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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
RESISTÊNCIA RESIDUAL DE LINHAS FLEXÍVEIS
COM DEFEITOS NATURAIS
Teresinha do M. J. Alves
PETROBRAS/CENPES
Luis Cláudio Sousa Costa
PETROBRAS/CENPES
Trabalho apresentado na 6ª Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos
Salvador, agosto, 2002
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade
dos autores
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SINÓPSE
Foram realizados testes de tração uniaxial até o colapso, em amostras de flowline de
4.0", com defeitos naturais, visando determinação da resistência estrutural residual da
linha e consequentes indicações relativas ao descarte do segmento avariado.
Correlação entre os resultados obtidos nas inspeções eletromagnéticas dos defeitos
naturais e a perda da resistência estrutural da linha foi realizada. Concluiu-se que se a
redução da seção metálica da linha, devido a presença de defeitos naturais, for em
torno de 10%, o descarte se torna inquestionável.
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1. INTRODUÇÃO
Durante a inspeção visual das linhas flexíveis em operação, podem ser detectados
defeitos na sua camada plástica externa, as quais passam a ser monitoradas.
Entretanto, se o defeito ameaça comprometer a integridade estrutural da linha, ela é
retirada de operação e levada para a Base da BR em Vitória, onde é submetida à nova
inspeção. A partir dos resultados dessa inspeção, é decidido se a linha deve sofrer
somente um reparo na sua camada externa (não metálica) ou se terá descartado seu
segmento avariado, o que implica na instalação de novas conexões. Esta operação é
demorada e de custo elevado.
Por outro lado, desde que a linha ofereça uma resistência estrutural residual confiável
para continuar em operação, o momento mais adequado para se efetuar o descarte
do segmento avariado pode ser melhor determinado, implicando em significativa
redução de custos.
Neste trabalho são apresentados resultados de testes experimentais de tração uniaxial
em amostras de linhas flexíveis(1) com defeitos naturais, detectados e mensurados por
equipamento de inspeção para linhas flexíveis. Correlação entre a perda de área da
seção metálica da armadura de tração dessas linhas., registrada na inspeção
eletromagnética, e a resistência estrutural residual das mesmas, são apresentadas.
2.
PROGRAMA EXPERIMENTAL
2.1
INSPEÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE FLOWLINE DE 4.0"
Com o objetivo de se obter amostras a partir da linha flexível de 4.0", estrutura 1010171, apresentando descontinuidades ou defeitos naturais, expressos pela perda de
área da seção metálica de sua armadura de tração, foi realizada inspeção
eletromagnética na linha por meio de equipamento desenvolvido para inspeção em
linhas flexíveis(2).
O equipamento de inspeção utilizado neste trabalho, é constituído de um console e
um jogo de cabeçotes, como indicados na figura 1. Cada cabeçote atende a um
diâmetro de linha. No cabeçote encontram-se os ímãs permanentes e os sensores de
detecção das descontinuidades ou defeitos. O console processa os sinais enviados
pelo cabeçote, fornecendo o registro da inspeção.
O equipamento permite a detecção de defeitos localizados (arames rompidos, pites,
etc) do tipo LF e defeitos que implicam em perda de material, chamados LMA
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(corrosão, abrasão, etc), simultaneamente. Na figura 2 é apresentado de forma
esquemática, o princípio físico do ensaio.
O equipamento possui um forte imã permanente, capaz de saturar as estruturas
ferromagnéticas das linhas flexíveis (fios da armadura de tração e camada zeta), em
um determinado comprimento, e uma bobina sensora que envolve a linha. Qualquer
variação na área da seção transversal metálica das estruturas ferromagnéticas das
linhas, (causada por defeitos, tais como corrosão, abrasão ou arames partidos)
causará uma variação no fluxo magnético ΦM na linha, que induzirá uma voltagem V
na bobina sensora, proporcional à sua variação. A voltagem induzida é integrada em
um circuito, gerando uma voltagem de saída VI, que é diretamente proporcional ao
fluxo magnético ΦM no interior da linha. Uma vez que a linha é saturada
magneticamente, o fluxo magnético ΦM é diretamente proporcional à área da seção
transversal metálica. Desta forma, uma variação da área da seção transversal das
estruturas ferromagnéticas da linha é medida como uma variação de VI.
