The corrosion fatigue behaviour of high strength carbon steel tensile armour wires that are used in flexible risers has been explored. An investigation of the corrosion fatigue failure mechanisms for two different sets of corrosion fatigue tested high strength steel wires has been carried out. The two different tensile armour wires were 12 mm x 4 mm and 12 mm x 7 mm. The wires had been corrosion fatigue tested in up to three different seawater environments, namely aerated, CO2 saturated to 1 bar absolute and 100 mbar absolute H2S-CO2 balance to 1 bar absolute. The corrosion fatigue failure investigation included undertaking statistical analysis of fatigue crack and corrosion pit data to establish the effects of environment, applied stress, R-ratio and microstructure due to degree of cold drawing on the corrosion fatigue behaviour. The 12 mm x 4 mm has fine grain martensite-pearlite structure with anisotropic microstructure in the transverse plane. The 12 mm x 7 mm has larger grain martensite-pearlite structure with equiaxed microstructure in the transverse plane. The corrosion fatigue crack path for the two tensile armour wires exhibits transgranular and intergranular cracking due to variations in R-ratio and microstructure. The analysis identified that a significant amount of localised corrosion pitting was present on the surface of both the 12 mm x 4 mm and 12 mm x 7 mm high strength carbon steel tensile armour wires and that many corrosion fatigue cracks had initiated from these geometric discontinuities. A method was developed in order to apply an optical image correlation technique to a sample immersed in seawater. The research has shown that digital image correlation may be applied for in-situ imaging of a corroding and dynamically deforming surface within a seawater environment. The technique demonstrated the establishment of localised surface strain around the corrosion pits during mechanical loading. The results of the surface strain mapping show that the interaction between multiple corrosion pits is consistent with a significant increase in surface strain when compared to a single surface pit acting alone. The results also show that a small single stress raiser can exhibit a high surface stress concentration when compared to a larger one as the strain is dependent upon the geometry of the pit. The highest strain concentration is at the edge of the pit, parallel to the loading direction. The results show the interaction that multiple pits have with each other, the effect they have on surface strains and how they and other types of stress raiser lead to premature failure of components. Further to this the effects of residual stress on crack nucleation were considered. Fatigue cracks initiate at the surface of the high strength carbon steel tensile armour wire therefore surface measurements were carried out to establish the effects of environment and applied load on the development of residual stress fields. The 12 mm x 4 mm wire shows some correlation between applied stress range and surface residual stress measurements with. For the 12 mm x 4 mm wire corrosion fatigue tested in aerated seawater the surface residual stress becomes increasing compressive with an increase in applied stress. For the 12 mm x 4 mm wire corrosion fatigue tested in CO2 saturated seawater the surface residual stress appears to be independent of applied stress. However for the 12 mm x 7 mm carbon steel tensile armour wire there is no correlation between the applied stress range and the surface residual stress. The differences in surface residual stress may be due to the differences in R-ratio, microstructure and level of cold drawing due to the Bauschinger effect. Surface residual stress measurements have been used to explore the effects of the shakedown process on the high strength carbon steel tensile armour wires prior to corrosion fatigue testing. They show that at a high applied stress range the shakedown process readily develops a compressive residual stress on the surface of the carbon steel wire. This is mostly the case for the low applied stress range; however care should be taken when considering the effects of shakedown on a lower stress range in so far as it may not completely remove the tensile residual stress. Through thickness residual stress measurements show a similar distribution of residual stress fields throughout the high strength carbon steel tensile armour wires independent of the applied stress range and environment.

