BR112014026568B1 - Método e sistema de projeto de componente de oleoduto e método de fabricação de um componente de oleoduto - Google Patents
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Abstract
método e aparelho para projeto de componentes de oleoduto. a presente invenção refere-se a métodos e aparelhos para o projeto de componente de oleoduto que são descritos. os parâmetros de entrada e os parâmetros de saída para o projeto de componentes são identificados (210). um modelo analítico é construído usando um projeto de experimentos técnicos para representar a influência dos parâmetros de entrada sobre os parâmetros de saída (220). conjuntos de valores para os parâmetros de entrada que satisfaçam um critério de seleção para pelo menos um dos parâmetros de saída são, então, identificados (230). a análise de elementos finitos é realizada (240) sobre os conjuntos de valores identificados, e uma escolha de projeto do componente de oleoduto é identificada (250) a partir dos resultados da análise de elementos finitos. os componentes de oleoduto são, então, fabricados de acordo com o projeto identificado.
Description
[001] A presente invenção refere-se a um método e aparelho parao projeto de componentes de oleoduto (pipeline). É particularmente aplicável para projetos de ligação, como ponte e carretel, para unir lacunas em um sistema de tubulação ou para conexão entre componentes de diferentes tipos.
[002] Pontes e carretel, conhecidos genericamente como"ligações", são componentes de oleoduto usados para conectar um oleoduto, elevador ou estrutura de tubulação a outro oleoduto, elevador ou estrutura de tubulação. O termo "ponte" é geralmente usado para um arranjo vertical elevado a partir do fundo do mar ou outra conexão separada a partir do fundo do mar, ao passo que "carretel" ou "bobina" é geralmente usado para um arranjo que é, em grande medida na horizontal e em contato com o fundo do mar.
[003] Ligações, tais como pontes e carreteis são parte de umsistema de liberação de tubulação adaptado para liberar fluidos, muitas vezes sob pressão substancial e a uma temperatura elevada. Elas são necessárias tanto para unir lacunas em um sistema de tubulação necessário por razões de layout geométrico, ou para atuar como proteção quando estruturas diferentes são unidas (por exemplo, para evitar a sobrecarga das estruturas múltiplas ou de elevador, mitigando a expansão da linha de fluxo). As ligações serão frequentemente expostas a forças externas significativas, tais como aquelas criadas por correntes. Elas podem ser utilizadas para unir outros componentes de oleoduto que têm uma posição fixa, ou que podem se mover.
[004] Uma ligação pode ser uma seção do oleoduto rígida ouflexível (tubo rígido e tubo flexível são os dois termos da técnica em lançamento de oleoduto no mar, conforme estabelecido nos padrões, como o ISO 13628). Um carretel ou ponte rígido é normalmente fabricado a partir de tubos de aço soldados, enquanto um carretel ou ponte flexível normalmente é fabricado a partir de uma construção de tubo flexível de múltiplas camadas contínuas.
[005] O projeto eficaz de carreteis e pontes é uma tarefa complexa.Quando no lugar, oleodutos irão se mover devido aos efeitos da temperatura e da pressão. As pontes e carreteis não só tem de ser capazes de resistir a este tipo de efeitos de dilatação, mas também ser eficazes para limitar a transmissão destes efeitos a outras estruturas que eles protegem. Um grande campo de águas profundas pode necessitar de mais de cinquenta pontes e carreteis.
[006] Uma abordagem de projeto convencional tipicamenteenvolve a construção de um modelo complexo de um projeto de componente que será então testado quanto a várias propriedades de saída em certo número de diferentes casos de utilização. O projeto de componente será descrito em termos de um número de parâmetros de entrada, que são amostrados em toda a sua gama (por exemplo, um parâmetro de entrada representando uma tolerância dentre 1 e -1 pode ser amostrado em 1, 0 e -1), para prover uma expectativa razoável de explorar as tensões e cargas extremas no componente. Cada uma dessas combinações de valores de parâmetros de entrada para cada caso de uso pode exigir uma análise separada dos elementos finitos.
[007] O projeto destes componentes é, assim, um processoextremamente demorado, tipicamente requerendo a análise de elementos finitos de um grande número de casos para prover tolerância eficaz para desalinhamento. O projeto de carretel e ponte frequentemente formam a maior parte da atividade do projeto de engenharia necessário para o projeto de oleoduto para tal projeto.
[008] Por conseguinte, em um aspecto, a invenção provê ummétodo de projeto de componente de oleoduto que compreende: identificar os parâmetros de entrada e os parâmetros de saída para o projeto de componente; utilizar um projeto de experimentos técnicos para a construção de modelos analíticos que representam as influências dos parâmetros de entrada sobre os parâmetros de saída; identificar conjuntos de valores para os parâmetros de entrada que satisfaçam um dos um ou mais critérios de seleção para, pelo menos, um dos parâmetros de saída, os critérios de seleção compreendendo minimizar ou maximizar, pelo menos, um dos parâmetros de saída; realizar a análise de elementos finitos sobre os conjuntos de valores identificados, e identificar uma escolha de projeto de componente de oleoduto a partir dos resultados da análise de elementos finitos; em que nenhum critério de convergência é utilizado no projeto de experimentos técnicos ou na análise de elementos finitos.
