Tubulações Puc

PROJETO E INTEGRIDADE ESTRUTURAL DE TUBULAES E DUTOS

Tpicos a serem discutidos

Tenses em componentes tubulares sob presso interna. Tubos de paredes finas e espessas.

Noes sobre projetos de tubulaes e dutos.

Dimensionamento conforme ASME B31.3, ASME B31.4 e ASME B31.8.

Adequao ao uso de componentes com deteriorao.

TUBOS E CASCAS CILNDRICAS DE PAREDES FINAS SOB PRESSO INTERNA

Xp

D

D=r/2

r0

ri p

c

t.

D.pl.D.pl.t..

F

cc

verticais

22

0

==

=

t

Vc

p

dT

t.

D.p

l.d.D.pdsen.l.t..

F

c

c

verticais

2

222

0

=

=

=

Xr

l

X

C

t

D.pt

D.p

l

c

4

2

=

=

c

l

c

p

D

t

Exemplo: vaso de presso com costado cilndrico de paredes finas. Tenses atuantes em ponto da superfcie externa do vaso, longe dos tampos de fechamento localizados nas suas extremidades

TUBOS E CASCAS CILNDRICAS DE PAREDES FINAS SOB PRESSO INTERNA

TUBOS E CASCAS CILNDRICAS DE PAREDES ESPESSAS SOB PRESSO INTERNA E EXTERNA

( )

( )

Eru

drdu

rdrud

.

E

.

Er

u

drdu

drd

r

F

crr

rcc

cr

rrc

radiais

2

22

2

2

2

11

1

1

0

0

=+

+

=

+

=

==

=

=c

dT

c

r

drr

rr

+

dr

E

24221

23221

1

1

r.Kr

.KK

r.Kr

.KK

r

c

=

+=

r

r0

ri

pi

pow


24221

23221

1

1

r.Kr

.KK

r.Kr

.KK

r

c

=

+=

r

r0

ri

pi

pow

( )22

0

2200

2

220

200

2

1

0

i

ii

i

ii

rr

rrppK

rr

r.pr.pK

w

=

=

=

2012

220

2

1

0 00

r.KK

rr

r.pK

pw

i

ii

=

=

==

212

220

200

1

00

i

i

i

r.KK

rr

r.pK

pw

=

=

==

++

=

+

+++

+=

22

20

220

22

22

20

220

22

83

331

83

rr

rrrr

g

rr

rrrr

g

iir

iic


c

r r

r0

ri

pi

po

ri 20:= ro 40:= pi 100:= po 50:=

c r( ) K1 K2 1

r2

+:= r r( ) K1 K2 1

r2

:=

20 24 28 32 36 40120

100

80

60

40

20

0

20

4040

120

c r( )r r( )

4020 r

K1pi ri2 po ro2

ro2

ri2:= K2

pi po( ) ri2 ro2

ro2

ri2:=

TUBOS E CASCAS CILNDRICAS DE PAREDES ESPESSAS SOB PRESSO INTERNA

c

r r

r0

ri

pi

20 24 28 32 36 40100

50

0

50

100

150

200200

100

c r( )r r( )

4020 r

ri 20:= ro 40:= pi 100:= po 0:=

K1pi ri2 po ro2

ro2

ri2:= K2

pi po( ) ri2 ro2

ro2

ri2:=

c r( ) K1 K2 1

r2

+:= r r( ) K1 K2 1

r2

:=

TUBOS E CASCAS CILNDRICAS DE PAREDES ESPESSAS SOB PRESSO EXTERNA

c

r r

r0

ri

po

20 24 28 32 36 40150

100

50

0

5050

150

c r( )r r( )

4020 r

ri 20:= ro 40:= pi 0:= po 50:=

K1pi ri2 po ro2

ro2

ri2:= K2

pi po( ) ri2 ro2

ro2

ri2:=

c r( ) K1 K2 1

r2

+:= r r( ) K1 K2 1

r2

:=

DISCOS ROTATIVOS

c

r r

r0

riw

E

20 24 28 32 36 400

75

150

225

300300

0

cw r( )rw r( )

