Flexible pipes are essential components in the subsea oil and gas industry, where they are used to convey fluids under conditions of extreme external pressure and (often) axial load, while retaining low bending stiffness. This is made possible by their complex internal structure, consisting of unbonded components that are, to a certain extent, free to move internally relative to each other. Due to the product's high value and high cost of testing facilities, much e ort has been invested in the development of analytical and numerical models for simulating flexible pipe behaviour, which includes bulk response to various loading actions, calculation of component stresses and use of this data for component fatigue calculations. In this work, it is proposed that the multi-scale methods currently in widespread use for the modelling of composite materials can be applied to the modelling of flexible pipe. This allows the large-scale dynamics of an installed pipe (often several kilometers in length) to be related to the behaviour of its internal components (with characteristic lengths in millimeters). To do this, a formal framework is developed for an extension of the computational homogenisation procedure that allows multiscale models to be constructed in which models at both the large and small scales are composed of different structural elements. Within this framework, a large-scale flexible pipe model is created, using a two-dimensional corotational beam formulation with a constitutive model representative of flexible pipe bulk behaviour, which was obtained by further development of a recently proposed formulation inspired by the analogy between the flexible pipe structural behaviour and that of plastic materials with non-associative flow rules. A three-dimensional corotational formulation is also developed. The model is shown to perform adequately for practical analyses. Next, a detailed finite element (FE) model of a flexible pipe was created, using shell finite elements, generalised periodic boundary conditions and an implicit solution method. This model is tested against two analytical flexible pipe models for several basic load cases. Finally, the two models are used to carry out a sequential multi-scale analysis, in which a set of simulations using the detailed FE model is carried out in order to find the most appropriate coefficients for the large-scale model.

As linhas flexíveis utilizadas em sistemas flutuantes para produção de petróleo são solicitadas por esforços ambientais de natureza aleatória durante toda sua vida útil. Sua resposta dinâmica de longo prazo as solicitações do ambiente, embora não estacionaria pode ser vista como sendo uma sucessão de processos aleatórios estacionários, associados a probabilidades de ocorrência de condições ambientais de curto prazo. Através de simulações da resposta não linear as solicitações de curto prazo, uma descrição probabilística de segunda ordem da resposta das linhas flexíveis pode ser obtida por analise biespectral. A resposta estacionaria não gaussiana fica então sendo caracterizada no domínio da frequência pela identificação de suas energias linear e não linear. A energia linear define um processo gaussiano, e a energia não linear corresponde à parcela não gaussiana da resposta. Uma regressão quadrática da resposta no domínio da frequência permite obter sua função característica, que e a transformada de Fourier da função de densidade de probabilidade. Desta forma, a resposta estacionaria e representada pela soma de parcelas lineares e quadráticas de variáveis aleatórias gaussianas independentes, e a obtenção da função característica faz-se através da solução de um problema de autovalores e autovetores de uma matriz real e simétrica. / Sem resumo em inglês.

Flexible risers that carry hydrocarbon fuels from the subsea facilities to the floatation units above the sea surface are composed of multiple metallic and polymeric layers (in their wall). Among these layers, the tensile armour layer consists of several helically wound metallic wires; these tensile armour layers carry the weight of the riser, provide tensile stiffness & strength and maintain the structural integrity of the riser structure during harsh underwater currents. However, as the oil & gas fields in shallow waters are receding, the oil & gas industry is being forced to move towards deeper offshore waters, where the metallic tensile armour wires pose limitations (fatigue, corrosion, weight, etc.). In this thesis an alternative to metallic tensile armour wires will be presented in form of a flexible hybrid composite formed by stacking seven pultruded composite (carbon and vinyl-ester) circular rods in form of hexagonal pack, held together by an over-braid (Dyneema fibres) sleeve. The manufacturing process for hybrid composite tensile armour wires will be studied and their mechanical properties will be presented. A multi-scale finite element model developed for hybrid composite wires will be presented in this thesis to help further understand the mechanical properties of hybrid composite wires.

