Projeto e Integridade de Dutos -...

Projeto e Integridade de Dutos

Trabalhadores abrem caminho para a construção do Oleoduto Santos-São Paulo - 1950

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S

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S

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# #

S

#

S

#

@ S

S

S

S S

#

#

# #

# S #

S S

#

S

S

S

S

S S

#

S

S S

S

@ # S

# S # S

# S # S

# S

# S

# S

# S # S

# S

S

S # S

# S

# S

# S

#

# S

# S

S

GASBEL

PARA AMAZONAS

BAHIA

MATO GROSSO

GOIAS

PIAUI

MINAS GERAIS

MARANHAO

ACRE

PARANA

TOCANTINS

RORAIMA

SAO PAULO

RONDONIA

CEARA

MATO GROSSO DO SUL

RIO GRANDE DO SUL

PERNAMBUCO

PARAIBA

SANTA CATARINA

RIO DE JANEIRO

ALAGOAS

SERGIPE

DO NORTE

DISTRITO

FEDERAL

Puno

Salta

Sucre

Tacna Oruro

Belem

Tarija

Potosi

La Paz

S

S S

#

#

Salvador

Brasília

Belo Horizonte

Goiânia

Cuiabá

Campo Grande

Curitiba

São

Paulo

Rio de

Janeiro

Vitória

Florianópolis

Blumenau

Porto Alegre Uruguaiana

Alegrete Sta Maria Triunfo

Rio Claro

Ribeirão

Preto

Rio Verde

Itumbiara

Anápolis

Uberlândia

Uberaba

Paulínia Macaé

Juiz de

Fora

São Mateus

Ilhéus Itabuna

Ipojuca

Pecém

Fortaleza

Guamaré

Natal

João Pessoa

Recife Ipojuca

Maceió

Pilar

Aracajú Itaporanga d’Ajuda

Belém

Manaus

São Luís

Porto

Velho

Urucu

Rio Branco

Macapá

Teresina

0 410 820 1.230 205

Km

Escala: 1:17.000.000

Sistema de Projeção Geográfica

Datum SAD 69

#

#

S

S

PR

SP

RN

PB

AM

RJ

BA

AL

PE

SE

DF

MA

RS

CE

SC

ES

MG

MS

FAFEN

TERMINAL

REPLAN-BRASÍLIA

Anos 90

GASBOL

m a t e r i a i s

mo n t a g e m

Desapropriação,

Meio Ambiente,

Engenharia e

Gerenciamento

Estações de Medição,

SCADA,

Telecomunicações e

City - Gates

Linha Tronco

77%

12% 9% 2%

Estações de

Compressão

Ceneq2-2001

Planejamento Orçamentário PUC-Rio

40- 40- 20

Metro.pol

Ex: 50US$/L(m)xD(“)

Tubos

97%

Outros

1%

Válvulas

2%

Distribuição dos Investimentos em Materiais

PUC-Rio

PUC-Rio Fases

Projeto de Detalhamento

Abertura de Pista

Abertura da Vala

Distribuição de Tubos

Curvamento

Concretagem

Soldagem

Inspeção após Soldagem

Abaixamento / Cobertura

Proteção da Vala

Sinalização de Pista

Proteção de Pista

Instalação de Válvulas de Bloqueio

Teste Hidrostático

Proteção Catódica

Pig Geométrico

Secagem

Recomposição de Pista

Projeto Básico PUC-Rio

Estudo Cartográfico/Sobrevôo

Cabo Norte

Ponta Grossa

Ilha Camana Ilha Mexiana

Cabo Maguari

ILHA DE MARAJÓ

MACAPÁ

BELÉM

SANTARÉM

MANAUS

GUIANA

VENEZUELA

PORTO VELHO

AFUÁ

BARCARENÁ

TUCURUÍ

SOURESTA. ISABEL

BARCELOSANAJAS CAPANEMA

CASTANHAL

BREVESÓBIDOS PORTO

MONTE ALEGREDE MOZ

NOVO AIRÃO

URACARÁ

SEN. JOSÉPARINTINS PORFÍRIO

PARAGOMINASITAQUATIARA ALTAMIRA

MAUÉS

AUTAZESTEFÉ

CODAJÁS

ITAITUBA

BORBA

COARI

JACUNDÁ

MARABÁIMPERATRIZ

TAPAUÁ

BR-23

0

BR-230

MANICORÉ

TOCANTINÓPOLIS

SÃO FÉLIX DO XINGÓ

ARAGUAÍNACAROLINA

CONCEIÇÃO DO

SANTANA DO PEDRO AFONSOARAGUAIA

ARAGUAIA

ARAPOEMA

LÁBREA

DO RIO NEGRO

HUMAITÁ

R.B.

