in risers
Amarante, Rodrigo de Almeida
#Buckling#Catenária#Catenary#Compressão dinâmica#Dinâmica local#Dynamic compression#Flexible riser#Local dynamic#Riser flexível
O presente trabalho foi realizado por meio de uma abordagem tríplice do problema de compressão dinâmica em risers, fundamentado em ensaios em um Calibrador Hidrodinâmico, com posterior confrontação dos resultados com formulações analíticas e o uso de programas comerciais dedicados ao estudo da estática e dinâmica de linhas flexíveis. O principal objetivo foi a determinação acurada, a partir de uma instrumentação pouco invasiva, dos comprimentos das ondas de flexão geradas no TDP, durante a compressão dinâmica. Esse objetivo, de per si, encerra o caráter de ineditismo da presente tese. Os ensaios consistiram na realização de movimentos circulares no topo de um modelo flexível lançado em catenária, sob diversas configurações, totalizando um total de 72 experimentos: foram utilizados três frequências de movimento, três amplitudes, quatro ângulos de topo e dois sentidos de rotação. Um sistema de monitoramento óptico foi utilizado como principal instrumentação. Além desse equipamento, foi utilizada uma célula de carga, posicionada entre o equipamento que prescrevia os movimentos ao modelo flexível e uma rótula, que permitia que a célula de cargas e movimentasse solidariamente ao sistema. Rotinas numérica próprias foram utilizadas para o pós-processamento dos dados obtidos. Os resultados foram...
Desenvolvimento de metodologias de inspeção e monitoramento de Risers flexíveis através de Técnicas Micromagnéticas de Análise de Tensões
Martins, Carlos Otávio Damas
#Reliability#Tubos flexíveis#Ensaios não-destrutivos#Micromagnetic techniques#Flexible risers#Confiabilidade#Análise de tensões
O crescimento da produção de petróleo em alto mar tem elevado a utilização de Risers flexíveis. Fazendo a conexão entre o poço e a plataforma, estes dutos estão sujeitos aos severos carregamentos causados pela superposição dos esforços mecânicos com o ambiente corrosivo. Deste modo, torna-se de grande importância, o monitoramento da integridade estrutural de Risers flexíveis para a Indústria petrolífera. Neste trabalho, foram desenvolvidas metodologias de caracterização do estado de tensões de arames da armadura de tração de Risers flexíveis de seis polegadas. Através do monitoramento de ensaios de tração foi testada a influência das variações de carregamento, microestrutura e afastamento entre o sensor e o material ferromagnético (Lift off) nas medidas micromagnéticas. Os resultados mostraram a grande aplicabilidade dos métodos micromagnéticos, separando os efeitos das variações de tensões e microestruturais. Analisando-se diferentes técnicas, foram obtidas correlações entre os carregamentos e as tensões (determinadas através da técnica micromagnética) superiores a 90%. Bons resultados também foram obtidos nas análises da influência do Lift off, onde, apesar da grande atenuação de sinais...
Xavier, Flávio Galdino
#End fitting#Ensaios de materiais#Fatigue#Fadiga (Engenharia)#Flexible pipe#Ancoragem : Estruturas#Tubos flexíveis#Anchoring#Tensile armor
Este trabalho foca a avaliação da vida em fadiga de um novo modelo de terminal conector para dutos flexíveis (risers) de camadas não aderentes (unbonded). Os ensaios foram feitos levando em consideração apenas a parte estrutural desses dutos, de forma a ensaiar uma nova configuração de ancoragem da armadura de tração encontrada nesse equipamento conhecido como terminal conector (end fitting). É dentro deste componente que os arames da armadura de tração são fixados por resina epóxi em conjunto com uma configuração específica permitindo dessa maneira a sustentação do duto flexível quando fixado a plataformas offshore. Para a escolha do novo modelo de ancoragem aqui proposto, além de se tomar como referência, fez-se também uma analogia aos modelos utilizados nas ancoragens das barras metálicas utilizadas em concreto protendido. Isto foi feito por entender que algumas características mecânicas da resina epóxi aproximam-se das do concreto. Para a definição do novo modelo de ancoragem, uma análise simplificada, utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF), foi feita em dois modelos de ancoragens recomendados na API RP 17B (2002) e utilizado por alguns fabricantes, no intuito de verificar as distribuições das tensões ao longo desses arames dentro do terminal conector quando envolto pela resina epóxi. Esta análise destacou as regiões ao longo dos arames onde havia concentrações das tensões. Utilizando-se dessas informações...
