A ANÁLISE COMPUTACIONAL DE ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA EM TUBOS DA INDÚSTRIA PETROLÍFERA

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ANÁLISE COMPUTACIONAL DE ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA EM TUBOS DA INDÚSTRIA PETROLÍFERA

RESUMO: Com a necessidade de se projetar tubulações resistentes às altas pressões nas perfurações offshore é necessário obter propriedades da tubulação relativas à falha por fratura, como o Fator de Intensidade de Tensão () e assim determinar a vida útil do componente. Mesmo com ensaios de tenacidade à fratura que conseguem determinar o parâmetro já citado, a simulação computacional surge como uma ferramenta muito versátil e de custo menor para estudos de componentes em operação e obtenção de parâmetros e propriedades relativos a eles. Para avaliar o desempenho da simulação computacional em ensaio de tenacidade à fratura em tubulações petrolíferas, um ensaio de tenacidade à fratura disponível na literatura foi reproduzido no software ABAQUS utilizando o Método Estendido dos Elementos Finitos (XFEM) para obtenção do Fator de Intensidade de Tensão. Com o gráfico força x deslocamento obtido pela simulação computacional foi possível calcular o Fator de Intensidade de Tensão a partir das fórmulas descritas na norma ASTM E 1820, e o valor obtido é muito próximo do valor experimental, mostrando a eficiência da simulação computacional.[pic 2]

Palavras–chave: simulação computacional, tenacidade à fratura, tubulação, XFEM.

TOUGHNESS TO FRACTURE TEST’S COMPUTATIONAL ANALYSIS IN PETROLEUM INDUSTRY PIPES

ABSTRACT: With the need to project resistant pipes to high pressures in offshore perforations it is must to obtain pipes properties on fracture failure, like the Stress Intensity Factor () and so to determine the component life. Even with toughness to fracture tests that can determine the same parameter, the computational simulation comes up as a versatile tool and lower cost to operation component’s studies and obtainment of parameters and properties related to them. To evaluate the computational simulation’s performance in toughness to fracture tests in petroleum pipes, a toughness to fracture test available in literature was reproduced in the software ABAQUS using the eXtended Finite Element Method (XFEM) to obtainment of Stress Intensity Factor. With the graphic force x displacement obtained by the computational simulation was possible calculate the Stress Intensity Factor from the formulas described in the standard ASTM E 1820, and the obtained value is really close of the experimental value, showing the computational simulation’s performance.[pic 3]

KEYWORDS: computational simulation, toughness to fracture, pipes, XFEM.

INTRODUÇÃO

As reservas petrolíferas do pré-sal possuem um petróleo considerado de média à alta qualidade segundo a escala API, e se estendem do litoral do Espírito Santo até Santa Catarina, atingindo profundidades de até 7000 m da superfície do mar, José (2011). Devido à necessidade da extração de petróleo em alto mar, a Petrobrás e demais empresas que atuam no Brasil investem em pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias de exploração e produção.

Nesse contexto, os tubos utilizados para o transporte de petróleo e de gás natural devem ser projetados de forma que resistam aos esforços à que estão sujeitos em profundidades tão elevadas, já que as falhas desse componente geram imenso prejuízo econômico e ambiental.

No trabalho realizado por José (2011), foram realizados ensaios de tenacidade à fratura em diferentes amostras de uma tubulação petrolífera que tem por finalidade conter as paredes do poço, o tubo é constituído do aço API 5L X56 e o ensaio seguiu a norma ASTM E 1820. Com isso foi possível obter parâmetros necessários para estudo de fratura e estimação da vida do componente como o Fator de Intensidade de Tensão () e a Integral J (JIC).[pic 4]

O Fator de Intensidade de Tensão é uma constante que evidencia o campo de tensões elástico em uma determinada região, Tovar (2013), este valor pode ser utilizado para prever combinações de tensões críticas e tamanhos de trinca críticos.

Para o desenvolvimento de pesquisas em engenharia muitas vezes é necessário utilizar ferramentas computacionais para validação de resultados obtidos experimentalmente, já que na simulação é possível alterar valores como geometria, material e condições de contorno com relativa facilidade e sem os custos de se realizar um novo experimento.

Nas simulações computacionais os problemas físicos são descritos como equações diferenciais ordinárias e parciais, que possuem soluções analíticas que só são aplicadas às condições de contorno e geometrias simplificadas. Devido a isto, métodos numéricos são utilizados em simulações computacionais para discretizar estas equações, e com isso são obtidas soluções que podem se aproximar muito da solução analítica.

Um dos métodos computacionais mais utilizados é o Método dos Elementos Finitos (MEF), que é aplicado para prever comportamento estrutural, mecânico, térmico, etapas de projeto, etc. No entanto, este método apresenta algumas limitações para simulação de fratura, pois ele necessita de um denso refino de malha próximo à ponta da fratura e de uma atualização da malha de acordo com o crescimento da trinca.

No intuito de superar as limitações do MEF, o trabalho realizado por Moes et al. (1999) desenvolveu uma nova formulação para lidar com casos de abertura de trinca e propagação de fraturas. O Método Estendido dos Elementos Finitos, sendo chamado de XFEM (eXtended Finite Element Method) também faz uso da modelagem discreta da fratura, porém neste método existem funções de enriquecimento que contém um campo de deslocamentos descontínuos Silva (2015), de forma que a geometria da fratura se torna independente da malha, logo não há a necessidade de se atualizar a malha constantemente.

O ABAQUS é um software de análise de estruturas em que pode ser feita uma análise de estruturas com base no XFEM, e é ele que será utilizado no presente trabalho. Este software não considera o enriquecimento da ponta da trinca com base no Fator de Intensidade de Tensão, e sim numa aproximação com base na energia ou no deslocamento como critério de propagação, porém ele fornece parâmetros para a obtenção do Fator de Intensidade de Tensão.

Este trabalho tem por objetivo, reproduzir o ensaio realizado na pesquisa de José (2011) no software ABAQUS utilizando o XFEM, para que se avalie o desempenho da simulação computacional como substituta dos ensaios convencionais de Tenacidade à Fratura, economizando assim tempo e dinheiro. O Fator de Intensidade de Tensão será obtido através da simulação e comparado com o valor experimental, segundo a recomendação de trabalhos futuros da pesquisa de José (2011).