[pt] Apresenta-se uma metodologia de análise numérica para dutos enterrados usados no transporte de petróleo e gás, considerando não-linearidades geométricas e não linearidades de material baseada na formulação Lagrangeana Total. Emprega-se uma modelagem com base em uma discretização com elementos especiais de viga. As equações de equilíbrio são formuladas a partir do principio dos trabalhos virtuais, segundo as componentes de tensão e deformação no elemento viga-duto, com emprego da técnica do Módulo Reduzido de Integração Direta (RMDI), na qual incorpora-se o comportamento plástico do material. Esta técnica exclui da análise os efeitos da flambagem local nas paredes do duto. As matrizes para resolução por elementos finitos destas equações são derivadas. Incorporam- se, nesta metodologia os efeitos de pressão interna constante no duto assim como a interação solo-duto através da modelagem do solo por meio de molas elasto-plásticas verticais e horizontais. Na modelagem desenvolvida as cargas distribuídas são consideradas como constantes no sistema global de eixos. Desenvolve-se um programa para computador segundo a metodologia apresentada. São estudados alguns exemplos com o objetivo de avaliar numericamente os resultados de análise obtidos e formular algumas conclusões sobre o comportamento de dutos enterrados. / [en] This work presents a numerical methodology for the analysis of buried pipes employed by the transport of oil and gas. Both geometric and material nonlinearities are considered in a total Lagrangean formulation. A special type of beam element is employed in the finite element discretization. The equilibrium equations are formulated based on the virtual work principle considering the stress and deformation components of the beam-pipe element. The Reduced Modulus Direct Integration (RMDI) technique is employed through which the plastic material behavior is incorporated. This technique excludes from the analysis the local buckling effects of the pipe walls. The corresponding finite element matrices for this element are obtained. In this methodology the effects of the constant internal pressure as well as the soil-pipe interaction by means of elastic-plastic uplift, bearing and longitudinal springs are included. Distributed loads are considered constant with respect to the global axis. A computer code is developed according to the methodology presented. Some examples are studied with the objective to evaluate numerically the analysis results and to formulate some conclusions to the behavior of buried pipes.

[pt] O crescimento da demanda por serviços de telecomunicações em terra firme também pode ser encontrado em ambientes marítimos por usuários a bordo de embarcações, sejam elas civis ou militares. Nestes ambientes, um fenômeno conhecido como duto de evaporação influencia a propagação eletromagnética na troposfera, proporcionando a comunicação ponto-a-ponto em distâncias além do horizonte rádio. Este trabalho utiliza a técnica de traçado de raios para analisar o comportamento da onda eletromagnética nestes meios. Foi elaborado um algoritmo capaz de traçar raios e determinar amplitudes e fases do campo elétrico em meios inomogêneos bidimensionais dado um mapa de refratividade modificada M. A partir destes mapas, o algoritmo calcula os gradientes verticais de M, que podem variar ao longo do percurso, e traça os raios, a partir da antena transmissora. Como aplicação, além de cenários com dutos de evaporação, foram utilizados mapas de M estimados com base em dados meteorológicos fornecidos por radiossondas lançadas no litoral brasileiro. Os resultados obtidos foram comparados aos fornecidos pelo software Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS), baseado na solução numérica de equação parabólica. Este trabalho também apresenta resultados estatísticos de dutos de evaporação no litoral brasileiro, a partir de dados meteorológicos fornecidos por boias oceanográficas do Programa Nacional de Boias (PNBOIA). Para tal, é utilizado, com pequenas alterações, o algoritmo de Paulus-Jeske, que estima a altura de dutos de evaporação. / [en] The demand growth for land-based telecommunications services can also be found in maritime environments by users on board ships, whether civilian or military. In these environments, a phenomenon known as the evaporation duct influences electromagnetic propagation in the troposphere, providing point-to-point communication at distances beyond the radio horizon. This work uses the raytracing technique to analyze the behavior of electromagnetic waves in these media. An algorithm capable of tracing rays and determining electric field amplitudes and phases in two-dimensional inhomogeneous media was developed, given a map of modified refractivity M. From these maps, the algorithm calculates the vertical gradients of M, which can vary along the path, and traces rays from the transmitting antenna. As an application, in addition to scenarios with evaporation ducts, M maps were estimated based on meteorological data provided by radiosondes launched in the Brazilian coast. The results obtained were compared with those provided by the Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS) software, based on the numerical solution of parabolic equation. This work also presents statistical results of evaporation ducts in the Brazilian coast, based on meteorological data provided by oceanographic buoys of Programa Nacional de Boias (PNBOIA). For this, the Paulus-Jeske algorithm, which estimates the height of the evaporation ducts, is used with small changes.