Jacques, Ricardo Callegari
#Tubos flexíveis#Ensaios não-destrutivos#Emissão acústica
A exploração de petróleo em águas profundas no Brasil iniciou devido a uma necessidade da indústria petrolífera nacional de oferecer preços competitivos para seus produtos no mercado mundial. Essa exploração se tornou possível e economicamente viável devido ao surgimento de tubos flexíveis de multi-camadas. Esses dutos são empregados corriqueiramente no Brasil e existe uma necessidade de inspeção e avaliação da vida útil dos mesmos de um modo contínuo sem paradas na produção. Dentre as técnicas de ensaios não destrutivos disponíveis para esse tipo de aplicação, a Emissão Acústica (EA) tem grande potencial pois permite o monitoramento da integridade estrutural do riser através da aquisição contínua de sinais sonoros que percorram a estrutura e cheguem até os sensores. Esses sinais podem ser tratados estatisticamente e no futuro podem levar à automatização do processo. Para tanto, é necessário um estudo dos parâmetros de Emissão Acústica para se verificar quais são os mais adequados e quais são as melhores condições para adquirir o sinal com o mínimo de erro e ruído. Neste trabalho, estudou-se a resposta acústica de tiras retiradas de risers frente a ensaios de tração e risers em escala real em carregamentos de tração e fadiga. Os resultados mostram que é possível a detecção de ruptura dos arames em todos esses casos...
Máquina para ensaios de fadiga em arames de tubulações flexíveis; Machine for fatigue tests on flexible wires riser
Dutra, Carlos Renê Antunes
#Riser#Engenharia mecanica#Fatigue#Wires
Na prospecção de petróleo em águas profundas, as tubulações que ligam os poços às plataformas submarinas (risers) estão submetidas a esforços cada vez maiores, devido a crescentes pressões e esforços dinâmicos, ocasionados pelas maiores profundidades de extração. A repetibilidade destas solicitações pode ocasionar falhas por fadiga. Por essa razão, torna-se cada vez maior a importância do conhecimento do comportamento mecânico destas tubulações. O presente trabalho objetiva apresentar o projeto de uma máquina para realizar ensaios de fadiga em arames das armaduras de tração externa de tubulações flexíveis. O objetivo é de poder realizar ensaios de quatro corpos de prova simultaneamente. O mecanismo utilizado neste equipamento para obter uniformidade nas cargas, será através de um sistema mecânico de eixos excêntricos que convertido em movimento alternativo produzirá esforços cíclicos de flexão no corpo de prova através da variação da amplitude. Para o monitoramento do carregamento aplicado durante o ensaio os corpos de prova serão instrumentados com extensômetros e estes conectados a um sistema de aquisição de dados para fazer interface com o computador. Através deste sistema será possível monitorar os níveis de carregamento ao longo de todo o ensaio...
Instabilidade radial em dutos flexíveis com defeitos na bandagem de alta resistência sujeitos a cargas axiais compressivas
Talgatti, Otaviano Luis
#Resistência à compressão#Birdcaging#Elementos finitos#Damage in the external layer of risers#Tubos flexíveis#Finite elements#Compressive loads
O riser flexível é composto por várias camadas com funções estruturais específicas. Quanto à resistência mecânica, sua estrutura deve suportar os mais variados tipos de solicitações atuantes de forma combinada ou isolada. Uma das formas isoladas de solicitação é a compressão axial, responsável pela instabilidade radial (gaiola de passarinho) do duto flexível. A instabilidade radial ocorre principalmente quando o duto flexível apresenta danos na bandagem de alta resistência que juntamente com a carga axial compressiva pode levar o riser a falhas catastróficas. Esse dano na bandagem é gerado devido á logística de lançamento, defeitos de projeto ou materiais, carregamentos excessivos ou quedas. Portanto, a presente dissertação objetiva avaliar a relação entre o tamanho do defeito na bandagem de alta resistência e a capacidade de geração da instabilidade radial (birdcaging) para solicitações compressivas atuantes e por consequência propor um critério de falha para o duto flexível. Para concretização do objetivo foi desenvolvido um modelo tridimensional em elementos finitos no software Abaqus, e realização de testes em escala real na bancada de testes do LAMEF (Laboratório de Metalurgia Física) de forma a validar o modelo. Para uma análise da relação entre tamanhos de defeitos...
