Analytical models for the study of the structural behavior of flexible pipes and umbilical cables.

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos.Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models