Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2016-10-11T04:05:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 342128.pdf: 60974513 bytes, checksum: d4385af94ec61b7d997bbcee70a5478c (MD5) Previous issue date: 2016 / A modelagem analítica de um sistema de cabos tripolares é um grande desafio devido à configuração não concêntrica dos elementos envolvidos. Por causa dessa limitação, uma modelagem numérica do cabo com o método de elementos finitos em 2D é desenvolvida no intuito de obter os valores da impedância série e da admitância paralela. Para o cálculo da impedância série, usou-se a formulação magnetodinâmica em potencial vetor magnético no domínio da frequência, e para o cálculo da admitância paralela utilizou-se a formulação quase-estática de campo elétrico em potencial escalar elétrico no domínio da frequência. A metodologia é aplicada em cabos encontrados em catálogos de fabricantes. Os resultados numéricos para cada fase são comparados com os resultados analíticos e com valores fornecidos pelo fabricante. Além disso, os resultados numéricos foram validados por meio de comparações com resultados de medições realizadas em um cabo submarino disponível na UFSC.<br> / Abstract : The analytical modeling a three-core cable system is challenging because of non-concentric configuration of the elements involved. Due to this limitation, a numerical modeling of cable with 2D finite element is developed in order to obtain the values of the series impedance and the parallel admittance. The series impedance is calculated using the frequency domain magnetodynamic formulation in magnetic vector potential and, the parallel admittance is obtained using the frequency domain quasi-static formulation of electric field in electric scalar potential. The methodology is applied in cables found in manufacturers catalogs. The numerical results for each phase are compared with the analytical results and with values provided by the manufacturer. Moreover, the numerical results are validated by comparison with measurement results performed in a submarine cable available at UFSC.

Este trabalho apresenta um estudo sobre os recursos de análise estrutural disponíveis para submersíveis, sugere um critério de projeto estrutural próprio e desenvolve critérios de análise estrutural de submersíveis, após a fase de construção. No estudo dos recursos disponíveis é apresentado e analisado o atual nível de conhecimentos neste campos, a partir do levantamento de informações, muitas vezes restritas e confidenciais. Um critério de projeto é desenvolvido a partir de dados dispersos na bibliografia consultada, aos quais foram adicionados itens resultantes da experiência do autor. Os critérios de análise de submersíveis já construídos são desenvolvidos a partir de modelos analíticos ou de elementos finitos. Nestes, utiliza-se a vantagem da estrutura já estar fabricada, e portanto ser possível a obtenção de informações, que a nível de projeto necessitavam ser admitidas. São ainda desenvolvidos critérios para análise de resultados, com enfoque especial à avaliação de regiões estruturais que necessitem ser modificadas. Ao final são apresentadas as principais conclusões do trabalho e ressaltada a necessidade da continuidade das pesquisas que aprofundem vários aspectos levantados ao longo do texto. / The aim of this thesis work is three fold: to present a comphreensive study on structural analysis tools for submersible vehicles, to introduce a design criteria for new vessels and to develop methods for structural checkings for operating submersibles. In the first part, several data available at present time are discussed and analysed, although many of them are still considered either restricted or even confidential. Based on those data and on author\'s experience a design criteria is developed. Finally, the methods for analyzing operating vessels are obtained, starting from analytical models and also by using the finite element method approach. Those methods are more feasible from the stand point of final results, since all necessary data for the analysis are available. Within this context, the methods for analyzing operating submersibles are also very useful to evaluate structural parts which need either repair work or even modifications to face any new operating condition.

