Os métodos de geração de malhas são essenciais para simulações numéricas de engenharia. Simulações estruturais pelo método dos elementos finitos (MEF) dependem diretamente das malhas que representam as geometrias às quais são impostos os carregamentos e parte importante da precisão dos cálculos é devida à qualidade da malha. Há uma vasta variedade de métodos e algoritmos para gerar malhas computacionais direcionadas à aplicação do MEF, mas nem todos abrangem geometrias genéricas ou irregulares. Figuras irregulares com regiões curvas e vazios internos requerem o uso de algoritmos específicos, ou genéricos o suficiente, de modo que sejam capazes de processar suas particularidades geométricas, gerando elementos de boa qualidade. Este trabalho propõe uma investigação dos métodos geradores de malhas que tratem as geometrias frequentemente apresentadas nas seções transversais dos componentes dos cabos umbilicais e tubos flexíveis, selecionando criteriosamente aquele que mais se adapte às necessidades geradas pela aplicação do MEF nestas geometrias. Foi realizada uma breve revisão do estado da arte dos métodos geradores de malhas bidimensionais partindo das revisões já publicadas e de artigos explicando versões de algoritmos, seguindo os trabalhos encontrados na literatura. São formulados os critérios de seleção de métodos geradores de malha e de trabalhos encontrados baseando-se nas características. Ao final, o Método de Pavimentação foi selecionado e, a partir de sua implementação computacional, foi desenvolvido o GreenMesh, um programa de computador gerador de malhas utilizando figuras dadas como entrada. Foram geradas várias malhas a partir das geometrias típicas dos equipamentos aqui focados e com isso foi verificado o uso do algoritmo para este fim. / Computational mesh generation methods are essential for engineering numerical simulation. Structural simulations by the finite element method (FEM) rely straightly of meshes that represent the geometries on which the loads are imposed. They are very important for the calculus precision because the mesh quality influences the results. There is a vast variety of computational mesh generation methods and algorithms aimed to FEM analysis, but not all handles generic and irregular geometries. Irregular figures formed by curved regions and internal void requires the use of specific algorithms, or sufficiently generic, in a way that they can process geometric particularities, generating good quality elements. This work proposes an investigation of mesh generation methods that handle frequently presented geometries in cross sections of umbilical cable and flexible pipes internal components, selecting judiciously the method that best suits the necessities generated by the application of FEM analysis on theses geometries. A brief survey about the state of the art of bidimensional mesh generation methods was performed, starting from already published reviews and from articles explaining versions of algorithms, accordingly to the material found in the literature. Finally, the Paving Method has been selected and, starting from its computational implementation, it has been developed GreenMesh, a computer program to generate meshes using given figures as input. It has been generated many meshes from typical geometries of the aimed equipments and that verified the use of the algorithm to this purpose.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre resultados obtidos através de um modelo analítico-numérico, um modelo em elementos finitos e resultados experimentais na análise estrutural local de tubos flexíveis utilizados na explotação de petróleo. Em particular, o modelo em elementos finitos proposto considera efeitos de não-linearidade decorrentes do contato e das forcas de atrito entre as camadas concêntricas do tubo, de forma a reproduzir curvas de histerese típicas obtidas em ensaios em escala real. Tais curvas não podem ser obtidas pelos modelos simplificados tradicionais, de maneira que sua obtenção por modelos em elementos finitos traz novas informações sobre o comportamento estrutural dos dutos Tomando como base e elemento motivacional os resultados de ensaios experimentais de um tubo flexível de 2,5, realizados no Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, são estudados um modelo analítico e um modelo em elementos finitos, ambos representando o tubo ensaiado experimentalmente, de maneira a apontar, de forma qualitativa e quantitativa, quais são os pontos fortes e fracos de cada abordagem. O modelo analítico-numérico