Submitted by Emanuel Varela Cardoso (emanuel.varela@ufcg.edu.br) on 2018-08-17T19:08:47Z No. of bitstreams: 1 DANIELLE DE LIMA VIEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2977283 bytes, checksum: 76868ac7a0711cd9560eee5a78b8bf43 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-17T19:08:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DANIELLE DE LIMA VIEIRA – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2017.pdf: 2977283 bytes, checksum: 76868ac7a0711cd9560eee5a78b8bf43 (MD5) Previous issue date: 2017-09 / Na indústria petroquímica e de processamento de petróleo o riser é o principal equipamento da unidade de craqueamento catalítico fluido (FCC), utilizado para o refino de frações pesadas do petróleo. Para o projeto e otimização do riser é essencial compreender a termofluidodinâmica da mistura gás -sólido no seu interior. Neste aspecto a fluidodinâmica computacional (CFD) tem demonstrado ser uma boa alternativa para o estudo de sistemas complexos. Portanto, este trabalho tem como objetivo estudar a termofluidodinâmica de um riser de FCC com alto fluxo, via CFD usando o software comercial Ansys Fluent versão 15. O modelo matemático é baseado na abordagem Euleriana – Euleriana, considerando a Teoria Cinética do Escoamento Granular (KTGF) e o modelo de turbulência de duas equações k - ϵ Disperso. Resultados numéricos dos campos de velocidade, fração volumétrica e pressão das fases gasosa e particulada, a temperatura constante, são apresentados, analisados e comparados com dados de uma planta experimental com 76 mm ID e altura de 10 m, apresentando boa concordância, exceto nas regiões com alta densidade de partículas. Assim, o modelo proposto mostrou-se mais adequado a representação do fluxo em regiões e condições operacionais que resultam em menores concentrações de partículas (menor fluxo de sólidos e/ou maior vazão do gás). / In the petrochemical and oil processing industry riser is the main equipment of the fluid catalytic cracking (FCC) unit, used for the refining of heavy petroleum fractions. For design and optimization of riser, it is essential to understand the thermo fluid dynamics of the gas-solid mixture inside. In this respect, computational fluid dynamics (CFD) has been shown to be a good alternative for the study of complex systems. Therefore, this work aims to study the thermo fluid dynamics of a FCC riser with high flux, via CFD using commercial software Ansys Fluent version 15. The mathematical model is based on the Eulerian - Eulerian approach, considering a Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) and the k - ϵ two equations turbulence model. Numerical results of fields of velocity, volumetric fraction and pressure of the gas and particulate phases, at constant temperature, are presented, analyzed and compared with data of an experimental plant with 76 mm ID and 10 m height, presenting good agreement, except in regions with high particle density. Thus, the proposed model showed better representation of the flow in regions and operating conditions that result in lower particle concentrations (lower solids flow and / or higher gas flow).

Oil and gas exploitation in deep waters has become more than just a profit business to be a daily necessity, since the world energy matrix is based on fossil components. Risers are offshore structures that are intimately linked with oil and gas exploitation and those are subjected to a great variety of effects in field, e.g., marine currents, Vortex Induced Vibration (VIV), heave motion caused by gravitational waves, non-linear contact with the sea floor, and many others. Riser dynamics is essentially non-linear and experimental tests in real scale are almost impossible due to a great variety of control parameters acting concomitantly. Small-scale models are a better experimental approach. Nevertheless, there are many structural and hydrodynamical parameters to be evaluated. Considering only vertical risers in the present work, Galerkin\'s modal decomposition is used in order to reduce the dynamics of a vertical flexible cylinder to a few linear modes in which the majority of energy and information are contained. From the modal analysis, added mass and structural parameters damping of a vertical flexible cylinder using data obtained from free-decay tests performed both in water and in air are evaluated. Finally, a modal Mathieu-Hill oscillator with non-linear damping is constructed and, based on aStrutt diagram, modal stability under parametric resonance is discussed. / Exploração de óleo e gás em bacias de águas profundas tem-se tornado mais do que apenas uma economia lucrativa, para ser uma necessidade diária, já que a matriz energética mundial está baseada em componentes fósseis. Risers são estruturas offshore ligadas intimamente com a exploração de óleo e gás e essas estão sujeitas a uma grande variedade de efeitos na operação, e.g., correntes marítimas, Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), movimento de heave causado por ondas gravitacionais, contato não-linear com o solo marinho, entre outros. Dinâmica de risers é essencialmente não-linear e testes experimentais em escala real são praticamente impossíveis devido a uma enorme variedade de parâmetros de controle agindo concomitantemente. Modelos em escala reduzida são uma abordagem experimental mais conveniente. Não obstante, há muitos parâmetros estruturais e hidrodinâmicos a serem determinados. Considerando apenas risers verticais no trabalho presente, a decomposição modal de Galerkin é usada a fim de reduzir a dinâmica de um cilindro fléxivel vertical a alguns modos lineares em que a maior parte da energia e informação estão contidos. A partir da análise modal, parâmetros de massa adicional e amortecimento estrutural de um cilindro flexível vertical são obtidos usando testes de decaimento livre conduzidos na água e no ar. Finalmente, um oscilador modal de Mathieu-Hill com amortecimento não-linear é proposto e, baseado em um diagrama de Strutt, a estabilidade modal sob excitação de ressonânica paramétrica é discutida.

