teste hidrostatico em vasos de pressão

teste hidrostatico em vasos de pressão

(Parte 1 de 5)

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA para a obtenção do grau de

JORGE DOS SANTOS PEREIRA FILHO FLORIANÓPOLIS, NOVEMBRO DE 2004

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE PROFISSIONAL EM ENGENHARIA ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA sendo aprovada em sua forma final.

_ Prof. Edison da Rosa, Dr. Eng., Orientador

_ Prof. Júlio César Passos, Dr., Coordenador do Curso

Banca examinadora:

Prof. Acires Dias, Dr. Eng. (Presidente)

Prof. Paulo de Tarso Rocha Mendonça,Ph.D. Prof. Pedro Amedeo Nannetti Bernardini, Dr. Eng.

“A força da alma não basta sem o conhecimento da verdade” René Descartes

À memória de meu pai, que sempre me incentivou a pensar e a estudar; a minha mãe (Tieta) e minha irmã (Silvana) por serem grandes mulheres e me darem grandes exemplos de vida; a minha esposa (Angélica) pelo sempre carinho, entendimento e compreensão; aos meus filhos Pedro e Gabriel, também “participantes” desta minha empreitada...

Agradecimentos

A oportunidade de participar desta turma do mestrado surgiu através do convite de Amilcar Sales, antigo colega de trabalho da Copene/Braskem, empresa que organizou o curso. Agradeço grandemente a ele pela oportunidade que me foi dada.

Durante a elaboração da dissertação, tive a ajuda de colegas e profissionais do CIMATEC (entidade que abrigou grande parte das aulas do mestrado), como Alexandre Paes, Luís Alberto Breda e Márcio Melo, sem a qual não teria conseguido “dar a largada”.

Outro colega de mestrado, Thomas Hutchinson, me auxiliou a desvendar alguns “mistérios” da aplicação do software de elementos finitos.

Agradecimentos também a Pedro Feres Filho (PASA), que após muitos anos de conversas e trocas de experiências sobre testes hidrostáticos, sem saber me inspirou na escolha do tema, e a Guilherme Donato e Ediberto Tinoco (Petrobrás/Cenpes), também colaboradores indiretos com envio de textos e troca de informações.

Devo agradecimentos ainda à COOINSP, empresa parceira, através de Hamilton Santos Filho, e a Fernando Neves, Geraldo Barreto e Jorge Mascarenhas, pela compreensão e apoio dado durante meu afastamento parcial do trabalho nestes tempos de dissertação.

Ao meu orientador, Prof. Edison da Rosa, devo agradecimentos especiais, pois através de suas aulas me “fisgou” para desenvolver o tema da Mecânica da Fratura e foi um grande incentivador do trabalho. Seu empenho, sua capacidade, bom humor, simplicidade no ofício do ensino, e atenção dedicada ao meu trabalho durante as minhas “visitas” a Santa Catarina por certo foram responsáveis pelos resultados. Ao corpo docente do mestrado da UFSC e a Júlio Passos, nosso coordenador, que também muito me incentivou neste trabalho, o meu agradecimento.

Resumo

Objetiva-se analisar a propagação subcrítica e crítica de descontinuidades durante a execução de testes hidrostáticos em vasos de pressão. Considera-se principalmente o teste hidrostático periódico, originado de requisitos legais, e pressões de teste da ordem de 1,5 vezes a pressão máxima admissível. Duas situações distintas foram consideradas, para permitir uma maior abrangência de análise: a primeira, representada por um vaso de pressão fabricado em aço carbono, não sujeito a mecanismos de danos durante a sua vida operacional, e contendo um defeito de fabricação do tipo falta de fusão em um bocal; a segunda é representada por uma coluna de processo fabricada em aço inoxidável austenítico, que foi submetida a corrosãosob-tensão sob isolamento, e apresentou trincas ramificadas na superfície metálica. A análise se desenvolveu pela verificação da estabilidade e cálculo dos parâmetros relacionados à integral J. Para tanto, utilizou-se de documentos como a BS-7910 e API 579, além de formulações para cálculo de J. As tensões foram calculadas pelo método dos elementos finitos, resultando na linearização das mesmas na seção de interesse. Também foi avaliada a propagação por fadiga e corrosão-sob-tensão combinadas, e também pelo critério “leak before break”. Verificou-se que no caso do vaso de aço carbono não houve qualquer propagação, enquanto que no caso da coluna de aço inoxidável houve propagações para as maiores profundidades de trincas, durante o teste hidrostático. As conclusões resultantes deste trabalho estão relacionadas a haver ou não alguma alteração durante o teste hidrostático periódico em relação ao teste hidrostático original, realizado após a fabricação. O fluxograma desenvolvido caracteriza os aspectos determinantes de uma possível propagação, devendo ser utilizado previamente à realização de um teste hidrostático periódico.

