Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

O presente trabalho propõe um modelo para avaliar a confiabilidade estrutural do cabo umbilical, levando em consideração os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica. Esta análise é focada na avaliação estrutural das armaduras metálicas, dado que estes elementos suportam quase toda a carga à tração e limitam as deformações axiais da estrutura sem prejudicar significativamente a flexibilidade; desconsidera-se, portanto, o efeito estrutural do núcleo electro-óptico e das camadas polimérica interna e externa. Para esta finalidade são consideradas as tensões originadas pelos carregamentos das ondas do mar atuantes no cabo umbilical durante sua vida em serviço (plataforma semi-submersível GVA 4500 que opera na Bacia de Campos numa lâmina d água de 1000 m), assim como a geometria e as propriedades mecânicas das armaduras de tração utilizadas nos umbilicais dessas plataformas. Através da formulação de um modelo do cabo umbilical feito pelo Método dos Elementos Finitos determinou-se o histórico de tensões atuantes na estrutura, foram estimadas as funções de densidade de probabilidade da tensão estática e da tensão alternada corrigida para curto e longo prazo, as quais caracterizam o carregamento atuante provocado pelas ondas do mar. A caracterização do material é alcançada através de análise química e ensaios de tração. Finalmente, a metodologia proposta, que considera os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica é implementada na prática. / A model to evaluate the structural reliability of the umbilical cable, taking into accounts the failure mechanism for yield strength and mechanical fatigue is proposed in this work. This analysis is focused on the structural evaluation of the metallic armors, given that these elements almost support the whole tensile load and they limit the axial deformations of the structure without harming the flexibility significantly, therefore, the structural effect of the electro-optical nucleus and the internal and external polymeric layers are not considered. For this purpose, the tensions originated by the loading of the waves of the active sea in the umbilical during its service life are considered (semi-submergible platform GVA 4500 that operates in Bacia de Campos into 1000 meters water depth), as well as the geometry and the mechanical properties of the tensile armors used in the umbilical of this platform. Through the formulation of a model for the umbilical cable, developed by the Finite Elements Method, the sequence of active tensions in the structure was determined and then the functions of density of probability of the static tension and of the alternate tension corrected for short and long period were estimated, which characterize the active loading caused by the waves of the sea. The characterization of the material is achieved through chemical analysis and tensile test. Finally, the proposed methodology, which considers the failure mechanisms by yields and mechanical fatigue is implemented in practice.

Este trabalho desenvolve e apresenta um modelo tridimensional em elementos finitos de um cabo umbilical do tipo STU (Steel Tube Umbilical) utilizado na extração offshore de petróleo. Tal modelo é utilizado para estudar o carregamento de crushing, que é imposto ao cabo umbilical pelas sapatas do tensionador durante o seu lançamento, de modo a obter de forma detalhada a distribuição de tensões nos componentes do núcleo, com foco nos tubos de aço utilizados para o transporte de fluidos. A metodologia empregada no desenvolvimento do modelo é descrita detalhadamente ao longo do trabalho, de forma que possa vir a ser utilizada no estudo de outras configurações de cabos umbilicais. O modelo elaborado é utilizado (i) como paradigma para a validação de um modelo bidimensional, que visa analisar o mesmo problema de forma mais simples e rápida, e (ii) para o estudo do comportamento das tensões nos tubos de aço na região de transição de entrada/saída da sapata. Na comparação entre os modelos bi e tridimensional, o trabalho conclui pela validade do modelo bidimensional na avaliação das tensões nos tubos de aço resultantes do carregamento de crushing, na região central do cabo. O estudo realizado na região de transição de entrada/saída da sapata permitiu verificar que ocorre um aumento dos níveis de tensão nos tubos de aço nessas regiões de transição, com redistribuição do campo de tensões após plastificação. / This project proposes a three-dimensional finite element model of a Steel Tube Umbilical Cable used in the offshore oil extraction. This model is used to study the crushing load imposed to the cable by the shoes of the tensioner during its installation, in order to obtain a detailed distribution of stresses in the components of the core, focusing on the steel tubes used for fluid transportation. The methodology employed in the development of the model will be fully described throughout the study, allowing to reproduce it in the analysis of different umbilical configurations. The developed model is used (i) as a paradigm for the validation of a two-dimensional model, which aims to analyze the same problem in an easier and faster manner, and (ii) to study the behavior of the stresses in the steel tubes in the entry/exit transition region of the shoe. Comparison between the two and three-dimensional models allows to conclude for the validity of the two-dimensional in evaluating the stresses in the steel tube resulting from the crushing load, in the central region of the cable. The study performed in the entry/exit transition region of the shoe has enabled do verify that there is an increase of the stress levels in the steel tubes in these transition regions, with field stress redistribution after plastification.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

