Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Esta tese investiga o efeito do fechamento de trinca sobre as previsões da vida à fadiga em materiais homogêneos e juntas soldadas. É apresentada uma metodologia para a simulação numérica do fenômeno de fechamento de trinca induzido por plasticidade utilizando o método dos elementos finitos. Ensaios laboratoriais de propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A516 Gr. 70 à temperatura ambiente foram realizados usando corpos de prova típicos da mecânica da fratura nas condições soldada e homogênea. Estes resultados foram usados para validar a metodologia numérica do cálculo da carga de abertura de trinca. Comparações entre a vida de propagação experimental e as estimativas obtidas por meio da integração da lei de propagação, incluindo o efeito do fechamento de trinca, foram feitas usando vários critérios para o cálculo da carga de abertura. As análises numéricas permitem estimar a carga de abertura de trinca analisando a evolução do campo de tensões, deformações e deslocamentos na região próxima à trinca, que está influenciada pelo contato das faces da trinca. Menores níveis de proteção da trinca devido ao fechamento foram obtidos para o corpo com heterogeneidade mecânica quando comparado ao corpo homogêneo na modelagem numérica. Durante o ensaio de propagação o corpo homogêneo apresentou taxas de propagação de trinca relativamente menores quando comparadas ao espécime soldado. A não inclusão do efeito do fechamento de trinca resulta em previsões da vida à fadiga conservadoras em aproximadamente 20% para todos os casos estudados neste trabalho. Análises tridimensionais do fenômeno de fechamento de trinca revelam que o crescimento da trinca por fadiga no estagio II parece estar controlado pelo retardo que acontece na superfície do corpo de prova. Incluído o efeito do fechamento de trinca nas previsões, as estimativas da vida à fadiga foram bastante próximas das obtidas experimentalmente, com diferenças conservadoras entre 1% e 15% dependendo do método de cálculo da carga de abertura. Os resultados apresentados mostram que vidas à fadiga mais acuradas e, ainda, conservadoras são feitas incluindo o efeito do fechamento de trinca na metodologia de cálculo da vida remanescente de componentes estruturais. / This thesis investigates the effect of crack closure on fatigue life predictions in homogeneous material and welded joints. It presents a methodology for numerical simulation of the phenomenon of plasticity-induced crack closure by using the finite element method. Experimental tests of fatigue crack propagation on ASTM A516 Gr 70 steel at room temperature were performed using typical specimens of fracture mechanics in two conditions: welded and homogeneous; these results were used to validate the numerical methodology for calculating the crack opening load. Comparisons between experimental propagation life and estimations obtained by numerical integration of propagation law, including the effect of crack closure, have been made using various criteria to calculate the opening load .The numerical analyses allow to predict the opening load by analyzing the evolution of stresses, deformations and displacements fields in the region near the crack which is growing and is influenced by the contact of the crack flanks. Lower levels of protection due to crack closure were obtained for the specimen with mechanical heterogeneity when compared to the homogeneous specimen in the numerical analyses. During the test of fatigue crack propagation the homogeneous specimen had smaller crack growth rates when compared to the welded specimen. Fatigue life predictions without including the effect of crack closure result in conservative estimations around 20% for all studied cases. Three-dimensional analysis of the phenomenon of crack closure shows that the fatigue crack growth in stage II appears to be controlled by the delay that occurs on the specimen surface. Including the effect of crack closure in life predictions, the estimates of fatigue life were quite close to those obtained experimentally, with conservative differences between 1% and 15% depending on the method of opening load calculation. The results show that the fatigue life predictions can be made more accurate and yet remain conservative when the effect of crack closure is included on the methodology for calculating the remaining life of structural components.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para a medição de curvas de resistência J-R em espécimes SE(T) usando os métodos de flexibilidade elástica e método n. Uma descrição da metodologia sobre a qual J e o crescimento de trinca são medidos estabelece o contexto para determinar dados de resistência ao rasgamento dúctil com o emprego de curvas carga vs. deslocamento obtidas experimentalmente. A extensiva matriz de análises em estado plano de deformações de espécimes SE(T) complementada, em algumas geometrias selecionadas, com análises 3D permite a determinação numérica da flexibilidade adimensional, u, e fatores nJ e Y para uma grande faixa de proporções geométricas e propriedades de material características de aços estruturais e para dutos. Ensaios laboratoriais de um aço API 5L X60 à temperatura ambiente