Teste Hidrostático Petrobras Guilherme Donato
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(2) Conteúdo: Objetivo; 1 – Tipos de Tensões Atuantes em um Vaso de Pressão; 2 – Funções do Teste Hidrostático; 3 – Comportamento à Fratura de Descontinuidades com Característica Planar; 4 – Códigos de Inspeção; 5 – Conclusões; 6 – Recomendaç ões.
(3) OBJETIVOS Discutir aspectos relacionados ao comportamento de tensões e deformações em vasos de pressão; Avaliar o nível de tensões em regiões de mudanças geométricas; Apresentar características representativas de fraturas frágil e dúctil; Propor recomendações de estudos futuros.
(4) 1 - TIPOS DE TENSÕES ATUANTES EM UM VASO DE PRESSÃO.
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(6) Tensões Generalizadas Primárias. Tensões Localizadas Primárias + Secundárias.
(7) TENSÕES PRIMÁRIAS São as tensões necessárias para satisfazer as leis de equilíbrio da estrutura, desenvolvidas pela ação de carregamentos impostos. Sua principal característica é de que não é auto-limitante, ou seja, enquanto o carregamento estiver sendo aplicado a tensão continua atuando, não sendo aliviada por deformações da estrutura. Como exemplo temos as tensões de membrana circunferenciais e longitudinais em vasos cilíndricos submetidos ao carregamento de pressão interna..
(8) TENSÕES PRIMÁRIAS Se aumentarmos a pressão interna do vaso sem limite, o equipamento irá falhar por tensões primárias com deformações plásticas excessivas; Similar a um teste de tração no material; Normalmente romperá na direção longitudinal do costado cilíndrico..
(9) TENSÕES PRIMÁRIAS Critério de Dimensionamento: Escoamento inicial da fibra mais solicitada.. +h. z z. -h. dz 2h. N. Rótula plástica Critério de dimensionamento. M b Membrana. +. Flexão. z. =. z. σy. Elástico. σ. Parcialmente Plástico. z. σy. σ. -σy ho Totalmente Plástico. σy. σ.
(10) TENSÕES PRIMÁRIAS Nenhum ponto do equipamento em operação será submetido a tensões primárias superiores ao limite de escoamento mínimo do material; Durante o teste hidrostático a tensão de membrana primária máxima é limitada a uma fração do limite de escoamento mínimo do material (80% a 90%); Em resumo, todo o costado do equipamento, em regiões de tensões primárias generalizadas, trabalha em regime puramente elástico..
(11) TENSÕES PRIMÁRIAS Pm + Pb = 1,67 σy. Condição de teste hidrostático. σ max Pm + Pb = σy σy. 2. 2 Pb ⎛⎜ Pm ⎞⎟ + =1 3 σ y ⎜⎝ σ y ⎟⎠. Pm =. N 2bh. Pb =. 3 M 2 bh 2. (Pm + Pb ) = 1 σy. 1,0. CONDIÇÃO LIMITE. Condição de projeto Pm + Pb ≤ σ y. ESCOAMENTO INICIAL. REGIÃO DE PROJETO. Pm =1 σy. 0. ( ). Pm ≤ 2 σ y 3. 2/3. 1,0. Pm σy.
(12) TENSÕES PRIMÁRIAS Código ASME (conservadorismo): 1. Dimensionamento para o escoamento inicial da fibra mais solicitada enquanto que a falha ocorre com a formação da rótula plástica; 2. Não considera a reserva do material em função do encruamento;.
(13) TENSÕES PRIMÁRIAS Código ASME (conservadorismo): 3. Tensão admissível é definida como o menor valor entre Sy/1,5 ou Su/3,5 (ASME Seção VIII – Divisão 1 – Edição atual), no entanto, decorrente dos mecanismos de falha de um vaso de pressão, poderia ser definida como sendo Sy/1,5; O material real possui propriedades mecânicas superiores aos valores mínimos definidos nas tabelas do código para a especificação do material (> 20%)..
(14) TENSÕES PRIMÁRIAS Código ASME (conservadorismo): Um vaso ASME Seção VIII – Divisão 1, antes de 1988, projetado para uma pressão de 20,0 kgf/cm2, sem descontinuidades relevantes, irá falhar (perder capacidade de contenção) em uma pressão entre 60,0 e 80,0 kgf/cm2; Com uma pressão bastante inferior à pressão de falha, o vaso já perde sua função (deformações permanentes visíveis), mas mantem o fluido sob contenção;.