[009] Esta abordagem reduz consideravelmente o tempo gasto noprojeto de componentes, sem afetar a exatidão dos resultados. Em alguns casos, a precisão pode ser aumentada, conforme uma solução computacional completa pode ser obtida sem a utilização de uma aproximação feita para reduzir o tempo de computação para realizar o problema tratável segundo os métodos convencionais. A prevenção de qualquer necessidade por critérios de convergência reduz a complexidade computacional e é encontrada para produzir resultados eficazes para problemas deste tipo, envolvendo cargas estáticas.
[010] O projeto de metodologias de experimentos foi utilizado emoutras áreas do projeto de engenharia. US 2009/0319453 descreve uma técnica para preencher um projeto de algoritmos de experimentos usando algoritmos genéticos no projeto de engenharia assistido por computador. WO 2005/001722 descreve uma técnica para melhorar o projeto de peças de avião, usando projeto de experimentos técnicos para suportar os cálculos dinâmicos de fluidos computacionais. Nenhum documento da técnica anterior descreve a abordagem descrita acima.
[011] Esta abordagem é particularmente eficaz para o projeto decomponentes de ligação, tais como pontes e carreteis. Ele pode ser usado para projetar pontes e carreteis que satisfaçam os requisitos operacionais em um período muito reduzido de tempo.
[012] De um modo vantajoso, os parâmetros de entradacompreendem uma ou mais tolerâncias de desalinhamento. Estas tolerâncias de desalinhamento podem ser agregadas a partir de tolerâncias físicas, tais como tolerâncias de fabricação, de metrologia e de instalação.
[013] Preferencialmente, os parâmetros de entrada compreendemuma ou mais tolerâncias translacionais e uma ou mais tolerâncias rotacionais.
[014] Em algumas modalidades, os parâmetros de entradacompreendem um ou mais parâmetros de propriedades do solo. Isto é apropriado para o projeto de um carretel, que terá de entrar em contato com o fundo do mar em uso. Esta abordagem permite tolerâncias de desalinhamento e parâmetros de propriedade do solo a ser tratado em conjunto, e não em cálculos separados como em abordagens convencionais.
[015] De preferência, os modelos analíticos compreendem ummodelo quadrático para cada parâmetro de saída. Nas modalidades específicas, o modelo de análise compreende apenas os termos que são termos de primeira ou de segunda ordem, constantes, e os termos de interação. Isto fornece um modelo analítico que na prática provê uma boa caracterização do sistema, enquanto continuam sendo computacionalmente tratáveis.
[016] Nas modalidades, o projeto de experimentos técnicoscompreende uma técnica de Box-Behnken, uma técnica de Latin Hypercube ideal ou uma técnica de matriz ortogonal de 3 níveis. Estas técnicas são particularmente adequadas a um modelo quadrático onde é usada.
[017] Em outras modalidades, o projeto de experimentos técnicoscompreende a utilização de uma técnica de matriz ortogonal de 2 níveis sem interação entre os parâmetros de entrada. Esta é uma técnica particularmente adequada quando o problema de criação pode ser apresentado como um grupo de problemas lineares que não interagem.
[018] De preferência, identificar o conjunto de valor para osparâmetros de entrada que minimizam ou maximizam pelo menos um dos parâmetros de saída compreende a iteração de um circuito de otimização para cada parâmetro de saída que minimiza ou maximiza esse parâmetro de saída. Com vantagem, o circuito de otimização usa uma técnica de otimização diferenciável. Esta abordagem é particularmente adequada quando o modelo de análise é linear e apenas quadrática, de modo que as funções resultantes são côncavas ou convexas.
[019] Em outro aspecto, a invenção provê um método defabricação de um componente de oleoduto, que compreende o projeto de um componente de oleoduto de acordo com o método tal como definido acima, e a fabricação do componente de tubulação de acordo com o projeto do componente de oleoduto identificado.
[020] Em ainda outro aspecto, a invenção provê um sistema deprojeto de componente de oleoduto compreendendo um aparelho de computação programado para realizar o método de projeto de um componente de oleoduto, tal como estabelecido acima.
[021] Ainda em outro aspecto, a invenção provê um sinal quecompreende uma estrutura de dados adaptada para programar um aparelho de computação para realizar o método de projeto de um componente de oleoduto, tal como estabelecido acima.