usando espécimes SE(T) carregados por pinos com entalhes laterais (side-grooves) fornecem os dados de carga e deslocamento necessários para validar o procedimento para determinar curvas de resistência do material. Os resultados apresentados nesta tese fornecem uma base de soluções para o futuro estabelecimento de norma padronizada para a medição experimental de curvas J-R em corpos de prova SE(T) mecanicamente similares a dutos com defeitos bidimensionais. / This work provides an estimation procedure to determine J-resistance curves for pinloaded and clamped SE(T) fracture specimens using the unloading compliance technique and the n-method. A summary of the methodology upon which J and crack extension are derived sets the necessary framework to determine crack resistance data from the measured load vs. displacement curves. The extensive plane-strain analyses and key 3D results enable numerical estimates of the nondimensional compliance, u , and parameters n and Y for a wide range of specimen geometries and material properties characteristic of structural and pipeline steels. Laboratory testings of an API 5L X60 steel at room temperature using pin-loaded SE(T) specimens with side-grooves provide the load-displacement data needed to validate the estimation procedure for measuring the crack growth resistance curve for the material. The results presented in the this thesis produce a representative set of solutions which lend further support to develop standard test procedures for constraint-designed SE(T) specimens applicable in measurements of crack growth resistance for pipelines.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10555.pdf: 13498632 bytes, checksum: a2f985eebcd01db42fa692b0aad0df6d (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

[pt] Neste trabalho apresenta-se um procedimento para a avaliação da Integridade Estrutural em máquinas de levantamento e movimentação de materiais utilizando a metodologia de Inspeção Baseada em Risco (IBR), com o objetivo de identificar as partes com maior risco de falha. Esta metodologia avalia tanto as Probabilidades de falha como as Consequências de falha para identificar os pontos críticos que serão analisados com prioridade nos programas de inspeção futuros. Um guincho hidráulico de pequeno porte é usado como exemplo da aplicação deste procedimento a equipamentos de grande porte. No desenvolvimento desta metodologia executa-se uma análise detalhada das tensões envolvidas nos principais pontos da máquina, considerando o cálculo analítico, cálculo numérico, medições experimentais e análise de incertezas. Para o cálculo das probabilidades de falha foram considerados os seguintes mecanismos de dano: colapso plástico por carregamento excessivo, fadiga e corrosão. As probabilidades de falha para cada mecanismo são calculadas e classificadas em diferentes níveis, assim como as consequências de falha, o que origina diferentes níveis de risco. / [en] This report presents a procedure for the assesment of Structural Integrity of material lifting and handling machinery, using the methodology of Risk Based Inspection (IBR - Inspeção Baseada em Risco) in order to indentify the parts with high risk of failure. This methodology assesses both probabilities of failure and consequences of failure to identify the critical points; those will be analyzed with priority in future inspection programs. A small hydraulic hoist is used as an example of this procedure applying to big equipments. A detailed strain analysis is carried out for the most important points of the equipment. The strain analysis consider analytic calculations, numeric calculations, experimental measurements and related uncertainly evaluations. In order to calculate the probabilities of failure, the followings damage mechanisms were considered: plastic collapse by excessive loading, fatigue and corrosion. The failure probabilities for each mechanism are calculated and classificated in different levels, as well as failure consequences, that originate different risk levels.

Structural Reliability treats uncertainties in structural design systematically, evaluating the levels of safety and serviceability of structures. During the past decades, it has been established as a valuable design tool for the description of the performance of structures, and lately stands as a basis in the background of the most of the modern design standards, aiming to achieve a uniform behaviour within a class of structures. Several methods have been proposed for the estimation of structural reliability, both deterministic (FORM and SORM) and stochastic (Monte Carlo Simulation etc) in nature. Offshore structures should resist complicated and, in most cases, combined environmental phenomena of greatly uncertain magnitude (eg. wind, wave, current, operational loads etc). Failure mechanisms of structural systems and components are expressed through limit state functions, which distinguish a failure and a safe region of operation. For a jacket offshore structure, which comprises of multiple tubular members interconnected in a three dimensional truss configuration, the limit state function should link the actual load or load combination acting on it locally, to the response of each structural member. Cont/d.

