[pt] Este trabalho objetiva o projeto, a construção e teste de um dispositivo para a recuperação da geometria de tubulações danificadas externamente por amassamento. O dano a ser reparado é caracterizado por mossas sem cava, implicando em uma alteração suave da superfície sem a ocorrência de defeitos ou de redução na espessura da parede do duto. Considera-se ainda que esta perturbação geométrica provocada pelo amassamento não afete a integridade de eventual cordão de solda presente na tubulação. Para a definição dos parâmetros geométricos dos corpos de prova, da carga de operação requerida nos ensaios e do material de construção do dispositivo (ferramenta) foram utilizados resultados de modelos analíticos aproximados e de soluções por elementos finitos. Neste caso, a representação da tubulação utilizada nos testes numéricos da operação do dispositivo considerou modelos com elementos de cascas finas incluindo efeitos não-lineares associados ao comportamento do material, a grandes deslocamentos e ao contato entre superfícies. Estas simulações numéricas permitiram avaliar-se as condições de solicitação e do funcionamento do dispositivo, necessárias para a execução dos procedimentos experimentais e para a identificação da integridade estrutural da tubulação ao final dos ensaios. Testes experimentais de operação do dispositivo foram realizados em dois especimens tubulares de aço: API5LGrB, com valor nominal de diâmetro 355.6mm (14aspas) e espessura 6.35mm (0.25aspas), ambos com 5m de comprimento. Nestes especimens, também instrumentados com extensômetros elétricos, foram inicialmente impostos amassamentos por punções com geometrias padronizadas do tipo esférico e cilíndrico (especimens de aço API5LGrB) e que resultaram na redução em 15% no diâmetro da tubulação. Em seguida, utilizando-se o dispositivo projetado para o desamassamento dos dutos, promoveu-se a recuperação da geometria de forma a deixar aparente uma indentação não superior a 5% do seu diâmetro nominal. Ensaios de inspeção não-destrutivos, realizados apos os procedimentos experimentais nos dutos, permitiram verificar-se a integridade das tubulações, revelando em ambos os casos a inexistência de descontinuidades na superfície do material . Utilizando- se ensaios numéricos e experimentais, uma metodologia foi desenvolvida para o dimensionamento , construção e a avaliação do protótipo de um dispositivo com as características de portabilidade e de operação adequadas à utilização com robôs autômatos de posicionamento remoto no interior de tubulações (G.I.R.I.N.O./CENPES, p. ex.). / [en] This work deals with design, construction and testing of a tool device for the repair of externally damaged pipes. It is aimed for repairing the so called smooth plain dent type of damage, with no reduction in the pipe wall thickness or any damage in the pipe welding. Geometric parameter definitions and required loading for the testing specimens and, the requirements for material properties to the device design and operation were obtained using simplified analytic solutions and finite element modeling analyses. Tested pipes were first numerically evaluated using finite element analyses, comprising thin-wall shell element models with non-linear material behavior, large displacements and surface contact effects. These numerical simulations allowed for the device functioning and loading evaluations, set requirements for the experimental procedure used and furnished a measure for the pipe structural integrity at the experiment`s onset. Experiments were performed on two 355.6mm diameter, 5m long , API class steel pipes: 5LGrB, with 6.35 thickness. Dents were applied to these specimens, monitored by electric strain-gages, by indenter tools with standard cylinder and sphere surface shapes causing a 15% reduction in the pipe diameter. Recovering of each pipe cross-section roundness was then imposed by a designed tool device, restoring its diameter measure to more than 95% of its original (nominal) value. Following this procedure, non-destructive tests were done with the pipes, with no damages in their material integrity found. Considering the obtained numeric and experimental results, a methodology has been proposed for design, construction and evaluation of a prototype device for piping damage recovery with the characteristics of good portability and operation, allowing for its use with remote operated robots (G.I.R.I.N.O./CENPES, for example).

