ANÁLISE DE ESFORÇOS E TENSÕES

De modo geral, é suficiente fazer o dimensionamento quanto à tração, à pressão interna e ao colapso. As colunas de revestimento em poços de petróleo estão sempre sujeitas a um estado combinado de tensões, seja de tração ou compressão com pressão interna ou externa, tal que representa a situação física mais próxima da realidade. Isto é chamado de estado combinado de esforços triaxial. Para estimar tais valores de esforços, levam-se em conta as condições mais adversas que possam surgir durante a descida, a instalação e a vida útil das colunas e, no caso específico do trabalho, o esforço adicional em função da fluência da rocha salina. (SANTOS, 2016)

Diante disto irá se discorrer sobre as características analíticas dos esforços triaxiais em questão:

• Esforço da tração

O esforço do carregamento axial total em qualquer ponto da coluna deve considerar as condições de peso próprio da coluna, efeito de empuxo, atrito das paredes, pressão interna, carregamentos de flexão, overpull, carregamentos devido às mudanças de temperatura, dentre outros. O cálculo da resistência à tração baseia-se na carga axial mínima requerida para o escoamento do tubo, de modo que o tubo não sofre deformações plásticas. Para sua quantificação, considera-se então a tensão de escoamento do aço como valor limite, na forma da Equação (1): 𝑅_𝑡 =𝜋 4(𝐷 2_{− 𝑑}2_)𝑌 𝑝 Equação (1) Onde:

Rt = resistência à tração do tubo, lbf; D = diâmetro nominal, pol;

d = diâmetro interno, pol;

Yp = limite de escoamento do aço, psi.

O fator de segurança varia entre 1,1 a 1,6, a depender das normas internas das operadoras.

• Esforço da pressão interna (Burst)

A pressão interna, também conhecida como Burst, é o resultante do diferencial entre as pressões no interior e no anular, como resultado da pressão interna ser superior a pressão externa, maior efeito na parte superior da coluna, pois pode haver a presença de gás. A resistência à pressão interna de escoamento no corpo do tubo de aço, expressada na Equação (2) é alcançada através da equação de Barlow, considerando 87,5% do escoamento da parede, pois a API permite a espessura variar em até 12,5%, devido aos defeitos de construção, conforme discutido por Bernt (2010).

𝑅_𝑝𝑖 = 0,875 ∗ 2𝑌_𝑝 ∗ 𝑡

𝐷 Equação (2)

Onde:

Yp = limite de escoamento do aço, psi; D = diâmetro externo, pol;

t = espessura da parede do tubo.

Outro fator importante a se calcular é o fator de segurança, neste caso pode variar entre 1,0 a 1,25 que não entra nesta equação. Vale ressaltar que não existe equação pronta para estimar-se o fator de segurança, pois para este cálculo são levados em consideração a quantidade de equipamentos e conexões, que varia de projeto para projeto. Irá também depender das normas dos operadores, assim como a tração. Tendo assim que se calcular para cada trecho de coluna.

Segundo Bernt (2010), um tipo de falha por esforço de pressão interna apresenta como característica uma falha ou propagação de trincas na direção predominante axial do tubo.

• Esforço de pressão externa (Colapso)

A resistência ao colapso do revestimento indica o grau de limite de tensão suportado pelo revestimento devido ao diferencial das pressões criadas pelo fluido no anular e no interior da coluna, ou seja, verifica a possibilidade de falha quando a pressão externa é superior a pressão interna. A resistência ao colapso Rc está em função da razão D/t, que relaciona o diâmetro e espessura, do grau do aço e do esforço axial característicos do tubo a ser empregado. Para o esforço do colapso, deve-se admitir um fator de segurança variante entre 1,0 a 1,125.

Segundo a normativa API TR 5C3 (2008), a resistência ao colapso está definida em 4 (quatro) tipos de regimes de falha, são elas o colapso de escoamento, o colapso plástico, o colapso de transição e o colapso elástico, que são indicados através de uma faixa em função da razão Rpi.

Fonte: API Bu.lletin5C3,2008.

A figura 19 mostra os regimes de falha ao colapso podem ser representados:

Fonte: Correia e Santos, 2017

Ocorre quando a pressão externa do tubo é maior do que a pressão interna. Valor da resistência ao colapso é calculado em função do regime de deformação do tubo, indicado pela relação D/t, pelo uso de uma das seguintes expressões recomendadas pelo API.

