Investigation of the measurement of through-thickness residual stress by combining digital speckle pattern interferometry and the slitting method

Abstract

O transporte de petróleo e gás do fundo do mar até a superfície em campos offshore de aguas profundas é possível mediante dutos não rígidos conhecidos como risers flexíveis. A flexibilidade é importante para suportar movimentos de maré, correntes marinhas e ondulações sem comprometer sua integridade. Esses dutos são muitos complexos do ponto de vista construtivo. Possuem internamente uma armadura de tração formada por arames de seção transversal retangular dispostos em forma de hélice, responsáveis de proporcionar resistência mecânica. Para garantir um ótimo funcionamento e evitar falhas estruturais, é necessário conhecer o estado de tensões nos arames que compõem essa armadura. A tensão total que atua nesses arames é dada pela soma da tensão aplicada (devido às condições de operação) e da tensão residual (que resulta do processo de fabricação). As tensões aplicadas podem ser medidas em tempo real usando equipamentos especiais, porém os resultados obtidos não levam em consideração as tensões residuais, o que pode gerar riscos em relação a integridade estrutural do riser. Desenvolver e validar uma metodologia apropriada para medir tensões residuais nos arames de tração do riser flexível foi a principal motivação para a realização desta pesquisa. O objetivo principal do trabalho é implementar a técnica slitting junto com interferometria speckle para determinar o perfil de tensões residuais em toda a seção transversal do material. Para validar o procedimento foram preparados corpos de prova com perfis de tensões conhecidos mediante um esquema de flexão a quatro pontos. Os resultados obtidos mostram perfis parecidos aos esperados com diferenças na região próxima à superfície. Embora tenha sido possível validar o procedimento de medição, o trabalho deixa claro que é necessário aperfeiçoar o procedimento experimental para atingir melhores resultados.

Abstract: The transportation of oil and gas from the seabed to the surface in deep water offshore fields is possible through non-rigid pipes known as flexible risers. Flexibility is important to withstand sea waves and current flows without compromising the integrity of the riser. These pipes are very complex from a constructive point of view. They have an internal tensile armor composed by flat rectangular wires helically wound, responsible for providing mechanical resistance. In order to ensure safe working conditions and avoid structural failures, it is necessary to known the stress state in these tensile armor wires. The total stress in the wires is a combination of the stress created by external loads (during service) and the residual stress (arose from the manufacturing process). The external loads can be measured in real-time by using special equipment, however the obtained results do not take into account the residual stresses, which could be a problem regarding to the structural integrity of the riser. The motivation of this research was to develop and validate a methodology to measure residual stresses in the tensile armor wire of the riser. The aim of the work is to implement the slitting technique combined with digital speckle pattern interferometry to measure through-thickness residual stress in steel specimens. To validate the measurement process, beam samples with known stress profiles were prepared by means a four-point bending scheme. The obtained results show similar profiles to those expected with differences in the near-surface region. Although it was possible to validate the measurement process, it is clear that improvements in the experimental procedure should be done in order to achieve better results.