[022] Em ainda outro aspecto, a invenção provê um componentede oleoduto pelo método projetado ou o sistema de projeto, tal como estabelecido acima - em particular, uma ligação projetada por tal método ou sistema de projeto. Em outro aspecto, a invenção provê um oleoduto que inclui um ou mais componentes de oleoduto projetados por tal abordagem, em especial quando os um ou mais componentes de oleoduto são componentes de ligação.
[023] As modalidades específicas da invenção serão agoradescritas, a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, nos quais:
[024] A Figura 1 é uma ilustração de um sistema de oleodutoexemplar incluindo componentes de ligação, como em ponte e em carretel;
[025] A Figura 2 ilustra esquematicamente um método para projetode um componente de oleoduto de acordo com uma modalidade da invenção;
[026] A Figura 3 ilustra os parâmetros de entrada na modalidadeda invenção;
[027] As Figuras 4A, 4B e 4C ilustram projetos diferentes demetodologias de experimentos aplicáveis para as modalidades da invenção;
[028] A Figura 5 ilustra esquematicamente uma modalidadeespecífica de acordo com a abordagem ilustrada na Figura 2 acima;
[029] A Figura 6A ilustra um projeto exemplar em ponte 2-D e aFigura 6B ilustra uma sequência de cálculo para utilização com tal projeto em ponte 2-D;
[030] A Figura 7A ilustra um projeto exemplar em ponte 3-D e aFigura 7B ilustra uma sequência de cálculo para utilização com tal projeto em ponte 3-D;
[031] A Figura 8A ilustra um projeto em carretel exemplar e aFigura 8B ilustra uma sequência de cálculo para utilização com tal projeto em carretel;
[032] A Figura 9 mostra um fluxo de trabalho global para o pós-processamento para usar o modelo analítico derivado para obter os resultados; e
[033] A Figura 10 mostra um fluxo de trabalho de um único circuitode pós-processamento da Figura 9.
[034] A Figura 1 ilustra um sistema de oleoduto de águasprofundas que compreende componentes de ligação exemplares. Um oleoduto 101 liga uma pluralidade de cabeças de poços 102 com um navio de superfície 103. Um oleoduto previsto 104 que contém uma série de segmentos de oleoduto unidos está conectado a uma estrutura de elevador 105. Os componentes de ligação de interesse são, neste caso, situados no interior do oleoduto 101 entre as cabeças de poços 102 e o elevador 105 - pode haver ponte flexível 106 ligando uma parte superior da estrutura do elevador 105 com a superfície do navio 103, mas esta não é a consideração principal para as modalidades da invenção discutidas abaixo.
[035] Cada cabeça de poço 102 na disposição ilustrada é cobertacom uma árvore de Natal 101, que é uma estrutura utilizada convencionalmente para prover meios de fluido a partir de um poço para um oleoduto. A primeira e segunda pontes 111 e 112 são cada mostrada conectando uma árvore de Natal 110 a uma estrutura intermediária do oleoduto previsto 104 conhecida como T em linha 113. As pontes 111 e 112 se diferem em que a primeira ponte 111 é um projeto 2-dimensional em um único plano, enquanto a segunda ponte 112 é um projeto 3dimensional que se estende para além de um único plano - diversos projetos de pontes podem ser obrigados a corresponder às diferentes geometrias e exigências de um oleoduto de um determinado local. O carretel 114 é mostrado na extremidade do oleoduto previsto 104, ligando uma extremidade de terminação do oleoduto (PLET) 115 a outra árvore de Natal 110.
[036] Como já foi discutido anteriormente, as pontes 111, 112 e ocarretel 114, na prática, verão variação significativa nas condições de pressão e temperatura e serão obrigados a cumprir as tolerâncias significativas. Eles também precisam ser corretamente adaptados a outras condições ambientais - por exemplo, os carreteis estarão em contato com o fundo do mar e experimentarão tensões associadas, e as pontes experimentarão forças das correntes.
[037] As modalidades da invenção proveem métodos e aparelhospara o projeto de componentes de oleoduto, que são eficazes para projetar ligações em sistemas tais como aquele mostrado na Figura 1. Os elementos básicos de tal método são descritos abaixo com referência à Figura 2.
[038] A Figura 2 indica esquematicamente um método de projeto decomponente de oleoduto de acordo com uma modalidade da invenção. Em primeiro lugar, uma pluralidade de entradas e saídas do projeto é identificada (210). As entradas do projeto são propriedades presentes ou exigidas no projeto, como variáveis. De particular importância em projetos de ligação são as tolerâncias de componentes - ambas as tolerâncias de translação e de rotação são significativas, como será discutido a seguir. As saídas do projeto são propriedades resultantes do projeto que pode ser otimizado ou de outro modo projetado para estar dentro das restrições de projeto pela variação de entradas.
