Análise por elementos finitos do uso de arames pré-tensionados para reparo de dutos

Abstract

O presente trabalho teve como objetivo criar um modelo em elementos finitos que simulasse o comportamento de um duto quando submetido a um reparo com arame pré-tensionado e, com o modelo, analisar diferentes variáveis. O trabalho utilizou um método analítico encontrado na norma ASME Divisão 3 Seção VIII artigo KD-9. Foram analisados dois modelos em elementos finitos, que se diferem pela aplicação da pré-tensão no arame, um utiliza variação de temperatura no arame, e o outro utiliza deslocamento prescrito no arame. Para a realização do modelo com variação de temperatura no arame, utilizou-se o trabalho de Alegre et al., (2008). Verificou-se que o modelo numérico que apresentou maior precisão comparado com o modelo analítico, foi o de variação de temperatura. Com a validação do modelo numérico, é possível explorar diversas situações de reparos. Na segunda etapa do trabalho realizou-se uma análise mais completa do comportamento do tubo quando aplicado o reparo, observando o efeito de borda presente no sistema. Verificado o prejuízo desse efeito no tubo, foram procuradas alternativas de reparo para minimizá-lo. Algumas configurações foram estudadas e constatou-se que é possível minimizar a concentração de tensão provocada pelo reparo. A principal sugestão é aplicar mais camadas de arame, tendo a camada superior um menor comprimento que a camada inferior. Dessa forma aumenta-se o intervalo do gradiente de tensão que ocorre no reparo, diminuindo os danos de flexão e concentração de tensão.

The present study has the objective of creating a model in finite elements method that simulates the behavior of a pipeline when submitted to a repair with a prestressed wire and with this model analyze different variables. The study utilized an analytical method found in the ASME standard, division 3 section VIII article KD-9. There were analyzed two model in finite element analysis that differ by the type of prestressed applied to the wire, one is based on the change of temperature in the wire and the other in prescribed displacement. For the temperature change model the work of Alegre et al., (2008), was used. It was verified that the temperature change numeric model was the one to show the greater precision when compared with the analytical model. With this numeric model validated it is possible to explore several repair situations. On the second stage of the study, a more complete analysis was made of the pipe when the repair is applied, observing the border effect present in the system. Verified the harm of this effect in the pipe, repair alternatives were search to minimize this effect. Some configurations were studied and it has been found that it is possible to minimize the stress accumulation caused by the repair. The main suggestion is to apply more layer of wire, with the upper layer with a smaller length than the lower layer. This way, the stress gradient distance in the repair is increased, reducing the damages caused by flexure and stress accumulation.