Medição de tensões residuais em arames de risers flexíveis associando o método do contorno à interferometria de luz incoerente

Abstract

Acidentes em plataformas de petróleo podem causar danos ambientais e sociais inestimáveis. Dessa maneira, o transporte seguro de petróleo e gás em ambientes hostis, como as águas ultraprofundas do pré-sal, requer a aplicação de recursos de engenharia de altíssima tecnologia. Neste contexto, estruturas tubulares multicamadas denominadas risers flexíveis têm sido amplamente utilizadas para conectar unidades de produção offshore flutuantes a sistemas submarinos. As chamadas armaduras de tração, que são fabricadas a partir do enrolamento helicoidal de arames metálicos sobre o tubo, estão entre as camadas concêntricas dos risers e são formadas por aço com alto conteúdo de carbono para garantir a resistência dos dutos a diferentes cargas de operação. Os processos de fabricação dos arames e dos tubos sugerem que as tensões residuais presentes nos arames de tração podem ser expressivas, de forma que possam comprometer a integridade dos dutos caso sejam negligenciadas durante o projeto destes. Torna-se fundamental, portanto, conhecer a distribuição de tensões residuais nos arames. Há diferentes técnicas para a medição de tensões residuais. Para esta aplicação, a técnica conhecida como método do contorno se sobressai. O método é dividido em três grandes etapas: (a) corte da amostra em duas partes, (b) medição dos deslocamentos gerados pelo alívio de tensões resultante do corte e (c) processamento dos dados de medição para, por fim, calcular as tensões residuais. Pelo fato de as dimensões laterais do arame serem relativamente pequenas, desafios surgem nessas três etapas. O corte precisa ser feito de maneira extremamente cuidadosa; a técnica de medição deve possuir resolução e exatidão suficientes para registrar os deslocamentos micrométricos gerados pelo relaxamento das tensões residuais; e o processamento deve ser robusto para garantir que as tensões sejam calculadas corretamente. Para isso, neste trabalho, importantes testes experimentais são conduzidos para o processo de corte; a interferometria de luz incoerente, técnica para medição de deslocamentos até então nunca aplicada ao método do contorno, é utilizada; e novos algoritmos e processos de otimização são desenvolvidos para o processamento de dados. Dessa maneira, o método do contorno passa a possuir maior agilidade, melhor resolução, capacidade de avaliar peças menores e com baixos níveis de tensões residuais, além de passar a ter um custo mais baixo. Através de um estudo aprofundado, torna-se possível medir as tensões residuais dos arames de tração. Os resultados experimentais obtidos através do método do contorno neste trabalho apontam que as tensões residuais presentes nestes arames não são desprezíveis. A partir disso, será possível projetar risers flexíveis de forma mais confiável, garantindo a sua integridade e evitando possíveis acidentes catastróficos.

Abstract: Accidents involving oil platforms can cause severe environmental and social damage. Therefore, it is of paramount importance that highly technological engineering resources should be applied to assure the safe transportation of oil and gas in harsh environments, especially in the ultra-deepwater fields of the pre-salt basin. In this context, tubular multiple-layer structures called flexible risers have been widely used for connecting floating production units to submarine systems. The tensile armors, which are made of high carbon steel wires, are structural layers that are helically wrapped around the core of the pipe to withstand external loading. There are evidences supporting the possibility of the introduction of high residual stresses during the fabrication steps of the wires used to make the tensile armors. These residual stresses, if neglected during the design process, can compromise the flexible riser integrity. Thus, it is of great interest to measure the residual stresses present in the tensile armor wires. There are several different methods for measuring residual stresses. Among the available techniques, the contour method stands out for this application. The contour method can be divided in three main steps: (a) cutting the specimen into two parts, (b) measuring the deformation contour of the cut surfaces due to stresses release, and (c) analyzing the measured deformation data and calculating the residual stresses. As the metallic wires used in the construction of tensile armors have small cross sections, additional challenges arise during the cutting, measurement and processing steps. For example, the cutting process must be executed with extreme care in order to reduce the surface roughness. In addition, the measurement technique is required to have sufficient resolution and accuracy for measuring the micrometric displacements caused by the relaxation of the residual stresses. Also, the data processing has to be robust enough for calculating the stresses in a reliable way. Several experimental tests were carried out during the present work in order to achieve the mentioned goals: test of different cutting parameters and processes; innovation in the use of incoherent light interferometry to measure the surface contour; and implementation of novel algorithms and optimization routines during the data processing step. As a result, the contour method is now capable of higher measurement speeds, has higher resolution, and it is possible to measure small parts or parts with low stress levels at a reduced cost. A detailed study presented here shows that the contour method can be used to reliably measure residual stresses in tensile armor wires. Experimental results obtained in this work with the contour method point out that residual stresses present in these wires are not negligible. The measured data with the combined incoherent light interferometer and the contour method can be used during the design stages of flexible risers in order to assure its integrity and safe operation, consequently reducing the chances of catastrophic accidents during operation.