Análise do comportamento das tensões em vaso de pressão de parede fina por meio da análise teórica, numérica e experimental

Abstract

Resumo: Vasos de pressão são equipamentos muito utilizados em diversas indústrias, e podem operar com pressão e temperatura elevadas, podendo causar acidentes de grandes proporções caso haja alguma falha. Como consequência das variações de pressão e temperatura durante a operação do vaso de pressão, tensões e deformações são geradas em toda a parede do equipamento. O presente trabalho foi realizado em uma organização privada na área petrolífera, e tem como objetivo analisar o comportamento das tensões longitudinal e circunferencial em três pontos específicos da parede de um vaso de pressão, sendo dois pontos distantes de descontinuidade geométrica (no tampo superior e no costado) e um ponto próximo de descontinuidade geométrica (na intersecção do tampo superior com a conexão) por meio das análises teórica, numérica e experimental. As tensões teóricas foram obtidas por meio da teoria de membrana (ou parede fina) e formulações do código ASME seção VIII divisão 2, as tensões numéricas pelo método dos elementos finitos (MEF) no software ANSYS versão estudante e as tensões experimentais com auxílio da extensometria elétrica de resistência durante o teste hidrostático do equipamento. Na análise numérica, o software ANSYS permitiu a linearização da tensão nos três pontos específicos. O vaso de pressão deste trabalho é um equipamento chamado de adsorvedor de peneira molecular, localizado em plataforma de petróleo offshore e integrante de um sistema de desidratação de gás natural. Os resultados mostraram que as tensões na intersecção do tampo superior com a conexão foram superiores aos valores das tensões no tampo superior e no costado para as análises experimental e numérica, devido à influência das tensões de flexão em regiões de descontinuidade geométrica. Outro ponto importante foi a boa correlação dos resultados entre as análises experimental e a numérica por meio do MEF no software ANSYS, mostrando que essa metodologia se apresenta como uma ferramenta poderosa e confiável nas análises de tensões em vasos de pressão.

Abstract: Pressure vessels are equipment widely used in several industries, and can operate with high pressure and temperature, which can cause major accidents if any failure happens. As a consequence of pressure and temperature variations during pressure vessel operation, stresses and strains are produced throughout the equipment wall. The present work was carried out in a private organization in the oil area, and aims to analyze the behavior of longitudinal and circumferential stresses at three specific points on the wall of a pressure vessel, two distant points of geometric discontinuity (on the top head and the shell) and a point close to geometric discontinuity (on the intersection of the top head with the nuzzle) through theoretical, numerical and experimental analyses. Theoretical stresses were obtained through membrane theory (or thin wall) and ASME section VIII division 2 formulations, numerical stresses through the finite element method (FEM) in the student version ANSYS software and experimental stresses through electrical resistance strain gauge during the hydrostatic test of the equipment. In the numerical analysis, the ANSYS software allowed the linearization of the tension in the três specific points. The pressure vessel of this work is an equipment called molecular sieve adsorber, located in an offshore oil platform and part of a natural gas dehydration system. The results showed that the stresses at the intersection of the top head with the nuzzle were higher than the values of the stresses in the top head and shell for the experimental and numerical analysis, due to the influence of bending stresses in regions of geometric discontinuity. Another important issue was the good correlation of the results between the experimental and numerical analyzes through the FEM in the ANSYS software, showing that this methodology presents itself as a powerful and reliable tool in the analysis of tensions in pressure vessels.