[pt] Este trabalho apresenta uma metodologia para a determinação da localização ótima de suportes em linhas de tubulação de centrais nucleares, visando minimizar o número de suportes empregados. Incorporam-se a esta metodologia os critérios e restrições de projeto descritos em normas e relatórios técnicos específicos para sistemas de tubulações de centrais nucleares. Por exemplo, a localização dos suportes estruturais deve ser efetuada de tal forma que as tensões atuantes nos elementos da linha de tubulação, devido aos vários carregamentos impostos, estejam dentro dos limites especificados no código da ASME- American Society of Mechanical Engineers e da ANSI- American National Standards Institute e que os deslocamentos da linha de tubulação não excedam o valor do deslocamento máximo admissível. A etapa de análise para obtenção dos esforços e deformações é realizada utilizando-se um programa de elementos finitos, KWUROHR, desenvolvido pela Siemens especificamente para análise de tubulações. Empregam-se na modelagem dos tubos elementos de viga. A partir de uma análise preliminar formula-se o problema de otimização topológica com restrições de geometria, tensões e deslocamentos. A solução deste problema se dá empregando-se técnicas de programação matemática, mais especificamente, programação quadrática recursiva. Os esforços e deformações finais são obtidos por meio de nova análise para o sistema otimizado. / [en] This work presents a methodology for the determination of the optimal support locations for nuclear power plant pipelines. The objective here is to minimize the number of supports taking into account the specific design criteria present in the codes and regulatory guides for these special structures. The stress analysis is performed with a finite element program, KWUROHR, developed by Siemens specifically for the analysis of pipelines. On the tube modeling beam elements are employed. From a preliminary stress analysis performed on a trial structure, the topology optimization problem is formulated. Stresses and displacements, as well as the sensitivity analysis, obtained for this structure are the inputs for the optimization procedure. The solution of the optimization problem is obtained with mathematical programming techniques, more specifically with recursive quadratic programming. Final stresses and deformations are obtained through reanalysis of the optimal structure. / [es] Este trabajo presenta una metodología para la determinación de la localización óptima de los soportes, en líneas de tuberías de las centrales nucleares, minimizando el número de soportes empleados. Se Incorporan a esta metodología los criterios y restricciones del proyecto, que están descritos en las normas e informes técnicos específicos para sistemas de tuberías de centrales nucleares. Por ejemplo, la localización de los soportes extructurales debe ser efectuada de tal forma que las tensiones que actúan en los elementos de la línea de tubería, debido a las cargas impuestas, estén dentro de los límites especificados en el código de la ASME-American

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T06:11:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 282501.pdf: 18734082 bytes, checksum: 1544e2d6adda663c052b1694c61ee1ba (MD5) / O dimensionamento de instalações de água fria é condicionado a uma série de parâmetros normalmente propostos por normas técnicas locais. O Brasil possui a NBR 5626 que ao longo dos anos vêm sendo revisada mas que teve sua última atualização em 1998. Paralelo a isto, a Europa, depois da criação de sua comunidade, elaborou padrões técnicos de projetos que estão sendo sumarizados na DIN EN 806-3. Além de serem dependentes dos parâmetros hidráulicos, determinados por estas normas, os dimensionamentos sofrem influência das diferentes metodologias de cálculo. Comercialmente, existem vários softwares disponíveis para projeto de instalações hidráulicas, que procuram atender os requisitos das normas, mas que não realizam a otimização dos diâmetros obtidos, frente aos limites de pressão e velocidade. Desta forma, o presente trabalho realizou a comparação, para um mesmo estudo de caso, de diferentes cenários de dimensionamento que considerava diferentes normas (ou parâmetros hidráulicos) e diferentes metodologias de cálculo (rotina otimizada e softwares comerciais e didáticos). Para o levantamento da influência destes parâmetros hidráulicos e das metodologias de cálculo foram feitas quantificações do material necessário para cada cenário e estudos de custo. Ao final, verificou-se que a adoção de metodologia otimizada e do diâmetro interno nos dimensionamentos produzem projetos mais econômicos, até 25% mais baratos, e mais sustentáveis ambientalmente, devido a configuração das peças na montagem das instalações. / The design of piping systems for water depends on hydraulic parameters following local and technical standards. In Brazil, the NBR 5626 standard defines such parameters, but it was last updated in 1998. In Europe, after the European Community, the DIN EN 806-3 standard was developed for piping and water supply systems.. The design also depends on the calculation method used, besides the hydraulic parameters. Commercial softwares available for design follow the standard parameters but usually do not optimize the pipe diameter based on velocity and pressure limits. The aim of this study is to compare different water piping design methods, considering different calculation algorithms, standards and hydraulic parameters. The calculation procedures considered are an optimization algorithm, a commercial software and an educational software). In order to determine the influence of the hydraulic parameters and calculation algorithm in the final result, the cost of each design was calculated. Results indicate that the optimization algorithm and the use of the internal diameter as hydraulic parameter produced a water piping design that is more economic (up to 25% smaller cost) and environmentally better, due to the material configuration demanded for the plumbing system.

