O mundo do petróleo envolve investimentos de bilhões de dólares por ano, sendo que falhas e acidentes com sondas de perfuração/produção de poços de petróleo podem resultar em severas conseqüências econômicas e judiciais as empresas responsáveis pela operação destes equipamentos. Atualmente no Brasil a maior parte das sondas de produção terrestre está em operação há mais de três décadas e não há um levantamento ou acompanhamento estatístico dos acidentes operacionais ocorridos durante a atividade de intervenção em poços de petróleo ou gás com sondas de produção terrestres. Entretanto, acidentes com estes equipamentos são freqüentes em campos brasileiros, porém devido à falta de uma fiscalização rígida, muitos destes acidentes são negligenciados. Este estudo visa à elaboração de um modelo pelo método de elementos finitos para avaliação dos limites operacionais de estruturas de mastros de sondas de produção terrestres. O trabalho foi elaborado a partir dos requisitos e recomendações técnicas da Norma API Spec 4F - 3ª edição: 2008. O estudo apresentou o comportamento estrutural do mastro da sonda de produção terrestre após alguns anos em operação, a partir de um estudo de engenharia reversa em campo. Foi realizado um levantamento das características geométricas, dimensionais e tipos de materiais utilizados na fabricação da estrutura. Após o levantamento em campo, foram analisados todos os requisitos e requerimentos técnicos da norma API 4F aplicáveis à realidade da operação destes equipamentos em campos brasileiros. Através do modelo de elementos finitos foram apresentados em forma de gráficos os limites operacionais de carregamentos simples e combinados que a estrutura da sonda pode ser submetida. Também é apresentado um estudo comparativo entre a carga de içamento estático especificada originalmente pelo fabricante e o valor atual que a estrutura pode ser submetida, bem como as regiões mais críticas do mastro. / The world oil involves investiments of billions dollars per year, however, failures and accidents with drilling rigs / well servicing rigs mast of oil Wells can result in severe consequences economics and legals to companies responsibles by operation this equipments. Currently in Brazil most onshore rigs are in operation more than three decades and there isn´t survey or statistics monitoring of the operational accidents ocurred during well servicing activity in well oil or gas with onshore rigs masts. However accidents with this equipments are frequents in Brazilian fields, but due absence of a rigid inspection, many of these accidents are ignored. This study aimed at developing a model by the Finite Element Method to evaluate the structural operational limits of onshore well servicing rigs masts. The dissertation was drafted from the technical requirements and recommendations of API Spec 4F - 3rd 2008 Edition Standard. The study showed the structural behavior of onshore well servicing probe mast structure after a few years in operation, from a reverse engineering study in the field. A survey of geometric features, dimensions and types of materials used in the structure manufacturing was conducted. After the field survey, all the API 4F Standard technical requirements, applicable to this equipment operational reality in Brazilian fields were analyzed. By the Finite Element Model, the operational limits of single and combined loads that the probe structure can be subjected were presented in graph form. A comparative study between static hoisting load originally specified by the manufacturer and the current value that the structure can be submitted was also presented, as well as the most critical regions of the mast.

O mundo do petróleo envolve investimentos de bilhões de dólares por ano, sendo que falhas e acidentes com sondas de perfuração/produção de poços de petróleo podem resultar em severas conseqüências econômicas e judiciais as empresas responsáveis pela operação destes equipamentos. Atualmente no Brasil a maior parte das sondas de produção terrestre está em operação há mais de três décadas e não há um levantamento ou acompanhamento estatístico dos acidentes operacionais ocorridos durante a atividade de intervenção em poços de petróleo ou gás com sondas de produção terrestres. Entretanto, acidentes com estes equipamentos são freqüentes em campos brasileiros, porém devido à falta de uma fiscalização rígida, muitos destes acidentes são negligenciados. Este estudo visa à elaboração de um modelo pelo método de elementos finitos para avaliação dos limites operacionais de estruturas de mastros de sondas de produção terrestres. O trabalho foi elaborado a partir dos requisitos e recomendações técnicas da Norma API Spec 4F - 3ª edição: 2008. O estudo apresentou o comportamento estrutural do mastro da sonda de produção terrestre após alguns anos em operação, a partir de um estudo de engenharia reversa em campo. Foi realizado um levantamento das características geométricas, dimensionais e tipos de materiais utilizados na fabricação da estrutura. Após o levantamento em campo, foram analisados todos os requisitos e requerimentos técnicos da norma API 4F aplicáveis à realidade da operação destes equipamentos em campos brasileiros. Através do modelo de elementos finitos foram apresentados em forma de gráficos os limites operacionais de carregamentos simples e combinados que a estrutura da sonda pode ser submetida. Também é apresentado um estudo comparativo entre a carga de içamento estático especificada originalmente pelo fabricante e o valor atual que a estrutura pode ser submetida, bem como as regiões mais críticas do mastro. / The world oil involves investiments of billions dollars per year, however, failures and accidents with drilling rigs / well servicing rigs mast of oil Wells can result in severe consequences economics and legals to companies responsibles by operation this equipments. Currently in Brazil most onshore rigs are in operation more than three decades and there isn´t survey or statistics monitoring of the operational accidents ocurred during well servicing activity in well oil or gas with onshore rigs masts. However accidents with this equipments are frequents in Brazilian fields, but due absence of a rigid inspection, many of these accidents are ignored. This study aimed at developing a model by the Finite Element Method to evaluate the structural operational limits of onshore well servicing rigs masts. The dissertation was drafted from the technical requirements and recommendations of API Spec 4F - 3rd 2008 Edition Standard. The study showed the structural behavior of onshore well servicing probe mast structure after a few years in operation, from a reverse engineering study in the field. A survey of geometric features, dimensions and types of materials used in the structure manufacturing was conducted. After the field survey, all the API 4F Standard technical requirements, applicable to this equipment operational reality in Brazilian fields were analyzed. By the Finite Element Model, the operational limits of single and combined loads that the probe structure can be subjected were presented in graph form. A comparative study between static hoisting load originally specified by the manufacturer and the current value that the structure can be submitted was also presented, as well as the most critical regions of the mast.

