A methodology to measure residual stresses close to the yield stress using an optical hole drilling method

Abstract

A demanda por exploração de petróleo em águas profundas aumentou nos últimos anos. Regiões mais profundas impõem exigências mais elevadas para algumas camadas da estrutura dos dutos flexíveis, em especial à armadura de tração. Os arames da armadura de tração são enrolados de forma helicoidal ao redor do duto. Com a exploração de petróleo em águas profundas, o projeto destes dutos flexíveis se tornou mais crítico, exigindo um melhor desempenho. Compreender o fenômeno de introdução de tensões residuais é uma ótima estratégia que auxilia no projeto de estruturas de alta performance. O Método do Furo Cego (MFC) é amplamente utilizado para medição de tensões residuais e consiste, basicamente, na medição das deformações geradas pela introdução de um pequeno furo. O furo incremental é comumente produzido com 10 ou 20 incrementos. Análises preliminares indicaram que tensões residuais elevadas estão presentes em dutos flexíveis. Apesar de ser bastante empregado na indústria de petróleo e gás, o método do furo cego possui limitação com relação às tensões que ele pode medir. Deformações plásticas no entorno do furo geram desvios no resultado pelo fato destas infringirem o regime de elasticidade considerado para obtenção dos coeficientes de calibração publicados na norma ASTM E837-20a. Correções para o efeito da plasticidade estão disponíveis no método uniforme. Entretanto, para o método não uniforme as correções são bastante limitadas e pouco aceitas no meio científico. Neste trabalho, é apresentada uma estratégia para medir tensões residuais uniformes. A técnica combina medições ópticas de campo completo (full-field) com um algoritmo iterativo para corrigir os efeitos da plasticidade em medições de tensões residuais elevadas (componentes sob altos níveis de tensões residuais). Dados de campo completo obtidos com um dispositivo óptico fornecem maiores detalhes do deslocamento ao redor do furo. Modificações em um algoritmo iterativo existente foram realizadas para incorporar a assinatura de dados de campo completo no algoritmo. O cálculo da inclinação da derivada parcial do deslocamento radial em relação ao raio como uma função de theta foi realizado para os valores experimentais e numéricos. A correlação entre os dados de deslocamento de campo completo com os dados de deslocamento numérico permitiu que o algoritmo corrigisse as medições de tensão residual. As avaliações numéricas indicaram uma boa taxa de convergência para diferentes profundidades e diâmetros anulares. Validações experimentais mostraram que o caso near é capaz de medir altos níveis de tensão residual. O caso intermediate apresentou algumas limitações, enquanto o caso far não se adequou bem para medições experimentais.

Abstract: The demand for exploration of oil in deep areas has increased in the last few years. Deeper regions introduce higher requirements for flexible riser structures, especially the tensile armor layer. The tensile armor wires are helically wound around the riser. With the exploration of oil in deeper regions, engineers had to push the limit of the design. Understanding the introduction of residual stresses is a good strategy adopted when the design of structures demands a high performance. The hole-drilling method (HDM) is widely employed to measure residual stresses. It consists in the measurement of the strains generated around a small hole. The hole is drilled in small increments of usually 10 or 20 steps. Preliminary measurements of residual stresses in flexible risers indicated that high levels of residual stresses are present. Although the HDM is widely employed in the oil and gas industry, it has a limitation in the level of residual stress it can measure. Plastic strains near the hole result in deviation because it infringes the elastic assumption considered in the calculation of the calibration coefficients presented in the standard ASTM E837-20a. There are corrections available for the plasticity effects in uniform measurements. For the nonuniform method, corrections are very limited and assume not well-accepted premises. In this work, a strategy to measure uniform residual stresses is presented. The technique combines full-field optical measurements with an iterative algorithm to correct the plasticity effects of residual stress measurements in components under high levels of residual stresses. Full-field data acquired with an optical device provides higher details of the displacement around the hole. Modifications to an existing iterative algorithm were performed to incorporate the full-field data signature into the algorithm. The computation of the inclination of the partial derivative of the radial displacement with respect to the radius as a function of theta was performed for both the experimental and numerical values. This link between the full-field displacement data with the numerical displacement data allowed the algorithm to correct the residual stress measurements. The numerical trials indicated a good convergence rate for different depths and annular diameters. Experimental validations showed that the near case is capable of measuring high residual stress levels. The intermediate case presented a few limitations, while the far case did not suit well for experimental measurements.