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-03-12T16:50:19Z No. of bitstreams: 1 GICELIA MOREIRA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 5021034 bytes, checksum: 457c2c52b8b0021ca9e6c10a53a0f200 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-12T16:50:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GICELIA MOREIRA - DISSERTAÇÃO PPGEQ 2016..pdf: 5021034 bytes, checksum: 457c2c52b8b0021ca9e6c10a53a0f200 (MD5) Previous issue date: 2016-03-30 / Vazamento em oleodutos, além de prejuízos financeiros pode causar diversos danos ambientais, onde, o conhecimento dos fenômenos interfaciais de líquidos imiscíveis permite entender o processo de migração advectiva em dutos submarinos. Portanto, estas informações, possibilitam prever o comportamento e a forma geométrica da interface água-óleo e fornecer uma boa fundamentação fenomenológica no que diz respeito às teorias de perturbação, aos critérios de estabilidade e a modelagem matemática, bem como os padrões de escoamento nas vizinhanças do vazamento em dutos submersos. Diante disto, este trabalho, tem por objetivo estudar numericamente a influência do vazamento de óleo no mar a partir de duto submerso e vice-versa sobre o comportamento de fluidos. Para isso, adotou-se um modelo bidimensional com base nas equações de conservação de massa, momento linear e o modelo de turbulência k-ε padrão disponibilizado no Ansys CFX. O comportamento dinâmico do óleo e da água é representado com auxílio de campos de pressão, velocidade superficial e fração volumétrica de óleo e da água, vetores de velocidade. Os resultados das simulações indicam a presença de vazamento de óleo na correnteza marítima e de água para a corrente de óleo no tubo através do orifício de vazamento. / Leaks in pipelines, beyond financial losses can cause various environmental damage, where the knowledge of interfacial phenomena of immiscible liquids allows us to understand the advective migration process in subsea pipelines. Therefore, these informations allows to predict the behavior and geometrical form of water-oil interface and provide a good phenomenological foundation with respect to the theories of perturbation, the criteria of stability and the mathematical model as well as the flow patterns in around of the leakage starting from underwater pipelines. In view of this, this work aims to numerically study the influence of the oil leak in the sea starting from submerged pipe or the opposite about behavior of fluids. For this, it was adopted a two-dimensional model based on mass conservation and linear momentum equations and the k-ε standard turbulence model available in Ansys CFX. The dynamic behavior of oil and water is shown with the aid of pressure, superficial velocity and volumetric fraction fields of oil and water and velocity vectors. The simulation results indicate the presence of oil spills in sea water in the stream and the water for oil tube through of the orifice leakage.

Propõe-se o estudo do separador gravitacional de fundo de poço do tipo shroud invertido para poços direcionais e horizontais. A geometria inovadora é observada pela inclinação imposta, solução que transforma um escoamento vertical descendente, veloz e caótico, num escoamento inclinado e segregado em canal livre. Com a inclinação, minimizasse a incorporação de gás, no impacto do escoamento em superfície livre contra a interface de líquido formada pelo nível do anular interno (NAI), e a segregação é incrementada devido ao gradiente de velocidades e ao aparecimento da componente da gravidade na direção radial do poço de petróleo. O trabalho experimental tem como uma de suas metas o levantamento da eficiência de separação em função das vazões de líquido e gás, do ângulo de inclinação e o grau de interferência do escoamento no duto anular formado entre o separador e a parede do poço de petróleo, chamado neste trabalho de anular externo. Foi feito um trabalho de semelhança dimensional e foram detectados os números adimensionais pertinentes ao problema. Constatou-se que a vazão de gás e o escoamento no anular externo não interferem na eficiência de separação. Além disso, foi realizado um trabalho de caracterização dos padrões do escoamento gás-líquido em duto anular, através de visualização e análise no domínio do tempo e da frequência do sinal dinâmico da queda de pressão. Também são propostos dois modelos matemáticos, um modelo fenomenológico baseado em princípios físicos fundamentais, que foi capaz de prever com eficácia a região de máxima eficiência do separador shroud invertido, e um modelo numérico, que reproduziu a fenomenologia do processo de separação do gás. / This research project proposes the study of the inverted-shroud gravitational gas separator for directional and horizontal wells. The innovative geometry is observed by the inclination that transforms a vertical, fast and chaotic downward flow into an inclined and segregated free channel flow. Due to inclination, the incorporation of gas at the internal gasliquid interface (NAI) is minimized; the segregation is increased due to the velocity gradient and the gravitational term that arises in the radial direction of the oil well. One of the aims of the experimental work is the obtaining of new data of gas separation efficiency as a function of the flow of liquid and gas, inclination angle and the evaluation of the degree of interference of the external annular duct flow. A dimensional analysis was undertaken to identify the relevant dimensionless numbers. It was found that the gas flow and the flow pattern in the external annular duct do not interfere in the separation efficiency. A flow pattern characterization was carried out through visualization and time and frequency domain analysis of differential pressure signature signal. Two mathematical models are proposed, a phenomenological model based on fundamental physical principles, which was able to predict with good accuracy the region of maximum separation efficiency, and a numerical model, which reproduced the phenomenology of the gas separation process.

