[pt] Tubulações industriais são a maneira mais segura, rápida e econômica de se transportar diferentes produtos, principalmente aqueles relacionados com a industria do petróleo. Essas tubulações sempre envolvem altos investimentos financeiros sendo, portanto, fundamental a garantia de um funcionamento contínuo, com o mínimo de interrupções. Para isso são usados Pigs. Pigs são dispositivos utilizados com muita frequência e com várias finalidades, tais como limpeza e desobstrução de tubulações, retirada de água, vedação de linhas, separação de diferentes produtos, remoção de condensado, inspeção e em testes hidrostáticos. O modelo aqui desenvolvido utiliza as equações unidimensionais da conservação de massa e da quantidade de movimento linear, para simular o movimento transiente do fluido. A equação de conservação de quantidade de movimento para o Pig é resolvida simultaneamente. Uma equação auxiliar para prever a vazão de fluido através do by-pass é proposta e acoplada ao sistema. Vários casos típicos são estudados, obtendo-se excelentes resultados. / [en] Industrial pipelines are the safest, fastes and the most economical way to transport a large range of products, mostly those related to the oil industry. Pipeline systems are usually associated with huge financial investiments, being of fundamental importance to sustain their continuous operation, and maintainning them, reducing the number of interruptions or accidents at a minimum level. To accomplish that, pigs are used. Pigs are devices frequently used for many different purposes, a few of them are clemaming and dewatering a pipeline, sealing of a papeline, transport of different products, inspection and hydraulic tests all of them being accomplished without the interruption of the production lines. The developed model uses the unidimensional conservation equation of mass and linear momentum to simulate the transient movement of the fluid. The conservation of linear momentum of the Pig is also solved, Auxiliary equation to predict the by-pass flow is also incorporated into the system. several special cases are studied with very good results.

[pt] A tendência da produção offshore do petróleo é crescente. O transporte do óleo nestes ambientes frios (águas profundas) ocasiona a perda de solubilidade e precipitação das parafinas de alto peso molecular. A deposição de parafinas nas paredes internas das linhas é um problema crítico para o transporte do óleo, causando o bloqueio parcial ou total da linha, um incremento da potência de bombeamento e elevados custos de manutenção que são proporcionais ao aumento da lâmina de água. A pesquisa bibliográfica realizada neste trabalho revela que ainda existem discordâncias entre os pesquisadores sobre a relevância de cada um dos mecanismos de deposição de parafina conhecidos. O melhor entendimento dos mesmos resultaria em previsões mais acuradas das taxas de deposição que seriam muito importantes para orientar programas de manutenção e o projeto de novas linhas. A filosofia do presente trabalho é realizar experimentos simples, com propriedades de fluido conhecidas e condições de contorno bem controladas procurando um melhor entendimento da importância e relevância de cada um dos mecanismos de deposição. Para este fim, foram realizadas experiências de visualização do fenômeno de deposição para uma mistura de óleo-parafina escoando em regime laminar, submetida a diferentes condições de temperatura. Experiências feitas com cristais de parafina precipitados em suspensão mostraram que é necessário um fluxo de calor negativo para produzir deposição. Para fluxos de calor zero e positivo não foi visualizada deposição alguma. Adicionalmente, para condições de fluxo de calor negativo, foram realizadas medições da evolução temporal da espessura da camada depositada tendo como variáveis, diferentes números de Reynolds e gradientes de temperatura. Os perfis de deposição obtidos das experiências realizadas são informação importante e original que podem ser utilizadas para validação de modelos de simulação numérica. / [en] Offshore crude oil production is steadily growing. Oil transport in these cold environments (deep water) causes the precipitation of the heavy organic crude oil components like waxes. Wax deposition at the inner wall of pipelines is a serious problem in crude oil transportation causing the partial or total plugging of pipelines, increase in pumping energy and a high cost of maintenance that is proportionally greater as development depth increases. A literature research conducted in the present work leads to the conclusion that the relative importance of the wax deposition mechanisms is still misunderstood. The importance of this knowledge will result in more accurate prediction of paraffin deposition rates that would be very important to sub sea pipelines maintenance and design. The philosophy of this work is to make simple experiments with known fluid properties and well controllable conditions trying to understand the importance and relevance of each known fouling mechanism. Hence, wax deposition experiments were performed in laminar flow for different temperature conditions with a single-phase paraffin-oil mixture, having the particle migration visualization in mind. Experiments with oil mixture injection temperature below the Wax Appearance Point (with wax crystals flowing) have shown that it is necessary a negative heat flux to produce significant deposition. For positive and zero heat fluxes there was no deposition visualized. Also, the unsteady fouling state for negative heat flux was followed and their temporal deposition profiles measured for different Reynolds and temperature conditions. Those temporal and dimensional deposition profiles are original important information to be compared with numerical simulation.

