Avaliação da aplicabilidade da deflectometria combinada com o método do contorno para medição de tensões residuais em arames de risers flexíveis

Abstract

Risers flexíveis são tubulações especiais usadas para conectar unidades de produção de petróleo e gás situadas no fundo do oceano com as unidades flutuantes. São compostos por múltiplas camadas, dentre as quais as armaduras de tração, formadas por hélices de múltiplos arames de seção retangular que permitem absorver os esforços gerados pelo movimento do mar e ainda manter a flexibilidade da tubulação. Suspeita-se que o nível de tensões residuais presente nos arames da armadura de tração tem um impacto significativo na vida útil dos risers. A determinação das tensões residuais nos arames pode ser feita pelo método do contorno, que inicia pelo corte em uma seção transversal do arame pelo processo de eletroerosão a fio (WEDM). Em função do alívio das tensões residuais decorrentes do corte, a superfície do arame sofre deformações elásticas que podem ser medidas e utilizadas para determinar a magnitude e distribuição das tensões residuais originais presentes no arame. A medição deste relevo superficial é comumente realizada por meio de máquinas de medição por coordenadas, podendo ser realizada ponto a ponto ou em linhas. Dependendo da densidade de pontos desejada, o processo pode levar um longo tempo e resultar em incertezas de medição inaceitáveis. A deflectometria é uma técnica óptica de medição com grande potencial para atender as demandas do método do contorno e possibilitar a aquisição de um maior número de pontos em um menor período de tempo. O objetivo geral deste trabalho visa a análise da viabilidade de aplicação da deflectometria como técnica de medição para o método do contorno e a caracterização e investigação da influência da incerteza de medição resultante sobre o nível de tensões residuais. O processo de corte do arame por WEDM resultou em uma superfície pouco reflexiva, o que impossibilitou uma adequada medição por deflectometria. Foram experimentadas técnicas que provessem melhoria na refletividade da superfície; entretanto, a que demonstrou melhores resultados não foi capaz de aumentar a refletividade da superfície a ponto de permitir medições satisfatórias por deflectometria nos arames de risers flexíveis. Para dar continuidade ao trabalho foram utilizados outros corpos de prova com superfícies bem reflexivas e realizadas medições de referência. Assim, foi possível obter a caracterização metrológica do deflectômetro desenvolvido, levando à conclusão de que a deflectometria é uma técnica viável de medição para o método do contorno, caso a superfície a ser medida possa ser tornada reflexiva. As incertezas estimadas para o método do contorno apresentam valores entre 10 e 30 MPa. A existência de forte correlação linear positiva, encontrada no presente trabalho, entre os valores de incerteza de medição e dos níveis de tensões residuais simuladas, onde 0,1 µm equivale uma incerteza aproximada de 11 MPa nos níveis de tensões, com 95% de nível de confiança, realça a importância de se considerar a parcela de incerteza do equipamento de medição, que comumente não é considerada com a profundidade necessária na literatura. O trabalho conclui que, do ponto de vista metrológico, a deflectometria é viável para utilização com o método do contorno. Porém, é necessário ainda encontrar um processo capaz de melhorar a refletividade da superfície sem distorcê-la.

Abstract: Flexible risers are special pipelines used in the oil and gas industry to connect ocean floor production units to floating units. They are composed of multiple layers, including the tensile armors, formed by multiple wire helixes with rectangular cross sections to maintain flexibility. It is suspected that the level of residual stresses present in the tensile armors? wires have a significant impact on the service life of risers. The determination of the residual stresses in the wires can be done by the contour method, which involves the process of cutting a wire in its cross section by the use of wire electrical discharge machining (WEDM) process. Due to the relief of residual stresses caused by the cutting process, the wire surface suffers elastic deformations that can be measured and used to determine the magnitude and distribution of the residual stresses previously present in the wire. The measurement of these deformations is commonly done by coordinate measuring machines and can be evaluated point by point or in lines. Depending on the desired points density, the process may last a long time and may result unacceptable measurement uncertainty. Deflectometry is an optical measurement technique potentially able to fulfill the contour method?s demands and acquire large number of points in a shorter period. The general objective of this work is to analyze the feasibility of applying deflectometry as a measurement technique for the contour method and to characterize and investigate the resulting measurement uncertainty influence over the residual stress level. The wire cutting process by WEDM typically results in a poorly reflective surface, making proper measurement by deflectometry impossible. Several techniques to improve surface reflectivity were tried; however, the best results were not good enough for proper deflectometric measurements. In order to complete the analysis, a set of additional well-reflective surface specimens were used and reference measurements were acquired for each one. Therefore, it was possible to characterize the metrological performance of the deflectometer, leading to the conclusion that deflectometry is a viable measurement technique for the contour method if the surface to be measured can be made reflective enough. The measurement uncertainties for the contour method were estimated to be between 10 and 30 MPa. The results show a strong positive linear correlation between the measurement uncertainty values and the simulated residual stress levels, where 0.1 µm is equivalent to an approximate uncertainty of 11 MPa in the stress levels, with 95% confidence level. These results highlight the importance of taking into account the uncertainty portion of the measurement equipment, which is not commonly considered with the necessary depth in the literature. The work concludes that, from the metrological point of view, deflectometry is feasible for use with the contour method. However, it is still necessary to find a process capable of improving the reflectivity of the surface without distorting it.