simplificado, obtido de um campo de deslocamentos compatível com os carregamentos axissimétricos aplicados e de um conjunto de equações que envolvem equilíbrio de forcas e equações constitutivas lineares, é capaz de fornecer rapidamente valores aproximados para a rigidez axial do conjunto, bem como uma estimativa das tensões médias atuantes em cada uma das camadas que compõem o tubo flexível, considerando ainda a possibilidade de afastamento entre as camadas. O modelo em elementos finitos é composto somente por elementos sólidos e considera a presença de atrito entre as camadas. As simulações não lineares, executadas pelo MSC.Marc, permitiram recuperar as curvas de histerese para os vários casos estudados, bem como a distribuição de tensões ao longo do comprimento e da seção transversal dos tendões. / This work presents a comparative study among an analytical-numerical model, a finite element model and experimental results related to the local structural analysis of flexible risers used in oil exploitation. In particular, the proposed finite element model considers nonlinearity effects caused by the contact and frictional forces between the concentric layers of the riser so that typical hysteresis curves obtained in full scale experiments could be reproduced. These curves can not be obtained by traditional simplified models, so that their reproduction by finite element models brings new information about the local structural behavior of risers. Based on and motivated by the results of experiments of a 2.5 flexible riser carried out at IPT, the São Paulo Technological Research Institute, an analytical model and a finite element model a are proposed, both of them representing the flexible riser tested experimentally, in order to point out, in a qualitative and quantitative way, the strengths and weaknesses of each approach. The simplified analytical-numerical model, obtained from a displacement field, consistent with the axisymmetric loads applied to the pipe, and from a set of equations involving equilibrium and linear constitutive equations, is able to quickly provide approximate values for the riser equivalent axial stiffness, as well as estimates for the average stresses acting in each of the layers that make up the flexible riser. Besides, the possibility of gap formation between the layers is also considered. The finite element model is composed entirely of solid elements and considers the presence of friction between the layers. The nonlinear simulations, using the MSC.Marc finite element package, allowed the reproduction of hysteresis curves for the several studied cases, as well as the stresses distribution along the length and cross section of the armour layers.

As recentes descobertas na camada pré-sal da costa brasileira geraram uma série de oportunidades e desafios tecnológicos que deverão ser enfrentados para se garantir o sucesso da exploração e produção de petróleo offshore em águas profundas e ultra-profundas. A alta presença de gás carbônico (CO2) e de gás sulfídrico (H2S) encontrada nas jazidas produzem potenciais efeitos de corrosão e fragilização nos componentes de aço utilizados em sistemas submarinos de produção de petróleo, dentre eles os dutos flexíveis. Esses dutos são submetidos à elevadas cargas geradas devido à lâmina da água profunda, sendo os arames da armadura de tração extremamente solicitados por sustentar os carregamentos. Tradicionalmente, arames da armadura de tração de dutos que irão operar em ambientes contendo H2S (sour) apresentam limite de resistência à tração máximo de 850 MPa, enquanto para ambientes onde esse gás não está presente (sweet), os limites de resistência são consideravelmente maiores podendo chegar a 1400 MPa. Amostras de arames da armadura de tração com limite de resistência à tração de 1400 MPa foram revestidas com alumínio através do processo de aspersão térmica a arco elétrico e a eficiência do revestimento em ambiente corrosivo contendo CO2 e H2S foi avaliada. Essa avaliação envolveu ensaios mecânicos e de caracterização, como medições da rugosidade superficial, análise da porosidade do revestimento, ensaios de dobramento, avaliação da susceptibilidade ao trincamento induzido por hidrogênio e sulfeto, ensaios de fadiga ao ar e corrosão-fadiga. Foi observado que o grau de porosidade do revestimento variou entre 5 e 10% e que a rugosidade superficial do substrato aumentou devido ao jateamento prévio ao processo de revestimento. Esse fato mostrou ser uma das causas principais para a deterioração da vida