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Title: Análise fluidodinâmica computacional do gradiente de temperatura e da estabilidade em dutos submarinos
Authors: Fraga, Vinicius Serta
metadata.dc.contributor.advisor: Nascimento, Elson Antônio do
metadata.dc.contributor.members: Baioco, Juliana Souza
Massa, André Luiz Lupinacci
Issue Date: 3-Jul-2017
Abstract: A utilização de dutos submarinos vem aumentando à medida que reservas convencionais de óleo e gás onshore e em águas rasas se esgotam, assim como o uso de hidrocarbonetos se expande. Desde meados de 2014, os preços do óleo tipo Brent declinaram até valores inferiores à $30,00 por barril, observado em janeiro de 2016. Além disso, é necessário dimensionar os dutos corretamente para assegurar sua estabilidade e ainda, analisar a temperatura ao longo do contato hidrocarboneto – aço a fim de evitar super dimensionamento e consequentemente gastos desnecessários com materiais. Nesse projeto é apresentado o critério de dimensionamento para as camadas de aço e de concreto do duto. Uma análise de elementos finitos é feita para obter as forças de sustentação e de arrasto ao longo do duto para cálculos de estabilidade, assim como para obter a temperatura radial ao longo da tubulação. O comportamento da força de sustentação observado no software foi de acordo com os cálculos analíticos da norma DNV-OS-F101, no entanto, a força de arrasto apresentou diferenças significativas entre o observado na ferramenta computacional e os cálculos analíticos. Isso pode ser explicado pelo coeficiente de arrasto adotado pelo software ser um valor variável à critério do conservadorismo adotado, enquanto que o coeficiente de sustentação é um valor fixo pela norma. Além disso, o uso de uma camada adicional de concreto não será requerido para profundidades superiores à 200 metros quando o critério de dimensionamento utilizado é referente à pressão externa. A análise do gradiente de temperatura ao longo da linha mostrou que a camada de concreto atua como um forte isolante, mantendo o calor interno do fluido. Sendo assim, para uma tubulação revestida com concreto não haverá economia significativa de material, já que a água do mar não irá resfriar significativamente o fluido interno. Por outro lado, o duto sem revestimento apresentou quedas significativas na temperatura, o que resulta em uma redução de mais de 4% na espessura do duto para altas temperaturas de entrada do hidrocarboneto. Por fim, é proposto um gráfico para encontrar simplificadamente a temperatura final no contato hidrocarboneto - aço a partir da temperatura de entrada do hidrocarboneto na linha e da temperatura da água do mar.
metadata.dc.description.abstractother: The use of subsea pipelines has been increasing as conventional oil and gas reserves onshore and in shallow waters have begun to fade, as well as the use of Hydrocarbons is increasing. Since mid-2014, crude oil Brent prices have been declining and have reached less than $30.00 per barrel in January 2016. Therefore, it is necessary to size the pipe correctly in order to ensure its stability and to analyse the temperature along the contact hydrocarbon - steel to avoid oversizing and consequently unnecessary materials expenses. In the present project, it was presented the sizing criteria for the steel layer and the concrete layer. A Finite Element Analysis was made to obtain the Lift and Drag forces on the pipe for the stability calculation and to obtain the radial temperature along the pipe length. The Lift force behaviour observed was as expected in the DNV-OS-F101 standards, however the Drag force presented significant differences between the software and analytical calculations. This can be explained by the Drag coefficient adopted from the software while the Lift coefficient is a fixed value. Besides, the use of an additional layer of concrete will not be required when the depth is greater than 200 meters for the external pressure criteria. The analysis of the temperature gradient along the pipeline demonstrated that the concrete layer acts as an insulator and it will keep the heat in the internal fluid. So, for a pipe with a concrete coating, there will not be significant material savings. On the other hand, the pipe without an external layer presented significant falls in temperature, which results in a reduction of more than 4% in the pipe thickness for high inlet oil temperatures. Finally, a graph is proposed to find the final temperature on the hydrocarbon - steel contact from the inlet hydrocarbon and sea water temperatures.
URI: https://app.uff.br/riuff/handle/1/3940
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