(15) TENSÕES PRIMÁRIAS Código ASME (conservadorismo): Se houver uma descontinuidade relevante no material, o vaso projetado para 20,0 kgf/cm2, poderá falhar quando alcançar 10,0 kgf/cm2, por exemplo; Descontinuidades com característica planar localizadas em regiões de tensões primárias irão evoluir e normalmente para a falha, desde que as dimensões sejam críticas (observar o conservadorismo das metodologias de análise)..
(16) TENSÕES SECUNDÁRIAS São as tensões desenvolvidas por restrições a deformações e compatibilidade de deslocamentos em pontos de descontinuidades. A característica básica desse tipo de tensão é sua capacidade de auto-limitação pela deformação. Como exemplo temos tensões devido à dilatação térmica restrita ou tensões residuais de soldagem..
(17) TENSÕES SECUNDÁRIAS Em função da restrição a deslocamentos e rotações, as tensões locais geradas são bastante superiores as tensões primárias em regiões afastadas. Cilindro e hemisfério juntos. Hemisfério sem pressão (não. Me δe. Hemisfério separado LINHA DE JUNÇÃO (LINHA DE. Q. Q δc. Mc. Cilindro sem pressão (não. Cilindro separado. Q Me. p. δc a. Mc. δe Q p.
(18) TENSÕES SECUNDÁRIAS 1,5. 1,5. TP. 1. (80% Sy). TS. (50% Sy). 0,5. TP. 1. TS. 0,5. (100% Sy). (100% Sy) 0. 0 0. 0,25. 0,5. 0,75. 1. 1,25. 0,5. 0,75. 1. 1,25. 1,5. EVOLUÇÃO DAS TENSÕES PRIMÁRIAS E SECUNDÁRIAS DURANTE PRESSURIZAÇÃO -1. -1. 1,5. 1,5. TP. 1. (0% Sy) 0,5. 0 0. 0,25. TP. 1. (40% Sy). 0,5. -1. 0,25. -0,5. -0,5. -0,5. 0. 1,5. 0,5. TS. 0 0,75. (25% Sy). 1. 1,25. 1,5. 0. -0,5. -1. 0,25. 0,5. TS (-50% Sy). 0,75. 1. 1,25. 1,5.
(19) TENSÕES SECUNDÁRIAS 2.0. Lim ite de Shakedown. 1.5. A. S / Sy. 1.0. B. 0.5. Range elástico = 2.Sy. 0.0. -0.5. Pm + Pb + Q < 3.Sm -1.0. C 0.0. 0.5. 1.0. ε /ε. 1.5. 2.0.
(20) TENSÕES SECUNDÁRIAS O aumento sem limite da pressão interna irá ocasionar uma necessidade crescente de compatibilização de deslocamentos e rotações nas regiões de mudança geométrica. A conseqüência é o aumento das deformações locais e o nível de plastificação. Como o processo é uma resposta ao carregamento crescente, são geradas tensões de flexão e de membrana superiores as existentes em regiões de tensões generalizadas, mas que são continuamente aliviadas pelas deformações permanentes;.
(21) TENSÕES SECUNDÁRIAS Descontinuidades com característica planar em regiões de tensões secundárias podem ter um comportamento diferente, decorrente das tensões e deformações mais elevadas na região; A descontinuidade não reconhece a diferença entre tensões primárias e secundárias; Como conseqüência, descontinuidadas em regiões de mudança geométrica podem evoluir durante a pressurização mas não falharem devido ao alívio do nível de tensões durante a deformação local..
(22) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões atuantes na junção costado x tampo PMA = 14,6 kgf/cm2 500. Smi Sma Sti Sta. 400 300. Tensão [MPa]. 200 100 0. Tampo torisférico ASME 10% L = 1.000,0 mm D = 1.000,0 mm t = 7,0 mm Material: SA-516 Gr.60 Eficiência junta = 1,0. -100 -200 -300 -400. Região torica do tampo. Região Central Esférica do Tampo. Costado Cilíndrico. -500 0. 100. 200. 300. 400. 500. Distância [mm]. 600. 700. 800. 900.