The principal objective of this investigation is to develop a nonlinear continuum based finite element formulation to examine dynamic response of flexible riser structures with large displacement and large rotation. Updated Lagrangian incremental approach together with the 2nd Piola-Kirchhoff stress tensor and the Green-Lagrange strain tensor is employed to derive the nonlinear finite element formulation. The 2nd Piola-Kirchhoff stress and the Green-Lagrange strain tensors are energy conjugates. These two Lagrangian tensors are not affected by rigid body rotations. Thus, they are used to describe the equilibrium equation of the body independent of rigid rotations. While the current configuration in Updated Lagrangian incremental approach is unknown, the resulting equation becomes strongly nonlinear and has to be modified to a linearized form. The main contribution of this work is to obtain a modified linearization method during development of incremental Updated Lagrangian formulation for large displacement and large rotation analysis of riser structures. For this purpose, the Green-Lagrange strain and the 2nd Piola-Kirchhoff stress tensors are decomposed into two second-order six termed functions of through-thethickness parameters. This decomposition makes it possible to explicitly account for the nonlinearities in the direction along the riser thickness, as well. It is noted that using this linearization scheme avoids inaccuracies normally associated with other linearization schemes. The effects of buoyancy force, riser-seabed interaction as well as steady-state current loading are considered in the finite element solution for riser structure response. An efficient riser problem fluid-solid interaction Algorithm is also developed to maintain the quality of the mesh in the vicinity of the riser surface during riser and fluid mesh movements. To avoid distortions in the fluid mesh two different approaches are proposed to modify fluid mesh movement governing elasticity equation matrices values; 1) taking the element volume into account 2) taking both element volume and distance between riser centre and element centre into account. The formulation has been implemented in a nonlinear finite element code and the results are compared with those obtained from other schemes reported in the literature.

O presente trabalho foi realizado por meio de uma abordagem tríplice do problema de compressão dinâmica em risers, fundamentado em ensaios em um Calibrador Hidrodinâmico, com posterior confrontação dos resultados com formulações analíticas e o uso de programas comerciais dedicados ao estudo da estática e dinâmica de linhas flexíveis. O principal objetivo foi a determinação acurada, a partir de uma instrumentação pouco invasiva, dos comprimentos das ondas de flexão geradas no TDP, durante a compressão dinâmica. Esse objetivo, de per si, encerra o caráter de ineditismo da presente tese. Os ensaios consistiram na realização de movimentos circulares no topo de um modelo flexível lançado em catenária, sob diversas configurações, totalizando um total de 72 experimentos: foram utilizados três frequências de movimento, três amplitudes, quatro ângulos de topo e dois sentidos de rotação. Um sistema de monitoramento óptico foi utilizado como principal instrumentação. Além desse equipamento, foi utilizada uma célula de carga, posicionada entre o equipamento que prescrevia os movimentos ao modelo flexível e uma rótula, que permitia que a célula de cargas e movimentasse solidariamente ao sistema. Rotinas numérica próprias foram utilizadas para o pós-processamento dos dados obtidos. Os resultados foram, então, comparados com formulações analíticas constantes da literatura, bem como a adaptação da equação para a carga crítica de flambagem de vigas curvas, para as condições de contorno dos ensaios realizados. Como resultado principal, é possível citar a confirmação experimental da suposição corrente com relação ao número de onda associado às ondas de flexão geradas na compressão dinâmica, até então assumida como uma hipótese ad hoc. Além disso, o procedimento adotado, embasado teoricamente, foi utilizado desde o estabelecimento do material com que o modelo foi construído, passando pela elaboração racional da matriz de ensaios e finalizando com as análises realizadas, quando os resultados experimentais foram confrontados com as previsões analíticas. / This work was carried out through a threefold approach to dynamic compression in risers, based on tests in a Hydrodynamic Calibrator, with subsequent comparison of results with analytical formulations and the use of commercial softwares dedicated to the study of static and dynamic flexible lines. The main aim was an accurate determination, from a minimally invasive instrumentation, the lengths of flexural waves generated in the TDP, during dynamic compression. This goal, in itself, is the novelty of this thesis. The tests consisted in performing circular motion on top of a flexible catenary model launched under several conditions, amounting to a total of 72 experiments: three motion frequencies, three imposed amplitudes , four top angles and clockwise and counter-clockwise rotation. A tracking monitoring system was used as main instrumentation. In such equipment, a load cell was used, positioned between rotor used to prescribe top movements at the top of a flexible model, allowing the load cell jointly move around a bar conected to the shaft motor. Numerical routines, made by author, were used for data post-processing. The results were then confronted with analytical formulations from specialized literature, as well as the adaptation of the equation for the buckling critical load for curved beams under the boundary conditions of the tests. As a main result, it is possible to mention the experimental confirmation of the current assumption with respect to the wave number associated with bending waves generated during the dynamic compression, hitherto assumed as an ad hoc hypothesis. In addition, the procedure adopted, based in analytical theories, was used since the establishment of the material with which the model is built, through the rational development of the test matrix and ending with the analyzes carried out when the experimental results were compared with analytical predictions.

