1. Contexto teórico de componentes de controle de fluxo de alta pressão e manifolds de alta pressão
Na ciência e tecnologia, para muitos problemas de mecânica e física, as pessoas já obtiveram as equações básicas que devem seguir, sejam equações diferenciais ordinárias ou parciais, juntamente com as condições de solução definida correspondentes. No entanto, soluções exatas por métodos analíticos só podem ser obtidas para um pequeno número de problemas cujas equações são relativamente simples e cujas geometrias são bastante regulares. Para a maioria dos problemas, porque algumas características das equações são não lineares ou porque a geometria da região de solução é relativamente complexa, não é possível obter respostas analíticas. Geralmente, existem duas maneiras de resolver esses problemas. Uma é introduzir suposições simplificadoras e simplificar as equações e limites geométricos em uma forma gerenciável, obtendo a solução sob condições simplificadas. Esse método é viável apenas em casos limitados, pois simplificações excessivas podem levar a grandes erros ou até respostas erradas. Portanto, ao longo de muitos anos, as pessoas buscaram e desenvolveram outro caminho de solução: métodos numéricos. Especialmente nos últimos trinta e poucos anos, com o rápido desenvolvimento e ampla aplicação dos computadores, a análise numérica tornou-se uma ferramenta importante para resolver problemas científicos e técnicos.
O surgimento do método dos elementos finitos foi um grande avanço na análise numérica para pesquisa. Sua ideia básica é discretizar uma região de solução contínua em um número finito de elementos conectados entre si de determinada maneira. Como os elementos podem ser combinados em diferentes formas de conexão e os próprios elementos podem ter formas diferentes, domínios de solução complexos podem ser modelados. Outra característica importante do método dos elementos finitos é que funções aproximadas assumidas dentro de cada elemento são usadas por partes para representar a função de campo desconhecida em todo o domínio da solução. A função aproximada em um elemento geralmente é expressa pelos valores da função de campo desconhecida, ou suas derivadas, nos nós do elemento e por funções de interpolação. Dessa forma, na análise por elementos finitos de um problema, os valores da função de campo desconhecida ou suas derivadas em cada nó tornam-se novas incógnitas, convertendo um problema contínuo de grau infinito de liberdade em um problema discreto de grau de liberdade finito. Uma vez resolvidas essas incógnitas, funções de interpolação podem ser usadas para calcular valores aproximados da função de campo em cada elemento, obtendo a solução aproximada em todo o domínio. À medida que o número de elementos aumenta, ou seja, à medida que o tamanho dos elementos diminui, ou à medida que os graus de liberdade dos elementos e a precisão da interpolação aumentam, a aproximação melhora continuamente. Se os elementos atenderem aos requisitos de convergência, a solução aproximada eventualmente convergirá para a solução exata.
A mecânica da fratura se desenvolveu até o presente e, relativamente falando, a parte linear-elástica está mais madura. Sua teoria é simples, sua base sólida e já foi aplicada em certos campos da engenharia. Os principais critérios incluem o critério de Griffith, ou seja, o critério da taxa de liberação de energia, e o critério de Irwin, ou seja, o critério do fator de intensidade de tensão K. As principais teorias da mecânica da fratura elástica-plástica são a teoria COD, o deslocamento da abertura de trinca, proposta em 1960, e a teoria da integral J proposta em 1968. Essas duas teorias formam o corpo da mecânica da fratura elástico-plástica e podem ser usadas para analisar todo o processo de iniciação, propagação e instabilidade da trinca. Como uma verdadeira disciplina, a mecânica da fratura se desenvolveu extremamente rapidamente. A partir da introdução do conceito de fator de intensidade de tensão por G. R. Irwin em 1957, ele tem uma história de menos de 50 anos nesse contexto. É um dos ramos mais ativos da mecânica dos sólidos e teve grande influência em campos de engenharia como física de metais, metalurgia, ciência dos materiais, aviação, máquinas, construção civil e engenharia sísmica. Ele demonstrou grande vitalidade e tem sido amplamente utilizado para resolver problemas práticos de engenharia. Existem muitas aplicações bem-sucedidas da mecânica da fratura tanto no país quanto no exterior. Alguns países e departamentos até formularam critérios de projeto e padrões de aceitação baseados na mecânica da fratura. Por exemplo, o bombardeiro B-1 dos EUA foi projetado usando mecânica de fratura. A avaliação de tolerância a defeitos dos suportes de plataformas de produção no Reino Unido, o campo petrolífero do Mar do Norte e o gasoduto no Alasca também são aplicações típicas de engenharia da mecânica da fratura. A aplicação da mecânica da fratura a vasos de pressão, especialmente nucleares, é relativamente mais madura.