Operações de produção de petróleo, que utilizam sistemas de bombeamento centrífugo submerso, constantemente encontram a presença de gás livre nos poços, o que pode gerar ou agravar problemas como cavitação e falhas dinâmicas, quando o gás é succionado pela bomba. O separador gravitacional do tipo shroud invertido é uma solução possível para este problema nos casos de operação em poços direcionais de petróleo. O trabalho tem como objetivo apresentar um estudo do diâmetro das bolhas que ocorrem no interior de um separador gravitacional gás-líquido do tipo shroud invertido. A finalidade é o aprimoramento de um modelo fenomenológico do funcionamento deste tipo de separador, aplicado à indústria petrolífera, sendo que o modelo fenomenológico garante total separação de gás, fornecidas determinadas condições. O modelo prevê, através do cálculo da energia cinética turbulenta, o tamanho médio das bolhas carregadas para o seio do líquido por aeração no duto anular. Partindo de estudos anteriores, uma verificação do modelo fenomenológico foi feita utilizando um aparato experimental com misturas bifásicas ar-água e ar-óleo em três diferentes inclinações. O aparato possui dimensões radiais reais de um poço de petróleo offshore. Foi utilizado um sensor 3D ORM para a medição do tamanho médio (sauter) das bolhas arrastadas pelo líquido até a entrada do tubo de produção, em diversas combinações de vazões da mistura água-ar. Esta medição permite o ajuste das correlações que regem o modelo fenomenológico, no que diz respeito às equações dependentes do diâmetro teórico de bolhas arrastadas pela fase líquida. As descobertas provenientes deste estudo foram implementadas em um código computacional que será utilizado pela PETROBRAS, financiadora do projeto, para suas operações de bombeamento. / Oil mining operations powered by centrifugal submersible pumping systems suffer constant setbacks due to the presence of free gas in wells. Decompression in the reservoir liberates this gas in the form of bubbles that, upon reaching the suction end of the pump, cause cavitation and dynamic failures resulting in production and equipment losses. The Inverted-shroud gravitational separator is a possible solution to this problem. This work presents a study on diameters of bubbles that occur inside this separator. The goal is the improvement of the understanding of this kind of separator as well as the enhancement of a previously reported phenomenological model, which ensures total gas separation when the separator is installed in directional wells and under specific operational conditions. Empirically adjusted correlations are used to ensure that all entrained bubbles do not reach the pump. The model was tested for two-phase flows of water-air and oil-air mixtures using three different inclinations. Tests were performed with an experimental apparatus that simulates a pilot-scale well casing with an inverted-shroud separator installed. A 3D ORM particle-size sensor was employed in order to measure the average (sauter) diameter of entrained bubbles that are dragged by the liquid flow towards the end of the production tube. This investigation will be used to improve the reliability of the phenomenological model and reduce its dependency on a theoretical prediction of the bubble size. The findings were incorporated to the final version of an in-house gas separator design software developed at the request of PETROBRAS, the project funder and Inverted-shroud patent holder, for usage on its oil mining operations.

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.