Análise dos métodos de estimativa de vida por fadiga em juntas soldadas de tubulações

Abstract

A fadiga em juntas soldadas de tradição na indústria de petróleo e gás é um problema significativo e preocupante. Estas estruturas estão sujeitas a condições extremas de pressão, temperatura e corrosão, aliadas às vibrações interrogadas de equipamentos próximos como compressores e bombas. Diante desse cenário, a fadiga pode levar à falha prematura da junta, representando um risco à segurança e exigindo uma análise cuidadosa durante o projeto e a operação da operação. A estimativa de vida por fadiga devido a problemas planejados requer análises probabilísticas e estatísticas, e depende do histórico de carregamento presente na estrutura, podendo ser causada de diferentes maneiras. Uma delas consiste na avaliação no domínio do tempo, que implica na contagem de ciclos em diferentes níveis de tensão obtidos a partir da análise de um sinal registado ao longo do tempo (Rainflow). Outra abordagem ocorre no domínio da frequência, onde é empregado um método estatístico baseado na resposta dinâmica da estrutura, a partir da FRF (Função Resposta em Frequência), PSD (Power Spectral Density) e de parâmetros estatísticos PDF (Probability Density Function). Este trabalho realiza uma análise de estimativa de vida para uma configuração típica do setor de óleo e gás. O espectro de tensão atuantes no pé da solda foi obtido por meio do método da tensão estrutural, ou tensão hot spot, via análise harmônica por MEF (Método dos Elementos Finitos). A partir do espectro de tensão é obtido a PSD, o que permite a obtenção das estimativas de vida tanto no domínio da frequência quanto no domínio do tempo por meio da conversão de domínio do sinal. Por fim, as principais diferenças são examinadas ao comparar os resultados obtidos em ambos os domínios.

Abstract: Fatigue in welded pipe joints in the oil and gas industry is a significant and worrying problem. These structures are subject to extreme conditions of pressure, temperature and corrosion, combined with random vibrations from nearby equipment such as compressors and pumps. Against this backdrop, fatigue can lead to premature failure of the joint, posing a safety risk and requiring careful analysis during the design and operation of the pipe. Estimating fatigue life due to random stresses requires probabilistic and statistical analysis and depends on the structure's loading history. One of these is evaluation in the time domain, which involves counting cycles at different stress levels obtained from analysis of a signal recorded over time (Rainflow). Another approach is in the frequency domain, where a statistical method is used based on the dynamic response of the structure, using the statistical parameters FRF (Frequency Response Function), PSD (Power Spectral Density) and PDF (Probability Density Function). This work carries out a life estimation analysis for a typical configuration in the oil and gas sector. The stress spectrum acting on the base of the weld was obtained using the method of structural stresses, or hot spot stresses, through harmonic analysis of the FEM (Finite Element Method). The PSD is obtained from the stress spectrum, which makes it possible to obtain life estimates in both the frequency and time domains by inverting the signal domain. Finally, the main differences are examined by comparing the results obtained in both domains.