O mundo do petróleo envolve investimentos de bilhões de dólares por ano, sendo que falhas e acidentes com sondas de perfuração/produção de poços de petróleo podem resultar em severas conseqüências econômicas e judiciais as empresas responsáveis pela operação destes equipamentos. Atualmente no Brasil a maior parte das sondas de produção terrestre está em operação há mais de três décadas e não há um levantamento ou acompanhamento estatístico dos acidentes operacionais ocorridos durante a atividade de intervenção em poços de petróleo ou gás com sondas de produção terrestres. Entretanto, acidentes com estes equipamentos são freqüentes em campos brasileiros, porém devido à falta de uma fiscalização rígida, muitos destes acidentes são negligenciados. Este estudo visa à elaboração de um modelo pelo método de elementos finitos para avaliação dos limites operacionais de estruturas de mastros de sondas de produção terrestres. O trabalho foi elaborado a partir dos requisitos e recomendações técnicas da Norma API Spec 4F - 3ª edição: 2008. O estudo apresentou o comportamento estrutural do mastro da sonda de produção terrestre após alguns anos em operação, a partir de um estudo de engenharia reversa em campo. Foi realizado um levantamento das características geométricas, dimensionais e tipos de materiais utilizados na fabricação da estrutura. Após o levantamento em campo, foram analisados todos os requisitos e requerimentos técnicos da norma API 4F aplicáveis à realidade da operação destes equipamentos em campos brasileiros. Através do modelo de elementos finitos foram apresentados em forma de gráficos os limites operacionais de carregamentos simples e combinados que a estrutura da sonda pode ser submetida. Também é apresentado um estudo comparativo entre a carga de içamento estático especificada originalmente pelo fabricante e o valor atual que a estrutura pode ser submetida, bem como as regiões mais críticas do mastro. / The world oil involves investiments of billions dollars per year, however, failures and accidents with drilling rigs / well servicing rigs mast of oil Wells can result in severe consequences economics and legals to companies responsibles by operation this equipments. Currently in Brazil most onshore rigs are in operation more than three decades and there isn´t survey or statistics monitoring of the operational accidents ocurred during well servicing activity in well oil or gas with onshore rigs masts. However accidents with this equipments are frequents in Brazilian fields, but due absence of a rigid inspection, many of these accidents are ignored. This study aimed at developing a model by the Finite Element Method to evaluate the structural operational limits of onshore well servicing rigs masts. The dissertation was drafted from the technical requirements and recommendations of API Spec 4F - 3rd 2008 Edition Standard. The study showed the structural behavior of onshore well servicing probe mast structure after a few years in operation, from a reverse engineering study in the field. A survey of geometric features, dimensions and types of materials used in the structure manufacturing was conducted. After the field survey, all the API 4F Standard technical requirements, applicable to this equipment operational reality in Brazilian fields were analyzed. By the Finite Element Model, the operational limits of single and combined loads that the probe structure can be subjected were presented in graph form. A comparative study between static hoisting load originally specified by the manufacturer and the current value that the structure can be submitted was also presented, as well as the most critical regions of the mast.