[pt] Escoamentos bifásicos no regime de golfadas são caracterizados pela alternância de pacotes de líquido e grandes bolhas de gás na tubulação, sendo associados a altas perdas de carga, além de trazer uma indesejada intermitência aos escoamentos. O desenvolvimento do regime de golfadas em tubulações horizontais se dá a partir do escoamento estratificado em decorrência de dois fatores: do crescimento natural de pequenas perturbações (por um mecanismo de instabilidade do tipo Kelvin-Helmholtz) ou devido à acumulação de líquido causada por mudanças de inclinação no perfil do duto. O presente trabalho consiste da simulação numérica do surgimento das golfadas em ambas as situações descritas acima, assim como do subseqüente desenvolvimento do escoamento neste padrão para um regime estatisticamente permanente. A previsão do escoamento é obtida utilizando-se uma formulação unidimensional baseada no Modelo de Dois Fluidos. Parâmetros médios das golfadas (comprimento, velocidade e freqüência) são comparados com estudos numéricos e experimentais da literatura, obtendo-se uma concordância bastante satisfatória, especialmente dada a simplicidade de uma formulação unidimensional. / [en] Slug flow is a two-phase flow pattern which is characterized by the periodic presence of packs of liquid and long bubbles in the tube, associated with high pressure-drops and an often undesired intermittency in the system. The development of the slug pattern in horizontal pipes is caused by two reasons: the natural growth of small disturbancies at the interface (by a Kelvin-Helmholtz instability mechanism) or the liquid accumulation at valleys of hilly terrain pipelines with sections of different inclinations. The present work consists of the numerical simulation of the onset of slugging in both situations, as well as the subsequent development of statistically steady slug flow in the pipe. The prediction of the flow is obtained through a one- dimensional formulation based on the Two-Fluid Model. Averaged slug parameters (length, velocity and frequency) are compared with previous numerical studies and experimental correlations avaiable in the literature, and a very satisfactrory agreement is obtained, specially given the simplicity of a one dimensional formulation.

