Aspectos Técnicos da Integridade Estrutural. J.L.F.Freire

Transcrição

1 Apecto Técnico da Integridade Etrutural

2 1 - INTROUÇÃO À ANÁLISE E INTEGRIAE

3 11 INTROUÇÃO onidera-e que uma etrutura etá íntegra quando ela pode uportar o carregamento de operação e tete com uma probabilidade mínima de falha durante o tempo que e pretende operá-la A falha impede que o componente, máquina, equipamento ou etrutura eerça ua função etrutural A falha podem er catatrófica e não catatrófica efine-e como falha catatrófica aquela que ocorre em avio prévio e envolve grande parte da etrutura A falha não catatrófica é previível e geralmente envolve grande deformaçõe plática, empeno pronunciado, trinca que e propagam por grande etenõe durante um tempo grande e ão capae de erem monitorada

4 Tipo de falha etrutural Intabilidade elática eformação elática eceiva eformação plática eceiva Ruptura por tração ubequente à deformação plática eceiva Falha por acumulação progreiva de dano Falha por tranformação microetrutural progreiva Fratura catatrófica aracterítica da falha e mecanimo de dano Flambagem, catatrófica Não catatrófica, gera mau funcionamento Limite de ecoamento é ultrapaado aua mau funcionamento, empeno, etricção, rótula plática Provoca vaamento bruco por perda de contenção Propagação de trinca ou perda de material no tempo Fadiga, Fluência, egate, Eroão, orroão (vária forma) Pode culminar em perda de contenção (vaamento), em ruptura por tração em ou com grande deformaçõe plática Também pode originar intabilidade elática devido à perda progreiva de material da eção reitente Grafitiação, eferoidiação, fae igma, decarbonetação, etc Aparência frágil, iniciação não perceptível

5 Variávei tenão, deformação e reitência Variável Tenão,, t, tre Qualificação e dependência epende de carregamento e geometria eformação, e, train epende de carregamento, geometria, da propriedade elática e plática do material e da hitória do carregamento Reitência, S, trength epende do material, de ua microetrutura, de tenõe reiduai, acabamento uperficial, tipo de carregamento, etado triaiai, influência do meio, da velocidade do carregamento, temperatura, tempo de epoição e da hitória de operação e carregamento

6 Para não haver uma falha etrutural Para que uma falha não ocorra, a reitência ou capacidade deve er empre maior que a tenão ou demanda Ito é válido para: critério de projeto para o componente novo e critério de aceitação em análie de adequação ao uo para componente que já apreentam deterioração ou perda parcial da ua capacidade apacidade, ou 1 Re itência, S 1, S, emanda Tenão Nete capítulo erão tratado aunto referente à comparaçõe entre tenão e reitência e que envolvem o Fator de Segurança, a Probabilidade de Falha, a onfiabilidade e o Fator de Reitência Remanecente 006

7 A propriedade mecânica do materiai etruturai, tai como a reitência ao ecoamento (S), à tração (Su) e à fadiga (Se), admitem incertea de medição e previão A incertea, que eitem na determinaçõe da tenõe e reitência, no critério de reitência e no modelo matemático uado para decrever o comportamento de uma etrutura, jutificam a utiliação do Fator de Segurança 006

8 1 Fator de Segurança O Fator de Segurança é definido pela raão entre dua variávei genericamente chamada de reitência, S, e tenão,, que deverão etar aociada ao proceo de falha que e deeja evitar e à adoção de um determinado critério de reitência FS S σ Eemplo: projeto de duto critério da máima tenão cialhante σ p p t t SYS F E

9 13 ANÁLISE E INERTEZAS Adição de variávei: É poível uar-e o valore da incertea deta variávei para repreentarem eu devio padrõe e também uar-e o cálculo de incertea para prever devio padrõe de outra variávei av av av n n n e

10 Produto de variávei: = 0 av av av av c c c c

11 1 1,), (,), ( álculo de δ para uma função complea: =( 1, )

12 Eemplo P Barra ob tração P d P A P d A A 4 P A P d Barra ob fleão 4 d d d I 3 I 64 d p Tubo ob preão interna p t p p t t