A análise de previsão de danos em manifolds de alta pressão inicialmente toma como base a análise elástico-plástica. O método de análise elástico-plástica utilizado é o método dos elementos finitos. Como a geometria dos manifolds de alta pressão é complexa e nenhuma solução analítica pronta pode ser encontrada, apenas soluções numéricas podem ser obtidas. Com base na solução numérica, a análise de previsão de danos é então realizada de acordo com a teoria correspondente da mecânica da fratura.
2. Importância em Engenharia e Valor de Aplicação de Componentes de controle de fluxo de alta pressão e manifolds de alta pressão
Manifolds de alta pressão são conjuntos de componentes de controle de fluxo de alta pressão. Manifolds de alta pressão são amplamente utilizados em dutos petroquímicos e de gás natural. Como suportam pressão de impacto muito alta e cargas alternadas internamente, o desgaste da espessura da parede é considerável. À medida que os anos de serviço aumentam, ocorre fratura por fadiga nos manifolds de alta pressão. Na produção petroquímica e operações similares, os dutos e manifolds são responsáveis pelo transporte de diversos materiais. Uma vez que ocorre um acidente, a produção normal da instalação pode estar em risco, e acidentes graves como incêndio, envenenamento e explosão podem ocorrer. Portanto, pesquisas sobre previsão de danos e avaliação de vida útil de manifolds de alta pressão são de grande preocupação na engenharia. Este artigo estuda a questão em profundidade, começando pela análise de resistência, e com base nisso realiza análise de fratura de evento único, análise de vida útil por fratura por fadiga e análise de vida de crescimento de trincas em manifolds de alta pressão. Os princípios e resultados dessa pesquisa também podem ser estendidos à análise de previsão de danos de materiais e peças, como tubos, revestimento, tubos de perfuração e colares de perfuração em campos petrolíferos e indústrias petroquímicas.
Os manifolds de alta pressão atualmente usados em caminhões de bomba de nitrogênio líquido, caminhões de fraturação, caminhões de areia e caminhões de acidificação-fraturação da Downhole Fracturing Company do Liaohe Petroleum Exploration Bureau geralmente possuem pressões de trabalho acima de 40 MPa e pressão de projeto de 100 MPa. De acordo com o Código de Construção e Aceitação da Engenharia de Dutos Industriais, GBJ235-82, os dutos industriais são divididos por pressão de projeto em quatro níveis, do baixo ao alto. Quando a pressão interna p é maior que 10 MPa, é considerado um duto de alta pressão, e os manifolds de alta pressão são o quarto nível. Como os manifolds de alta pressão da empresa de fraturamento em fundo possuem um longo ciclo de serviço e frequentemente são submetidos a cargas alternadas, a espessura da parede é muito desgastada e rachaduras por fadiga podem facilmente aparecer em áreas de concentração de tensão. Para garantir a produção segura e fornecer uma base científica para o uso correto dos manifolds de alta pressão, os resultados da pesquisa são aplicados especificamente aqui e resultados satisfatórios foram obtidos.