O crescimento da produção de petróleo em alto mar tem elevado a utilização de Risers flexíveis. Fazendo a conexão entre o poço e a plataforma, estes dutos estão sujeitos aos severos carregamentos causados pela superposição dos esforços mecânicos com o ambiente corrosivo. Deste modo, torna-se de grande importância, o monitoramento da integridade estrutural de Risers flexíveis para a Indústria petrolífera. Neste trabalho, foram desenvolvidas metodologias de caracterização do estado de tensões de arames da armadura de tração de Risers flexíveis de seis polegadas. Através do monitoramento de ensaios de tração foi testada a influência das variações de carregamento, microestrutura e afastamento entre o sensor e o material ferromagnético (Lift off) nas medidas micromagnéticas. Os resultados mostraram a grande aplicabilidade dos métodos micromagnéticos, separando os efeitos das variações de tensões e microestruturais. Analisando-se diferentes técnicas, foram obtidas correlações entre os carregamentos e as tensões (determinadas através da técnica micromagnética) superiores a 90%. Bons resultados também foram obtidos nas análises da influência do Lift off, onde, apesar da grande atenuação de sinais, obteve-se boas correlações entre propriedades mecânicas e micromagnéticas. / The constant growing of the offshore oil production has increase the use of Flexible Risers. Acting as the connection between the well and the platform, these pipelines are subjected to a superposition of mechanical loads and corrosive environment. In this sense, the development of more reliable systems for monitoring the structural integrity of Flexible Risers is becoming more important. This work aims the development of non destructive methodologies for the analysis of the stress state in the steel wires that forms the tensile armor of a six inch Flexible Riser. Through the monitoring of tensile tests, the influences of the load, microstructure and Lift off variations in the micromagnetic measurements had been analyzed. The results showed the good applicability of the micromagnetic methods, in sorting the microstructure effects from the stress analysis. Using the multi - technique approach, a good correlation (up to 90%) between load stress and the NDT stress (determined through the micromagnetic technique) had been found. The Lift off analysis showed promising results too, where, despite the high signal attenuation, good correlations between mechanical and micromagnetic properties had been observed.

O crescimento da produção de petróleo em alto mar tem elevado a utilização de Risers flexíveis. Fazendo a conexão entre o poço e a plataforma, estes dutos estão sujeitos aos severos carregamentos causados pela superposição dos esforços mecânicos com o ambiente corrosivo. Deste modo, torna-se de grande importância, o monitoramento da integridade estrutural de Risers flexíveis para a Indústria petrolífera. Neste trabalho, foram desenvolvidas metodologias de caracterização do estado de tensões de arames da armadura de tração de Risers flexíveis de seis polegadas. Através do monitoramento de ensaios de tração foi testada a influência das variações de carregamento, microestrutura e afastamento entre o sensor e o material ferromagnético (Lift off) nas medidas micromagnéticas. Os resultados mostraram a grande aplicabilidade dos métodos micromagnéticos, separando os efeitos das variações de tensões e microestruturais. Analisando-se diferentes técnicas, foram obtidas correlações entre os carregamentos e as tensões (determinadas através da técnica micromagnética) superiores a 90%. Bons resultados também foram obtidos nas análises da influência do Lift off, onde, apesar da grande atenuação de sinais, obteve-se boas correlações entre propriedades mecânicas e micromagnéticas. / The constant growing of the offshore oil production has increase the use of Flexible Risers. Acting as the connection between the well and the platform, these pipelines are subjected to a superposition of mechanical loads and corrosive environment. In this sense, the development of more reliable systems for monitoring the structural integrity of Flexible Risers is becoming more important. This work aims the development of non destructive methodologies for the analysis of the stress state in the steel wires that forms the tensile armor of a six inch Flexible Riser. Through the monitoring of tensile tests, the influences of the load, microstructure and Lift off variations in the micromagnetic measurements had been analyzed. The results showed the good applicability of the micromagnetic methods, in sorting the microstructure effects from the stress analysis. Using the multi - technique approach, a good correlation (up to 90%) between load stress and the NDT stress (determined through the micromagnetic technique) had been found. The Lift off analysis showed promising results too, where, despite the high signal attenuation, good correlations between mechanical and micromagnetic properties had been observed.

