PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES TUBULARES

Transcrição

1 PUC Rio Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Mecânica Laboratório de Integridade Estrutural PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES TUBULARES Jorge Diniz

2 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira Objetivos Avaliar a resistência de espécimes tubulares full scale Sem defeito Com defeito de perdas de espessura Usinados / reais Avaliar a resistência a fadiga de espécimes tubulares Com defeitos - mossas Avaliar o desempenho de reparos estruturais em material composto

3 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira Tubos com defeitos usinados

4 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira Tubos com mossas

5 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira Tubos com reparos por materiais compostos

6 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira VIDEO

7 Laboratório de Integridade Estrutural J.L. Freire e R.D.Vieira Corpo tubular aquisição, especificação Tampos Dimensionamento, soldagem Defeitos Usinagem / Eletro erosão Endentação - mossa Reforços em materiais compostos Controle dimensional Instrumentação

8 Corpo tubular aquisição, especificação Tubos de condução Dutos Normas API Classificação PSL1 Product specification Level 1 PSL 2 Product specification Level 2 Maior rigor na fabricação Controle na composição química Controle na especificação de resistência Requisito de tenacidade

9 Corpo tubular aquisição, especificação Composição química

10 Corpo tubular aquisição, especificação Resistência Mecânica

11 Corpo tubular aquisição, especificação Requisito de tenacidade

12 Corpo tubular aquisição, especificação Matéria prima

13 Corpo tubular aquisição, especificação Matéria prima cilindros de apoio torque placa cilindros de trabalho

14 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura UOE ERW JCO Dobramento helicoidal Sem costura Fundição Extrusão Trefilação Laminador obliquo

15 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura UOE prensagem das bordas dobramento U SOLDAGENS INTERNA E EXTERNA dobramento O expansão

16 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura UOE

17 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura UOE

18 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura ERW

19 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura ERW

20 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura ERW

21 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura JCO Etapas de conformação incremental da chapa no processo JCO. Desenho esquemático de uma calandra piramidal: (a) início do dobramento, (b) término (a) (b)

22 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura JCO

23 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura Dobramento helicoidal β

24 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Com costura Dobramento helicoidal

25 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Fundição

26 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Extrusão

27 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Trefilação

28 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Laminador obliquo roletes mandril mandril

29 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Laminador obliquo

30 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Laminador obliquo

31 Corpo tubular aquisição, especificação Processo de fabricação Sem costura Laminador obliquo

32 Fabricação de tubos API - Inspeção

33 Tampos Dimensionamento, soldagem ASME Seção VIII Divisão 1, UG-34, edição de 2010, onde: t=d i (CP/SE) 1/2, sendo: d i = diâmetro interno do tubo C = fator que depende da conexão entre as partes e das suas dimensões P = pressão de projeto S = tensão admissível do tampo E = eficiência da junta soldada. Exemplo: Tubos com di = 279 mm, P = 70 MPa, C = 0,33, E = 0,6 e S = 320 MPa Tem-se: t = 96,9 mm => foi utilizado tampos com 4 (101,6 mm)

34 Tampos Soldagem MB Metal base tubo original ZF Zona de fusão Solda metal depositado ZTA Zona termicamente afetada - parte do material do tubo que foi afetado pelo calor da solda.

35 Tampos Soldagem Processos Resistência sem metal de adição Eletrodo revestido TIG/Mig/Mag Arco Submerso

36 Tampos Soldagem Processos

37 Tampos Soldagem Consumíveis classe de resistência Classe 60 xx = 60 KPSI (413 MPa) de Su Classe 70 xx = 70 KPSI (482 MPa) de Su Classe 80 xx = 80 KPSI (551 MPa) de Su Soldabilidade % C e C equivalente Especificação de Procedimento de soldagem EPS Especificação de metal base Processo de soldagem Consumível de soldagem Pre, pós e tratamento térmico de alivio de tensões Configuração de chanfro (perfil da solda) Metodos de inspeção

38 Soldagem Tubos e Tampos Produtividade Aporte térmico Energia T Materiais para fabricação de dutos não devem apresentar baixa soldabilidade, visto que sempre haverá solda. Mesmo os dutos sem costura, são soldados em campo. A menos dos tubos utilizados para perfuração (drill pipes) que possuem elevadíssima resistência, e são conectados por elementos roscados. Micro estrutura A micro estrutura resultante do processo de soldagem, deve garantir, no mínimo, valores de resistência mecânica e tenacidade iguais aos mínimos especificados pelas normas. Normalmente o metal de solda apresenta bons valores de resistência, entretanto a ZTA do metal base (duto) pode apresentar fragilização e perda de propriedades devido ao ciclo térmico imposto.