4020 r

ri 20:= ro 40:= 0.3:= 0.0000078:= N 1500:=

w2pi N

60:= g 1:=

cw r( ) 3 +8g

w2 ri2 ro2+ ri2

ro2

r2

+1 3+3 +

r2

:=

rw r( ) 3 +8g

w2 ri2 ro2+ ri2

ro2

r2

r2

:=

CILINDROS MONTADOS COM INTERFERNCIA

++

+

+=

=

==

==

ii

i

oi

oi

abab

Ebp

bcbc

Ebp

totalradialciaInterfernpppernointCilindro

pppexternoCilindro

22

22

022

22

0

0

00

212

22

21

00

a.KKabb.pK

ppwernointCilindro

=

=

==

ab

c

212

22

21

0

c.KKbc

b.pK

ppwexternoCilindro

i

=

=

==

y

i

y

i

y

i

yiotm

i

Sp

Sp

Sp

C

Ca

cCbc

a

b

Sac

acpb

abp

otimizadoojetoPr

+++

=

===

+=

=

3

121

2

2

2

22

22

2

220

TUBULAES E DUTOS

ASME CODE FOR PRESSURE PIPING B31.1 Power Piping B31.3 Process Piping B31.4 Piping Transportation Systems for Liquid

Hydrocarbons and other Liquids B31.5 Refrigeration Piping B31.8 Gas Transportation and Distribution Piping

Systems B31.9 Building Services Piping B31.11 Slurry Transportation Piping Systems

TUBULAES E DUTOS Tubulaes: possibilitam o transporte e distribuio de lquidos, vapor e gases a

curta e longa distncia, dentro e fora de instalaes industriais.

Os dutos possibilitam o transporte e distribuio de leo, gs, e derivados com vazes suficientes e a presses relativamente altas para assegurar sua viabilidade econmica.

Uma tubulao falhar quando for impossibilitada de exercer a sua funo de transporte ou quando apresentar um vazamento de quantidade significativa do produto.

O processo que leva ruptura de uma tubulao resultante da associao de tenso alta (causada por alta presso e projeto econmico, envolvendo tubos com paredes finas) com um ou mais mecanismos de dano (qumicos ou mecnicos que criam defeitos nas paredes de conteno).

Mesmo que as tenses sejam muito baixas, um processo de ataque qumico ou de eroso das paredes deve ser evitado para que no se perca conteno e ocorra o vazamento.

Mecanismos de danos em dutos e procedimentos para sua deteco, acompanhamento e inibio.

12

5

6

7

89

10

3

14

4

13

12

11

1 Trincas propagadas de defeitos de fabricao e trincas de fadiga e HIC2 Pits de corroso3 Corroso interna4 Corroso externa5 Colnias de trincas induzidas por SCC6 Mossa (dent, groove e gouge) provocada por ferramenta (estaca, ncora)7 Mossa provocada por apoio em rocha

8 Sinalizao9 Comunicao10 Proteo catdica11 Pigs (para diversos fins)12 Coupon para monitorao de corroso13 Emprego de inibidores14 Revestimento anti-corroso

5.521901Total

0.1242Equipamento de alvio

0.1654Defeito no cordo de solda

0.2898Defeito no duto

0.31107Erro de operao

1.44496Outros

1.52523Corroso

1.69581Causa externas

Taxa de acidentes em 104 km/anoNmero de acidentesCausa do acidente

Principais causas de acidentes nos EUA considerando 344 mil km de dutos de transporte e perodo de 10 anos

Principais causas dos acidentes

Muhlbauer: existem quatro solicitaes mais importantes e com igual peso que podem levar um duto perda de funcionalidade: Dano provocado por terceiros Corroso Falhas de projeto Operao incorreta

Principais causas dos acidentes e sua inspeo e preveno segundo Muhlbauer para dutos de transporte

Danos provocados por terceiros Operao incorreta

ProjetoCorroso

- projeto- identificao do risco- MAOP- sistemas de segurana- seleo de materiais- verificaes

- construo- inspeo- materiais- juntas- manuseio- proteo

- operao- procedimento- comunicaes- testes anti-drogas- programas de segurana- pesquisas- treinamento- previso contra erros

mecnicos- manuteno

- documentao- programao- procedimentos

- profundidade do aterro- nvel de atividade- instalaes no local- sistema de comunicao e avisos- programa social para conhecimento do risco- prioridade de acesso a servio- patrulhamento

