Corpos de Prova

Os corpos-de-prova são arames de aço carbono de alta resistência. A Tabela 1 apresenta as propriedades mecânicas típicas do material das armaduras de tração que foram utilizadas nos ensaios.

Tabela 1 – Propriedades mecânicas das armaduras de tração ensaiadas.

Mínimo 1300 1000 8 Limite de Resistência, N/mm2 Limite de Escoamento à 0,2%, N/mm2 Alongamento em 2" (51) (%)

Nos aços carbono comuns elementos como o carbono e manganês possuem influência no controle da resistência, ductilidade e soldabilidade. A maior parte dos aços carbono estruturais tem mais de 98% de ferro, de 0,2 a 1% de carbono e aproximadamente 1% de manganês (em massa). O carbono aumenta a dureza e a resistência, mas, por outro lado, afeta a ductilidade e a soldabilidade. Assim, pequenas quantidades de outros elementos de liga são empregadas para melhoria das propriedades do aço. O processo de fabricação dos arames é feito através de laminação a frio ou alternativamente, laminação a quente e em seguida laminação a frio para finalizar.

Durante o processo de fabricação, níveis de tolerância em relação à espessura e à largura do arame devem ser respeitados. Para determinação de qual seria o comprimento ideal do corpo-de-prova para a realização dos ensaios, foi utilizado um conector típico para uso em águas profundas. A Figura 29 apresenta o aspecto dessas armaduras de tração em um duto flexível.

Figura 29: Armaduras de tração de um duto flexível. [13]

6.2 Descrição do Problema

O processo de fabricação de dutos flexíveis é feito em etapas, como cada camada é diferente, é necessário que cada uma delas seja fabricada em uma frente de produção. Dessa forma, se faz necessário um número de maquinário extenso, sendo alocadas em linha, com o objetivo de se realizar a montagem consecutivamente.

Como o passo de assentamento da armadura de tração no duto flexível é feito por etapas, estas são computadas desde a chegada da matéria prima até a montagem nos conectores. A Figura 30 ilustra o processo.

O processo ocorre da seguinte forma, o Rim Drive que é o carretel pagador, é posto atrás da máquina de armadura de tração e alimenta ela, esta máquina alimenta bobinas que enrolam o arame ao longo da seção do duto, de acordo com um ângulo de assentamento,

previamente determinado, que varia de acordo com o tipo de linha, estes arames após serem enrolados na superfície do duto, são puxados através de um puxador, terminando num Rim Drive final. Existe uma etapa anterior que deve ser levada em conta que é o processo de preparação das armaduras de tração antes de levá-las as bobinas da maquina armadora.

Cada etapa descrita acima gera consecutivas deformações plásticas, resultando em tensões residuais no arame.

As armaduras de tração não são feitas na fábrica, mas sim fornecidas por fabricantes específicos e comprada pelos fabricantes de dutos. Esses arames são adquiridos em bobinas que possui um raio mínimo que depende dos equipamentos de fabricação empregados. Como a bobina do fornecedor não é do tamanho da bobina da maquina armadora, é necessário se realizar o bobinamento da bobina do fornecedor para a bobina da maquina armadora, que é padrão e possui um raio mínimo dependendo da espessura de cada arame. Com isso este processo também resulta em tensão residual, que é acumulada na armadura de tração, ao longo do processo de montagem.

O bobinamento ocorre de forma que o arame é desenrolado e enrolado no mesmo sentido do que foi desenrolado, conforme a Figura 30.

Figura 30: Transferência da armadura de tração utilizando o mesmo sentido de bobinamento. [13]

Uma análise que poderia ser feita para se aliviar a tensão residual nesta etapa de transferência da armadura de tração da bobina do fornecedor para a do fabricante do duto seria o seguinte, desenrolar o arame no sentido horário e a outra bobina recebê-lo no sentido anti-horário ou vice versa, poderia se avaliar se este processo diminuiria as tensões residuais, ao menos nessa etapa.

Conforme a bobina vai sendo preenchida, o raio de curvatura da armadura de tração também vai variando, aspecto este que deve ser considerado. Quanto mais próximo do eixo da

bobina, menor será o raio de curvatura, resultando em um nível de deformação plástica maior, do que na parte do arame que estiver na parte mais externa.

Quando o processo chegar ao fim, a armadura será enrolada no duto de forma helicoidal, como já dito anteriormente, com um ângulo de assentamento previamente determinado. Ao se enrolar helicoidalmente, o arame não fica com o raio do tubo, mas sim com um raio de curvatura equivalente maior, porém não será o objetivo deste estudo. Após a fabricação do duto serão montados conectores em suas extremidades, para isso a armadura de tração é presa em “aranhas” da mesma forma que foi feito no método experimental, com um raio conformador semelhante aqueles usados nos processos de montagem. O modelo analítico para o cálculo de tensão residual da armadura de tração quando esta é montada no conector é o foco do deste estudo e também será feito um modelo computacional. Ao fim da fabricação do duto e montagem do conector end fitting, a armadura é assentada numa peça chamada body, representando sua configuração final.