(23) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões atuantes na junção costado x tampo PTH = 21,9 kgf/cm2 500. Smi Sma Sti Sta. 400 300. Tensão [MPa]. 200 100 0 Tampo torisférico ASME 10% L = 1.000,0 mm D = 1.000,0 mm t = 7,0 mm Material: SA-516 Gr.60 Eficiência junta = 1,0. -100 -200 -300 -400. Região torica do tampo. Região Central Esférica do Tampo. Costado Cilíndrico. -500 0. 100. 200. 300. 400. 500. Distância [mm]. 600. 700. 800. 900.
(24) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões equivalentes na junção costado x tampo PMA = 14,6 kgf/cm2 700. 600. Tampo torisférico ASME 10% L = 1.000,0 mm D = 1.000,0 mm t = 7,0 mm Material: SA-516 Gr.60 Eficiência junta = 1,0. 500. Tensão [MPa]. SI interno SI externo. 400. Região torica do tampo. 300. 200. 100. Região Central Esférica do Tampo. Costado Cilíndrico. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Distância [mm]. 600. 700. 800. 900.
(25) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões equivalentes na junção costado x tampo PTH = 21,9 kgf/cm2 700. SI interno 600. Tampo torisférico ASME 10% L = 1.000,0 mm D = 1.000,0 mm t = 7,0 mm Material: SA-516 Gr.60 Eficiência junta = 1,0. Tensão [MPa]. 500. SI externo. 400. Região torica do tampo. 300. 200. 100. Região Central Esférica do Tampo. Costado Cilíndrico. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. Distância [mm]. 600. 700. 800. 900.
(26) TENSÕES SECUNDÁRIAS. Deformada na região crítica.
(27) TENSÕES SECUNDÁRIAS. Tensão equivalente.
(28) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões Equivalentes Bocais 1200 Pressão de Teste Hidrostático Pressão Máxima Admissível 1000. Tensão [MPa]. 800. Bocais sem reforço. 600. 400. 200. 0 2. 4. 8. Diâmetro do Bocal [in]. 16. 20.
(29) TENSÕES SECUNDÁRIAS Tensões Equivalentes Bocais 1200 Pressão de Teste Hidrostático Pressão Máxima Admissível 1000. Tensão [MPa]. 800. Bocais com reforço. 600. 400. 200. 0 2. 4. 8. Diâmetro do Bocal [in]. 16. 20.
(30) TENSÕES SECUNDÁRIAS. L2. L1.
(31) TENSÕES SECUNDÁRIAS Linha L1.
(32) TENSÕES SECUNDÁRIAS Linha L2.
(33) COMENTÁRIOS Regiões de mudança geométrica podem estar submetidas a tensões elevadas, que para a estrutura não implica em falha, mas sim em deformações; Uma descontinuidade localizada em região de mudança geométrica pode ser submetida a uma tensão elevada que, no entanto, se reduz ao longo da pressurização e geração de deformações permanentes;.
(34) COMENTÁRIOS Descontinuidades localizadas em bocais de pequenas dimensões podem não estar sendo avaliadas em uma pressurização (operação ou teste hidrostático); Nesse casos, o melhor seria a inspeção para a detecção da descontinuidade; Mesmo em bocais de dimensões maiores, descontinuidades localizadas na região de ligação da solda com o pescoço do bocal são submetidas a tensões reduzidas..
(35) 2 - FUNÇÃO DO TESTE HIDROSTÁTICO.
(36) FÁBRICA Promover deformações e acomodação do material em regiões de mudança geométrica; Não avalia a qualidade de fabricação do equipamento. Exemplo: bocal com uma trinca de fabricação na solda de ligação do pescoço com o costado do equipamento “sobrevivendo” ao teste hidrostático; Alívio restrito de tensões residuais de soldagem; Pode promover a distribuição de deformações em pontos de concentração de tensões Necessário para atender ao código e definir responsabilidade do fabricante..
(37) NO CAMPO Definir uma sobrepressão suficiente para qualificar uma condição operacional; Não tem mais função estrutural já que as deformações de acomodação do material já ocorreram no teste de fábrica; Somente ocorreriam deformações adicionais no caso de pressurização a um valor superior ao aplicado na fábrica; Pode não apontar descontinuidades planares, presentes no material mas não ativadas até a falha (exemplo: tensões de abertura reduzidas em bocais)..