Estudo do escoamento bifasico em risers em movimento na produção maritima de petroleo em aguas profundas; Study of two-phase flow in moving risers for offshore petroleum production in deep waters
Elinaldo Santos Silva
#Escoamento bifasico#Petróleo#Indústria petrolífera#Petroleo em terras submersas#Poços de petroleo#Two-phase vertical flow#Offshore petroleum production risers#Flow patterns#Head loss deepwater operation
O escoamento vertical bifásico é de suma importância na produção de petróleo, uma vez que os reservatórios petrolíferos produzem óleo e gás simultaneamente, e estes devem fluir até a superfície submarina através de poços, e destes até a plataforma de produção através de dutos verticais (risers) no mar. Ao longo de seu escoamento, a mistura pode desenvolver vários padrões de fluxo. Os padrões identificados no escoamento vertical são bolhas, golfadas, transição e anular, e essas configurações físicas apresentam características próprias que exigem modelagens distintas, apresentando relações particulares de perda de carga em função da vazão. A caracterização correta do padrão, sob dadas condições operacionais, é fundamental para modelar a dinâmica do escoamento e determinar a relação entre perda de carga e vazão. Na literatura, estudos sobre o estabelecimento dos padrões de fluxo foram realizados com água e ar, e estão restritos ao caso de dutos estáticos, enquanto que os risers de produção estão em constante movimento devido à ação das ondas, das correntezas e da plataforma de produção. Sendo assim, a aplicação destes mapas nas condições de produção em águas profundas são questionáveis. O presente trabalho é importante para a produção de óleo e gás em águas profundas...
Vortex-induced vibration of marine risers : motion and force reconstruction from field and experimental data; VIV of marine risers : motion and force reconstruction from field and experimental data
Mukundan, Harish
Tipo: Tese de Doutorado Formato: 205 p.
Vortex-induced vibration (VIV) of long flexible cylindrical structures enduring ocean currents is ubiquitous in the offshore industry. Though significant effort has gone into understanding this complicated fluid-structure interaction problem, major challenges remain in modeling and predicting the response of such structures. The work presented in this thesis provides a systematic approach to estimate and analyze the vortex-induced motions and forces on a marine riser, and develop suitable methods to improve riser VIV modeling and response prediction. In the first part of the thesis, a systematic framework is developed, which allows reconstruction of the riser motion from a limited number of sensors placed along its length. A perfect reconstruction criterion is developed, which allows us to classify when the measurements from the sensors contain all information pertinent to VIV response, and when they do not, in which case additional, analytical methods must be employed. Reconstruction methods for both scenarios are developed and applied to experimental data. The methods are applied to: develop tools for in-situ estimation of fatigue damage on marine risers; improve understanding of the vortex shedding mechanisms, including the presence of traveling waves and higher-harmonic forces; and estimate the vortex-induced forces on marine risers. In the second part of the thesis...
