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.