Risers são tubos que transportam fluidos do fundo do mar até as plataformas flutuantes e vice-versa. Diversas configurações e materiais são utilizados, porém apenas os steel catenary risers (SCR) são estudados neste trabalho. Os risers são estruturas extremamente esbeltas e, por isso, grande parte de seu trecho suspenso tem comportamento de cabo. Apenas em duas regiões a rigidez flexional é relevante: no hang-off (topo) e na touch-down zone (TDZ), sendo esta última a região mais complexa para análise devido ao contato unilateral com o solo. Em função dos diversos carregamentos dinâmicos a que o riser é submetido, grandes variações na curvatura ocorrem na TDZ, além de impacto e atrito com o solo, que podem reduzir a vida útil da estrutura ou até mesmo por em risco a sua integridade. Por estas razões, este trabalho visa à elaboração de uma metodologia analítica para a construção de um modelo de ordem reduzida (MOR) capaz de analisar o comportamento dinâmico não linear da TDZ de um SCR. Como na TDZ a rigidez flexional predomina sobre a rigidez geométrica, o riser é modelado como uma viga semi-infinita, tendo uma parte suspensa e outra apoiada sobre solo hipoteticamente elástico com contato unilateral. Na extremidade suspensa são impostos deslocamentos verticais e trações dinâmicas que fazem com que a posição do touch-down point (TDP) também varie com o tempo. Trata-se, portanto, de um problema com condições de contorno móveis. A metodologia adotada para a resolução deste problema foi transformá-lo em um problema de condições de contorno fixas por meio de uma transformação de variáveis. Contudo, paga-se um preço por tal transformação, e fortes não linearidades surgem na equação diferencial de movimento, tornando-a extremamente complexa para uma resolução analítica direta. Para o problema de flexão simples, consegue-se obter os modos de vibração não lineares através do método das múltiplas escalas. De posse destes modos, utiliza-se o método de Galerkin não linear para projetar a equação completa em um modo escolhido, transformando o modelo contínuo em um modelo de ordem reduzida com apenas um grau de liberdade, cuja coordenada generalizada modal é o deslocamento horizontal do TDP. Obtida a equação do MOR, nota-se que existem coeficientes que variam com o tempo, como na clássica equação de Mathieu, indicando a possibilidade de ocorrer ressonância paramétrica. Neste tipo de ressonância, entre outras possibilidades, pode ocorrer que a frequência de excitação seja o dobro da frequência natural trata-se da ressonância paramétrica principal. A equação do MOR é integrada numericamente e suas respostas são comparadas com as respostas obtidas por modelos de elementos finitos elaborados em softwares comerciais, como o Abaqus e o Orcaflex. Por fim, discutem-se as potencialidades e limitações do MOR, sendo uma grande vantagem a possibilidade de processar diversos casos facilmente, variando os parâmetros que influem nas respostas. Com este mapeamento das respostas, é possível estimar as amplitudes dos estados estacionários pós-críticos. / Risers are pipes that convey fluids from the seabed up to the floating platforms and vice-versa. Many configurations and materials are used, but only steel catenary risers (SCR) are studied in this work. Risers are extremely slender structures, and for this reason, most of the suspended part has cable behavior. Only in two regions the bending stiffness is important: at the hang-off and at the touch-down zone (TDZ), which is the most complex region for analysis because of the unilateral contact with the seabed. Due to several dynamic loads that the riser is subjected to, great curvature variations occur at the TDZ, apart from impacts and friction with the soil, which can reduce the life time of the structure or even jeopardize its integrity. For these reasons, this work aims at the development of an analytical methodology for the construction of a reduced-order model (ROM) able to analyze the nonlinear dynamic behavior of the TDZ of a SCR. As at the TDZ the bending stiffness prevails over the geometric stiffness, the riser is modeled as a semi-infinite beam, having a suspended part and another one resting on the elastic soil with unilateral contact. At the end of the suspended part, vertical displacements and dynamic tensions are imposed, that cause the TDPs position to vary with time. It is, therefore, a problem with moving boundary conditions. The methodology adopted for solving this problem was to transform it into a problem with fixed boundary conditions via a variable