Flambagem, fadiga e tensão triaxial da coluna

Um tubo em compressão dentro de um furo inclinado não flamba de repente: ele passa primeiro por uma forma senoidal, prevista por Dawson e Paslay, em que o tubo toca a parede baixa em pontos alternados sem se enrolar. Só acima de um segundo limite, mais alto, a forma vira uma hélice completa — o critério de Wu e Chen — com o tubo em contato contínuo contra a parede ao longo de todo o passo da hélice.

O torque de mesa entra nessa conta de duas formas. Sozinho, sem compressão axial, existe um torque crítico que já iniciaria flambagem por si — mas para drill pipe convencional esse valor fica muito acima do torque real de operação, então na prática o torque puro raramente flamba a coluna.

O efeito que importa na prática é o segundo: torque operacional, mesmo abaixo do crítico, reduz a carga axial crítica que dispara a flambagem helicoidal — uma redução tipicamente de poucos pontos percentuais, mas que corrói exatamente a margem de segurança que o planejamento contava ter.

Uma coluna girando dentro de uma flambagem helicoidal não está só comprimida — cada ponto da parede do tubo passa ciclicamente por tração e compressão de flexão a cada volta, porque o tubo segue uma trajetória em hélice, não reta. Essa curvatura de flexão imposta pela própria hélice se soma, por raiz da soma dos quadrados, ao dogleg severity natural do poço na hora de calcular a razão de fadiga.

A fadiga em si é julgada pelas curvas oficiais do API RP 7G — o diagrama de Goodman modificado de Lubinski — que relacionam a tensão de flexão alternante admissível à tensão axial presente, por grau de aço da coluna. Um tubo tracionado aguenta menos flexão alternante antes de acumular dano; um tubo mais aliviado, mais.

A soma de dano ao longo de múltiplos ciclos e múltiplas condições de operação segue a regra de Miner: cada ciclo consome uma fração da vida em fadiga do material, e essas frações se somam linearmente até o tubo atingir o limite.

O limite de escoamento de um tubo não é definido por uma única tensão, mas pela combinação das três tensões principais atuando na parede: axial, de flexão, e circunferencial — a tensão hoop gerada pela diferença entre pressão interna e externa. O critério de von Mises combina as três num único número comparável ao limite de escoamento do material.

Em condições de baixa pressão diferencial, a tensão hoop é pequena e o critério triaxial se aproxima do limite uniaxial simples — tração mais flexão. É em poços de alta pressão e alta temperatura que a diferença aparece: a hoop passa a consumir uma fatia relevante da margem de escoamento, e um ponto que parecia seguro pela tração axial isolada pode estar próximo do limite quando a pressão diferencial entra na conta.

Avaliar von Mises nas paredes interna e externa do tubo — e não só numa delas — importa porque a pressão interna e a externa empurram a tensão hoop em direções opostas; o pior caso muda de parede conforme o poço está sendo perfurado ou controlado por um kick.