[pt] O presente trabalho, propõe um procedimento de Avaliação de Integridade Estrutural (AIE) nível I aplicado a estruturas de grande porte, e relaciona com a AIE com a Análise de Risco (AR) através de um modelo de Lógica Nebulosa. A partir de uma AIE nível I o cálculo da Vida Residual (VC) é feito, considerando os fenômenos de danos por fadiga, corrosão e fadiga-corrosão. A VC é comparada com uma Vida Desejada (VD), a qual é obtida da matriz de risco. Se VC é menor que a VD, recomenda-se fazer uma AIE nível II, ou fazer um programa de substituição do equipamento. Se VC é maior que VD determina-se um Tempo de Inspeção (T) baseado na Análise de Risco. A VD, que é a mínima vida residual aceitável em uma estrutura de grande porte, é determinado de uma Análise de Risco. Para isso, o especialista construi uma matriz de risco, na qual, indicam-se os diferentes níveis de risco aceitáveis para as estruturas. Para cada nível de risco associa-se uma VD e uma probabilidade desejada de falha (Pfd). O presente trabalho propõe duas metodologias para o cálculo de VC e T, a primeira baseada em um modelo teórico e a segunda em lógica nebulosa, onde os cálculos e simplificações são feitos considerando uma AIE nível I. / [en] The present work proposes a procedure of Structural Integrity Evaluation (AIE) level I applied to great load structures, it also relares AIE with the Analysis of Risk (AR) using a model of Fuzzy Logic. The calculation of the Residual Life (VC) has been done considering the phenomenons of damages for fatigue, corrosion and fatigue-corrosion. VC is compared to a Deserid Life (VD) wich is obtained of the risk matrix. If VC is smaller than VD, an AIE level II, or a program of substituion of the equipmentis recommended. If VC is larger than VD, a Time of Inspection (T) is determined based on the Analysis of Risk. VD, the minimum acceptable residual life in a great load structure, is determined of an Analysis of Risk. For that, the specialist determine the risk matrix, in which the different risk levels are indicated. For each risk level, it is associated a VD and a deserid probability of flaw (Pfd). The present work proposes two methodologies for the calculation of VC and T. The first based on a theoretical model and the second fuzzy logic, where the calculations and simplifications are made considering an AIE level I.

Structural Reliability treats uncertainties in structural design systematically, evaluating the levels of safety and serviceability of structures. During the past decades, it has been established as a valuable design tool for the description of the performance of structures, and lately stands as a basis in the background of the most of the modern design standards, aiming to achieve a uniform behaviour within a class of structures. Several methods have been proposed for the estimation of structural reliability, both deterministic (FORM and SORM) and stochastic (Monte Carlo Simulation etc) in nature. Offshore structures should resist complicated and, in most cases, combined environmental phenomena of greatly uncertain magnitude (eg. wind, wave, current, operational loads etc). Failure mechanisms of structural systems and components are expressed through limit state functions, which distinguish a failure and a safe region of operation. For a jacket offshore structure, which comprises of multiple tubular members interconnected in a three dimensional truss configuration, the limit state function should link the actual load or load combination acting on it locally, to the response of each structural member. Cont/d.

