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Title in Portuguese: Otimização de Risers de materiais compósitos
Title: Optimization of composite Risers
Author: Silva, Rafael Fernandes da
Advisor(s): Melo, Antônio Macário Cartaxo de
Co-advisor(s): Parente Junior, Evandro
Keywords: Engenharia de estruturas
Algoritmos genéticos
Offshore
Issue Date: 31-Aug-2012
Citation: SILVA, R. F. Otimização de Risers de materiais compósitos. 2012. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Estruturas e Construção Civil)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012.
Abstract in Portuguese: Materiais compósitos reforçados por fibras têm sido cada vez mais empregados devido a suas altas relações rigidez/peso e resistência/peso, além de outras vantagens, como alta resistência à corrosão, bom isolamento térmico, excelente amortecimento e resistência à fadiga. Por isso, estes materiais têm sido aplicados na fabricação de tubos para o transporte de fluidos em diversas indústrias, como por exemplo, a petroquímica. A exploração e produção de petróleo e gás em águas profundas tornam necessário o uso de plataformas flutuantes conectadas ao poço por dutos (flowlines) e risers, que quando feitos de aço, se tornam menos atrativos devido ao seu elevado peso. Nessas condições, requerem-se mecanismos capazes de suportar as altas tensões desenvolvidas no topo, sendo que tais mecanismos só podem ser acomodados por plataformas maiores e mais caras. Além disso, torna-se necessário também o uso de mais flutuadores visando suportar o peso total do sistema, encarecendo também o projeto. Diante de tais fatos, tem-se estudado a viabilidade do emprego de risers de materiais compósitos na exploração em águas ultra-profundas. Devido ao grande número de parâmetros envolvidos, tais como o número de camadas e o material, a espessura e o ângulo de orientação das fibras de cada camada, o projeto de estruturas de compósitos laminados é mais complexo que o de aço. No caso dos risers, acrescentam-se ainda as várias condições de carregamento e ambientais que tornam o processo de projeto tradicional de tentativa e erro inadequado. Uma solução apenas satisfatória não explora, em geral, o potencial que os compósitos apresentam de se adaptarem às solicitações da forma mais eficiente possível. Esse trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia e ferramentas computacionais para o pré-dimensionamento de risers de material compósito via técnicas de otimização. São consideradas como váriaveis de projeto as espessuras, as orientações das fibras e os materiais de cada lâmina. Peso, custo e um fator de segurança são adotados como função objetivo. Restrições de resistencia, estabilidade e fabricação avaliadas. O riser é análisado usando um modelo de catenária inextensível. Um Algoritmo Genético com operadores específicos para estruturas laminadas é empregado
Abstract: The depletion of oil and gas reserves has increasingly led to the search of deepwater fields. Most of recent oil and gas discoveries in Brazil occurred in deepwater fields. However, using steel risers for deepwater application is not always feasible, due to its high weight. In such enviroments, the traditional extraction and production risers made of steel tend to become expensive, due to increased top tension which overburdens the plataform. Fiber reinforced composite materials, being lighter, present interesting characteristics for offshore applications, such as high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, good thermal insulation, high structural damping properties, and fatigue resistance. Thus, the application of composite risers is an interesting alternative to deepwater oil fields. The design of laminated composite risers is very difficult since the strength and stiffness of these components depend on the number of layers and the material, thickness, and orientation of each layer. Thus, the use of the conventional trial-and-error strategy is not adequate and it is necessary to apply optimization techniques. In this work, optimization techniques are applied to optimize composite catenary risers. the design variables are the thickness, the orientation and material of each layer. A multi-objective formulation is adopted to minimize the weight, cost and maximize the buckling safety factor of the composite riser. The optimization model includes strength and stability constraints and considers multiple load cases. The global analysis of the riser is carried out using the catenary equations and the stress computation in the critical locations is performed using the Classical Lamination Theory (CLT) and the theory of thin-walled tubes. It is important to note that, due to manufacture constraints, the design variables can only assume discrete values. Therefore, a genetic algorithm is used for optimization since it can easily handle discrete variables. In addition to classical genetic operators, as crossover and mutation, this algorithm also includes operators specially designed to handle laminate structures, such as layer swap and layer deletion. The proposed formulation is applied in the design optimization of composite catenary risers with different water depths and top angles. Numerical examples show that the proposed methodology is very robust
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/13098
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