Projeto de Risers Flexíveis Fadiga

Transcrição

1 Projeto de Risers Flexíveis Fadiga Carlos Alberto D. de Lemos (Beto) Petrobras/Cenpes/Tec.. Submarina

2 Tubos Flexíveis Bonded Cabos Umbilicais Unbonded

3 Tubos Flexíveis Carcaça Intertravada Barreira de Pressão ou Camada de Estanqueidade Camada de Pressão (zeta) Camadas de Tração Capa externa

4 Fadiga associada ao desgaste nas armaduras de tração Camada de Pressão (zeta) Camadas de Tração

5 Fadiga pura nas armaduras de tração Camadas de Tração Camada Anti-atrito Camada de Pressão (zeta)

6 Fadiga associada ao desgaste da camada de pressão (camada zeta) Camada de Pressão (zeta) Principais pontos de desgaste e concentração de tensões

7 Fadiga associada à corrosão (em serviço ácido ou não) Camada de Pressão (zeta)

8 Fadiga associada à corrosão Camadas de Tração

9 Modos de Falha de Fadiga Fadiga associada ao desgaste nas armaduras de tração; Fadiga pura nas armaduras de tração; Fadiga associada ao desgaste da camada de pressão (camada zeta); Fadiga associada à corrosão (em serviço ácido ou não); Fadiga das camadas poliméricas; e Fadiga nas terminações.

10 FADIGA Fenômeno da ruptura progressiva (ou de acumulação de dano) de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformação. Carregamento não é suficientemente grande para causar a falha imediata. Ao invés disto, a falha ocorre após a ocorrência de um certo número de flutuações do carregamento,, isto é, após o dano acumulado ter atingido um valor crítico.

11 FADIGA falhas localizadas, progressivas e cumulativas problema local,, que depende dos detalhes da geometria, do material e do carregamento do ponto mais solicitado da peça a geração e a propagação da trinca não provocam mudanças evidentes no comportamento da estrutura em geral não há avisos prévios de falha iminente o dano é geralmente restrito à região crítica da peça o processo é lento, gradual e aditivo a gerência estrutural requer inspeções periódicas a detecção da falha é trabalhosa: deve-se localizar o PONTO onde o trincamento está ocorrendo

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15 Falha em tubos flexíveis

16 Histórico 1829 Testes em correntes Meados do século XIX falhas em eixos de trens Entre 1852 e August Wöhler Gráficos de amplitude de tensão x número de ciclos (Diagrama de Wöhler ou Curva S-N) S Entre 1950 e 1960 Manson-Coffin - Método de Análise de Deformações Locais (ou curva ε-n) Mecânica da Fratura Linear Elástica, MFLE, (Regra de Paris)

17 Fenomenologia Típica o trincamento por fadiga é provocado pela repetição das cargas alternadas, e depende da amplitude de variação de tensões a iniciação típica das trincas em peças metálicas é causada pela variação de tensões, que gera a movimentação cíclica de discordâncias que se agrupam em células e formam bandas de deslizamento persistente, as quais levam à geração de intrusões e extrusões na sua superfície pode-se pensar nestes micromecanismos como um problema de plasticidade cíclica localizada

18 Esquema da Fase Inicial do Trincamento por Fadiga

19 Formação de Intrusões e Extrusões (~ 0.1mm) na superfície de uma peça de Ni Puro. Note as Bandas de Deslizamento Persistentes intrusões e extrusões Bandas de deslizamento

20 Crescimento Paulatino de uma Trinca de Fadiga (ciclos)

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22 as ondulações superficiais concêntricas (marcas( de praia) ) e radiais (marcas( de rio) ) são a característica macroscópica mais comum das trincas de fadiga a forma destas marcas, que são visíveis a olho nu, é relacionável ao carregamento indutor da falha a principal característica microscópica das trincas de fadiga é a presença de estrias,, só visíveis num MEV estas são causadas pelo crescimento da trinca a cada ciclo do carregamento, através de um mecanismo de cegamento e afiamento sucessivo da sua ponta

23 marcas de rio (radiais, apontam para o início da trinca) marcas de praia (esta com ~4mm) (concêntricas, partindo do início da trinca)

24 estrias de fadiga vistas num MEV o espaçamento entre as estrias quantifica o crescimento da trinca em cada ciclo de carga a trinca estava se propagando numa taxa de ~ 1µm/ciclo