Portanto, como resultado da inspeção realizada por meio do equipamento acima
referido, tem-se para cada defeito detectado, a perda da área da seção metálica da
armadura de tração do flowline.
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Figura 1 - Equipamento para inspeção em linhas flexíveis.
Figura 2 - Esquema da concepção do equipamento para inspeção eletromagnética em
linhas flexíveis.
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2.2
AMOSTRAS
As amostras consideradas nesse programa experimental foram obtidas a partir de
inspeção eletromagnética no flowline de 794 m de comprimento e 4.0" de diâmetro,
estrutura 101-0171, contendo descontinuidades ou defeitos naturais, gerados durante
a operação.
Quando da realização da inspeção foram identificados 7 segmentos na linha para
retirada de amostras, sendo que cinco amostras continham defeitos naturais e outras
duas eram isentas de defeitos naturais. As amostras foram identificadas como
A1, A2, A3, A4, A5, A6 e A7, respectivamente. As amostras A1 e A3 não possuíam
defeitos, tendo sido usadas como amostras de referência. Nas figuras de 3 a 7 são
apresentados aspectos das amostras com os defeitos.
Figura 3 - Defeitos naturais da Amostra A2
Figura 4 - Defeitos naturais da Amostra A4
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Figura 5 - Defeitos naturais da Amostra A5
Figura 6 - Defeitos naturais da Amostra A6
Figura 7 - Defeitos naturais da Amostra A7
2.3
TESTES EXPERIMENTAIS DE TRAÇÃO UNIAXIAL
Os testes experimentais de tração uniaxial nas amostras selecionadas, foram
realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos do CENPES/PDEP/TMEC.
Utilizou-se um quadro de testes, especialmente projetado para testes em linhas
flexíveis, equipado com atuador com capacidade de 100 kN, de fabricação MTS.
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Todos os testes foram realizados com controle de carga, a qual foi monitorada por
um controlador MTS 45820. A velocidade de aplicação de carga foi de 10 kN/min.
Todas as amostras foram submetidas à tração axial até o colapso, com o objetivo de
correlacionar os resultados obtidos da inspeção eletromagnética com a perda de
resistência estrutural da linha, devido à presença de defeitos naturais.
A figura 8 apresenta uma amostra posicionada no quadro de testes.
Figura 8 - Amostra posicionada no quadro de testes
3. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados dos testes de tração uniaxial realizados nas amostras do flowline de
4.0", com defeitos naturais, são apresentados na tabela I.
TABELA I
RESULTADOS DOS TESTES DE TRAÇÃO UNIAXIAL NAS AMOSTRAS
DO FLOWLINE DE 4.0" COM DEFEITOS NATURAIS
A1
A2
A3
A4
REF.
2,0
REF.
8,0
Carga
Máxima (tf)
38,04
35,90
38,00
14,82
A5
5,0
25,46
66,96
A6
14,0
12,28
32,30
A7
2,5
__
Amostra
∆ A(%)
(*)
(**)
Resistência Residual
(***)
(%)
94,42
38,98
Tipo de falha
Colapso da carcaça
Colapso da carcaça
Colapso da carcaça
Ruptura da armadura de
tração no dano
Ruptura da armadura de
tração no dano
Ruptura da armadura de
tração no dano
Colapso da carcaça
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(*)
∆A
(**)
(***)
perda de área da seção metálica da armadura de tração, registrada na
inspeção eletromagnética.
devido a acidente ocorrido com o cabo da célula de carga do atuador servohidráulico, este dado não pode ser obtido.
foi calculada como a porcentagem da resistência nominal do flow. Tomouse como resistência nominal a média das resistências das amostras A1 e A3
(38,02 tf), as quais não apresentaram redução da seção transversal da
armadura de tração, nas inspeções eletromagnéticas.
A figura 9 indica a variação da carga máxima de tração suportada pelas amostras com
as respectivas perdas de área da armadura de tração. Na figura 10 é apresentada a
variação da resistência de tração residual das amostras com as respectivas perdas de
área da armadura de tração. A resistência nominal da linha foi estabelecida como a
média das resistências das amostras A1 e A3, tomadas como referência.
