projeto de risers flexíveis - laboratório de estruturas ... · fadiga associada à corrosão ......

USP – Setembro 2008

Projeto de Risers FlexProjeto de Risers Flexííveis veis FadigaFadiga

Carlos Alberto D. de Lemos (Beto)Carlos Alberto D. de Lemos (Beto)Petrobras/Cenpes/TecPetrobras/Cenpes/Tec. Submarina. Submarina

[email protected]@petrobras.com.br


Tubos FlexíveisTubos Flexíveis

Unbonded

Bonded

UmbilicaisCabos


Tubos FlexíveisTubos Flexíveis

Carcaça IntertravadaBarreira de Pressão ou

Camada de Estanqueidade

Camada de Pressão (zeta)

Capa externa

Camadas de Tração


Fadiga associada ao desgaste nas Fadiga associada ao desgaste nas armaduras de traçãoarmaduras de tração

Camadas de Tração

Camada de Pressão(zeta)


Fadiga pura nas armaduras de traçãoFadiga pura nas armaduras de tração

Camadas de Tração


Camada Anti-atrito


Fadiga associada ao desgaste da Fadiga associada ao desgaste da camada de pressão (camada camada de pressão (camada zetazeta))


Principais pontos de desgaste e concentração de tensões


Fadiga associada à corrosão Fadiga associada à corrosão (em serviço ácido ou não)(em serviço ácido ou não)

Camada de Pressão (zeta)


Fadiga associada à corrosão Fadiga associada à corrosão Camadas de Tração


Modos de Falha de Fadiga Modos de Falha de Fadiga •• Fadiga associada ao desgaste nas armaduras Fadiga associada ao desgaste nas armaduras

de tração;de tração;•• Fadiga pura nas armaduras de tração;Fadiga pura nas armaduras de tração;•• Fadiga associada ao desgaste da camada de Fadiga associada ao desgaste da camada de

pressão (camada pressão (camada zetazeta););•• Fadiga associada à corrosão (em serviço Fadiga associada à corrosão (em serviço

ácido ou não);ácido ou não);•• Fadiga das camadas poliméricas; eFadiga das camadas poliméricas; e•• Fadiga nas terminações.Fadiga nas terminações.


FADIGAFADIGA•• Fenômeno da Fenômeno da ruptura progressivaruptura progressiva (ou de (ou de

acumulação de dano) de materiais sujeitos a acumulação de dano) de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou deformaçãociclos repetidos de tensão ou deformação..

•• Carregamento Carregamento nãonão é suficientemente grande é suficientemente grande para causar a falha imediata. Ao invés disto, a para causar a falha imediata. Ao invés disto, a falha ocorre falha ocorre após a ocorrência de um certo após a ocorrência de um certo número de flutuações do carregamentonúmero de flutuações do carregamento, isto é, , isto é, após o dano acumulado ter atingido um valor após o dano acumulado ter atingido um valor crítico. crítico.


FADIGAFADIGA•• falhasfalhas localizadas, progressivaslocalizadas, progressivas ee cumulativascumulativas•• problemaproblema locallocal, que depende dos, que depende dos detalhes detalhes dada geometriageometria, ,

dodo materialmaterial e doe do carregamentocarregamento dodo pontoponto mais solicitado mais solicitado da peçada peça

•• a geração e a propagação da trinca a geração e a propagação da trinca nãonão provocam provocam mudanças evidentes no comportamento da estruturamudanças evidentes no comportamento da estrutura

•• em geral em geral nãonão há avisos prévios de falha iminentehá avisos prévios de falha iminente•• o dano é geralmente o dano é geralmente restrito restrito à região crítica da peçaà região crítica da peça•• o processo é o processo é lentolento,, gradualgradual e e aditivoaditivo•• a gerência estrutural requer a gerência estrutural requer inspeções periódicasinspeções periódicas•• a detecção da falha é trabalhosa: devea detecção da falha é trabalhosa: deve--se localizar o se localizar o