As linhas flexíveis utilizadas em sistemas flutuantes para produção de petróleo são solicitadas por esforços ambientais de natureza aleatória durante toda sua vida útil. Sua resposta dinâmica de longo prazo as solicitações do ambiente, embora não estacionaria pode ser vista como sendo uma sucessão de processos aleatórios estacionários, associados a probabilidades de ocorrência de condições ambientais de curto prazo. Através de simulações da resposta não linear as solicitações de curto prazo, uma descrição probabilística de segunda ordem da resposta das linhas flexíveis pode ser obtida por analise biespectral. A resposta estacionaria não gaussiana fica então sendo caracterizada no domínio da frequência pela identificação de suas energias linear e não linear. A energia linear define um processo gaussiano, e a energia não linear corresponde à parcela não gaussiana da resposta. Uma regressão quadrática da resposta no domínio da frequência permite obter sua função característica, que e a transformada de Fourier da função de densidade de probabilidade. Desta forma, a resposta estacionaria e representada pela soma de parcelas lineares e quadráticas de variáveis aleatórias gaussianas independentes, e a obtenção da função característica faz-se através da solução de um problema de autovalores e autovetores de uma matriz real e simétrica. / Sem resumo em inglês.

O crescimento da produção de petróleo em alto mar tem elevado a utilização de Risers flexíveis. Fazendo a conexão entre o poço e a plataforma, estes dutos estão sujeitos aos severos carregamentos causados pela superposição dos esforços mecânicos com o ambiente corrosivo. Deste modo, torna-se de grande importância, o monitoramento da integridade estrutural de Risers flexíveis para a Indústria petrolífera. Neste trabalho, foram desenvolvidas metodologias de caracterização do estado de tensões de arames da armadura de tração de Risers flexíveis de seis polegadas. Através do monitoramento de ensaios de tração foi testada a influência das variações de carregamento, microestrutura e afastamento entre o sensor e o material ferromagnético (Lift off) nas medidas micromagnéticas. Os resultados mostraram a grande aplicabilidade dos métodos micromagnéticos, separando os efeitos das variações de tensões e microestruturais. Analisando-se diferentes técnicas, foram obtidas correlações entre os carregamentos e as tensões (determinadas através da técnica micromagnética) superiores a 90%. Bons resultados também foram obtidos nas análises da influência do Lift off, onde, apesar da grande atenuação de sinais, obteve-se boas correlações entre propriedades mecânicas e micromagnéticas. / The constant growing of the offshore oil production has increase the use of Flexible Risers. Acting as the connection between the well and the platform, these pipelines are subjected to a superposition of mechanical loads and corrosive environment. In this sense, the development of more reliable systems for monitoring the structural integrity of Flexible Risers is becoming more important. This work aims the development of non destructive methodologies for the analysis of the stress state in the steel wires that forms the tensile armor of a six inch Flexible Riser. Through the monitoring of tensile tests, the influences of the load, microstructure and Lift off variations in the micromagnetic measurements had been analyzed. The results showed the good applicability of the micromagnetic methods, in sorting the microstructure effects from the stress analysis. Using the multi - technique approach, a good correlation (up to 90%) between load stress and the NDT stress (determined through the micromagnetic technique) had been found. The Lift off analysis showed promising results too, where, despite the high signal attenuation, good correlations between mechanical and micromagnetic properties had been observed.