Palavras chave: 1. Teste Hidrostático 2. Crescimento Subcrítico de Descontinuidade 3. Mecânica da Fratura 4. Vasos de Pressão vii

Abstract

The objective of this dissertation is to evaluate the possibility of sub critical and critical crack growth during the execution of hydrostatic tests in pressure vessels. It is mainly considered the execution of recurrent hydrostatic tests, due to legal requirements, and test pressure of about 1,5 times the maximum allowable working pressure. Two different cases were considered to allow a wider scope of analysis: first, a carbon steel pressure vessel, that was not subjected to damage mechanisms during its operational life, and containing a lack of fusion defect in a nozzle weld; the second case consists of a stainless steel process column that had been subjected to stress corrosion cracking underneath the thermal insulation, resulting in branched cracking in a wide surface. The analysis was developed by the verification of the stability of defects in both cases, and the use of J integral. It was used documents like BS-7910, API-579 and other formulations necessary for J calculations. The stresses were determined by the use of finite element method, resulting in stress linearization on the section of interest. It was also evaluated fatigue and stress corrosion cracking propagation and leak before break criteria. It resulted that in the case of the carbon steel vessel there was no propagation, while in the case of the stainless steel column there were propagation for the deepest cracks during the hydrostatic test. The resultant conclusions are related to the existence or not of alteration on conditions of the recurrent test compared to the original one, executed after fabrication of pressure vessels. The developed flow chart highlights the determinant aspects for the occurrence of propagation during recurrent hydrostatic tests, and shall be used prior to executing it.

Key words: 1. Hydrostatic test 2. Sub critical crack growth 3. Fracture Mechanics 4. Pressure Vessels viii

aplicação do TH23
Figura 2.2 – Aplicação de uma tensão inferior à de TH23
Figura 2.3 – Aplicação de uma tensão superior à de TH24
Figura 2.4 – Relação entre tensão nominal e tamanho crítico de trinca28
Figura 2.6 - Curva FAD BS-7910 e API RP57931
Figura 2.7 – Crescimento subcrítico de descontinuidade até um valor crítico3
Figura 2.8 – Curva típica de J X ∆a para o AISI 30434
Figura 2.9 – Gráfico de teste de integral J, caracterizando o “blunting” ou o CSCD35
Figura 2.10 – Gráfico da curva R36
Figura 2.1 – Características da curva de taxa de crescimento de trinca de fadiga37
Figura 2.12 – Gráfico de propagação de trincas de CST39
Figura 2.13 – Variação do valor de K e estágio de CST40
Figura 3.1 – Detalhe da geometria do bocal e da descontinuidade4
fusão45
Figura 3.3 – Detalhe da geometria do costado da coluna47
superficiais ramificadas48
profundidade de 19 m52
Figura 4.2 – Malha em torno da ponta da trinca53
análise54
Figura 4.5 – Mapeamento das tensões no eixo X, modelo com trinca5
Figura 4.6 – Detalhe do mapeamento das tensões no eixo X, ponta da trinca56
Figura 4.7 – Linearização da distribuição de tensões58

Figura 2.1 – Descarregamento elástico após a ocorrência de escoamento localizado, após a Figura 2.5 – Diagrama para determinação de abordagem adequada da mecânica da fratura...30 Figura 3.2 – Vista da conexão pelo lado interno, mostrando a descontinuidade do tipo falta de Figura 3.4 – Foto mostrando região da coluna afetada por CST, vendo-se as marcas de trincas Figura 4.1 – Detalhe da geometria do bocal, apresentando a posição da trinca com Figura 4.3 - Mapeamento das tensões no eixo X, modelo sem trinca, e seção da trinca sujeita à Figura 4.4 – Distribuição de tensões na seção de propagação da trinca (modelo sem trinca).54 Figura 4.8 – Distribuição e linearização das tensões na seção da trinca..................................58