25 O processo é muito detalhes: influenciado pelos das propriedades mecânicas do material do acabamento superficial do gradiente das tensões atuantes do estado de tensões residuais presente junto à da superfície da raiz do entalhe (nucleador( nucleador)

26 Métodos de Dimensionamento à Fadiga As metodologias tradicionais de projeto à fadiga podem ser divididas em três grupos: Método S-N S N ou de Wöhler Método de Mason Coffin (ε-n) Mecânica da Fratura Linear elástica Elastoplástica

27 como regra geral, o método SN só deve ser aplicado quando as máximas tensões atuantes nos pontos críticos da peça forem menores que a resistência ao escoamento cíclico do material, já que a análise de tensões usada neste método é linear elástica! ao contrário do εn, o SN não considera de forma explícita os efeitos plásticos cíclicos eventualmente presentes nas raízes dos entalhes e, como aquele, não reconhece a presença de trincas logo, o método SN só é apropriado às previsões das vidas longas (de iniciação de trincas de fadiga)

28 entretanto, o método S-N S N é simples e possui uma série de vantagens,, que o tornam confiável na maioria dos casos práticos de dimensionamento mecânico à fadiga: conta com um vastíssimo banco de dados há uma grande experiência acumulada com seu uso preserva o princípio da superposição é computacionalmente muito mais simples e rápido que o ε-n pode ser sintetizado numa única equação de projeto, que engloba todas as informações necessárias

29 Idéias Básicas foram propostas por Wöhler há quase 150 anos os (complexos) detalhes da fenomenologia e da micromecânica da iniciação e da propagação das trincas por fadiga não são estudados (o método SN não reconhece a presença das trincas) para se quantificar os efeitos globais do processo, comparam-se as tensões atuantes no ponto crítico com a resistência à fadiga do material da peça a resistência à fadiga é medida através de testes de pequenos corpos de prova não trincados

30 Rotina de Dimensionamento Avaliar a resistência à fadiga a resistência à fadiga depende das propriedades do material e dos detalhes do ponto crítico da peça. O ideal é testar a peça sob cargas reais de trabalho mas, como isto raramente é possível, em geral é necessário estimar-se se a sua resistência à fadiga:

31 a resistência à fadiga S f não é uma constante do material mas sim uma função não-linear de N, o número de ciclos de vida à fadiga: S = S (N) f f a vida à fadiga decresce muito com o aumento da solicitação, seguindo freqüentemente uma função parabólica: NS b = c aços e alguns outros materiais podem apresentar um limite de fadiga (S e ) tal que solicitações menores que este limite não causam dano à peça (pode-se projetar para vida infinita) O limite de fadigados aços em geral está entre 10 6 e 10 7 ciclos outros materiais podem não apresentar este limite bem definido

32 Curva SN Típica, com Limite de Fadiga S e S u /2

33 Caracterização dos Materiais Log σ No ar N( σ) 6 =Const. Em meio corrosivo Log N

34 Influência da Tensão Média Diagrama de Haigh N = Constante para todosospontos Compressão média Tração média

35 Influência da Tensão Média Diagrama de Haigh Tensão Alternada Tensão média Linhas de vida constante

36 Influência da Tensão Média

37 Carregamentos Multiaxiais Aplicação de conceitos de tensão equivalente (von( Mises ou Tresca) Aplicação de critério proposto por Sines eq a ( ) 2 σ σ σ ( σ ) 2 σ = + 1 a 1 a 2 a 2 a σ = + + σ σ σ 1 eq m m 2 m 3 m

38 Dano Acumulado Dano = perda parcial da funcionalidade d = 0 peça a virgem, 0 dano 1, d = 1 falha dano em fadiga é cumulativo e irreversível vel (a menos que se remova mecanicamente o material afetado) em geral, os carregamentos reais são complexos, isto é, podem variar aleatoriamente no tempo cada evento σ ai σ mi de um carregamento complexo causa um dano d i, que gasta parte da vida da peça

39 Dano Acumulado Linear de Miner D = n N n N 1 2 = 1 + N n 2 1 D = k i= 1 n i N i

40 Procedimento de Projeto de Fadiga em Risers Flexíveis Normas aplicáveis Características do fluido interno (serviço ácido) Definição de família de materiais Curva S-NS Características Ambientais e da Unidade de Produção Análises Dinâmicas Cálculo de Tensões e Desgaste Cálculo de Fadiga Testes