O escoamento entre o poço marítimo e a unidade flutuante é realizado através de dutos definidos como risers. Os risers flexíveis são compostos por camadas intercaladas de diferentes materiais, como aço e polietileno, o qual cada camada possui uma função. Os mecanismos de falha mais reportados são referentes a danos na camada externa polimérica, o que leva à exposição de suas armaduras metálicas ao meio externo. Os risers rígidos são dutos fabricados normalmente em aço, formados por segmentos de dutos unidos por soldas, onde a causa de dano mais frequente é a corrosão. Tem-se como objetivo nesta dissertação, o projeto e desenvolvimento de uma ferramenta e de um método para operações submarinas em risers. A ferramenta deverá ser capaz de aplicar de forma automática, um clamp bipartido no reparo da camada externa polimérica de risers flexíveis, ou acoplar sistemas de monitoramento em risers rígidos. Já o método, deverá permitir a sua aplicação tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. Para isto, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de obter uma melhor compreensão sobre o tema estudado. Desenvolveu-se o projeto do método e da ferramenta, e, posteriormente, construiu-se o protótipo para a realização de testes de funcionamento em um duto rígido Por último, através de ensaios hidrostáticos de pressão interna e externa, realizaram-se ensaios para avaliação do comportamento do método aplicado em um duto rígido. Os ensaios comprovaram a eficácia do clamp quando aplicado em ambientes submarinos em grandes profundidades, porém apresentou vazamentos nos ensaios de pressão interna e externa. A resina epóxi utilizada não garantiu a estanqueidade, possivelmente devido a sua alta rigidez, aderência ineficaz em superfícies metálicas, ou presença de vazios ou porosidades. O ensaio de pressão interna indicou que as deformações não ultrapassaram o regime elástico tanto do duto quanto do clamp até aproximadamente 182 bar de pressão. No regime elástico, o ensaio apresentou deformações menores no clamp em relação ao duto, possivelmente porque a resina acabou absorvendo as deformações. O método demonstrou ser eficiente como recipiente para a resina, e também permitiu a montagem e fixação de um colar de sensores no seu interior. Os testes de funcionamento mostraram que a ferramenta projetada e construída mostrou-se adequada para a aplicação automática de um clamp bipartido em risers, e o método mostrou-se adequado para sua aplicação em risers, tanto no reparo quanto na proteção do sistema de monitoramento. / The drain between the maritime oil well and the floating unit is made trough pipes, which is defined as risers. The flexible risers are composed by alternate layers from different materials as steel and polyethylene, each layer has its function. The failure mechanisms more reported are referent to the damage in the external polymeric layer which leads to the exposition of the metal armature to the outside. The rigid risers are pipes usually fabricated in steel made by ducts segments connect by spot welding, where the most common damage is corrosion. This essay aims to project and create a tool and a method for submarine operations in risers. The tool must be able to apply, in an automatic way, a bipartite clamp in the repair of the flexible rises in external polymeric layer or to attach monitoring systems to the rigid risers. The method must allow its application in the repair as much as the monitoring system protection. For this, it was made a bibliographic review to obtain a better comprehension from the studied theme. A project from the method and a tool were developed, later a prototype was built to make the operation tests in a rigid pipe. At last, by internal and external pressure hydrostatic trials, were made tests to evaluate the behavior of the method applied in a rigid pipe The trials proved the efficiency of the clamps when applied in submarine environments and in depth; however there were leaks in the internal and external pressure tests. The Epóxi resin did not guarantee the leak-tightness, possible due to its hardness, ineffective adherence in metal surfaces or presence of gaps and porosities. The internal pressure trial indicated that the deformations did not exceed the elastic regime in the pipe as in the clamp until, about 182 pressure bar. In the elastic regime, the trial presented minor deformation in the clamps related to the pipe possibly, because the resin absorbed the deformation. The method has proven efficient as recipient for the resin and also allowed the assembly and fixation of a sensor collar in its interior. The operation tests showed that the designed and built tool is proper for an automatic bipartite clamp application in risers and the method has proven proper for its application in risers in repair as much as monitoring system protection.

