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Serviços / Sistemas suboceânicos
Engenharia de sistemas suboceânicos: análise de escoamento, térmica e de tensões
Isolamento, aquecimento e controle de equipamentos suboceânicos, perda de carga e distribuição de vazão de linhas e tensões em vedações e tampões. CFD++ e Adina, com modelo analítico quando a inércia térmica é grande demais para simular diretamente.
Fornecedora aprovada de uma empresa global de serviços de petróleo, nos Estados Unidos e no Brasil, com contrato de longo prazo para simulações de sistemas suboceânicos.
Experiência em equipamentos submarinos
- Aprovação como fornecedora globalContrato de longo prazo, nos Estados Unidos e no Brasil, após casos teste de FEA não linear, contato e CFD de erosão.
- Isolamento aprovadoUm novo isolamento, mais leve, para as linhas que ligam o poço à superfície foi aprovado graças à contribuição da ATS.
- Sistema de aquecimento aprovado pela operadoraO cliente usou os resultados para dimensionar o ensaio em laboratório com as recomendações de projeto da ATS.
- Tempo de estabilização próximo de 300 horasUm modelo de massa concentrada de ordem 5, com 9 massas, validado com CFD, tornou rápida a análise do transitório longo.
- Planejamento de ensaioUma montagem de ensaio de tração com aquecimento foi verificada antes do ensaio.
Soluções completas, do modelo ao ensaio
Preferimos projetos inteiros a simulações isoladas: a ATS responsável pela análise, pelas recomendações de projeto e pelo dimensionamento do ensaio.
Térmica, escoamento e tensões
Uma equipe cobre as três análises do equipamento suboceânico, e os resultados de uma alimentam as outras.
Controle incluído
Para equipamentos aquecidos, os ganhos do PID são otimizados no mesmo projeto, para o mínimo sobressinal e para a temperatura da linha de escoamento.
Revisão de dados do cliente
Revisamos os dados de ensaio do cliente, fazemos uma revisão crítica e colocamos no formato de relatório da operadora.
Precisa só de uma parte? Definimos o escopo com você.
O que você recebe
Isolamento térmico
Material e espessura estudados para as linhas que ligam o poço à superfície, no formato do relatório da operadora.
Aquecimento e controle
Modelo térmico transitório de um sistema de aquecimento, com controle PID ajustado por otimização evolutiva multiobjetivo.
Perda de carga e vazão
Várias configurações de tubos e junções da linha entre o poço e a superfície, com fluidos newtonianos e não newtonianos.
Temperatura em equipamentos
Convecção natural, radiação e convecção externa forçada, onde um FEA só com sólidos não basta.
Tensões e vedação
FEA com materiais hiperelásticos, fluidos e sólidos, e o contato e a vedação de O-rings.
Recomendações de projeto
Limites do projeto conhecidos antes dos ensaios e da fabricação, com economia de custos.
Por que a análise térmica suboceânica é difícil
O desafio
A análise térmica de sistemas suboceânicos em grande profundidade é um dos desafios da operação no pré-sal. As temperaturas do oceano podem chegar a 4 °C e exigem aquecimento pelos fluidos ou por aquecedores dedicados.
Há um limite para evitar a interrupção da operação por causa das parafinas no petróleo cru, que deve ser extraído acima de 40 °C.
O método para uma linha suboceânica aquecida
O sistema tinha ar, isolamentos, água e metal, com aquecimento por controle PID e tempo de estabilização próximo de 300 horas. Essa grande inércia foi um desafio, e a ATS fez uma análise CFD em regime permanente e elaborou um modelo analítico a partir das constantes do CFD para acelerar a análise.
O modelo foi implementado no Nsp (similar ao Scilab e ao MATLAB), que calcula o transitório após a validação com o CFD. Era um modelo de massa concentrada de ordem 5, com 9 massas.
Controle e validação
As constantes de controle (Kp, Ki e Kd) foram achadas com o otimizador iChrome Nexus, por otimização evolutiva (genética) multiobjetivo e multiparamétrica, para minimizar o tempo de assentamento e o sobressinal e manter a estabilidade.
A otimização evolutiva em Python (yabox e scipy) validou o modelo com os resultados do CFD++ para temperatura e potência, o que deu os coeficientes de transferência de calor por convecção.
Tensões e vedação
A ATS também estudou as tensões e deformações de um equipamento suboceânico com FEA (Adina), com materiais hiperelásticos, fluidos e sólidos, e o contato entre superfícies e a vedação por O-rings. O cliente conheceu as limitações do projeto e pôde continuar com testes e fabricação, com redução de custos.