[pt] Deposição de parafinas, com alto peso molecular, na parede interna de linhas submarinas de produção e transporte continua a ser um problema crítico encontrado pela indústria de petróleo. Uma previsão precisa das taxas de deposição e da distribuição espacial da parafina depositada é uma informação fundamental para o projeto de linhas submarinas. Uma revisão minuciosa da literatura mostrou que não existem informações suficientes para determinar quais são os mecanismos relevantes para a deposição da parafina. No entanto, a maioria das simulações disponíveis emprega a difusão molecular como único mecanismo de deposição. Portanto, no presente trabalho realiza-se uma análise numérica do processo de deposição da parafina em dutos, utilizando o modelo de difusão molecular e compara-se com dados experimentais obtidos em um experimento simples e básico em um duto de seção retangular. Duas formulações matemáticas são utilizadas para modelar a taxa de transporte de parafina para a parede do duto; a primeira formulação é uni- dimensional e estima a taxa de deposição da parafina a partir do gradiente de temperatura; a segunda formulação é bi-dimensional e a taxa de deposição é determinada em função do gradiente de concentração da parafina. O método de volumes finitos é empregado para resolver as equações de conservação de massa, energia e da fração de massa juntamente com a equação difusiva que descreve o crescimento do depósito de parafina. Adicionalmente, investigou-se a influência do calor latente no balanço de energia. Verificou-se que o calor latente acelera o processo de deposição, mas não influencia na espessura final depositada, após atingir o regime permanente. Os resultados obtidos apresentam diferenças significativas com relação aos dados experimentais, indicando que a difusão molecular não é o único mecanismo relevante para a deposição de parafina. / [en] Deposition of high molecular weight para±ns on the inner wall of subsea production and transportation pipelines continues to be a critical operati- onal problem faced by the petroleum industry. The accurate prediction of wax deposition rates and deposited wax spatial distribution would be an invaluable information for the design of subsea pipelines. A critical review of the literature conducted lead to the conclusion that there is not enough experimental evidence to determine which are the more relevant mecha- nisms responsible for wax deposition. However, the majority of available simulations employ the molecular diffusion model as the only deposition mechanism. Therefore, in the present work, a numerical analysis of the wax deposition in ducts is performed employing the molecular diffusion model and a comparison with experimental data of a simple and basic experiment in a rectangular cross section duct is performed. Two mathematical mo- dels are investigated; the first formulation is one- dimensional and the wax deposition rate is determined from the temperature gradient. The second formulation is two-dimensional and the wax deposition rate is a function of the para±n concentration gradient. The finite volume method was selec- ted to solve the conservation equations of mass, energy and mass fraction, coupled with a difusive equation to describe the growth of the wax deposi- tion. Additionally, the influence of the para±n latent heat was investigated. It was verified that the latent heat accelerates the deposition process, but does not affect thenal wax thickness after reaching the steady state regime. The results obtained presented signifficant differences between experiments and computation, indicating that molecular diffusion might not be the only relevant mechanism responsible for wax deposition.

