Avaliação do uso de placas tracionadas para simular o ensaio de tubos de parede fina pressurizados internamente
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Alexander Mattioli Pasqual
Emerson Giovani Rabello
Ronaldo de Faria Antunes
Emerson Giovani Rabello
Ronaldo de Faria Antunes
Resumo
Sabe-se que tubos de parede fina, isto é, com grande razão diâmetro-espessura (D/t), pressurizados internamente têm um estado de tensões similar ao de uma placa tracionada. O objetivo deste trabalho é avaliar a adequação do uso da placa plana para simular o ensaio de um tubo de parede fina pressurizado internamente com trinca radial através do método dos elementos finitos. Pretende-se obter uma primeira visão de quais características geométricas e mecânicas poderiam tornar a aproximação admissível. O estudo foi suportado por ensaios mecânicos para obtenção de propriedades em tração e de resistência ao crescimento de trinca de um aço comumente utilizado na indústria do petróleo. A análise da resistência ao crescimento de trinca foi realizada utilizando a teoria da mecânica da fratura elastoplástica. Foi mostrado que para tubos espessos, D/t10, a placa não pode ser utilizada para simular o ensaio em tubos. Por outro lado, para tubos de parede fina, D/t25, a hipótese mostrou-se verdadeira em condições onde a instabilidade à fratura ou o colapso plástico é plenamente dominante como mecanismo de falha. Para a primeira, os erros encontrados para a aproximação foram menores do que 1% para comprimentos de trinca menores do que 15% da espessura. Na instabilidade plástica, caso a carga de colapso seja determinada pela seção nominal, os erros encontrados foram de 11,4%. Foi mostrado que esta diferença é função da relação limite de escoamento-limite de resistência à tração do material, sendo inferior a 5% caso a relação seja superior a 0,9. Caso a instabilidade plástica seja determinada pela seção líquida, os erros encontrados entre a placa e o tubo de parede fina foram inferiores a 1%. Em caso de extensa plastificação e os dois mecanismos sejam importantes para a falha, a mecânica da fratura elastoplástica perde sua validade e o estudo não foi conclusivo.
Abstract
High diameter-to-thickness ratio (D/t) cylinders under internal pressure are ideally subjected to the same stress state than a plate under traction. The objective of this work is to evaluate, through finite-element modeling, if it is adequate to use a flat plate to simulate tests of thin-walled cylinders with radial crack-like flaw internally pressurized. It is aimed to establish a frame of geometric and mechanical characteristics that could validate this hypothesis. Mechanical tests were performed to define the stress-strain behavior under traction and the crack-growth resistance curve of a steel frequently used by the oil & gas industry. The theory of elastic-plastic fracture mechanics was used to analyze the crack-growth resistance. The results showed that the use of a plate is not adequate to simulate thick-walled cylinders with D/t10. On the other hand, for D/t25, i.e., thin-walled cylinders, the hypothesis might be valid if fracture instability or plastic collapse is the fully dominant failure mechanism. If the former is dominant, the difference between the use of a plate and a cylinder was found to be less than 1% for crack lengths up to 15% of the wall thickness. For the latter, if the limit load is defined by the nominal cross section, the difference was 11.4%. It was showed that this difference is function of the yield-to-tensile stress ratio, being less than 5% for ratios above 0.9. If the limit load is defined by the ligament, the difference was found to be less than 1%. If both plastic collapse and fracture instability play an important role as failure mechanism, the elastic-plastic fracture mechanics loses validity. Thus, for this last case, this study was not conclusive.
Assunto
Elasticidade, Plasticidade, Projetos mecânicos, Engenharia mecânica
Palavras-chave
Mecânica da fratura elastoplástica, Elasticidade, Plasticidade