caf 2015
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Agradecimentos:
EXPERIMENTOS COM UM MODELO DE TUBO PARA A CAPTAÇÃO DE ÁGUA
FRIA PARA O RESFRIAMENTO DA PLANTA EM UM NAVIO PARA A PRODUÇÃO
DE PETRÓLEO E GÁS
Brendo Martins, Victor De Oliveira Ferreira
Prof. Dr. Celso K. Morooka (Orientador); Maiara Moreira Gonçalves (Monitor); Caio C.O.Trigo (Técnico)
Faculdade de Engenharia Mecânica – Departamento de Engenharia de Petróleo
Palavras Chaves: Engenharia de Petróleo – Sistemas Marítimos – Tubo captador
Tabela 1 – Frequências utilizadas nos experimentos.
Introdução
Tubos captadores são tubos cilíndricos que captam águas frias de
correntes marítimas provenientes dos pólos e são direcionadas para o
resfriamento da planta de produção de um navio de produção de
petróleo e gás. Esses cilindros submersos são suscetíveis a variações
de ondas,ventos e correntes marítimas que se alcançarem a frequência
natural do captador causariam danos ou até rupturas em condições
ambientais extremas.
Objetivo
Simular o comportamento de forças marítimas atuantes no tubo
captador em um tanque com água e no ar (Fig .1). E verificar a
resposta do comportamento dinâmico dessa estrutura para averiguar
suas frequências naturais.
Metodologia
Aplicação de um modelo de tubo captador em escala reduzida em
um tanque com água e no ar.
O experimento foi realizado nas frequências apresentadas na Tabela
1 e foram filmados com duas câmeras frontais (A e B).
A escala reduzida do tubo captador foi confeccionada do material
silicone e possui um comprimento de 1,47m. Nesse tubo estão
localizados 10 marcadores.
Para cada frequência foi realizado uma filmagem de 2 minutos .
As frequências foram de 0,25 até 1,75, juntamente com 3
frequências naturas para o experimento no ar e 4 na água.
Os vídeos foram cortados e transformados em uma sequencia de
imagens pelo programa VídeoPad.
E depois foi feito o tratamento e captação de cada das coordenadas
de cada sensor através do NI Vision.
Posteriormente os dados obtidos foram empregados em planilhas do
“Microsoft Office Excel 2003” para geração dos gráficos de
deslocamento (no eixo XY) do tubo captador.
Resultados e Discussão
A seguir apresenta-se o resultado das envoltórias, das amplitudes
máximas e dos deslocamentos no topo e na extremidade livre tanto
para o experimento realizado na água quanto no ar.
Observando a figura 2-a),os gráficos da envoltória das frequências
0,830 Hz e na de 0,480 HZ corresponde a frequência de
ressonância, pois a vibração imposta pelo motor é a frequência
natural do tubo captador.Portanto, a amplitude de oscilação é bem
maior nessa faixa de frequência do que as outras.
Comparando os gráficos da figura 2-b), nota-se que a amplitude
máxima no ar chega a ser quase 15 vezes mais ampla que na
água. Isso ocorre devido ao pouco amortecimento do ar.
Analisando os gráficos c e d, as amplitudes de oscilação no tanque
com água são bem menores em todo período de filmagem, se
comparada ao experimento realizado no ar. Já que o
amortecimento da água é maior que o do Ar.
Conclusões
Com os resultados obtidos, conclui-se quando as vibrações
transmitidas pelas ondas do mar alcançam as frequências naturais do
tubo captador, o mesmo entra em fenômeno de ressonância
aumentando a sua amplitude de oscilação. Isto pode resultar em uma
ruptura ou falha na estrutura.
O efeito do amortecimento da água ajuda a integridade do tubo
captador, já que amortece as suas amplitudes de oscilação. Como foi
demonstrado na comparação dos experimentos realizados no ar e na
água.
Figura 2 – Gráficos: (a)Envoltória do modelo do captador no tanque com água e
no Ar; (b)Histórico de amplitude máxima no tanque com água e no
Ar;(c)amplitude tanque com água topo e extremidade; (d)amplitude tanque
sem água topo e extremidade inferior.
Tanque com Água Tanque com Água
Frequência
(Hz)
Velocidade
do Motor
(RPM)
Frequência
Natural (Hz)
Velocidade do
Motor (RPM)
0.25 7,9 0,83 26,2
0,5 15,8 0,529 16,7
0,75 23,7 1,194 37,7
1,001 31,6 1,615 51
1,251 39,5
1,501 47,4
1,751 55,3
Tanque sem Água Tanque sem Água
Frequência
(Hz)
Velocidade
do Motor
(RPM)
Frequência
Natural (Hz)
Velocidade do
Motor (RPM)
0,25 7,9 0,48 15,4
0,5 15,8 1,14 36,0
0,75 23,7 1,91 60,4
1,001 31,6
1,251 39,5
1,501 47,4
1,751 55,3
Figura 1 - Desenho esquemático do experimento
a) b)
c) d)
2m 1,47 m
Câmera B
Câmera A
Inversor de Frequência
Motor
Tubo Captador
2m 1,47 m
Câmera B
Câmera A
Inversor de Frequência
Motor
Tubo Captador
-1400,00
-1200,00
-1000,00
-800,00
-600,00
-400,00
-200,00
0,00
-10,00 0,00 10,00 20,00
Po
siçã
o V
ert
ical
do
Tu
bo
Cap
tad
or
(mm
)
Deslocamento Horizontal (mm)
Envoltória do Modelo do Captador com água em 0.83 Hz
-1400,00
-1200,00
-1000,00
-800,00
-600,00
-400,00
-200,00
0,00
-200,0 -100,0 0,0 100,0 200,0
Po
siçã
o V
ert
ical
do
Tu
bo
Cap
tad
or
(mm
)
Deslocamento Horizontal (mm)
Envoltória do Modelo do Captador com ar em 0,480 Hz
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00
0,000 0,250 0,500 0,750 1,000 1,250 1,500 1,750 2,000
Am
plit
ud
e m
áxim
a (m
m)
Frequência (Hz)
Histórico de Amplitudes Máximas - Experimento na água
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
300,0
0,000 0,250 0,500 0,750 1,000 1,250 1,500 1,750 2,000
Am
pli
tud
e m
áxim
a (m
m)
Frequência (Hz)
Histórico de Amplitudes Máximas - Experimento no ar
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 20 40 60 80 100 120 140
Am
plit
ud
e (
mm
)
Tempo (s)
Amplitude no tanque com água - 0,830 HZ
Extremidade
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
0 50 100 150
Am
plit
ud
e (
mm
)
Tempo (s)
Amplitude no tanque no ar - 0.480 Hz
Extremidade
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 20 40 60 80 100 120
Am
plit
ud
e (
mm
)
Tempo (s)
Amplitude no tanque no ar - 0.480 Hz
Motor