A Engenharia Offshore está sempre em evolução, motivada pela busca de novos poços de petróleo, o que acarreta em maiores lâminas dágua e demanda novas tecnologias que tornem o processo viável. Neste contexto, não apenas novos tipos de plataformas são desenvolvidas, mas também novos tipos de tubos flexíveis e cabos umbilicais. A maior dificuldade de gerar esses novos tipos de cabos é determinar a sua viabilidade. Tubos flexíveis e cabos umbilicais são de difícil modelagem, devido à interação entre as camadas, além de difícil concepção, dada a grande variedade de componentes e o grande número de configurações possíveis. O processo de concepção desses cabos é baseado nas funções que os elementos que os compõem têm de cumprir, levando aos tipos de componente que serão utilizados. O processo consiste em definir as funções que o cabo deverá executar e selecionar os elementos que o irão compor. Esse processo deve levar em conta as características estruturais e respeitar restrições definidas no projeto. Com o objetivo de tornar o processo de concepção desses cabos menos laboriosa, propõe-se neste trabalho uma ferramenta computacional do tipo CAD (do inglês Computer Aided Design), bem como um modelo de mecânica interna para tratar da interação entre as camadas. A ferramenta CAD aqui proposta difere das demais por facilitar em muito a definição do cabo e de suas funções. Ela inclui ainda ferramentas de verificação da configuração final através de um modelo 3D. Ela permite ao usuário criar uma configuração totalmente nova a partir de uma biblioteca de elementos previamente definido. O software ainda oferece a visualização tridimensional, que facilita a verificação de certos erros de projeto intrínsecos a esses tipos de cabo bem como a visualização de resultados advindos do modelo. Outra possibilidade que o CAD traz é a utilização de seus módulos bi e tridimensional como pré e pós processadores de outros modelos, não somente o proposto aqui. Isso aumenta em muito as possibilidades de utilização. Propõe-se um modelo de elementos finitos com elementos feitos sob medida, denominados aqui como macro-elementos. Nessa modelagem, os elementos são descritos com mais detalhes, procurando levar em conta as características dos elementos físicos que pretendem representar, minimizando o número de elementos necessários para descrever o problema como um todo. Com esse tipo de abordagem, pretende-se utilizar todas as potencialidades dos modelos numéricos, como por exemplo o abrandamento de certas hipóteses, com as do modelo analítico, incorporando características do elemento físico no modelo matemático. Nesse trabalho propõe-se elementos cilíndricos para capas e tubos equivalentes, elementos de tendão e elementos de ligação e contato. / The offshore industry is in constant evolution due to the need of reaching new oil fields in increasingly water depths. In this scenario, not only new types of platforms are being designed, but also new types of flexible pipes and new umbilical cable configurations. The greatest difficulty to generate a new concept for a riser is to determine if it is viable or not. Flexible pipes and umbilical cables are complicated to model, due to the interactions between their layers, and to design, due to the great variety of components and possible arrangements. The design of those elements is based on the functions they are intended to perform, leading to the elements that will be selected. The process consists on defining the cable features and selecting the elements that will compose it. The process should take into account the desired structural characteristics and must respect constraints defined in the project. Aiming to turn the conception of these cables into a less laborious process, this work proposes Computer Aided Design (CAD) software, as well an internal mechanic model to deal with the layer interaction. The CAD tool proposed in this work differs from the others by making the cable definition and functions easier. It also includes tools for verification of the cable using a 3D model. It makes possible to the user to create a totally new configuration based on a predefined component library. The software also has a tri-dimensional visualization module, which makes the verification of certain errors attached to the project of such cables, as well enables the visualization of results from the model. Another possibility that the CAD offers is the use of the two and three-dimensional modules as pre- and post processors for other models, not only the one proposed here. This greatly increases its usage possibilities. It is also proposed a finite element model with custom-made elements, called here macro-elements. In this modeling, the elements are described with more details, taking into account the characteristics of the targeted physical elements, minimizing the number of the necessary elements to describe the problem as a whole. With this kind of approach, one intends to utilize all the potentialities from both numerical models, such as the relaxation of certain hypothesis, and analytical models, bundling into the mathematical model the physical characteristics of the element. It is proposed in this work cylindrical elements for sheaths and equivalent tubes, tendon elements and contact and connection elements.

