Emprego de cabos de aço como armadura de tração para a aplicação em dutos flexíveis

Abstract

A necessidade de exploração de petróleo em águas profundas exige o emprego de dutos flexíveis com desempenho em fadiga adequado, sendo as armaduras de tração deste tipo de duto as camadas mais críticas para este tipo de solicitação. Atento a isto, este trabalho mostra o desenvolvimento de um novo conceito de armaduras de tração, que são construídas com cabos de aço. Para avaliar o desempenho dos cabos de aço na armadura tração foi elaborada uma configuração de armadura, com a seleção e aplicação de cabos de aço disponíveis no mercado nacional. Além da caracterização metalúrgica, dimensional e mecânica, foram feitos ensaios de fadiga ao ar e em água do mar sintética no cabo de aço selecionado. Ensaios em fadiga de uma seção da conexão foram feitos para avaliar as características da falha de fadiga, comparando-as com os tendões maciços. Também foi executada uma análise por elementos finitos para avaliar a distribuição de tensões no interior da resina, sendo validada pelo uso de extensômetros no cabo. Foi projetado e construído um duto com a configuração proposta, além das conexões. Este duto foi ensaiado em tração e fadiga e comparado com um duto de referência, em termos de peso, tensões e rigidez axial e a flexão. Os resultados sugerem um grande aumento na vida em fadiga nas conexões e no ambiente com água do mar. Além disso, o duto construído suportou com sucesso todos os modos de carregamento impostos ao duto de referência, superando o número de ciclos deste. As análises de falha indicaram que o duto desenvolvido apresentou o modo de fratura dúctil, enquanto que os ensaios com as seções da conexão indicaram sinais de fadiga em regiões com falha superficial dos fios. A rigidez axial é similar ao do duto de referência e a rigidez a flexão calculada é superior ao do duto de referência devido ao maior diâmetro das camadas das armaduras. Apesar do maior peso do duto desenvolvido, a resistência específica é similar.

The need for oil exploration in deep water requires the use of flexible pipes with better fatigue performance, and the tensile armor of this type of product layers critical for this type of application. Aware of this, this work shows the development of a new concept of tensile reinforcement, which are built with wire ropes. To evaluate the performance of wire ropes in tensile armor, an armor configuration was developed, with the selection and application of steel cables available in the domestic market. Besides metallurgical characterization, dimensional and mechanical fatigue tests were carried out in air and in synthetic sea water on wire rope selected. Fatigue tests on end-fitting section were made to evaluate the characteristics of fatigue failure, compared with the massive tendons. It has also been performed by finite element analysis to evaluate the stress distribution within the resin, being validated by the use of strain on the wire rope. It was designed and constructed a pipeline with the proposed configuration, in addition to connections. This pipeline was tested in tensile and fatigue compared to a reference pipeline in terms of weight, axial and flexural stiffness and axial tension. The results suggest a large increase in fatigue life on end-fitting and the environment with seawater. Furthermore, the flexible pipe developed successfully endure all modes of loading imposed on the reference pipe, surpassing the number of cycles thereof. The failure analysis indicated that the flexible pipe developed showed ductile fracture mode, while the trials with boxes indicated signs of fatigue failure in the regions with the surface of the wires. The axial stiffness is similar to the reference pipeline and the flexural stiffness calculated is higher than the reference product, due to the greater diameter of the layers of armor. Despite the greater weight of the product developed, the specific resistance is similar.