Orientador: Jose Ricardo Pelaquim Mendes / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-12T14:15:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Melo_AndreVerasde_M.pdf: 5529810 bytes, checksum: 4537025b6d5ddedffce982368776dbbd (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O cenario de producao em campos de petroleo tem apresentado nos anos recentes condicoes cada vez mais severas e complexas. Muitas descobertas em regioes de maior profundidade e com formacoes geologicas mais diversas tem demandado solucoes tecnológicas que beiram a fronteira do conhecimento, de forma que a producao tem andado lado a lado com o desenvolvimento de novas tecnologias. Assim, a necessidade do aumento do fator de recuperação para justificar os investimentos nestas condicoes sao desafios presentes nos novos projetos de pocos, de elevacao artificial e de recuperacao secundaria, o que vem levando ao desenvolvimento de solucoes submarinas e integradas, como o caso do separador submarino VASPS. No entanto, o controle de processos continuos, como a vazao de producao, a temperatura e a pressao, ainda e tratado da mesma forma que era feito quando do comeco da producao offshore em campos de oleo leve. Este trabalho visa permitir a melhoria de desempenho operacional do sistema VASPS, mensurada pelos custos totais gerados pelo sistema e pelos proventos gerados na producao de oleo e gas, bem como propor novas metodologias de sistemas de controle para sistemas similares, utilizando tecnologias recentes de controle inteligente. Vale ressaltar que o problema de controle e atualmente tratado em campo com solucoes de automacao, sem o estudo devido, causando danos a equipamentos que exigem intervencoes custosas. Os controladores propostos neste trabalho visam minimizar os esforcos aos quais estes atuadores estao expostos, provendo uma maior vida util as tecnologias de elevacao artificial de alta vazão e podendo ser aplicado de forma modular a outros processos relacionados. / Abstract: The oil production scenario has been becoming more and more complex and severe in the recent years. Plenty discoveries in deeper and more diversified formations have been requiring cutting edge technological solutions., such that the production has been deployed side by side with the technological development. Thus, the need for the enhancement of the recuperation factor in order to justify the investment in these new conditions are actual challenges within the recent design of wells, artificial lift systems and secondary recuperation projects, which has been leading to the development towards subsea integrated solutions, such as the VASPS subsea separator. However, the control of continuous processes, i.e. flow, temperature and pressure, is still dealt the same way it was done when the offshore production in light oil fields began. This work envisions the enhancement of the operational performance of the VASPS system, measured as a function of the total costs implied by the technology, altogether with the receipts generated in the gas and oil production, as well as the delivering of new methodologies for the design of controllers using late technologies of intelligent control. Also, it is worth recalling that nowadays the control task is dealt with automation solutions, without the proper handling, causing failures in equipments that require expensive rig intervention for workover. The controllers proposed in this work are designed to minimize the control effort, to which these actuators are exposed, providing extended lifetime to the high level production artificial lift technologies, being also able to be applied to other related processes in a modular form. / Mestrado / Explotação / Mestre em Ciências e Engenharia de Petróleo

Se presenta el diseño e implementación de un vehículo submarino operado remotamente con un sistema de estabilización automático. El vehículo submarino o ROV, por sus siglas en inglés (Remotly Operated Vehicle), tiene tres grados de libertad que le permiten realizar el movimiento arriba-abajo, adelante-atrás y el giro izquierda-derecha. El sistema de estabilización permite que el ROV se mantenga enfocado a un objetivo predeterminado y pueda seguirlo gracias a técnicas de visión por computadora que determinan la distancia y orientación del objetivo y, a un controlador de lógica difusa que gobierna un sistema de propulsión a chorro direccionado por un sistema de transmisión. / Tesis

La limpieza de cascos de embarcaciones representa un sobrecosto en el transporte marítimo, consumiendo hasta un 30% de combustible [1] cuando el casco se encuentra con proliferaciones orgánicas adheridas principalmente a los extremos laterales del casco (estribor y babor). Ante tal situación y comparando los elevados costos actuales por concepto de limpieza y mantenimiento surge la idea de diseñar un equipo automático submarino capaz de realizar la labor de limpieza de casco. El presente trabajo tiene por objeto presentar el diseño de un vehículo de 28Kg de peso y con dimensiones de 1.0m X 1.3m X 0.5m para la limpieza de casco de una embarcación. Se utiliza para esto el vapor de agua como solvente y escobillas como removedores mecánicos de las proliferaciones. Para lograr lo propuesto, se planteó un sistema de localización del equipo en el casco con ayuda de sensores de aceleración, inclinación y humedad. Adicionalmente puede trasladarse a través del casco con rodajes oruga que se fijan a través de imanes permanentes adheridos a su superficie exterior. Una vez fijo firmemente al casco de la embarcación, gracias a la interacción de electroimanes ubicados en la base del equipo, realiza la limpieza vertiendo vapor de agua a una presión de 2.086 bares, un flujo de 5Kg.h y una velocidad de 170 Km/h [12], removiendo las proliferaciones restantes con escobillas circulares mientras se desplaza a la siguiente área de limpieza con una velocidad aproximada de 1 m/s Finalmente inspecciona la región trabajada con una cámara instalada en la parte exterior del equipo. Toda la operación de limpieza lo administra un Controlador Lógico Programable (PLC) seleccionado por su capacidad extensa en comunicación RS485, facilidad en manejo de programación y confiabilidad en la gestión de tareas. Para el diseño de las piezas mecánicas se analizó características como dureza, flexibilidad, esfuerzo y conductividad, así mismo para el diseño de mecanismos se recurrió a los análisis estáticos y dinámicos del sistema en conjunto.