O presente trabalho foi realizado por meio de uma abordagem tríplice do problema de compressão dinâmica em risers, fundamentado em ensaios em um Calibrador Hidrodinâmico, com posterior confrontação dos resultados com formulações analíticas e o uso de programas comerciais dedicados ao estudo da estática e dinâmica de linhas flexíveis. O principal objetivo foi a determinação acurada, a partir de uma instrumentação pouco invasiva, dos comprimentos das ondas de flexão geradas no TDP, durante a compressão dinâmica. Esse objetivo, de per si, encerra o caráter de ineditismo da presente tese. Os ensaios consistiram na realização de movimentos circulares no topo de um modelo flexível lançado em catenária, sob diversas configurações, totalizando um total de 72 experimentos: foram utilizados três frequências de movimento, três amplitudes, quatro ângulos de topo e dois sentidos de rotação. Um sistema de monitoramento óptico foi utilizado como principal instrumentação. Além desse equipamento, foi utilizada uma célula de carga, posicionada entre o equipamento que prescrevia os movimentos ao modelo flexível e uma rótula, que permitia que a célula de cargas e movimentasse solidariamente ao sistema. Rotinas numérica próprias foram utilizadas para o pós-processamento dos dados obtidos. Os resultados foram, então, comparados com formulações analíticas constantes da literatura, bem como a adaptação da equação para a carga crítica de flambagem de vigas curvas, para as condições de contorno dos ensaios realizados. Como resultado principal, é possível citar a confirmação experimental da suposição corrente com relação ao número de onda associado às ondas de flexão geradas na compressão dinâmica, até então assumida como uma hipótese ad hoc. Além disso, o procedimento adotado, embasado teoricamente, foi utilizado desde o estabelecimento do material com que o modelo foi construído, passando pela elaboração racional da matriz de ensaios e finalizando com as análises realizadas, quando os resultados experimentais foram confrontados com as previsões analíticas. / This work was carried out through a threefold approach to dynamic compression in risers, based on tests in a Hydrodynamic Calibrator, with subsequent comparison of results with analytical formulations and the use of commercial softwares dedicated to the study of static and dynamic flexible lines. The main aim was an accurate determination, from a minimally invasive instrumentation, the lengths of flexural waves generated in the TDP, during dynamic compression. This goal, in itself, is the novelty of this thesis. The tests consisted in performing circular motion on top of a flexible catenary model launched under several conditions, amounting to a total of 72 experiments: three motion frequencies, three imposed amplitudes , four top angles and clockwise and counter-clockwise rotation. A tracking monitoring system was used as main instrumentation. In such equipment, a load cell was used, positioned between rotor used to prescribe top movements at the top of a flexible model, allowing the load cell jointly move around a bar conected to the shaft motor. Numerical routines, made by author, were used for data post-processing. The results were then confronted with analytical formulations from specialized literature, as well as the adaptation of the equation for the buckling critical load for curved beams under the boundary conditions of the tests. As a main result, it is possible to mention the experimental confirmation of the current assumption with respect to the wave number associated with bending waves generated during the dynamic compression, hitherto assumed as an ad hoc hypothesis. In addition, the procedure adopted, based in analytical theories, was used since the establishment of the material with which the model is built, through the rational development of the test matrix and ending with the analyzes carried out when the experimental results were compared with analytical predictions.