Blogue sobre Estudo otimiza padrões de projeto de cabeças de vasos de pressão convexos

Em campos de alta tecnologia, como exploração em águas profundas, aeroespacial e indústrias petroquímicas, vasos de pressão que suportam pressão externa desempenham um papel vital. A segurança das extremidades convexas — componentes-chave desses vasos — determina diretamente a estabilidade de sistemas inteiros. Uma falha de projeto que cause flambagem ou falha na extremidade de um submersível de águas profundas ou em um tanque de combustível de foguete poderia levar a consequências catastróficas. Portanto, a pesquisa aprofundada e a otimização dos métodos de projeto de extremidades convexas têm importância prática significativa.

Quando submetidas à pressão externa, as extremidades convexas enfrentam principalmente dois modos de falha: flambagem e escoamento. Os projetos de engenharia normalmente empregam fatores de redução (KDF) baseados na experiência para reduzir as pressões teóricas de flambagem para segurança. No entanto, com os avanços na ciência dos materiais e na fabricação, essa abordagem conservadora pode levar ao desperdício de material e ao aumento dos custos. Consequentemente, prever com precisão o comportamento de flambagem e otimizar os métodos de projeto tornaram-se prioridades de pesquisa.

O fator de redução (KDF) é definido como a razão entre a pressão experimental de flambagem em extremidades reais e a pressão teórica de flambagem em extremidades ideais. A pesquisa inicial se concentrou em determinar os valores de KDF por meio de experimentos, mas os resultados mostraram variabilidade significativa devido às dificuldades em controlar com precisão os defeitos. Os avanços recentes na fabricação — particularmente o método de molde esférico revestido com polímero de Lee et al. — permitiram a produção de extremidades com defeitos controlados, oferecendo novos caminhos para a previsão precisa de KDF.

• Tipos de Defeitos e Desempenho de Flambagem: Pesquisadores conduziram extensos experimentos e simulações numéricas em vários tipos de defeitos. Yan et al. estudaram como os parâmetros geométricos dos defeitos de espessura afetam a flambagem, enquanto Abbasi et al. descobriram que as protuberâncias têm um impacto mínimo na flambagem da extremidade esférica. Derveni et al. examinaram as interações entre os defeitos.
• Defeitos Reais de Fabricação: Outros estudos analisaram extremidades hemisféricas contendo defeitos reais de fabricação, fornecendo orientação de engenharia. Wagner et al. propuseram o uso de entalhes como defeitos geométricos equivalentes para determinar as pressões de flambagem do limite inferior, introduzindo amassados únicos por meio de deslocamento controlado.

• Extremidades Hemisféricas: Como as extremidades convexas mais simples, seus métodos de projeto são relativamente maduros. No entanto, sua maior profundidade limita certas aplicações.
• Extremidades Esféricas: Apesar das tensões significativas de flexão nas zonas de transição da coroa, sua profundidade menor e fabricação mais simples as tornam amplamente utilizadas. Lu et al. estudaram o comportamento de flambagem elastoplástica sob pressão externa por meio de análise de elementos finitos, enquanto Blachut et al. investigaram a estabilidade em extremidades esféricas de metal multicamadas. Wang et al. analisaram os estados de tensão e as pressões de flambagem em extremidades inferiores de aquecedores de água.
• Extremidades Elipsoidais: Suas transições de curvatura mais suaves proporcionam uma distribuição de tensão mais uniforme. Com profundidade intermediária entre as extremidades hemisféricas e esféricas, são mais fáceis de fabricar por estampagem. Zingoni desenvolveu teorias para avaliar a distribuição de tensão da membrana; Li propôs métodos de análise simplificados para vasos de extremidade elipsoidal axisimétricos; Ross estudou os modos de flambagem em extremidades elipsoidais de plástico reforçado com fibra de vidro.

Apesar dos métodos de projeto emergentes, as regras fundamentais nos padrões de vasos de pressão permanecem pedras angulares da engenharia. As potências econômicas globais estabeleceram seus respectivos padrões para o projeto de extremidades convexas. Esta análise se concentra em seis padrões-chave:

• China: GB/T 150.3, GB/T 4732.3
• Estados Unidos: ASME VIII-1, ASME VIII-2, ASME Code Case 2286-6
• União Europeia: EN 13445-3

ASME VIII-1 emprega métodos baseados em gráficos para determinar as pressões externas admissíveis. Esses gráficos — derivados de extensos dados experimentais e análise teórica — oferecem conveniência, mas precisão limitada. ASME VIII-2 (desde 2007) mudou para métodos baseados em fórmulas que incorporam os princípios do ASME Code Case N-284 e 2286-6, calculando as tensões de membrana compressivas circunferenciais admissíveis. A edição de 2019 introduziu equações padronizadas baseadas em modelos de curva tensão-deformação, simulando com precisão as respostas dos materiais em estados fabricados para todos os materiais — aço carbono, aço de baixa liga, alta liga e ligas não ferrosas — substituindo os métodos anteriores de aço carbono/baixa liga.

O EN 13445-3 (edições de 2002-2021) usa curvas para determinar as pressões externas admissíveis, adotando curvas de limite inferior derivadas dos padrões PD5500 (sucessores do British BS5500).

GB/T 150.3 também usa métodos de gráfico para o projeto de extremidades de pressão externa, com alguns gráficos baseados em dados experimentais chineses e outros referenciando ASME Section II, Part D. GB/T 4732.3 emprega métodos semelhantes ao ASME Code Case 2286-6, com o Apêndice C fornecendo regras adicionais de cálculo do módulo tangente — incluindo equações do ASME Code Case 2286-6 para aços carbono/baixa liga e modelos de curva tensão-deformação do ASME VIII-2.

Esta seção detalha as comparações das regras de projeto de extremidades hemisféricas, esféricas e elipsoidais em todos os padrões, focando nas diferenças nos principais parâmetros (por exemplo, módulo tangente, fatores de projeto) e seus impactos.

Módulo tangente (inclinação da curva tensão-deformação do material em níveis específicos de tensão) influencia criticamente os cálculos da pressão de flambagem, com métodos de cálculo variáveis em todos os padrões. Fatores de projeto (coeficientes de margem de segurança) também diferem, refletindo diferentes considerações de segurança.

Dada a complexidade do projeto das extremidades esféricas/elipsoidais, alguns padrões usam métodos equivalentes, convertendo-as em extremidades hemisféricas para cálculo. Esta seção compara as vantagens e limitações desses métodos.

Para comparações de padrões intuitivas, este artigo calcula as pressões de flambagem para várias extremidades esféricas/elipsoidais usando diferentes padrões, contrastando os resultados com as extremidades hemisféricas equivalentes.

Casos de engenharia selecionados demonstram os cálculos de espessura para extremidades usando diferentes padrões, esclarecendo a aplicabilidade e as compensações de cada padrão.

Esta revisão abrangente e análise comparativa das regras de projeto de extremidades convexas sob pressão externa fornece referências de engenharia e orientação de pesquisa. As direções futuras incluem:

• Desenvolvimento de modelos precisos de previsão de flambagem: Aproveitar a computação aprimorada e as técnicas experimentais para reduzir a dependência de KDFs empíricos.
• Estudo do comportamento de flambagem de novos materiais: Investigar o desempenho de novos materiais sob pressão externa para aplicações de engenharia.
• Otimização de métodos de projeto: Adaptar as abordagens a aplicações específicas, equilibrando segurança com eficiência de custos.