En los últimos años, la ingeniería marina ha desarrollado una serie de vehículos submarinos con el fin de observar y caracterizar los ecosistemas marinos ante la creciente demanda por sus recursos como fuente de energía y alimento. Estos vehículos, denominados vehículos submarinos autónomos (AUVs), son capaces de recorrer el ambiente submarino y recolectar información medida por un arreglo de sensores que llevan a bordo. En particular, los planeadores submarinos pueden realizar exploraciones por periodos de tiempos extensos, por lo cual son un gran beneficio para la ingeniería marina. Debido a la naturaleza de dichos vehículos, y la dificultad de transmitir datos de forma inalámbrica en un ambiente submarino, se han desarrollado algoritmos de navegación autónoma empleando varias técnicas de control, mejorando el desempeño de dichos vehículos ante entornos desconocidos y el seguimiento de trayectorias deseadas. Sin embargo, en muchos casos, la investigación se ha enfocado en el desarrollo de algoritmos clásicos empleando modelos simplificados que no consideran, o minimizan los efectos hidrodinámicos sobre la dinámica del vehículo en movimiento. Es por ello, que se desea desarrollar un algoritmo de control que permita que un planeador submarino permanezca en una trayectoria predefinida considerando los efectos de las fuerzas hidrodinámicas sobre el movimiento. El presente trabajo considera la aplicación de algoritmos avanzados que garanticen la estabilidad del vehículo durante todo su recorrido, en particular en los cambios de planeado descendiente a ascendiente donde los puntos críticos deseados varían según el ángulo de planeado y dirección, así como los limitantes físicos de posición y velocidad para los actuadores internos del vehículo. Durante el desarrollo de la investigación se obtuvo un modelo del planeador submarino que relacione el estado de los actuadores internos del vehículo con su posición, orientación y velocidad durante el planeado. A partir de ello se desarrolla un total de tres controladores, primero un controlador MIMO (múltiple entrada, múltiple salida) empleando la ley de control proporcional-integrativo debido a la naturaleza intrínseca multivariable del planeador submarino. Segundo, se desarrolló un sistema óptimo basado en un regulador cuadrático lineal, el cual permite optimizar el consumo energético con el fin de extender el tiempo de recorrido. Finalmente se obtuvo un controlador no lineal basado en la técnica backstepping adaptativo, el cual considera la naturaleza desconocida de los parámetros hidrodinámicos para estimar su efecto sobre el vehículo y obtener la señal de control que lo estabiliza. El desempeño de los tres algoritmos es comparado mediante simulaciones, determinando que el algoritmo no lineal basado en backstepping adaptativo presenta un mejor comportamiento. Finalmente, se procede a implementar un planeador submarino basado en tecnologías de prototipado rápido, para evaluar el funcionamiento del algoritmo desarrollado en un sistema real. Los resultados de las pruebas realizadas demuestran que efectivamente, el sistema de control es capaz de estabilizar el vehículo sin tener conocimiento previo sobre los parámetros hidrodinámicos y la magnitud de su efecto sobre la dinámica del vehículo. / Tesis