[039] Depois disso, um projeto de metodologia de experimentos éusado (220) para criar modelos analíticos que representam as influências das entradas nas saídas. Como será discutido mais abaixo, qualquer uma de uma série de diferentes projetos de metodologias de experimentos pode ser utilizada para esta finalidade.
[040] Uma vez que o modelo de análise é construído, conjuntos devalores das entradas que minimizam ou maximizam uma ou mais das saídas são identificados (230). Este identifica um número limitado de projetos de componentes que requerem uma análise mais aprofundada. Uma análise de elemento finito é realizada (240) em cada um destes modelos identificados para fornecer uma exploração eficiente do espaço de projeto para o componente e para permitir uma escolha de projeto a ser convertida (250).
[041] Cada uma dessas etapas será agora considerada com maisdetalhes. Exemplos práticos serão discutidos.
[042] Os presentes inventores apreciaram que, para os presentesfins, muitas das tolerâncias físicas de ligação - como a fabricação, metrologia e tolerâncias de instalação - podem ser consideradas em conjunto como "tolerância de desalinhamento" aplicada nas extremidades da ponte ou carretel. Esta tolerância pode ser considerada como uma tolerância linear e uma tolerância de rotação em cada direção axial, como mostrado na Figura 3 (de um conector vertical) e, tal como indicado na Tabela 1 abaixo.
Tabela 1: Símbolos de tolerância de desalinhamen to
[043] Para as pontes, pode não ser necessário considerar outrosparâmetros de entrada. Será necessário fazê-lo para bobinas, pois as bobinas entram em contato com o fundo do mar. Consequentemente, os parâmetros de entrada que representam as condições do solo, também são necessários para as bobinas, tal como indicado na Tabela 2 abaixo.
Tabela 2: Símbolos de condições de solo
[044] Para a validação do projeto de componente, é necessáriauma série de saídas, geralmente incluindo o seguinte: tensão axial, tensão em arco, critério de Von Mises e as cargas em cada extremidade. Estes resultados devem ser considerados para cada etapa do processo de utilização do componente - o que pode incluir, por exemplo, o cálculo de 17 saídas em cada uma das 10 etapas para um projeto típico de ponte. As etapas comuns em causa são as etapas de instalação, ensaio hidrostático do projeto instalado e operação. Um modelo de elementos finitos utilizado para avaliar um projeto deve integrar essas etapas.
[045] Um conjunto típico de parâmetros de saída é definido naTabela 3 abaixo.
[046] Conforme descrito anteriormente nesta especificação, osmodelos do estado da técnica normalmente assumem que as tensões e cargas extremas serão encontradas por parâmetros de entrada, considerando em um deles o limite inferior, a linha de base e o limite superior. Os presentes inventores apreciaram que se esta abordagem for feita, será possível representar o problema com um modelo quadrático relativamente simples e tratável. Tais modelos podem ser desenvolvidos utilizando um projeto de metodologia de experimentos.
[047] Se dois parâmetros de entrada, apenas forem considerados,a equação será da forma:
[048] Esta equação contém um termo de interação entre os doisparâmetros de entrada (um termo quadrático linear em cada parâmetro). Seis coeficientes devem ser determinados para habilitar essa equação a ser usada.
[049] De modo mais geral, a equação quadrática assume estaforma:
[050] Outra hipótese de que foi feita é que as interações de ordemterceira (tais como um termo linear dependente de cada um dos três parâmetros de entrada separados) será desprezável. Na prática, tanto esta hipótese e no pressuposto de que o uso de valores de parâmetros para os limites e da linha de base representam suficientemente o comportamento do sistema são considerados satisfatórios na prática, para o projeto eficaz. Um projeto típico de componentes pode exigir sete parâmetros de entrada - isto exigiria 36 componentes a ser determinado. Nas modalidades da invenção, isto é conseguido através da utilização de um projeto de metodologia de experimentos.
[051] O projeto de experimentos (DOE) é uma metodologia deprojeto de engenharia conhecida e disciplina acadêmica (ministrada, por exemplo, por DC Weber e JH Skillings "A First Course in the Design of Experiments: A Linear Models Approach", CRC Press, 1999 e RH Myers e DC Montgomery "Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments", Wiley, 2002). DOE pode ser usado para criar um projeto eficaz de um problema com um número limitado de experimentos. Por exemplo, para um modelo linear de dois parâmetros, onde os parâmetros não interagem, três constantes têm de ser determinadas - DOE permite uma escolha eficaz de experimentos para permitir que essas constantes sejam determinadas em um número mínimo de experimentos (no presente caso, três).
[052] Onde há interação entre os parâmetros, será necessário ummaior número de experimentos, mas as técnicas de DOE têm sido desenvolvidas para a construção de modelos analíticos com a interação entre as variáveis. Três dessas técnicas são Box-Behnken, Hipercubo Latino Ideal e Matriz Ortogonal.