RIO TROMBETAS

F.N.CAXIUANA

P.N. AMAZONIA

R.F.GOROTIREMUNDURUCANIA

RESERVA FLORESTAL

P.N. PICO DA NEBLINA

ILHA

GRA

NDE DO G

URAPA

URUCU

REMAN

Estudo do Traçado PUC-Rio

Estudo do Traçado

Estudo Cartográfico/Sobrevôo

PUC-Rio

Estudo do Traçado

Estudo Cartográfico/Sobrevôo

Projeto Básico / Travessias

Projeto Básico PUC-Rio

Abertura de Pista PUC-Rio

Abertura de Vala PUC-Rio

Distribuição dos Tubos PUC-Rio

Distribuição dos Tubos PUC-Rio

Distribuição dos Tubos PUC-Rio

Distribuição dos Tubos PUC-Rio

Soldagem PUC-Rio

Soldagem PUC-Rio

Soldagem PUC-Rio

Abaixamento PUC-Rio

Teste PUC-Rio

Teste PUC-Rio

Montagem de Complementos PUC-Rio

Travessia de Grandes Rios PUC-Rio

Travessia de Grandes Rios PUC-Rio

Controle Centralizado

REDU

C

Bacia de Campos

Guararema

REVAP

PRA-1

CABIÚNAS

Ponto B

MACAÉ

JAPERI

VOLTA

REDONDA SÃO JOSE

DO BARREIRO

LORENA

BARRA

DO

FURADO

MINAS GERAIS

ES

SÃO PAULO

RIO DE JANEIRO

RIO DE JANEIRO

CENTRO DE CONTROLE OPERACIONAL

Controle Centralizado PUC-Rio

TELA DE CONTROLE DE PONTO DE ENTREGA VISUALISADA NO CNCO DE TRANSPETRO

PUC-Rio

Manutenção e Inspeção de Dutos PUC-Rio

INTEGRIDADE DE DUTOS

TUBULAÇÕES E DUTOS

• Tubulações: possibilitam o transporte e distribuição de líquidos, vapor e gases a curta e longa distância, dentro e fora de instalações industriais.

• Tubulações: transporte dentro das instalações industriais

• Dutos: transporte e distribuição entre instalações industriais que geralmente se encontram bastante distantes uma das outras.

• Os dutos possibilitam o transporte e distribuição de óleo, gás, e derivados com vazões suficientes e sob pressões relativamente altas para assegurar sua viabilidade econômica.

DUTOS: TRANSPORTE E INTEGRIDADE

• Existem dois produtos que relacionam as principais dimensões e variáveis de projeto

de um duto para atender sua função de transporte de líquidos ou gases, com

viabilidade econômica e segurança.

• Função de transporte e viabilidade econômica

• Função de segurança e integridade

• Estes produtos descrevem as relações entre a vazão Q de líquido ou gás, a pressão

interna necessária para o transporte p, o fator de atrito f de resistência ao

escoamento, a resistência mínima ao escoamento especificada do material do duto

SMYS e os dados geométricos da seção de um duto: diâmetro D e espessura t. Freire, PUC-Rio, UPB

Dezembro 2009

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2010

Freire, PUC-Rio, UPB

Fevereiro 2011

Qf.D.p kmn

tSMYSDp 2..

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2011

DUTOS: TRANSPORTE E INTEGRIDADE

• Uma tubulação falhará quando for impossibilitada de exercer a sua função de transporte ou quando apresentar um vazamento de quantidade significativa do produto.

• O processo que leva à ruptura de uma tubulação é resultante da associação de tensão alta (causada por alta pressão e projeto econômico, envolvendo tubos com paredes finas) com um ou mais mecanismos de dano (químicos ou mecânicos que criam defeitos nas paredes de contenção).