[pt] Neste trabalho são avaliadas as condições de estabilidade do subsolo marinho ao longo da rota de um duto rígido de aço revestido com concreto, de 10 de diâmetro, localizado na Bacia de Campos, RJ. Os dados geológicos e geotécnicos foram adquiridos a partir de um amplo levantamento geofísico e geotécnico realizado na diretriz do duto. Devido as adversidades à estabilidade do fundo marinho, várias análises vêm sendo realizadas de forma qualitativa e quantitativa. Atualmente, por questões ambientais e de segurança de obras de engenharia, busca-se uma avaliação mais quantitativa dos riscos geológicos associados à condição de estabilidade do fundo marinho, pois os escorregamentos de taludes representam o principal risco para estas estruturas. As análises de estabilidade foram feitas a partir da teoria do talude infinito, em metodologia aplicada por Nowacki et al. (2003) nos campos profundos de Mad Dog e Atlantis, no Golfo do México, e comparadas com os resultados encontrados a partir da formulação clássica do talude infinito. Uma integração de dados geotécnicos e geofísicos foi necessária, para que todos os parâmetros utilizados na metodologia pudessem ser obtidos. Os resultados indicaram dois pontos críticos ao longo da rota, ambos associados aos flancos do cânion Itapemirim, que apresentam gradientes altos. Foram realizados breves estudos com o objetivo de se avaliar a possibilidade de ocorrência de mecanismos disparadores (terremotos e ondas de tempestade) nesses pontos críticos mas os resultados descartaram esta possibilidade. Concluiu- se ainda que os dados geotécnicos utilizados neste trabalho não foram suficientes e de certo modo não apropriados para a análise de estabilidade de taludes. Uma nova campanha de ensaios geotécnicos de laboratório foi proposta para futuros estudos. / [en] This research analyses stability conditions of marine sediments superficial layers of along a 10 in. diameter pipeline`s route, located at Campos Basin, RJ. The geological and geotechnical data were obtained during a wide geophysical and geotechnical survey along the pipeline`s route. Due to adversities to botton stability found in the marine environment, several qualitative and quantitative stability analysis have been made. Nowadays, because of environmental and safety issues, the researches are more focused on quantitative analysis of geohazards associated with the stability condition of the sea bottom, since slope slides represent the main risk for those structures. The stability analyses were based on the infinite slope theory. The methodology applied was the same used by Nowacki et al. (2003) at the deep fields of Mad Dog and Atlantis, in the Gulf of Mexico. The results were compared with the results from the classical formulation of the infinite slope. An integration of geotechnical and geophysical data was necessary, in order to obtain all the parameters used in the methodology. The results indicated two critical points along the route, both associated with the flanks of the Itapemirim Canyon, which have steep slopes. Brief studies were made to evaluate the importance of triggering mechanisms (earthquakes and storm waves) at these critical points but the results discard this possibility. It was also concluded that the geotechnical data used in this research were insufficient and in a certain way not appropriate for the slope stability analysis. A new geotechnical lab tests campaign was proposed for future studies.