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work, methodologies to evaluate the wear of flexible riser pipe and bend stiffener samples were developed. In order to achieve this goal, a three coordinate measuring machine (3CMM) was used to evaluate the wear rates of samples tested in in a large-scale tribometer. Additionally, the events that occur during the sliding wear of these samples were correlated with vibration signals from the tribometer structure. The first methodology was applied to estimate the linear wear of riser samples of the polyamide outer coating that was based on the thickness reduction during the test. The second methodology was designed to estimate the volumetric wear loss of the bendstiffener samples. To evaluate the thickness loss of the riser samples, the Calypso® software was used to define the alignment and to determine and execute the measurement strategy. In order to assess the bend-stiffener volume, the same software was used to define the system alignment. The Dimension Volume® software was used to define and to perform the measurement strategy. The sample volume was calculated using a specially designed program that was developed in Matlab®. In order to analyze the vibrations during the wear test, a routine of data acquisition, monitoring and storage of vibration signals in Labview® software was developed and implemented. The results showed that the developed methodology to quantify the riser thickness loss using a 3CMM is viable and efficient in measuring the wear process of this tribosystem. It was also found that the developed program using Matlab® was an effective tool to evaluate the volumetric losses of bend-stiffeners samples. The measurement strategy using a mesh spacing of 1 mm x 1 mm was considered the most adequate to estimate the volume of a bend-stiffener sample accurately and with the least possible amount of points. Furthermore, it was observed a vibration peak located at 16.71 Hz, that should be related to the wear process. / Neste trabalho foram desenvolvidas e aplicadas duas metodologias para quantificar o desgaste em amostras de risers e enrijecedores utilizando uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C). Tais amostras foram testadas em um tribômetro capaz de realizar ensaios de desgaste por deslizamento em escala real. Adicionalmente, foram correlacionados os eventos que ocorrem durante o processo de desgaste destas amostras com as vibrações na estrutura do tribômetro. A primeira metodologia foi aplicada na estimativa do desgaste linear em amostras de risers, com base na variação de espessura, enquanto que a segunda foi destinada à estimativa do desgaste volumétrico em amostras de enrijecedores, tendo por base a perda de volume das mesmas. Para avaliar a perda de espessura nas amostras de riser foi utilizado o software Calypso® na definição do alinhamento e na determinação e execução da estratégia de medição. Já na avaliação do volume das amostras de enrijecedores, foi utilizado o mesmo software na definição do alinhamento. O software Dimension Volume® foi empregado na definição e execução da estratégia de medição, e, para calcular o volume destas amostras, foi elaborado e utilizado um programa em Matlab®. Com o intuito de analisar as vibrações durante o ensaio de desgaste, foi desenvolvida e implementada uma rotina de aquisição, monitoramento e salvamento dos sinais de vibrações no software Labview®. Os resultados obtidos permitiram concluir que a metodologia desenvolvida para quantificação da perda de espessura de risers usando uma MM3C é uma técnica viável e eficiente. Constatou-se, também, que o programa desenvolvido em Matlab® foi uma ferramenta eficaz na avaliação volumétrica das amostras de enrijecedores. A estratégia de medição com malha 1 mm x 1 mm foi considerada a mais adequada para estimar o volume de uma amostra de enrijecedor, com precisão e com a menor quantidade de pontos possível. Além disso, verificou-se que o pico da amplitude vibratória esteve localizado em 16,71 Hz, que deve estar relacionado ao processo de desgaste. / Mestre em Engenharia Mecânica