13 Eemplo: cálculo da incertea para a tenão atuante numa barra ob fleão L P b h P, L, b, h P 10 N 1% L mm b mm h 005 mm S 40 Pa 5%

14 14 itribuição Normal ou Gauiana ecreve bem a etatítica de muito fenômeno contínuo e imétrico em relação à média: - mediçõe repetida em metrologia - reitência (S, S u, durea, etc) de um memo lote - dimenão da peça de um lote de produção - propriedade fíica como altura ou peo - degate de peça ob condiçõe imilare N p, 1 ep P a b p b a d

15 1 01 ep p, N itribuição Normal Padrão 1 1 n i i oeficiente de variação: evio padrão:

16 urva Normal Padrão P() 1 P Valore de P(-)=1-P() para a curva Gauiana

17 dnorm(, 0, 1) pnorm(, 0, 1) pnorm(, 0, 1) P() P() P() P() e-3 610e e e-3 555e e e e e e e-4 36e e e-4 735e e e e e e-1

18 Eemplo: Quantificação para a Análie de Incertea Incertea: indica uma faia de valore entre o quai deverá etar o valor verdadeiro da variável de interee Eemplo: Pa δ ou δ 450 8% Pa S u É poível uar o valore da incertea de uma variável para repreentar o eu devio padrão S u n n n n P

19 15 Probabilidade de Falha Admite-e que S e pertençam a ditribuiçõe etatítica com média S e σ e devio padrõe S e efine-e então uma nova variável chamada margem, m : m S σ Ocorrerá uma falha e m 0 Pf P m 0 Pm R m 0 1 Pm 1 Pf 1 P

20 Influência da diperõe da ditribuiçõe de e S na probabilidade de falha

21 Eemplo 1: Para o elemento novo de torre de tranmião imilare eitem etatítica que motram o eguinte: elemento crítico: barra F6 carregamento na barra F6: N ( 0 kn, 31 kn) reitência da barra F6: N (33 kn, 68 kn) Sem coniderar o efeito de envelhecimento da barra (e: perda de epeura por corroão), calcular ua probabilidade de falha

22 Eemplo 1: Para o elemento novo de torre de tranmião imilare eitem etatítica que motram o eguinte: elemento crítico: barra F6 carregamento na barra F6: N ( 0 kn, 31 kn) reitência da barra F6: N (33 kn, 68 kn) Sem coniderar o efeito de envelhecimento da barra (e: perda de epeura por corroão), calcular ua probabilidade de falha av 33 av 0 av av av av pnorm( 0, av, ) av 1378 pnorm( 1378, 0, 1) 0084

23 Eemplo : oniderando que um carregamento trativo F é aplicado a uma barra circular com diâmetro d e que o material da barra foi enaiado à tração determinar: probabilidade de falha confiabilidade F = N (10 5 N, 10 4 N) d = N (0mm, 01mm) S = N (5366 Pa, 419 Pa)

24 Fav 10 5 F 10 4 dav 0 Fav av A A 4 dav d 01 av F Fav d dav av 3199 Sav 5366 S 419 mav Sav av m S ( m) m mav m pnorm( ( 0), 0, 1) ou mav 189 m 5716 ( 0) 4141 pnorm( 0, mav, m)

25 Eemplo 3: Plotar a ditribuição de denidade padrão N(0,1) e ua curva de probabilidade acumulada, repectivamente dnorm(,0,1) e pnorm(,0,1) eterminar a variável padrão 0 tal que a probabilidade de < 0 é igual a 10% 5, dnorm(, 0, 1) pnorm(, 0, 1) qnorm( 010, 0, 1)

26 Eemplo 4: oniderando o reultado do enaio de tração de corpo de prova etraído de tubo API 5L X60 que etão fornecido na Tabela ao lado: orpo de Prova S (Pa) Su (Pa) Qual a probabilidade de S er menor que 446 Pa? P P S S 446 N( 45713, 5 ) S Sav P P % pnorm( 0815, 0, 1) 008 pnorm( 446, 457, 135) 008 Valor médio, Sav evio padrão oef Variação cv 9% 4%

