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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2014.tde-14122014-171536
Documento
Autor
Nome completo
Luís Fernando Schiano Parise
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2014
Orientador
Banca examinadora
Ruggieri, Claudio (Presidente)
Chaves, Carlos Eduardo
Mattar Neto, Miguel
O'Dowd, Noel Patrick Declan
Proença, Sergio Persival Baroncini
Título em inglês
Fully plastic J and CTOD estimation procedure for circumferential surface cracks in biaxially loaded pipes.
Palavras-chave em inglês
Fracture mechanics
Loading on structures
Pipes
Resumo em inglês
The main goal of this work is to develop an estimation procedure for the and CTOD driving forces for circumferential surface cracks in pipelines under combined bending and internal pressure loading. It is intended that the methodology proposed here will be applicable to a significant range of pipe and crack geometries, material yielding and strain hardening characteristics as well as loading biaxiality levels. In particular, pipelines currently employed in the offshore oil and gas production industry constitute an important class of potential application for this kind of procedure, and thus the current structural integrity concerns involving the reeling of pressurized pipelines have served as a motivating theme and bridge with real-world application throughout this research. The central theoretical framework upon which the developments presented here are based is the driving force estimation scheme known as EPRI methodology. This traditional approach for estimating and CTOD relies on splitting the driving forces into elastic and plastic components. The elastic part is calculated directly from widely available stress intensity factor solutions, while the plastic part is determined using fully plastic solutions derived from power-law descriptions of material behaviour. In the first part of this work the EPRI methodology in its more conventional form is extended to cover the cases of interest, allowing the calculation of and CTOD for circumferential surface cracks in pipelines subjected to combined internal pressure and bending loadings. This is done by carrying out detailed finite element simulations of bending of pressurized cracked pipes, the results of which then allow the direct determination of non-dimensional functions that correlate (CTOD) with applied loading, consistent with the form of the original EPRI fully plastic solutions. In the second part of the work attention is given to certain drawbacks and limitations of the procedure developed in the first part. A new, alternative procedure is then proposed which aims to overcome these problems by combining the main ideas behind the EPRI methodology with concepts from strain based design. The theoretical framework underlying this development is laid out and the analytical derivation of the new driving force estimation scheme is presented. Finally, results are given in a form similar to that employed in the first part, and the two procedures are compared. While they are shown to be conceptually equivalent, the strain based methodology is argued to be more readily applicable to some important classes of real world problems. The work concludes with comments on the effects of load biaxiality over crack driving forces and with discussions on the quality, accuracy and physical meaningfulness of the non-dimensional scaling functions obtained which correlate crack driving forces to loads or strains.
Título em português
Procedimento de estimação de J e CTOD em condições totalmente plásticas para trincos circunferenciais superficiais em dutos submetidos a carregamento biaxial.
Palavras-chave em português
Carregamento nas estruturas
Mecânica da fratura
Tubulações
Resumo em português
O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um procedimento para estimação das forças motrizes e CTOD para trincas circumferenciais superficiais em dutos submetidos a carregamento combinado de flexão e pressão interna. Pretende-se que a metodologia aqui proposta seja aplicável a uma ampla faixa de geometrias de duto e trinca, características de escoamento e encruamento de material e níveis de biaxialidade de carregamento. Em particular, dutos atualmente empregados na exploração submarina de óleo e gás constituem uma classe importante de aplicações em potencial para procedimentos dessa natureza. Por essa razão, a avaliação de integridade estrutural de dutos pressurizados submetidos a enrolamento em carretel serve como tema motivador e ponto de conexão com a aplicação real ao longo deste trabalho. A base teórica fundamental sobre a qual se assentam os desenvolvimentos aqui propostos é o procedimento de estimação de forças motrizes de trinca conhecido como metodologia EPRI. Este método tradicional de cálculo de e CTOD separa as forças motrizes em componentes elástica e plástica. A component elástica é calculada diretamente a partir de soluções para o fator de intensidade de tensões, que se encontram amplamente disponíveis. A componente plástica, por sua vez, é determinada a partir de soluções totalmente plásticas derivadas de um modelo de lei de potência para o comportamento do material. Na primeira parte deste trabalho a metodologia EPRI em sua forma tradicional é estendida para abranger os casos de interesse, permitindo assim a determinação de e CTOD para trincas circumferenciais superficiais em dutos carregados por flexão e pressão interna. Para isto empregam-se simulações computacionais por elementos finitos, os resultados das quais permitem a determinação direta de fatores adimensionais que correlacionam (CTOD) com o carregamento aplicado de maneira consistente com as soluções totalmente plásticas da metodologia EPRI original. Na segunda parte do trabalho a atenção se volta para algumas deficiências e limitações da metodologia desenvolvida na primeira parte. Um procedimento novo é proposto como alternativa, tendo por objetivo superar estas dificuldades a partir da combinação dos principais conceitos da metodologia EPRI com ideias derivadas do projeto baseado em deformações. Apresentam-se a base teórica subjacente à estes conceitos e a derivação analítica do novo procedimento de estimação de forças motrizes. Finalmente, resultados semelhantes aos obtidos na primeira parte são calculados e os dois procedimentos são comparados. Embora ambos sejam conceitualmente equivalentes, argumenta-se que o procedimento baseado em deformações é mais imediata e convenientemente aplicado a algumas classes importantes de problemas práticos. O trabalho encerra com comentários acerca dos efeitos de biaxialidade de carregamento sobre as forças motrizes de trinca e com discussões sobre a acurácia, relevância, e significância física das funções adimensionais que escalam as forças motrizes com cargas ou deformações.
 
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LuisParise_Tese.pdf (4.11 Mbytes)
Data de Publicação
2015-01-14
 
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