L'utilisation de composites et nano composites est une tendance croissante dans des industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et l'énergie. Pour de nombreuses applications, l'adhésion entre des structures pour bien transférer les efforts est un problème difficile à résoudre. Dans l’industrie pétrolière, par exemple, une technique utilisée pour ancrer les armures de traction d’une conduite flexible est à travers un époxy intégré car elle fournit une bonne résistance mécanique et chimique. Cependant, des fissures et des défauts peuvent apparaître dans le bloc époxy pendant les opérations ou le montage lors de l'étape de cuisson de l'époxy, et ces fissures pourraient affecter les performances d'ancrage, en particulier pour les armures composites en fibre de carbone (CFAs). Dans ce contexte, ce travail propose le renforcement de l'époxy pour l'ancrage du CFA, focalisé sur les propriétés mécaniques et d'adhérence. Un modèle analytique est développé pour le mécanisme d'ancrage du CFA et vérifié par analyse numérique pour évaluer la sensibilité du système aux caractéristiques de l’époxy. Ainsi, l'augmentation de ces propriétés est proposée par l'ajout de nanotubes de carbone multi-feuilles (MWCNTs) et des essaies sont réalisées avec le époxy pur et renforcés pour caractériser l’augmentation des propriétés mécaniques et adhésives. Ensuite, la morphologie des nanotubes et l'homogénéité de la matrice sont investiguées pour corréler avec des résultats mécaniques. La recherche a confirmé une amélioration de la résistance à l'ancrage en renforçant la matrice époxy avec des MWCNTs. / The use of composite and nanocomposites is a growing trend in many industries such as aerospace, automotive and energy. For many applications, the adhesion between structures for efficiently transferring loads is a difficult problem to solve. In oil and gas segment, for instance, a common technique used for anchoring the tensile armors of flexible riser within the end fitting is through an embedded epoxy since it provides good mechanical and chemical resistance. Even though, cracks and defects can arise in the epoxy block during operations or mounting at epoxy curing step, and such cracks could affect the anchoring performance, in particular for carbon fiber composite armors (CFA). In this context, this work proposes the improvement of the epoxy for anchoring the CFA, with a focus on the mechanical and adhesion properties. An analytical model is developed for CFA anchoring mechanism and verified by numerical analysis to evaluate the sensitivity of the system to the epoxy characteristics. Thus, the increase of these properties is proposed by adding multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and some experiments are carried out with neat and toughened epoxies to characterize the gain of mechanical and adhesive properties. Then, nanotubes morphology and the matrix homogeneity are expertized to correlate with mechanical results. The research confirmed an improvement of anchoring resistance by toughening the epoxy matrix with MWCNTs. / O uso de compósitos e nano compósitos é uma tendência crescente em muitas indústrias, como aeroespacial, automotivo e energia. Para muitas aplicações, a adesão entre estruturas para transferência eficiente dos esforços é um problema de difícil solução. No segmento de óleo e gás, por exemplo, uma técnica comum utilizada para ancorar as armaduras de tração do tubo flexível dentro do conector é através de um epóxi embebido, pois proporciona boa resistência mecânica e química. No entanto, trincas e defeitos podem surgir no bloco de epóxi durante as operações ou montagem, na etapa de cura do epóxi, e tais defeitos podem afetar a performance de ancoragem, em particular para armaduras de compósito de fibra de carbono (CFA). Neste contexto, este trabalho propõe a melhoria do epóxi para ancorar o CFA, com foco nas propriedades mecânicas e adesivas. Um modelo analítico é desenvolvido para o mecanismo de ancoragem do CFA e verificado por análise numérica para avaliar a sensibilidade do sistema às características do epóxi. Assim, o aumento dessas propriedades é proposto pela adição de nano-tubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs) e alguns experimentos são realizados com os epóxis puro e modificado para caracterizar o ganho de propriedades mecânicas e adesivas. Em seguida, a morfologia dos nano-tubos e a homogeneidade da matriz são investigadas para correlacionar com os resultados mecânicos. A pesquisa confirmou uma melhoria da resistência à ancoragem ao tenacificar a matriz de epóxi com MWCNTs.