[053] Caixa-Behnken - Esta técnica está ilustrada na Figura 4A.Esta é uma técnica DOE fatorial de 3 níveis - como é de nível 3 é eficaz para criar um projeto quadrático, e não exige suposições a serem feitas sobre interações ou avaliação de pontos de canto. Como uma técnica, ela é bem definida para de 3 a 21 parâmetros.
[054] Latina Hvpercube Ideal - Esta técnica está ilustrada naFigura 4B. Esta é uma técnica de DOE pseudoaleatório com um número definido pelo usuário de pontos - um número suficiente de pontos pode, contudo, ser necessário para as influências serem bem-determinadas (para uma aproximação quadrática, pelo menos, n2+ 7n + 2 pontos deve ser utilizado para n fatores). Mais pontos podem ser usados para melhorar os resultados no tempo de cálculo de custo adicional para gerar a matriz experimental. Esta técnica pode ser utilizada de forma eficaz com os métodos de Monte Carlo e pode ser ajustada para satisfazer os recursos computacionais disponíveis e o tempo de cálculo.
[055] Matriz ortogonal - Esta técnica (também conhecida comoMatriz ortogonal de Taguchi) está ilustrada na Figura 4C. Ela é projetada para respeitar a independência de todos os parâmetros de entrada e interações e assim manter a ortogonalidade entre eles. Isto leva a um custo adicional do número de experimentos necessários, e pode exigir pressupostos adicionais a serem adotados para rastreabilidade. Este DOE é mais eficaz quando há um número limitado de parâmetros ou, pelo menos, algumas das interações são conhecidas.
[056] Com o uso de uma técnica DOE, é possível determinar qualdos parâmetros de entrada (tais como tolerâncias de desalinhamento) tem a maior influência sobre os parâmetros de saída, e construir um modelo analítico (pode ser um modelo analítico para cada parâmetro de saída) para representar estes modelos. Com as premissas adotadas de que apenas termos quadráticos no máximo vontade serão relevante e que a maioria das interações entre os dois parâmetros de entrada deve ser considerada, estes modelos serão da forma da Equação 2 acima.
[057] A técnica DOE é necessária para determinar os coeficientesa utilizar no modelo. As abordagens tradicionais envolveriam a determinação direta dos esforços extremos e as cargas sobre os modelos analíticos, mas este requer o cálculo excessivo e coloca muitas exigências sobre os modelos, em particular para um grande número de parâmetros de saída. Uma abordagem preferida é a utilização de modelos analíticos para determinar quais as configurações de parâmetros de entrada minimizam ou maximizam os parâmetros de saída. Para o modelo ser eficaz para o uso, é apenas necessário que a influência dos parâmetros de entrada seja bem determinada. A análise de elementos finitos pode ser usada apenas em casos identificados. Identificação de casos e análise de elementos finitos
[058] Para determinar uma combinação de parâmetros de entradaque minimizam ou maximizam um parâmetro de saída, é necessário minimizar ou maximizar o modelo de análise deste parâmetro de saída. Durante sete parâmetros, o cálculo para cada um dos parâmetros resultantes 2187 seria excessivo, de modo que as otimizações devem ser consideradas. Normalmente, estas serão prontamente disponíveis - muitos problemas são estritamente côncavos ou convexos permitindo configurações rápidas em um número mínimo de execuções. Uma análise de elemento finito é efetuada para encontrar o valor de cada parâmetro de saída, em um processo repetido para cada saída.
[059] A sequência de cálculo geral é mostrada na Figura 5. Asequência de cálculo refere-se ao uso de Abaqus, que é um instrumento de análise de elemento finito fornecido como parte do conjunto de simulação SIMULIA produzido pela Dassault Systemes. SIMULIA também contém Isight, um produto do processo de simulação criando fluxos - Isight pode ser usado para a construção do modelo analítico, tal como estabelecido acima, e Excel pode ser usado como um formato para os dados de entrada e de extração. FEM e FEA se referem ao Modelo de Elementos Finitos e Análise de Elementos Finitos, respectivamente.
[060] O uso de Isight para efetuar cada um destes processos seráagora considerado em maior detalhe, a título de exemplo - deve-se notar que o outro software de simulação ou modelos construído por encomenda, também poderiam ser utilizados.
[061] A etapa 501 envolve a criação do DOE. Isto exige oestabelecimento dos parâmetros de entrada iniciais para o sistema usando o Abaqus com o auxílio dos componentes de cálculo. Restrições também podem precisar ser determinadas fora da técnica DOE em pós- processamento, como técnicas de DOE normalmente não estão adaptados para incluir tais restrições - a fim de fazer isso, é desejável aumentar o tamanho do modelo analítico de modo que ele possa ainda ser determinado de forma eficaz quando as restrições foremadicionadas. Uma técnica DOE é identificada e um número suficiente de pontos de DOE é criado para um modelo analítico eficaz a ser construído, o número e a natureza dos pontos de DOE dependendo da técnica DOE utilizada. Se as interações entre os parâmetros de entrada podem ser ignoradas (razoável para algumas aproximações), em seguida, os modelos lineares podem ser preparados utilizando a abordagem de matriz ortogonal com alta eficiência. Os resultados desta fase podem ser representados sob a forma de banco de dados (por exemplo, como uma base de dados de Análise de Elementos Finitos).
