Riflex : Análise Estrutural Não-Linear de Linhas Flexíveis (risers e umbilicais)

Riflex - Análise Estrutural Não-Linear de Linhas
Flexíveis (risers e umbilicais)
Caroline Ferraz
Engineer – SURF & Pipelines, DNV Brazil

Marcos Rodrigues
Head of Section – SURF & Pipelines, DNV Brazil

João Henrique Volpini Mattos
Regional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV Software

Agosto de 2012

Riflex : Histórico
 Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU
(Norwegian University of Science and Technology) como um JIP.
 Outras empresas participantes do projeto :
- BP Petroleum Development
- Conoco Norway
- Esso Norge
- Norske Hydro
- Saga Petroleum
- Statoil

 Código independente da máquina
- Desenvolvido em VAX-VMS, portado para Unix, Linux e Windows.

 Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 2

Propósitos
 Ferramenta para análise de sistemas de risers, descrevendo o comporta-
mento global estático e dinâmico para :
- Deslocamentos
- Curvatura
- Ângulos
- Forças resultantes (tensão efetiva, momento fletor e
torsor)

 Também adequado para qualquer tipo de estrutura esbelta :
- Linhas de ancoragem
- Umbilicais
- Tendões de TLP
- SCRs
- Linhas de reboque
- Mangueiras de transferência


Principais Características das Linhas
 Características do modelo composto por estruturas esbeltas :
- Pequena rigidez à flexão
- Grandes deslocamentos
- Grande excitação nas extremidades
- Estrutura complexa da seção transversal
- Propriedades não lineares da seção transversal

Riser Rígido Umbilical
- O comportamento linear da seção - O comportamento não-linear da seção
transversal é modelado através de transversal é modelado através de
parâmetros como : relações como :
- Módulo de elasticidade - Momento x Curvatura
- Diâmetro interno - Tração x Alongamento
- Diâmetro externo - Torção x Ângulo de giro
- Requer entrada de dados limitada - Requer entrada de dados mais
complexa


Recursos
 Modelo de carregamento por Morison.
 Ondas regulares (Airy ou Stokes 5ª ordem) e irregulares.
 Vários espectros de onda (Pierson-Moscowitz, Jonswap,
Torsethaugen) ou definido pelo usuário.
Riser offshore - Noruega
 Recurso para perturbação cinemática. Vento 70 nós

 Perfis arbitrários de corrente 3D variáveis com o
tempo.
 Efeitos de pressão hidrostática interna e externa.
 Contato com leito do oceano (atrito, sucção).
 Propriedade não lineares de materiais.
 Contato com roletes e tensionadores.
 Formulação do contato Pipe-in-Pipe e com o casco.
 Elementos de conexão (rótulas, juntas flexíveis,
swivels)


Carregamento
 Movimentos forçados da embarcação a partir de uma ou mais embarcações de
apoio, baseados nas funções de transferência ou entrada direta das séries
temporais.
 Efeitos de pressão externa/interna.
 Fluido interno.
 Carregamento hidrodinâmico pela equação generalizada de Morison.
 Campo perturbado de onda (difração).
 Cargas nodais definidas pelo usuário, permanentes ou variáveis com o tempo.
 Modelo da carregamento para corpos estruturais parcialmente submersos.
 Elementos pré-tensionados.
 Variação dinâmica de comprimento de segmento (içamento).
 Efeitos de temperatura.
 Contato com o leito marítimo.
 Contato com outros elementos.
 VIV.


Tipos de Análises
 Quatro principais tipos de análises baseadas na técnica de análise não-
linear por elementos finitos :
- Análise estática não linear. Pré-processamento baseado na teoria de catenária.
- Análise paramétrica estática.
- Análise dinâmica linear e não-linear no domínio do tempo, incluindo análise dos
autovalores, através de integração numérica passo a passo.
- Análise no domínio da frequência, baseada na aplicação da linearização
estocástica do carregamento hidrodinâmico.
 A formulação de elementos finitos aplicada no Riflex permite translações e
rotações ilimitadas no espaço tridimensional
 Análise acoplada é possível se utilizado em conjunto com Simo


Riflex : Estrutura dos Módulos
Opera em modo DOS com módulos que se comunicam através de arquivos

• Descrição • Análise • Geração de • Plotagem
do sistema estática resultados interativa de
– Catenária resultados
• Descrição – FEM
do ambiente • Simulação
• Variação estocástica
• Descrição paramétrica
da • Domínio do
embarcação tempo

• Autovalores

• Domínio da
Entrada de frequência Pós-
dados e processamento
organização do e saída para
banco de Análise impressão e Plotagem
dados Análise estática dinâmica plotagem gráfica interativa