Risers flexíveis são comumente utilizados como parte de sistemas submarinos de produção de petróleo, sendo caracterizados por uma estrutura tubular multicamadas. Durante a instalação ou operação, estes risers podem estar sujeitos a eventos externos que podem vir a causar avarias na sua camada externa. Neste sentido, em alguns casos, faz-se necessária a reavaliação da vida em fadiga destes risers, por estarem operando numa condição diferente daquela inicialmente prevista no projeto como, por exemplo, quando o espaço anular do riser configura um ambiente corrosivo. Este trabalho avalia, por meio de teste de fadiga e corrosão-fadiga, o efeito causado pela alteração da superfície corroída na resistência à fadiga de aços de armaduras de tração de um riser retirado do campo. A corrosão se deu pelo contato da água do mar com as armaduras devido a um dano na capa externa. A intensidade da corrosão e sua relação com a vida à fadiga foram avaliadas em duas regiões do riser, sendo uma no local do dano (ruptura da capa externa) e outra 5 metros afastada do mesmo. Por meio de medidas de rugosidade e análise por imagem, verificou-se que a corrosão na região afastada foi, em geral, da ordem de 30% inferior à observada na região do dano. Após avaliação da corrosão dos arames das duas regiões, procedeu-se com os testes de fadiga e corrosão-fadiga em escala reduzida. Os resultados mostraram que, apesar da diferença na corrosão, as duas regiões apresentaram desempenho similares à fadiga ao ar. Além disso, quando comparado com dados de arames íntegros de referência, os arames corroídos tiveram uma considerável redução da resistência à fadiga nos testes ar e corrosão-fadiga, evidenciando o efeito deletério dos pites de corrosão pré-existentes, mesmo com tamanhos reduzidos. A partir das medidas de profundidades e diâmetros dos pites e com uso de modelos teóricos, foram feitas estimativas dos fatores de concentração de tensões à fadiga, Kf, sendo encontrados valores próximos ao valor obtido experimentalmente. Com base nos resultados dos testes realizados, este trabalho contribuiu com importantes dados sobre a influência da pré-corrosão no desempenho à fadiga de arames, os quais podem subsidiar o processo de reavaliação de vida à fadiga de risers flexíveis e também discussões sobre as atuais metodologias de testes de corrosão-fadiga. / Flexible risers are commonly used as part of subsea production systems in oil and gas industry and they are characterized by multilayer tubular structure. During installation or operation, these risers may be subjected to external events that might cause damages to the outer sheath. Therefore, in some cases, it is necessary to reevaluate the fatigue life of these risers because they are operating in different conditions from that originally expected in the design phase, for instance, when the flexible pipe designed for intact annulus have the outer sheath breached. By using fatigue and corrosion fatigue testing, this study evaluates the corroded surface effect on the fatigue resistance of carbon steel tensile armor removed from service. The corrosion occurred due to a damage at the riser outer sheath, which exposed the armors to the seawater. The corrosion intensity and its association to the fatigue resistance were evaluated at two regions of the riser, one at the outer sheath damage and another 5 meters away from the breach. By using roughness measurements and image analysis, it was found corrosion approximately 30% lower at the away location when compared to the damage region. After corrosion evaluation, small scale fatigue and corrosion-fatigue tests were conducted. The results showed that, despite the significant difference in corrosion, both regions presented similar fatigue life in ar. In addition, when compared to intact wires from reference data, the corroded wires had a fatigue resistance reduction for tests in both air and corrosive mean, demonstrating the detrimental effect of pre-existing corrosion pits. From the pits depths and diameters along with theoretical models, fatigue notch factors were estimated and the values were quite close to the one obtained experimentally. Based on tests results, this study contributes with important data about the influence of pre-corrosion in fatigue performance of wires, which can support the process of fatigue life reevaluation for flexible risers and discussions on current methodologies used for corrosion-fatigue tests.