27 4 Qual a probabilidade de S er menor que SYS? SYS P P S S N( 45713, 5 ) S Sav 359 P P % pnorm( 359, 0, 1) pnorm( 413, 457, 135)

28 Eemplo: vao de preão cilíndrico de parede fina: Tenão equivalente egundo o critério de Treca: Variável margem m contra ruptura: e Probabilidade de Falha: etc p, p p t p t p t p σ S m u u S m m m P m P PoF 0

29 Evolução da Probabilidade de Falha A probabilidade de falha poderá mudar com o tempo cao atue um mecanimo de dano que altere uma ou mai variávei do proceo Eemplo: Vao de preão de parede fina ofrendo corroão interna uniforme na ua parede metálica om a diminuição da epeura e aumento da tenão equivalente egundo o critério de Treca, a margem m para o colapo plático, coniderando um defeito muito longo erá: m S u σ S u p t a r r = taa de corroão anual a = tempo em ano

30 - AEQUAÇÃO AO USO

31 O termo, Adequação ao Uo, é uado como tradução do termo Fitne-For-Purpoe, objeto da recomendação API RP 579 Recomended Practice for Fitne-For-Service Veremo tema relativo a capítulo da API 579, tai como procedimento para avaliação de integridade de componente etruturai e equipamento que poam etar ubmetido à: Poibilidade de ocorrerem falha frágei Perda uniforme, localiada e pitiforme de epeura evio de forma, e empolamento por hidrogênio Trinca Fluência Fadiga Um proceo de avaliação de integridade etrutural conite de um conjunto de atividade para analiar a deterioração de uma etrutura e analiar a poibilidade deta continuar funcionando de forma egura A AIE uualmente requer um conjunto de açõe e conhecimento interdiciplinare que conitem de: 1 onhecimento do mecanimo de dano e do comportamento do material onhecimento da condiçõe de operação paada e futura 3 Identificação do mecanimo de dano, detecção, localiação e quantificação do defeito, geralmente atravé de enaio não detrutivo (EN) 4 Propriedade do materiai envolvido e a influência do meio ambiente 5 Análie de tenõe 6 Análie de reitência

32 O procedimento de avaliação deenvolvido para cada tipo de defeito ou mecanimo de dano eguem uma mema eqüência, que etá fornecida abaio: 1 Identificação do mecanimo de dano e do defeito Aplicabilidade e limitaçõe do método de avaliação Trê nívei de aprofundamento 3 ado neceário para a avaliação 4 étodo e critério de avaliação e aceitação 5 álculo da vida remanecente ou de nova condiçõe de trabalho, poivelmente em conjunto com um plano de inpeção 6 étodo de remediação e reparo 7 onitoração em erviço 8 ocumentação incluindo memória de cálculo

33 Nível 1 é indicado para avaliaçõe conervadora e do tipo paa não paa Ua dado nominai e o fato que o equipamento, componente ou etrutura foi projetado egundo um código internacionalmente reconhecido ao a avaliação reprove a continuação da operação na condiçõe deejada, pode-e paar ao nível eguinte Nível é uma avaliação mai detalhada, principalmente na atividade de cálculo de tenõe Nível 3 é uma avaliação muito detalhada onde dado epecífico, reai e atuai ão neceário álculo numérico de tenõe ou memo análie eperimental erão utiliada com um peo maior N N Nível 1 ritério OK? N Nível ritério OK? Nível 3 ritério OK? S S S Operar e etabelecer período para nova inpeção ou AIE ecião obre reparo ou troca S iminuir olicitaçã o S N

34 O método de avaliação uado na recomendação API 579 uam um ou mai de um do critério de aceitação decrito a eguir Tenão ou Valor Admiível: é baeado no cálculo de tenõe atuante reultante de diferente condiçõe de carregamento, claificação e uperpoição da tenõe, e comparação da tenõe calculada com uma valor admiível de tenão FA, Failure Aement iagram, ou diagrama para avaliação de falha, é uado para tratar componente que têm defeito tipo trinca Para ete componente ão uada dua avaliaçõe limite, falha frágil a partir do que ocorre na ponta ou rai da trinca - cao típico de um material frágil - ou colapo plático, que conidera o egotamento de platicidade da eção reduida - cao típico de um material que poui grande tenacidade à fratura RSF, Remaining Strength Factor, ou fator de reitência remanecente: é a raão entre a reitência à falha determinada para o elemento com defeito e o elemento em defeito Uando eta definição, o critério de aceitação podem er etabelecido uando fórmula de projeto do código tradicionai, análie elática de tenõe ou análie elato-plática