em fadiga ao ar dos arames revestidos quando comparados com arames sem revestimento, sendo comprovado através de análise por Microscopia Eletrônica de Varredura. Entretanto, para ensaios de corrosão-fadiga em ambiente contendo CO2 e H2S, o desempenho de arames revestidos mostrou-se notadamente superior, onde o acabamento superficial do substrato teve importância secundária. Através de ensaios de dobramento, foi possível verificar a alta capacidade do revestimento em suportar extensa deformação plástica. Através dos ensaios estáticos para se avaliar a susceptibilidade ao trincamento por hidrogênio e sulfeto foi possível verificar uma considerável corrosão da superfície de arames não revestidos devido ao ambiente agressivo. Ademais, uma trinca induzida por hidrogênio foi identificada em uma das amostras de arame sem revestimento, enquanto as amostras revestidas não apresentaram sinal de degradação nem trincamento. / Recent discoveries in Brazil pre-salt layer generated a series of technological opportunities and challenges that must be met to ensure the success of offshore oil exploration and production in deep and ultra-deepwater. The presence of high levels of carbon dioxide (CO2) and eventually hydrogen sulfide (H2S) found in the deposits, produce potential corrosion effects and embrittlement of steel components of subsea systems used in petroleum production, including flexible pipes. These equipments are subjected to high loads generated by deep water condition where tensile armor wires are extremely required for sustaining the loads. Traditionally, armor wires that will operate in environments containing H2S (sour) have maximum tensile strength of 850 MPa, while for environments where this gas is not present (sweet), the tensile strength is considerably larger reaching up to 1400 MPa. Armor wire samples with tensile strength of 1400 MPa were coated with pure aluminum by thermal arc spray process and the effectiveness of the coating in corrosive environment containing CO2 and H2S was evaluated. This evaluation included mechanical and characterization tests, such as surface roughness measurements, coating porosity analysis, bending tests, evaluation of susceptibility to cracking induced by hydrogen and sulfide and fatigue test in air and in corrosive environments. It was found that the coating porosity ranged between 5 and 10% and the substrate roughness increased due to grit blasting prior to the coating process. This fact proved to be one of the main causes for the deterioration of the fatigue life in air of the coated wires when compared with uncoated wires, being proven through analysis by Scanning Electron Microscopy. However, for corrosion fatigue tests in an environment containing CO2 and H2S, the performance of coated wires was found to be markedly higher, where the integrity of the substrate surface had secondary importance. Through bending tests, it was found the high capacity of the coating to support extensive plastic deformation. Static tests to evaluate the susceptibility to cracking by hydrogen and sulfides showed that uncoated armor wire surface corroded considerably due to the aggressive environment. In addition, a crack induced by hydrogen was identified in one of uncoated wire samples, while the coated samples showed no sign of degradation or cracking.

As recentes descobertas na camada pré-sal da costa brasileira geraram uma série de oportunidades e desafios tecnológicos que deverão ser enfrentados para se garantir o sucesso da exploração e produção de petróleo offshore em águas profundas e ultra-profundas. A alta presença de gás carbônico (CO2) e de gás sulfídrico (H2S) encontrada nas jazidas produzem potenciais efeitos de corrosão e fragilização nos componentes de aço utilizados em sistemas submarinos de produção de petróleo, dentre eles os dutos flexíveis. Esses dutos são submetidos à elevadas cargas geradas devido à lâmina da água profunda, sendo os arames da armadura de tração extremamente solicitados por sustentar os carregamentos. Tradicionalmente, arames da armadura de tração de dutos que irão operar em ambientes contendo H2S (sour) apresentam limite de resistência à tração máximo de 850 MPa, enquanto para ambientes onde esse gás não está presente (sweet), os limites de resistência são consideravelmente maiores podendo chegar a 1400 MPa. Amostras de arames da armadura de tração com limite de resistência à tração de 1400 MPa foram revestidas com alumínio através do processo de aspersão térmica a arco elétrico e a eficiência do revestimento