PONTOPONTO onde o onde o trincamentotrincamento está ocorrendoestá ocorrendo


Falha em tubos Falha em tubos flexíveisflexíveis


HistóricoHistórico•• 1829 1829 –– Testes em correntesTestes em correntes•• Meados do século XIX Meados do século XIX –– falhas em eixos de trensfalhas em eixos de trens•• Entre 1852 e 1870 Entre 1852 e 1870 -- August August WöhlerWöhler

–– Gráficos de amplitude de tensão x número de ciclos Gráficos de amplitude de tensão x número de ciclos (Diagrama de (Diagrama de WöhlerWöhler ou Curva Sou Curva S--N)N)

•• Entre 1950 e 1960 Entre 1950 e 1960 –––– MansonManson--CoffinCoffin -- Método de Análise de Método de Análise de

Deformações Locais (ou curva Deformações Locais (ou curva εε--N)N)–– Mecânica da Fratura Linear Elástica, MFLE, (Regra Mecânica da Fratura Linear Elástica, MFLE, (Regra

de Paris)de Paris)


Fenomenologia TípicaFenomenologia Típica•• o o trincamentotrincamento por fadiga é provocado pela repetição por fadiga é provocado pela repetição

das cargas alternadas, e depende da amplitude de das cargas alternadas, e depende da amplitude de variação de tensõesvariação de tensões

•• a a iniciaçãoiniciação típica das trincas em peças metálicas é típica das trincas em peças metálicas é causada pela variação de tensões, que gera a causada pela variação de tensões, que gera a movimentação cíclica de movimentação cíclica de discordânciasdiscordâncias que se agrupam que se agrupam em células e formam bandas de deslizamento em células e formam bandas de deslizamento persistente, as quais levam à geração de persistente, as quais levam à geração de intrusõesintrusões e e extrusõesextrusões na sua superfície na sua superfície

•• podepode--se pensar nestes se pensar nestes micromecanismosmicromecanismos como um como um problema de plasticidade cíclica localizadaproblema de plasticidade cíclica localizada


Esquema da Fase Inicial do Trincamento por Fadiga


Formação de Intrusões e Extrusões (~ 0.1mm) Formação de Intrusões e Extrusões (~ 0.1mm) na superfície de uma peça de Ni Puro. Note na superfície de uma peça de Ni Puro. Note

as Bandas de Deslizamento Persistentesas Bandas de Deslizamento Persistentes

Bandas de deslizamento

intrusões e extrusões


Crescimento Paulatino de uma Trinca de Fadiga

(ciclos)


•• as ondulações superficiais concêntricas (as ondulações superficiais concêntricas (marcas de marcas de praiapraia) e radiais () e radiais (marcas de riomarcas de rio) são a característica ) são a característica macroscópicamacroscópica mais comum das trincas de fadigamais comum das trincas de fadiga

•• a forma destas marcas, que são visíveis a olho nu, é a forma destas marcas, que são visíveis a olho nu, é relacionávelrelacionável ao carregamento indutor da falhaao carregamento indutor da falha

•• a principal característica a principal característica microscópicamicroscópica das trincas de das trincas de fadiga é a presença de fadiga é a presença de estriasestrias, só visíveis num MEV, só visíveis num MEV

•• estas são causadas pelo crescimento da trinca a cada estas são causadas pelo crescimento da trinca a cada ciclo do carregamento, através de um mecanismo de ciclo do carregamento, através de um mecanismo de cegamentocegamento e afiamento sucessivo da sua pontae afiamento sucessivo da sua ponta

USP – Setembro 2008 marcas de praia (esta com ~4mm)(concêntricas, partindo do início da trinca)

marcas de rio (radiais, apontam para o início da trinca)


•• estriasestrias de fadiga de fadiga vistas num MEVvistas num MEV

•• o espaçamento o espaçamento entre as estrias entre as estrias quantifica o quantifica o crescimento da crescimento da trinca em cada trinca em cada ciclo de cargaciclo de carga

•• a trinca estava se a trinca estava se propagando numa propagando numa taxa de ~ taxa de ~ 11µµm/ciclom/ciclo