[pt] Diversos acidentes envolvendo dutos submarinos já aconteceram no Brasil como o do Gasoduto PCR-01/Lubnor e o da plataforma P-55 de 2,3 km no campo de Roncador, na Bacia de Campos. Esses acidentes ocorrem em muitos casos devido à flambagem, à fadiga, ao intenso processo corrosivo, à deficiência de projeto, a falta de manutenção dos mesmos. Os dutos submarinos representam uma alta porcentagem no custo total de uma unidade de extração de petróleo. Sua importância se torna vital para a extração de petróleo em águas territoriais brasileiras. Seu projeto estrutural é uma atividade que pode ser dividida em várias etapas que devem ser seguidas à risca para garantir a conformidade do mesmo com as normas nacionais e internacionais sua operação em um dos mais inóspitos cenários da natureza: o fundo do mar. Nesta situação, o duto fica sujeito a carregamentos extremos, tanto estáticos quanto dinâmicos. Por este motivo, ele é constituído de uma estrutura de camadas bastante complexa. O objetivo deste trabalho é a avaliação das condições de operação de dutos submarinos sujeitos à ação de ondas e correntes marinhas. Um estudo paramétrico em elementos finitos é realizado para compreender a influência das condições de contorno, diferentes comprimentos de vão livre do duto submarino e variações do tipo de solo na resposta dinâmica do duto submarino. È desenvolvida também uma solução analítica para o problema. As soluções numérica, analítica e as recomendações da norma são confrontadas e tiradas conclusões sobre os principais fatores a serem considerados pelos engenheiros envolvidos na construção de estruturas deste tipo. / [en] Several accidents involving subsea pipelines have happened in Brazil as the pipeline PCR-01 / Lubnor and the P-55 platform 2.3 km in the Roncador field in the Campos Basin. These accidents occur in many cases due to buckling, fatigue, the intense corrosive process, design deficiency, lack of maintenance. The submarine pipelines represent a high percentage in the total cost of an oil extraction unit. Its importance becomes vital for the extraction of oil in Brazilian waters. Its structural design is an activity that can be divided into several steps that must be followed strictly to ensure its conformity with national and international standards operation in one of the harshest scenes of nature: the seabed. In this situation, the product is subject to extreme loads, both static and dynamic. For this reason, it consists of a complex layer structure. The objective of this study is the evaluation of the operating conditions of submarine pipelines subject to the action of waves and currents. A parametric study of finite element is performed to understand the influence of the boundary conditions, different span lengths of submarine pipeline and variations of soil type on the dynamic response of submarine pipeline. It is also developed an analytical solution to the problem. The numerical solutions, analytical and standard recommendations are compared and conclusions drawn on the main factors to be considered by the engineers involved in the construction of such structures.

[pt] O presente trabalho apresenta evidências e visa confirmar as tendências gerais de que reparos feitos de materiais compósitos podem ser utilizados para restaurar completamente a integridade estrutural, desconsiderando efeitos de tempo, de segmentos de dutos que apresentam anomalias (defeitos) de perda de metal em sua superfície externa, causados por corrosão ou erosão. Sete espécimes tubulares de API 5L Gr. B e dez espécimes tubulares de API 5L X65 foram testados até a ruptura por meio de testes hidrostáticos monotônicos, com diâmetro externo nominal de 323,9 mm e espessura nominal de 8,38 mm. Duas amostras testadas não tinham defeitos. Seis espécimes apresentavam defeitos e não foram reparados. Nove espécimes apresentavam defeitos e foram reparados usando três sistemas de reparo de compósito diferentes. Os defeitos continham profundidades variando entre 40 por cento, 55 por cento e 70 por cento da espessura do tubo. Os reparos foram baseados em compósitos de epóxi e fibra de carbono, epóxi e fibra de vidro, e poliuretano e fibra de vidro. (FREIRE, VIEIRA, et al., 2019) Para a constatação dos resultados experimentais foram implementadas metodologias analíticas e numéricas. O método analítico utiliza equações normativas semiempíricas (ISO 24817) e da teoria de reparos para dutos (Equação de Equilíbrio). A avaliação numérica consiste no método de elementos finitos para modelagem do problema através do software ANSYS (marca registrada). Os sistemas de reparo dos três fornecedores mostraram ser eficazes e que reparos de compósitos podem restaurar completamente a integridade estrutural de dutos com defeito externo, desconsiderando efeitos de tempo, conforme o Fator de Resistência Remanescente (RSF) calculado. Os resultados dos testes mostraram que métodos analíticos e numéricos podem ser usados para compreensão do comportamento mecânico do problema. / [en] The present work presents evidence and aims to confirm general trends that repairs made of composite materials can be used to completely restore the structural integrity, disregarding the effects of aging, of pipeline segments that show anomalies (defects) in metal loss on their external surface, as a result by corrosion or erosion. Seven tubular specimens of API 5L Gr. B and ten tubular specimens of API 5L X65 were tested to rupture using monotonic hydrostatic tests, with a nominal external diameter of 323.9 mm and a nominal thickness of 8.38 mm. Two samples tested had no defects. Six specimens were defective and were not repaired. Nine specimens were defective and were repaired using three different composite repair systems. The defects contained depths ranging from 40 percent, 55 percent and 70 percent of the tube thickness. The repair systems were based on composites of epoxy and carbon fiber, epoxy and fiberglass, and polyurethane and fiberglass. (FREIRE, VIEIRA, et al., 2019) To verify the experimental results, analytical and numerical methodologies were implemented. The analytical method uses semi-empirical normative equations (ISO 24817 and ASME PCC-2) and repair theory for pipelines (Equilibrium Equation). Numerical evaluation consists of the finite element method for modeling the problem using ANSYS (trademark) software. The repair systems of the three suppliers proved to be effective according to the Remaining Resistance Factor (RSF) calculated, disregarding the effect of aging. The test results showed that analytical and numerical methods can be used to understand the mechanical behavior of the problem and that composite repairs can completely restore the structural integrity of pipelines with a loss in external wall thickness, avoiding production downtime and reducing the risk of accidents.