transformation. However, a price is paid for such a transformation, and strong nonlinearities appear in the differential equation of motion, making it extremely complex to solve analytically. For the simple bending problem, nonlinear vibration modes are obtained via the method of multiple scales. In possession of these modes, the nonlinear Galerkin method is used to project the complete equation into a chosen mode, transforming the continuum model into a reduced-order model (ROM) with only one degree of freedom whose modal generalized coordinate is the horizontal displacement of the TDP. After obtaining the ROM, it is noticed that there are coefficients that vary with time, as in the classic Mathieu equation, indicating the possibility of parametric resonance. In this kind of resonance, among other possibilities, the excitation frequency may be twice the natural frequency it is the so-called principal parametric resonance. The ROMs equation is integrated numerically and the responses are compared to those given by finite-element models studied with the help of commercial softwares, like Abaqus and Orcaflex. Finally, the potentialities and limitations of the ROM are discussed. One of the advantages is the possibility of processing several cases easily, changing the parameters that affect the responses. With this response mapping, it is possible to estimate the post-critical steady-state amplitudes that take place.

Orientadores: Celso Kazuyuki Morooka, Sergio Nascimento Bordalo / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica e Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-12T07:18:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valdivia_PauloGuilger_M.pdf: 3149280 bytes, checksum: 67a3cd4d1474a0a93fd6072dff86c551 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Risers de produção são dutos com a função de transportar os fluidos do poço produtor de petróleo, no leito marinho, à unidade de produção na superfície do mar. O presente trabalho tem como objetivo principal caracterizar a resposta dinâmica de um riser em configuração de catenária sob influência do escoamento de hidrocarbonetos em seu interior. Observa-se da literatura que poucos trabalhos podem ser encontrados abordando a questão da influência do escoamento interno no comportamento estático e dinâmico desse sistema de riser. Com esta finalidade, foi projetado e elaborado um modelo reduzido de um riser rígido em catenária (SCR - Steel Catenary Riser) para ensaios em laboratório. Considerou-se como protótipo um SCR em operação em lâmina de água de 900 metros. Os valores de vazão de campo foram considerados no desenvolvimento, e testes foram conduzidos, produzindo escoamento bifásico água e ar, representando o escoamento bifásico de óleo e gás no interior de um riser. Além disso, um modelo numérico da literatura foi implementado, a fim de simular o carregamento gerado pelo escoamento interno no duto. Os resultados obtidos experimentalmente, em termos de amplitudes de deslocamentos, freqüências de resposta e forças, foram comparados com valores gerados para o modelo de riser através de simulação numérica. Os valores obtidos através de simulação numérica mostraram boa equivalência com o experimento, e os ensaios mais bem representados pela implementação foram aqueles nos quais ocorreu padrão bifásico golfadas. / Abstract: The pipe which transports fluids from the petroleum production well, on the seabed, up to the production unity, on the sea surface, is named riser. The main objective of this work is to characterize the dynamic response of a riser, hanging in catenary configuration, with the influence of the internal flow of hydrocarbons. It was observed from literature, that only a few works have the approach of considering the internal flow in the riser static and dynamic behavior. On this purpose, a laboratory-scale model was designed and assembled, based on the properties of a SCR (Steel Catenary Riser). The prototype which was considered operates in 900 meters water depth and its values of field flow rates were taken into account. Flow tests were conducted with two-phase water and air mixtures, representing oil and gas inside the riser. Moreover, a numerical model from literature was implemented in order to reproduce the loading generated by the internal flow. Results obtained experimentally, in terms of displacements amplitude, response frequencies and forces, were compared with values generated for the riser model through numerical simulation. The values obtained by numerical simulation showed good agreement with experimental results, and the cases that were best represented by implementation were those that the two-phase flow occurred in slug pattern. / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

