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