Les matériaux polymères à structures cellulaires allient des propriétés mécaniques, thermiques, chimiques et optiques intéressantes aux regards des contraintes d’allègement des systèmes et des structures. Toutefois, pour diversifier leurs applications et les rendre toujours plus performants dans les domaines de la santé, du transport ou encore du bâtiment, une étude fine des relations qui lient les procédés de fabrication à la microstructure générée et aux propriétés qui en découlent, doit être menée. Ces propriétés mécaniques dépendent étroitement des propriétés de la matière dont les mousses sont faites mais aussi de la morphologie de leurs microstructures (orientation, distribution et taille des pores, épaisseur des parois). Il est donc crucial de pouvoir quantifier et mesurer ces paramètres pour tendre vers une compréhension fine des propriétés mécaniques et définir des modèles capables de relier le comportement macroscopique du matériau cellulaire vis-à-vis de son « équivalent » massif et de la microstructure. En collaboration étroite avec la direction recherche et développement de l’entreprise INTEREP, leader européen du caoutchouc cellulaire étanche, une caractérisation expérimentale du comportement mécanique de mousses de différentes natures polymériques et de différentes topologies à d’abord été effectuée. Ensuite un ensemble de modélisations géométriques a été développé à partir d’observations microstructurales de vraies mousses en micro-tomographie RX et à partir de microstructures générées virtuellement par le biais d’une description physique du processus de fabrication de mousses polymères. Finalement, une simulation numérique éléments finis en 2D et en 3D de ces microstructures couplées à la caractérisation expérimentale du matériau massif des parois a permis de reproduire et d’étudier finement les mécanismes de déformations observés expérimentalement sur des mousses polymères et d’affiner les lois de comportement empiriques avec la prise en compte d’un paramètre supplémentaire caractéristique de la statistique de distribution des cellules dans l’espace, c'est-à-dire de leurs localisations et de leur distribution de taille et de forme. / Polymer foams materials combine mechanical, thermal, chemical and optical interesting properties going with light weighting structures problems. However, to diversify their applications and make them even more efficient in health field, transportation or building, a fine study of the relationships between manufacturing processes to generated microstructures and resulting properties must be conducted. These mechanical properties are highly depending on the properties of material with which foams are made but also on the morphology of their microstructures (orientation, distribution and pore size, wall thickness). Thus it is crucial to quantify and measure these parameters to strive for a detailed understanding of the mechanical properties and define models capable of linking global behavior of cellular materials to bulk materials and microstructures. Working closely with research and development division of INTEREP, European leader in waterproof cellular rubber, an experimental characterization of the mechanical behavior of polymer foams of different natures and different topologies has been performed first. Then geometrical modeling was developed from micro structural observations of real foams in x-ray micro-tomography and from virtually generated microstructures through a physical description of polymer foams manufacturing process. Finally finite element simulation in 2D and 3D of these microstructures were coupled with the experimental characterization of bulk material allowing thus to reproduce and finely study deformation mechanisms experimentally observed on polymer foams and refine empirical behavior laws by taking into account additional characteristic parameter of cells statistical distribution in space like their location and their size distribution and shape.

Nous proposons l’étude d’une machine supraconductrice à flux axial composée d’un stator bobiné en cuivre et d’un inducteur avec des solénoïdes supraconducteurs à hautes températures critiques (HTc). Ce type de machine est adapté pour des applications de fortes puissances (plusieurs MW) avec de faibles vitesses de rotation (quelques centaines de tr/min), comme la propulsion de navire. Un accouplement magnétique, intégré au moteur, est utilisé pour transmettre le couple de l’inducteur supraconducteur vers la charge à température ambiante sans contact. On peut ainsi se passer des « torques tubes » qui sont habituellement présents dans les moteurs supraconducteurs pour relier mécaniquement l’inducteur à la charge et ainsi réduire les pertes thermiques par conduction. De plus, les accouplements magnétiques offrent une protection naturelle contre les surcharges mécaniques. Pour évaluer les performances de la solution proposée, nous avons développé un modèle analytique en 3D prenant en compte le comportement non linéaire des supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué et de la température de fonctionnement. Ce modèle est ensuite intégré dans un processus de dimensionnement utilisant un algorithme génétique multi objectifs. Les résultats de cette optimisation montrent un gain en compacité (machine avec accouplement magnétique) 2 à 3,5 fois plus importants par rapport à des machines conventionnelles. Un prototype de machine supraconductrice à flux axial avec accouplement magnétique intégré est aussi réalisé. La conception, la fabrication et les tests sont présentés dans ce manuscrit. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis. / The study of an axial-field high temperature superconducting (HTS) motor for applications requiring high torque densities is proposed. The HTS motor consists of a stator with copper winding and an inductor with superconducting coils. A HTS magnetic coupler is used as a part of the system, to transmit the torque from the HTS motor to the load. This solution is a good alternative to the usually used torques tubes as it results in the reduction of conduction thermal losses and offers an intrinsic protection against overloads. To evaluate the performance of the studied device, a 3D electromagnetic analytical model has been developed. This model takes into account the dependence on the applied magnetic field and temperature of the HTS material. Finally, a genetic algorithms optimization of the studied device is carried out to find the optimum geometric dimensions. The results show that the proposed solution (machine with magnetic coupling) is about 2 to 3,5 times more compact than a conventional machine drive solution. An axial-field HTS motor with integrated magnetic coupling has been also designed, constructed and tested. The test results have been checked by 3D finite element computations.