(38) COMENTÁRIOS O teste hidrostático de fábrica tem objetivos diversos do teste de campo, no que se relaciona a sua função estrutural; A pressão de teste de fábrica é função do projeto / fabricação do equipamento; A pressão de teste de campo é função do estado físico do equipamento e o nível de acompanhamento (inspeção)..
(39) 3 - COMPORTAMENTO À FRATURA DE DESCONTINUIDADES COM CARACTERÍSTICA PLANAR.
(40) FRATURA FRÁGIL Característica catastrófica e relacionada a presença de um estado plano de deformações e/ou fagilização do material; Algumas razões para a fragilização: – Estado de tensões (espessura); – Temperatura baixa (aços ferríticos); – Taxa de aplicação do carregamento; – Presença de hidrogênio na matriz.. A presença de uma trinca de dimensão crítica na estrutura irá falhar quando se alcance o carregamento necessário no material;.
(41) FRATURA FRÁGIL Sem a ocorrência de propagação estável anterior à falha; A energia cedida ao material é dispendida integralmente em abertura de superfície, sem plastificação do material (mecanismo de propagação); Equipamentos, principalmente com espessuras elevadas, operando em altas temperaturas, podem estar sujeitos a falhas por fratura frágil durante a pressurização no teste hidrostático. Em muitos casos, em operação, o equipamento não falharia..
(42) FRATURA DÚCTIL Tipo de fratura relacionada a materiais com boa tenacidade (não fragilizados) e associados a um estado plano de tensões (espessuras mais baixas); Parte considerável da energia cedida ao material é dispendida para a sua plastificação; O comportamento dúctil do material favorece a um crescimento estável (mecanismo de propagação).
(43) FRATURA DÚCTIL O comportamento dúctil pode ocasionar as seguintes respostas do componente trincado: – Deformação na ponta de trinca quando do carregamento (blunting) – efeito benéfico no comportamento de trincas em processo de crescimento estável em operação (fadiga); – Crescimento subcritico da descontinuidade sem a falha – efeito deletério da pressurização, que pode afetar a integridade futura do equipamento; – Crescimento subcrítico estável levando à fratura dúctil; – Rasgamento do material (colapso plástico).
(44) FRATURA DÚCTIL. G=R Força Motriz. G, R. Resistência à Extensão. G (σ4). Limite Instabilidade dG dR = da da. Gc Estável dG dR ≤ da da. R G (σ3) G (σ2) G (σ1). σ 2a. σ πσ2 a G= E. ao. ac. a.
(45) FRATURA DÚCTIL Dimensão inicial da trinca reduzida e tensão baixa (sem crescimento estável ou crescimento estável reduzido). R. G, R Gc. G (σ1) ao. ac. a.
(46) FRATURA DÚCTIL Dimensão da trinca reduzida e tensão mais elevada (com crescimento estável). R. G, R. G (σ2). Gc. G (σ1) ao. ac. a.
(47) FRATURA DÚCTIL Dimensão inicial da trinca reduzida e tensão mais elevada (com crescimento estável). G (σ3) R. G, R Gc. G (σ1) ao. ac. a.
(48) FRATURA DÚCTIL Dimensão inicial da trinca reduzida e tensão mais elevada (fratura dúctil). G (σ4) R. G, R Gc. G (σ1) ao. ac. a.
(49) FRATURA DÚCTIL Quanto maior a tenacidade ou menor restrição, maior a possibilidade de crescimento estável na pressurização sem a ocorrência da falha. Diferentes Curvas R. G, R Gc. G (σ 3) R 1 G (σ 2) R2 G (σ 1).
(50) FRATURA DÚCTIL Tenacidade. PIPE. SENT. P W. a. FRACTURE TOUGHNESS [J, K, CTOD]. a/W. SENB (a/W = 0,3) SENB (a/W = 0,5) CT (a/W = 0,5). GEOMETRY CONSTRAINT [T, Q, M].
(51) 4 – CÓDIGOS DE INSPEÇÃO.
(52) NATIONAL BOARD INSPECTION CODE NB-23 / 2001.. RB-3234 – PRESSURE TESTING Um teste de pressão não necessita ser realizado como parte de uma inspeção periódica. Contudo, um teste deve ser feito quando há dúvidas na inspeção e dificuldades de avaliar formas de deterioração que podem afetar a segurança do vaso. Um teste de pressão pode ser necessário após certos reparos e alterações..