- fator de segurana do trecho- fator de segurana do sistema- fadiga- teste hidrosttico- movimento do solo- potencial

Corroso Externa (duto enterrado)CorrosoAtmosfrica

- tipo de instalao- tipo de atmosfera- inspeo da proteo

- proteo catdica- condio da proteo externa- corrosividade do solo- idade- outros metais- corrente AC induzida- corroso mecnica- monitorao da proteo catdica- passagem de pigs

CorrosoInterna

- corrosividadedo produto- proteointerna(coating, inibidores, pigging, monitoramentointerno)

SOLICITAES E TENSES EM TUBULAES E DUTOS EXPRESSES PARA CILINDROS COM

PAREDES FINAS

Presso interna, p:

e, considerando-se um tubo com tampos,

Momento fletor, M:

Momento toror, T:

Esforo normal, N:

Esforo cortante, Q:

t

Dpc

.2.

=

t

Dpl

.4.

=

tDM

IcM

l..

.4.3pi

==

tDT

JrT

lc..

.2.3pi

==

tDN

AN

l..pi

==

tDQ

AQ

lc..pi

==

SOLICITAES E TENSES EM DUTOSDutos enterrados:

Os deslocamentos axiais ou longitudinais so impedidos devido ao contato com o solo, isto : l=0Presso interna, p: gera tenses circunferenciais e longitudinais (se contido).Peso prprio do fluido e da cobertura de terra: tenses desprezveisPeso de veculos em cruzamentos: analisarTemperatura: gera tenses longitudinais devido restrio imposta pelo solo.

Dutos areos:

Presso interna, p: gera tenses circunferenciais e longitudinais (se contido).Peso prprio do fluido e do duto: M devido a carga distribuda. Peso de equipamentos tais como vlvulas e flanges: carga concentrada gerando M, T e Q.Temperatura: gera carregamentos de M, T, N, e Q devido s restries impostas pelos apoios.Apoios: geram restries a certos deslocamentos e podem recalcar; considerar possibilidades de ocorrerem M, T, N e Q.

SOLICITAES E TENSES EM DUTOSDutos offshore

Peso de vo no suportadoPresso externa e internaExpanso e contrao trmicaPre-tensionamentoCurvasCargas estticas induzidas pelo soloOndas, correntes, solos marinhosVento, geloAtividade ssmicaMovimento da plataformaTemperaturaPressoProfundidadeCargas acidentaisNavegao comercialAtividade de pescaO projeto muitas vezes comandado por consideraes de instalao em vez de condies de operaoTempo de vida e previso de ocorrncia de carregamentos mximos (5.Tv ou 100 anos)

SOLICITAES E TENSES EM DUTOS

Tubulaes e Dutos:

Presso interna, p: gera tenses circunferenciais e longitudinais (se contido).Peso de veculos em cruzamentos: analisarTemperatura: gera tenses longitudinais devido restrio imposta pelo solo.Presso interna, p: gera tenses circunferenciais e longitudinais (se contido).Peso prprio do fluido e do duto: M devido a carga distribuda. Peso de equipamentos tais como vlvulas e flanges: carga concentrada gerando M, T e Q.Temperatura: gera carregamentos de M, T, N, e Q devido s restries impostas pelos apoios.Apoios: geram restries a certos deslocamentos e podem recalcar; considerar possibilidades de ocorrerem M, T, N e Q.

SOLICITAES E TENSES EM DUTOSDe um modo geral uma anlise de integridade para projeto ou avaliao de

adequao ao uso envolve itens no estanques que lidam com:

1. a funo esperada para o componente estrutural estudado.2. seu histrico de funcionamento, anomalias ocorridas, local de operao e sua

interao com o ambiente, etc.3. a anlise do projeto considerando o seu cdigo de projeto.4. as solicitaes que ocorreram e que ainda ocorrero e os estados de tenso

crticos.5. as propriedades mecnicas dos materiais envolvidos e sua possvel variao com

o tempo e o meio.6. o emprego de um critrio de resistncia que relacione os estados de tenso crticos

com as variveis ou propriedades mecnicas de resistncia correspondentes.