[pt] O gas-lift na base do riser é um dos vários métodos que se provaram eficientes para aumento de produção. Em alguns casos, ele também pode ser utilizado para aumentar a viabilidade do blowdown para prevenção de hidratos. Além disto, o gas-lift pode ser utilizado como um método efetiv para suprimir o fenômeno de golfada severa, que ocorre geralmente em linhas descendentes. Este método tem, então, um grande potencial de viabilizar arquiteturas submarinas mais enxutas, como anel de coleta, aumentando a economicidade de projetos, sem reduzir funcionalidades. A necessidade da aplicação do gas-lift nem sempre é óbvia, pois sua efetividade depende da performance do reservatório, propriedades de fluido, relevo do solo marinho, arquitetura submarina, além de características da flowline e riser. Em muitos casos, o gas-lift para aumento de produção só traz ganhos no fim da vida produtiva, quando o watercut é mais alto. A aplicabilidade do gas-lift como método de elevação artificial e o local ideal de injeção do gás é uma análise direta e objetiva. Por outro lado, sua aplicabilidade no contexto de garantia de escoamento é mais subjetiva, tendo influência forte da filosofia operacional e tolerância ao risco. Baseado em uma envoltória típica do présal brasileiro, no que tange a características de reservatório, fluido e sistema de produção, foi realizado um conjunto de simulações para avaliação da aplicação do gas-lift na base do riser como uma solução multi propósito. Isto inclui quando o gas-lift é benéfico para aumento de produção e para garantia de escoamento, em especial as operações de remediação e prevenção de hidratos. Os resultados da aplicação do gas-lift na base do riser como método de auxílio ao blowdown são muito promissores. É possível realizar as operações de remediação com sucesso, mesmo para vazões baixas de injeção de gás. Nas operações de prevenção, foi possível observar redução da pressão residual em todas as combinações de características de fluido e geométricas, em especial para geometrias descendentes. Para poços de alta produtividade, o gas-lift na base do riser só apresenta desvantagens em relação ao gas-lift downhole, do ponto de vista de aumento de produção, quando o watercut é da ordem de 60 a 70 por cento. / [en] Riser base gas-lift is one of several methods that have been proven to work in subsea developments for production enhancement. In some cases, gas-lift can be used to increase feasibility of blowdown for hydrate prevention. In addition, gas-lift can be used as an effective method to supress severe slugging that usually occurs with downhill inclination. Hence, this method has great potential to enable more compact subsea architectures, such as production loops, enhancing project economics, without reducing functionalities. Meanwhile, the necessity of gas-lift application is not always obvious because its effectiveness depends on reservoir performance, fluid properties, seabed terrain, subsea architecture, and flowline and riser specifications. In many cases, gas-lift for production enhancement is only advantageous at late life production, when oil production rates are low and water rates might be high enough. Whether gas-lift is suitable as an artificial lift method and where the lift-gas should be injected is a direct and objective analysis. On the other hand, its application in a flow assurance context is more subjective, being strongly influenced by operational philosophy and risk tolerance. Based on a typical envoltory from Brazilian pre-salt, concerning reservoir characteristics, fluid and production system, a set of simulations has been performed to evaluate the application of riser base gas-lift as a multi purpose solution. These include when gas-lift is beneficial for production enhancement and for flow assurance. The results of the application of riser base gas-lift as a blowdown method are very promising. It is possible to complete remediation operations successfully, even for low gas injection rates. In prevention operations, it is possible to observe a reduction in residual pressure for all combinations of fluid and geometrical characteristics, specially in downward flow. For high productivity wells, riser base gas-lift is only disadvantageous in comparison with downhole gas-lift, from production enhancement point of view, when watercut is around 60 to 70 per cent.