[062] A etapa 502 envolve utilizar as entradas da etapa 501 paraconstruir um modelo com o número necessário de pontos - este modelo construído pode ser chamado de uma aproximação. Modelagem de superfície de resposta (RSM) - à qual literatura da técnica anterior acima mencionada se refere - é uma técnica conhecida para o efeito. RSM pode ser usada para criar modelos analíticos linear, quadrático e cúbico, ou mesmo quártico. Pelo menos um modelo quadrático analítico é necessário considerar as interações, e um nível de 4 DOE é necessário para um modelo cúbico e um nível DOE 5 para um modelo quártico. Como indicado anteriormente, os modelos analíticos quadráticas têm sido utilizados nas modalidades aqui descritas.
[063] A etapa 503 mostra o pós-processamento para pegar e usar conjuntos de dados de parâmetros de entrada que produzem níveis mínimos ou máximos para o modelo analítico. As entradas para esta etapa são o modelo analítico desenvolvido na etapa 502 e os dados fornecidos como um arquivo do Excel, com uma saída novamente provida como Excel. O arquivo de entrada Excel pode conter, por exemplo, limites e linha de base para os parâmetros de entrada e as saídas que exigem determinação pela e pelo tipo. Processos computacionais necessários no arranjo desta modalidade são os seguintes:- Componente de aproximação para executar modelo analítico- Abaqus para realizar FEA e determinar valores de saída- Calculadora para operações matemáticas (como garantir que as restrições de rotação são devidamente atendidas)- Extração de valores extremos- Iteração do circuito- Otimização para identificar configurações eficazes
[064] A Figura 9 ilustra um fluxo de trabalho geral típico para estaetapa de pós-processamento de dados 503 ser colocado no meio de um arquivo de Excel, e um processo de minimização é realizado seguido por um processo de maximização, com os resultados exportados para um arquivo de Excel. O processo de minimização é mostrado em maior detalhe. Cargas mínimas para cada extremidade do componente são determinadas, em conjunto com tensões mínimas de componentes - Estes valores mínimos podem ser determinados em paralelo.
[065] Cada tarefa (como mostrado aqui para a tensão mínima) seguea mesma sequência. Todas as saídas são definidas para valores comuns antes de realizar as etapas de circuito e FEA. Um circuito de cálculo é então executado para encontrar a configuração de entrada que minimiza ou maximiza a saída conforme necessário. A FEA é então realizada para esta configuração. A história de circuito é então avaliada para identificar os valores dos parâmetros necessários. O circuito pode ser realizado em uma matriz de dados de entrada de folhas de cálculo do Excel (com um macro apropriado), com cada conjunto correspondente a um funcionamento e sendo composta de pesos das saídas resultantes.
[066] A Figura 10 mostra um fluxo de trabalho de circuito de acordocom tal processo. Um algoritmo de otimização é usado para encontrar a configuração de parâmetros de entrada que maximizam ou minimizam a saída. Muitas técnicas de otimização estão disponíveis (e muitas são implementadas em iSight), mas uma escolha apropriada precisa ser feita adequada às funções envolvidas. Usando um modelo linear ou quadrático, a função será estritamente côncava ou convexa - em tais casos, uma técnica de subida, tal como o algoritmo BFGS (Broydon- Fletcher-Goldfarb-Shanno) será eficaz. Isso é implementado em Isight como a técnica NLPQL (Programação Não-Linear por quadrática de Lagrange). Estes e outros processos são discutidos em mais detalhes na literatura de otimização numérica.
[067] O processo de projeto de um componente de oleoduto deacordo com as modalidades da invenção pode, assim, ser realizado com aparelhos de computação programados apropriadamente. Como indicado acima, os aparelhos de computação configurados para operar o conjunto de simulação SIMULIA, com acessório de software, tais como o Excel, podem ser adequadamente programados, de acordo com as modalidades da invenção para prover um projeto de componente de oleoduto conforme a sua saída. As modalidades da invenção podem ser fornecidas sob a forma de uma estrutura de dados adaptada para programar um computador adequado para efetuar um método tal como indicado acima, por exemplo, por um programa, utilizando os componentes do conjunto de simulação SIMULIA e Excel, como indicado acima.
[068] A saída do processo de projeto de componente de oleoduto é, portanto, um projeto de componente de oleoduto fornecendo dimensões apropriadas para uma ligação, como uma ponte ou um carretel. A ponte ou carretel pode então ser fabricado usando os processos convencionais de acordo com este projeto para implantação posterior em um oleoduto.