Onde:

D = diâmetro nominal, pol.

t = espessura da parede do tubo, pol. 𝑌𝑚 = tensão de escoamento mínima, psi.

Colapso por escoamento:

Figura 19 - Resistência ao colapso em função relação OD/t

𝑅_𝑐 = 𝑅_𝑐𝑦= 2 [( 𝐷

𝑡 ) − 1] (𝐷_{𝑡 ) ²}

𝑌_𝑚 Equação (3)

Colapso por regime plástico:

𝑅_𝑐 = 𝑅_𝑐𝑝= 𝑌_𝑚[ 𝐴 (𝐷_{𝑡 )}

− 𝐵 ] − 𝐶 Equação (4)

Colapso na zona de transição:

𝑅_𝑐 = 𝑅_𝑐𝑡 = 𝑌_𝑚 [ 𝐹 (𝐷_𝑡)

− 𝐺] Equação (5)

Colapso no regime elástico:

𝑅_𝑐 = 𝑅_𝑐𝑒 = 46,95𝑥10 6

(𝐷_{𝑡 )}[(𝐷_{𝑡 ) − 1}] ² Equação (6)

A expressão a ser usada depende da relação D/t e em qual regime de deformação ela se encaixa para depois ser associada ao grau de aço utilizado (A, B, C, F, G). Deve-se também levar em consideração a influência da ação de esforço axial na resistência a pressão por colapso. Sabe-se que ocorre uma diminuição do limite de escoamento quanto da presença de esforços de tração, o que resulta numa diminuição da resistência ao colapso, segundo os procedimentos da API BULL 5C3 (1994), conforme mostrada na Equação (7).

𝑌𝑝𝑎 = 𝑌𝑝 √1 − 0,75 ( 𝑆_𝑎 𝑌𝑝 ) 2 − 0,5 (𝑆𝑎 𝑌𝑝 ) Equação (7)

A Equação (7) é baseada na teoria da máxima energia de distorção de Richard Von- Mises. A norma API TR 5C3 (2008) afirma que o material escoa quando a tensão equivalente de Von Mises, obtida através da teoria máxima energia de distorção (𝑆_𝑎), supera o limite de escoamento do aço do casing (σVME>Yp).

Segundo o critério de Mises, a análise de resistência dos tubos está baseada na comparação do limite de escoamento do material com a máxima tensão de Mises obtida na superfície do tubo, onde a tensão de Mises é dada pela combina ação das 3 tensões principais no estado triaxial de tensões e num tubo, sendo natural referir-se a um sistema de referência de coordenadas cilíndricas, ou seja, teremos cargas axiais (tração, compressão e flexão), tangenciais (decorrentes das outras duas componentes) e radiais (pressão interna e colapso).

Uma falha por pressão externa pode ser consequência de alterações da pressão de poro do reservatório, do fluido de perfuração e/ou da expansão térmica de gases no tubo. Os procedimentos para o cálculo da resistência mecânica do tubo empregado no revestimento do poço de petróleo utilizado nesse trabalho seguem às orientações normativas da norma API Bull 5C3 (2008).

A segurança estrutural das colunas de revestimento também deve estar associada ao estado limite. Quando a integridade estrutural, um estado de limite é definido quando uma estrutura deixa de obedecer a qualquer das finalidades de sua construção, e este pode ser estado limite último e estado limite de serviço.

O estado limite último (ELU) corresponde ao esgotamento da capacidade, portanto, associado ao colapso provocando a paralisação do uso. Pode ser ocasionado por ruptura de seções críticas da estrutura, colapso da estrutura, perda da estabilidade do equilíbrio e deterioração por fadiga. (BITTENCOURT E SOUZA, 2015)

O estado limite de serviço (ELS) está associado à durabilidade e bom desempenho funcional. Pode ser exemplificado através das deformações e deslocamentos excessivos para utilização normal da estrutura, fissuração prematura ou excessiva, danos indesejáveis (como corrosão, por exemplo), deslocamentos excessivos sem perda da estabilidade e vibrações excessivas. (BITTENCOURT E SOUZA, 2015)

Os conceitos de estado limitam o último e estado limite de serviço são métodos aplicados para verificação da segurança de desempenho estrutural de modo a majorar as ações dos esforços solicitantes, ou seja, permitir que os esforços resistentes de projeto sejam maiores ou iguais aos esforços solicitantes de projeto. (CORREIA E SANTOS, 2017)

4.3 DESAFIOS: AUMENTO DE PRESSÃO ANULAR DEVIDO AO EFEITO TÉRMICO EM