35 Tenão ou Valor Admiível e uma forma geral, dua conideraçõe ão uada: Uma compara eforço ou tenõe em ponto crítico com valore limite de reitência dete ponto A outra leva em conta conideraçõe geométrica limite (por eemplo, uma epeura mínima para que a corroão não provoque um furo na parede de contenção e aim provoque um vaamento, em que a tenão no ponto poa er coniderada relevante) Tenão ou emanda, : Reitência ou apacidade, eterminação: numérica, eperimental, analítica, dado empírico ritério de aceitação determinítico, etocático ado do material, determinação: numérica, eperimental, analítica, dado empírico

36 FA, Failure Aement iagram, ou diagrama para avaliação de falha, é uado para tratar componente que têm defeito tipo trinca Para ete componente ão uada dua avaliaçõe limite, falha frágil a partir do que ocorre na ponta ou rai da trinca - cao típico de um material frágil - ou colapo plático, que conidera o egotamento de platicidade da eção reduida - cao típico de um material que poui grande tenacidade à fratura Fator de intenificação de tenão, FIT, K I Tenacidade à fratura, K AT imenõe da trinca K r = K I /K AT Falha frágil Região de reprovação odo de falha mito Análie de tenõe Região de aprovação Tenão de referência, ref L r = ref /S olapo plático Reitência ao ecoamento, S

37 RSF, remaining trength factor, ou fator de reitência remanecente: é a raão entre a reitência à falha determinada para o elemento com defeito e o elemento em defeito Uando eta definição, o critério de aceitação podem er etabelecido uando fórmula de projeto do código tradicionai, análie elática de tenõe ou análie elato-plática RSF AWP AWP r r L L U AWP AWP RSF RSF a e e RSF RSF RSF RSF a a r = rated L = carga limite ou de colapo plático do componente com defeito LU = carga limite ou de colapo plático do componente em defeito AWP = máima preão de operação admiível, determinada pelo código de projeto AWPr = máima preão de operação admiível para o componente com defeito RSFa = valor admiível para o RSF, geralmente igual a 090 OBS: eve-e notar que a AWPr erá determinada levando-e em conideração o fatore de egurança eitente no código de projeto, já que no eu cálculo ete fatore faem parte da AWP original do componente

38 Fator de Reitência Remanecente RSF L L U onidera a raão entre a carga limite que cauam o colapo do componente com e em defeito RSF AWP AWP r r L L U AWP AWP RSF RSF a e e RSF RSF RSF RSF a a

39 Aplicação do RSF a duto com reparo RSF R L R L U AOP AOP Rr Rr AOP AOP RSF RSF R a e e RSF RSF R R RSF RSF a a

40 Reumo: FS, POF, R e RSF apacidade (componente em dano) emanda (componente em dano) argem ritério de falha Fator de egurança Probabilidade de Falha onfiabilidade FS, PoF, R, RSF =-<0 FS=/ POF=P(<0) R=P(>0)= 1-POF apacidade recalculada apó o dano emanda poível apó dano Fator de reitência remanecente ondição de adequação ao uo Fator de egurança apó o dano e cálculo de e argem apó dano RFS= /= / já que para manter memo FS tem-e FS = / =( /) FS = / ondição de adequação ao uo / =/FS =FS = - =RSF(-)=RSF POF apó dano e correção da demanda POF =P( - )=P( <0)= P( )=P( )= P(<0)=POF

41 0 0 0 PoF PoF PoF PoF RSF RSF RSF RSF RSF RSF uo ao Adequação RSF PoF PoF Reumo: FS, POF, R e RSF Válido e coeficiente de variação de e e e permanecerem o memo, ito é: RSF RSF cov cov cov cov