Desenvolvimento de um modelo numérico para avaliar risers rígidos

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo computacional destinado a análise numérica de risers rígidos. Buscando uma maior flexibilidade, o modelo desenvolvido permite analisar o comportamento de risers submersos dispostos em catenária, além de permitir a adição de boias e flutuadores, gerando configurações conhecidas por Lazy S e Lazy-Wave. O objetivo principal deste estudo é desenvolver uma metodologia para avaliar o desempenho estrutural de um riser rígido durante diferentes condições operacionais, as quais consideram o ambiente marinho e a ação de eventuais forças externas. A metodologia empregada envolveu a modelagem utilizando o método dos elementos finitos, implementado na ferramenta Ansys APDL. Nessa abordagem os risers rígidos são modelados utilizando elementos do tipo pipe, ou seja, uma variação do tipo viga. Já o solo marinho é representado por elementos de casca. Por fim, um contato do tipo “no penetration” é estabelecido entre os elementos que representam o riser e aqueles que representam o solo marinho. Embora seja realizada uma análise estática, que não considera os efeitos dinâmicos das ações ambientais, a curvatura da estrutura é obtida em um processo iterativo não linear, onde busca-se uma configuração de equilíbrio para as condições impostas ao modelo. Os resultados revelaram fatores importantes sobre a resposta estrutural do sistema e a eficácia da adição de boias e flutuadores para a redução das tensões e deformações sofridas por risers rígidos. Por fim, este estudo mitiga lacunas e contribui para o avanço do conhecimento da engenharia oceânica, oferecendo insights valiosos para o projeto e operação de sistemas submerso que operam em águas profundas e ultra profundas, servindo de base para estudos futuros.

This work presents the development of a computational model designed for the numerical analysis of rigid risers. To achieve greater flexibility, the developed model allows for the analysis of the behavior of subsea risers arranged in a catenary configuration and enables the addition of buoys and floaters, generating configurations known as Lazy S and Lazy Wave. The primary objective of this study is to develop a methodology to evaluate the structural performance of a rigid riser under different operational conditions, considering the marine environment and the action of external forces. The methodology employed involved modeling using the finite element method, implemented in the Ansys APDL tool. In this approach, rigid risers are modeled using pipe elements, which are a variation of beam elements. The seabed is represented by shell elements. Finally, a "no penetration" contact is established between the elements representing the riser and those representing the seabed. Although a static analysis is performed, which does not consider the dynamic effects of environmental actions, the curvature of the structure is obtained through a nonlinear iterative process, aiming to find an equilibrium configuration for the conditions imposed on the model. The results revealed important factors regarding the structural response of the system and the effectiveness of adding buoys and floaters to reduce the stresses and deformations experienced by rigid risers. Finally, this study addresses gaps and contributes to the advancement of knowledge in ocean engineering, providing valuable insights for the design and operation of subsea systems in deep and ultra-deep waters, serving as a basis for future studies.