O presente trabalho propõe um modelo para avaliar a confiabilidade estrutural do cabo umbilical, levando em consideração os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica. Esta análise é focada na avaliação estrutural das armaduras metálicas, dado que estes elementos suportam quase toda a carga à tração e limitam as deformações axiais da estrutura sem prejudicar significativamente a flexibilidade; desconsidera-se, portanto, o efeito estrutural do núcleo electro-óptico e das camadas polimérica interna e externa. Para esta finalidade são consideradas as tensões originadas pelos carregamentos das ondas do mar atuantes no cabo umbilical durante sua vida em serviço (plataforma semi-submersível GVA 4500 que opera na Bacia de Campos numa lâmina d água de 1000 m), assim como a geometria e as propriedades mecânicas das armaduras de tração utilizadas nos umbilicais dessas plataformas. Através da formulação de um modelo do cabo umbilical feito pelo Método dos Elementos Finitos determinou-se o histórico de tensões atuantes na estrutura, foram estimadas as funções de densidade de probabilidade da tensão estática e da tensão alternada corrigida para curto e longo prazo, as quais caracterizam o carregamento atuante provocado pelas ondas do mar. A caracterização do material é alcançada através de análise química e ensaios de tração. Finalmente, a metodologia proposta, que considera os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica é implementada na prática. / A model to evaluate the structural reliability of the umbilical cable, taking into accounts the failure mechanism for yield strength and mechanical fatigue is proposed in this work. This analysis is focused on the structural evaluation of the metallic armors, given that these elements almost support the whole tensile load and they limit the axial deformations of the structure without harming the flexibility significantly, therefore, the structural effect of the electro-optical nucleus and the internal and external polymeric layers are not considered. For this purpose, the tensions originated by the loading of the waves of the active sea in the umbilical during its service life are considered (semi-submergible platform GVA 4500 that operates in Bacia de Campos into 1000 meters water depth), as well as the geometry and the mechanical properties of the tensile armors used in the umbilical of this platform. Through the formulation of a model for the umbilical cable, developed by the Finite Elements Method, the sequence of active tensions in the structure was determined and then the functions of density of probability of the static tension and of the alternate tension corrected for short and long period were estimated, which characterize the active loading caused by the waves of the sea. The characterization of the material is achieved through chemical analysis and tensile test. Finally, the proposed methodology, which considers the failure mechanisms by yields and mechanical fatigue is implemented in practice.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

O presente trabalho propõe um modelo para avaliar a confiabilidade estrutural do cabo umbilical, levando em consideração os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica. Esta análise é focada na avaliação estrutural das armaduras metálicas, dado que estes elementos suportam quase toda a carga à tração e limitam as deformações axiais da estrutura sem prejudicar significativamente a flexibilidade; desconsidera-se, portanto, o efeito estrutural do núcleo electro-óptico e das camadas polimérica interna e externa. Para esta finalidade são consideradas as tensões originadas pelos carregamentos das ondas do mar atuantes no cabo umbilical durante sua vida em serviço (plataforma semi-submersível GVA 4500 que opera na Bacia de Campos numa lâmina d água de 1000 m), assim como a geometria e as propriedades mecânicas das armaduras de tração utilizadas nos umbilicais dessas plataformas. Através da formulação de um modelo do cabo umbilical feito pelo Método dos Elementos Finitos determinou-se o histórico de tensões atuantes na estrutura, foram estimadas as funções de densidade de probabilidade da tensão estática e da tensão alternada corrigida para curto e longo prazo, as quais caracterizam o carregamento atuante provocado pelas ondas do mar. A caracterização do material é alcançada através de análise química e ensaios de tração. Finalmente, a metodologia proposta, que considera os mecanismos de falha por escoamento e por fadiga mecânica é implementada na prática. / A model to evaluate the structural reliability of the umbilical cable, taking into accounts the failure mechanism for yield strength and mechanical fatigue is proposed in this work. This analysis is focused on the structural evaluation of the metallic armors, given that these elements almost support the whole tensile load and they limit the axial deformations of the structure without harming the flexibility significantly, therefore, the structural effect of the electro-optical nucleus and the internal and external polymeric layers are not considered. For this purpose, the tensions originated by the loading of the waves of the active sea in the umbilical during its service life are considered (semi-submergible platform GVA 4500 that operates in Bacia de Campos into 1000 meters water depth), as well as the geometry and the mechanical properties of the tensile armors used in the umbilical of this platform. Through the formulation of a model for the umbilical cable, developed by the Finite Elements Method, the sequence of active tensions in the structure was determined and then the functions of density of probability of the static tension and of the alternate tension corrected for short and long period were estimated, which characterize the active loading caused by the waves of the sea. The characterization of the material is achieved through chemical analysis and tensile test. Finally, the proposed methodology, which considers the failure mechanisms by yields and mechanical fatigue is implemented in practice.