O presente trabalho propõe um modelo para avaliar a confiabilidade estrutural do cabo umbilical, levando em consideração os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica. Esta análise é focada na avaliação estrutural das armaduras metálicas, dado que estes elementos suportam quase toda a carga à tração e limitam as deformações axiais da estrutura sem prejudicar significativamente a flexibilidade; desconsidera-se, portanto, o efeito estrutural do núcleo electro-óptico e das camadas polimérica interna e externa. Para esta finalidade são consideradas as tensões originadas pelos carregamentos das ondas do mar atuantes no cabo umbilical durante sua vida em serviço (plataforma semi-submersível GVA 4500 que opera na Bacia de Campos numa lâmina d água de 1000 m), assim como a geometria e as propriedades mecânicas das armaduras de tração utilizadas nos umbilicais dessas plataformas. Através da formulação de um modelo do cabo umbilical feito pelo Método dos Elementos Finitos determinou-se o histórico de tensões atuantes na estrutura, foram estimadas as funções de densidade de probabilidade da tensão estática e da tensão alternada corrigida para curto e longo prazo, as quais caracterizam o carregamento atuante provocado pelas ondas do mar. A caracterização do material é alcançada através de análise química e ensaios de tração. Finalmente, a metodologia proposta, que considera os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica é implementada na prática. / A model to evaluate the structural reliability of the umbilical cable, taking into accounts the failure mechanism for yield strength and mechanical fatigue is proposed in this work. This analysis is focused on the structural evaluation of the metallic armors, given that these elements almost support the whole tensile load and they limit the axial deformations of the structure without harming the flexibility significantly, therefore, the structural effect of the electro-optical nucleus and the internal and external polymeric layers are not considered. For this purpose, the tensions originated by the loading of the waves of the active sea in the umbilical during its service life are considered (semi-submergible platform GVA 4500 that operates in Bacia de Campos into 1000 meters water depth), as well as the geometry and the mechanical properties of the tensile armors used in the umbilical of this platform. Through the formulation of a model for the umbilical cable, developed by the Finite Elements Method, the sequence of active tensions in the structure was determined and then the functions of density of probability of the static tension and of the alternate tension corrected for short and long period were estimated, which characterize the active loading caused by the waves of the sea. The characterization of the material is achieved through chemical analysis and tensile test. Finally, the proposed methodology, which considers the failure mechanisms by yields and mechanical fatigue is implemented in practice.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

Este trabalho desenvolve e apresenta um modelo tridimensional em elementos finitos de um cabo umbilical do tipo STU (Steel Tube Umbilical) utilizado na extração offshore de petróleo. Tal modelo é utilizado para estudar o carregamento de crushing, que é imposto ao cabo umbilical pelas sapatas do tensionador durante o seu lançamento, de modo a obter de forma detalhada a distribuição de tensões nos componentes do núcleo, com foco nos tubos de aço utilizados para o transporte de fluidos. A metodologia empregada no desenvolvimento do modelo é descrita detalhadamente ao longo do trabalho, de forma que possa vir a ser utilizada no estudo de outras configurações de cabos umbilicais. O modelo elaborado é utilizado (i) como paradigma para a validação de um modelo bidimensional, que visa analisar o mesmo problema de forma mais simples e rápida, e (ii) para o estudo do comportamento das tensões nos tubos de aço na região de transição de entrada/saída da sapata. Na comparação entre os modelos bi e tridimensional, o trabalho conclui pela validade do modelo bidimensional na avaliação das tensões nos tubos de aço resultantes do carregamento de crushing, na região central do cabo. O estudo realizado na região de transição de entrada/saída da sapata permitiu verificar que ocorre um aumento dos níveis de tensão nos tubos de aço nessas regiões de transição, com redistribuição do campo de tensões após plastificação. / This project proposes a three-dimensional finite element model of a Steel Tube Umbilical Cable used in the offshore oil extraction. This model is used to study the crushing load imposed to the cable by the shoes of the tensioner during its installation, in order to obtain a detailed distribution of stresses in the components of the core, focusing on the steel tubes used for fluid transportation. The methodology employed in the development of the model will be fully described throughout the study, allowing to reproduce it in the analysis of different umbilical configurations. The developed model is used (i) as a paradigm for the validation of a two-dimensional model, which aims to analyze the same problem in an easier and faster manner, and (ii) to study the behavior of the stresses in the steel tubes in the entry/exit transition region of the shoe. Comparison between the two and three-dimensional models allows to conclude for the validity of the two-dimensional in evaluating the stresses in the steel tube resulting from the crushing load, in the central region of the cable. The study performed in the entry/exit transition region of the shoe has enabled do verify that there is an increase of the stress levels in the steel tubes in these transition regions, with field stress redistribution after plastification.