[pt] O conhecimento dos esforços de flexão e normal provocados por movimentação de solo é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforços. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e de seu comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforços existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforços agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforços de trabalho obtidos desconsiderando-as são próximos dos valores reais. No mais, os procedimentos propostos para a determinação dos esforços, mediante a separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais. / [en] The knowledge of the bending and axial efforts caused by soil movement is important for the structural integrity analysis of pipelines. The existence of residual stresses is one of the main obstacles for obtaining good results in the determination of such efforts. This work was developed to analyze the behavior of the residual stresses of manufacturing in pipes throughout its circumference and length. Measurements of residual stresses had been made in samples of a new pipe and others samplers removed from operation, using the hole drilling technique and a new sectioning technique. The measurements had been carried throughout the circumference and different sections of the pipes. The measurements with the sectioning technique proposed, called elliptical hole technique, are coherent with the measurements of the hole drilling technique, mainly for the longitudinal stresses. From the experimental results, recommendations had been made and methodologies had been proposed to separate the manufacturing residual stresses from the operating stresses in the pipelines. For each method considered in this work, a simulation was made to evaluate its errors. The circumferential and longitudinal residual stresses of manufacturing have considerable magnitudes (sometimes next to the yield strength of the pipes). Not considering the residual stresses in measurements carried through in situ to calculate the existing loads, as it is made most of the time, can cause significant errors in the determination of the efforts acting on the pipeline. The results of the simulations had shown that, if the residual stresses are low, the work loads obtained when the residual stresses are not considered are comparable with the correct loads. The procedures proposed for the determination of loads, considering the separation of the existing residual stresses, had presented smaller errors or closer to those when the calculation was made neglecting the residual stresses.

[pt] Neste trabalho é realizado um estudo da estabilidade de dutos enterrados submetidos a cargas térmicas. As cargas térmicas são devidas ao aquecimento do fluido com o objetivo de facilitar o transporte dos óleos que são escoados nos dutos. O duto expande devido a estas cargas térmicas. Como o duto está restringido em suas extremidades e devido à expansão são causadas forças axiais de compressão no duto. Para a análise destes dutos submetidos à variação da carga térmica foram utilizados modelos teóricos e numéricos para o problema de flambagem vertical e lateral, considerando o duto perfeito e com imperfeição. Os modelos numéricos foram desenvolvidos utilizando o programa ABAQUS. Para estes modelos numéricos o duto foi considerado como uma viga e a o solo como elementos de interface e elementos de mola. Foi desenvolvido também um modelo de viga-casca onde parte do duto é modelada como uma casca cilíndirca para permitir a análise de enrugamento e da deformação da seção transversal. São realizados estudos paramétricos numéricos para investigar o efeito do recobrimento do duto da forma e amplitude da imperfeição e da rigidez do solo na temperatura crítica de flambagem do duto. / [en] In this work a study of the stability of buried pipelines subjected to thermal loads is developed. The thermal loads are due to the heated fluid that flows through the pipe. Fluid heating is for ease of oil transportation. The pipe expands due to the thermal loading. Axial forces are developed in the pipe due to the expansion since the pipe is restricted on its ends. The analysis of pipes subject to thermal loadas were carried out with use of theoretical and numerical methods for upheaval and snaking buckling problems considering perfect pipes and pipes with imperfection. The numerical models were developed with the support of the ABAQUS software. The pipe was modeled as a beam and the soil is represented by interface elements and alternatively by spring elements. A beam-shell model was also developed where part of the pipe was modeled as a shell to allow a wrinkling analysis. Parametric studies were also carried out to investigate the effects of the soil stiffness, shape and amplitude or the imperfection and internal pressure on the critical temperature of the pipe.