Risers flexíveis são comumente utilizados como parte de sistemas submarinos de produção de petróleo, sendo caracterizados por uma estrutura tubular multicamadas. Durante a instalação ou operação, estes risers podem estar sujeitos a eventos externos que podem vir a causar avarias na sua camada externa. Neste sentido, em alguns casos, faz-se necessária a reavaliação da vida em fadiga destes risers, por estarem operando numa condição diferente daquela inicialmente prevista no projeto como, por exemplo, quando o espaço anular do riser configura um ambiente corrosivo. Este trabalho avalia, por meio de teste de fadiga e corrosão-fadiga, o efeito causado pela alteração da superfície corroída na resistência à fadiga de aços de armaduras de tração de um riser retirado do campo. A corrosão se deu pelo contato da água do mar com as armaduras devido a um dano na capa externa. A intensidade da corrosão e sua relação com a vida à fadiga foram avaliadas em duas regiões do riser, sendo uma no local do dano (ruptura da capa externa) e outra 5 metros afastada do mesmo. Por meio de medidas de rugosidade e análise por imagem, verificou-se que a corrosão na região afastada foi, em geral, da ordem de 30% inferior à observada na região do dano. Após avaliação da corrosão dos arames das duas regiões, procedeu-se com os testes de fadiga e corrosão-fadiga em escala reduzida. Os resultados mostraram que, apesar da diferença na corrosão, as duas regiões apresentaram desempenho similares à fadiga ao ar. Além disso, quando comparado com dados de arames íntegros de referência, os arames corroídos tiveram uma considerável redução da resistência à fadiga nos testes ar e corrosão-fadiga, evidenciando o efeito deletério dos pites de corrosão pré-existentes, mesmo com tamanhos reduzidos. A partir das medidas de profundidades e diâmetros dos pites e com uso de modelos teóricos, foram feitas estimativas dos fatores de concentração de tensões à fadiga, Kf, sendo encontrados valores próximos ao valor obtido experimentalmente. Com base nos resultados dos testes realizados, este trabalho contribuiu com importantes dados sobre a influência da pré-corrosão no desempenho à fadiga de arames, os quais podem subsidiar o processo de reavaliação de vida à fadiga de risers flexíveis e também discussões sobre as atuais metodologias de testes de corrosão-fadiga. / Flexible risers are commonly used as part of subsea production systems in oil and gas industry and they are characterized by multilayer tubular structure. During installation or operation, these risers may be subjected to external events that might cause damages to the outer sheath. Therefore, in some cases, it is necessary to reevaluate the fatigue life of these risers because they are operating in different conditions from that originally expected in the design phase, for instance, when the flexible pipe designed for intact annulus have the outer sheath breached. By using fatigue and corrosion fatigue testing, this study evaluates the corroded surface effect on the fatigue resistance of carbon steel tensile armor removed from service. The corrosion occurred due to a damage at the riser outer sheath, which exposed the armors to the seawater. The corrosion intensity and its association to the fatigue resistance were evaluated at two regions of the riser, one at the outer sheath damage and another 5 meters away from the breach. By using roughness measurements and image analysis, it was found corrosion approximately 30% lower at the away location when compared to the damage region. After corrosion evaluation, small scale fatigue and corrosion-fatigue tests were conducted. The results showed that, despite the significant difference in corrosion, both regions presented similar fatigue life in ar. In addition, when compared to intact wires from reference data, the corroded wires had a fatigue resistance reduction for tests in both air and corrosive mean, demonstrating the detrimental effect of pre-existing corrosion pits. From the pits depths and diameters along with theoretical models, fatigue notch factors were estimated and the values were quite close to the one obtained experimentally. Based on tests results, this study contributes with important data about the influence of pre-corrosion in fatigue performance of wires, which can support the process of fatigue life reevaluation for flexible risers and discussions on current methodologies used for corrosion-fatigue tests.