[pt] Neste trabalho avalia-se uma metodología de cálculo para a previsão da pressão de falha de um duto que contem colônias de corrosão, chamada Método das Linhas Ortogonais de Ruptura (MLOR). As colônias de corrosão são representadas por defeitos retangulares, localizados na superfície externa do duto. O objetivo do MLOR é ser mais exato que os métodos semi-empíricos da ASME e DNV utilizados até o momento. O MLOR também tem como objetivo evitar resultados não conservativos que podem ser obtidos com o método Mixed Type of Interacting (MTI). O MLOR apresenta outra forma de avaliar a perda de espessura efetiva de um grupo de defeitos. Ele propõe que se tracem linhas representativas do caminho pelo qual a ruptura do duto tem maior possibilidade de ocorrer, usando linhas paralelas às direções longitudinal e circunferencial do duto. Estas linhas são chamadas de linhas ortogonais de ruptura (LOR). Também considera-se o emprego de um fator de resistência circunferencial f no cálculo de uma espessura efetiva para a colônia. Este fator multiplica somente os comprimentos das LOR que estiverem na direção circunferencial do duto. O material íntegro existente entre dois defeitos é considerado na resistência à ruptura por meio da seleção de um caminho crítico que une os defeitos retangulares e que usa as direções longitudinal e circunferencial. Para a avaliação do MLOR usou-se pressões de falha para tubos com colônias de defeitos determinados experimentalmente e já publicados, além de simulações numéricas feitas pelo método dos elementos finitos (MEF), utilizando-se para isto o software comercial ANSYS. Por fim, neste trabalho concluiu-se que o MLOR apresentou bons resultados (máximos erro médio igual a -0.14 por cento e desvio padrão do erro igual a 3.53 por cento) quando comparados com os resultados experimentais e numéricos, já publicados, de nove corpos de provas em tamanho real. / [en] This dissertation comprises the evaluation of a new calculation methodology developed to predict the burst pressure of pipeline segments containing corrosion colonies. The new methodology is called Method of Orthogonal Lines Rupture (MLOR). The corrosion colonies are represented by rectangular defects, located on the outer surface of the pipeline segment. The objective of MLOR is to determine more accurate results than those calculated by the semi-empirical methods of ASME and DNV. The MLOR has also the objective of avoiding non-conservative results that can be obtained with the Mixed Type Interacting method (MTI). The MLOR presents a new way to assess the loss of effective thickness of a group of defects. It proposes the drawing of lines parallel to the longitudinal and circumferential directions that intend to represent the path by which the rupture of the pipeline is more likely to occur. These lines are called Orthogonal Lines of Rupture (LOR). It is also considered the employment of a strength circumferential factor f in the calculation of the effective thickness of the colony. This factor multiplies only the lengths of the LOR which are associated with the circumferential direction of the pipeline. Using that, the intact material existing between two defects is considered in the calculation of the rupture resistance. The critical path connects the rectangular defects using lines parallel to the longitudinal and circumferential directions. The evaluation of the MLOR was accomplished by comparing its burst pressure calculations with already published results determined for nine full scale tests carried out with specimens that contained specially designed and constructed colonies of defects. The comparisons encompassed those experimentally published test results and also results determined by numerical simulations that employed the finite element method (ANSYS commercial software). Finally, the dissertation concludes that the MLOR showed good results (maximum average error equal to -0.14 percent and standard deviation of the error equal to 3.53 percent) compared with experimental and numerical results.

Este trabalho investiga o comportamento dúctil de aços microligados classe API utilizado em tubulações na indústria do petróleo, e apresenta um estudo exploratório da aplicação da abordagem local e do modelo micromecânico de células computacionais para modelar a extensão estável de trinca em Modo I de abertura em aço ARBL. Ensaios laboratoriais na temperatura ambiente do aço API 5L X70 (utilizando corpos-de-prova normalizados) fornecem a curva de resistência à fratura (curva-R) do material. Esta curva foi utilizada para calibrar os parâmetros micromecânicos de células computacionais empregados no modelo. Este modelo foi utilizado para prever a pressão de colapso de dutos de paredes finas utilizados no transporte de gás, que apresentam defeitos longitudinais de diferentes razões entre profundidade de trinca e espessura de parede (a/t). As análises numéricas realizadas demonstram a capacidade da metodologia de células computacionais 2D em simular o rasgamento dúctil e o crescimento estável de trincas em corpos-de-prova de mecânica da fratura, assim como prever a pressão de colapso de estruturas tubulares contendo defeitos (trincas). / This study presents the experimental investigation of the ductile behaviour of microalloyed pipeline steel. Additionally, it extends the computational cell methodology to model Mode I crack extension in a high strength low alloy HSLA steel. Laboratory testing of an API 5L X70 steel at room temperature using standard, deep crack C(T) specimens provides the crack growth resistance curve to calibrate the micromechanics cell parameters for the material. The cell model incorporating the calibrated material-specific parameters is then applied to predict the burst pressure of a thin-walled gas pipeline containing longitudinal cracks with varying crack depth to thickness ratios (a/t). The numerical analyses demonstrate the capability of the computational cell approach to simulate ductile crack growth in fracture specimens and to predict the burst pressure of thin-walled tubular structures containing crack-like defects.