No presente trabalho é proposto um método para estabelecer um critério de falha da camada polimérica externa dos cabos umbilicais usados em operações offshore. O método proposta baseia-se na determinação do incremento da quantidade de água absorvida pela camada polimérica externa do cabo devido à deterioração provocada pelos carregamentos cíclicos e o envelhecimento originados pelo meio marinho. Este método propõe a realização de um ensaio de fadiga à tração uniaxial no polímero que compõe a camada externa do cabo. O teste é feito simulando as solicitações a que é submetida a camada externa do umbilical durante os ensaios de fadiga feitos, segundo a norma API 17E, durante o processo de homologação do cabo. Além disso, se propõe fazer um ensaio de envelhecimento artificial no polímero da camada externa simulando as condições de serviço do cabo no meio marinho. Com o fim de avaliar a influência dos carregamentos cíclicos e o os agentes do meio marinho nas propriedades do polímero, são feitos ensaios de absorção de água segundo a norma ASTM D 570, ensaios de tração segundo a norma ASTM D 638, ensaios de dureza segundo a norma ASTM D 2240 e observações num microscópio eletrônico de varredura. Finalmente a partir do incremento de massa sofrido pelo polímero no ensaio de absorção de água foi estimado o dano no material da camada externa do cabo. Os resultados obtidos no trabalho mostraram que os carregamentos cíclicos e o meio marinho aceleraram o processo de degradação da camada polimérica externa do umbilical demonstrando assim a eficiência do método proposto. / In the present work is proposed a method to establish a failure criterion of the polymeric external layer of umbilical cables used in offshore operations. The proposed method is based on the determination of the increment of the quantity of absorbed water by the polymeric external layer of the cable due to deterioration caused by cyclic loads and the aging process originated by the marine environment. The method proposes to carry out a uniaxial fatigue test on the polymer that composes the external layer of the cable. This test is made simulating the cyclical deformation that the external layer is submitted in the umbilical during the fatigue test done, according to the API 17E standard, during the process of cable homologation. It is also intended to make an artificial aging test in the polymeric external layer simulating the service conditions of the cable in the marine environment. In order to evaluate of the cyclical loads and the sea set aging influence on the properties of the polymer, carry out water absorption test according to the ASTM D 570 standard, traction test according to the ASTM D 638 standard, hardness test according to the ASTM D 2240 standard and observations in an scanning electron microscopy. Finally starting from the mass increment suffered by the polymer in the water absorption test it was estimated the damage in the external layer material of the cable. The results obtained in this work showed that the cyclical loads and marine environment accelerated the degradation process of polymeric external layer of umbilical cable demonstrating the efficiency of the proposed method.

Variable frequency drives (VFD) and subsea (umbilical) cables are frequently used in electrical submersible pump (ESP) systems for offshore platforms. There are two basic system configurations for ESP systems; VFD can be installed on the platform and the motor is connected to it through an umbilical cable, and VFD and the motor are installed closely and they are connected to the system through an umbilical cable. In this thesis, the pros and cons of each configuration are mentioned, but the focus is on the system with a VFD controlled motor through a long umbilical cable. A 36-pulse VFD is studied. Since multilevel VFDs have high frequency harmonics, high frequency modeling of the umbilical cable is used, and skin effect is also taken into consideration in the cable. The effect of the interactions between the umbilical cable and high frequency harmonics on the motor terminal voltage is explored.

