Andrielli Nunes Teixeira Pereira
Resumo
Risers estão sujeitos a carregamentos ambientais cíclicos e severos ao longo de sua vida útil. Nesse contexto, os conceitos da Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) podem ser uma ferramenta valiosa para garantir sua operação segura e reduzir o conservadorismo de seus projetos. Este trabalho apresenta duas abordagens, uma analítica e outra numérica, para análise da propagação de trinca por fadiga em três geometrias de risers rígidos. Inicialmente, o modelo global de cada riser foi desenvolvido no software Orcaflex com cargas oriundas de diferentes estados de mar. Essas análises forneceram tensões remotas aplicadas em modelos locais tridimensionais. A propagação de uma trinca superficial na primeira solda no topo dos risers foi avaliada pela técnica de crescimento arbitrário e incremental no software FRANC3D e pelas expressões empíricas da BS7910, 2013. Análises elastoplásticas foram realizadas e limitaram a propagação em a/t<0,8. Fatores de Intensidade de Tensão (FIT) foram calculados com o método numérico da Integral-M e expressões generalizadas foram ajustadas. Para a/t<0,5, os FITs da abordagem analítica e numérica estão em concordância, mas para a/t>0,5, o FIT da BS7910, 2013 mostrou-se conservador. A vida à fadiga calculada pela abordagem da propagação numérica da trinca se mostrou superior àquelas calculadas pelas equações da BS7910, 2013 e pela metodologia clássica das curvas S-N. Efeitos de sequência do carregamento de 500 (quinhentos) históricos de carregamentos de blocos de amplitude variável, com aplicação do modelo de Willenborg, foram analisados durante a propagação mostraram-se não significativos.
Abstract
Risers are subject to severe and cyclic environmental loading throughout their service life. In this context, the concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEMM) can be a valuable tool to ensure their safe operation and reduce the conservatism of their designs. This paper presents two approaches, one analytical and one numerical, to analyze fatigue crack propagation in three rigid riser geometries. Initially, the global model of each riser was developed in Orcaflex software with loads originating from different sea states. These analyses provided remote stresses applied to local three-dimensional models. The propagation of a surface crack at the first weld at the top of the risers was evaluated by the arbitrary and incremental growth technique in FRANC3D software and by the empirical expressions of BS7910, 2013. Elastoplastic analyses were performed and limited the propagation to a/t<0.8. Stress Intensity Factors (SIF) were calculated with the numerical method of the M-integral and generalized expressions were fitted. For a/t<0.5, the SIFs of the analytical and numerical approach are in agreement, but for a/t>0.5, the SIF of BS7910, 2013 proved conservative. The fatigue life calculated using the numerical crack propagation approach was superior to those calculated using the BS7910, 2013 equations and the classical methodology of S-N curves. Loading sequence effects of 500 (five hundred) historical variable amplitude block loadings, with application of Willenborg's model, were analyzed during propagation and showed to be non-significant.
