ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA RELAÇÃO DIÂMETRO/ESPESSURA E DO RAIO DE CURVATURA NO COMPORTAMENTO DE CURVAS DE TUBULAÇÃO SUBMETIDAS A CARGAS DE MOMENTO FLETOR

Abstract

The number of piping systems constituting an industrial plant is generally elevated. Each system consists of a considerable number of components and it is commonly subjected to several types of loading. Thus, the task of determining the reactions and stress distribution in the systems, important to ensure the integrity of the plant, is usually implemented using simplified models. The analytical model most commonly used considers the piping components as beams and uses correction factors of stiffness and stress to consider effects that the classical beam theory is not able to describe such as the cross section ovality for example. The piping design codes provide equations for calculating these factors but do not guarantee good accuracy when applied to components with high of diameter to thickness ratio. Parameterized numerical models based on finite element method are used in this work to investigate of the behavior of elbows subject to bending moment including those with a high ratio of diameter / thickness, and additionally it is analyzed the geometric nonlinearities effects in this behavior. Correction factors of stiffness and stress are calculated from simulations with numerical models and comparisons with the corresponding factors provided in ASME III Class 1 are carried out. The impact of the differences obtained in these comparisons are analyzed on a case study considering a piping loop where it is evidenced the imprecision of code factors for high values of diameter to thickness ratio. It is realized still an investigation of the influence of the curvature radius on the behavior of the elbows subject to moment load where it is identified a significant inconsistency in the method of analysis adopted by piping codes.

O número de sistemas de tubulação que compõem uma planta industrial é, em geral, elevado. Cada sistema é formado por uma quantidade considerável de componentes e é comumente submetido a diversos tipos de carregamento. Desta maneira, a tarefa de se determinar as reações e a distribuição de tensão nos sistemas, importante para garantia de integridade da planta, normalmente é desenvolvida utilizando-se modelos simplificados. O modelo mais comumente usado considera os componentes de tubulação como vigas e utiliza fatores de correção de rigidez e tensão para levar em conta efeitos cuja teoria clássica de viga não é capaz de descrever como, por exemplo, a ovalização da secção transversal. As normas de projeto de tubulação fornecem equações para o cálculo desses fatores mas não garantem boa precisão quando aplicadas em componentes com elevada razão diâmetro/espessura. Modelos numéricos parametrizados baseados no método dos elementos finitos são utilizados neste trabalho para investigar o comportamento de curvas sujeitas a cargas de momento flexor, incluindo aquelas com elevada razão diâmetro/espessura e, adicionalmente, analisa-se o efeito de não linearidades geométricas neste comportamento. Fatores de correção de rigidez e de tensões são calculados a partir das simulações realizadas com os modelos numéricos e comparações com os correspondentes fatores fornecidos pela norma ASME III classe 1 são realizadas. O impacto das diferenças obtidas nestas comparações é analisado num estudo de caso considerando um loop de tubulação onde fica evidente a imprecisão dos fatores da norma para altos valores de razão diâmetro/espessura. É realizada ainda uma investigação da influência do raio de curvatura no comportamento das curvas onde se identifica uma relevante inconsistência no método de análise adotado pelas normas de tubulação.