Figura 9 – Variação da carga máxima de tração em função da perda de área da
armadura de tração.
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Figura 10 – Variação da resistência de tração residual em função da perda de área
da armadura de tração.
A figura 10 e a tabela I indicam que, apesar do pequeno número de ensaios, pode-se
observar um decréscimo da resistência à tração da linha com a perda de área da
armadura de tração.
Como pode ser observado na figura 9, a taxa de perda de resistência à tração passa a
ser maior do que a taxa de perda da área da armadura de tração, para
descontinuidades maiores do que 4 %. Ainda pode ser observado, que a resistência
residual da linha, para perdas de área da armadura de tração maiores do que 10%,
tende a se manter constante, considerando os níveis de perda de área metálica
apresentados nesse estudo. Esses resultados são bastante promissores e portanto,
testes experimentais adicionais são recomendados.
Observa-se, também, que há uma mudança no tipo de falha do flowline no intervalo
entre 2,5% e 5,0% de redução de área metálica. Os resultados obtidos, sinalizam que
um flow de 4.0" com danos na armadura de tração do tipo dos avaliados, implicando
em reduções de área de sua seção reta, inferiores a 2,5% apresentam falha por
colapso na carcaça. Por outro lado, reduções de área superiores a 5,0%
comprometem a armadura de tração, passando esta a responder pela falha da linha.
Ou seja, para o flow inspecionado e para os danos avaliados, existe uma redução de
área da seção reta da armadura de tração entre 2,5% e 5,0%, onde o mecanismo de
falha deixa de ser colapso na carcaça, passando a ser ruptura da armadura de tração.
As figuras 11 a 17 mostram a configuração pós-falha das sete amostras testadas.
Figura 11 - Falha da amostra A1 - Colapso da carcaça.
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Figura 12 - Falha da amostra A2 - Colapso da carcaça
Figura 13 - Falha da amostra A3 - Colapso da carcaça
Figura 14 - Falha da amostra A4 - Ruptura da armadura de tração, na região da
descontinuidade.
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Figura 15 – Falha da amostra A5 - Ruptura da armadura de tração, na região da
descontinuidade
Figura 16 - Falha da amostra A6 - Ruptura da armadura de tração, na região da
descontinuidade.
Figura 17 - Falha da amostra A7 - Colapso da carcaça.
4. CONCLUSÕES
Os resultados dos ensaios de tração uniaxial das amostras com descontinuidades
indicaram que uma perda de área da armadura de tração implica em uma redução da
resistência residual à tração da linha flexível. A taxa de perda da resistência residual
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passa a ser maior do que a taxa de perda da área da armadura de tração, quando
descontinuidades maiores do que 4% são consideradas.
Convém ressaltar que, para descontinuidades maiores do que 10%, a resistência
residual da linha atinge seu limite mínimo, sendo seu descarte inquestionável.
Os mecanismos de falha, colapso da carcaça e ruptura dos arames da armadura de
tração, ocorrem. Cada um destes mecanismos está associado à redução da seção
metálica da armadura de tração. Quando esta redução se situa entre 2,5% e 5%, a
mudança de um mecanismo de falha para outro, ocorre.
A elaboração de um critério de aceitação/descarte de linhas flexíveis, com base em
resultados de inspeções eletromagnéticas, requer testes experimentais adicionais em
linha flexíveis com descontinuidades na armadura de tração.
O equipamento utilizado para a inspeção no flowline de 4.0" mostrou-se adequado
para mensurar reduções na seção central da armadura de tração. Entretanto, quanto à
detecção de fios rompidos o equipamento apresentou nível de resolução abaixo do
esperado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) ALVES, T. M. J., “Programa Experimental - Consolidação de Sistema
Computacional para Análise Mecânica de Linhas Flexíveis”, Relatório de projeto
CENPES/PDEP/TMEC 29.90.00, jul 1997.
(2) SOUSA COSTA, L. C., PAIVA, G. J. M., QUINTELA, J. P., ALVES, T. M. J.,
“Avaliação de Danos em Linhas Flexíveis”, Relatório de projeto
CENPES/PDEP/TMEC 02.05.96, set 1998.