• Mesmo que as tensões sejam muito baixas, um processo de ataque químico ou de erosão das paredes deve ser evitado para que não se perca contenção e ocorra o vazamento.

Freire, PUC-Rio, UPB

Dezembro 2009

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2010

Freire, PUC-Rio, UPB

Fevereiro 2011

tSMYSDp 2.. SMYSt

Dpc

2

.

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2011

1 - TUBOS E CASCAS CILÍNDRICAS DE PAREDES

FINAS SOB PRESSÃO INTERNA

X p

D

D=2r

r0

ri p

c

t.

D.pl.D.pl.t..

F

cc

verticais

22

0

t

c

p

dq/2

t.

D.p

l.d.D

.pd

sen.l.t..

F

c

c

verticais

2

222

0

qq

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2011

X

r

l

X

C

cl

c

out

Dp

t

Dp

.4

.

2

.

c

l

c

p

D

t

Exemplo: vaso de pressão

com costado cilíndrico de

paredes finas. Tensões

atuantes em ponto da

superfície externa do

vaso, longe dos tampos

de fechamento localizados

nas suas extremidades

TUBOS E CASCAS CILÍNDRICAS DE PAREDES FINAS

SOB PRESSÃO INTERNA

Freire, PUC-Rio, UPB

Dezembro 2009

Freire, PUC-Rio, UPB

Fevereiro 2011

Vaso de pressão

Duto enterrado

Freire, PUC-Rio, UPB

Setembro 2011

2 - SOLICITAÇÕES E TENSÕES EM DUTOS

Pressão interna, p:

e, considerando-se um tubo

com tampos,

enterrado,

Momento fletor, M:

Momento torçor, T:

Esforço normal, N:

Esforço cortante, Q:

t

Dpc

.2

.

t

Dpl

.4

.

tD

M

I

cMl

..

.4.2

tD

N

A

Nl

..

tD

Q

A

Qlc

..

t

Dpl

.2

..

l

r c

tD

T

J

rTlc

..

.2.2

Um tubo para duto constituído de

material API 5L X70 tem diâmetro 18” e

espessura ½”. Determinar, segundo o

critério da energia de distorção, a

possibilidade de ocorrer escoamento

nos pontos mais solicitados do tubo

se ele estiver submetido:

a) ao esforço trativo P = 106 N

b) à pressão interna p = 10 MPa

(considerar o tubo fechado)

c) ao momento fletor M = 108 Nmm

d) ao momento torçor T = 2 x 108 Nmm

e) ao esforço cortante Q = ½ 106 N

f) à combinação dos esforços acima

T P

M

p Q

Sy 70 6.89 Sy 482.3

P 106

Q 10( )6 1

2 p 10 M 10

8 T 2 10

8

D 18 25.4 D 457.2 t1

225.4 t 12.7

1) PP

4D

2D 2t( )

2

P 56.386 FSPSy

P FSP 8.553

2) pc pD

2t pc 180 FSp

Sy

pc FSp 2.679

por T resca

pl pD

4t pl 90

3) M

MD

2

64D

4D 2t( )

4

M 52.149 FSMSy

M FSM 9.249

4)T

TD

2

32D

4D 2t( )

4

T 52.149 FSTSy

T 3 FST 5.34

5)Q

4

3Q

4D

2D 2t( )

2

Q 37.591FSQ

Sy

Q 3 FSQ 7.408

6) misesA P pl( )2

pc2

P pl( ) pc 3 T Q( )2

misesA 227.242 FSASy

misesA FSA 2.122

misesB P M pl( )2

pc2

P M pl( ) pc 3 T( )2

misesB 210.329 FSBSy

misesB FSB 2.293

A

B

Q

M

p

. P T

*

3 - ANÁLISE DE ALGUNS CASOS PARTICULARES

Cortesia: C.R. Charnaux Manobra de transporte de trechos de 1km de tubo rigido. Montam-se trechos de 1km para depois soldar e fazer trechos mais longos e enrolar nos navios de lançamento.

ANÁLISE DE ALGUNS CASOS PARTICULARES

Zona 1 Zona 2 Zona 3

q

q

...

