Avaliação do comportamento em fratura de risers rígidos

Abstract

O presente trabalho foi desenvolvido em várias etapas envolvendo desde o estudo do desempenho em fadiga de tubos utilizados em risers rígidos até a avaliação do comportamento em fratura dos mesmos. Inicialmente foi desenvolvido um sistema de ensaios de fadiga de tubos por ressonância. Este sistema constava de cabeças de apoio, sendo o tubo submetido a carregamento cíclico por uma massa excêntrica acionada por um motor elétrico. Com este sistema foram realizados ensaios de fadiga em tubos que continham uma emenda produzida por solda helicoidal. Foram testadas duas séries de tubos, sendo uma sem simulação de bobinamento e outra com simulação de bobinamento. Devido ao fato de que os ensaios de fadiga nestes tubos eram interrompidos quando a trinca se tornava passante, alguns tubos foram submetidos a um carregamento em tração até a ruptura. Assim foi possível avaliar a resistência remanescente e com estes dados comparar com aqueles utilizando-se os ensaios a partir da previsão do comportamento em fratura obtida com corpos de prova da mecânica da fratura. Foram, também, ensaiados por tração tubos com defeitos produzidos por usinagem para comparação do comportamento na fratura com aqueles que possuíam defeitos gerados por fadiga. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização de corpos de prova normalizados do tipo SE(B), foram realizados em laboratório, ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova retirados dos tubos. No intuito de avaliar a correspondência de técnicas de simulação numérica foram utilizadas técnicas analíticas por método de elementos finitos para simular o comportamento de trincas em tubos. Estes resultados foram comparados com os obtidos nos ensaios de tração. Também foi realizada a simulação do corpo de prova testado em laboratório com o mesmo objetivo. Foi verificado que o sistema de ensaio sob carregamento cíclico permite a execução de testes de fadiga em tubos. Os tubos testados apresentaram ótimo desempenho em fadiga, sendo os resultados superiores àqueles especificados em norma. Os ensaios de tração nos tubos trincados por fadiga mostram que estes apresentam resistência próxima das do tubo íntegro, mesmo possuindo trinca da ordem de 60 mm de comprimento. Entretanto, os ensaios de laboratório revelaram que os corpos de prova de dimensões reduzidas utilizados para avaliação do comportamento em fratura destes componentes são inadequados. A simulação numérica mostrou-se eficiente na reprodução do comportamento de tubos com trinca não passante e para os corpos de prova de laboratório,não tendo, entretanto, o mesmo sucesso na previsão do comportamento de tubos com trincas passantes.

This work was developed in multiple steps, from the fatigue behavior to fracture evaluation of rigid risers’ pipes. First was developed a resonant fatigue test rig, which consisted of two support heads, with the pipe being submitted to cyclic load by a rotating eccentric mass that was driven by an electric motor. With this rig full-scale fatigue tests were carried out in two sets of middle bias weld pipes. One set was subjected to plastic deformation simulating reeling operation, while the other was not. Since the tests were interrupted when there was a trough the wall crack, some pipes were tested in tension to fracture to evaluate the load capacity of the remaining pipe sections. Pipes with machined defects were also tested, in order to compare their behavior to that of the pipes that had fatigue defects. With the goal of evaluating the possibility of using standard SE(B) specimens, some fracture toughness tests were done in laboratory with specimens extracted from the pipes. In order to evaluate the correspondence of numeric simulation methods to reality, a commercial software was used to simulate the load capacity of the fractured pipe segments and the results were compared with those obtained in the tension to fracture tests. A simulation of the laboratory tested specimen was also done with the same objective. It was evidenced that the resonance fatigue test rig was capable of executing fatigue tests in full-scale pipes. The tested pipes presented good performance under fatigue, being superior to the specified by the standard. The tension to fracture tests done on the cracked pipe segments showed that they have a resistance that is close to that of the non-cracked pipes, even with cracks with lengths of around 60 mm. The laboratory tests proved that the small standard specimens are inadequate to measure the fracture properties of the pipe's material. The numeric simulation showed itself to be efficient in the reproduction of the behavior of pipes with non-trough the wall cracks and of standard specimens, but showed poor agreement with the behavior presented by the pipes with trough-wall cracks.