STRENGTH OF PIPES WITH MACHINED DEFECTS

• Main Author: JORGE LUIZ COUTINHO DINIZ
• Other Authors: JOSE LUIZ DE FRANCA FREIRE
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2002
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=2813@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=2813@2

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === Segundo Muhlbauer [1], 25 % dos acidentes com dutos são causados por corrosão. Com o envelhecimento da malha dutoviária, os acidentes tendem a ser mais freqüentes ou seus custos de manutenção majorados. Isto porque as metodologias atuais são, em sua maioria, demasiadamente conservativas. Com o surgimento de novas técnicas de inspeção e o avanço da microinformática, justifica-se o investimento em pesquisa e no desenvolvimento de metodologias numéricas mais fiéis ao comportamento mecânico do defeito, mantendo a segurança dos dutos e assegurando a competitividade econômica de suas operadoras. Neste trabalho utilizou-se nove espécimes tubulares de aço API 5L X60, com comprimento nominal de 2 m, diâmetro de 323 mm e espessura de 9.53 mm. Nestes espécimes foram usinados defeitos por eletroerosão com o objetivo de simular corrosão. Esses defeitos tinham espessura residual de 3 mm (30% da espessura nominal), 95.3 mm de largura (10 vezes a espessura nominal) e comprimentos entre 250 e 525 mm. Estes espécimes foram instrumentados com extensômetros de resistência elétrica especiais para grandes deformações plásticas e foram pressurizados até sua ruptura. Baseado nas geometrias dos corpos de prova existentes construiu-se modelos para a análise numérica. Esta análise utilizou o elemento sólido de oito nós por exigir um tempo computacional menor que o de 20 nós. Com relação ao elemento de casca, o elemento sólido de 8 nós modela melhor a geometria do defeito e o perfil de deformações elastoplásticas ao longo da espessura. Inicialmente foram feitas análises lineares. Estas foram seguidas de análises não-lineares, onde utilizou-se as propriedades reais do material de cada tubo. Os valores obtidos nestas análises foram confrontados com os valores experimentais de deformações elastoplásticas medidas, com o objetivo de validar o modelo numérico, obtendose boa correlação. Durante a validação do modelo analisou-se o critério de ruptura numérico a ser adotado, a influência de pequenas variações da espessura, a influência do raio de adoçamento entre a superfície externa do defeito e as paredes íntegras do tubo, os incremento ótimos de pressão interna, e a importância do uso das propriedades mecânicas do material específico de cada tubo. Este trabalho faz uma análise completa dos espécimes tubulares, conseguindo desenvolver uma metodologia capaz de reproduzir o experimento. Ponderam- se todos os fatores que influenciam uma análise não-linear e concluiu-se que a ruptura experimental acontece dentro de uma faixa de valores cujos limites dependem do critério de ruptura adotado. Verificou-se que esta faixa está compreendida entre a pressão que causa tensão equivalente de Mises igual à tensão de ruptura do material no primeiro elemento e a instabilidade numérica, que ocorre quando todos os elementos ao longo da espessura, em qualquer região do defeito, atingem a tensão equivalente de Mises igual à tensão de ruptura verdadeira do material. Nos casos estudados, esta faixa teve limites distantes entre si da ordem de 0.4 MPa, abaixo de 2% da pressão de ruptura. === According to Muhlbauer [1], 25% of the accidents with pipelines are caused by corrosion. The aging of the pipelines lead to an increase in the frequency accidents associated with an increase in maintenance costs. To keep accident frequency low, maintenance costs increase mainly because the current methodologies to predict failure and analyse pipe integrity are generally, overly conservatives. The new inspection techniques coming forth and the computers progress, it have justified the investment in research and in the development of numeric methodologies to preserve pipeline integrity and assure the economical competitiveness of their operators. Nine tubular specimens of steel API 5L X60, with 2 ms nominal length, 323 mms and 9.53 mms thickness were used. Defects were fabricated using spark erosion to simulate corrosion. The defects had residual thickness of 3 mm (30% of the nominal thickness), 95.3 mms width (10 times the nominal thickness) and lengths between 250 and 525 mm. The pipe specimens were instrumented with high elongation strain gage rosettes for great plastic deformations and they were pressurized until bursting. For the Finite element models were built based on the geometries of the specimens. In this analysis it was used the solid element of eight nodes because they demanded a smaller processing time than the one of 20 nodes. Regarding the shell element, the solid element of 8 nodes represent better the defect`s geometry and gives the values of elastoplastic strain along the thickness. Initially a linear analysis was carried out. These analysis were following by non-linear analysis, where it had been used the real properties of the material in pipe. The values obtained in these analysis were confronted with the experimental values of the elastoplastic strain measured, with the objective of validating the numeric model, had being obtained good correlation. During the validation of the model the numeric rupture criterion was analyzed to be adopted. This analyses included an investigation on the influence of small thickness variations , the influence of the radius between walls of the defects, the optimum increment of pressure and the importance of the mechanical properties. This research does a complete analysis of the tubular specimens, getting to develop a methodology able to reproduce the experiment. All the factors that influence a non-linear analysis were considered and the conclusion was that the experimental rupture happens inside of a range of values whose limits depend on the rupture criterion adopted. It was verified that this range includes the pressure that causes equivalent Misess stress equal to the stress of materials in the first element and the numeric instability. This instability happens when all of the elements along the thickness, in any point of the defect, reaches the equivalent Misess stress equal to the true failure stress of the material. In the studied cases, this range had distant limits amongst themselves of the order of 0.4 MPa, below 2% of the rupture pressure.