[pt] Neste trabalho, o Método dos Elementos Finitos é aplicado na análise eletromagnética de estruturas coaxiais circularmente simétricas excitadas pelo modo TEM. A representação do campo magnético é feita através da associação de funções base polinomiais de diferentes ordens a grades que possuem elementos triangulares ou retangulares. Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre as diversas possibilidades de associações função base e elemento, considerando o tempo de processamento computacional e a precisão exigida na simulação. A técnica é aplicada na análise de dispositivos de acoplamento entre diferentes guias coaxiais usualmente empregados em antenas de banda larga. Para validar os resultados do algoritmo, os resultados obtidos nas diversas etapas são comparados com aqueles obtidos via Método de Casamento de Modos. Além disto, a técnica é empregada para avaliar a possibilidade de utilização de dispositivos de inspeção de tubulação que utiliza uma onda TEM de alta freqüência. A onda TEM é excitada no interior da tubulação de forma que variações em suas paredes, nas condições de contorno dos campos, produzam alterações nas características de propagação, que serão detectadas e associadas às anomalias de suas paredes internas. Estes dispositivos de inspeção são empregados na indústria de petróleo e gás. / [en] In this work, the Method of Finite Element is applied in the electromagnetic analysis of circularly symmetrical coaxial structures excited by TEM mode. The representation of the magnetic field is made through the association of polynomial basis functions of different orders associated in the grids made of triangular or rectangular elements. This work presents a comparative study between different possibilities of association between basis functions and element, considering the computational time and the accuracy yielded by the simulation. The technique is applied in the electromagnetic analysis of coupling devices used to connect different coaxial waveguides operating at microwave frequencies. To validate the algorithm developed in this work, the MEF results are compared with those obtained by employing Method of Mode Matching (MMM). Moreover, the technique is also employed to evaluate the possibility of use of TEM wave highfrequency for inspection of metallic pipelines. The TEM wave is excited inside cylindrical metallic pipes and anomalies in the metallic walls are associated to the changes in the propagation characteristics. These inspection devices are intensively used in the industry of oil and gas.

Este trabalho apresenta um procedimento de avaliação para a determinação da Integral J e do CTOD para dutos com trincas circunferenciais em sua superfície externa e interna submetidos à flexão pura para uma ampla faixa de geometrias de trinca e propriedades (encruamento) de material baseados em soluções das componentes plásticas de J e CTOD. Uma descrição da metodologia sobre a qual J e CTOD são determinados estabelece o contexto necessário para a determinação das funções adimensionais h1 e h2 aplicáveis a uma grande faixa de geometrias de trinca e propriedades de material características de aços estruturais para a construção de dutos e vasos de pressão. As extensivas análises numéricas não-lineares 3-D fornecem um conjunto completo de soluções para J e CTOD, os quais entram diretamente em procedimentos avançados para a avaliação de defeitos em dutos e cilindros submetidos à flexão. Este estudo também examina uma comparação exploratória entre os resultados do procedimento proposto e os resultados de análises numéricas por elementos finitos de dutos com trincas superficiais submetidos ao processo de enrolamento. / This work provides an estimation procedure to determine the J-integral and CTOD for pipes with circumferential surface cracks subjected to bending load for a wide range of crack geometries and material (hardening) based upon fully-plastic solutions. A summary of the methodology upon which J and CTOD are derived sets the necessary framework to determine nondimensional functions h1 and h2 applicable to a wide range of crack geometries and material properties characteristic of structural, pressure vessel and pipeline steels. The extensive nonlinear, 3-D numerical analyses provide a definite full set of solutions for J and CTOD which enters directly into fitness-for service (FFS) analyses and defect assessment procedures of cracked pipes and cylinders subjected to bending load. The study also examines an exploratory comparison between the resulting fully-plastic solutions and finite element analyses of circumferentially cracked pipes subjected to reeling.