A Engenharia Offshore está sempre em evolução, motivada pela busca de novos poços de petróleo, o que acarreta em maiores lâminas dágua e demanda novas tecnologias que tornem o processo viável. Neste contexto, não apenas novos tipos de plataformas são desenvolvidas, mas também novos tipos de tubos flexíveis e cabos umbilicais. A maior dificuldade de gerar esses novos tipos de cabos é determinar a sua viabilidade. Tubos flexíveis e cabos umbilicais são de difícil modelagem, devido à interação entre as camadas, além de difícil concepção, dada a grande variedade de componentes e o grande número de configurações possíveis. O processo de concepção desses cabos é baseado nas funções que os elementos que os compõem têm de cumprir, levando aos tipos de componente que serão utilizados. O processo consiste em definir as funções que o cabo deverá executar e selecionar os elementos que o irão compor. Esse processo deve levar em conta as características estruturais e respeitar restrições definidas no projeto. Com o objetivo de tornar o processo de concepção desses cabos menos laboriosa, propõe-se neste trabalho uma ferramenta computacional do tipo CAD (do inglês Computer Aided Design), bem como um modelo de mecânica interna para tratar da interação entre as camadas. A ferramenta CAD aqui proposta difere das demais por facilitar em muito a definição do cabo e de suas funções. Ela inclui ainda ferramentas de verificação da configuração final através de um modelo 3D. Ela permite ao usuário criar uma configuração totalmente nova a partir de uma biblioteca de elementos previamente definido. O software ainda oferece a visualização tridimensional, que facilita a verificação de certos erros de projeto intrínsecos a esses tipos de cabo bem como a visualização de resultados advindos do modelo. Outra possibilidade que o CAD traz é a utilização de seus módulos bi e tridimensional como pré e pós processadores de outros modelos, não somente o proposto aqui. Isso aumenta em muito as possibilidades de utilização. Propõe-se um modelo de elementos finitos com elementos feitos sob medida, denominados aqui como macro-elementos. Nessa modelagem, os elementos são descritos com mais detalhes, procurando levar em conta as características dos elementos físicos que pretendem representar, minimizando o número de elementos necessários para descrever o problema como um todo. Com esse tipo de abordagem, pretende-se utilizar todas as potencialidades dos modelos numéricos, como por exemplo o abrandamento de certas hipóteses, com as do modelo analítico, incorporando características do elemento físico no modelo matemático. Nesse trabalho propõe-se elementos cilíndricos para capas e tubos equivalentes, elementos de tendão e elementos de ligação e contato. / The offshore industry is in constant evolution due to the need of reaching new oil fields in increasingly water depths. In this scenario, not only new types of platforms are being designed, but also new types of flexible pipes and new umbilical cable configurations. The greatest difficulty to generate a new concept for a riser is to determine if it is viable or not. Flexible pipes and umbilical cables are complicated to model, due to the interactions between their layers, and to design, due to the great variety of components and possible arrangements. The design of those elements is based on the functions they are intended to perform, leading to the elements that will be selected. The process consists on defining the cable features and selecting the elements that will compose it. The process should take into account the desired structural characteristics and must respect constraints defined in the project. Aiming to turn the conception of these cables into a less laborious process, this work proposes Computer Aided Design (CAD) software, as well an internal mechanic model to deal with the layer interaction. The CAD tool proposed in this work differs from the others by making the cable definition and functions easier. It also includes tools for verification of the cable using a 3D model. It makes possible to the user to create a totally new configuration based on a predefined component library. The software also has a tri-dimensional visualization module, which makes the verification of certain errors attached to the project of such cables, as well enables the visualization of results from the model. Another possibility that the CAD offers is the use of the two and three-dimensional modules as pre- and post processors for other models, not only the one proposed here. This greatly increases its usage possibilities. It is also proposed a finite element model with custom-made elements, called here macro-elements. In this modeling, the elements are described with more details, taking into account the characteristics of the targeted physical elements, minimizing the number of the necessary elements to describe the problem as a whole. With this kind of approach, one intends to utilize all the potentialities from both numerical models, such as the relaxation of certain hypothesis, and analytical models, bundling into the mathematical model the physical characteristics of the element. It is proposed in this work cylindrical elements for sheaths and equivalent tubes, tendon elements and contact and connection elements.