Este projeto tem o objetivo de apresentar o estudo dos arames da armadura de tração que são empregados no transporte de óleo, gás e umbilicais hidráulicos na indústria petrolífera. Este estudo foi desenvolvido sob a necessidade de melhor ancoragem dos arames da armadura de tração de modo a garantir que, mesmo após a ruptura do arame dentro do conector não haverá o escorregamento do mesmo provocando a queda do duto flexível. Assim sendo, foi estabelecido o estudo de aderência da interface dos arames da armadura de tração dos dutos flexíveis. Com os ensaios concluídos se estudou um novo procedimento para o melhoramento de aderência mecânica dos arames com a resina epóxi. Após os ensaios de aderência e adesão concluídos foi realizado ensaio de tração em cada arame da armadura de tração sob sua montagem no conector de extremidade para verificação de carregamento que chegam nos ganchos dos arames da armadura de tração. Os estudos realizados no conector de extremidade de 2,5 demonstram que os ganchos dos arames da armadura de tração são de grande importância para a integridade estrutural do duto flexível, visto que o cone de resina formado dentro do conector não está em contato com toda a área dos arames das armaduras de tração. / This project aims to present the study of tensile armor wires usually employed in the transport of oil, gas and hydraulic umbilicals in the petroleum industry. This study was developed as a need for better anchoring of the tensile armor wires in order to guarantee that even after the rupture of the wire within the connector it will not slip causing the fall of the flexible riser. Thus was established the adhesion study of the interface of the tensile armor wires of the flexible risers. After the end of the tests a new procedure for improving mechanical adhesion between the wires and the epoxy resin was studied. After the end of the adhesion tests tensile test was performed on each wire of the tensile armor under its mounting on the end fitting for checking the loading that reaches the hook of the armor wires. The trials performed in the 2.5end fitting show that the tensile armor wire hooks are of great importance for the structural integrity of the flexible riser, as there is no contact between the resin cone formed within the end fitting and the tensile armor wires area.

Este projeto tem o objetivo de apresentar o estudo dos arames da armadura de tração que são empregados no transporte de óleo, gás e umbilicais hidráulicos na indústria petrolífera. Este estudo foi desenvolvido sob a necessidade de melhor ancoragem dos arames da armadura de tração de modo a garantir que, mesmo após a ruptura do arame dentro do conector não haverá o escorregamento do mesmo provocando a queda do duto flexível. Assim sendo, foi estabelecido o estudo de aderência da interface dos arames da armadura de tração dos dutos flexíveis. Com os ensaios concluídos se estudou um novo procedimento para o melhoramento de aderência mecânica dos arames com a resina epóxi. Após os ensaios de aderência e adesão concluídos foi realizado ensaio de tração em cada arame da armadura de tração sob sua montagem no conector de extremidade para verificação de carregamento que chegam nos ganchos dos arames da armadura de tração. Os estudos realizados no conector de extremidade de 2,5 demonstram que os ganchos dos arames da armadura de tração são de grande importância para a integridade estrutural do duto flexível, visto que o cone de resina formado dentro do conector não está em contato com toda a área dos arames das armaduras de tração. / This project aims to present the study of tensile armor wires usually employed in the transport of oil, gas and hydraulic umbilicals in the petroleum industry. This study was developed as a need for better anchoring of the tensile armor wires in order to guarantee that even after the rupture of the wire within the connector it will not slip causing the fall of the flexible riser. Thus was established the adhesion study of the interface of the tensile armor wires of the flexible risers. After the end of the tests a new procedure for improving mechanical adhesion between the wires and the epoxy resin was studied. After the end of the adhesion tests tensile test was performed on each wire of the tensile armor under its mounting on the end fitting for checking the loading that reaches the hook of the armor wires. The trials performed in the 2.5end fitting show that the tensile armor wire hooks are of great importance for the structural integrity of the flexible riser, as there is no contact between the resin cone formed within the end fitting and the tensile armor wires area.