em ambiente corrosivo contendo CO2 e H2S foi avaliada. Essa avaliação envolveu ensaios mecânicos e de caracterização, como medições da rugosidade superficial, análise da porosidade do revestimento, ensaios de dobramento, avaliação da susceptibilidade ao trincamento induzido por hidrogênio e sulfeto, ensaios de fadiga ao ar e corrosão-fadiga. Foi observado que o grau de porosidade do revestimento variou entre 5 e 10% e que a rugosidade superficial do substrato aumentou devido ao jateamento prévio ao processo de revestimento. Esse fato mostrou ser uma das causas principais para a deterioração da vida em fadiga ao ar dos arames revestidos quando comparados com arames sem revestimento, sendo comprovado através de análise por Microscopia Eletrônica de Varredura. Entretanto, para ensaios de corrosão-fadiga em ambiente contendo CO2 e H2S, o desempenho de arames revestidos mostrou-se notadamente superior, onde o acabamento superficial do substrato teve importância secundária. Através de ensaios de dobramento, foi possível verificar a alta capacidade do revestimento em suportar extensa deformação plástica. Através dos ensaios estáticos para se avaliar a susceptibilidade ao trincamento por hidrogênio e sulfeto foi possível verificar uma considerável corrosão da superfície de arames não revestidos devido ao ambiente agressivo. Ademais, uma trinca induzida por hidrogênio foi identificada em uma das amostras de arame sem revestimento, enquanto as amostras revestidas não apresentaram sinal de degradação nem trincamento. / Recent discoveries in Brazil pre-salt layer generated a series of technological opportunities and challenges that must be met to ensure the success of offshore oil exploration and production in deep and ultra-deepwater. The presence of high levels of carbon dioxide (CO2) and eventually hydrogen sulfide (H2S) found in the deposits, produce potential corrosion effects and embrittlement of steel components of subsea systems used in petroleum production, including flexible pipes. These equipments are subjected to high loads generated by deep water condition where tensile armor wires are extremely required for sustaining the loads. Traditionally, armor wires that will operate in environments containing H2S (sour) have maximum tensile strength of 850 MPa, while for environments where this gas is not present (sweet), the tensile strength is considerably larger reaching up to 1400 MPa. Armor wire samples with tensile strength of 1400 MPa were coated with pure aluminum by thermal arc spray process and the effectiveness of the coating in corrosive environment containing CO2 and H2S was evaluated. This evaluation included mechanical and characterization tests, such as surface roughness measurements, coating porosity analysis, bending tests, evaluation of susceptibility to cracking induced by hydrogen and sulfide and fatigue test in air and in corrosive environments. It was found that the coating porosity ranged between 5 and 10% and the substrate roughness increased due to grit blasting prior to the coating process. This fact proved to be one of the main causes for the deterioration of the fatigue life in air of the coated wires when compared with uncoated wires, being proven through analysis by Scanning Electron Microscopy. However, for corrosion fatigue tests in an environment containing CO2 and H2S, the performance of coated wires was found to be markedly higher, where the integrity of the substrate surface had secondary importance. Through bending tests, it was found the high capacity of the coating to support extensive plastic deformation. Static tests to evaluate the susceptibility to cracking by hydrogen and sulfides showed that uncoated armor wire surface corroded considerably due to the aggressive environment. In addition, a crack induced by hydrogen was identified in one of uncoated wire samples, while the coated samples showed no sign of degradation or cracking.