0..1

E

E

cl

cll

Restrições

para dutos

enterrados

Trecho de duto com restrição Zona de transição Duto livre para deslocar-se

Zona 1 Zona 2 Zona 3

fa.x

tDA

FEALf zonactra

..

.... 3

q

axialexternaforçaoutra

pD

Fout

DptDAF zonalzona

.4

.

.4

.....

2

33

Fzona3

ANÁLISE DE ALGUNS CASOS PARTICULARES

Possibilidade

de flambagem

em dutos semi-

livres

Duto sob condições de flambagem:

P = força de ancoragem causada pela restrição que o solo oferece ao

deslocamento do duto; Pcr = força necessária para provocar flambagem no

comprimento livre L do duto; L = comprimento livre do duto, entre restrições do

terreno; C = condições de ancoramento do duto no terreno nas extremidades do

comprimento livre: C = 4, 2, 1, 1/4.

P

L

P

2

2 ...

.......

1.

L

IECP

EAAL

lEAP

ELl

crt

cp

c

q

q

Notar que Δθ > 0 origina ΔL > 0 P < 0

Então comparar P com Pcr para verificar a

possibilidade de flambagem

4 1/4 2 1

Acomodação

ao terreno

Duto livre, reto

Duto forçado a se acomodar

no terreno

r Caso elástico

Caso geral

2

32

2

2

1

1

dx

dy

dx

yd

r

EI

M

r

1

r

2

Dl

ANÁLISE DE ALGUNS CASOS PARTICULARES

T ensões e deformações em um duto que se acomoda ao terreno

Hipótese: trecho de duto tem curva de acomodação descri ta por uma senóide

Diâmetro do duto D D 508

espessura do duto d 9.5

profundidade média do aterro b b 1000

ampli tude da senóide a 100

comprimento de onda da senóide L 7000

y x( ) b a sin2

Lx

0 50001000015000200002000

1500

1000

500

0

y x( )

x

raio de curvamento do duto ?

INVr x( )

2x

y x( )d

d

2

1x

y x( )d

d

2

3

2

2

sin x

3500

122500

2

cos x

3500

2

12251

3

2

r x( )1

INVr x( )

deformação superficial do duto x( )D

2 r x( )

0 5 103

1 104

1.5 104

2 104

0.03

0.02

0.01

0

0.01

0.02

0.03

x( )

x 0.0001( ) 1.815 10

9

1751( ) 0.02

3500( ) 0

4 - MATERIAIS PARA DUTOS

Os dutos são fabricados de aços de baixo carbono com as seguinte

propriedades:

•Uma tenacidade à fratura alta, KIc > 60 MPa.m1/2.

•Resistência suficiente (existem várias gradações com resistências

ao escoamento variando de 175 a 700 MPa).

•Baixa temperatura de transição dúctil-frágil, θt< -10o C

•Boa soldabilidade

MATERIAIS PARA DUTOS

Tabela 6a: Valores de resistência mínimos

especificados para os aços API 5L – PSL1

PSL – product specification level

Grau SMYS SMUS

kpsi MPa Kpsi MPa

A25 25 172 45 310

A 30 207 48 331

B 35 241 60 413

X42 42 289 60 413

X46 46 317 63 434

X52 52 358 66 455

X56 56 386 71 489

X60 60 413 75 517

X65 65 448 77 530

X70 70 482 82 565

X80 80 551 90 620

MATERIAIS PARA DUTOS

Tabela 6b: Valores de resistência mínimos

especificados para os aços API 5L – PSL2

Grau

SMYS (MPa) SMUS (MPa)

mínimo máximo mínimo máximo

B 241 448 413 758

X42 289 496 413 758

X46 317 524 434 758

X52 358 531 455 758

X56 386 544 489 758

X60 413 565 517 758

X65 448 600 530 758

X70 482 621 565 758

X80 551 690 620 827

5 - PROJETO DE DUTOS

PROJETO NOMINAL ESTÁTICO, B31.8

TEFD

SMYStpd ...