[pt] O problema de convecção forçada em dutos triangulares isósceles, com condições de escoamento em regime laminar e perfis de velocidade e temperatura não desenvolvidos, é analisado neste trabalho. Aplicando-se a Técnica de Sublimação de Naftaleno são determinados experimentalmente os valores médios dos coeficientes de transporte de massa em dutos triangulares com as laterais constituídas em naftaleno e a base inerte, para ângulos de 30 graus, 45 graus, 60 graus e 90 graus. São obtidos resultados para números de Reynolds compreendidos entre 100 e 1800, coma relação entre o comprimento do duto e o diâmetro hidráulico entre 2 e 40, cobrindo, desta forma, ampla faixa para o comprimento adimensional, notadamente na região próxima à entrada do canal. A partir da Analogia entre Transferência de Calor e Massa são estimados os coeficientes de transporte de calor para dutos triangulares isósceles com paredes isotérmicas e base adiabática. Esta configuração corresponde à simulação de um coletor solar para aquecimento de ar, cuja placa absorvedora é formada por cavidades triangulares. É realizada análise teórica deste coletor utilizando-se, também, superfícies, seletivas. São apresentadas curvas de performance para diversas condições de trabalho. / [en] Overall mass-transfer coefficients in the laminar entrance regions of 30, 45, 60 ans 90 degrees isósceles triangular ducts were determinated by application of the naphthalene sublimation technique. I in accordance with the analogy between heat and mass- transfer, the experimental conditions corresponded to a heat-transfer situation carachterized by simultaneously developing velocity and temperature fields in a isósceles triangular duct with isothermal lateral walls and adiabatic base. Results were obtained for Reynolds numbers in the range between 100 and 1800, and length-to-hydraulic diameter ratio from 2 to 40, in order to cover a long range of the dimensionless streamwise coordinate values, mainly in the neighborhood of the entrance region. Analytical expressions for the mass-transfer coefficients were determined using the least squares method. In the present analysis the obtained results were employed in a theoretical study of a solar energy collector consisting of a vee-corrugated selective plate. Performace curves for many working conditions were presented.

[pt] As técnicas eletromagnéticas de inspeção têm se destacado como as únicas com potencial de determinar, de forma não invasiva, a tensão mecânica nos arames de sustentação dos risers flexíveis. Como o duto flexível é uma estrutura complexa, constituída por várias camadas de aço e de termopl ástico, as técnicas tradicionais de inspeção não são aplicáveis. Alguns métodos magnéticos são capazes de penetrar a camada polimérica externa do riser, porém ainda apresentam limitações e dificuldade na interpretação dos resultados. Não existe hoje, seja no mercado mundial de serviços ou nos diversos grupos de pesquisas que têm se dedicado a este tema, uma solução confiável e definitiva para este problema. O presente trabalho estuda como as diferentes técnicas baseadas em eletromagnetismo podem ser aplicadas na inspeção ou monitoramento da integridade de risers flexíveis. Experimentos e simulações são utilizados para discutir as vantagens e os problemas de cada técnica. Além dos métodos puramente magnéticos estudados, é proposta a aplicação inédita da técnica de ressonância magnetoacústica, também chamada EMAR (Electro Magnetic Acoustic Resonance). Esta técnica gera ondas ultrassônicas no arame através de transdutores eletromagnéticos (EMAT) e é capaz de estimar a tensão mecânica usando as frequências das ressonâncias acústicas. Um novo modelo teórico é proposto para descrever a curva do espectro de ressonâncias acústicas produzidas com EMAR. Anteriormente, estes espectros eram modelados por uma função Lorentziana. Experimentos demonstram que o modelo proposto é significativamente superior, sendo capaz de explicar diversas características dos espectros obtidos. Resultados experimentais mostram a viabilidade do EMAR para estimar a tensão mecânica dos arames, mesmo através da capa, em determinadas circunst âncias. São discutidas as limitações da técnica, casos de uso possíveis e ainda os desenvolvimentos necessários para sua efetiva utilização em campo. / [en] The only inspection techniques that have shown potential to determine, in a non-intrusive fashion, the mechanical stress on armour wires of flexible risers are the electromagnetic-based ones. Because the flexible pipeline is a complex multilayered structure of steel and thermoplastics, traditional inspection techniques cannot be used. Some electromagnetic methods are known to be able to run through the outer polymeric layer to sense the wires but the obtained data are very difficult to interpret. To date there is still no reliable and definitive solution to this problem, neither in the market nor in research groups. This