A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

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.

Tubos flexíveis são amplamente utilizados na indústria offshore. Essas estruturas são empregadas no transporte de fluidos, na exploração de petróleo em águas profundas. Suas diversas camadas conferem propriedades, como a resistência mecânica e a impermeabilidade, que são importantes em ambientes de condições adversas. A instalação é uma etapa crítica da vida útil dos tubos flexíveis, visto que os carregamentos de lançamento podem danificar a estrutura dos mesmos. As cargas predominantes durante essa etapa são o peso próprio da linha, os esforços de compressão radial que são impostos ao tubo pelas sapatas dos tensionadores e a pressão de estrangulamento aplicada ao tubo pelas armaduras de tração. A magnitude dessas cargas está diretamente associada à profundidade de lançamento. O presente trabalho tem como objetivo a análise qualitativa dos principais parâmetros responsáveis pela falha dos tubos flexíveis quando submetidos aos carregamentos de lançamento. O comportamento do tubo é investigado em função da variação das cargas de esmagamento (crushing) e de estrangulamento (squeezing) com a profundidade de lançamento da linha. Esse estudo é conduzido através da proposição de modelos numéricos baseados no método dos Elementos Finitos. Aspectos importantes de modelagem como a representação do perfil real das camadas metálicas e das sapatas e a avaliação dos contatos entre as camadas são considerados nos modelos propostos. Os parâmetros de investigação são: a quantidade de sapatas e seu ângulo de abertura; a adição da capa polimérica externa e o estudo de seu contato com as sapatas; a rigidez das sapatas; e a profundidade de falha do tubo com atuação simultânea dos carregamentos de esmagamento e estrangulamento. A avaliação da influência desses parâmetros na falha do tubo flexível durante o lançamento é o escopo deste trabalho. Essa análise ainda proporcionou a determinação das regiões de escoamento das camadas metálicas considerando cada uma das variáveis avaliadas. Através deste trabalho, foi possível perceber que todos os parâmetros investigados têm influência na falha do tubo flexível. Alguns, no entanto, como o tipo de contato entre a camada polimérica externa e as sapatas, e a atuação do carregamento de estrangulamento no tubo não atuam de maneira significativa na falha. Assim, foi eleita uma configuração de lançamento a favor da segurança para o tubo investigado com base nos parâmetros estudados. / Flexible pipes are widely used in the offshore industry. These structures are employed in the transportation of fluids in deep-water oil exploitation. Its several layers provide different properties as mechanical strength and tightness that are important for operation in harsh environment condition. The installation procedure is critical in the life cycle of flexible pipes since the installation loads can damage the pipe structure. The prevailing loads during this step are the pipe weight, radial compressive forces applied to the pipe by the shoes of the tensioners, and the squeezing loads applied to the pipe by the tensile armors. The extent of these loads is directly linked with the launching depth. The main goal of this dissertation is the qualitative analysis of the main parameters that leads the pipe to failure by the installation loads. The behavior of the pipe is investigated considering the change in crushing and squeezing loads with the launching depth. This analysis is done through numerical models based on the Finite Element Method. Important modeling assumptions such as the representation of the actual profile of the layers and shoes and contact-pair between the layers are features taken in account into the models presented. The parameters investigated are: the number of shoes and their opening angle; the addition of the external polymeric sheath, and the study of their contact with the shoes; the stiffness of the shoes; and the depth by which the failure of the tube occurs when the crushing and squeezing loads are applied. The scope of this work is the evaluation of these parameters in the tube failure during installation. This analysis also provided to determine the regions of layers yielding considering one of the variables. Through this work, it was noticed that all parameters investigated contribute to the tube failure. However, some of them such as the contact between the external polymeric sheath and shoes, and the squeezing load do affect significantly to failure. Therefore, a launching configuration was chosen respecting the safety of the pipe, and based on the parameters investigated.

