Influência da restrição de deslocamento axial na pressão de ruptura de dutos sob efeito térmico

Abstract

Dutos enterrados constituem um dos principais meios de transporte de petróleo, gás natural e seus derivados. Em dutos que operam com fluidos aquecidos, a restrição da expansão térmica longitudinal imposta pelo solo gera esforços axiais adicionais que podem reduzir a resistência residual de componentes contendo defeitos de perda de espessura por corrosão. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo avaliar a influência da temperatura operacional na pressão de falha de dutos submetidos à restrição axial. Para isso, foi realizada uma campanha experimental composta por 16 ensaios de ruptura em tubos API 5L Grau B, sendo oito ensaios em temperatura ambiente e oito sob aquecimento com restrição axial. Os resultados experimentais foram comparados com as previsões obtidas pelos procedimentos analíticos das normas DNV RP-F101 e API 579-1 e, posteriormente, com modelos numéricos desenvolvidos por elementos finitos para reproduzir as condições experimentais. Os resultados demonstraram que a elevação da temperatura reduz a pressão de falha dos dutos avaliados, sendo essa influência dependente da geometria do defeito. As metodologias analíticas forneceram estimativas conservadoras e reproduziram a tendência de redução da resistência residual na condição aquecida, enquanto os modelos numéricos apresentaram boa concordância com os resultados experimentais. As análises também evidenciaram que a profundidade do defeito exerce a maior influência sobre a redução da resistência residual, seguida pelo comprimento, enquanto a largura apresentou efeito menos pronunciado. A integração entre ensaios experimentais, procedimentos analíticos e modelagem numérica permitiu uma avaliação abrangente da influência da temperatura na pressão de falha e na integridade estrutural de dutos contendo defeitos de perda de espessura submetidos à restrição axial, fornecendo subsídios para futuras avaliações de integridade estrutural.

Buried pipelines are one of the primary means of transporting oil, natural gas, and their derivatives. In pipelines operating with heated fluids, the longitudinal thermal expansion restrained by the surrounding soil generates additional axial stresses that may reduce the residual strength of components containing corrosion-induced wall-thickness loss defects. In this context, the present study aimed to evaluate the influence of operating temperature on the failure pressure of axially restrained pipelines. An experimental campaign consisting of sixteen full-scale burst tests on API 5L Grade B pipes was conducted, including eight tests at ambient temperature and eight under heating with axial restraint. The experimental results were compared with the analytical predictions obtained using the DNV RP-F101 and API 579-1 assessment procedures and subsequently with finite element models developed to reproduce the experimental conditions. The results showed that increasing temperature reduces the failure pressure of the evaluated pipelines, with this effect depending on the defect geometry. The analytical procedures provided conservative failure pressure estimates and successfully reproduced the trend of reduced residual strength under heated conditions, whereas the finite element models showed good agreement with the experimental results. The analyses also demonstrated that defect depth has the greatest influence on residual strength reduction, followed by defect length, while defect width has a less pronounced effect on failure pressure. The integration of experimental testing, analytical assessment procedures, and finite element modeling provided a comprehensive evaluation of the influence of operating temperature on the failure pressure and structural integrity of pipelines containing wall-thickness loss defects subjected to axial restraint, providing valuable support for future fitness-for-service assessments.