Utilização do método dos elementos finitos para análise da concentração de tensão em pites de corrosão discretizados

Abstract

O objetivo deste trabalho consiste em analisar a concentração de tensão gerada por pites em arames de tração de dutos flexíveis quando estes são submetidos a meio corrosivo específico. As amostras utilizadas foram aços de alta resistência, acondicionadas em vaso de pressão com água do mar sintética saturada em gás carbônico (CO2), a fim de se criar um ambiente corrosivo devido à interação dos mesmos. A caracterização dos pites foi realizada via interferometria óptica. Os dados gerados formam um gráfico correlacionando as medidas de comprimento e profundidade de pite. Para gerar a malha e obter uma convergência dos resultados na análise via Método dos Elementos Finitos (MEF), um filtro matemático foi desenvolvido para diminuir o número de pontos da curva, a fim de se gerar uma suavização do perfil medido. Modelos numéricos foram realizados no software ABAQUS®, a fim de se analisar o fator de concentração de tensão (Kt) em pites via MEF. Para os modelos com pites elipsoidais, utilizou-se apenas a profundidade (a) e o comprimento (2c) medidos via interferometria óptica para simplificação do pite. Para os modelos com pites discretizados, utilizou-se o perfil medido via interferometria óptica ao final tratamento de dados. Foram analisados 4 pites de 3 geometrias representativas, tomando como base a razão de aspecto (a/2c). Os grupos 1, 2 e 3 apresentaram a/2c de, respectivamente, 0,18 ± 0,01; 0,25 ± 0,01 e 0,30 ± 0,02. Os dados obtidos foram tratados e o parâmetro a/2c foi mantido igual ao valor medido. Modelos elipsoidais mostraram valores similares ao se comparar com modelos analíticos, de forma a validar a metodologia empregada. Uma equação foi proposta correlacionando o parâmetro a/2c dos pites medidos com o Kt encontrado através dos modelos elipsoidais. Verificou-se um único possível sítio de nucleação de trincas para os modelos elipsoidais, o qual engloba a máxima profundidade dos pites. Modelos discretizados mostraram um aumento considerável no valor de Kt ao se comparar com os modelos elipsoidais, estando este entre 54,7% e 163,0%. Verificou-se diversos possíveis sítios de nucleação de trincas para os modelos discretizados, os quais englobam a máxima profundidade dos pites e regiões próximas a pites secundários. Maiores áreas superficial e subsuperficial e um maior valor de Kt foram identificados nos possíveis sítios de nucleação de trincas dos modelos discretizados ao se comparar com modelos elipsoidais, podendo facilitar a nucleação de trincas.

The aim of this work is to analyze the stress concentration generated by pits in tensile armor wires of flexible risers when they are subjected to a specific corrosive environment. The samples used were high-strength steels, conditioned in a pressure vessel with synthetic seawater saturated in carbon dioxide (CO2) in order to create a corrosive environment due to their interaction. The pits were characterized by optical interferometry. The data generated form a graph correlating the pit length and depth measurements. To generate the mesh and to obtain the results of convergence in Finite Element Method (FEM) analysis, a mathematical filter was developed to decrease the curve number of points in order to generate a smoothing of the measured profile. Numerical models were carried out in the software ABAQUS® in order to analyze the stress concentration factor (Kt) in pits by FEM. For the models with ellipsoidal pits, only the depth (a) and the length (2c) measured by optical interferometry were used to simplify the pit. For the models with discretized pits, the profile measured by optical interferometry was used after data processing. Four pits of 3 representative geometries were analyzed, taking the aspect ratio (a/2c) as a basis. Groups 1, 2, and 3 presented a/2c of, respectively, 0.18 ± 0.01, 0.25 ± 0.01, and 0.30 ± 0.02. The data obtained were processed, and the a/2c parameter was kept equal to the measured value. Ellipsoidal models showed similar values when compared to analytical models, validating the methodology used. An equation was proposed correlating the a/2c parameter of the measured pits with the Kt found through the ellipsoidal models. A single possible crack nucleation site was found for the ellipsoidal models, which enclose the maximum pit depth. Discretized models showed a considerable increase in the value of Kt when compared to the ellipsoidal models, which was between 54.7% and 163.0%. Several possible crack nucleation sites were found for the discretized models, which enclose the maximum pit depth and regions close to secondary pits. Larger surface and subsurface areas and a higher value of Kt were identified in the possible crack nucleation sites of the discretized models when compared to ellipsoidal models, which may facilitate crack nucleation.