Após a construção do Emissário Submarino de Esgoto de Santos, todo efluente da cidade de Santos e parte de São Vicente passou a ser descartado na Baía de Santos após Pré-condicionamento. Diante desse aspecto a CETESB iniciou monitoramento de controle sobre os materiais que estão sendo lançados pelo emissário. Nessa dissertação foram estudadas amostras de sedimentos no entorno dessa malha de monitoramento. A partir de duas coletas em períodos distintos - Abril de 2004 e Outubro de 2004 - obtiveram-se 20 amostras de sedimentos. Nessas amostras foram realizadas análises granulométricas e químicas (elementos maiores e traços determinados por DRX e ICPOES para 16 elementos com predomínio de metais). Os resultados granulométricos obtidos nas amostras de sedimentos mostraram serem esses constituídos predominantemente por areias e sedimentos em suspensão. A dispersão dessas frações sofre influência direta do fluxo dos materiais descartados pelo emissário. Dos diversos elementos analisados detectou-se que o Cobalto (Co) e Enxofre (S) ultrapassaram os limites de referência utilizados. O elemento Bário exibiu sempre concentrações elevadas nas análises realizadas. Foi notado, por outro lado, que a distribuição dos elementos Cu, Zn, Cr, Mn e Ni, sempre exibiu maiores concentrações no período de maior pluviosidade. Esses resultados corroboram para a indicação que alguns desses elementos químicos (Cu, Zn, Cr, Mn e Ni) devem provir de materiais intemperizados de rochas do entorno e que outros elementos (Co e S) possuem uma contribuição antropogênica sobre os sedimentos depositados pelo emissário. A determinação das razões C/N e C/S não permitiu determinar se a carga de efluentes do emissário contribui para o aumento do teor de matéria orgânica. Os resultados obtidos e interpretações realizadas conduzem a confirmar a influência do emissário sobre os sedimentos de fundo do seu entorno. Esses diversos resultados apontam para uma indicação de que o tratamento dos efluentes na Estação de Pré-Condicionamento de Esgoto de Santos não é o ideal, visto que alguns elementos considerados poluentes encontram-se depositados nos sedimentos analisados. / After the construction of the Ocean Outfall of Santos\'s sewage, all of Santos\'s and part of São Vicente\'s effluents started to be discarded in the Santos Bay after Preconditioning. In light of that aspect, CETESB began a monitoring control of the materials dumped through the emissary. In this dissertation sediments samples in the environment of that monitoring mesh. From two collections in different periods - April 2004 and October 2004 - 20 samples of sediments were obtained. Granulometric and chemical analyses (larger and trace elements for DRX and ICP-OES for 16 elements with prevalence of metals) were developed. The granulometric results obtained in the sediment samples showed that those were predominantly constituted by sands and sediments in suspension. The dispersion of the prior fractions suffers direct influence of the flow of discarded materials by the emissary. Of the several analyzed elements, it was detected that the Cobalt (Co) and Sulfur (S) concentrations surplused the reference limits. The element Barium (Ba) was always highly concentrated in analysis. It was noticed, on the other hand, that the distribution of the elements Copper (Cu), Zinc (Zn), Chromium (Cr), Manganese (Mn) and Nickel (Ni), always exhibited larger concentrations in the period of greater rainfall. Those results corroborate the indicators that some of those chemical elements (Cu, Zn, Cr, Mn and Ni) comes from materials of naturally eroded rocks and that other elements (Co and S) were deposited by the emissary, constituting anthropogenic actions. The determination of the Carbon/Nitrogen (C/N) and Carbon/Sulfur (C/S) reasons didn\'t determine if the deposit of the emissary\'s effluents contributes in the increase of the concentration of organic matter. The results and interpretations obtained in the experiments confirm the emissary\'s influence on the environment\'s bottom sediments. Those results point that the effluent treatment in the Sewer\'s Pre-conditioning Station in Santos is not ideal, because some elements, considered pollutants, are found in deposits in the analyzed sediments.

O projeto de submarinos é um tema que vem se desenvolvendo há muitos anos. No Brasil, vivemos um momento de pleno avanço na área, sendo encabeçado pela Marinha do Brasil com o desenvolvimento do primeiro submarino de propulsão nuclear brasileiro. No decorrer desse projeto, diversos estudos devem ser desenvolvidos, dentre eles, ensaios com modelos em escala, que serão realizados em um túnel de cavitação. Durante estes experimentos, espera-se que surjam diversas fontes de incerteza, que podem comprometer os resultados obtidos, destacando-se o efeito de blocagem hidrodinâmica. Nesse contexto, esta dissertação apresenta uma investigação do fenômeno de blocagem no modelo de submarino DARPA SUBOFF na seção de testes de um túnel de cavitação. Para isso, simulações tridimensionais de média de Reynolds (RANS) foram realizadas para o modelo de submarino