present work analyses how the different electromagnetic techniques can be employed on inspection or monitoring of riser integrity. Experiments and simulations are used to discuss the advantages and limitations of each technique. Besides the purely electromagnetic methods, a novel solution is proposed based on electromagnetic acoustic resonance (EMAR). This technique produces ultrasonic waves on the wire using electromagnetic transducers (EMAT) and is able to estimate the mechanical stress by measuring the frequency of the acoustic resonances. A new line shape calculation is proposed to the acoustic resonances of EMAR. Previously, the spectral data was fitted by a Lorentzian function. The new function is shown to be significantly superior, explaining features of the spectrum not previously described and achieving much better agreement with experimental data. Experiments with flexible pipelines show the viability of using EMAR to estimate the mechanical stress of the wires, even through the outer sheath in some circunstances. The limitations of this technique are discussed, along with possible forms of usage and the pending developments for its effective deployment on the field.

[pt] O mecanismo de falha por corrosão se apresenta, na maioria dos casos, como o fator limitante na operação continuada de um duto. Esse mecanismo reduz a resistência mecânica do duto, aumentando a necessidade de reparos com a conseqüente diminuição da capacidade produtiva. A determinação da resistência remanescente através da aplicação de metodologias semi-empíricas é uma prática mundialmente aplicada, fato este que promoveu o surgimento de diversos programas destinados à aplicação sistematizada dos métodos semi-empíricos. Além do cálculo da resistência remanescente, os aplicativos desenvolvidos fornecem diversas ferramentas adicionais, como a avaliação da confiabilidade das ferramentas de inspeção, o cálculo do tempo ótimo para re-inspeção e a determinação da confiabilidade do duto. No desenvolvimento deste trabalho, foram comparados três diferentes programas na avaliação da integridade imediata e futura de dutos de aço com defeitos de corrosão, dando-se ênfase na comparação das pressões de falha e das probabilidades de falha fornecidas pelos programas. Com o objetivo de estabelecer valores de referência, um modelo analítico para o cálculo da probabilidade de falha imediata e futura foi desenvolvido, dando enfoque nas incertezas associadas à medição feita por PIG Instrumentado e às associadas às taxas de corrosão na profundidade e no comprimento do defeito. Os diferentes métodos foram aplicados sobre um defeito hipotético isolado, e em seguida em três diferentes dutos com defeitos reais de corrosão, abrangendo diversas condições operacionais, de projeto e quanto ao estado de corrosão. Na comparação dos programas, foram observados diferentes modelos de cálculo da probabilidade de falha quanto à avaliação dos modos de falha por ruptura e por vazamento como fenômenos dependentes e independentes. Os resultados de probabilidade de falha apresentados pelos diferentes modelos se mostraram congruentes apenas em defeitos onde o modo de falha por vazamento se apresenta como dominante. Em defeitos onde o modo de falha por ruptura se mostra expressivo, o modelo de avaliação dos modos falha por ruptura e por vazamento como fenômenos independentes apresenta maiores valores de probabilidade de falha. Além disso, foi possível observar a influência dos diferentes modelos de crescimento do defeito na previsão da pressão de falha e da probabilidade de falha. Observou-se também a importância do uso de modelos de interação de defeitos, observando-se pressões de falha até 50% inferiores com o uso do modelo de interação de defeitos. / [en] The corrosion failure mechanism presents itself, in most of cases, as the limiting factor of the continued operation of a steel pipeline. This failure mechanism reduces the strength of the pipeline, increasing the demand for repair, and consequently, reducing the production capacity. The determination of the pipeline remaining strength through semi-empirical methodology application is a practical worldwide applied, fact that promoted the appearance of many computer programs for the systematic application of those semi-empirical methods. Besides the calculation of the pipeline remaining strength, the developed programs provide several additional tools, such as the reliability evaluation of the In Line Inspection Tools, the determination of the optimum time for pipeline re-inspection and the reliability evaluation of the pipeline in itself. In this work development, it was compared three different programs in the immediate and future integrity evaluation of real pipelines with corrosion defects, giving emphases at the comparison of the burst pressure and failure probability supplied by the programs. Aiming establish reference values for probability of failure, a analytical model