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This thesis explores the design of flexible pipes, buried in shallow trenches with dry sand backfill. The thesis reports the comprehensive analysis of twenty-two full-scale load tests conducted between 1989 and 1991 on pipe installations, mainly within a laboratory facility, at the University of South Australia. The pipes were highly flexible, spirally-wound, uPVC pipes, ranging in diameter from 300 to 450 mm. Guidelines were required by industry for safe cover heights for these pipes when subjected to construction traffic. The tests were designed by, and conducted under the supervision of, the author, prior to the author undertaking this thesis. As current design approaches for pipes could not anticipate the large loading settlements and hence, soil plasticity, experienced in these tests, finite element analyses were attempted. Extensive investigations of the materials in the installations were undertaken to permit finite element modelling of the buried pipe installations. In particular, a series of large strain triaxial tests were conducted on the sand backfill in the buried pipe installations, to provide an understanding of the sand behaviour in terms of critical state theory. Subsequently a constitutive model for the soil was developed. The soil model was validated before implementation in an element of finite element program, AFENA (Carter and Balaam, 1995). Single element modelling of the triaxial tests proved invaluable in obtaining material constants for the soil model. The new element was applied successfully to the analysis of a side-constrained, plate loading test on the sand. The simulation of the buried pipe tests was shown to require three-dimensional finite element analysis to approach the observed pipe-soil behaviour. Non-compliant side boundary conditions were ultimately adjudged chiefly responsible for the difficulty in matching the experimental data. The value of numerical analyses performed in tandem with physical testing was apparent, albeit in hindsight. The research has identified the prediction of vertical soil pressure above the pipe due to external loading as being the major difficulty for designers. Based on the finite element analyses of the field tests, a preliminary simple expression was developed for estimation of these pressures, which could be used with currently available design approaches to reasonably predict pipe deflections.

This thesis explores the design of flexible pipes, buried in shallow trenches with dry sand backfill. The thesis reports the comprehensive analysis of twenty-two full-scale load tests conducted between 1989 and 1991 on pipe installations, mainly within a laboratory facility, at the University of South Australia. The pipes were highly flexible, spirally-wound, uPVC pipes, ranging in diameter from 300 to 450 mm. Guidelines were required by industry for safe cover heights for these pipes when subjected to construction traffic. The tests were designed by, and conducted under the supervision of, the author, prior to the author undertaking this thesis. As current design approaches for pipes could not anticipate the large loading settlements and hence, soil plasticity, experienced in these tests, finite element analyses were attempted. Extensive investigations of the materials in the installations were undertaken to permit finite element modelling of the buried pipe installations. In particular, a series of large strain triaxial tests were conducted on the sand backfill in the buried pipe installations, to provide an understanding of the sand behaviour in terms of critical state theory. Subsequently a constitutive model for the soil was developed. The soil model was validated before implementation in an element of finite element program, AFENA (Carter and Balaam, 1995). Single element modelling of the triaxial tests proved invaluable in obtaining material constants for the soil model. The new element was applied successfully to the analysis of a side-constrained, plate loading test on the sand. The simulation of the buried pipe tests was shown to require three-dimensional finite element analysis to approach the observed pipe-soil behaviour. Non-compliant side boundary conditions were ultimately adjudged chiefly responsible for the difficulty in matching the experimental data. The value of numerical analyses performed in tandem with physical testing was apparent, albeit in hindsight. The research has identified the prediction of vertical soil pressure above the pipe due to external loading as being the major difficulty for designers. Based on the finite element analyses of the field tests, a preliminary simple expression was developed for estimation of these pressures, which could be used with currently available design approaches to reasonably predict pipe deflections.

A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

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.

