Análise de sistema de vedação de conectores de dutos flexíveis considerando efeitos viscosos

Abstract

O sistema de vedação de conectores de dutos flexíveis é de fundamental importância para evitar a interação entre o fluído externo e o interno. Esse sistema é formado por peças de materiais metálicos e poliméricos. Sendo assim, a utilização de modelos adequados para os materiais aumenta a representatividade do modelo numérico, evitando o dimensionamento incorreto da junta aparafusada do sistema de vedação e de seu aperto, e assim mitigando possíveis falhas não previstas ou necessidade de frequentes manutenções preventivas. Uma vez que um sistema de vedação pode ficar em operação por longos períodos, estes podem estar sujeitos significativamente à efeitos mecânicos dependentes do tempo, que normalmente não são considerados em análises numéricas. Assim, neste trabalho objetiva-se estudar a influência que a inclusão desses efeitos traz no projeto de uma junta aparafusada de um sistema de vedação. Para isto, a partir de curvas experimentais de literatura, usou-se um modelo elasto-plástico insensível ao tempo e um modelo viscoplástico implementado em software de elementos finitos, para quantificar o impacto dos efeitos viscosos na resposta do conjunto mecânico, e propor soluções para manutenção de sua funcionalidade para longos períodos. Comparando-se os resultados dos dois modelos para caracterizar a barreira termoplástica do duto flexível, identificou-se no cenário de utilização do modelo viscoplástico a perda da pressão de contato entre a vedação e a barreira termoplástica, ocasionado pela relaxação da força de reação que mantinha a junta aparafusada com os apertos projetados. Já o modelo elasto-plástico, comumente utilizado no projeto desta estrutura, não identificou falha. Como proposta de solução, é demonstrado que a falha de funcionalidade pode ser resolvida com o aumento do deslocamento prescrito da junta para que mesmo com a relaxação do sistema, a pressão de contato permaneça superior a pressão hidrostática após o período de operação do conjunto. Por fim, com esta metodologia, demonstrou-se que os efeitos viscosos devem ser considerados no projeto da junta aparafusada do sistema de vedação para o material termoplástico estudado.

The sealing system of flexible pipe’s end fittings is responsible for avoiding the interaction between the external and the internal fluid. This system consists of parts of metallic and polymeric materials. Thus, the use of suitable models for materials increases the representativeness of the numerical model, avoiding the incorrect design of the bolted joint of the sealing system and its tightening, and thus mitigating possible unforeseen failures or the need for frequent preventive maintenance. Since a sealing system can be in operation for long periods, these can be significantly subject to time-dependent mechanical effects, which are not normally considered in numerical analysis. Therefore, this work aims to study the influence that the inclusion of these effects brings to the design of a bolted joint of a sealing system. For this, based on experimental literature curves, a time-insensitive elasto-plastic model and a viscoplastic model implemented in finite element software were used to quantify the impact of viscous effects on the response of the mechanical system and to propose solutions for maintaining its functionality for long periods. Comparing the results of the two models to characterize the thermoplastic barrier of the flexible pipe, the loss of contact pressure over time between the seal and the thermoplastic barrier was identified in the viscoplastic model scenario. The loss of contact pressure was caused by the relaxation of the force that kept all parts of the bolted joint together with the designed torque. The elastoplastic model, commonly used in the design of this structure, did not identify a failure. As a proposed solution, it is demonstrated that the failure can be solved by increasing the prescribed displacement of the joint so that even with the relaxation of the force, the contact pressure remains above the internal hydrostatic pressure after the end of the system operational life. Finally, with this methodology, it was demonstrated that the viscous effects must be considered in the design of a bolted joint of a sealing system for the studied thermoplastic material.