was developed to calculate the immediate and future probability of failure, focusing the uncertainties associated with the In Line Inspection measurement and with the corrosion rate in defect depth and length. The different methodologies were applied under a hypothetic single defect, and next, in three different pipelines with real corrosion defects, covering several operational conditions, of design and of corrosion severity. In the program comparison, it was noticed different models for calculating the probability of failure regarding the assessment of failure modes by rupture and by leakage as dependent and independent phenomena. The results of probability of failure presented by different models were congruent only in defects where the failure mode by leakage appears as dominant. In defects where the failure mode by rupture is shown expressive, the model of assessment of failure modes by rupture and by leakage as independent phenomena presents higher values of probability of failure. Furthermore, it was possible to observe the influence of different models of growth of the defect in the calculation of the future failure pressure and the probability of failure. It was also observed the importance of using models of interaction of defects, finding difference up to 50% in the results of failure pressure.

[pt] A formulação híbrida de raios e modos é apresentada e aplicada ao cálculo da intensidade de campo em dutos troposféricos. Essa formulação foi desenvolvida para suprir deficiência das técnicas tradicionais, que utilizam apenas modos ou apenas raios nos cálculos de campo. Partindo de um modelo cilíndrico da troposfera, é mostrada a equivalência entre este problema, e o de Terra plana, com variação linear da refratividade. Isso permite a aplicação imediata das formulações geradas para uma geometria cilíndrica a alguns tipos de perfis reais obtidos de medidas. Apresenta-se, então, comparações entre os resultados teóricos e as medidas. / [en] The hybrid formulation of rays and modes is presented and applied to evaluate field intesities in tropospheric ducts. This formulation was developed to evercome some inefficiencies in the traditional techniques that used only modes or only rays in field calculations. Starting from a cylindrical model of the troposphere, the equivalence between this situation and a flat-earth model with linear M-profile is then shown. This allows the direct application of the formulations developed for the cylindrical geometry to some measured profiles. Finally, some comparisons are shown between theoretical and experimental results.

[pt] O modelo de duas equações K-E, largamente empregado na análise de escoamentos turbulentos, não é capaz de adequedamente modelar problemas que envolvam escoamentos secundários e com rotação em dutos, descolamento de camada-limite e outras situações em que a anisotropia inerente ao escoamento turbulento necessite ser levada em conta. Modelos mais complexos, que consideram esta anisotropia - os chamados modelos de tensões de Reynolds - são utilizados no intuito de produzir resultados numéricos mais próximos daqueles obtidos experimentalmente. O problema geometricamente simples, o escoamento turbulento hidrodinamicamente desenvolvido em um duto de seção quadrática, no qual a ocorrência de escoamentos secundários foi constatada experimentalmente e documentada por diversos autores, foi modelado e resolvido através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, o modelo k-e foi emplementado, mostrando-se incapaz de prever, devido a sua natureza isotrópica, o escoamento secundário numa seção transversal de duto. Em seguida, o modelo de tensões de Reynolds foi implementado. A validação deste modelo é obtida comparando-se os resultados numéricos obtidos a resultados experimentais e numéricos encontrados bibliografia. / [en] The two-equation k-e model, widely employed in the analysis of turbulent flows, is not capable of adequately modelling problems involving secondary and swirling flows in ducts, boudary-layer detachment and other situations in which the inherent anisotropy of turbulent flows must be taken into account. More complex models, that take this anisotropy into account - the so-called Reynolds-stress models - are employed with the purpose of producing numerical results closer to those obtained experimentally. A geometrically simple problem, the turbulent flow in a duct with a square cross-section, in which the presence of secondary flows was observed experimentally and documentd by several authors, was modelletd and resolved using the Finite Volume Method. Initially, the k-e model was implemtend, being proven not capable of predicting, due to its isotropic nature, the secondary flows in a duct cross-section. The Reynolds-stress model was then implemented. The validation of this model is obtained through comparison of the numerical resuls to experimental and numerical results found in the bibliography.