As recentes descobertas na camada pré-sal da costa brasileira geraram uma série de oportunidades e desafios tecnológicos que deverão ser enfrentados para se garantir o sucesso da exploração e produção de petróleo offshore em águas profundas e ultra-profundas. A alta presença de gás carbônico (CO2) e de gás sulfídrico (H2S) encontrada nas jazidas produzem potenciais efeitos de corrosão e fragilização nos componentes de aço utilizados em sistemas submarinos de produção de petróleo, dentre eles os dutos flexíveis. Esses dutos são submetidos à elevadas cargas geradas devido à lâmina da água profunda, sendo os arames da armadura de tração extremamente solicitados por sustentar os carregamentos. Tradicionalmente, arames da armadura de tração de dutos que irão operar em ambientes contendo H2S (sour) apresentam limite de resistência à tração máximo de 850 MPa, enquanto para ambientes onde esse gás não está presente (sweet), os limites de resistência são consideravelmente maiores podendo chegar a 1400 MPa. Amostras de arames da armadura de tração com limite de resistência à tração de 1400 MPa foram revestidas com alumínio através do processo de aspersão térmica a arco elétrico e a eficiência do revestimento em ambiente corrosivo contendo CO2 e H2S foi avaliada. Essa avaliação envolveu ensaios mecânicos e de caracterização, como medições da rugosidade superficial, análise da porosidade do revestimento, ensaios de dobramento, avaliação da susceptibilidade ao trincamento induzido por hidrogênio e sulfeto, ensaios de fadiga ao ar e corrosão-fadiga. Foi observado que o grau de porosidade do revestimento variou entre 5 e 10% e que a rugosidade superficial do substrato aumentou devido ao jateamento prévio ao processo de revestimento. Esse fato mostrou ser uma das causas principais para a deterioração da vida em fadiga ao ar dos arames revestidos quando comparados com arames sem revestimento, sendo comprovado através de análise por Microscopia Eletrônica de Varredura. Entretanto, para ensaios de corrosão-fadiga em ambiente contendo CO2 e H2S, o desempenho de arames revestidos mostrou-se notadamente superior, onde o acabamento superficial do substrato teve importância secundária. Através de ensaios de dobramento, foi possível verificar a alta capacidade do revestimento em suportar extensa deformação plástica. Através dos ensaios estáticos para se avaliar a susceptibilidade ao trincamento por hidrogênio e sulfeto foi possível verificar uma considerável corrosão da superfície de arames não revestidos devido ao ambiente agressivo. Ademais, uma trinca induzida por hidrogênio foi identificada em uma das amostras de arame sem revestimento, enquanto as amostras revestidas não apresentaram sinal de degradação nem trincamento. / Recent discoveries in Brazil pre-salt layer generated a series of technological opportunities and challenges that must be met to ensure the success of offshore oil exploration and production in deep and ultra-deepwater. The presence of high levels of carbon dioxide (CO2) and eventually hydrogen sulfide (H2S) found in the deposits, produce potential corrosion effects and embrittlement of steel components of subsea systems used in petroleum production, including flexible pipes. These equipments are subjected to high loads generated by deep water condition where tensile armor wires are extremely required for sustaining the loads. Traditionally, armor wires that will operate in environments containing H2S (sour) have maximum tensile strength of 850 MPa, while for environments where this gas is not present (sweet), the tensile strength is considerably larger reaching up to 1400 MPa. Armor wire samples with tensile strength of 1400 MPa were coated with pure aluminum by thermal arc spray process and the effectiveness of the coating in corrosive environment containing CO2 and H2S was evaluated. This evaluation included mechanical and characterization tests, such as surface roughness measurements, coating porosity analysis, bending tests, evaluation of susceptibility to cracking induced by hydrogen and sulfide and fatigue test in air and in corrosive environments. It was found that the coating porosity ranged between 5 and 10% and the substrate roughness increased due to grit blasting prior to the coating process. This fact proved to be one of the main causes for the deterioration of the fatigue life in air of the coated wires when compared with uncoated wires, being proven through analysis by Scanning Electron Microscopy. However, for corrosion fatigue tests in an environment containing CO2 and H2S, the performance of coated wires was found to be markedly higher, where the integrity of the substrate surface had secondary importance. Through bending tests, it was found the high capacity of the coating to support extensive plastic deformation. Static tests to evaluate the susceptibility to cracking by hydrogen and sulfides showed that uncoated armor wire surface corroded considerably due to the aggressive environment. In addition, a crack induced by hydrogen was identified in one of uncoated wire samples, while the coated samples showed no sign of degradation or cracking.

