Desenvolvimento de metodologia para análise de tensões em armaduras de tração de dutos flexíveis

Abstract

A integridade estrutural de dutos flexíveis para transporte de petróleo e gás é uma preocupação constante devido ao elevado grau de criticidade deste tipo de componente. Do ponto de vista de resistência mecânica, uma das partes mais importantes que compõem um duto flexível é a armadura de tração, sendo fundamental para a avaliação de seu desempenho em campo o pleno conhecimento de seu estado tensão efetiva atuante. A tensão efetiva é a tensão total que atua na estrutura e é dada pelo somatório da tensão residual e da tensão aplicada. Devido à alta complexidade do processo de fabricação e montagem da armadura de tração o valor da tensão efetiva pode variar bastante dependendo do material e dos parâmetros de produção. Esta é uma informação de extrema relevância e de grande interesse para o setor, visto que, o estado de tensão pré-existente na armadura de tração deve ser levado em consideração na concepção de novos projetos, qualificação de novas linhas ou na avaliação de linhas já existentes visando a extensão de sua vida útil. Este cenário, aliado a ausência de estudos mais completos em avaliação experimental do estado de tensões em dutos flexíveis motivou a realização deste trabalho, cujo objetivo principal foi desenvolver uma metodologia para análise experimental de tensões na armadura de tração de dutos flexíveis. O trabalho está divido em três etapas que são: proposta de metodologia de análise de tensão; validação da metodologia através de ensaios em amostras de escala reduzida submetidas a condições controladas de carregamento; e aplicação da metodologia em amostras de escala real, segmentos de dutos flexíveis retirados de campo. Para o desenvolvimento da análise de tensões foram aplicados o método do furo cego (MFC), difração de raios-X (DRX) e o monitoramento de deformações com uso de extensômetros de resistência elétrica (ERE). Esta metodologia se mostrou eficiente e capaz de determinar de forma distinta os diferentes tipos de tensões atuantes na armadura de tração. O estudo revelou a existência de linhas de dutos flexíveis com diferentes níveis de tensão, em alguns casos com valores na ordem da tensão de escoamento do material.

Structural integrity of flexible pipelines used in oil and gas applications takes relevance due the possibility of occurrence of catastrophic failure. From the point of view of mechanical resistance, the tensile armour is the most important component of this type of structure and the knowledge of its effective stress state is fundamental for a correct evaluation of his operational performance. Effective stress is the total stress acting on the structure or component and is given by the combination of residual and the applied stress in the structure. Due the high complexity fabrication and assembly processes involved in flexible pipe manufacturing, the value of effective stress can vary significantly depending of the material or the production parameters. This is a relevant information and of great interest to the industry, since the preexisting stress acting in the tensile armour layer should be considerate in design of new lines, acceptance of new lines or in the evaluation of lines already in operation, aiming at the extension of its life cycle. This context, coupled with the lack of more complete studies involving experimental evaluation of the stress state in flexible pipelines motivated this work, which has as its main propose to develop a methodology for experimental evaluation of the stress in the tensile armour layer of flexible pipe. This work is divided in three stages: proposal of the stress analysis methodology; validation of the methodology through tests on small scale samples submitted to controlled loading conditions; and application of the methodology in real scale samples removed from flexible pipes which have seen operation. The tests applied in the proposed methodology were the hole drilling method, X-ray diffraction and strain monitoring using electrical resistance extensometers. The developed methodology proved to be efficient and capable of determining the complete stress state acting on the tensile armour layer. The obtained results identified a significant difference between the stress values for each flexible pipe, in some cases values near the yield strength of the material.