O controle de emissões em veículos pesados está em foco desde a década de 90, com a criação de regulamentações nacionais e internacionais que impõe limites cada vez mais rígidos para as concentrações de poluentes emitidos por estes veículos. O desenvolvimento de novas tecnologias possui papel fundamental neste processo, buscando redução nos níveis de emissões com mínimo impacto negativo no desempenho e no consumo do veículo. Para tanto, o presente trabalho visa avaliar a influência da posição dos dutos de admissão de ar de cabeçotes de motores a combustão interna, especificamente em motores de ignição por compressão (MIC) de 4 válvulas, no escoamento de ar dentro do cilindro. O escoamento do ar e o movimento de swirl são fatores importantes para a mistura e distribuição do combustível injetado, e quando otimizados para uma queima melhor distribuída, contribuem para redução nos níveis de emissões. Procura-se investigar quais direções características dos dutos são determinantes para o escoamento e para o comportamento de swirl do motor através de simulações em fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) utilizando o programa CD-adapco STAR-CCM+®. Os resultados de alguns dos cenários simulados são comparados a resultados de testes experimentais realizados em bancada de medição de swirl, no âmbito de outro trabalho sendo desenvolvido no mesmo grupo de projeto. / The emissions control in heavy-duty vehicles has been in focus since the 1990\'s, with the creation of national and international regulations which impose strict limits for pollutant concentrations released by these vehicles. The development of new technologies has a fundamental role in this process, aiming the reduction of emission levels with minimum impact on the performance and fuel consumption of the vehicle. Therefore, the present study aims to evaluate the influence of the position of intake ports in cylinder heads from internal combustion engines, specifically 4-valves compression-ignition (CI) engines, in the in-cylinder air flow. The air flow and swirl motion are important factors for the mixture and distribution of injected fuel, and when optimized for a better distributed combustion, contribute for the reduction of emission levels. This study investigates the characteristic directions of ports which are determinant for the air flow and swirl behaviour of the engine through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using CD-adapco software STAR-CCM+®. The results from a group of simulated cases are compared to experimental test results from another project, developed on the same project group, performed in a swirl meter test rig.

A aviação executiva tem mostrado a cada dia sua força no mercado mundial de aviação. Com esse aumento em números e importância da aviação executiva, a tendência é dividir o espaço aéreo, já bem disputado, com a aviação comercial. Para evitar o já congestionado espaço aéreo até 41.000 pés, as aeronaves executivas tendem a aumentar cada vez mais seus tetos de serviço. Esse é um dos desafios de voar mais alto: um sistema de pressurização que mantenha o diferencial de pressão entre a atmosfera e o interior da cabine de passageiros com segurança. Neste trabalho, será analisada uma situação na qual ocorre invasão de fumaça e outros contaminantes gasosos dentro da cabine de passageiros, sendo necessário fazer uma rápida diluição de concentração desses contaminantes, a qual será comandada pela tripulação. Será considerado o comando da tripulação de abrir totalmente as válvulas reguladoras. A parte final do sistema de pressurização, que é o conjunto duto e válvula reguladora, precisará de sua capacidade máxima de exaustão do ar contido dentro da cabine para a atmosfera, de modo seguro e sem danificar os componentes do sistema. O objetivo será analisar como variam parâmetros como o diâmetro de dutos, a velocidade de escoamento e a perda de carga para diversas arquiteturas do arranjo final do sistema de pressurização quando exposto à diferença de pressão da atmosfera e da cabine instantaneamente.