Os métodos de geração de malhas são essenciais para simulações numéricas de engenharia. Simulações estruturais pelo método dos elementos finitos (MEF) dependem diretamente das malhas que representam as geometrias às quais são impostos os carregamentos e parte importante da precisão dos cálculos é devida à qualidade da malha. Há uma vasta variedade de métodos e algoritmos para gerar malhas computacionais direcionadas à aplicação do MEF, mas nem todos abrangem geometrias genéricas ou irregulares. Figuras irregulares com regiões curvas e vazios internos requerem o uso de algoritmos específicos, ou genéricos o suficiente, de modo que sejam capazes de processar suas particularidades geométricas, gerando elementos de boa qualidade. Este trabalho propõe uma investigação dos métodos geradores de malhas que tratem as geometrias frequentemente apresentadas nas seções transversais dos componentes dos cabos umbilicais e tubos flexíveis, selecionando criteriosamente aquele que mais se adapte às necessidades geradas pela aplicação do MEF nestas geometrias. Foi realizada uma breve revisão do estado da arte dos métodos geradores de malhas bidimensionais partindo das revisões já publicadas e de artigos explicando versões de algoritmos, seguindo os trabalhos encontrados na literatura. São formulados os critérios de seleção de métodos geradores de malha e de trabalhos encontrados baseando-se nas características. Ao final, o Método de Pavimentação foi selecionado e, a partir de sua implementação computacional, foi desenvolvido o GreenMesh, um programa de computador gerador de malhas utilizando figuras dadas como entrada. Foram geradas várias malhas a partir das geometrias típicas dos equipamentos aqui focados e com isso foi verificado o uso do algoritmo para este fim. / Computational mesh generation methods are essential for engineering numerical simulation. Structural simulations by the finite element method (FEM) rely straightly of meshes that represent the geometries on which the loads are imposed. They are very important for the calculus precision because the mesh quality influences the results. There is a vast variety of computational mesh generation methods and algorithms aimed to FEM analysis, but not all handles generic and irregular geometries. Irregular figures formed by curved regions and internal void requires the use of specific algorithms, or sufficiently generic, in a way that they can process geometric particularities, generating good quality elements. This work proposes an investigation of mesh generation methods that handle frequently presented geometries in cross sections of umbilical cable and flexible pipes internal components, selecting judiciously the method that best suits the necessities generated by the application of FEM analysis on theses geometries. A brief survey about the state of the art of bidimensional mesh generation methods was performed, starting from already published reviews and from articles explaining versions of algorithms, accordingly to the material found in the literature. Finally, the Paving Method has been selected and, starting from its computational implementation, it has been developed GreenMesh, a computer program to generate meshes using given figures as input. It has been generated many meshes from typical geometries of the aimed equipments and that verified the use of the algorithm to this purpose.

Tubos flexíveis são estruturas complexas compostas de várias camadas metálicas e poliméricas empregados pela indústria offshore na exploração de hidrocarbonetos. O estudo do comportamento estrutural e das falhas que podem advir do lançamento e uso desses sistemas em campo é uma área vasta e fecunda da mecânica estrutural. Apesar dos progressos alcançados na análise e nos vários estudos conduzidos ao longo dos anos, no sentido de explicar o surgimento do fenômeno conhecido por birdcaging pesquisando o comportamento das camadas conhecidas como armadura de tração, pouca atenção foi direcionada ao comportamento estrutural da capa plástica externa. A presente tese contribui com os estudos do mecanismo deflagrador do birdcaging à luz do comportamento estrutural da capa plástica e apresenta um critério limite para a previsão do fenômeno. Estudos analíticos, numéricos e principalmente experimentais foram realizados em tubos de PEAD simulando a capa plástica com a finalidade de investigar a instabilidade axissimétrica desta quando sujeita a compressão axial e pressurização interna. Utilizando o modelo analítico adaptado, foi criado um diagrama de limite de instabilidade com o uso de força e pressão interna adimensionalizadas. Este diagrama, testado com simulações realizadas em elementos finitos, ensaios experimentais em tubos de PEAD, e com valores de ensaios experimentais em tubos flexíveis, oferece um critério de engenharia para a predição do fenômeno em questão. / Flexible pipes are complex structures composed of several metallic and polymeric layers employed by the offshore industry in oil and gas exploration. The study of the structural behavior and failures that may arise from the laying down operations and use of these systems in the field is a vast and fruitful field of structural mechanics. Despite the progress in the analysis and several studies conducted over the years in order to explain the appearing of the birdcaging phenomenon through the research of the behavior of layers known as tensile armors, not too much attention was directed to the structural behavior of outer plastic layer. This thesis contributes with the studies of the birdcaging mechanism regarding the structural behavior of the plastic cover and presents a simple criterion to triggering the phenomenon. Analytical, numerical and mainly experimental studies were conducted with HDPE pipes simulating the outer plastic cover in order to investigate the axisymmetric instability under compressive loading and internal pressure. Using an adapted analytical model, a limit instability chart was constructed using dimensionless axial compressive load and internal pressure. This chart, tested with finite element simulations, experimental tests on HDPE pipe, and with values of experimental tests on flexible pipes, may offer an engineering criterion to predict the phenomenon in question.