•• O processo é O processo é muitomuito influenciado pelos influenciado pelos detalhesdetalhes::•• das das propriedades mecânicaspropriedades mecânicas do materialdo material•• do do acabamento superficialacabamento superficial•• do do gradiente das tensõesgradiente das tensões atuantesatuantes•• do estado de do estado de tensões residuaistensões residuais presente junto àpresente junto à•• da superfície da raiz do entalhe (da superfície da raiz do entalhe (nucleadornucleador))


Métodos de Dimensionamento Métodos de Dimensionamento à Fadiga à Fadiga

•• As metodologias tradicionais de projeto à fadiga As metodologias tradicionais de projeto à fadiga podem ser divididas em três grupos:podem ser divididas em três grupos:•• Método SMétodo S--N ou de N ou de WöhlerWöhler•• Método de Método de MasonMason CoffinCoffin ((εε--N)N)•• Mecânica da FraturaMecânica da Fratura

•• Linear elásticaLinear elástica•• ElastoplásticaElastoplástica


•• como regra geral, o método SN só deve ser aplicado como regra geral, o método SN só deve ser aplicado quando as quando as máximasmáximas tensões atuantes nos pontos críticos tensões atuantes nos pontos críticos da peça forem menores que a resistência ao escoamento da peça forem menores que a resistência ao escoamento cíclico cíclico do material, já que a análise de tensões usada do material, já que a análise de tensões usada neste método é neste método é linear elásticalinear elástica! !

•• ao contrário do ao contrário do εεN, o SN não considera de forma N, o SN não considera de forma explícita os efeitos plásticos cíclicos eventualmente explícita os efeitos plásticos cíclicos eventualmente presentes nas raízes dos entalhes e, como aquele, não presentes nas raízes dos entalhes e, como aquele, não reconhece a presença de trincasreconhece a presença de trincas

•• logo, o método SN só é apropriado às previsõeslogo, o método SN só é apropriado às previsões dasdasvidas longasvidas longas (de iniciação de trincas de fadiga)(de iniciação de trincas de fadiga)


•• entretanto, o método Sentretanto, o método S--N é simples e possui uma série N é simples e possui uma série de de vantagensvantagens, que o tornam confiável na maioria dos , que o tornam confiável na maioria dos casos práticos de dimensionamento mecânico à fadiga: casos práticos de dimensionamento mecânico à fadiga: •• conta com um vastíssimo banco de dadosconta com um vastíssimo banco de dados•• há uma grande experiência acumulada com seu usohá uma grande experiência acumulada com seu uso•• preserva o princípio da superposiçãopreserva o princípio da superposição•• é computacionalmente muito mais simples e rápido que o é computacionalmente muito mais simples e rápido que o εε--NN•• pode ser sintetizado numa pode ser sintetizado numa únicaúnica equação de projeto, que equação de projeto, que

engloba todas as informações necessáriasengloba todas as informações necessárias


Idéias BásicasIdéias Básicas

•• foram propostas por Wöhler há quase 150 anosforam propostas por Wöhler há quase 150 anos•• os (complexos) detalhes da fenomenologia e da os (complexos) detalhes da fenomenologia e da

micromecânicamicromecânica da iniciação e da propagação das da iniciação e da propagação das trincas por fadiga trincas por fadiga nãonão são estudados (o método SN são estudados (o método SN nãonão reconhece a presença das trincas) reconhece a presença das trincas)

•• para se para se quantificarquantificar os efeitos globais do processo, os efeitos globais do processo, comparamcomparam--se as se as tensõestensões atuantes no ponto crítico com atuantes no ponto crítico com a a resistênciaresistência à fadiga do material da peçaà fadiga do material da peça

•• a resistência à fadiga é medida através de testes de a resistência à fadiga é medida através de testes de pequenos corpos de prova não trincadospequenos corpos de prova não trincados


Rotina de DimensionamentoRotina de Dimensionamento

•• Avaliar a Avaliar a resistência resistência à fadigaà fadiga–– a resistência à fadiga a resistência à fadiga dependedepende das propriedades do das propriedades do

materialmaterial ee dos detalhes do ponto crítico da peça. dos detalhes do ponto crítico da peça. O ideal é O ideal é testartestar aa peçapeça sob cargassob cargas reaisreais de trabalho de trabalho mas, como isto raramente é possível, em geral é mas, como isto raramente é possível, em geral é necessário necessário estimarestimar--sese a sua resistência à fadiga:a sua resistência à fadiga:


•• a resistência à fadiga a resistência à fadiga SSff não é uma constante do não é uma constante do material mas sim uma função nãomaterial mas sim uma função não--linear de N, o linear de N, o número de ciclos de vida à fadiga:número de ciclos de vida à fadiga:

•• a vida à fadiga decresce muito com o aumento da a vida à fadiga decresce muito com o aumento da solicitação, seguindo freqüentemente uma função solicitação, seguindo freqüentemente uma função parabólica: parabólica:

•• aços e alguns outros materiais podem apresentar um aços e alguns outros materiais podem apresentar um limite de fadiga (Slimite de fadiga (See) tal que solicitações menores que ) tal que solicitações menores que este limite não causam dano à peça (podeeste limite não causam dano à peça (pode--se projetar se projetar para vida para vida infinitainfinita))

•• O limite de fadigados aços em geral está entre 10O limite de fadigados aços em geral está entre 1066 e e 101077 ciclosciclos

•• outros materiais podem não apresentar este limite bem outros materiais podem não apresentar este limite bem definidodefinido

)N(SS ff =

cNSb =


Curva SN Típica, com Limite de Fadiga SCurva SN Típica, com Limite de Fadiga See ≈≈ SSuu/2/2


Caracterização dos MateriaisCaracterização dos Materiais

5 6 7Log N

Log ∆σ

No ar N(∆σ)6=Const.

Em meio corrosivo


Influência da Tensão Média Influência da Tensão Média Diagrama de Haigh

N = Constante paratodos os pontos

Tração médiaCompressão média


Influência da Tensão Média Influência da Tensão Média

Linhas de vida constante

Tensão média

Tens

ão A

ltern

ada

106

105

104

103

Diagrama de Haigh


Influência da Tensão MédiaInfluência da Tensão Média


Carregamentos Multiaxiais

•• Aplicação de conceitos de tensão Aplicação de conceitos de tensão equivalente (equivalente (vonvon MisesMises ou ou TrescaTresca))

•• Aplicação de critério proposto por Aplicação de critério proposto por SinesSines

( ) ( )22212

1 aaaaaeq σσσσσ +−=

mmmmeq 321 σσσσ ++=


Dano Acumulado Dano Acumulado •• Dano =Dano = perda parcial da funcionalidadeperda parcial da funcionalidade

–– d = 0 d = 0 ⇒⇒ pepeçça virgem, a virgem, –– 0 0 ≤≤ dano dano ≤≤ 1, 1, –– d = 1 d = 1 ⇒⇒ falhafalha

–– dano em fadiga dano em fadiga éé cumulativocumulativo e e irreversirreversíívelvel (a menos que (a menos que se remova mecanicamente o material afetado)se remova mecanicamente o material afetado)

–– em geral, os carregamentos reais são complexos, isto é, em geral, os carregamentos reais são complexos, isto é, podem variar aleatoriamente no tempopodem variar aleatoriamente no tempo

–– cada cada eventoevento σσaiaiσσmimi de um carregamento complexo causa de um carregamento complexo causa um dano um dano ddii , que gasta parte da , que gasta parte da vidavida da peda peççaa


Dano Acumulado Linear de Dano Acumulado Linear de MinerMiner

12

2

1

1 =+Nn

Nn

∑=

=k

i i

i

NnD

1NnD =


Procedimento de Projeto de Procedimento de Projeto de Fadiga em Risers FlexíveisFadiga em Risers Flexíveis

•• Normas aplicáveisNormas aplicáveis•• Características do fluido interno Características do fluido interno

(serviço ácido) (serviço ácido) –– Definição de família de materiaisDefinição de família de materiais

•• Curva SCurva S--NN•• Características Ambientais e da Características Ambientais e da

Unidade de ProduçãoUnidade de Produção–– Análises DinâmicasAnálises Dinâmicas

•• Cálculo de Tensões e DesgasteCálculo de Tensões e Desgaste•• Cálculo de FadigaCálculo de Fadiga•• TestesTestes