[069] Exemplos da aplicação da abordagem descrita acima serãoagora considerados e comparados com as abordagens tradicionais. Em cada caso, uma ligação será montada a partir de elementos de viga com interpolação linear, com os modelos compreendendo 300 e 400 elementos.Ponte vertical em forma de M 2D
[070] A Figura 6A mostra uma ponte exemplar em forma de M, comos dados obtidos a partir de uma linha de produção existente. A ponte conecta uma árvore de Natal (XMT) de um poço a um coletor em uma ligação do componente de oleoduto. Ambos o XMT e o coletor são as estruturas ancoradas, por isso não há expansão e nenhum contato com o solo.
[071] Foram utilizadas as seguintes tolerâncias dedesalinhamento, com tolerâncias de fabricação, de metrologia e de instalação todas incorporadas em uma única tolerância de desalinhamento.
Tabela 4: tolerâncias desalinhamento na ponte 2D
[072] Esta abordagem utiliza sete tolerâncias de parâmetros deentrada (três translações em uma extremidade, duas rotações em cada extremidade). Para uma DOE fatorial completa em três níveis, isso envolveria 37 combinações (2187 execuções no total), mas a adição de uma restrição de rotação elimina várias dessas combinações. Para tolerâncias angulares em diagonais, três níveis são levados para tolerâncias lineares e dois níveis para tolerâncias angulares nos cantos - Isso totaliza 432 execuções. Para tolerâncias angulares nos eixos, três níveis são necessários para tolerâncias lineares, mas agora com cinco combinações de tolerâncias angulares em cada extremidade, com dois pontos em cada eixo e a linha de base isso leva a 675 execuções. A sequência de cálculo geral é mostrada na Figura 6B.
[073] Esta abordagem foi avaliada utilizando todas as técnicas DOEdescritas acima: Latin Hipercubo Ideal (aqui com 100 pontos, e denominado OLH 100), Box-Behnken (usando 57 pontos, denominado BoxB), uma matriz linear com 81 pontos (denominado L81) e um modelo linear sem interação (denominado L8). Estes são encontrados para dar resultados muito semelhantes, exceto que o modelo L8 mais simples se quebra para um parâmetro de saída, enquanto com um bom desempenho para os outros. A principal diferença entre estes métodos e um cálculo convencional em todos os parâmetros (de lotes) é denominada em tempo computacional, como é mostrado na Tabela 5 a seguir:
Tabela 5: Comparação dos tempos de cálculo para 2D Jumper
[074] Como pode ser visto, todas as técnicas DOE utilizadasfornecem um tempo muito significativo economizando na abordagem convencional. A abordagem DOE (Box-Behnken) também foi utilizada para verificar a hipótese de que os movimentos lineares poderiam ser aplicados em uma única extremidade - esta foi considerada justificada.
[075] A Figura 7A mostra uma ponte 3-D exemplar em forma de Mcom dados obtidos a partir de uma linha de produção existente. A ponte conecta uma árvore de Natal (XMT) de um poço com um T em linha (ILT). O ILT não pode ser ligado à ponte como uma estrutura ancorada, isso pode mover-se durante a operação e o ensaio hidrostático. Portanto, a expansão precisa ser considerada - esta pode ser calculada a jusante e impõe como um deslocamento na extremidade da ponte. Novamente nenhum contato com o solo a considerar.
[076] A sequência de cálculo é mostrada na Figura 7B - está ésemelhante a da Figura 6B, mas a complexidade adicional é adicionada pelas considerações de expansão.
[077] Foram utilizadas as seguintes tolerâncias dedesalinhamento, com tolerâncias de fabricação, de metrologia e de instalação todas incorporadas em uma única tolerância de desalinhamento como antes.
Tabela 6: tolerâncias desalinhamento na ponte 3D
[078] Como para a ponte 2D, o número de casos pode ser reduzidolevando em consideração a restrição de rotação.
[079] Esta abordagem foi avaliada por meio de todas as técnicas de DOE descritas com referência à ponte 2D. Estas estão novamente a dar resultados muito semelhantes, exceto para o modelo L8, que geralmente fornece valores elevados. A principal diferença entre os outros métodos de cálculo de DOE e o convencional é novamente no tempo de processamento, como é mostrado na Tabela 7 a seguir:
Tabela 7: Comparação dos tempos de cálculo para 2D Jumper
[080] Não há, portanto, essencialmente nenhuma diferença dedesempenho entre a ponte 2D e os casos de ponte 3D.
[081] A Figura 8A mostra um carretel exemplar (a seguir"carretel"), com dados obtidos a partir de uma linha de produção existente. A principal diferença em relação aos exemplos de ponte é discutida anteriormente no contato com o solo e a necessidade de utilização de parâmetros de entrada adicionais adequados.