As etapas de fabricação do duto serão numeradas conforme a tabela 2. O estudo será baseado através de uma modelagem analítica levando-se em consideração todas as etapas do processo (1º ao 7º), mostrados na Tabela 2. Após isto será feita uma comparação com um estudo experimental, sendo este feito apenas nas últimas etapas, ou seja, no levantamento das armaduras de tração para a montagem dos conectores e assentamento no body, processos 6º e 7º, respectivamente.

Tabela 2 – Etapas de fabricação que geram deformação plástica.

Ao início de cada processo, o estado de tensões residuais atuará como estado inicial de tensões para o processo seguinte, de tal forma que a análise do último processo possibilitará a estimativa do estado de tensões residuais resultante. Nas próximas seções, serão apresentados os modelos de estudo com as considerações técnicas matemáticas necessárias para o desenvolvimento das análises de tensões residuais.

Entretanto, para o estudo que se segue neste presente projeto, será considerado que o arame, após todos esses processos, ainda não tenha tensão residual, ou seja, despreza a tensão residual no bobinamento e se considera somente a tensão residual no curvamento.

Estado A Estado B Aplicação de Momento Plástico

1° Processo O arame após ser fabricado é enrolado na bobina de fornecimento Reto Curvado Negativo 2° Processo O arame é desenrolado da bobina de fornecimento Curvado Reto Positivo 3° Processo O arame é enrolado na bobina da máquina Reto Curvado Negativo 4° Processo O arame é desenrolado na Máquina Armadora Curvado Reto Positivo 5° Processo O arame é enrolado na tubulação (produto final) Reto Curvado Negativo 6° Processo O arame é enrolado no raio de montagem Curvado Curvado Positivo 7° Processo O arame é assentado no "body" Curvado -- Negativo

Para este estudo utilizaremos o pino 14 e o body, admitiremos que o arame será dobrado à partir da posição inicial até o body, ocorrerá o alívio (sping back) e o arame será assentado no body. Outra análise feita será o arame partindo da posição inicial, sendo curvado até o pino 14, travado e sem aliviar a tensão, esse arame será dobrado até o body. A Figura 31 ilustra cada etapa da produção da camada armadura de tração.

Figura 31: Etapas do processo de conformação durante sua fabricação e montagem dos conectores. [13]

6.3 Procedimento Experimental

O ensaio foi realizado no CEFET, foi usado um sistema de dobramento das armaduras de tração. O dobramento realizado foi exatamente como na produção. O suporte foi usado para apoiar o corpo-de-prova, que se encontra engastado na horizontal, possibilitando o seu dobramento até o raio de curvatura máximo (raio do conformador). A base de aço do suporte pode ser fixada a mesa com três sargentos, há também uma chama de aço que trava o corpo- de-prova, isto é, o engasta, impossibilitando seu movimento no eixo horizontal, durante o

ensaio. Após ser curvado o arame tem que ser fixado e a trava “aranha” é responsável por esta função e por fim o body que também é uma chapa de aço, na qual o corpo-de-prova é assentado em sua configuração final. Cada corpo-de-prova é ensaiado um de cada vez.

Foi adotado que os corpos-de-prova têm configurações retilíneas, apenas com deformações residuais do processo de curvamento, desprezando as tensões residuais no processo de bobinamento. Foi desconsiderado o assentamento helicoidal do arame em torno do duto.

O modelo usado foi o de um material elástico perfeitamente plástico, entretanto foi observado que o comportamento real do arame é de um material elastoplástico com um pouco de encruamento.

6.3.1 Instrumentação

Foram colados no ensaio oito strain gauges, quatro na parte superior e quatro na parte inferior, todos estes nas partes onde o nível de deformação é maior. Os strain gauges usados são uniaxiais. Entretanto para este projeto foi adotada a posição de 250 mm ao longo do arame, para se analisar as tensões residuais nesta seção. O posicionamento esquemático do strain gauge usado no cálculo analítico foi dado na Figura 28.

6.3.2 Ensaios

Todos os ensaios foram realizados seguindo uma sequência definida. Pode-se dizer que o ensaio é constituído de 7 etapas: Dobramento da armadura da posição inicial até o 3º pino; dobramento da armadura até o 6º pino e em seguida até o 9º pino; dobramento da armadura até o 12º pino e em seguida até o 14º pino; Alívio da armadura após o 14º pino e em seguida travamento no body.

Entretanto será admitido no escopo analítico que não haja tensão residual no bobinamento e que o arame será dobrado da posição inicial até o pino 14 com e sem spring back e travado no body.

Figura 32: Posição Inicial. [13]

Figura 33: Dobramento até 14º pinos. [13]

6.4 Instrumentação

Os ensaios foram feitos em sete etapas conforme descrito e se trata de um teste estático. Para uma abordagem mais didática, serão consideradas duas etapas, sendo elas: curvamento da armadura de tração até o Pino 14 (Trava Aranha) e fixação da armadura de tração no Body, que são as etapas de maior importância, com e sem spring back.