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Title: Estudo comparativo por elementos finitos entre as tecnologias de riser convencional e compósito: projeto e análise estatística de sensibilidade
Authors: Costa, Emmanuel Simmons da
metadata.dc.contributor.advisor: Silva, Antonio Henrique Monteiro da Fonseca Thomé da
metadata.dc.contributor.members: Mattos, Heraldo Silva da Costa
Alvim, Roberto de Abreu
Issue Date: 2019
Citation: COSTA, Emmanuel Simmons da. Estudo comparativo por elementos finitos entre as tecnologias de Riser convencional e compósito: projeto e análise estatística de sensibilidade. 2019. 189f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Escola de Engenharia, Universidade Federal Fluminense, Niterói, 2019.
Abstract: Com a criação da Petrobras, no final da década de 30, deu-se partida o desenvolvimento de tecnologias e pesquisa do petróleo brasileiro. Desde então, poços de óleo foram descobertos em quase todos os estados brasileiros ao longo dos anos para cada vez maiores profundidades, aumentando os desafios tecnológicos e logísticos que são também acompanhados de soluções com maiores custos. Este trabalho teve como meta realizar o projeto de dois risers completamente fabricados de material compósito (termoplástico reforçado com fibras de carbono), utilizando as matrizes PEEK e PVDF separadamente, por meio das propriedades mecânicas dos seus constituintes, da mecânica clássica do laminado e assumindo que este se comporta com um duto de paredes espessas. Além disso, por meio de análise computacional de elementos finitos utilizando a ferramenta Orcaflex buscou-se fazer uma comparação da carga de topo, da mínima tensão no TDZ e da curvatura máxima das tecnologias de dutos, flexível convencional, compósitos e rígido convencional. Com o objetivo de calcular e hierarquizar os efeitos principais e de interação dos fatores de entrada nas variáveis de resposta das análises numéricas, foi realizada uma análise estatística de sensibilidade com base no planejamento de experimentos (DOE – Projeto of Experiments) e com auxílio do software Statistica 8.0. Com objetivo realizar uma análise abrangente e comparativa do ponto de vista econômico (CAPEX e OPEX) com os dutos convencionais , foi confeccionada uma matriz SWOT dos dutos termoplásticos de modo a entender suas forças e fraquezas para entrada no mercado. Ao final, foi concluído que os dutos compósitos mostraram, em comparação com as outras tecnologias analisadas, redução da carga de topo, curvatura inferiores as limites de projeto e compressão no TDZ quando sob efeito de onda regular. Além disso, os fatores de entrada para o estudo estatístico de DOE : Tecnologia de duto, lamina d’água, direção de carregamento e onda regular mostraram elevada representatividade para o caso estudado, considerando os fatores de saída: Carga de topo, mínima tensão efetiva no TDZ e máxima curvatura no TDZ. Devido a redução da carga de topo encontrada, a possibilidade de instalação na configuração catenária livre, dispensando módulos de flutuadores caros, a sua superior durabilidade por conta da resistência aos gases corrosivos e o limite de projeto em que se encontram as tecnologias convencionais , os dutos compósitos se mostraram como uma excepcional solução técnica e econômica aos metais no longo prazo, mesmo que por conta dos desenvolvimentos ainda recentes, poucos testes de campo foram realizados colaborando para uma certa insegurança do mercado na aquisição de tais tecnologias.
metadata.dc.description.abstractother: With Petrobras creation, in the 1930s, technologies development and research of Brazilian oil has increased. Since then, oil wells have been discovered over the years all around Brazil, with increasing water depths, especially considering recent discoveries in the pre-salt. Technological and logistical challenges are, thus, foreseen, always aligned to costs to be overcome to produce oil, on a large scale, in this geological area. The goal of this work was, then, to design two thermoplastic composite (PEEK-carbon fiber based, and PVDF-Carbon fiber based) risers by means of the mechanical properties of their constituents, from the composite laminate classic mechanics, assuming thick-walled cylinder theory. In addition, by means of finite elements analysis using the Orcaflex software, a comparison of the top load, the minimum tension in TDZ and the maximum curvature between flexible pipes (conventional and composite) and rigid pipes technologies was performed. In order to rank the main and interaction effects of the input factors in the response variables, a statistical sensitivity analysis based on Design od Experiments (DOE) was performed using software Statistica 8.0. Finally, a SWOT matrix of the thermoplastic pipes was created aiming to compare this technology with the conventional ones from an economic and logistic perspective (CAPEX and OPEX). It was observed that the composite pipes showed, compared to the conventional pipe technologies, a reduction of the top load, curvature comparable to the conventional flexible and compression in TDZ when under regular wave effect. In addition, input factors of the DOE analysis like pipe technology, depth, loading direction and regular wave showed high representativeness for the case studied, considering the output factors top load, minimum effective tension in TDZ and curvature radius. The observed reduction of the top load highlights the possibility of installation in the free catenary configuration, dismissing thus expensive float module units. Additionally, composite technologies can promote increased durability due to the resistance to corrosive gases, proving to be an exceptional alternative solution technically and economically to metalbased technologies in the long term, despite the fact that robust track record is still to be developed.
URI: https://app.uff.br/riuff/handle/1/16022
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