[082] Os seguintes parâmetros de entrada adicionais foramusados para representar as condições de solo do carretel.
Tabela 8: As condições do solo para o carretel
[083] As tolerâncias de desalinhamento do carretel foramsemelhantes àquelas para as pontes, mas aplicadas a cada extremidade.
Tabela 9: tolerâncias de desalinhamento para carretel
[084] A sequência de cálculo é mostrada na Figura 8B. Tolerânciaslineares foram aplicadas em cada extremidade, levando a 310 combinações (59049 execuções no total), o que é um número demasiado elevado para realizar na prática. A restrição de rotação foi aplicada como antes, e também foi assumido que as tensões extremas ou cargas estariam no limite superior ou no limite inferior das tolerâncias lineares. Isso reduziu o número de execuções necessárias para mais 2.624 execuções tratáveis.
[085] Esta abordagem foi avaliada por meio de todas as técnicasDOE acima descritas e comparada com um método convencional, em que o número total de combinações de tolerâncias de alinhamento é aplicado a uma variedade de condições de solo, ao passo que na presente abordagem todos os parâmetros de entrada, podem ser considerados em conjunto. Mais pontos de dados são necessários por causa da maior complexidade do sistema: Latin Hipercubo Ideal usa 332 pontos (HOL 332), Box-Behnken usa 421, e um modelo linear sem interações usa 16 (denominado L16). Estes são encontrados para dar resultados muito semelhantes, com L16 dando a abordagem mais conservadora - HOL supera Box-Behnken no tempo.
Tabela 10: Comparação dos tempos de cálculo para bobina
[086] Mais uma vez, há uma economia de tempo nesta abordagemmuito considerável.
[087] Como é mostrado acima, as modalidades da invençãopodem ser usadas para produzir projetos para componentes de oleoduto, e, em particular, ligações, tais como pontes e carreteis. O versado na técnica irá perceber que a abordagem estabelecida aqui tem aplicação mais ampla, por exemplo, para outros aspectos do projeto de oleoduto. As modificações e melhoramentos podem ser feitos ao acima exposto, sem nos afastarmos do escopo da invenção.
Claims (15)
1. Método para projeto de componente de oleoduto, caracterizado pelo fato de que compreende:identificar os parâmetros de entrada e os parâmetros de saída para o projeto do componente;utilizar um projeto de experimentos técnicos para a construção de modelos analíticos que representam as influências dos parâmetros de entrada sobre os parâmetros de saída;amostrar uma pluralidade de conjuntos de parâmetros de entrada que correspondem substancialmente um valor medido de parâmetros para o projeto de oleoduto;aplicar os modelos analíticos à pluralidade de conjuntos de parâmetros de entrada;identificar os conjuntos de valores para os parâmetros de entrada que satisfaçam um de um ou mais dos critérios de seleção para, pelo menos, um dos parâmetros de saída, os critérios de seleção compreendendo minimizar ou maximizar, pelo menos, um dos parâmetros de saída;conduzir a análise de elementos finitos sobre os conjuntos de valores identificados, e identificar uma escolha de projeto de componente de oleoduto a partir dos resultados da análise de elementos finitos.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente de oleoduto projetado pelo método é um componente de ligação.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o componente de ligação é uma ponte.
4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o componente de ligação é um carretel.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os parâmetros de entrada compreendem uma ou mais tolerâncias de desalinhamento.
6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os parâmetros de entrada compreendem uma ou mais tolerâncias de translação e uma ou mais tolerâncias rotacionais.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os parâmetros de entrada compreendem um ou mais parâmetros de propriedades do solo.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o modelo analítico compreende pelo menos um modelo quadrático.
9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o modelo analítico compreende um modelo quadrático para cada parâmetro de saída.
10. Método, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o modelo analítico compreende apenas os termos que são termos de primeira ou de segunda ordem, constantes, e os termos de interação.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o projeto de experimentos técnicos compreende uma técnica de Box-Behnken, uma técnica de Latin Hypercube ideal ou uma técnica de matriz ortogonal.
12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a identificação de conjuntos de valores para os parâmetros de entrada que minimizam ou maximizam pelo menos um dos parâmetros de saída compreende a iteração de um ciclo de otimização para cada parâmetro de saída que minimiza ou maximiza esse parâmetro de saída.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o circuito de otimização utiliza uma técnica de otimização diferenciável.
14. Sistema de projeto de componente de oleoduto, caracterizado pelo fato de que compreende um aparelho de computação programado para realizar o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13.
15. Método de fabricação de um componente de oleoduto, caracterizado pelo fato de que compreende projetar um componente de oleoduto, conforme o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, ou com o sistema de projeto de componente de oleoduto como definido na reivindicação 14, e fabricar o componente de oleoduto, conforme o projeto de componente de oleoduto identificado.
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