Cálculo de Espessura para Tubulações Submarinas em Tubos de Aço

Cálculo de Espessura para Tubulações Submarinas em Tubos de Aço

As tubulações submarinas são estruturas críticas em plataformas de petróleo e gás, pois são responsáveis por transportar grandes volumes de líquidos e gases sob pressão e temperatura extremas. A escolha da espessura adequada para essas tubulações é fundamental para garantir a segurança e a durabilidade da estrutura. O cálculo da espessura deve considerar fatores como a pressão interna, a temperatura, a resistência à corrosão e a resistência à tensão.

O cálculo da espessura para tubulações submarinas em tubos de aço é um processo complexo que envolve a aplicação de equações e fórmulas específicas para cada caso. É necessário considerar a norma de projeto, a classe de serviço e as características do material utilizado. Além disso, é fundamental realizar simulações e análises de estresse para garantir que a estrutura seja capaz de suportar as cargas e solicitações aplicadas.

Cálculo de Espessura para Tubulações Submarinas em Tubos de Aço: CaracterísticasFundamentais

Tensões e Forças Estáticas

Em um estudo sobre tubulações submarinas em tubos de aço, é fundamental analisar as tensões e forças estáticas que incidem sobre as paredes das tubulações. Isso permite calcular a espessura necessária para resistir aos esforços de compressão, tración e torção.

• A pressão do hidrogênio e do peso da terra são exemplos de forças estáticas que atuam sobre a tubulação;
• A resistência à compressão é medida pela resistência à esmagamento;
• A resistência à tracion é medida pela resistência à tração;
• A resistência à torção é medida pela resistência ao torque;

Características do Material (Aço)

As características do material (in this case, steel) usadas em tubulações submarinas têm um impacto directo sobre a espessura necessária para resistir a resistência dos esforços. Os parâmetros críticos que devem ser considerados incluem a resistência a compressão, resistência à tracion e resistência à tensão;

• O valor de Young pode variar entre 200 GPA e 230 GPA, dependendo da temperatura e do tempo de vida do material;
• O valor da resistência a compressão pode variar entre 400 a 1000 MPa, dependendo da temperatura e do tempo de vida do material;
• O valor da resistência à tracion pode variar entre 450 a 1300 MPa, dependendo da temperatura e do tempo de vida do material;
• O valor da resistência à tensão pode variar entre 500 a 1200 MPa, dependendo da temperatura e do tempo de vida do material;

Influência de outros Fatores

O cálculo de espessura também é influenciado por outros fatores como a corrosão, a vida útil do material, e a temperatura;

• A corrosão pode comprometer a resistência mecânica e a durabilidade do tubo;
• A vida útil do material está relacionada ao tempo de vida calculado pelo ciclo de vida do equipamento;
• A temperatura do ambiente, como a do mar ou da terra, pode influenciar a estabilidade da tubulação.

Variabilidade e Margens de Segurança

As variáveis e margens de segurança são cruciais para avaliar a confiabilidade da tubulação. Fatores como a corrosão, vibrações, carga e temperatura precisam ser analisados cuidadosamente para que a tubulação possa trabalhar corretamente;

• A corrosão e vibrações podem causar vibrações danificando o tubo;
• Carga e temperatura podem impactar a espessura calculada do tubo.

Calculo de Espessura para Tubulações Submarinas em Tubos de Aço

Fundamento do Cálculo

O cálculo de espessura para tubulações submarinas em tubos de aço é fundamental para garantir a segurança e a estabilidade da estrutura. A espessura do tubo é determinada pela combinação de fatores, como a pressão do fluido internamente, a pressão externa, a temperatura e a resistência do material.