Caracterização dos MateriaisCaracterização dos Materiais


Análises DinâmicasAnálises Dinâmicas•• Análise no domínio do tempoAnálise no domínio do tempo

–– Não linearidadesNão linearidades•• Carregamento HidrodinâmicoCarregamento Hidrodinâmico•• Contato com fundoContato com fundo

•• Análise no domínio da freqüênciaAnálise no domínio da freqüência–– Linearização do carregamento hidrodinâmicoLinearização do carregamento hidrodinâmico–– Possibilidade de se obter uma função de transferênciaPossibilidade de se obter uma função de transferência

•• Determinação do limite de aplicabilidadeDeterminação do limite de aplicabilidade

•• Mar regular ou análise Mar regular ou análise determinísticadeterminística (onda de (onda de projeto)projeto)

•• Mar irregular ou análise estocástica (tempestade Mar irregular ou análise estocástica (tempestade de projeto)de projeto)–– Tempestade de projeto (maior carregamento Tempestade de projeto (maior carregamento –– maior resposta)maior resposta)–– Estatística de longo prazoEstatística de longo prazo

•• Análise de desprendimento de vórtices (VIV)Análise de desprendimento de vórtices (VIV)•• Análise acoplada ou individualAnálise acoplada ou individual


Normas de Análise de FadigaNormas de Análise de Fadiga

•• Normas falhas sobre critérios de projeto e Normas falhas sobre critérios de projeto e procedimentos de análiseprocedimentos de análise

•• Fatores de segurançaFatores de segurança–– ISO (13628ISO (13628--2) e API (17J)2) e API (17J)–– vida à fadiga 10 vida à fadiga 10

vezes a vida útilvezes a vida útil–– Petrobras Petrobras –– depende do riscodepende do risco

•• Óleo e gás Óleo e gás –– 10 vezes10 vezes•• Água e umbilicais Água e umbilicais –– 3 vezes3 vezes


Condições ambientaisCondições ambientais• Dados medidos em campo (Diagrama de Dispersão de Onda - Espectro de onda)


Condições ambientaisCondições ambientais

• Procedimento dos FabricantesOnda individual


Resposta da embarcaçãoResposta da embarcação

Aproamento

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25 30

Período (s)

Pitc

h (m

/m)

0°15°30°45°60°75°90°


Resposta da embarcação Resposta da embarcação ––condições conjuntascondições conjuntas

0%

10%

20%

30%

40%

50%180

135

90

45

0

315

270

225

1o Pico de Onda em Relação ao Navio (graus) Calado (m) 0° 45° 90° 135° 180° 225º 270° 315°

18 0,86 7,01 17,35 25,09 38,91 9,51 0,05 1,23 15 1,48 6,59 15,99 27,50 38,20 9,61 0,05 0,59 12 1,48 5,11 17,80 28,15 37,20 9,62 0,05 0,59 9 1,95 3,22 19,00 30,29 35,60 9,84 0,05 0,06

Média Ponderada 1,45 5,60 17,33 27,78 37,55 9,64 0,05 0,61

1o Pico de Onda em Relação ao Navio (graus) - RAO 0° 45° 90° 135° 180° 225º 270° 315°

N 1,87% 6,66% NE 26,64% 1,23% E 11,35% 5,31% 0,02%

SE 0,03% 2,96% 9,93% 0,14% S 0,02% 6,46% 12,68% 1,46% 1,67% 1,06% D

ireçã

o da

on

da

SW 0,84% 0,51% 1,71% 2,34% 3,29% 0,55% 0,05% 1,23%


Análise de TensõesAnálise de Tensões

•• Fadiga devido à variação de tração e flexãoFadiga devido à variação de tração e flexão•• Definição da teoria para análise de flexãoDefinição da teoria para análise de flexão

–– Geodésica (movimento sem atrito)Geodésica (movimento sem atrito)–– LoxodrômicaLoxodrômica (movimento com atrito)(movimento com atrito)