Desenvolvimento de metodologias de avaliação e monitoramento do desgaste no par tribológico RISER/ENRIJECEDOR; Development of monitoring and evaluation methodologies of wear on tribological pair riser/bend stiffener
Moraes, Monique Alves Franco de
#Engenharia Mecânica#Desgaste mecânico#Tribologia#Taxa de desgaste#Metodologias de avaliação e monitoramento#MM3C#Dutos flexíveis#Wear rate#Monitoring and evaluation methodologies#3CMM#Flexible riser pipes
Neste trabalho foram desenvolvidas e aplicadas duas metodologias para quantificar o desgaste em amostras de risers e enrijecedores utilizando uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C). Tais amostras foram testadas em um tribômetro capaz de realizar ensaios de desgaste por deslizamento em escala real. Adicionalmente, foram correlacionados os eventos que ocorrem durante o processo de desgaste destas amostras com as vibrações na estrutura do tribômetro. A primeira metodologia foi aplicada na estimativa do desgaste linear em amostras de risers, com base na variação de espessura, enquanto que a segunda foi destinada à estimativa do desgaste volumétrico em amostras de enrijecedores, tendo por base a perda de volume das mesmas. Para avaliar a perda de espessura nas amostras de riser foi utilizado o software Calypso® na definição do alinhamento e na determinação e execução da estratégia de medição. Já na avaliação do volume das amostras de enrijecedores, foi utilizado o mesmo software na definição do alinhamento. O software Dimension Volume® foi empregado na definição e execução da estratégia de medição, e, para calcular o volume destas amostras, foi elaborado e utilizado um programa em Matlab®. Com o intuito de analisar as vibrações durante o ensaio de desgaste...
Gay Neto, Alfredo; Martins, Clovis de Arruda
#Stability#Catenary#Risers#Finite element method#Greenhill#Torsion#TUBOS FLEXÍVEIS#MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS#ESTABILIDADE DE SISTEMAS
Catenary risers can present during installation a very low tension close to seabed, which combined with torsion moment can lead to a structural instability, resulting in a loop. This is undesirable once it is possible that the loop turns into a kink, creating damage. This work presents a numerical methodology to analyze the conditions of loop formation in catenary risers. Stability criteria were applied to finite element models, including geometric nonlinearities and contact constraint due to riser-seabed interaction. The classical Greenhill's formula was used to predict the phenomenon and parametric analysis shows a "universal plot" able to predict instability in catenaries using a simple equation that can be applied for typical risers installation conditions and, generically, for catenary lines under torsion.; The authors acknowledge FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) for the support under the grants 2006/06277-0 (PhD), 2012/09912-0 and 2012/21167-8 (PostDoc). The second author acknowledges the support by CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientí fi co e Tec- nológico) under the grant 310105/2009-9.
Modelagem de esforços de VIV em risers em catenária; Modeling of VIV forces in a catenary riser
#Estruturas marítimas - Hidrodinâmica#Engenharia de petróleo#Vibração (Engenharia naval)#Vórtices#Maritime structures#Petroleum engineering#Vibration (Marine engineering)#Vortices
Durante os últimos anos, as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) foram intensamente estudadas a partir de experimentos com cilindros retos instalados verticalmente ou horizontalmente, que diferem significativamente das tubulações curvas em forma de catenária, encontradas nos risers em catenária. Desta forma, as VIVs para esta configuração de riser ainda são pouco compreendidas. Nesse sentido, neste trabalho é proposto um procedimento para o cálculo das VIVs em riser em catenária no domínio do tempo, utilizando as hipóteses do princípio da independência, que considera que apenas a componente normal da velocidade de correnteza em relação ao eixo do riser é significativa para as VIVs. Uma abordagem semi-empírica é adotada para calcular as forças transversais das VIVs, com base em coeficientes hidrodinâmicos encontrados a partir de experimentos com cilindros rígidos oscilando transversalmente ao escoamento. A frequência das forças de VIV é calculada através da mudança da frequência natural do riser devido à variação da massa adicional com a velocidade reduzida. Uma vez que respostas multi-modais podem ocorrer, um procedimento com base nas observações experimentais de células de desprendimento de vórtices e regiões de power-in são adotadas para determinar os modos de vibração excitados pelas VIVs. Dois experimentos com modelos flexíveis foram analisados. A partir do primeiro experimento verificou-se a validade das considerações do princípio da independência para tubos flexíveis. Já o segundo experimento teve a finalidade de entender o comportamento dinâmico de risers em catenária devido às VIVs...