[pt] A redução de espessura de parede de dutos, causada por corrosão, é um dos defeitos que mais afetam a integridade dos mesmos. Este defeito pode ocorrer no metal base, nas soldas longitudinais e circunferenciais. Com a expansão do número de dutos rígidos instalados no fundo do mar e o avançado tempo de uso, a indústria de petróleo tem desenvolvido diversas ferramentas de reparo desses dutos, sem comprometer a segurança e a perda da produção. O objetivo preliminar desse trabalho foi o estudo e a geração de modelos computacionais, os quais uma vez parametrizados, possam servir como ferramenta para análise de conexões de reparo de dutos submarinos. No decorrer desse estudo, sobre dois tipos de conexões de reparo, foi percebido que o comportamento na falha, descrito pelos modelos numéricos das mesmas, possui detalhes que precisavam ser esclarecidos em complementação ao programa experimental adotado (Alves,1995). Uma fase dessa pesquisa constou o trabalho de laboratório no qual repetiu-se a confecção da mistura de resina epóxi e cimento, segundo as referencias adotadas no programa experimental de Alves e realizaram-se ensaios de compressão em corpos-de-prova cilíndricos moldados com essa mistura visando o levantamento de curva tensão versus deformação e determinação do coeficiente de Poisson. Outra fase dessa pesquisa foi a consulta de diversos outros trabalhos que indicassem o comportamento dessa mistura, quando submetida à compressão. Por fim, foram gerados modelos analíticos e numéricos da conexão de reparo. Seus resultados foram comparados com os resultados obtidos no programa experimental de Alves. Com base nessa comparação foram levantadas as discrepâncias dos resultados, bem como as possíveis causas dessas discrepâncias e suas possíveis razões e sugestões para se alcançar o objetivo inicial foram indicadas. / [en] The reduction of pipeline wall thickness caused by corrosion is one of the defects that more affect pipeline structural integrity. These defects can take place in the metal base, in the longitudinal and circumferential welding. With the expansion of the rigid submarine pipelines mesh already installed and considering the advanced time of using, the oil industry has been developing several tools for pipeline repair without compromising the safety and avoiding production stops. The preliminary objective of this work was the study and the generation of computer models, which once parameter, they could be a tool for analyze the repair connection of submarine pipeline. During this study, about two types of repair connection, it was realized that the behaviour at failure described by the connection numerical models has details which needed to be explained in addition to the considered experimental program (Alves). One phase of this research was the laboratory works in which it was possible to repeat the mixture of epoxi resin and cement, according to the references adopted in the experimental program (Alves). Compression test were conducted on cylindrical specimens made of this mixture for determining the stress-strain curve and the Poisson coefficient. Another phase of this research was the consulting of other works which could indicate the expected behaviour of the mixture subjected to the compression load. Finally, analytical and numerical models of repair connection were generated the results were compared with those obtained on experimental program (Alves) Based on comparison, discrepancies were detected as well as they possible causes. Suggestions to obtain the initial objective were indicated.