O trabalho tem como objetivo realizar um estudo experimental na bancada do Laboratório Multipropósito de Escoamento Multifásico com o intuito de estudar o fenômeno de intermitência severa em um sistema pipeline-riser com os fluidos água e ar. A intermitência severa pode ocorrer em sistemas pipeline-riser onde o pipeline é descendente seguido de um riser vertical, além de ser necessário a presença de baixas vazões de fluidos. Esse fenômeno é caracterizado por ser cíclico em que há acúmulo de líquido na base do riser e por acabar causando perdas na produção de petróleo e gás devido a grandes flutuações de pressão e vazão que podem durar horas a depender do comprimento do sistema. Os picos de pressão e vazão também podem causar o desligamento do sistema de separação na plataforma. O estudo se dividiu em várias etapas onde inicialmente foram definidos os procedimentos experimentais a serem utilizados. A calibração de placas de orifício foi necessária para o controle de vazão mássica de gás. Os resultados experimentais foram divididos em casos estáveis e instáveis onde a instabilidade é caracterizada pela presença de ciclos de pressão que podem ser observados em históricos de pressão na base do riser. Mapas de estabilidade foram criados e a região instável obtida experimentalmente foi comparada com a curva de estabilidade obtida pelo uso da teoria de estabilidade linear. Os históricos de pressão na base do riser para os casos instáveis obtidos foram comparados com dois modelos numéricos. A variação da pressão no separador foi usada para verificar a mitigação da intermitência severa e/ou da condição instável obtida no sistema para alguns casos instáveis. / The objective of this work is to do an experimental study of the severe slugging phenomenon in the pipeline-riser system of the Multipurpose Multiphase Flow Laboratory by using the fluids air and water. Severe slugging may occur for low flow rates in pipeline-riser systems where a downward pipeline is followed by a vertical riser. In this phenomenon there is liquid accumulation at the bottom of the riser resulting in production losses due to the great fluctuations of pressure and flow rate during its cycles which may last for hours depending on the length of the system. The high pressure values can also cause shutdown of the platform separation system. The first stage of this study was to define the experimental procedure to be adopted. It was necessary to perform a calibration of the orifice plates in order to have a precise control of the gas mass flow rate. The experimental results were divided in stable and unstable cases. The instability is defined by the presence of pressure oscillations at the bottom of the riser. Stability maps were created to compare the stabiliy curve obtained by the stability linear theory with the experimental results. The experimental pressure oscillations were compared with two numerical models. The pressure variation at the separator was studied to verify the mitigation effects during unstable and/or severe slugging conditions.

Na última década foram descobertas jazidas de petróleo e gás em águas profundas ao longo da costa sudeste do Brasil, o que tem levado à reavaliação de conceitos e técnicas até então utilizados para sua exploração em pequenas profundidades. Parâmetros que anteriormente eram supostamente não críticos passaram a ser relevantes no dimensionamento estrutural dos risers. Efetivamente, a descoberta de novas jazidas na Bacia de Santos incentivou o desenvolvimento de pesquisas nesta área, no Brasil e no mundo. Os depósitos de petróleo e gás encontrados abaixo da camada de sal (daí serem referidas por pré-sal) ocorrem em áreas com lâmina dágua de mais de 2.000 metros, requerendo novas tecnologias para viabilizar sua extração. Os risers de produção nada mais são do que tubulações que levam petróleo e gás do fundo do oceano para a superfície. Nas suas diversas configurações geométricas (vertical, em catenária, lazy wave, entre