Terça, 18 de Dezembro de 2018

Análise de Erosão em Dutos de Extração de Petróleo utilizando CFD

A ATS recebeu um desafio de uma das maiores empresas no ramo de exploração de petróleo no Brasil, que se referia à solução de um grave problema de erosão que causava enorme prejuízo e poderia causar danos estruturais severos às bases de exploração petrolíferas no país. Seguindo as diretrizes da ASME VIII o conjunto de regulamentações principais para o desenvolvimento de caldeiras, tubos e equipamentos para o transporte e manuseio de fluidos em geral, a ATS concebeu com sucesso um estudo que demonstrou a importância das ferramentas computacionais nas análises de erosão, gerando uma economia de aproximadamente dezenas de milhões dólares à sua empresa cliente que lida com extração de óleo.

Entendendo o problema

          O estudo da ATS tinha como objetivo resolver um problema de engenharia envolvendo a erosão nos dutos de transporte de petróleo. Essa erosão é causada pelo escoamento do fluido que, além de tudo, é heterogêneo, sendo que as partes sólidas contribuem fortemente para o processo que poderia levar à rápida degradação da tubulação utilizada. A parte central do processo de erosão estudado se dá nas curvas que a tubulação faz; o diagrama abaixo mostra como se dá a movimentação do fluido nessa zona, em específico. Podemos ver uma zona de deflexão e uma zona de bifurcação que dá margem à formação de um vórtex.

Devido ao impacto do fluido nas zonas de bifurcação e curvatura dentro de uma tubulação, são adicionados os chamados cushions. A adição dessa peça é essencial para aumentar a durabilidade da peça, sendo importante a sua manutenção assim que necessário, levando-se em conta as taxas de erosão em função do tempo. O trabalho da ATS foi analisar a longevidade dos dutos atuais utilizados na empresa, considerando algumas especificidades que serão discutidas em breve.

O desafio da ATS

Dado o caráter heterogêneo do petróleo, foi necessário fazer uma análise computacional que levasse em conta o comportamento desse fluido para conseguir uma reprodução fiel de como se dá o processo de erosão. O fluido com partículas sólidas, nesse caso, tem um comportamento não-newtoniano, o que quer dizer basicamente que não existe uma relação diretamente proporcional entre a tensão de cisalhamento e a taxa de deformação do material. Esse simples fato traz um desafio quanto à modelagem física do problema, uma vez que as interações entre as partículas no fluido se dão de uma maneira não-convencional, havendo uma distribuição de tamanhos de partículas e modos de interação que trazem resultados diferentes quando comparados a fluidos newtonianos.

          A partir dessas de geometrias pré-definidas, realiza-se o estudo com a ferramenta de CFD (Computational Fluid Dynamics) para prever o resultado de erosão. O modelamento de um problema como esse tem várias etapas distintas, cada uma delas tendo uma ferramenta diferente de aproximação através do CFD++. Sendo uma ferramenta completa, é possível fazer uma análise do caso e localizar as zonas de maior ocorrência de erosão.

          Outras ferramentas também foram utilizadas para a verificação dos resultados: Ennova Mesh Generator como gerador de malhas, Tecplot 360 EX como pós processador, e Nastran como solver estrutural.

Análise do comportamento do fluido e da erosão

Para fornecer um panorama completo da evolução da erosão em função do tempo, a ATS realizou uma previsão anual do impacto das partículas colidindo com as paredes do duto. O CFD++ calculou a velocidade e o ângulo de impacto das partículas nas paredes e o Tecplot 360 EX pós-processou os resultados para calcular uma taxa de erosão no local de cada impacto com base em expressões da literatura aberta, que dependem do ângulo de impacto, velocidade de impacto e material.

Agora, considerando-se a erosão envolvida nas peças, obteve-se os resultados apresentados a seguir, também para cada uma das peças analisadas.

Com as simulações, obteve-se informações muito relevantes para a consideração da vida útil dos dutos. Isso porque pôde-se notar que a maior parte da estava nas paredes do tubo após as zonas de curvatura, justamente pelo fato de se tratar de um fluido não-newtoniano. Dessa maneira, ocorre uma zona de recirculação de baixa velocidade na região do cushion, evitando o impacto direto com as suas paredes.

Dessa maneira, uma das maiores dúvidas da empresa contratante do estudo pôde ser sanada: pensava-se em aumentar a espessura dos cushions pois tinha-se a noção de que lá concentravam-se a maior parte das zonas de erosão. Os estudos da ATS mostram, dessa forma, que a substituição pelos de maior espessura não eram necessários nesse momento.

Além disso, foi feito um cálculo de erosão média anual nas paredes da tubulação, e, utilizando-se o NASTRAN, um programa de análise utilizando-se elementos finitos, foi possível calcular a tensão nos tubos pela norma ASME Classe VIII de Vasos de Pressão. Essa análise estrutural foi repetida para cada 5 anos para obter uma progressão do nível tensão nos tubos e avaliar a vida média dos dutos.

A análise da tensão foi feita utilizando-se a norma ASME VIII, até que, pelos efeitos da erosão, a peça apresentasse uma maior que a permitida pela norma de segurança, sabendo-se, então, que se tratava do fim de sua vida útil.

Com mais esse sucesso de análise estrutural, a ATS segue como uma das empresas mais confiáveis para o estudo utilizando-se da fluidodinâmica computacional, sua área de expertise, firmando-se entre uma das principais no país com ação voltada para esse tipo de método de análise na engenharia.

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