A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

[pt] Um dos principais mecanismos de falha em risers flexíveis é o rompimento de arames da armadura de tração. A experiência tem mostrado que esta classe de dano tende a surgir primariamente na parte emersa do riser, próximo à sua terminação. A ruptura dos arames ocorre de forma progressiva, podendo ser causada por diferentes processos, tais como corrosão pelo ingresso de fluido no espaço anular entre capa e armadura, desgaste excessivo associado com o contato e atrito entre arames adjacentes ou entre as diferentes camadas metálicas da armadura, ou mesmo a presença de níveis elevados de tensões produzidas pelos carregamentos mecânicos aos quais o riser é submetido durante a operação. O deterioramento progressivo pode dar origem a defeitos localizados que agem como concentradores de tensão e levam o arame à ruptura através de um processo de fadiga. O duto flexível é capaz de manter-se em operação mesmo com alguns dos arames de suas armaduras rompidos, porém uma sequencia de rupturas pode levar à ocorrência de vazamentos ou mesmo a falhas catastróficas. O monitoramento contínuo em tempo real é uma das principais alternativas para evitar que o dano progressivo nas armaduras do riser resulte em acidentes com severas consequências econômicas e ambientais. As técnicas de monitoramento da integridade de risers flexíveis podem ser classificadas como diretas, onde é possível identificar diretamente a existência de um dano/falha, ou indiretas, em que o sistema de sensoriamento registra indicações secundárias, possivelmente consequência da falha. Esta dissertação relata o desenvolvimento de um sistema de monitoramento baseado em vibrações. Trata-se de uma técnica indireta baseada em eventos, onde no momento da ruptura do arame um sinal de vibração, distinto tanto na frequência quanto na amplitude, é detectado por acelerômetros instalados na capa polimérica externa do riser. No trabalho, são apresentados resultados de quatro ensaios em escala real que demonstraram a viabilidade do sistema para um primeiro teste de campo. Estratégias de instrumentação dos dutos e as variações dos sinais detectados são apresentadas e discutidas. Os resultados mostraram que a resposta vibratória do sinal de ruptura apresenta características específicas, garantindo uma boa confiabilidade na detecção. Porém, em se tratando de uma técnica indireta, verifica-se que quando dois sistemas de monitoramento de naturezas complementares são empregados em conjunto, as probabilidades de detecção dos eventos de rupturas aumentam significativamente. / [en] The main failure in flexible risers is the disruption of the wires from the tensile armor layer. Experience has shown that this class of damage occurs primarily near to the top riser connector. The breaking of the wires occurs gradually and may be caused by different processes as corrosion by inflow of fluid in the annular space, excessive wear associated with the contact and friction between adjacent wires or between different riser layers. The progressive deterioration can lead to localized defects that act as stress concentrators and may break the wire from the tensile armor layer through a fatigue process. The flexible pipe is able to remain in operation even with some broken wires, but a sequence of ruptures can conduce to a catastrophic failure. Real time continuous monitoring is one of the main alternatives to prevent progressive wire damage results in an accident with severe economic and environmental consequences. This thesis describes the development of a monitoring system based on vibrations. This is an indirect technique based on events, where in the moment of the wire break, one vibration signal is registered. This signal can be distinguished both in frequency and amplitude and detected by accelerometers installed on the polymeric outer layer of the riser. We present results of four tests in real scale that demonstrated the viability of the system for an initial field test. Instrumentation strategies in riser and the variations of the signals detected are presented and discussed. The results showed that the vibrational signal has specific characteristics ensuring good detection reliability.

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.

Oil and gas exploitation in deep waters has become more than just a profit business to be a daily necessity, since the world energy matrix is based on fossil components. Risers are offshore structures that are intimately linked with oil and gas exploitation and those are subjected to a great variety of effects in field, e.g., marine currents, Vortex Induced Vibration (VIV), heave motion caused by gravitational waves, non-linear contact with the sea floor, and many others. Riser dynamics is essentially non-linear and experimental tests in real scale are almost impossible due to a great variety of control parameters acting concomitantly. Small-scale models are a better experimental approach. Nevertheless, there are many structural and hydrodynamical parameters to be evaluated. Considering only vertical risers in the present work, Galerkin\'s modal decomposition is used in order to reduce the dynamics of a vertical flexible cylinder to a few linear modes in which the majority of energy and information are contained. From the modal analysis, added mass and structural parameters damping of a vertical flexible cylinder using data obtained from free-decay tests performed both in water and in air are evaluated. Finally, a modal Mathieu-Hill oscillator with non-linear damping is constructed and, based on aStrutt diagram, modal stability under parametric resonance is discussed. / Exploração de óleo e gás em bacias de águas profundas tem-se tornado mais do que apenas uma economia lucrativa, para ser uma necessidade diária, já que a matriz energética mundial está baseada em componentes fósseis. Risers são estruturas offshore ligadas intimamente com a exploração de óleo e gás e essas estão sujeitas a uma grande variedade de efeitos na operação, e.g., correntes marítimas, Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), movimento de heave causado por ondas gravitacionais, contato não-linear com o solo marinho, entre outros. Dinâmica de risers é essencialmente não-linear e testes experimentais em escala real são praticamente impossíveis devido a uma enorme variedade de parâmetros de controle agindo concomitantemente. Modelos em escala reduzida são uma abordagem experimental mais conveniente. Não obstante, há muitos parâmetros estruturais e hidrodinâmicos a serem determinados. Considerando apenas risers verticais no trabalho presente, a decomposição modal de Galerkin é usada a fim de reduzir a dinâmica de um cilindro fléxivel vertical a alguns modos lineares em que a maior parte da energia e informação estão contidos. A partir da análise modal, parâmetros de massa adicional e amortecimento estrutural de um cilindro flexível vertical são obtidos usando testes de decaimento livre conduzidos na água e no ar. Finalmente, um oscilador modal de Mathieu-Hill com amortecimento não-linear é proposto e, baseado em um diagrama de Strutt, a estabilidade modal sob excitação de ressonânica paramétrica é discutida.