outros), são elementos estruturais extremamente esbeltos, que devem suportar carregamentos dinâmicos oriundos da correnteza marítima em grande profundidade, ondas de superfície, escoamento interno e deslocamentos impostos, atendendo a exigentes critérios de projeto. O riser vertical será o foco deste trabalho, no qual se pretende utilizar modelos matemáticos com poucos graus de liberdade, denominados modelos de ordem reduzida (MOR), mas com adequada capacidade de representação qualitativa e quantitativa da resposta estrutural, fazendo uso de modos não lineares como funções de projeção, dentro do método de Galerkin não linear. Os modos não lineares, intensivamente estudados no Grupo de Pesquisa Dinâmica, Estabilidade e Controle de Sistemas Estruturais da Escola Politécnica da USP, por conterem intrinsecamente informações de harmônicos de ordem superior, são capazes de, em menor número do que os modos lineares utilizados no método da superposição modal clássico, descreverem acuradamente a resposta do sistema não linear. Serão utilizados procedimentos baseados tanto no método das variedades invariantes, quanto no método das múltiplas escalas, em modelos analíticos. Para a redução de graus de liberdade, será utilizado o método de projeção que se baseia na imposição da igualdade entre os trabalhos virtuais dos modelos de alta e baixa hierarquia (MOR), de sorte que o sistema sob carregamento dinâmico possa ser estudado em espaço de fase de baixa dimensão. A presente pesquisa, além dos desafios acadêmicos inerentes ao tema, apresenta evidente relevância econômica e estratégica para o País. / In the last decade, deposits of oil and gas under deep waters were discovered along the Brazilian Southeast coast, which led to reassessment of concepts and techniques previously used for their exploitation under shallow waters. Parameters that were not previously considered to be critical became relevant in the structural design of the risers. Indeed, the discovery of new deposits in the so-called Santos Basin encouraged the development of research in this area in Brazil and worldwide. The oil and gas deposits found in the pre-salt layer occur in waters deeper than 2,000 meters, requiring new technologies to facilitate their extraction. The risers of production are nothing more than pipes that carry oil and gas from the ocean to the surface. In its various geometric configurations (vertical, catenary, lazy waves, etc.), they are extremely slender structural elements, which must withstand dynamic loads from deep currents, surface waves, internal flow and imposed motions, observing the strict design criteria regarding ultimate and service limit states. The vertical riser will be the focus of this work, which uses mathematical models with few degrees of freedom, known as reduced-order models (ROM), but with adequate capacity to represent the structural response both qualitatively and quantitatively, using non-linear modes as projection functions within the non-linear Galerkin method. The non-linear modes were intensively studied in the research group \"Dynamics, Stability and Control of Structural Systems\" at the Escola Politécnica of USP. Because they contain information of higher-order harmonics, they are able to accurately describe the response of the nonlinear system, using a smaller number of modes than the linear modes used in the classical modal superposition method. Procedures based on the method of invariant manifold and the method of multiple scales alike will be applied to analytical continuum models (with infinite number of degrees of freedom). For the reduction of degrees of freedom, a method based on the identification of the virtual works in both the high-hierarchy and the ROM will be used, so that the system under dynamic loading can be studied in a low-dimension phase space. 13 This research, in addition to academic challenges inherent to the subject has obvious economic and strategic importance for the country.

