Experimental study of a PTMD vibration absorber in a scaled down submarine jumper model

Orientador: Sérgio Nascimento BordaloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de GeociênciasResumo: Tubulações submarinas, tais como risers e jumpers, sofrem carregamentos estáticos e dinâmicos devido a forças ambientais, correntes marítimas e ondas, carregamentos devido aos deslocamentos da unidade flutuante de produção (plataformas ou navios), escoamento interno, além de outras causas. O controle dos deslocamentos oscilatórios dessas tubulações é fundamental para a confiabilidade e vida em fadiga desses sistemas, motivando projetos de pesquisa com tal propósito nos últimos anos. Uma tecnologia em consideração é o Pounding Tuned Mass Damper (PTMD), o qual é o assunto do presente trabalho. Este trabalho apresenta um estudo experimental de um absorvedor de vibrações - o PTMD - acoplado a um modelo de jumper submarino em escala reduzida. O aparato é composto de uma seção de tubo montada em um sistema de suspensão elástica para movimento em duas direções, propiciando similaridade dinâmica parcial entre o protótipo e o modelo. O modelo de PTMD é um sistema massa - mola anexado, similar a um supressor tuned mass damper (TMD), a não ser a adição de um envoltório de batimento, o qual limita o deslocamento da massa do PTMD, dissipando energia do tubo oscilante através do impacto da massa do PTMD contra esse envoltório. Experimentos de oscilação livre e forçada foram realizados na direção vertical, no seco e na água. Os resultados obtidos de amplitude versus frequência foram utilização para determinar a eficácia do absorvedor quando comparado com sua operação a seco. Os resultados deste trabalho são os primeiros passos no desenvolvimento de um dispositivo aplicável a uma real tubulação submarina de petróleo. Os dados adquiridos neste trabalho foram empregados na melhoria e desenvolvimento de um modelo numérico do sistema tubo - PTMD para um simulador computacionalAbstract: Submarine pipelines, such as jumpers and risers, suffer static and dynamic loads due to environmental forces - currents and waves, to the displacements of floating production units (platforms or ships) and to the internal flow, among other causes. Controlling the oscillatory displacements of the pipelines is critical to the reliability and fatigue of these systems, motivating research projects to deal with such issues in the past few years. One technology under consideration is the Pounding Tuned Mass Damper (PTMD), which is the subject of the present work. The current work presents an experimental study of a vibration suppressor - the PTMD - attached to a scaled down submarine jumper model. The apparatus is composed of a test pipe section mounted on an elastic suspension harness for two directions of motion, providing partial dynamic similarity between the prototype and the model. The PTMD model is a lumped mass-spring attachment similar to a tuned mass dumper (TMD) suppressor, but with the addition of a pounding layer, which limits the motion of the PTMD mass, dissipating the energy of the oscillating pipe through the impact of the PTMD mass against that layer. So far, free and forced oscillation experiments were executed, in the vertical direction. The tests were conducted in a water tank, where comparisons of amplitude versus frequency were made to determine the suppressor effectiveness, on air and underwater. The results of this work are the preliminary step on the development of a device applicable to an actual petroleum submarine pipeline. The data gathered from this work was employed in the improvement of a numerical model of the pipe-PTMD system for a computer simulatorMestradoExplotaçãoMestre em Ciências e Engenharia de Petróle