Ferramentas, e onde cada uma entra
As ferramentas servem ao trabalho de engenharia. Dizemos o que cada uma faz no projeto.
| Ferramenta | Papel no projeto | Situação |
|---|---|---|
| CFD++ | Escoamento, transferência de calor, combustão e partículas em 3D. A ATS é a representante exclusiva do CFD++ no Brasil. | Licenciada |
| Adina | Tensões, contato, materiais hiperelásticos, fluidos e sólidos. | Licenciada |
| Femap, NX Nastran, Adina | Análise de tensões, contato, materiais hiperelásticos e não lineares, térmica e acoplamento fluido-estrutura. | Licenciada |
| iChrome Nexus | Otimizador e gerenciador de fluxos complexos entre CAD, CFD e FEA. | Licenciada |
| Nsp, Python (yabox, scipy) | Modelo analítico de massa concentrada, transitório e otimização, sem necessidade de licença. | Em uso |
| MATLAB | Controle e dinâmica, com a licença do cliente; Python, Nsp e Scilab o substituem quando não há licença. | Licença do cliente |
Evidências que você pode conferir
Trabalhos para empresas de serviços de petróleo e de engenharia submarina.
Trabalhos de projeto
| Projeto | O que fizemos | Ferramentas e ensaios | Resultado ou local |
|---|---|---|---|
| Oceaneering e Shell: aquecimento de uma linha submarina (HVMI)Projeto | Sistema de aquecimento para remediar o escoamento em dutos no fundo do mar, em águas profundas. Ar, isolamentos, água e metal, com controle PID. | CFD++ em regime permanente, modelo analítico de massa concentrada de ordem 5 no Nsp, otimização no iChrome Nexus, validação em Python. | A operadora aprovou o resultado. O cliente dimensionou o ensaio de laboratório com as recomendações de projeto da ATS. Vários problemas de projeto detectados e resolvidos. |
| Ogramac e Petrobras: novo material de isolamentoProjeto | Novo material de isolamento, mais leve, para as linhas que ligam o poço à superfície. Dados de ensaio do cliente revisados e colocados no formato de relatório da operadora. | Revisão crítica dos dados de ensaio. | O novo isolamento foi aprovado graças à contribuição da ATS. |
| Constellation: perda de carga e escoamentoProjeto | Várias configurações de tubos e junções da linha que liga o poço de petróleo à superfície. | CFD++ com fluido newtoniano (água) e não newtoniano (petróleo). | Melhor configuração encontrada. O cliente prosseguiu com o projeto, com economia de tempo e recursos pela redução da campanha de ensaios. |
| Halliburton: temperatura em uma montagem de ensaioProjeto | Viabilidade de uma montagem para testar uma peça de coleta de amostras que precisa ser aquecida e tracionada, com a interface da máquina mantida fria. | CFD++ com radiação e convecção natural, e uma alternativa com convecção externa forçada. O pedido inicial era um FEA só com sólidos. | Uma solução mais completa. O cliente fez o ensaio sem problemas. |
| Halliburton: equipamento suboceânico, tensões e vedaçãoProjeto | Tensões e deformações de um equipamento suboceânico, incluindo a vedação de O-rings. | FEA com Adina, materiais hiperelásticos, fluidos, sólidos e contato. | Limites do projeto conhecidos. Redução de custos no projeto. |
| Halliburton: aprovação como fornecedoraProjeto | Casos teste de FEA não linear, contato e CFD de erosão em componentes de sistemas. | FEA não linear e de contato, e CFD de erosão. | Aprovada como fornecedora global, nos Estados Unidos e no Brasil, com contrato de longo prazo para simulações de sistemas suboceânicos. |
Exemplos
Selecione uma imagem para ver cada exemplo.
Otimização do PID
Fronteira de Pareto: pico de temperatura contra tempo de aquecimento.
Solicitar proposta técnicaComo um trabalho acontece
Diagnóstico e meta
Definimos com a sua equipe o problema, as condições de operação e a meta.
Modelo
A geometria do equipamento é preparada e escolhemos a física aplicável.
Análise
Cálculo numérico baseado nos princípios físicos aplicáveis.
Verificação e validação
Os resultados são verificados quanto à consistência e comparados com ensaios, dados da planta ou literatura.
Solução e relatório
Projeto da solução, especificação do ensaio quando necessário e o relatório.
Acompanhamento
Apoio ao ensaio em campo ou à operação, e revisões.
Serviços relacionados
Perguntas que engenheiros fazem antes de nos contratar
Como simulam um sistema que leva 300 horas para estabilizar?
Com uma análise CFD++ em regime permanente e um modelo analítico de massa concentrada, construído a partir de suas constantes e validado com CFD. O modelo calcula o transitório rapidamente e é usado para ajustar o controle.
Precisamos dar licença para os modelos de controle?
Não, quando o modelo é feito em Nsp ou Python, que não precisam de licença. O MATLAB é usado com a licença do cliente, quando o cliente prefere.
Podem revisar dados de ensaio e fazer o relatório no formato da operadora?
Sim. Para um fabricante de isolamento, a ATS revisou os dados de ensaio de modo crítico e os colocou no formato de relatório da operadora, e o novo isolamento foi aprovado.
Os nossos dados ficam confidenciais?
Sim. Trabalhamos sob NDA, e os seus dados de projeto e relatórios ficam com você.
Conte-nos sobre o equipamento e a profundidade
Envie o equipamento, as condições de operação e a pergunta que precisa ser respondida.
sales@aerothermalsolutions.co+55 11 3854-4224Um engenheiro da ATS responde. Trabalhamos sob NDA.