Uma metodologia para verificação da segurança e dimensionamento ótimo de dutos com defeitos causados por corrosão

Abstract

O procedimento mais adequado para verificação da segurança de uma estrutura é quantificar a sua probabilidade de falha. A determinação deste valor pode ser feita utilizando o método de confiabilidade de primeira ordem (FORM), que recai em um problema de otimização para resolver o problema de confiabilidade estrutural. Outra alternativa é aplicar o método de simulação de aleatoriedade de Monte Carlo. O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para verificação da segurança e dimensionamento ótimo baseado na verificação da segurança de dutos com defeitos causados por corrosão. Por sua vez, para aplicação dos métodos de confiabilidade, a função de falha do problema deverá ser definida. Aqui, esta função será representada pela pressão interna aplicada e pela pressão de falha em termos de ruptura. Apesar da pressão de falha poder ser obtida por fórmulas empíricas usando códigos tais como B31G, RSTRENG, BS-7910 e DNV-99, o uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) torna o problema mais realístico na obtenção da pressão de falha do duto, pelo fato dos resultados empíricos serem em geral muito conservadores. Para calcular a pressão de falha considerando o MEF, as não-linearidades do material e da geometria devem ser consideradas. Este é um problema com simulação de alto custo, mesmo para uma única simulação. No caso de múltiplas avaliações da função e do gradiente, tal como o procedimento de análise de confiabilidade, dependendo do caso estudado, o alto custo computacional envolvido pode tornar o emprego desta ferramenta inviável. Modelos substitutos são apontados na literatura como uma ferramenta poderosa para superar os problemas citados. A idéia básica é a de construir uma simplificação matemática para o problema original normalmente de alto custo computacional. Este modelo aproximado é aqui utilizado para aplicações referentes à confiabilidade de estruturas fornecendo uma visão sobre as tendências globais das respostas no domínio de falha. Uma vez que o modelo substituto é construído, as várias avaliações de funções e seus gradientes que envolvem o processo de confiabilidade ficam diretamente associadas a este modelo, em substituição às respostas obtidas pelo modelo de simulação original. Neste trabalho, aproximação do tipo ajuste de dados via krigagem será utilizada. Finalmente, o dimensionamento ótimo do duto será apresentado visando garantir que em um determinado período de exposição, o duto conserve o nível de segurança com o menor custo de projeto possível. No contexto da verificação da segurança, o método semi-probabilístico também se insere. Em contrapartida, não é possível definir a probabilidade de falha fazendo uso deste método. O fatorde segurança será aqui calculado apenas para efeito de verificação. Serão estudados dutos com defeito isolado e com múltiplos defeitos. O presente estudo analisará incertezas relacionadas com parâmetros geométricos do duto e do defeito, com o carregamento aplicado e com as propriedades do material. Para efeito comparativo, a predição de falha desses dutos será representada por soluções empíricas tais como BS-7910 (1999) e por soluções numéricas via MEF e via técnicas de aproximação por krigagem. Comparações entre as diferentes metodologias de verificação da segurança serão apresentadas, considerando o efeito do tempo. O dimensionamento ótimo do duto será avaliado, considerando como variável de projeto a espessura do duto ou o tempo de inspeção. Com o presente estudo fica apresentada uma metodologia realística e viável na prática, podendo facilitar o trabalho do engenheiro na avaliação da segurança de dutos sujeitos à corrosão. Esta provém da aplicação de diferentes procedimentos. Estes envolvem: análise determinística nãolinear física e geométrica, análise de confiabilidade para consideração de incertezas no problema, uso de modelos substitutos e dimensionamento ótimo