Este trabalho apresenta um estudo comparativo entre resultados obtidos através de um modelo analítico-numérico, um modelo em elementos finitos e resultados experimentais na análise estrutural local de tubos flexíveis utilizados na explotação de petróleo. Em particular, o modelo em elementos finitos proposto considera efeitos de não-linearidade decorrentes do contato e das forcas de atrito entre as camadas concêntricas do tubo, de forma a reproduzir curvas de histerese típicas obtidas em ensaios em escala real. Tais curvas não podem ser obtidas pelos modelos simplificados tradicionais, de maneira que sua obtenção por modelos em elementos finitos traz novas informações sobre o comportamento estrutural dos dutos Tomando como base e elemento motivacional os resultados de ensaios experimentais de um tubo flexível de 2,5, realizados no Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo, são estudados um modelo analítico e um modelo em elementos finitos, ambos representando o tubo ensaiado experimentalmente, de maneira a apontar, de forma qualitativa e quantitativa, quais são os pontos fortes e fracos de cada abordagem. O modelo analítico-numérico simplificado, obtido de um campo de deslocamentos compatível com os carregamentos axissimétricos aplicados e de um conjunto de equações que envolvem equilíbrio de forcas e equações constitutivas lineares, é capaz de fornecer rapidamente valores aproximados para a rigidez axial do conjunto, bem como uma estimativa das tensões médias atuantes em cada uma das camadas que compõem o tubo flexível, considerando ainda a possibilidade de afastamento entre as camadas. O modelo em elementos finitos é composto somente por elementos sólidos e considera a presença de atrito entre as camadas. As simulações não lineares, executadas pelo MSC.Marc, permitiram recuperar as curvas de histerese para os vários casos estudados, bem como a distribuição de tensões ao longo do comprimento e da seção transversal dos tendões. / This work presents a comparative study among an analytical-numerical model, a finite element model and experimental results related to the local structural analysis of flexible risers used in oil exploitation. In particular, the proposed finite element model considers nonlinearity effects caused by the contact and frictional forces between the concentric layers of the riser so that typical hysteresis curves obtained in full scale experiments could be reproduced. These curves can not be obtained by traditional simplified models, so that their reproduction by finite element models brings new information about the local structural behavior of risers. Based on and motivated by the results of experiments of a 2.5 flexible riser carried out at IPT, the São Paulo Technological Research Institute, an analytical model and a finite element model a are proposed, both of them representing the flexible riser tested experimentally, in order to point out, in a qualitative and quantitative way, the strengths and weaknesses of each approach. The simplified analytical-numerical model, obtained from a displacement field, consistent with the axisymmetric loads applied to the pipe, and from a set of equations involving equilibrium and linear constitutive equations, is able to quickly provide approximate values for the riser equivalent axial stiffness, as well as estimates for the average stresses acting in each of the layers that make up the flexible riser. Besides, the possibility of gap formation between the layers is also considered. The finite element model is composed entirely of solid elements and considers the presence of friction between the layers. The nonlinear simulations, using the MSC.Marc finite element package, allowed the reproduction of hysteresis curves for the several studied cases, as well as the stresses distribution along the length and cross section of the armour layers.

