Análise estrutural de mangotes de transferência utilizando materiais compósitos e poliméricos avançados

Abstract

Mangotes de transferência têm sido utilizados em grande quantidade em operações de descarga de óleo, principalmente em águas profundas, onde existem cargas estáticas e cíclicas variáveis devido ao ambiente de trabalho. Apesar da grande demanda dessas estruturas, seu comportamento é pouco conhecido e discutido na literatura devido a sua complexidade. Além disso, os materiais utilizados nesse equipamento podem ocasionar um elevado número de falhas, sendo muitas vezes superestimados, deixando o mangote com peso excessivo. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de uma metodologia de análise de materiais poliméricos avançados, especificamente fibras de poliaramida e materiais compósitos à base de fibra de carbono, em substituição a materiais tradicionais, utilizando modelos numéricos capazes de prever o comportamento da pressão de ruptura das carcaças e resistência a compressão radial do mangote, além da avaliação em fadiga dos cordonéis à base de poliaramida dessas novas estruturas. Modelos em meso-escala foram desenvolvidos utilizando conceitos de hiperelasticidade e de critérios de falha de materiais compósitos para previsão das tensões e deformações locais em regiões críticas do mangote. Análises numéricas foram realizadas via elementos finitos com o software comercial para auxiliar a elaboração dos modelos e a realização dos cálculos numéricos. Foram realizados ensaios experimentais para validação desses modelos numéricos, bem como para a previsão do comportamento estático e em fadiga dos materiais envolvidos. Foram desenvolvidos dois modelos. Em um modelo foi aplicado pressão interna no mangote para previsão de ruptura das carcaças no qual tem o objetivo de avaliar o desempenho dos novos reforços de poliaramida. No outro modelo foi aplicada uma carga radial na seção central do mangote para prever a resistência ao esmagamento, no qual tem o objetivo de avaliar o desempenho do componente de sustentação em material compósito de fibra de carbono. Os resultados dos modelos numéricos apresentaram boa concordância com os resultados experimentais em grande parte das análises. Também se observou que os novos materiais apresentam um grande potencial de substituição dos materiais tradicionais, bem como um excelente comportamento frente a carregamentos estáticos e dinâmicos envolvidos na aplicação, sendo verificada diminuição significativa de peso e aumento do desempenho.

Offloading hoses have been extensively used at offloading oil operations, especially in deep water, where there are variable static and cyclic loads due to the working environment. Despite the great demand for these structures, their behavior is little known and discussed in the literature due to the complexity. In addition, the materials used in this equipment may lead to a high number of failures, being often overestimated, leading to excessive weight. This work aims to develop a methodology for analysis of advanced polymeric materials, specifically polyaramide fibers and carbon fiber composite materials, in the substitution of traditional materials, using numerical models able to predict the static behavior of the burst pressure of the carcasses and radial compression strength of the hose. In addition, fatigue tests were performed to evaluate the polyaramide cords of these new structures. Meso-scale models were developed using advanced hyperplastic and composite failure criteria concepts to predict local stresses and strains in critical regions of the hose. Numerical analyses were performed using finite elements with commercial software to aid the development of models and to carry out numerical calculations. Several experimental tests were performed to validate numerical models, as well as to forecast the static and fatigue behavior of the materials used. Two models were developed. A model is used to predict the burst pressure of the hose in order to evaluate the performance of the new polyaramide reinforcements cords. In the other model, a radial load was applied in the central section of the hose to predict the crushing strength, in which it has the aim of evaluating the performance of the load-bearing component made with carbon fiber composite material. The results of the computer models showed good agreement with the experimental results in most analyses. It was also found that the studied materials offered considerable potential for the substitution of traditional materials, as well as an excellent behavior under static and dynamic loads related to this application, with a significant weight reduction and increased performance of the new configurations over traditional hoses.