Nos últimos 10 anos, para o transporte de gás natural, foram realizados projetos de pesquisa em águas profundas para a instalação de gasodutos no leito marinho. No transporte de gás natural a longas distâncias, o gasoduto precisa ter resistência à compressão da pressão externa da água em águas profundas.Tubos de aço UOEGeralmente são utilizados tubos de aço UOE. O método de fabricação de tubos de aço UOE é a conformação por estampagem a frio, e a resistência do tubo é anisotrópica. Para prever a resistência à compressão de tubos de aço UOE e esclarecer o mecanismo de esmagamento desses tubos, a Nippon Steel realizou simulações de análise numérica integrando a conformação do tubo de aço e a avaliação de seu desempenho. A simulação de análise numérica consiste em um modelo bidimensional de conformação do tubo de aço e um modelo tridimensional de esmagamento do tubo de aço, que reflete a forma conformada e a tensão residual. Por meio de experimentos, foram medidas a espessura da parede e a anisotropia da resistência na direção circunferencial do tubo de aço, a tensão residual foi medida e a validade do modelo de análise numérica foi avaliada com base na resistência à compressão real do tubo de aço.
1. Anisotropia de resistência e tensão residual em tubos de aço UOE
É sabido que os fatores que afetam a resistência à compressão de tubos de aço são a forma inadequada (circularidade e espessura de parede irregular), o limite de escoamento (LE) e a tensão residual. O limite de escoamento à compressão e a tensão residual na direção circunferencial apresentam grande correlação. A distribuição do limite de escoamento na seção transversal da espessura da parede, medida por meio de barras redondas e corpos de prova cilíndricos (ambos com 6 mm de diâmetro), mostra que a diminuição do limite de escoamento à compressão na direção circunferencial externa do tubo de aço é particularmente evidente. A comparação das curvas de tensão-deformação (TDM) na espessura da parede mostra que uma curva circular de TDM surge na parte externa devido ao efeito Bauschinger de deformação elástica que se inicia no centro da espessura da parede. De acordo com a comparação entre tubos de aço UOE e tubos de aço sem costura para poços de petróleo, a tensão residual em ambos os tubos tende a ser comprimida na superfície interna, porém o valor da tensão residual no tubo de aço UOE é menor.
2. Simulação de análise numérica
Durante a análise numérica, um modelo integrado foi utilizado para avaliar a resistência à compressão de tubos de aço UOE. No modelo de conformação (elemento de deformação plana bidimensional) do tubo de aço UOE, utiliza-se a curva tensão-deformação (SS) da chapa, e a tensão residual é aplicada ao modelo de compressão (elemento sólido tridimensional). Como é difícil prever com precisão a variação da curva SS da chapa para o tubo de aço apenas por meio de simulação numérica, um método semi-experimental (teste de deformação simulado) é utilizado para prever a curva SS. Ou seja, a histerese da deformação plástica equivalente calculada é aplicada a um corpo de prova cilíndrico extraído da chapa, e então a curva SS de compressão resultante é definida para cada posição da espessura da parede.
3. Resultados e Pesquisa
3.1. Validade do modelo de esmagamento
A precisão da previsão é determinada principalmente pelo número de combinações de elementos, pelo valor do incremento de pressão e pelo valor de convergência do modelo. Corrigindo esses fatores, estima-se que o erro de previsão do modelo seja de aproximadamente 5%. Corrigindo o erro, a precisão da previsão pode ser ainda mais aprimorada. Ao comparar os valores de esmagamento do modelo abrangente e do modelo de aproximação elíptica para a mesma circularidade, constatou-se que não há grande diferença média entre os dois. Portanto, a circularidade depende do diâmetro externo máximo e do diâmetro interno mínimo. Ao tornar os parâmetros semelhantes aos de uma elipse, a distribuição do diâmetro externo de tubos de aço UOE com variações de curvatura local pode ser representada por um modelo. Comparando o valor de esmagamento previsto pelo modelo elíptico com o valor calculado pela fórmula comum para prever a resistência à compressão de tubos de aço UOE, verifica-se que os valores previstos para diferentes relações D/t (diâmetro externo/espessura da parede) e circularidade são os mesmos que os previstos pela fórmula comum. Presume-se, portanto, que o mesmo resultado possa ser obtido utilizando o modelo abrangente de conformação-esmagamento. Assim, pode-se afirmar que o modelo abrangente é capaz de analisar o mecanismo de esmagamento e pode ser aplicado para quantificar a influência das condições de conformação na resistência à compressão.
3.2. Mecanismo de esmagamento do tubo de aço UOE
Investigou-se a relação tensão-deformação quando a histerese de deformação plástica equivalente prevista no processo de produção de tubos de aço UOE foi simulada utilizando uma amostra de barra redonda, e comparou-se a curva de tensão-deformação (SS) prevista com a curva simulada. Os resultados mostraram que a curva SS prevista é mais consistente com a curva SS do tubo de aço real, mesmo quando se trata de uma seção com espessura de parede sujeita a diferentes histereses de deformação, apresentando também o mesmo limite de escoamento (YS) que o valor medido. A queda no YS externo da espessura da parede sob histerese de deformação, nessas condições de conformação, é dominada pela carga de deformação de tração durante a estampagem em U. Além disso, praticamente não se observa queda no YS de compressão devido ao efeito Borgesine da deformação elástica no interior do tubo de aço. Utilizando o teste de deformação simulada proposto acima, a resistência na direção circunferencial do tubo de aço real pode ser prevista com maior precisão.
Data da publicação: 10 de agosto de 2023