,...)n,F,E,,Local,Critrio,mat(S,...)a,b,L,d,,outros,meio,ondas,solo,t,D,,Q,N,T,M,p(

SFSSSm:Ex

DemandaCapacidadeemargM

adm

prprio

adm

=

=

==>=

=

0

PROJETO NOMINAL ESTTICO, B31.8

TEFD

SMYStpd .....2

=

0.8674500.60Forno-topo0.40Classe 4

0.9004001.00Arco submerso0.5046+Classe 3

0.9333501.00EFW (flash)0.6011-45Classe 2

0.9673001.00ERW(resistance)0.720-10Cl.1, div.2

1.000

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

TEFD

SMYStpd .....2

=

TP 1.40 ou pdSem limite1.40 x MOPguaClasse 3 e 4

1.25 x pd1.25 x MOPArTP 1.25 ou pd

Sem limite1.25 x MOPguaClasse 2

1.1 x pdGs

1.1 x pdAr TP 1.1 ou pd

Sem limite

1.1 x MOP

gua

Classe 1, Div. 2

TP 1.25Sem limite1.25 x MOPguaClasse 1, Div. 1

TP mximaTP mnimaMAOP (o menor de...)

TPFluido de testeClasse de localizao

PROJETO NOMINAL OFFSHORE, B31.8A842.22 Projeto contra o escoamento( )

( ) ( )( )

( ) S.F:MisesNotaverS.F:Tresca:CombinadasTenses

S.FZ

M.iM.i

AF

ou:alLongitudinTensoA..TabT

SMYSS

T.S.Ft

Dpp:ncialCircunfereTenso

/tlhlh

/

tlh

l

/ooiib

a

balbal

eih

321222

3

2122

2

2122

1

3

12

2

116841

2

++

+

+=

=

=+=

=

=

=

A842.24 Projeto contra a flambagem e ovalizaoConsiderar a flambagem local, sua propagao e os efeitos de flambagem de colunas

0.900.800.50Tubulaes de plataforma e

Risers

0.900.800.72Dutos

F3F2F1Localizao

Tabela A842.22: Fatores de Projeto

Teste Hidrosttico:Dutos: pT >1,25 MAOPTubulaes e Risers: pT >1,40 MAOP

Nota 1: O valor mximo da tenso cisalhante pode no ser dado por esta expresso que, no entanto, ser coberto pela expresso da tenso circunferencial.


304 Projeto de componentes sob pressoOs procedimentos no pargrafo 304 so dirigidos para componentes que no sejam cobertos pela Tabela 326.1 mas podem tambm ser usados para estes itens para cobrir condies mais rigorosas de projeto.

304.1.2 Tubo reto sob presso interna

304.1.3 Tubo reto sob presso externaPara clculo de t e requisitos de enrijecimento, usar a ASME VIII Div.1 UG28 a UG30 e Figura G da sub-parte 3 da seo II, parte D.

( )( )

( )( )

trmicastensese,fadiga,aresistncideteoriascomoespeciaisesconsiderausar

.

SEP

out

D

..TabelaYYPSE

cdpt

.Ae.ATabelasS

BA,AATabelaEPYSE

pDt

t

DPara

38506

11304122

21

112

6

>

=

+

=

=

+>


K 304 Projeto de componentes sob alta pressoK 304.1.2 Tubo reto sob presso interna

304.1.3 Tubo reto sob presso externaD/t < 3,33, usar K304.1.2 se uma das bases for exposta presso externa.D/t < 3,33, se nenhuma das bases for exposta presso externa, ou D/t > 3,33, usar 304.1.3 mas usar valores de S retirados da Tabela K.1

( )

( )( )

+

+=

=

+

=

=

+=+=

=

i

o

i

o

o

oim

cTcTdln

,

SpoucTD

cDln,

Sp

SP,

expcd

touS

P,exp

cDt

oexterna,iernaintespessurassobrecmedidaoualminnomnimaespessurat

cccctt

.KTabelaSFSeMisesemBaseado

22

155122

1551

115512215511

22

12

1


TEFD

SMYStpd .....2

=

onde o fator F sempre 0.72. O fator E pode ser obtido da Tabela 3 acima. Usar T=1.0. A MOP ou MAOP do duto s sero validadas aps um teste hidrosttico. A MOP (ou MAOP) no pode exceder pd que por sua vez dever ser validada por um teste com presso (TP) no mnimo igual 1.25 x pd . A presso de teste TP dever ser sustentada por um tempo mnimo igual a 4 horas.