Figura 4.9 - Modelo de placa com trinca de comprimento infinito60
Figura 4.10 – Curva FAD e pontos plotados (BS-7910)62
Figura 4.1 – Distribuição de tensões e linearização – CASO IV63
Figura 4.12 – Distribuição de tensões e linearização – CASO V64
Figura 4.13 – Curva FAD e pontos plotados (API RP579)65
Figura 4.14 – Curva FAD para os cinco casos avaliados6
Figura 4.15 – Características das descontinuidades e geometria adotada para a análise69
Figura 4.16 - Curva J-R para o AISI 30474
Figura 4.17 – JTOTAL X Tamanho de trinca75
Figura 4.18 – Crescimento das trincas após aplicação de pressão normal de TH76
Figura 4.19 – JTOTAL X Tamanho de trinca78

ix Figura 4.20 – Crescimento das descontinuidades após aplicação do TH com máxima pressão

78
Figura 4.21 – Curva FAD para duas condições de TH80
Figura 4.2 – Propagação combinada por CST e fadiga com pressão normal de TH82
Figura AP2.1 – Forma geral do modelo sem trinca, composto por uma única área106
trinca106
e deformada, modelo sem trinca107
de cores, modelo sem trinca107
costado, modelo sem trinca108
trinca108
trinca109
deformada, modelo com trinca109

Figura AP2.2 – Malha gerada na região do flange e chapa de reforço da conexão, modelo sem Figura AP2.3 – Mesma posição da figura anterior, mostrando as tensões no eixo X resultantes Figura AP2.4 – Seção da trinca, apresentando a distribuição de tensões no eixo X em escala Figura AP2.5 – Detalhe da região da seção da trinca entre a chapa de reforço e material do Figura AP2.6 – Malha gerada na região do flange e chapa de reforço da conexão, modelo com Figura AP2.7 – Detalhe da malha gerada com elementos singulares em torno da ponta da Figura AP2.8 – Mesma posição da figura AP2.6, mostrando as tensões resultantes e Figura AP2.9 – Detalhe da região da trinca, modelo com aplicação de pressão nas faces da trinca .......................................................................................................................................110

trinca110

Figura AP2.10 – Detalhe da região da trinca, modelo sem aplicação de pressão nas faces da Figura AP3.1 – Sólido de revolução apresentando trinca, gerado a partir de elementos axissimétricos .........................................................................................................................1

TABELA 2.1 - TENSÕES ADMISSÍVEIS SEGUNDO O ASME SECÃO VIII DIV. 114
EDIÇÃO 2000 (EM MPa)15
DIVISÃO 220
MPa)21
TABELA 3.1 - DADOS TÉCNICOS DO VASO DE AÇO CARBONO46
TABELA 3.2 - DADOS TÉCNICOS DA COLUNA DE INOX48
TABELA 3.3 - RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DOS CASOS49
OBTIDOS DO ANSYS 7.0 (SEM CORREÇÃO)5
CORRIGIDOS57
TABELA 4.3 - TENSÕES LINEARIZADAS CONSIDERADAS (MPa)59
TABELA 4.4 - VALORES DE KR E LR (BS-7910)61
TABELA 4.5 - TENSÕES LINEARIZADAS CONSIDERADAS (MPa)63
TABELA 4.6 - VALORES DE KR E LR (API RP579)65
TABELA 4.7 - RESULTADOS DO CÁLCULO DE JTOTAL67

LISTA DE TABELAS TABELA 2.2 - TENSÕES DE REFERÊNCIA, ASME SEC VIII DIV. 1, ANTERIOR À TABELA 2.3 - TENSÕES ADMISSÍVEIS (STRESS INTENSITY) SEGUNDO A ASME TABELA 2.4 - TENSÕES DE REFERÊNCIA, ASME SEC VIII DIV 2, EDIÇÃO 2000 (EM TABELA 4.1 - RESULTADOS DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSÕES TABELA 4.2 - RESULTADOS DOS FATORES DE INTENSIDADE DE TENSÕES TABELA 4.8 - CÁLCULO DO CRESCIMENTO DA TRINCA POR FADIGA DURANTE

OS TH’S68
70
TRINCA71

TABELA 4.9 - VALORES DE KI (MPa.m1/2) EM FUNÇÃO DO TAMANHO DE TRINCA TABELA 4.10 - CRITÉRIOS A SEREM ADOTADOS EM FUNÇÃO DO TAMANHO DE

DE TRINCA73

TABELA 4.1 - VALORES DE Jtotal (kPa.m) CALCULADOS PARA CADA TAMANHO TABELA 4.12 - TENSÕES CIRCUNFERENCIAIS DE MEMBRANA APLICADAS NA COLUNA DURANTE O TH ...................................................................................................76 xii