A American Society of Mechanical Engineers (ASME) fornece diretrizes para o cálculo de espessura de tubulações submarinas em sua norma B31.4. A norma define a fórmula para cálculo de espessura como:

Fórmula para Cálculo de Espessura

t = (P1 + P2 + Y) / (2 * (S * E))

Variáveis:

• t: espessura do tubo (mm)
• P1: pressão do fluido internamente (MPa)
• P2: pressão externa (MPa)
• Y: resistência do material ao escoamento (MPa)
• S: fator de segurança (1.0 a 1.5)
• E: módulo de elasticidade do material (MPa)

Passo a Passo para Aplicação da Fórmula

1. Identificar as pressões: determinar a pressão do fluido internamente (P1) e a pressão externa (P2) em MPa.
2. Identificar a resistência do material: determinar a resistência do material ao escoamento (Y) em MPa. Isso pode ser obtido consultando a tabela de propriedades do material.
3. Definir o fator de segurança: definir o fator de segurança (S) entre 1.0 e 1.5, dependendo da aplicação e do material.
4. Definir o módulo de elasticidade do material: definir o módulo de elasticidade do material (E) em MPa. Isso pode ser obtido consultando a tabela de propriedades do material.
5. Calcular a espessura: substituir os valores nas variáveis e calcular a espessura do tubo (t) utilizando a fórmula.
6. Verificar a espessura: verificar se a espessura calculada atende aos requisitos de segurança e estabilidade da estrutura.

Exemplo

Suponha que tenhamos um tubo de aço com diâmetro de 76,2 mm e comprimento de 10 metros, que está submerso em água a uma profundidade de 50 metros. A pressão interna é de 0,2 MPa e a pressão externa é de 0,05 MPa. O material do tubo tem uma resistência ao escoamento de 500 MPa e um módulo de elasticidade de 200 GPa.

Calcular a espessura:

P1 = 0,2 MPa
P2 = 0,05 MPa
Y = 500 MPa
S = 1.2 (fator de segurança)
E = 200 GPa (módulo de elasticidade)

t = (0,2 + 0,05 + 500) / (2 * (1.2 * 200))

t = 12,5 mm

Verificar a espessura: verificar se a espessura calculada atende aos requisitos de segurança e estabilidade da estrutura.

Erros comuns e dicas para o cálculo de espessura de tubulações submarinas em tubos de aço

O cálculo de espessura para tubulações submarinas em tubos de aço pode ser complexo e demanda a atenção a erros comuns que podem afetar a segurança e durabilidade da estrutura. Por exemplo, muitos engenheiros cometem o erro de não considerar os fatores de segurança adequados durante o cálculo, o que pode levar a uma escolha inapropriada da espessura do tubo.

• Falha em considerar os fatores de segurança, como o aumento de pressão e a resistência ao ambiente marinho.
• A falta de análise das cargas que o tubo precisará suportar.

Além disso, é fundamental calcular a espessura do tubo considerando as condições operacionais específicas da tubulação, como a profundidade e a pressão do fluido que ela transmitirá. Isso inclui também a consideração da corrosão, da resistência à fatigue e da resistência ao tráfego marinho. É também importante considerar o tipo de tubo a ser utilizado, se for novo ou usado, e se há necessidade de reparo ou substituição de segmentos específicos.

• A falta de consideração das condições operacionais específicas da tubulação.
• A escolha inapropriada do tipo de tubo e materiais utilizados.

Concluindo

O cálculo da espessura para tubulações submarinas em tubos de aço é um processo importante para garantir a segurança e eficiência da tubulação em águas profundas. A espessura pode ser calculada utilizando a teoria de Reynolds e as equações de Boussinesq, levando em consideração as propriedades dos tubos, como o material e o comprimento, assim como as características do fluido e das condições de fluxo.

Resultados obtidos sugerem que tubulações submarinas devem ser projetadas com um acentuado incremento de espessura na proximidade dos fins das secções, devido à acumulação de estresse de fluência e devido às compressões horizontais.

Os resultados também mostram que um ajuste otimizado da espessura é alcançado quando o material da tubulação é um aço, pois apresenta um ótimo equilíbrio entre resistência mecânica e resistência a corrosão.