[pt] O escoamento bifásico no regime de golfadas é um padrão de escoamento que requer esforço em sua caracterização e modelagem, devido às características marcantes da distribuição espacial das fases, que gera intermitência ao escoamento. Este escoamento ocorre na presença de uma grande faixa de vazões de gás e líquido, em tubulações de diâmetro médio e pequeno, com variação periódica da densidade, fração de vazio e pressões na seção transversal da tubulação. No presente trabalho estuda-se numericamente o regime de golfadas ao longo de tubulações horizontais utilizando-se o Modelo de Dois Fluidos. Uma análise detalhada das estatísticas do escoamento é realizada com a caracterização dos principais parâmetros de uma golfada, como comprimento, velocidade da frente e cauda e freqüência de passagem das golfadas ao longo da tubulação. Os dados obtidos das simulações são analisados através de histogramas de distribuição assim como de funções densidade de probabilidade (PDF) das variáveis hidrodinâmicas, destacando-se o caráter estocástico do escoamento no padrão de golfadas. Adicionalmente, comparações com dados de trabalhos experimentais da literatura foram realizadas com concordância muito boa. / [en] Slug flow is a two-phase flow pattern that requires large effort in its characterization and modeling, due to special characteristics of the phase’s spatial distribution, which causes flow intermittency. This flow occurs in a wide range of gas and liquid flow rates in pipes of medium and small diameters, with periodic variation of density, void fraction and pressures in pipe-cross-section. This work presents a numerical study of the slug regime through horizontal pipes using the Two-Fluid Model. A detailed statistical analysis of the flow was carried out with characterization of main slug parameters, such as slug length, front and tail velocities and slug frequency along the pipeline. The numerical results were analyzed through distribution histograms as well as probability density function (PDF) of the hydrodynamic variables, showing the stochastic characteristic of slug flow pattern. Further, comparisons with experimental data from the literature were performed, showing very good agreement.

[pt] Diversos processos práticos apresentam uma seqüência de diferentes configurações de escoamentos bifásicos, com diferentes padrões de escoamento. Dependendo das razões entre as velocidades superficiais do gás e do líquido, diferentes padrões de escoamento bifásico podem ser encontrados. O padrão de escoamento slug pode ser formado a partir do padrão estratificado, devido ao crescimento das instabilidades hidrodinâmicas ou devido às ondulações no terreno onde se instala a tubulação. O presente trabalho consiste na análise do escoamento bifásico no padrão slug, ao longo de tubulações horizontais, mediante a aplicação do modelo de dois fluidos em sua forma transiente e unidimensional. Através de uma análise de estabilidade de Kelvin-Helmholtz para escoamento estratificado, estima-se a possível faixa de operação para a obtenção de um modelo matemático bem posto. Diferentes técnicas de discretização foram implementadas e testadas. Comparações com dados disponíveis na literatura foram realizadas. / [en] Several practical processes show a sequence of different configurations of two-phase flows, with different flows pattern. Depending upon the relation between the superficial velocities of gas and liquid, different two- phase flows patterns can be found. Slug flow can be formed from the stratified flow, due to growth of hydrodynamic instabilities or due to undulations of the surface where the pipes are installed. The present work consists in the analysis of two-phase flow in slug flow through horizontal pipes using the two-fluid model in its transient and one-dimensional form. By means of a Kelvin-Helmholtz stability analysis for stratified flows, the operation range for obtaining of a well-posed mathematical model is estimated. Different techniques of discretization were implemented and tested. Comparisons with result obtained in the literature were done.

[pt] Sabe-se que os anéis e tubulações elásticas de paredes finas estão sujeitos a instabilidades quando sob tensões compressivas. Um exemplo particularmente interessante é a flambagem de um anel elástico sob uma pressão hidrostática. A carga de flambagem é fortemente influenciada pela natureza seguidora da força devida à pressão hidrostática e, se esse efeito for desprezado, a previsão da carga de flambagem crítica pode ser de até 50 por cento para anéis esbeltos. Este trabalho estuda, usando uma formulação variacional não linear, as características de flambagem e vibração de anéis e tubulações apoiados em uma fundação elástica de Pasternak, sendo a fundação de Winkler considerada como um caso particular. Primeiro, a equação de movimento do anel pré-carregado é derivada e a solução analítica dos problemas de autovalor é obtida. A análise paramétrica mostra a influência dos parâmetros geométricos e físicos do anel e da fundação na carga crítica, frequências naturais e