Comparação dos resultados de ensaios de pressurização em tubulação de aço carbono API-X70 com diferentes tipos de malhas por FEM

Abstract

Resumo: Tubulações são utilizadas para transportes de fluídos em todo o globo. Levando desde água potável até petróleo e seus derivados, esse meio de transporte é essencial para a manutenção do atual estilo de vida da humanidade. Dessa forma, é de vital interesse que estas estruturas não venham a falhar por erros de projeto ou avaliações simplificadas das suas condições de operação. Sendo assim, simulações computacionais têm sido amplamente utilizadas para a avaliação de esforços em estruturas tubulares buscando aferir os mais diversos cenários antes mesmo que qualquer tubulação real seja exposta a estes carregamentos. Entretanto, simulações computacionais não prescindem avaliações experimentais e de campo, pois modelos numéricos não obrigatoriamente representam a realidade simulada. Isso pode ocorrer por erros de simplificação da realidade, malhas grosseiras ou condições de contorno. Tendo em vista a necessidade de se avaliar a adequação de modelos numéricos à realidade, no presente trabalho foram estudadas oito variações do modelo de uma tubulação sujeita a uma carga de pressurização interna. Desde modelos mais simples até modelos complexos com variadas condições de suporte e atrito. Os resultados de tensão das simulações foram comparados com os medidos em ensaios realizados em uma tubulação real de transporte de gás. Para seis dos modelos avaliados, foi feito ainda um estudo de convergência de malha para se levantar qual refino de malha é necessário para o carregamento proposto em cada tipo de modelo. Os dois modelos restantes, por serem mais complexos, foram comparados diretamente com as medições feitas nos pontos avaliados na tubulação ensaiada. A comparação dos modelos indicou que os modelos simplificados fornecem resultados significativamente adequados para avaliação da carga de tensão circunferencial (que é a mais crítica para tubulações). Tais resultados foram próximos aos resultados previstos pela avaliação analítica e pelos ensaios realizados.

Abstract: Pipelines are well used all around the globe to provide resources like oil, gas, water and sewer disposal. They are a quick and safe way of transportation that can cover great distances without much effort. Therefore, it is essential that they don't fail, whether by wrong design or mislead assumptions during its operation. For that reason, computational simulations had been an effective tool to proper design and evaluate as many conditions are needed before it goes to be installed. However, these simulations do not presume laboratory and in field evaluations, for numerical models may not always deliver a result that is suitable with the reality. It can happen mostly by working simplifications, rough meshes and erroneous boundary conditions. Thereby, it is needed to evaluate the adequacy of numerical models to reality. In this work, eight different models of a pressurized pipeline were compared between themselves and with two experimental results of an evaluation in a gas pipeline. This experimental evaluation was made with an API-X70 pipeline filed with water and pressurized. Six of these models were also evaluated in a mesh convergence study to validate witch mesh refinement to use in each model. The other two models were compared directly with the experimental evaluation. The comparison concluded that simplified models gave results slightly suitable for the evaluation of the hoop tension (which is more critic for pressurized pipes). These results were close to the prediction by the analytical solution and the experimental evaluation.