posicionado no túnel (sob blocagem) e sob condição de águas profundas (referência), para diferentes ângulos de ataque e número de Reynolds (Re) constante. Coeficientes de força e momento hidrodinâmicos foram obtidos e os métodos de correção de blocagem clássico e WICS foram empregados para obter fatores que pudessem corrigir esses valores. A eficiência de cada método foi avaliada comparando os valores corrigidos com os de referência. Os resultados mostraram que ambos métodos de correção são eficientes na recuperação de coeficientes de força e momento hidrodinâmicos para razões de blocagem inferiores a 10%, mas ressalvas são feitas quanto à utilização de cada um desses métodos, sendo o método clássico indicado para o estudo de geometrias simples e o método WICS para modelos mais complexos. Paralelamente, a topologia do escoamento ao redor do submarino foi estudada através do método dos pontos críticos, para avaliar se a blocagem hidrodinâmica pode causar alterações nas estruturas presentes no escoamento. A análise topológica permitiu avaliar a evolução nas estruturas do escoamento para os ângulos de ataque e Re simulados. Foram capturadas as linhas de separação no corpo e avaliada sua relação com a tensão de cisalhamento ao longo do casco. A blocagem hidrodinâmica não causou alterações drásticas na topologia do escoamento. / The Project of submarines has been in development for years. In Brazil, we are facing a moment of full progress in this area, leaded by the Brazilian Navy with the development of the first submarine with nuclear propulsion in the country. During this project, many studies will be developed, among them, experiments with scaled models, that will be performed in a cavitation tunnel. Throughout these experiments, many sources of uncertainty are expected to arise that may compromise the results obtained, one effect that stands out is the hydrodinamic blockage. In this context, this master\'s thesis presents an investigation of the blockage phenomenon in the submarine model DARPA SUBOFF placed in the test section of a cavitation tunnel. To accomplish this, tridimensional simulations of Reynolds-Averaged Navier Stokes equations (RANS) were performed to the submarine model placed in the tunnel (under blockage) and in deep water condition (reference), to a variety of angles of attack and a constant Reynolds Number (Re). Cofficients of hydrodynamic forces and moment were measured and the classic and WICS correction methods were used to obtain factors that could correct these values. The efficiency of these methods were evaluated comparing the corrected values with the reference ones.The results showed that both correction methods are efficients in the recovery of hydrodynamic forces and moment to blockage ratios below 10%, but reservations are made about the use of each method. The classic method is suggested when simple geometries are tested and the WICS method when more complex models are used. At the same time, the flow topology around the submarine was studied, using the critical point theory, to evaluate if the hydrodynamic blockage can cause changes in the structures in the flow. The topology analysis permited to assess the evolution of structures in the flow to the conditions of angle of attack and Re simulated. Separation lines were captured in the body and their relationship with the shear stress in the hull was evaluated. The hydrodynamic blockage did not cause drastic changes in the flow topology.

Pasados los 80’s el incremento en la demanda del ancho de banda por el uso de Internet, así como las comunicaciones internacionales privadas de la industria de las Telecomunicaciones, han ocasionado que las redes basados en Satélites colapsen, ya que esta tecnología no podía brindar la tecnología (ancho de banda) que se necesitaba y otro, su costo es significativamente mayor. Razón por el cual, se inicio el uso de las redes por cable submarino aumentando considerablemente su demanda, hasta que el día la mayoría de las comunicaciones internacionales se hacen a través de este medio. Los grandes cables submarinos en las telecomunicaciones, tiene la misión de unir los continentes entre si a través de los océanos y soportan el 90% del tráfico de la red, trasmitiendo hasta más de 7 Terabits por segundo (Tbps); es decir, más de siete billones de bits cada segundo. El uso de este medio de transmisión tiende a ser vulnerable por el medio ambiente, los daños y el uso inadecuado que se le brinde; es por eso que, la Operación y Mantenimiento de una Red de Cable Submarino es de suma importancia para prevenir y actuar al momento que se presente algún deterioro o rotura, esto es un problema que conlleva perdida económica, por cuanto la rotura de sólo un cable afectaría a millones de usuarios, Para fines de mantenimiento preventivo y correctivo es necesario realizar mediciones y enviar órdenes a los repetidores que están bajo el mar. Esto se realiza variando levemente (sobre-modulando) la señal luminosa de acuerdo a la señal de datos de baja velocidad que contiene los mensajes enviados o recibidos hacia o desde los repetidores. / Tesis