(53) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. SECTION 3 – DEFINITIONS 3.1 ALTERAÇÕES: Mudança física de qualquer componente ou um RERATING com implicações de projeto que afetam a capacidade de conteção….. Não devem ser consideradas como ALTERAÇÕES: any comparable or duplicate replacement, the addition of any reinforced nozzle less than or equal to size of existing reinforced nozzle, and the addition of nozzles not requiring reinforcement..
(54) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. SECTION 3 – DEFINITIONS 3.15 REPARO: O trabalho necessário para restaurar o vaso para uma condição admissível e segura para as condições de projeto. Se o reparo altera a pressão ou temperatura de projeto, os requisitos de RERATING devem ser satisfeitos. Um reparo pode ser a adição ou substituição de partes pressurizadas ou não pressurizadas que não alteram o RATING do vaso..
(55) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. SECTION 3 – DEFINITIONS 3.17 RERATING: Alteração na temperatura e pressão ou na pressão máxima admissível de trabalho do equipamento ou em ambos. A PMA do equipamento pode aumentar ou reduzir devido a um RERATING. Um DERATING abaixo das condições originais de projeto é permitido em função de áreas com perda de espessura..
(56) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. SECTION 3 – DEFINITIONS 3.17 RERATING: Quando um RERATING ocasiona aumento na PMA ou na temperatura ou a temperatura mínima é reduzida, testes mecânicos são requeridos e este procedimento deve ser considerado como uma ALTERAÇÃO..
(57) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. 6.2 RISK-BASED INSPECTION Os resultados de um estudo de RBI podem ser utilizados para estabelecer uma estratégia de inspeção e mais especificamente melhor definir o seguinte. c. A necessidade de teste de pressão após danos ocorridos ou após a execução de reparos ou modificações..
(58) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. 6.5 PRESSURE TEST Quando o INSPETOR AUTORIZADO acredita que um teste de pressão é necessário ou após certos REPAROS ou ALTERAÇÕES, o teste deverá ser conduzido em uma pressão de acordo com o código de construção utilizado para a determinação da pressão máxima admissível de trabalho..
(59) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. 7.2.10 TESTING Após a execução de reparos, um teste de pressão deverá ser aplicado se o inspetor acredita que seja necessário. O teste deverá estar de acordo com as regras de projeto de construção do vaso. Um teste de pressão é normalmente requerida após uma alteração. Sujeito a aprovação, ensaios não destrutivos apropriados devem ser requeridos quando o teste de pressão não é realizado..
(60) PRESSURE VESSEL INSPECTION CODE: MAINTENANCE INSPECTION, RATING, REPAIR, AND ALTERATION Downstream Segment - API-510 – Addendum 4, August 2003. 7.2.10 TESTING A substituição por ensaios não destrutivos após uma alteração poderá ser efetivada após consulta a um engenheiro com experiência em vasos de pressão e ao inspetor autorizado..
(61) 5 – CONCLUSÕES.
(62) CONCLUSÕES Os efeitos do teste hidrostático em vasos de pressão dependem da geometria do equipamento (rigidez dos componentes), comportamento do material (curva R), condições de fragilização do material, dimensões e orientação de descontinuidades, influência do meio (produto) e presença de mecanismo de propagação subcrítica em operação (fadiga, CST,…);.
(63) CONCLUSÕES Em algumas situações específicas a realização de um teste hidrostático pode não ser eficiente na detecção de descontinuidades reprovadas no equipamento (ensaios não destrutivos seriam indicados). Dessa forma, após alguns tipos de reparos, a obrigatoriedade da realização de um TH deveria ser discutida..
(64) 6 – RECOMENDAÇÕES.
(65) RECOMENDAÇÕES A possibilidade de crescimento subcrítico de descontinuidade deve ser estudada, baseando-se nas ferramentas atuais disponíveis (análises numéricas e experimentais) com o objetivo de identificar situações onde o teste hidrostático não forneceria a segurança desejada ou poderia influir na integridade futura do equipamento; Recomenda-se a avaliação de casos particulares: bocais de pequeno diâmetro e reparos de solda localizados e a definição de situações para a dispensa do TH..
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