INPMOD : Dados de Entrada
 Pense nos dados como uma série de cartões
 Cinco grupos de dados
- Dados Gerais de Controle : Grupo A
- Sistema de Risers : Grupo B
- Dados dos Risers Simples (topologia): Grupo C
- Dados dos Componentes : Grupo D
- Dados do Ambiente : Grupo E
- Dados da Embarcação : Grupo F

 Todos os grupos exceto o “A” podem aparecer
mais de uma vez


Riflex : Descrição da Linha
 Uma linha é um elemento estrutural linear entre dois super-nós que é
identificada por um número, podendo ser referenciada várias vezes na
descrição da topologia.
 Uma linha é especificada em termos de :
- Sequência de segmentos com seções
transversais homogêneas
- Componentes nodais para modelagem de
pesos, boias, dobradiças, etc., podem ser
especificados nas interseções dos segmentos
- Fluido para descrição de possível escoamento
interno de fluido

SUPER-NÓ


Topologia das Linhas (Grupo B)
 Especificação da linha :
- Tipo de configuração (SA/SB/SC/SD/AR)
- Topologia
- Condições de contorno
 SA : Leito marítimo à embarcação de
superfície. Um ponto de contato no leito
marítimo.
 SB : Leito marítimo à embarcação de
superfície, tangenciando o fundo ou com
pontos adicionais de ancoragem.
 SC : Extremidade inferior livre (durante a
instalação, por ex.)
 SD : Extremidade superior livre (bóia,
sistema de carregamento, etc.)


Dados das Linhas (Grupo C)
 Componentes da linha :
- Seção transversal
• Massa
• Área externa e interna
• Rigidez axial, flexional e torsional (constante ou variável)
• Propriedades hidrodinâmicas :
- Coeficiente quadrático de arrasto (tangencial e normal)
- Coeficiente linear de arrasto (tangencial e normal)
- Coeficiente de massa adicional (tangencial e normal)

- Componentes nodais
• “BODY” para modelar bóias e clumps
• “CONB” para modelar ball joint, swivels, etc.

- Componentes especiais
• Rollers : contato elástico entre linhas
• Tensioner : mecanismo de contato com stinger


Tipos de Sistemas de Risers (Grupo C)
 CA : Risers interconectados paralelos

 CB : Conjunto de risers partindo de
um suporte comum na extremidade
inferior


Dados do Ambiente : Grupo D/E
 Lâmina d’água;

 Carregamento de onda:
- Mar irregular ;
- Pierson-Moscowitz (1 ou 2 parâmetros)
- Jonswap
- Derbyshire-Scott
- Bretschneider
- Ochi, etc…
- Mar regular;

 Perfis de Correnteza (max. 10);


Dados da Embarcação: Grupo F

 Arquivo contendo o RAO da embarcação.

 P.S: movimenos do topo podem ser representados através de séries temporais de
deslocamento.


STAMOD : Análise Estática Não-Linear
 Os cálculos incluem :
- Estabelecimento das configurações iniciais baseadas na aproximação por
catenária.
- Iteração para a posição de equilíbrio por redução incremental das forças
desbalanceadas (Newton-Raphson) na aplicação da FEA.

 Resultados básicos :
- Coordenadas dos pontos nodais
- Curvatura nos pontos nodais
- Força axial
- Momento fletor
- Esforço cortante
- Torsão

 Os resultados são disponibilizados como tabelas para impressão e em
arquivos para pós-processamento.


STAMOD : Análise Paramétrica
 Estudar a influência da variação de parâmetros
chave, tais como :
- Estabelecer as características estáticas de rigidez
de modo a especificar os requisitos da embarcação
com relação à manutenção da posição.
- Avaliar a sensibilidade à posição da embarcação,
forças externas ou variação na corrente.

 As seguintes análises são disponíveis :
- Variação da posição do super-nó em qualquer direção.
- Variação da posição da embarcação.
- Variação da velocidade ou direção da corrente.
- Variação dos componentes de força.

 Os mesmos resultados da análise estática básica são apresentados, mas
a saída consiste de uma tabela dos parâmetros principais como função do
parâmetro analisado.