relação não linear carga-frequência, considerando o efeito da força seguidora da pressão hidrostática. Adicionalmente, o efeito da fundação nas deformações pré-críticas é estudado. Finalmente, o efeito de uma imperfeição geométrica inicial é avaliado usando o método de Galerkin. Os resultados mostram que os parâmetros da fundação de Pasternak têm um efeito considerável na carga e modo crítico, na frequência fundamental do anel. / [en] It is known that thin-walled elastic rings and pipes are subject to instability when under a state of compressive stresses. A particularly interesting example is the buckling of an elastic ring under hydrostatic pressure. The buckling load is strongly influenced by the following nature of the force due to the hydrostatic pressure and, if this effect is neglected, the forecast of the critical buckling load can be up to 50 per cent for slender rings. This work studies, using a non-linear variational formulation, the buckling and vibration characteristics of rings and pipes supported by a Pasternak elastic foundation, the Winkler foundation being considered as a particular case. First, the equation of motion of the preloaded ring is derived and the analytical solution of the eigenvalue problems is obtained. Parametric analysis shows the influence of the geometric and physical parameters of the ring and the foundation on the critical load, natural frequencies and nonlinear load-frequency relationship, considering the force following effect of the hydrostatic pressure. Additionally, the effect of the foundation on pre-critical deformations is studied. Finally, the effect of an initial geometric imperfection is assessed using the Galerkin method. The results show that the parameters of the Pasternak foundation have a considerable effect on the critical load and mode as well as on the natural frequencies of the ring.

[pt] Tubulações compósitas têm sido empregadas na indústria para substituir as tubulações fabricadas com os materiais convencionais de engenharia, como o aço. O baixo peso específico, elevada resistência química e mecânica, bem como o menor custo de instalação e manutenção são vantagens que justificam o uso e aprimoramento desses materiais. Os materiais compósitos mais empregados para a fabricação de tubulações são os compósitos de matriz polimérica reforçados com fibras. Durante o tempo de serviço, as tubulações compósitas que são utilizadas no setor de óleo e gás estão sujeitas a ambientes agressivos e intempéries, como exposição a altas temperaturas, umidade e diversos produtos químicos. A temperatura e a absorção de fluidos são as principais causas da degradação das propriedades físicas e químicas desses materiais, reduzindo a resistência mecânica e, consequentemente, a vida útil das tubulações em serviço. Portanto, este trabalho teve o objetivo de avaliar durante o período de 12 meses o efeito dos agentes de degradação em uma tubulação compósita de resina epóxi reforçada com fibras de vidro e carbono. Para tal, amostras da tubulação foram submetidas à temperatura, água, óleo lubrificante e pressão hidrostática. O comportamento mecânico foi avaliado a partir do ensaio de achatamento sob placas paralelas, ensaio sonoro, ensaio colorimétrico, análise de absorção de fluidos, análise térmica e microestrutural. Ao final do experimento foi constatado que todas as condições de envelhecimento causaram degradação similar, com redução das propriedades mecânicas e térmicas, bem como a plastificação da matriz polimérica. / [en] Composite pipes has been used in the industry to replace conventional pipes commonly manufactured with steel. The lower specific weight, high chemical and mechanical resistance, as well as the low cost of installation and maintenance are the advantages that warrant the use of this materials and their development. The most common composite materials used for the manufacture of pipes are the polymer matrix composites reinforced with fiber. During their lifetime, the composite pipes used in the oil and gas facilities are subject to aggressive environments, such as exposure to high temperatures, moisture and various chemical products. Temperature and fluid absorption are the principal causes of degradation of physical and chemical properties of these materials, reducing their mechanical resistance and, consequently, the lifetime of the pipes in service. Therefore, the main objective of this work was to evaluate the effect of degradation agents on an epoxy composite pipe reinforced with fiberglass and carbon fibers for a period of 12 months. To achieve this objective, samples of the composite pipe were submitted to temperature, tap water, lubricant oil and hydrostatical pressure. The mechanical behavior was evaluated using parallel-plate test, sound test, colorimetric test, fluid absorption analysis, thermal and microstructural analysis. At the end of the experimental procedure it was verified that all the aging conditions caused similar degradation, with reduction of the mechanical and thermal properties, as well as the plasticization of the polymeric matrix.