Os tubos flexíveis são amplamente utilizados na produção de petróleo offshore, para transporte de petróleo bruto, óleo e gás natural. Pelo fato de operarem em um ambiente muito agressivo e estarem sujeitos a diversos tipos de carregamentos como pressão interna, pressões externas, tração, compressão, flexão e torção, eles possuem uma estrutura bastante complexa composta por diversas camadas concêntricas, com finalidades estruturais diversas, que interagem entre si. Em termos de carregamento, a compressão, em especial, seja ela dinâmica ou estática representa um problema para estes tubos. Embora eles sejam projetados para suportar altas cargas de tração, por meio de armaduras metálicas helicoidais, têm resistência limitada para cargas de compressão. A presença de tais esforços pode causar falhas por instabilidade radial das armaduras de tração. Este modo de falha, conhecido há mais de duas décadas, é denominado birdcaging, devido à forma característica assumida pelas armaduras. Além dessa instabilidade radial, as armaduras podem sofrer uma instabilidade lateral, a qual é igualmente catastrófica para os tubos flexíveis. Este trabalho consiste em uma investigação destes modos de falha com base em modelos numéricos, usando o Método dos Elementos Finitos. Com tais ferramentas, objetiva-se estudar a mecânica dos fenômenos de instabilidade de armadura de tração, juntamente com os efeitos causados pela alteração de parâmetros construtivos e ambientais nestes modos de falha. / Flexible pipes are widely employed in offshore oil production. Their functions include transporting of crude oil, natural gas, chemicals and water injection. Since they operate in aggressive environments and are subjected to loads such as internal and external pressure, tension, compression, bending and torsion, these pipes are built with a complex multilayered structure. In terms of loading, compression, specially, dynamic or static, present a problem to these pipes. Their tensile armor layers are particularly designed to withstand high levels of tension, but not for compression. The presence of such loads may cause radial instability failure on the armor layers. This failure mode, known for almost three decades, is called birdcaging, due to the peculiar shape assumed by the armor tendons at the post-buckling. Besides radial instability, the tensile armor layers may also suffer from lateral instability, which is equally catastrophic in the operation of flexible pipes. This work consists on an investigation of these failure modes based on numerical models, using the Finite Element Method. With these tools, the mechanism that governs these instability phenomena can be understood, along with the effects caused by the alteration of design and environmental parameters on the failure modes.

Neste trabalho, é apresentada uma análise de estabilidade linear para um sistema flowline-riser. O modelo utiliza as equações de continuidade para as fases líquidas e gasosas e uma equação de momento para a mistura onde são considerados os efeitos de atrito. A mistura água-óleo é modelada de forma homogênea. Para a determinação da fração de vazio, adota-se o modelo de fluxo de deriva, baseado em várias correlações drift. Se o escoamento é estratificado a fração de vazio é modelada através do modelo de equilíbrio local de Taitel e Dukler (1976). Para a caracterização dos fluidos é adotado um modelo de equilíbrio de fase black-oil onde a transferência de massa é considerada entre as correntes óleo e gás em função das condições locais de pressão e temperatura. É considerada a abordagem de parâmetros distribuídos, onde diversas geometrias com discretização variável podem ser consideradas tais como riser em catenária e riser lazy wave. Para realizar a análise de estabilidade linear, as equações do modelo são linearizadas em torno do estado estacionário e discretizadas pelo método das diferenças finitas, onde foi utilizado um programa escrito em Matlab. A partir do sistema linearizado, é avaliada a estabilidade do estado estacionário pelas raízes do polinômio característico, que são solução do problema de autovalores e autovetores. É avaliada a convergência numérica do modelo e mapas de estabilidade são apresentados para vários sistemas de produção de petróleo. Os resultados obtidos numericamente são comparados com pontos operacionais de sistemas reais de produção de petróleo. Observou-se que o modelo convergiu para todos os casos avaliados e apresentou ótima concordância com os dados de campo. / This work presents a linear stability analysis for a flowline-riser system. The model considers continuity equations for the liquid and gas phases, and a momentum equation for the mixture that accounts for friction effects. The water-oil mixture is modeled as being homogeneous. The void fraction is determined by using the drift-flux model based on several drift correlations. For stratified flow, the void fraction is expressed by the local equilibrium model of Taitel and Dukler (1976). Fluid characterization uses a black-oil model that considers mass transfer between the oil and gas flows as a function of the local pressure and temperature conditions. In the proposed approach with distributed parameters, several geometries with variable discretization can be considered, such as catenary and lazy wave risers. To perform the linear stability analysis, the equations of the model are linearized around the stationary state and discretized using the finite difference method, implemented using custom-written code in Matlab. From the linearized system, the stability of the steady state is evaluated by computing the roots of the characteristic polynomial equation of the eigenvalues and eigenvectors problem. Convergence of the numerical model is evaluated and stability maps for several oil production systems were presented. Numerical results were compared with the actual measurements of oil production systems. The model converged in all cases tested and presented an excellent agreement with field data.