A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

Yes / Because of the recent worldwide construction expansion, new roads and buildings may be constructed over already existing buried infrastructures e.g. buried utility pipes, leading to excessive loads threatening their stability and longevity. Limited research studies are available to assess the effect of geogrid reinforcing layers inclusion on mitigating the additional stresses on buried structures due to cyclic loadings. In this research, large-scale fully instrumented laboratory tests were conducted to investigate the behaviour of flexible High-Density Polyethylene pipes (HDPE), in unreinforced and geogrid-reinforced sand, subjected to incrementally increasing cyclic loading, e.g. due to different vehicles capacities or load increase with passing time. Results illustrated that deformation rate in pipe and footing, strain generation rate in pipe and reinforcing layers are rapidly increased in the initial loading cycles, in particular during the first 300 cycles, and then the rate of change decreases significantly, as more cycles are applied. In the unreinforced case, increasing the pipe burial depth significantly reduced the generated deformation and strain in the pipe; however, it has a situational effect on the footing settlement, where it increased after pipe burial depth to its diameter ratio (H/D) of 2.5. In reinforced cases, deformation and strain significantly reduced with the increase in pipe burial depth and number of reinforcing layers. Measurement of strain illustrated that strain generated in the lower reinforcing layer is always higher than that recorded in the upper one, regardless pipe burial depth and value of applied load.

Yes / Three-dimensional finite element models were executed and validated to investigate the performance of buried flexible high-density Polyethylene (HDPE) pipes, in unreinforced and multi-geogrid-reinforced sand beds, while varying pipe burial depth, number of geogrid-layers, and magnitude of applied cyclic loading. Geogrid-layers were simulated considering their geometrical thickness and apertures, where an elasto-plastic constitutive model represented its behaviour. Soil-geogrid load transfer mechanisms due to interlocked soil in-between the apertures of the geogrid-layer were modelled. In unreinforced and reinforced cases, pipe burial depth increase contributed to decreasing deformations of the footing and pipe, and the crown pressure until reaching an optimum value of pipe burial depth. On the contrary, the geogrid-layers strain increased with increasing pipe burial depth. A flexible slab was formed due to the inclusion of two-geogrid-layers, leading to an increase in the strain in the lower geogrid-layer, despite its lower deformation. Inclusion of more than two geogrid-layers formed a heavily reinforced system of higher stiffness, and consequently, strain distribution in the geogrid-layers varied, where the upper layer experienced the maximum strain. In heavily reinforced systems, increasing the amplitude of cyclic loading resulted in a strain redistribution process in the reinforced zone, where the second layer experienced the maximum strain.