..2

Tabela 2 – 841.114A Tabela 3 – 841.115A Tabela 4 – 841.116A

Classe de

localiz

ação

Número de

Constru

ções

F Especificação

do aço Classe do tubo E

Temperatura

(F) T

Cl.1, div.1 0-10 0.80

API 5L

(a norma

fornece

outras

classifica

ções)

Sem costura 1.00 <250 1.000

Cl.1, div.2 0-10 0.72 ERW(resistance) 1.00 300 0.967

Classe 2 11-45 0.60 EFW (flash) 1.00 350 0.933

Classe 3 46+ 0.50 Arco submerso 1.00 400 0.900

Classe 4 0.40 Forno-topo 0.60 450 0.867

Fazer as provisões

necessárias em t

para considerar

outras solicitações.

RELAÇÕES ENTRE pd, MOP, MAOP E TP, B31.8

TEFD

SMYStpd ...

..2

Classe de localização Fluido de teste

TP

MAOP (o menor de...)

TP mínima TP máxima

Classe 1, Div. 1 Água 1.25 x MOP - TP ÷ 1.25 ou pd

Classe 1, Div. 2

Água

1.25 x MOP

-

TP ÷ 1.25 ou pd Ar 1.25 x pd

Gás 1.25 x pd

Classe 2

Água 1.25 x MOP -

TP ÷ 1.25 ou pd

Ar 1.25 x MOP 1.25 x pd

Classe 3 e 4 Água 1.50 x MOP - TP ÷ 1.50 ou pd

2010

PROJETO NOMINAL ESTÁTICO, B31.4

TEFD

SMYStpd ...

..2

onde o fator F é sempre 0.72 para o tubo reto sem considerar travessias e

outras situações especiais. O fator E (junta soldada) é = 1.0 para os tubos

modernos. Usar T=1.0.

A MOP ou MAOP do duto só serão validadas após um teste hidrostático. A

MOP (ou MAOP) não pode exceder à pd que por sua vez deverá ser

validada por um teste com pressão (TP) no mínimo igual à 1.25 x pd . A

pressão de teste TP deverá ser sustentada por um tempo mínimo igual a 4

horas.

6 – INTEGRIDADE DE DUTOS (SEM DEFEITOS)

l

r c

Fator de segurança do duto sem defeito sob pressão interna

A espessura mínima do duto deve ser:

TEdSMYS

Dpt

....2

.min

Fazendo E=γE e T= γT = 1, o fator de segurança mínimo para o duto, FSmin, pode ser definido

como o inverso de F=γd. Assim tem-se que:

Dp

SMYStFS

d .

..21 minmin

7 - Mecanismos de danos em dutos e procedimentos

para sua detecção, acompanhamento e inibição.

4

1 – Trincas, propagadas de defeitos de fabricação e trincas

de fadiga ou HIC (induzidas pelo hidrogênio)

2 – Pites de corrosão

3 – Corrosão interna

4 – Corrosão externa

5 – Colônias de trincas(longitudinais ou circunferenciais)

induzidas por SCC (trincamento sob tensão em ambiente

corrosivo- CST)

6 – Mossa (dent, groove e gouge) provocada por ferramenta

(estaca, âncora). As mossas podem ter perda de material,

sulcos ou cavas e trincas a elas associadas

7 – Mossa provocada por apoio em rocha

8 – Enrugamento, flambagem, ovalização

9 – Sinalização

10 – Comunicação

11 – Proteção catódica

12 – Pigs (para diversos fins)

13 – Coupon para monitoração de corrosão

14 – Emprego de inibidores

15 – Revestimento anti-corrosão

1 2

5

6

7

9

10

11

3

15

14

13

12

8

8 - DUTOS COM DEFEITOS DE CORROSÃO

D

L

d t

t

p

jetofatordepro

MA

A

A

A

SD

tp

jetofatordeproSKt

Dp

flowdefeito

flow

defeito

Tresca

.

.1

1

...2

...2

.

0

0

jetofatordepro.

