Utilizados na extração de petróleo em alto mar, os risers são elementos que conectam a unidade flutuante ao poço no fundo do mar. Eles estão sujeitos às condições ambientais do local onde estão instalados, as quais podem variar no tempo. Em geral, divide-se o estudo do comportamento global dos risers em duas análises: estática e dinâmica. Na análise estática são levados em conta os carregamentos que podem ser considerados constantes no tempo, são eles: peso próprio, empuxo e força da correnteza. Já na análise dinâmica são considerados os carregamentos causados pela movimentação da unidade flutuante, pelas ondas e pela liberação de vórtices. A dinâmica de risers é essencialmente não-linear, principalmente por causa do amortecimento viscoso, que é quadrático com a velocidade relativa, e devido ao contato unilateral entre o riser e o solo. O problema dinâmico pode ser simulado de duas maneiras: no domínio do tempo e no domínio da freqüência. A análise do domínio do tempo é, geralmente, mais demorada, pois a solução é obtida para cada passo de tempo, porém as não-linearidades inerentes ao comportamento da estrutura podem ser consideradas de forma direta. A análise no domínio da freqüência, por sua vez, costuma ser mais rápida, pois o estado estacionário é diretamente obtido, porém, as não-linearidades do problema devem ser devidamente tratadas. O objetivo deste trabalho foi estudar a dinâmica global de risers com foco na modelagem das não-linearidades no domínio do tempo, bem como estudar uma forma de lineariza-las para o domínio da freqüência. Partiu-se de uma análise estática pré-existente, que no domínio da freqüência é a configuração em torno da qual o riser se movimenta. O modelo dinâmico foi obtido através do Método dos Elementos Finitos e o riser foi representado por um elemento de pórtico. Para a análise no domínio da freqüência uma forma de linearização do amortecimento viscoso foi desenvolvida neste trabalho baseada, em uma metodologia já utilizada em casos bidimensionais. Além disso, o contato com o solo foi representado por molas lineares, que recuperam o movimento no plano horizontal e a curvatura corrigida através de uma técnica de camada limite. Com base nos resultados obtidos, pode-se dizer que essas linearizações tiveram o efeito desejado, pois compararam muito bem com os resultados do modelo não-linear. Já no domínio do tempo o amortecimento viscoso pode ser representado de forma não linear, assim como o contato com solo, representado através do contato unilateral, atrito, força de sucção e trincheira. Foram feitas comparações, sempre que possível, com o software comercial Orcaflex 9.2a. / Used in offshore oil exploitation risers are elements that connect the floating unit to the oil well on the seabed. They are exposed to the environmental conditions of the site where they are installed. Normally, the risers global behavior is divided in static and dynamic analyses. The static loads acting on the pipe are: weight, buoyancy and current load. The loads considered in the dynamic analysis are caused by the floating units motion and by the waves. The riser dynamics is essentially non-linear mainly due to the viscous damping, which is quadratic in velocity and due to the unilateral contact between the riser and the seabed. The dynamic simulation can be performed in time domain and in frequency domain. The time domain analysis usually takes longer to perform because the solution is obtained at each time-step. However, the non-linearities of the problem can be considered. The frequency domain analysis is normally faster than the time domain analysis, once the stationary state is directly obtained, nevertheless, the non-linearities must be removed. The objective of this work is to study the risers global dynamics focusing on the modeling of the non-linearities in time domain, as well as removing them for the frequency domain analysis. The static configuration is the initial configuration of the dynamic analysis and the frequency domain dynamic is modeled to be a perturbation of it. The dynamic model was obtained through the Finite Element Method and the riser was represented by a beam element. The only non-linearities covered in this work are caused by the viscous damping and the soil-structure contact. For the frequency domain analysis it was developed, in this work, a way to linearize the viscous damping based on a methodology already in use for two-dimensional analysis. Besides that, the contact with the seabed was represented by linear springs and the curvature was corrected afterwards through a boundary layer technique. Considering that the results compared very well with the ones obtained with a non linear model, one can say that these linearizations had the desired effect. In the time domain analysis the viscous damping could be represented in the non linear form as well as the soil-structure contact, which was represented through the unilateral contact, friction, suction force and trench. Whenever possible, the results were compared with the ones obtained with Orcaflex 9.2a.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-19082010-112620 |
| Date | 26 April 2010 |
| Creators | Takafuji, Fernanda Cristina de Moraes |
| Contributors | Martins, Clóvis de Arruda |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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