Yes / In this study, large-scale fully instrumented laboratory tests were conducted to investigate the behaviour of buried flexible high-density polyethylene (HDPE) pipes, in sand beds with and without voids subjected to incrementally increasing cyclic loading. Voids with a predetermined size were created at one side of the springlines of the pipes, which were buried at variable depths, H, of 1.5, 2.0 and 2.5 times the diameter of the pipe, D. Results showed that increasing the pipe burial depth, H/D, contributed to decreasing the settlement of the footing, deformation of the pipe crown and invert, lateral displacement of the spring-line, and the stress and strain generated along the pipe crown and invert. Void presence led to a significant increase in the footing settlement, which ranged from 3 % up to 18 %, according to H/D. Furthermore, void presence led to a sharp increase in the crown, invert, and spring-line settlements, which ranged from 34 % to 52 %, 10 %–12.5 %, and 13 %–38 %, respectively. Increasing pipe burial depth was found to be highly effective in protecting buried pipes, minimising inevitable consequences of the presence of voids. However, this was combined with an increase in the pressure at the pipe spring-line that led to a positive horizontal support at the pipe’s spring-lines resulting in reducing pipe deformation.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de tubos metálicos enterrados, submetidos ao carregamento móvel de um veículo. Foram realizadas análises numéricas utilizando o método de elementos finitos para o cálculo da tensão vertical no solo, momento fletor, tensão normal e deformação diametral vertical do tubo. Foram analisados 630 modelos, obtidos da variação das características do solo (módulo de elasticidade) com o objetivo de representar diferentes níveis de compactação do solo, características do tubo (espessura da parede do tubo) e da altura da camada de recobrimento do solo. O programa utilizado nas análises numéricas foi o SIGMA/W do pacote Geostudio. Os resultados encontrados apontam que as maiores tensões no solo, momentos, tensões normais e deformações no tubo ocorrem devido ao carregamento móvel quando este se localiza exatamente acima do tubo. Observou-se que o aumento da espessura da camada de solo que recobre a tubulação causa uma diminuição de 15% a 55% das tensões verticais no solo, momentos fletores, tensões normais e deformações no tubo. Foram desenvolvidas equações para o cálculo das deformações para os casos estudados. Foi também desenvolvido um procedimento para a moldagem de corpos de prova de areia no estado fofo (índice de vazios máximo) para realização de ensaios triaxiais. / This paper presents a study on the behavior of buried metal pipes, subjected to the vehicle live load. Numerical analysis using the finite element method to calculate the vertical stress were made on the ground, bending moment, normal stress and diametral vertical pipe deformation. 630 models were analyzed, obtained from the variation of the soil characteristics (modulus) in order to represent different levels of soil compaction, the pipe characteristics (thickness of the pipe wall) and the height of the soil cover layer. The program used in numerical analysis was the SIGMA/W Geostudio package. The results show that the highest stresses on the ground moments, normal stresses and strains in the tube occur due to live loading when it is located just above the tube. It was observed that increasing the thickness of the layer of soil covering the pipe causes a decrease from 15% to 55% of the vertical tensions in the ground, bending moments, normal stress and strain on the pipe. Equations were developed to calculate the deformations in the cases studied. It has also developed a procedure for molding sand specimens into the soft state (maximum void ratio) to perform triaxial tests.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de tubos metálicos enterrados, submetidos ao carregamento móvel de um veículo. Foram realizadas análises numéricas utilizando o método de elementos finitos para o cálculo da tensão vertical no solo, momento fletor, tensão normal e deformação diametral vertical do tubo. Foram analisados 630 modelos, obtidos da variação das características do solo (módulo de elasticidade) com o objetivo de representar diferentes níveis de compactação do solo, características do tubo (espessura da parede do tubo) e da altura da camada de recobrimento do solo. O programa utilizado nas análises numéricas foi o SIGMA/W do pacote Geostudio. Os resultados encontrados apontam que as maiores tensões no solo, momentos, tensões normais e deformações no tubo ocorrem devido ao carregamento móvel quando este se localiza exatamente acima do tubo. Observou-se que o aumento da espessura da camada de solo que recobre a tubulação causa uma diminuição de 15% a 55% das tensões verticais no solo, momentos fletores, tensões normais e deformações no tubo. Foram desenvolvidas equações para o cálculo das deformações para os casos estudados. Foi também desenvolvido um procedimento para a moldagem de corpos de prova de areia no estado fofo (índice de vazios máximo) para realização de ensaios triaxiais. / This paper presents a study on the behavior of buried metal pipes, subjected to the vehicle live load. Numerical analysis using the finite element method to calculate the vertical stress were made on the ground, bending moment, normal stress and diametral vertical pipe deformation. 630 models were analyzed, obtained from the variation of the soil characteristics (modulus) in order to represent different levels of soil compaction, the pipe characteristics (thickness of the pipe wall) and the height of the soil cover layer. The program used in numerical analysis was the SIGMA/W Geostudio package. The results show that the highest stresses on the ground moments, normal stresses and strains in the tube occur due to live loading when it is located just above the tube. It was observed that increasing the thickness of the layer of soil covering the pipe causes a decrease from 15% to 55% of the vertical tensions in the ground, bending moments, normal stress and strain on the pipe. Equations were developed to calculate the deformations in the cases studied. It has also developed a procedure for molding sand specimens into the soft state (maximum void ratio) to perform triaxial tests.