MATERIAIS PARA DUTOS

Os dutos so fabricados de aos de baixo carbono com as seguintepropriedades:

Uma tenacidade fratura alta, KIc > 60 Mpa.m1/2.Resistncia suficiente (existem vrias gradaes com resistncias ao escoamento variando de 175 a 700 MPa).Baixa temperatura de transio dctil-frgil, t< -10o CBoa soldabilidade

MATERIAIS PARA DUTOS

Valores de resistncia mnimos especificados para os aos API 5L

6209055180X805658248270X705307744865X655177541360X604897138656X564556635852X524346331746X464136028942X424136024135B3314820730A3104517225A25MPaKpsiMPakpsi

SMUSSMYSGrau

ANLISE DE ALGUNS CASOS PARTICULARES

Trecho de duto com restrio Zona de transio Duto livre para deslocar-se

Zona 1 Zona 2 Zona 3

FlFsolo

( )

+=

=+=

...

0..1

EE

cl

cll

( )tDA

t

DpE

EAEALf

LfF

ltra

trasolo

..

.21.4.

.

1......

.

pi

+==

=

ll

l

lltampoll

EAFt

Dpt

DpE

..

.2.

.

.4.

.

1.

=

+=

++=

Restries para dutos enterrados

fa.x

Ltr


Possibilidade de flambagemem dutos semi-livres

P

Lf

P

( )

2

2...

.......

..

1

fcrt

cpf

cplpl

LIECP

EAAllEAP

Ell

pi

=

+==

+==


Acomodao ao terreno

Duto livre, reto

Duto forado a se acomodarno terreno

EIM

dxyd

==

1

2

2

DUTOS COM DEFEITOS DE CORROSO

D

L

d t

t

p

jetofatordepro.M.A

AAA

.S.D

t.p

fator.SK.t.

D.p

flowdefeito

flowdefeito

Tresca

=

==

0

0

1

12

2

jetofatordepro.M.A

AAA

.S.D

t.p flowdefeito

=

0

0

1

12

0AA

+

yuy S

SSMin 2.1,

2 td

SMYS1.1 td.3.2

2

.

.893.01

+

tDL

tLAAA

.0

0

=

2

.

.893.01

+

tDL

t

d85.0

2220033750627501

+t.D

L.

t.DL

.

t

dtD

L.

31.012

+ (D/D-t) x 0.9 F.E.TRetangular

longoSu ou SMUSDNV-RP-

F101

F.E.T

rea do defeito com aproximao

retangular mdia

SMYS + 70MPa

B31.G modificado

(Arco e Kiefner)

F.E.Trea do defeitoSMYS + 70MParea real

F.E.T + outras restries

Aproximao parablicaB31.G

0.9 F.E.TRetangular longoGrosseiro (ResMat)

FatordeprojetoMFormato do defeitoSflowMtodo

Aplicao da ASME B31G : Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines

Metodologia:

Baseia-se no fato que aos para dutos tm uma tenacidade adequada e que a tenacidade no um fator relevante para a integridade (no h risco de falha frgil e que a fratura ser comandada pelo colapso plstico e esgotamento de ductilidade do ligamento resultante)

A falha de defeitos de corroso com contornos suaves controlada pelo seu tamanho e pelo limite de escoamento ou flow do material

Os tubos devem poder suportar a presses que levem seu material na regio crtica a resistir uma tenso pelo menos igual ao SMYS.

Aplicao da ASME B31G : Manual for Determining the Remaining Strength of Corroded Pipelines

Aceitao:

Qualquer regio corroda que tiver sua aceitao validada pela formulao proposta para trabalhar na MAOP estabelecida capaz de suportar um teste hidrosttico que produzir uma tenso igual a 100% do SMYS do material do duto.

