Introdução ao Problema:

A engenharia envolvida no desenvolvimento de um campo de petróleo é cercada de grandes desafios tecnológicos. Desta forma, encontrar soluções que possam integrar diferentes poços no mesmo arranjo submarino é de fundamental importância para escoamento da produção de óleo bruto ou injeção de fluidos. Neste sentido, a utilização de Jumpers submarinos possui grande relevância devido a sua utilização e característica. Por definição, um Jumper submarino é um tubo curto com conectores montados em ambas as extremidades, este equipamento é utilizado para transportar fluidos de produção/injeção entre diferentes equipamentos, por exemplo, ANM (Árvore de Natal Molhada) e Manifold, Manifold e Manifold ou estruturas como PLEM (Pipe Line End Manifold) / PLET (Pipe Line End Termination).

São desenvolvidos seguindo normas específicas e precisam ter boa resistência a corrosão, a fadiga, altas temperaturas e flexibilidade de absorção para movimentos induzidos por correntes submarinas. Devido a grande quantidade de cenários analisados, a utilização de ferramentas computacionais como CFD (Computational Fluid Dynamics) e FEA (Finite Element Analysis) auxiliam engenheiros na visualização do comportamento da estrutura. Uma análise numérica de um Jumper submarino pode ser realizada utilizando soluções como o Ansys Mechanical, Fluent e ncode.

Assim, análise da tensão de von Mises, deformação, deslocamento, escoamento e fadiga podem ser validados segundo os padrões normativos. Contudo, deve-se ter cuidado com as escolhas para configuração do problema afim de não adicionar erros a solução. Para tal, o estudo conta com a realização das etapas discutidas previamente entre engenheiros, líderes de engenharia e gerentes de projeto. Estas etapas são compostas pelas considerações do modelo, dados de entrada e resultados.

Considerações do Modelo:

Sobre as considerações do modelo analisado, temos:

• Efeitos inerciais, grandes deflexões e mudanças no padrão de fluxo sugerem uma análise bidirecional, ou seja, uma Interação Fluido Estrutura – FSI–2-way como a melhor opção para o problema;
• Para modelagem da superfície do Jumper, elemento de casca;
• Condição de contorno de Fixed Support utilizadas em ambas as extremidades;
• Para o modelo de turbulência k-ω com SST;
• Para CFD, hexa free mesh com camada limite e Mapped meshing;
• A utilização da opção de remeshing não é necessária uma vez que o movimento da malha se aplica a todo o domínio entre entrada e saída. Para evitar problemas de distorção de malha, apenas a suavização foi definida;

 A Figura 2 apresenta os resultados para as malhas obtidas no Mechanical e Fluent.

Dados de Entrada:

Os dados de entrada para o problema são apresentados na figura-3. Para geometria foi configurado o material stainless steel com 254 milímetros de diâmetro interno e espessura de 25,4 milímetros. Considerou-se água do mar para o domínio fluido, sendo a velocidade de 15 m/s para entrada no Jumper.

Resultados:

Para gerar resultados confiáveis, o estudo considerou condições operacionais do Jumper, geometria do equipamento, volume de controle, malha e condições de contorno. Avaliou-se a deformação e tensão de von Mises do Jumper submarino utilizando uma análise transiente no Ansys Mechanical. O escoamento foi verificado através de uma análise transiente no Ansys Fluent, ambos, Mechanical e Fluent acoplados via system coupling.

A malha referente ao domínio fluido possui camadas de inflation próximas a parede do tubo. Isso permite a devida solução do comportamento e desenvolvimento do perfil de velocidade nesta região.

O modelo de turbulência k-ω, SST implementado obteve o comportamento esperado. Este modelo possui boa precisão e robustez para uma ampla gama de fluxos de camada limite.

A deformação máxima encontrada foi de 0,073 mm localizada no centro da geometria. O comprimento da região central é de 19,812 metros o que confere o resultado esperado para o problema. A validação do problema depende da norma utilizada, porém, numericamente os resultados parecem satisfatórios.

A tensão equivalente máxima foi de 1,32 MPa, para o material utilizado, isto é baixo quando comparado a sua tensão de escoamento de 207 MPa.

Estudos Complementares:

O estudo em questão pode ser complementado com análises utilizando diferentes entradas de velocidades através de estudos paramétricos mostrando assim, o comportamento do equipamento nestas situações.

Levando em consideração o padrão utilizado, a diminuição da espessura pode ser verificada numericamente. A redução de material diminui custos e ainda poderá ficar dentro dos limites de segurança do projeto.

Devido ao ambiente corrosivo ao qual o Jumper estará exposto, diferentes materiais podem ser testados via simulação numérica. Além disso, análises de erosão e corrosão ajudam a prever a vida útil do equipamento com resultados obtidos para perda de material em mm/ano.

Referências:

J.KOTO; Subsea Connection & Jumper: Introduction. 2. ed. Indonesia: Ocean & Aerospace Research Institute, 2017. p. 1-53.