41 Caracterização dos Materiais

42 Análises Dinâmicas Análise no domínio do tempo Não linearidades Carregamento Hidrodinâmico Contato com fundo Análise no domínio da freqüência Linearização do carregamento hidrodinâmico Possibilidade de se obter uma função de transferência Determinação do limite de aplicabilidade Mar regular ou análise determinística (onda de projeto) Mar irregular ou análise estocástica (tempestade de projeto) Tempestade de projeto (maior carregamento maior resposta) Estatística de longo prazo Análise de desprendimento de vórtices (VIV) Análise acoplada ou individual

43 Normas de Análise de Fadiga Normas falhas sobre critérios de projeto e procedimentos de análise Fatores de segurança ISO ( ) 2) e API (17J) vida à fadiga 10 vezes a vida útil Petrobras depende do risco Óleo e gás 10 vezes Água e umbilicais 3 vezes

44 Condições ambientais Dados medidos em campo (Diagrama de Dispersão de Onda - Espectro de onda)

45 Condições ambientais Procedimento dos Fabricantes Onda individual

46 Resposta da embarcação Pitch (m/m) Aproamento Período (s)

47 Resposta da embarcação condições conjuntas % 40% 30% 135 Calado (m) 1 o Pico de Onda em Relação ao Navio (graus) º ,86 7,01 17,35 25,09 38,91 9,51 0,05 1, ,48 6,59 15,99 27,50 38,20 9,61 0,05 0, ,48 5,11 17,80 28,15 37,20 9,62 0,05 0,59 9 1,95 3,22 19,00 30,29 35,60 9,84 0,05 0,06 Média Ponderada 1,45 5,60 17,33 27,78 37,55 9,64 0,05 0,61 20% 10% 270 0% Direção da onda 1 o Pico de Onda em Relação ao Navio (graus) - RAO º N 1,87% 6,66% NE 26,64% 1,23% E 11,35% 5,31% 0,02% SE 0,03% 2,96% 9,93% 0,14% S 0,02% 6,46% 12,68% 1,46% 1,67% 1,06% SW 0,84% 0,51% 1,71% 2,34% 3,29% 0,55% 0,05% 1,23% 0

48 Análise de Tensões Fadiga devido à variação de tração e flexão Definição da teoria para análise de flexão Geodésica (movimento sem atrito) Loxodrômica (movimento com atrito) Elementos finitos ou cálculo racional por fórmulas de resistência dos materiais

49 Cálculo do Desgaste Definição de coeficientes de atrito e desgaste Cálculo do deslocamento relativo Geodésica interna Hélice interna Deslocamento transversal (mm) Deslocamento axial (mm) Hélice externa Geodésica externa

50 Cálculo de Fadiga Diagrama de Haigh Tensão Alternada Tensão média Linhas de vida constante

51 Testes de Fadiga Testes de fadiga por flexão na região de topo - horizontal

52 Testes de Fadiga Testes de fadiga por flexão na região de topo - vertical

53 Testes de Fadiga Teste de fadiga por flexão na região da corcova

54 Testes de Fadiga Teste de fadiga rotacional

55 Testes de Fadiga Teste Tração-Tração (fadiga interna no end fitting)

56 Testes de Fadiga Teste de Fadiga na Roda de lançamento

57 Testes de Fadiga Teste de Fadiga com VIV

58 Testes de Fadiga Teste de Fadiga com VIV

59 Teste de Vida à Fadiga NEO - COPPE

60 20 m Teste de Fadiga da COPPE - NEO Amostra 12 m Estrutura metálica 4,0 x 5,0 m (base) por 20,4 m Atuadores hidráulicos: Capacidade de tração de até 250 ton.. Curso máximo de 1,0m. Flexão: dois cilindros de 100 ton. Curso máximo de 750mm. Unidade de pressurização da amostra: Pressão interna da amostra de até psi. Mesa de rotação: Variação angular de 15 até + 35 graus. Sistemas de Instrumentação, controle, segurança e aquisição de dados

61 Necessidade de trabalhar junto aos fornecedores para melhor definição de procedimentos e crtérios de projeto Melhor definicão em normas internacionais Necessidade continuar a execução de testes de fadiga com objetivo de definição de vida à fadiga (não somente vida útil) Modos de falha ainda não completamente conhecidos Apesar das limitações e desconhecimentos o procedimento de cálculo à fadiga ainda é conservativo

62 Análise de Fadiga Obrigado Carlos Alberto D. de Lemos Petrobras/Cenpes/Tec.. Submarina