Simulação numérica em elementos finitos do comportamento estrutural e à fadiga de sistemas materiais para vasos separadores em serviço com H₂S úmido e carregamento cíclico

Descrição

Vasos separadores usados na produção de petróleo e gás podem trabalhar com água contendo sulfeto de hidrogênio (H₂S), possuir muitas regiões soldadas e sofrer variações repetidas de pressão e temperatura. Essas condições podem favorecer fadiga e diferentes formas de trincamento causadas pela presença de hidrogênio no aço. Por isso, escolher um material apenas pela resistência mecânica, preço ou disponibilidade não é suficiente. Para auxiliar essa seleção, pode-se propor um método para comparar quatro sistemas materiais aplicáveis a vasos separadores soldados de parede média em serviço com H₂S úmido e carregamento cíclico, analisando os materiais: SA-516 Gr. 70 convencional; SA-516 Gr. 70 com condição HIC-resistente; SA-841 Gr. A Cl. 1 produzido por TMCP; e SA-516 HIC-resistente com revestimento soldado de Alloy 625 em duas camadas. Anteriormente a este projeto realizou-se revisão técnico-normativa e em uma análise de decisão em duas etapas. Primeiro, foram aplicados requisitos eliminatórios ligados ao código de construção, compatibilidade com o ambiente, resistência a HIC/SOHIC, soldagem, tenacidade e crescimento de trinca. Depois, as opções tecnicamente qualificáveis foram comparadas por sete critérios com pesos diferentes. Também foram avaliados quatro cenários e realizadas 100.000 simulações para verificar a influência das incertezas nos pesos e nas notas. No cenário-base, o SA-841 obteve 3,97/5, o SA-516 HIC-resistente 3,88/5 e o sistema com Alloy 625 3,57/5. O SA-516 convencional foi considerado não elegível sem qualificação adicional. Nas simulações de robustez, SA-841 e SA-516 HIC-resistente ficaram em primeiro lugar em 62,10% e 35,39% dos casos, respectivamente. Os resultados mostram que não existe um material superior em qualquer situação. O SA-841 apresentou maior potencial técnico quando a conformação e o tratamento térmico após soldagem são qualificados, enquanto o SA-516 HIC-resistente apresentou maior robustez em fabricação e fornecimento. A principal contribuição do método é separar requisitos obrigatórios de critérios de preferência, evitando que vantagens de custo ou disponibilidade ocultem uma deficiência de integridade. Contudo, esta análise não incluia uma verificação computacional direta do comportamento mecânico das quatro alternativas sob o carregamento real do equipamento. Para confirmar se a classificação teórica obtida se sustenta do ponto de vista estrutural, este projeto propõe a construção de modelos numéricos em elementos finitos (MEF) de uma geometria representativa de vaso separador soldado (casco cilíndrico, junta circunferencial e/ou de bocal), submetida a carregamento cíclico de pressão e temperatura compatível com o cenário delimitado no artigo (partidas, paradas e variações de nível/pressão em serviço com H₂S úmido).