Análise estrutural de tubulações com revestimento polimérico através de suas propriedades elastodinâmicas

Abstract

Na indústria de petróleo offshore é comum o uso de tubos com camadas internas de aço anticorrosivo, mecanicamente ou metalurgicamente unidas com a parte interna de aço, ou com uma camada externa construída com um material polimérico para mitigar cargas de impacto durante sua vida util. É útil conhecer a interação entre as diferentes partes desses tubos para entender seu comportamento mecânico em condições distintas e monitorar sua integridade usando alguns métodos não destrutivos como os baseados na propagação de ondas como emissão acústica e ultrassom. No presente contexto, estuda-se a configuração de um tubo de aço com revestimento externo polimérico, computando-se o gráfico da curva de dispersão que caracteriza sua resposta elastodinâmica. Duas metodologias numéricas são utilizadas para construir as curvas de dispersão, ambas implementadas nos pacotes de elementos finitos comerciais usuais, sendo a primeira baseada na análise modal de um modelo axissimétrico e a outra realizada utilizando condições de contorno periódicas sobre um modelo 3D. Também é realizado um modelo de análise explicita da estrutura estudada, utilizando uma onda transiente com uma frequência de excitação definida. A resposta desta simulação é registrada sobre uma série de pontos da estrutura durante um intervalo de tempo. A resposta assim registrada foi adicionada no domínio frequência versus número de onda, sobrepondo às curvas de dispersão calculadas. A discussão dos resultados experimentais apresentados permite entender como a camada polimérica e o tubo de aço interagem frente a ondas com diferentes frequências características.

In the offshore oil industry is usual to use pipes with internal anti-corrosion steel alloy layers mechanically or metallurgically joined with the back steel part, or an external layer built with a polymeric material to mitigate impact loadings during the structural life cycle. It is useful to know the interaction between the different parts of these pipes to understand its mechanical behavior in distinct conditions and to monitor its integrity using some non destrutive methods like the ones based on wave propagation as acoustical emission. In the present context, a configuration of a steel pipe with an external polymeric coat is studied, computing the dispersion curve chart that characterizes its elastodynamic response. Two numerical methodologies are used to build the dispersion curves, both implemented in the usual commercial finite element packages, being the first one based on the modal analysis of an axisymmetric model and the other performed using periodic boundary conditions over a 3D model. An explicit analysis model of the studied structure is also carried out, excited using a transient wave with a defined excitation frequency. The response of this simulation is recorded over a series of points in the structure over a period of time. The response thus recorded was transformed to the frequency domain wave number superimposing it on the calculated dispersion curves. The discussion of the experimental results presented allows us to understand how the polymeric layer and the steel tube interact in front of waves with different characteristic frequencies.