A produção de petróleo em ambiente marítimo é feita através de plataformas, em geral flutuantes, conectadas aos reservatórios através de dutos, os chamados risers, responsáveis pelo transporte de petróleo bruto, gás ou água. Do ponto de vista estrutural, estes risers podem ser rígidos ou flexíveis, porém, independente do tipo empregado, com o aumento da profundidade, aumentam-se os esforços de tração sobre essas estruturas. Em águas profundas, essa desvantagem pode ser diminuída com a utilização de configurações mais complexas, dentre as quais se destaca a riser tower, que é foco do presente estudo. Este sistema é composto por vários dutos unidos ao longo de um tubo vertical único, sustentado por uma bóia de subsuperfície. Um grande atrativo desta configuração é a redução da fadiga devido às ondas, uma vez que a bóia e parte significativa dos risers rígidos verticais não sofrem efeitos relevantes das ondas de superfície. No entanto, dois problemas de interação fluido-estrutural persistem: um associado ao fenômeno de VIV Vibração Induzida pela Emissão de Vórtices no riser vertical e outro relativo ao VIM - Movimento Induzido pela Emissão de Vórtices na bóia. Devido ao fato da correnteza ser quase permanente, bem como das altas frequências passíveis de excitação, tem-se um número de ciclos de tensão bastante elevado, associados à flexão, o que pode ser importante no estudo de fadiga do material que compõe as referidas estruturas. De maneira mais completa, no que compete à fenomenologia das interações fluidoestruturais mencionadas, o presente trabalho propõe-se a estudar numérica e analiticamente a dinâmica transversal e longitudinal do conjunto formado pelo riser rígido e pela bóia de subsuperfície, particularmente focado nos efeitos da dinâmica sobre a vida útil do riser vertical. / The offshore oil production is performed with platforms, floating in most cases, which are connected to the well through pipes. These pipes are called risers and are responsible for the transport of crude oil, gas and water from seabed to the platform and vice-versa. From the structural standpoint, these risers can be rigid or flexible. However, independently of the type, the topside tension of these structures increases with the water depth. In deep water this disadvantage can be reduced by using more complex configurations, for example the riser tower, which is the focus of the current study. The riser tower is a system composed by pipes bundled around a central steel tube supported by a subsurface buoyancy tank. This configuration is attractive due to the reduction on waves fatigue since the buoy and most of the vertical risers length is not impacted by the effects of the surface waves. Nevertheless, two issues from the fluid-structural interaction still persist: one related to the VIV phenomena vortex-induced vibration on the vertical riser and the other associated to the VIM vortex induced motion on the buoyancy tank. Considering the almost permanent nature of the offshore currents associated to the high frequencies that can be excited, during the operational life, the riser is subjected to a large amount of stress cycles which are important for the evaluation of the structural integrity in terms of fatigue. In a more complete sense, considering the phenomenology of the fluid-structure interactions, the purpose of the present work is studying numerical and analytically the inline and cross-flow dynamics of the riser tower system especially focused on the impact of the dynamics on the vertical riser operational life.

Este trabalho contextualiza o problema da análise estrutural bidimensional de risers verticais ou lançados em catenária livre, fazendo uma breve descrição das etapas para a modelagem dessas estruturas. O problema que este trabalho se propõe a resolver é o da análise dinâmica não linear destas estruturas, no domínio do tempo, apresentando uma formulação que seja capaz de representar de forma adequada as etapas de modelagem destes sistemas. A modelagem foi dividida em duas etapas. A primeira delas é referente à fase de lançamento do riser, com o objetivo de determinar a configuração deformada de equilíbrio, assim como os esforços solicitantes internos decorrentes dessa configuração deformada. Ressalta-se que para os casos de risers em catenária livre, considera-se também o contato unilateral da estrutura com o solo marinho. A segunda etapa é a modelagem da fase de operação da estrutura, por meio de um modelo dinâmico bidimensional. Em ambas as etapas, a formulação apresentada considera os efeitos de acoplamento fluidoestrutura. No caso dos risers em catenária, considera-se também o efeito da interação solo-estrutura. Todo o desenvolvimento das equações foi realizado utilizando-se o método dos elementos finitos MEF. A formulação desenvolvida contempla dois elementos finitos, um de treliça e outro de barra, utilizando-se um sistema de coordenadas corrotacionais. A utilização deste sistema de coordenadas possibilitou a adoção de teorias estruturais de pequenas deformações, para a análise de problemas que envolvem grandes deslocamentos e rotações finitas. Além da formulação do problema, também foi apresentado o projeto da ferramenta computacional RiserSys, que é específica para o estudo de risers nas configurações reta (vertical) e em catenária livre. Muito embora não seja o objetivo deste trabalho a implementação computacional do código nesta ferramenta e o estudo de casos referentes a fenômenos de dinâmica não linear nessas estruturas, nas considerações finais, propõe-se, como trabalhos futuros, a utilização desta formulação para o estudo da compressão dinâmica e a instabilidade paramétrica. / This work addresses the problem of the bidimensional analysis of risers, either straight or free hanging, giving a brief description of the modeling steps of these structures. The problem that it is meant to be solved is the nonlinear dynamic analysis in the time domain of these structures, presenting a formulation capable of correctly modeling the steps of the analysis of the system. The modeling was divided into two steps. The first one is referred to the riser installation, in which the objective was to find the deformed configuration of equilibrium and its internal forces. For the free hanging risers, the unilateral contact with the seabed is taken into account. The second step of the modeling is the phase of operation, using a bidimensional dynamic model. Both steps of the modeling consider the fluid-structure coupling phenomenon. For the free hanging risers, the soil-structure interaction is taken into account. All the analyses were performed using the finite element method FEM. Two finite elements were formulated 2D truss and 2D Bernoulli Euler beam both using a co-rotational coordinate system. The co-rotational coordinate system allowed the use of small-strain theory to develop these finite elements to study problems that involve large displacements. Besides the problem formulation, the project of a computational code, named RiserSys, was described. RiserSys is a dedicated computational tool to analyze straight and free hanging risers. Although the objective of this work is not the computational implementation and the analysis of cases studies, in the concluding chapter it is proposed, as future work, the use of the formulation presented herewith to analyze non-linear dynamic phenomena that may take place in these systems, such as dynamic compression and parametric instability.