Qualquer regio corroda que for aceita para trabalhar sob uma MAOP reduzida capaz de suportar um teste hidrosttico onde a presso mxima de teste ser superior a esta MAOP reduzida por uma razo igual a 100% SMYS-teste sobre 72%SMYS-operao.

Outros modos de aceitao:

O operador poder fazer uma anlise rigorosa da regio corroda para determinar sua resistncia remanescente atravs usando a Mecnica da Fratura e dados reais da geometria (perfil) corroda

O operador pode restabelecer a MAOP atravs de um teste hidrosttico completo que produza uma tenso mnima igual a 100% do SMYS ou estabelecer uma MAOP reduzida baseada num teste bem sucedido sob uma menor presso.

Obter dados: D , t, d, Lm , MAOP

10%

Apresenta-se a seguir o procedimento com os clculos a serem feitos para aplicao do mtodo da B31G.

Neste mtodo, para cada defeito com perda de espessura determinam-se a profundidade mxima do defeito e o seu comprimento projetado num plano longitudinal paralelo ao duto.

Se d/t < 10%, nada ser necessrio fazer.

Se d/t> 80%, o duto dever ser reparado ou trocado.

Para 10%

2 - Determinao da MAOP reduzida se Lm>L.

Se MAOP < P usar MAOP;

Se MAOP > P estabelecer uma MAOP menor que P: reparar ou trocar

t.DL

..A m8930=

+

=

=

1321

321

11

24

2Atdt

d

.P.P

)D

T.F.t.SMYS.,MAOPmax(P

A

=

>

t

d.P.P

A

111

4

Exemplo:

Calcular a presso de projeto de um duto considerado sem defeito. Usar a Classe 1, diviso 1, B31.8, D = 273mm, t = 5.60 mm, E = T = 1, material API 5L X70. Calcular a sua mxima presso de operao caso surja um defeito(d = 2.6 mm, L = 200 mm) usando os seguintes procedimentos de adequao ao uso: B31-G, rea Real, Arco e Kiefner, DNV RP F-101.

A 520=

A AReal:=AReal d L:=rea Real_____________________________________________________________________

popB31 9.322=popB31 1.1 pop 1dt

:=Se AA maior que 4 popB31 12.867=

M 4.676=popB31 2 tD

Sflow31

AA0

1AA0

1M

F E T:=M 1 AA( )2+:=

Se AA menor que 4AA no pode ser maior que 4 !!!

AA 4.568=AA 0.893 LD t

:=A 346.667=A 23

L d:=

popDNV 10.787=

M 3.018=popDNV 2 tD t

Su1

AA0

1AA0

1M

0.9 F E T:=

A 520=M 1 0.31L2

D t+:=

A L d:=DNV-RP-F101______________________________________________________________________

popAeK 12.207=

M 3.887=popAeK 2t

D Sflow4

1AA0

1AA0

1M

F E T:= A 442=

M 1 0.6275 L2

D t+ 0.003375 L

2

D t

2

:=

A 0.85 L d:=Arco & Kiefner

______________________________________________________________________

popAReal 10.775=popAReal 2t

D Sflow4

1AA0

1AA0

1M

F E T:=

dperc dt

:=L 200:=d 2.6:=

Dados da geometria de corroso

pop 15.819=pop SMYS 2 tD

F E T:=

Presso de Operao (Verificar determinao da MAOP atravs de Presso de Teste) Su 565:=Sy 482:=

SMUS 565:=SMYS 482:=T 1:=E 1:=F 0.80:=t 5.60:=D 273:=Dados bsicos de projeto (Dimenses em mm, material em MPa e fatores de projeto)

Clculo de Presso de Operao de Tubos com Corroso Uniforme

Mtodo da B31-G_____________________________________________________________________

popRs 8.288=popRs 2t

D Sflow2

1AA0

1AA0

1M

0.9 F E T:=

A0 1.12 103=

A 520=M 1000:=A0 L t:=A L d:=Mtodo ResMat ______________________________________________________________________

Sflow4 SMYS 70+:=Sflow3 1.1 SMYS:=Sflow2SMYS SMUS+

2:=Sflow1 1.2 SMYS:=

Clculo da tenso de colapso plstico

dperc 0.464=

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