[pt] Um dos principais métodos de instalação offshore de dutos rígidos é o de enrolamento (reeling), o qual submete os dutos a esforços de flexão que ocasionam deformações plásticas. O processo de proteção catódica destas tubulações exige a instalação de uma determinada quantidade de anodos para a proteção contra corrosão. O contato dos anodos com os dutos é estabelecido através das sapatas de anodo. Estas geram imperfeições geométricas na espessura do duto, resultando em regiões concentradoras de deformações durante o processo de enrolamento nas embarcações de instalação. Esta dissertação propõe entender e quantificar o efeito da instalação das sapatas de anodo no que se refere à introdução das concentrações de deformações e sua influência na resistência à flambagem dos dutos durante o processo de enrolamento. O estudo das falhas estruturais por flambagem durante este processo requer a avaliação das deformações longitudinais para comparação com os critérios definidos pelas normas. Esta avaliação propõe a utilização de métodos de cálculos analíticos e numéricos. A partir do estudo desenvolvido foi possível propor um fluxograma para avaliação de dutos com sapatas de anodo. Desta forma foi possível definir um novo valor limite de deformação, caso uma análise simplificada de enrolamento não atenda os critérios propostos pelas normas. Considerando que o estudo de sapatas de anodo é apenas um exemplo para representar o problema de elementos concentradores de deformação durante o processo de enrolamento, a metodologia apresentada pode ser empregada com outros tipos de elementos anexados às tubulações, para a avaliação de falhas por flambagem. / [en] One of the main steel pipelines offshore installation methods is the reeling, which subject the pipes to bending loads that produces plastic strains. The cathodic protection process of these rigid pipelines demands the installation of a determined quantity of anodes for the corrosion protection. The anodes contact with the pipes is established through anode pads. These pads create geometrical imperfections at pipe wall thickness, resulting in strain concentration areas during the reeling process at installation vessels. This dissertation proposes to understand and quantify the pads installation effects with reference to the introduction of strain concentrations and its influence on the pipe buckling strength during the reeling process. The pipe buckling failure study during the reeling process requires the evaluation of longitudinal strains for the comparison with the standards defined criteria. This evaluation proposes the use of analytical and numerical calculation methods. From the developed study, it was possible to propose a flow chart for the evaluation of pipes with anode pads. From this, it was possible to define a newer strain limit value, in the event of a simplified reeling analysis is not in agreement with the standards proposed criteria. Considering that anode pads study is only one example to represent the strain concentration elements during reeling process, the herein presented methodology can be applied to other types of parts attached to the pipelines, for the evaluation of buckling failures.

[pt] Movimentos de terra em encostas frequentemente causam grandes prejuízos econômicos, ambientais, sociais e, com freqüência, perda de vidas humanas. O mecanismo que desencadeia o processo de movimentação geralmente ocorre em períodos de chuvas intensas, principalmente nas encostas com pouca cobertura vegetal ou naquelas que sofreram mudanças recentes na topografia, geralmente pela execução de cortes. Neste trabalho foram realizadas análises de estabilidade da um trecho da encosta da BR-376, que liga as cidades de Curitiba a Joinville no km 55+800 do oleoduto OSPAR da Transpetro. Em 1995, cortes executados para duplicação da rodovia provocaram instabilidade em certa área da encosta. Em janeiro de 1997, durante um período de fortes chuvas, um novo escorregamento da porção inferior do talude provocou a ruptura do muro existente e uma série de escorregamentos sucessivos, que chegaram a atingir a faixa dos oleodutos. Diante desse cenário, utilizou-se primeiramente o programa de elementos finitos PLAXIS para as análises de estabilidade e posteriormente, a fim de comparação, o programa Slope/W e Sigma/W. Para as análises no PLAXIS foi utilizado o hardening soil model para o solo, com os parâmetros sendo determinados através de ensaios triaxiais com amostras obtidas de dois blocos de solo coletados das encosta. Os efeitos da movimentação da encosta no oleoduto OSPAR foram analisados por programa 3D de elementos finitos, dando-se ênfase às tensões e deformações para se a fim de verificar a integridade do duto. / [en] In densely populated urban areas, landslides generally cause large economic, social and environmental damages as well as, quite frequently, the loss of human lives. The main triggering factor for soil slope failures is the occurrence of heavy rainfalls and the most affected slopes are those with little vegetal covering or that had suffered recent changes in topography, generally due to the execution of cuts and excavations. In this work, stability analyses of a soil slope located at km 55+800 of the Transpetro’s OSPAR oil pipeline were carried out In 1995, the works for the duplication of the BR-376 highway, connecting the cities of Curitiba and Joinville, caused some instability in certain area of the soil slope. Later, in January 1997, during a period of heavy rainfall, a new landslide near the slope toe provoked the failure of the existing retaining wall and triggered a series of successive slides that reached the protected area were the oil pipeline was buried. In order to better understand the mechanics involved in this process, numerical analyses were carried out using the computational programs Slope/W, Sigma/W and Plaxis v.8. The soil behavior was simulated considering the hard soil model, whose constitutive parameters were estimated from triaxial tests. The influence of soil movements on the OSPAR oil pipeline were investigated through a 3D finite element analysis, with emphasis on stress and strain distributions in order to check the pile line structural integrity.