DYNMOD : Análise Dinâmica
 Seu propósito é o de estudar a influência dos movimentos da embarcação e das
cargas induzidas pelas ondas no sistema.
- Análise dos auto-valores.
- Excitação harmônica (periódica) :
• Deslocamentos forçados (harmônicos) em um ou mais nós especificados.
• Ondas regulares.
- Excitação irregular :
• Excitação estocástica estacionária devido ao movimento da embarcação e ondas irregulares.
• Excitação transiente

 Resultados básicos :
- Frequências naturais de vibração
- Séries temporais de :
• Coordenadas dos pontos nodais
• Força axial, cortante.
• Momento fletor, torção
• Curvatura
• Arquivo contendo animação do
comportamento dinâmico do sistema


OUTMOD / PLOMOD
 Saída da análise estática :
- Plotagem 2D e 3D da geometria do sistema.
- Plotagem 2D da geometria da linha
- Plotagem da força ao longo das linhas
- Plotagem das forças, coordenadas, ângulos, elemento a elemento, ou segmento a segmento
ou linha a linha
- Cálculo e apresentação gráfica da força na parede da tubulação
 Saída da análise estática paramétrica :
- Impressão/plotagem da resposta selecionada durante a variação do parâmetro.
- Plotagem das geometrias do sistema durante a variação do parâmetro.
 Saída da análise dinâmica :
- Cálculo das séries temporais (curvatura, forças nos apoios, forças axiais, distâncias entre
linhas. etc.)
- Análises estatísticas das séries temporais (densidade espectral, distribuição probabilística,
momento espectral, etc.)
- Animação do comportamento dinâmico do sistema completo.
- Apresentação gráfica das funções de transferência
- Curvas de contorno (envelope) para deslocamentos, curvaturas e forças


Rodando Riflex
 Geração manual dos arquivos de entrada.
 Execução do Riflex a partir do prompt de comandos do DOS.
 Pós-processamento dos dados usando Outmod/Plomod
Exemplo RAO embarcação

Exemplo entrada INPMOD

Exemplo entrada STAMOD

Exemplo ´saída STAMOD

Exemplo entrada DYNMOD

 Interface gráfica somente quando utilizado com o Exemplo saída DYNMOD

DeepC !

Exemplo PLOMOD
C:> PLOMOD.EXE
>S-D XWDW
>OP-PL STDI_IFNPL.FFI
>LI-FI PLOT
>SEL PIC-8
>EXIT
C:>


Porque Riflex
 Imbatível na velocidade de obtenção da solução.
 Excepcionalmente estável numericamente.
 Grande flexibilidade na modelagem, permitindo a análise
para uma grande variedade de sistemas.
 Programas mais simples que utilizam a equação da
catenária desprezam a tridimensionalidade e os efeitos da
rigidez à torção.
 Grande versatilidade para cargas ambientais.
 Opera com grandes massas de dados muito
eficientemente.
 Continuamente verificado em testes de modelos e casos
reais.

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados. 22 Slide 22

Vibração Induzida por Vórtices - VIV
 VIV são movimentos induzidos em um corpo iteragindo com um escoamen-
to externo, produzindo irregularidades periódicas neste escoamento e/ou
movimentos no corpo.

Correnteza Cilindro esteira de vórtices
Velocidade U Diâmetro D


Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro
 Depende do número de Reynolds
ρUD UD
Re = =
µ υ

onde ρ = massa específica do fluido [kg/m3]
U = velocidade média do escoamento [m/s]
D = Dimensão linear característica – diâmemetro [m]
μ = Viscosidade dinâmica do fluido [kg/m.s]
υ = Viscosidade cinemática do fluido [m2/s]


Regimes de Escoamento em Torno de Cilindro
Regime de fluido ideal Re < 5

Regime laminar com 2 5 ~15 < Re < 40
vórtices simétricos
Regime laminar com vórtices 40 < Re < 90
alternados
Esteira de Von Karman 90 < Re < 150

Transição para vórtices 150 < Re < 300
turbulentos
Vórtices plenamente 300 < Re < 300.000
turbulentos
Vórtices com desprendimento 300.000 < Re <
desorganizado 3.500.000

Reestabelecimento da esteira Re > 3.500.000
de vórtices turbulentos


Efeitos do VIV
 Risers Aumento do
- Redução da vida útil devido à fadiga “diâmetro” e arrasto
- Aumento na tensão axial.
- Aumento das cargas extremas.
- Aumento no arrasto

 SPAR
- Aumento dos movimentos globais
Aumento da
- Aumento do arrasto (off-set)
tensão axial
- Aumento das tensões nas linhas de ancoragem (ULS & FLS)


Vivana
 Ferramenta baseada no método de elementos finitos para predição de
vibração induzida por vórtices, dano por fadiga e amplificação do arrasto
em estruturas esbeltas submetidas à correnteza.
 Extensão do Riflex.
 Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU
(Norwegian University of Science and Technology).
 Comercializado com exclusividade mundial pela DNV.


Dúvidas
www.dnv.com.br

Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente

João Henrique Volpini Mattos
Engenheiro Naval
DNV Software - Maritime & Offshore Solutions
Regional Sales Manager – South America
 joao.volpini@dnv.com
 +55 21 3722 7337
 +55 21 8132 8927


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