39 Tampos Soldagem

40 Tampos Dimensionamento da soldagem Garganta efetiva - Deve-se considerar a menor área resistente em uma junta soldada. Solda de emenda de tubos Junta de topo = área do tubo Solda do tubo com o tampo Junta em angulo = área do tubo, resistência do tampo Solda do tubo com o tampo com filete de reforço Junta em ângulo Área do tubo < área de solda Filete de reforço tem objetivo de diminuir gradiente de deformações, diminuindo o Kt.

41 Tampos Dimensionamento da soldagem Tensão admissível. Solda de emenda de tubos Junta de topo tracionada Tensão axial adm = 0,6 S y Solda do tubo com o tampo Junta de angulo tracionada Tensão axial adm = 0,6 S y Tensão cisalhante atuante adm = 0,3 S y

42 Tampos Dimensionamento da soldagem Exemplo Tubo de 323 mm de diametro, 22 mm de espessura em aço X60 PSL2. Consumível? X60 S y = 415 a 585 MPa Consumível classe 70xx S y = 393 e S u = 482 MPa não atende Consumível classe 80xx S y = 462 e S u = 551 MPa ok Tensão cisalhante garganta efetiva tensão axial

43 ALGUNS TÓPICOS EM PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS DOS TUBOS D Superfície externa de um tubo cilíndrico de parede fina sob pressão interna sem tampos e não enterrado p X r 0 t D=2r r i p c 2. L F c verticais.t.l p.d.l 0 0 c p.d 2.t

44 Superfície externa de um tubo cilíndrico de parede fina sob pressão interna com tampos e não enterrado D p c l p.d 2t p.d 4t L F horizontais..d.t 0.D p. 4 2 L p.d 4.t

45 Defeitos - Simulados Usinagem / Eletro erosão Objetivos Comparar com metodologias de avaliação de integridade API 579 ASME B31.8 Extender o tempo de operação Processo e geometria dos defeitos Fresagem Arrancamento de material Tensões residuais Influencia nos resultados Eletro erosão Erosão de material Sem ensões residuais Processo lento e caro Formas livres Influencia nos resultados

46 Defeitos - Simulados Eletro erosão Simular um defeito por perda de espessura devido a corrosão Processo análogo à corrosão Usinagem convencional Fratura do material Tensões residuais Alteração do estado de tensões local Eletro erosão Corrosão do material Tensões residuais muito baixas Sem alteração do estado de tensões local

47 Defeitos - Simulados Eletro erosão

48 Defeitos - Simulados Eletro erosão Fotos e Videos

49 Defeitos - Simulados Eletro erosão Fotos e Videos

50 Defeitos - Simulados Mossas Indentações feitas por ferramentas visando simular falhas na instalação Causadas por rochas ou máquinas

51 Defeitos - Simulados Mossas Indentações feitas por ferramentas visando simular falhas na instalação Causadas por rochas ou máquinas

52 Defeitos - Simulados Mossas Re-rounding ou rearedondamento hidraulico Para a geometria desejada video

53 Reforços em materiais compostos Materiais compostos Menor tempo de reparo Menor custo em relação a substituir trecho do duto Composição Fibra vidro / fibra de carbono Embebidas em resina de poliuretano ou epoxy Objetivo do reparo Recuperar a resistência de operação do duto Estática e cíclica (fadiga) Objetivo do projeto de pesquisa Verificar a efetividade do reparo Verificar a resistência dos materiais utilizados Verificar o comportamento do reparo ao longo do tempo deformação aumenta com carregamento constante?

54 Reforços em materiais compostos

55 Reforços em materiais compostos

56 Controle dimensional Atendimento à especificação de projeto do duto Atendimento a especificação de projeto espécime Exatidão do modelo de elementos finitos Exemplos da importância das verificações Ovalização Desalinhamento do defeito Longitudinal transversal Concentricidade Variação de espessura Variação de espessura do defeito

57 Controle dimensional Instrumentos Diâmetros paquímetro Posição - trena Comprimento e largura escala linear Espessuras removida paquímetro Espessuras nominais e residuais ultrassom

58 Instrumentação Objetivo calibrar o modelo numérico

59 Instrumentação Objetivo calibrar o modelo numérico Transdutores de pressão, com aquisição eletrônica Monitorar a pressão interna Sensores de deformação - Pontual Resistencia elétrica e fibra óptica Strain gage resistência elétrica *k = R/R

60 Instrumentação Técnicas experimentais em desenvolvimento Mapa global de deformações Análise Digital de Imagem DIC

61 Instrumentação Técnicas experimentais em desenvolvimento Mapa global de deformações Análise termoelástica de Tensões - TSA

62 Instrumentação Técnicas experimentais em desenvolvimento Shearografia Avaliação de integridade de materiais compósitos Incidência de laser x resposta de pressão Detecção de vazios e/ou pontos sem aderência de resina