3. Status de pesquisa nacional e internacional de componentes de controle de fluxo de alta pressão e manifolds de alta pressão
Atualmente, estudiosos nacionais e internacionais realizaram muitos estudos sobre danos, falhas e métodos de avaliação para manifolds e Tubulações de Fluxo. No entanto, as cargas de pressão geralmente estudadas são abaixo de 40 MPa, e pouquíssimos estudos envolvem cargas de pressão de 50 MPa a 100 MPa. De acordo com resultados de pesquisa publicados, a análise de tensões usando o método dos elementos finitos tem sido limitada à faixa de deformação elástica. Na análise de fratura de dutos, a maioria dos estudos aplica critérios de fratura linear-elástica e não considera a influência da zona plástica da ponta de trinca. Pesquisas no exterior sobre dutos de pressão focam principalmente em fraturas por corrosão de dutos e problemas de segurança após falha de dutos. Para fratura por corrosão de gasodutos naturais e oleodutos, o ANSI/ASME B31G foi formulado em 1985. Em 1997, o Dr. David Batte e o Dr. Bin Fu, do British Gas Pipelines Research Centre, publicaram artigos e desenvolveram ainda mais esse critério, propondo um método mais preciso para avaliação de trincas em oleodutos corroídos, baseado principalmente em critérios de falha e análise numérica. No início dos anos 1980, foram realizadas extensas pesquisas internacionais sobre tecnologia de avaliação de segurança de defeitos em dutos. Alguns países industrializados formularam padrões especiais de aceitação e especificações de avaliação de defeitos para defeitos em dutos. No final dos anos 1980, foi organizado um programa internacional de pesquisa sobre integridade de oleodutos envolvendo nove países e regiões. A pesquisa doméstica atual está concentrada principalmente na avaliação de defeitos em vasos de pressão, e a maior parte das pesquisas, análises e trabalhos experimentais foca na avaliação de iniciação de trincas. No entanto, a análise de segurança estrutural deve considerar todo o processo de início de trinca, fratura e instabilidade. Portanto, a análise de resistência e a previsão de fadiga-vida útil para manifolds de alta pressão, especialmente aqueles com cargas de pressão acima de 40 MPa, permanecem uma lacuna.
4. Conteúdo de pesquisa sobre componentes de controle de fluxo de alta pressão e manifolds de alta pressão
Os manifolds de alta pressão são usados para transportar meios e garantir que o meio flua suavemente ao longo da rota projetada. Componentes comuns de controle de fluxo de alta pressão incluem conjuntos de tubos retos de alta pressão, conexões Junta giratória e em T. Esses componentes de controle de fluxo de alta pressão são montados organicamente em manifolds de alta pressão para que o meio transportado alcance o local desejado conforme os requisitos de projeto.
O material doméstico dos conjuntos de tubos retos, tubos de Junta giratória e Tee em manifolds de alta pressão é de 30Cr. O material importado é equivalente às forjadas de aço SA372-V-3B no padrão ASME dos EUA. Dados detalhados sobre composição química, propriedades mecânicas e parâmetros de fratura desses materiais não estão disponíveis. Nesta pesquisa, a composição química, as propriedades mecânicas e os parâmetros de fratura devem ser testados e medidos, confiados ao Centro de Testes de Vibração e Resistência e ao Laboratório de Mecânica de Materiais da Universidade de Tecnologia de Dalian.
O conteúdo específico da pesquisa é o seguinte:
Análise de resistência de conjuntos de tubos retos em componentes de controle de fluxo de alta pressão: de acordo com as especificações, as peças de alta pressão são divididas em 3 pol. e 2 pol. e 1,5 pol. tamanhos. Três peças representativas de alta pressão são selecionadas entre os três tipos para análise de resistência sob casos internos de carga de pressão de 50 MPa, 70 MPa e 100 MPa.
Análise de resistência de Junta giratória em componentes de controle de fluxo de alta pressão: peças representativas de alta pressão também são selecionadas entre 3 pol. e 2 pol. e 1,5 pol. especificações para análise de resistência sob casos de carga interna de pressão de 50 MPa, 70 MPa e 100 MPa.
Análise de resistência por elementos finitos de conexões em T em componentes de controle de fluxo de alta pressão: um tipo importado e um do tipo nacional são selecionados para análise de resistência sob casos de carga interna de pressão de 50 MPa, 70 MPa e 100 MPa.
Análise de resistência por elementos finitos em extremidades de tubos retos em componentes de controle de fluxo de alta pressão: a análise de resistência é realizada sob casos de carga interna de pressão de 50 MPa, 70 MPa e 100 MPa. Como a fratura ocorreu no final, é necessária uma análise teórica da causa da fratura.
Utilizando critérios de mecânica da fratura linear-elástica, a análise de falha de fratura de evento único é realizada para conjuntos de tubos retos, extremidades de tubo reto, Junta giratória e conexões em T em Componentes de controle de fluxo de alta pressão.
Utilizando a teoria da fadiga de baixo ciclo, a análise de fratura por fadiga é realizada para conjuntos de tubos retos, extremidades de tubo reto, Junta giratória e conexões em T em Componentes de controle de fluxo de alta pressão.
Utilizando a fórmula de Paris e a fórmula linear de dano acumulado de Miner, a análise de vida útil do crescimento de trincas é realizada para conjuntos de tubos retos, extremidades de tubo reto, Junta giratória e conexões em T em Componentes de controle de fluxo de alta pressão.
