Uma metodologia para o estudo da flambagem de dutos aquecidos

Abstract

O projeto e a manutenção de tubulações submetidas a altas pressões e variações de temperatura vem despertando especial interesse das empresas que lidam com este eficiente meio de transporte. Nos dutos submetidos a variações de temperaturas e altas pressões, surgem forças compressivas ao longo do seu eixo. Estas forças ocorrem devido às restrições impostas pelo solo à livre expansão axial do duto. Estes efeitos podem fazer com que as forças compressivas alcancem um valor crítico, induzindo à flambagem vertical ou lateral o que pode levar a ruptura da tubulação. No presente trabalho apresenta-se uma metodologia para o estudo da flambagem térmica de dutos com a finalidade de determinar a temperatura segura de operação, que é um parâmetro indispensável ao projeto deste tipo de estrutura. Tanto a flambagem lateral (snaking) como a flambagem vertical (upheaval buckling) são considerados. Procedimentos analíticos e numéricos são aqui investigados. A grande vantagem dos procedimentos analíticos implementados neste trabalho é que eles permitem uma avaliação rápida da influência de diversos parâmetros (rigidez do tubo, reação do solo, peso do duto, profundidade de enterramento, etc.), o que é muito útil em um projeto ou verificação. Contudo, as simplificações adotadas podem fazer com que os resultados obtidos não correspondam a situações reais encontradas em campo. No entanto, uma modelagem mais realista do problema da flambagem térmica de dutos requer a utilização de métodos numéricos, sendo que o Método dos Elementos Finitos (MEF) foi adotado neste trabalho. O procedimento adotado consiste em realizar uma análise não-linear de um duto imperfeito para determinar a curva temperatura versus deslocamento transversal, cujo ponto limite de mínimo corresponde à temperatura segura de operação. Neste trabalho, o programa ABAQUS (HKS, 2001) foi utilizado para realizar as análises através do MEF. Este procedimento permite estudar a influência não só dos parâmetros citados anteriormente, como também das imperfeições existentes, sobre a temperatura segura de um sistema solo-duto. Neste trabalho serão estudados os efeitos da amplitude, comprimento e forma das imperfeições. Além disso, o caso teórico de dutos perfeitos pode ser estudado de maneira bastante satisfatória simplesmente considerando imperfeições (geométricas ou de carregamento) muito pequenas, o que permite a comparação com as soluções analíticas consideradas anteriormente. Uma característica importante do procedimento apresentado neste trabalho é a utilização da resposta obtida pelos modelos analíticos na definição da malha de elementos finitos a ser utilizada na análise do duto. Isto permite a construção rápida de uma malha de elementos finitos que leve a resultados precisos mesmo utilizando uma quantidade relativamente pequena de elementos, o que é muito importante do ponto de vista prático devido ao alto custo computacional de uma análise não-linear. Por fim, os resultados numéricos e analíticos decorrentes da análise dos dutos aquecidos na flambagem vertical e lateral são comparados, de forma a validar a metodologia proposta