Estimativa de vida à fadiga de elos de correntes metálicas de sistemas de ancoragem assumindo flexão fora do plano

Abstract

Neste trabalho é realizado um estudo analítico e numérico da vida à fadiga de elos de corrente pertencentes ao sistema de ancoragem de Unidades Flutuantes de Produção, Armazenamento e Descarga (FPSO). Inicialmente, equações são propostas para o cálculo da tensão normal no ponto crítico ou hotspot, levando em consideração tensões normais geradas por cargas axiais e a flexão cíclica que ocorre fora do plano principal dos elos, denominada como Flexão fora do plano (OPB). Tais equações analíticas consideram o ângulo de operação dos sistemas de ancoragem, o ângulo de travamento dos elos e ângulo de rotação do fairlead. Nestes sistemas, devido ao elevado nível de carga trativa, as ligações entre elos acabam por trabalharem como um sistema engastado, como consequência das elevadas forças de atrito geradas. O comportamento de engaste entre os elos gera forças transversais que contribuem para a amplificação da flexão fora do plano. Os carregamentos se dão devido as condições de operações da plataforma FPSO, como o manuseio, transporte e armazenamento do petróleo e fenômenos naturais como correntes marítimas e ventos, contribuindo para as solicitações aleatórias nas amarras. Toda a modelagem para o estudo numérico é feita no programa comercial ABAQUS CAE®, considerado como o material das correntes o aço offshore de Grau R4. Já a validação das equações analíticas é feita comparando os valores de tensão calculados com os obtidos através das simulações numéricas do sistema amarra-fairlead, em que foi observada uma correlação satisfatória. São gerados carregamentos com amplitudes constante e variável, tal como, histórico de carregamentos aleatórios, sempre entre a carga operacional mínima e máxima do sistema, que corresponde a 1/6 e 1/3 da carga mínima de ruptura (MBL) do elo da corrente. Com base na abordagem de Smith-Watson-Topper (SWT), estimou-se a vida à fadiga da corrente, considerando o valor analítico da tensão no ponto crítico com base apenas na contribuição de carregamento axial e posteriormente devido às contribuições axial e OPB. Por fim, verificou-se que as equações analíticas foram capazes de determinar os valores de tensões nos pontos críticos e que o efeito da tensão normal no hotspot devido ao OPB pode causar perdas severas na vida à fadiga do componente.