•• Elementos finitos ou cálculo racional por Elementos finitos ou cálculo racional por fórmulas de resistência dos materiaisfórmulas de resistência dos materiais


Cálculo do DesgasteCálculo do Desgaste•• Definição de coeficientes de atrito e desgasteDefinição de coeficientes de atrito e desgaste•• Cálculo do deslocamento relativoCálculo do deslocamento relativo

Geodésica externa

Hélice externa

Geodésica internaHélice interna

Deslocamento axial (mm)Des

loca

men

to tr

ansv

ersa

l (m

m)


Cálculo de Fadiga Cálculo de Fadiga

Linhas de vida constante

Tensão média

Tens

ão A

ltern

ada

106

105

104

103

Diagrama de Haigh


Testes de FadigaTestes de FadigaTestes de fadiga por flexão na Testes de fadiga por flexão na

região de topo região de topo -- horizontalhorizontal


Testes de FadigaTestes de FadigaTestes de fadiga por flexão na região de topo Testes de fadiga por flexão na região de topo -- verticalvertical


Testes de FadigaTestes de Fadiga

Teste de fadiga por flexão na região da corcova Teste de fadiga por flexão na região da corcova


Testes de FadigaTestes de FadigaTeste de fadiga rotacional Teste de fadiga rotacional


Testes de FadigaTestes de FadigaTeste TraçãoTeste Tração--Tração Tração

(fadiga interna no end (fadiga interna no end fittingfitting) )


Testes de FadigaTestes de FadigaTeste de Fadiga na Roda de lançamento Teste de Fadiga na Roda de lançamento


Testes de FadigaTestes de FadigaTeste de Fadiga com VIV Teste de Fadiga com VIV


Teste de Vida à FadigaTeste de Vida à Fadiga

NEO - COPPE


Teste de Fadiga da COPPE Teste de Fadiga da COPPE -- NEONEO20

m

Am

ostr

a12

m

•• Estrutura metálicaEstrutura metálica–– 4,0 x 5,0 m (base) por 20,4 m4,0 x 5,0 m (base) por 20,4 m

•• Atuadores hidráulicos:Atuadores hidráulicos:–– Capacidade de tração de até 250 Capacidade de tração de até 250

tonton. Curso máximo de 1,0m.. Curso máximo de 1,0m.–– Flexão: dois cilindros de 100 Flexão: dois cilindros de 100 tonton. .

Curso máximo de 750mm.Curso máximo de 750mm.

•• Unidade de pressurização da Unidade de pressurização da amostra:amostra:–– Pressão interna da amostra de até Pressão interna da amostra de até

10.000 psi.10.000 psi.

•• Mesa de rotação:Mesa de rotação:–– Variação angular de Variação angular de ––15 até + 35 15 até + 35

graus.graus.

•• Sistemas de Instrumentação, Sistemas de Instrumentação, controle, segurança e aquisição controle, segurança e aquisição de dadosde dados


•• Necessidade de trabalhar junto aos Necessidade de trabalhar junto aos fornecedores para melhor definição de fornecedores para melhor definição de procedimentos e procedimentos e crtérioscrtérios de projetode projeto

•• Melhor Melhor definicãodefinicão em normas internacionaisem normas internacionais•• Necessidade continuar a execução de testes Necessidade continuar a execução de testes

de fadiga com objetivo de definição de de fadiga com objetivo de definição de vida à fadiga (não somente vida útil)vida à fadiga (não somente vida útil)

•• Modos de falha ainda não completamente Modos de falha ainda não completamente conhecidosconhecidos

•• Apesar das limitações e desconhecimentos Apesar das limitações e desconhecimentos o procedimento de cálculo à fadiga ainda é o procedimento de cálculo à fadiga ainda é conservativoconservativo


ObrigadoObrigadoCarlos Alberto D. de LemosCarlos Alberto D. de Lemos

Petrobras/Cenpes/TecPetrobras/Cenpes/Tec. Submarina. [email protected]@petrobras.com.br

AnAnáálise de Fadigalise de Fadiga

projeto de risers flexíveis - laboratório de estruturas ... · fadiga associada à corrosão ......

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