O presente trabalho visa à aplicação de metodologias de análise de tensões induzidas em cabos de sinal de cabos umbilicais a partir da utilização do Método dos Elementos Finitos. A aplicação consiste na avaliação de tensões induzidas nos condutores de sinal, a partir do acoplamento mútuo de fluxo magnético originado das correntes dos circuitos de potência do cabo umbilical. Para tanto, são aplicadas técnicas de fatiamento e transposição para a geometria do cabo concomitantemente às técnicas de acoplamento com circuito elétrico. São apresentados modelos de condutores elétricos com ênfase no detalhamento geométrico, simplificações consideradas, adoção de parâmetros de suporte e condições de contorno. A avaliação das tensões induzidas nos condutores de sinal é realizada tanto para simulações bidimensionais, pelos métodos de fatiamento e transposição, como para simulações tridimensionais. / The aim of this work is apply the methodologies of induced voltage in signal cables inside umbilical cables through application of Finite Elements Method. The application is made by the evaluation of the induced voltage on signal cables through the coupling of magnetic fields generated by the power cables. Therefore slice and transposition techniques are applied to the cable geometry with electrical circuit coupling techniques. One presents electrical conductor modeling focused on geometric detailing and simplifications, support parameters and boundary conditions. The evaluation of induced voltages on signal cables is made through the application of bidimensional method, using slices and transposition techniques and also tridimensional simulations.

The Finite Element Method is a powerful and widespread tool for the structural analysis of flexible pipes and umbilicals. However, it is unfeasible to represent in detail all layers and components of a flexible pipe or umbilical cable in a Finite Element (FE) model, since the calculation time would be unrealistic. Moreover, consistent numerical analysis requires support from experimental results. In this context, this thesis presents numerical and experimental research options, as well as the development of new strategies for the design of FE models of flexible pipes and umbilicals. Using the commercial FE software ABAQUS, the text highlights the development of innovative techniques to represent helical layers, as well as the concept of a two-dimensional FE analysis, supported by analytical formulation. Complementing the numerical approaches, pioneer experimental techniques herein developed are presented, based on optical instrumentation through a Digital Image Correlation (DIC) system. An unconventional use of the DIC system enables the development of an experimental methodology to study umbilicals under crushing loads. / Na análise estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais, o Método de Elementos Finitos se destaca como uma ferramenta poderosa e bastante difundida. Contudo, é inviável representar em modelos baseados em Elementos Finitos (EF) um tubo flexível ou um cabo umbilical com toda sua riqueza de detalhes, pois os tempos de cálculo seriam irreais. Além disso, análises numéricas consistentes precisam de respaldo de resultados experimentais. Neste contexto, esta tese apresenta linhas de pesquisa numérica e experimental. O desenvolvimento de novas estratégias para a concepção de modelos em EF de tubos flexíveis e cabos umbilicais é apresentado. Utilizando o software comercial ABAQUS, destacam-se técnicas inovadoras para representação das camadas helicoidais, bem como a obtenção de modelos EF bidimensionais, amparados por formulação analítica. Complementando as abordagens numéricas, técnicas pioneiras de análise experimental são apresentadas, baseando-se em instrumentação óptica com sistema de correlação digital de imagens. Utilizado de forma não convencional, o monitoramento óptico permite o desenvolvimento de metodologia experimental para estudo de cabos umbilicais sob carregamentos de crushing.