PRESSÃO DE TH7

TABELA 4.13 - PARÂMETROS JTOTAL (kPa.m) CALCULADOS PARA MÁXIMA

TENSÕES PRIMÁRIAS (MPa.m1/2)84
TABELA 5.2 - RELAÇÃO ENTRE KI RESIDUAL E KI PRIMÁRIO85
TABELA 5.3 - PROPAGAÇÃO POR FADIGA E PELO “BLUNTING” (EM M)87
TABELA 5.4 - TAMANHOS CRÍTICOS DE TRINCA PARA FRATURA FRÁGIL87

TABELA 5.1 - RESULTADOS OBTIDOS PARA KI CALCULADO A PARTIR DAS TABELA 5.5 - TAMANHO DE TRINCA A PARTIR DO QUAL OCORRE CSCD OU FALHA DÚTIL (EM M) ......................................................................................................89 xiii

ANSYS 7.0 – Software utilizado para a modelagem e análise de tensões de componentes estruturais, dentre outras finalidades. API – American Petroleum Institute, entidade sediada nos Estados Unidos da América que tem como finalidade a congregação do conhecimento na área da indústria do petróleo, publicando vários documentos e práticas recomendadas. Blunting – Do inglês, significa arredondamento, efeito gerado durante a aplicação do carregamento na ponta da trinca. BS – British Standard, entidade inglesa de padronização e congregação de conhecimento, responsável pela publicação de documentos e práticas recomendadas muito utilizadas no meio industrial. COD – Abreviatura de “crack opening displacement”, do inglês, que significa o deslocamento na abertura da trinca no momento de início de instabilidade, utilizado para caracterizar a tenacidade à fratura de materiais dúteis. CSCD – Abreviatura do termo “crescimento subcrítico de descontinuidade”. EPD – Abreviatura de “estado plano de deformação”. EPT – Abreviatura de “estado plano de tensão”. FAD – Abreviatura do inglês de “failure assessment diagram”, ou diagrama de análise de falha. LBB – Abreviatura do inglês de “leak-before-break”, que tem o significado de haver um vazamento antes que haja uma ruptura do componente. MFEL – Abreviatura de “mecânica da fratura elástica linear” MFEP – Abreviatura de “mecânica da fratura elásticaplástica” PMTA – Abreviatura de pressão máxima de trabalho admissível Shakedown – Do inglês, significa o relaxamento dos níveis de tensões residuais ou das tensões que ultrapassem o escoamento do componente, no caso em estudo, durante a aplicação do teste hidrostático. TH – Abreviatura de “teste hidrostático”. WPS – Abreviatura do inglês de “warm prestressing”, que significa o pretensionamento de um componente com temperaturas mais elevadas do que o mesmo irá operar, durante um TH.

xiv

A = constante para cálculo de fadiga a = meio comprimento da trinca a" = a/B. B = espessura C = constante para cálculo de J C' = constante para cálculo de propagação por CST da/dN = taxa de crescimento da trinca de fadiga, E = módulo de elasticidade F = eficiência de junta fw = fator de correção para largura finita G = taxa de liberação de energia elástica mais plástica

Gn (G0, G1, G2, G3 e G4) = fatores de ajuste para cálculo de KI h = distância da ponta da trinca até a borda, perpendicularmente ao plano da trinca h1 = fator de forma J = valor da integral J

Jel = parcela elástica do J Jpl = parcela plástica do J

Jtotal = Jel+Jpl. K = fator de intensidade de tensões

KI = fator de intensidade de tensões (modo I) KIC = tenacidade à fratura (modo I, crítica) para estado plano de deformação KI = fator de intensidade de tensões (modo I) KIP = KI calculado pelas tensões primárias

KIR = KI calculado pelas tensões residuais km = fator de incremento devido ao desalinhamento, considerado igual a 1;

Kmat = tenacidade à fratura do material

KR = KI / Kmat ktb = fator de concentração de tensões de flexão ktm = fator de concentração de tensões de membrana

LR =σref/Sy m = constante para cálculo de fadiga M = fator de correção para deformação Mb = fator de incremento dos fatores de intensidade de tensões KI Mkb = fator de incremento dos fatores de intensidade de tensões KI Mkm = fator de incremento dos fatores de intensidade de tensões KI Mm = fator de incremento dos fatores de intensidade de tensões KI n' = constante para cálculo de propagação por CST n = expoente para cálculo de Jpl P = Carga aplicada (em N) p = pressão interna aplicada Pb = tensão primária devida à flexão Pm = tensão primária de membrana PMTA = pressão máxima de trabalho admissível