M.A

A

A

A

.S.D

t.p flowdefeito

0

0

1

12

0AA

y

uyS

SSMin 2.1,

2

t

dSMYS1.1

t

d

.3

.2

2

..893.01

tD

L

t

d

tLA

AA

.0

0

2

..893.01

tD

L

t

d85.0

222

0033750627501

t.D

L.

t.D

L.

t

d

tD

L

.31.01

2

Método Sflow Formato do

defeito M Fatordeprojeto

Resistência dos

Materiais

(procedimento

baseado na boa

prática)

Retangular

longo F.E.T

ASME B31.G

Aproximação

parabólica

L2 <20.D.t F.E.T

Retangular

longo

L2 >20.D.t

Área real SMYS + 70MPa Área do

defeito F.E.T

B31.G

modificado

(Arco e

Kiefner)

SMYS + 70MPa

Área do

defeito com

aproximação

retangular

média

F.E.T

DNV-RP-F101 Su ou SMUS Retangular

longo

(D/D-t) x 0.9 x

F.E.T

Notas: L é o comprimento medido do defeito na direção longitudinal, D é o diâmetro externo do duto, t é a espessura original

de parede, d é a máxima profundidade do defeito e F , E e T são fatores de projeto dados pelas normas ASME B31.4 e B31.8.

A DNV-RP-F101 usa o diâmetro médio no seu cálculo e por isto a correção D/(D-t) foi inserida no fator de projeto para que a

mesma expressão geral pudesse ser usada.

Exemplo:

Calcular a pressão de projeto de um duto considerado sem defeito. Usar a

Classe 1, divisão 1, B31.8, D = 273mm, t = 5.60 mm, E = T = 1, material API 5L

X70. Calcular a sua máxima pressão de operação caso surja um defeito (d =

2.6 mm, L = 200 mm) usando os seguintes procedimentos de adequação ao

uso: B31-G, Área Real, Arco e Kiefner, DNV RP F-101.

A 520

A ARealAReal d LÁrea Real

_____________________________________________________________________popB31 9.322

popB31 1.1pop 1d

t

Se AA maior que 4popB31 12.867

M 4.676popB31 2t

D Sflow3

1A

A0

1A

A0

1

M

F E TM 1 AA( )2

Se AA menor q ue 4

AA não pode ser maior q ue 4 ! ! !

AA 4.568AA 0.893L

D tA 346.667A

2

3L d

popDNV 10.787

M 3.018popDNV 2t

D t Su

1A

A0

1A

A0

1

M

0.9 F E T

A 520M 1 0.31

L2

D t

A L dDNV-RP-F101

______________________________________________________________________popAeK 12.207

M 3.887popAeK 2

t

D Sflow4

1A

A0

1A

A0

1

M

F E TA 442

M 1 0.6275L

2

D t 0.003375

L2

D t

2

A 0.85L dArco & Kiefner

______________________________________________________________________

popAReal 10.775popAReal 2

t

D Sflow4

1A

A0

1A

A0

1

M

F E T

dpercd

tL 200d 2.6

Dados da geometria de corrosão

pop 15.819pop SMYS 2t

D F E T

Pressão de Operação (Verificar determinação da MAOP através de Pressão de Teste)

Su 565Sy 482

SMUS 565SMYS 482T 1E 1F 0.80t 5.60D 273

Dados básicos de projeto (Dimensões em mm, material em MPa e fatores de projeto)

Cálculo de Pressão de Operação de Tubos com Corrosão Uniforme

Método da B31-G

_____________________________________________________________________

popRs 8.288popRs 2

t

D Sflow2

1A

A0

1A

A0

1

M

0.9 F E T''

A0 1.12 103

A 520M 1000A0 L tA L dMétodo ResMat

______________________________________________________________________Sflow4 SMYS 70Sflow3 1.1SMYSSflow2

SMYS SMUS

2Sflow1 1.2SMYS

Cálculo da tensão de colapso plástico

dperc 0.464

La 0 0.01 30 LaL

D t Pcomdefeito

Psemdefeito

RSF

RSFa

dt 0.0 0.10 0.80

dtd

tDNV-RP-F101

M La( ) 1 0.31La2

RSFdnv La dt( ) min 0.901 dt

1 dt1

M La( )

B31-G

B La( ) 1 0.893La( )2

RSFb31g La dt( ) min 0.9

12

3dt

12

3

dt

B La( )

0.893La 4if

min 0.9 1 dt( ) otherwise

0 5 10 15 20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Non-dimens ional defect length

Rem

ain

ing

Str

eng

th F

acto

rs RSFdnv La 0.2( )

RSFdnv La 0.4( )

RSFdnv La 0.7( )

RSFb31g La 0.2( )

RSFb31g La 0.4( )

RSFb31g La 0.7( )

La

Comparação

B31.G e DNV RP-F101