Orientador: Prof. Dr. Juan Pablo Julca Ávila / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2016. / Os risers de produção são estruturas tubulares cilíndricas usadas para o escoamento de petróleo e gás desde os poços de petróleo localizados no chão marinho até uma unidade flutuante de produção de petróleo. Quando imersos em correntezas, estas estruturas vibram devido à excitação no topo, ao escoamento interno e ao desprendimento alternado de vórtices à jusante. Este fenômeno é conhecido como Vibração Induzida por Vórtices (VIV). Quando a frequência de emissão dos vórtices se aproxima de uma das frequências naturais do riser, este começa a oscilar tomando controle do processo de emissão de vórtices e, subsequentemente, quando a frequência de emissão de vórtices coincide com a frequência natural do riser, este entra em ressonância. Na última condição, os riser vibram a amplitudes da ordem de 1 a 2 vezes o seu diâmetro e são submetidos a elevadas tensões fletoras cíclicas podendo conduzir à falha prematura por fadiga. Este trabalho de mestrado tem como principal objetivo o desenvolvimento e implementação de uma ferramenta computacional, escrita em FORTRAN, capaz de simular a VIV em risers verticais longos tracionados no topo para águas profundas. Um riser tracionado no topo é modelado como uma viga vertical de Euler-Bernoulli. Um código para análise estática e dinâmica por elementos finitos é desenvolvido. O escoamento tridimensional em torno do riser é substituído por um número de planos de escoamento bidimensional transversais ao eixo do riser. Em cada plano hidrodinâmico, o escoamento é calculado pelo método dos vórtices discretos para fornecer as forças de arrasto e sustentação. As equações de dinâmica estrutural são resolvidas usando as forças hidrodinâmicas calculadas previamente para obter o movimento do vertical riser. A ferramenta computacional desenvolvida foi implementada no cluster de processadores de alto desempenho da UFABC. / Risers are offshore cylindrical tubular structures used for transporting oil and gas from the wells located on the seabed up to a floating offshore production platform at the surface. When they are subjected to seawaters currents, these structures oscillate due to movement at the top, internal flows and alternating vortex shedding in the downstream region of riser. This phenomenon is known as Vortex-Induced Vibration (VIV). When the vortex-shedding frequency is close to one of the riser natural frequencies, it begins to oscillate taking control of vortex-shedding process and thereafter when the vortex-shedding frequency coincides with the natural frequency of the riser, this enters into resonance. At last, risers oscillate with amplitudes of once to twice their diameter and are subjected to high cyclic bending stress which can lead to premature fatigue failure. This work of master's degree has as main aim the development and implementation of a computational tool, written in FORTRAN, capable of simulating VIV in deepwater top tensioned long vertical risers. A top tensioned riser is modeled as a vertical Euler-Bernoulli beam. A code for the static and dynamic analysis by Finite Element Method is developed. The 3D fluid flow around the riser is replaced by a determinated number of 2D cross-sections. In each hydrodynamic cross-section, fluid flow is calculated by the Discrete Vortex Method to obtain drag and lift forces. Dynamics equations are solved using hydrodynamic forces previously calculated to get the dynamics-time response of vertical riser. The developed computational tool was implemented in the UFABC's cluster using High-Performance Computing techniques.