Po = carga de plastificação do ligamento, em N

Pteste = pressão de teste a uma dada temperatura Qb = tensão secundária e residual de flexão

Qm = tensão secundária e residual de membrana R = raio interno do cilindro Ri = raio interno da coluna ro = raio de plastificação Ro = raio externo da coluna roσ = raio da zona plastificada para estado plano de tensões S = tensão admissível do material

Samb = tensão admissível do material na temperatura de teste Sproj = tensão admissível do material na temperatura de projeto Sr = tensão limite de resistência

Sy = tensão limite de escoamento T – temperatura de TH t = espessura do elemento

Tref = temperatura de referência Y = fator geométrico

Yσ (p) = fatores geométricos e tensões principais Yσ (s+r) = fatores geométricos e tensões secundárias e residuais xvi α= constante adimensional δ = valor do COD ∆a = incremento da trinca

∆K = variação do fator de intensidade de tensões εo = deformação específica para tensão de escoamento, igual a Sy/E ν = coeficiente de Poisson ρ = fator de interação de plasticidade σ = tensão nominal aplicada σ0, σ1, σ2, σ3 e σ4 = fatores de ajuste para cálculo de distribuição de tensões σA e σB = tensões linearizadas σref = tensão de referência para cálculo do LR σth = tensão de membrana primária atingida durante o TH xvii

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO1
1.1 – O QUE SÃO OS TESTES HIDROSTÁTICOS (TH’S)1
1.2 – ASPECTOS LEGAIS DO TH NO BRASIL3
1.3 – VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS THS3
1.4 – JUSTIFICATIVA PARA O TRABALHO4
1.5 – PROPOSTA DO TRABALHO5
CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA7
2.1 – TESTES HIDROSTÁTICOS7
2.1.1 – TH’S NA FABRICAÇÃO E EM REPAROS7
2.1.2 – TH’S PERIÓDICOS8
2.2 – PROJETO DE VASOS DE PRESSÃO E TENSÕES ADMISSÍVEIS12
2.2.1 – CÓDIGO ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 113
2.2.3 – CÓDIGO ASME SEÇÃO VIII DIVISÃO 218
EDIÇÃO 2000)21
2.2.5 – TENSÕES DE PICO ATINGIDAS DURANTE OS TH’S2
2.3 – REVISÃO DE CONCEITOS DA MECÂNICA DA FRATURA25
2.3.1 – BREVE HISTÓRICO25
2.3.2 – PROPAGAÇÃO CRÍTICA OU FRATURA FRÁGIL25
2.3.3 – MÉTODO DOWLING & TOWNLEY31
2.3.4 – PROPAGAÇÃO SUBCRÍTICA32
2.3.5 – FRATURA DÚTIL3
2.3.6 – PROPAGAÇÃO POR FADIGA MECÂNICA37
2.3.7 – PROPAGAÇÃO POR CST38
CAPÍTULO 3 - PROPOSTA DE TRABALHO42
3.1 – MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO42
3.2 – EQUIPAMENTOS SELECIONADOS43
3.2.1 – VASO DE PRESSÃO EM AÇO CARBONO4
3.2.2 – COLUNA DE PROCESSO EM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO46
3.3 – PROCEDIMENTOS DE ANÁLISE49
CARBONO49
FABRICADA EM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO50
CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS51
4.1 – VASO DE PRESSÃO EM AÇO CARBONO51
4.1.1 – MODELAGEM POR ELEMENTOS FINITOS51
4.1.2 – USO DE SOLUÇÕES ANALÍTICAS57
4.2 – COLUNA EM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO69
4.2.1 – CÁLCULO DO FATOR DE INTENSIDADE DE TENSÕES69
4.2.2 – MECANISMO DE FRATURA70
4.2.3 - CÁLCULO DE JTOTAL72
4.2.4 – CÁLCULOS UTILIZANDO MÁXIMA PRESSÃO DE TH76

SUMÁRIO 2.2.2 – TENSÕES NOMINAIS DURANTE OS TH’S (DIVISÃO 1 DA SEÇÃO VIII)15 2.2.4 – TENSÕES NOMINAIS DURANTE OS TH’S (DIVISÃO 2 DA SEÇÃO VIII, 3.3.1 – PROCEDIMENTO DE AVALIAÇÃO DO VASO FABRICADO EM AÇO 3.3.2 – PROCEDIMENTO DE AVALIAÇÃO DA COLUNA DE PROCESSO 4.2.5 – ANÁLISE DE ESTABILIDADE PELA BS-7910...............................................79

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