Quais são os quatro regimes de pressão de colapso no API 5C3?

A API TR 5C3 define quatro regimes de pressão de colapso com base na relação D/t (diâmetro externo / espessura de parede): (1) Colapso por resistência ao escoamento (Pyp) — aplica-se a D/t baixo (parede grossa), onde o colapso é governado pelo escoamento da parede do tubo; (2) Colapso plástico (Pp) — faixa intermediária de D/t, onde o tubo escoa antes do colapso; (3) Colapso de transição (Pt) — D/t médio-alto; (4) Colapso elástico (Pe) — D/t alto (parede fina), onde a parede do tubo flambe elasticamente antes de escoar. A fórmula a usar depende da relação D/t comparada com os limites específicos por grau publicados na Tabela 1 da API TR 5C3.

Qual é a fórmula de Barlow para pressão de ruptura de casing conforme API 5C3?

A fórmula de pressão de escoamento interno de Barlow conforme API TR 5C3 é: P = 0,875 × (2 × Yp × t) / OD, onde P é a pressão de escoamento interno (MPa ou psi), Yp é a resistência mínima ao escoamento do grau (MPa ou psi), t é a espessura de parede nominal (mm ou pol), e OD é o diâmetro externo (mm ou pol). O fator 0,875 aplica a tolerância negativa de espessura de parede de 12,5% exigida pela API 5CT. Use a resistência mínima ao escoamento (não a nominal) para um projeto conservador.

Como calcular o peso por metro de tubulação de casing API 5CT?

A fórmula de peso de extremidade lisa da API 5C3 é: W = 0,02466 × t × (OD − t) kg/m, onde OD e t estão em mm. Isso fornece o peso de extremidade lisa (apenas corpo do tubo). O peso nominal (incluindo rosca e acoplamento) é aproximadamente 1,5–3% maior dependendo do tipo de acoplamento e tamanho. Para consulta rápida, use as tabelas de dimensões de casing na API 5CT (Tabela C.18 para casing, Tabela C.19 para tubing).

Como a relação D/t determina qual regime de pressão de colapso se aplica na API 5C3?

A API TR 5C3 seleciona o regime de colapso por D/t (relação diâmetro externo / espessura de parede): o Colapso por Resistência ao Escoamento aplica-se a tubos de parede grossa (D/t baixo, tipicamente abaixo de ~15); o Colapso Plástico cobre o D/t intermediário onde o escoamento impulsiona o colapso; o Colapso de Transição une os comportamentos plástico e elástico; e o Colapso Elástico (Lamé) aplica-se a tubos de parede fina (D/t alto, tipicamente acima de ~30). Os limites de regime variam com a resistência ao escoamento do grau — graus de maior escoamento têm faixas de colapso plástico mais estreitas.

Que correção biaxial a API 5C3 aplica para carregamento combinado de pressão axial e externa?

Quando o casing suporta tensão axial simultânea (por peso da coluna, efeitos térmicos ou cargas de pressão), a API TR 5C3 aplica o critério de escoamento de von Mises para reduzir a resistência efetiva ao colapso. A correção biaxial usa uma resistência ao escoamento efetiva reduzida Ypa = Yp × [√(1 − 0,75(σa/Yp)²) − 0,5(σa/Yp)], onde σa é o esforço axial médio. A 50% do escoamento em tração, a resistência ao colapso pode ser reduzida em 10–20%. Essa correção é crítica para poços desviados e de alcance estendido.

Quais fatores de segurança de projeto são usados para pressão interna e colapso de casing conforme API e ISO?

API 5C3 e ISO 10400 apresentam as classificações de desempenho do casing como valores mínimos; os fatores de segurança são aplicados pelo projetista do poço, não pela norma. Fatores de projeto típicos da indústria são: colapso — 1,0 a 1,125; pressão interna — 1,1 a 1,25 para colunas de produção; tração — 1,6 a 1,8 para colunas de superfície e intermediárias; triaxial (von Mises) — 1,25. Poços HPHT e em serviço ácido frequentemente usam fatores de segurança mais altos e análise triaxial completa.

Referência de Desempenho OCTG

API 5C3 — Tabelas de Referência de Colapso, Pressão Interna e Peso de Casing

Fórmulas de propriedades de desempenho API TR 5C3 / ISO/TR 10400: modelo de pressão de colapso de quatro regimes, coeficientes por grau de H40 a Q125, pressão de escoamento interno de Barlow (pressão interna) e peso por metro de tubulação. Inclui tabela de referência de pressão interna de Barlow e exemplos resolvidos.

→ Calculadora de Pressão e Peso → Tabelas de Dimensões API 5CT → Tabelas NACE MR0175 Serviço Ácido

Sobre API TR 5C3 / ISO/TR 10400

O Relatório Técnico API 5C3 (agora substituído pela ISO/TR 10400:2011) define as fórmulas para calcular três propriedades de desempenho-chave de OCTG: pressão de colapso, pressão de escoamento interno (pressão interna) e peso de tubulação. Estas são as classificações publicadas nas Tabelas da API 5CT e usadas no projeto de colunas de casing.

O modelo de colapso usa quatro fórmulas dependendo da relação D/t (diâmetro/parede) — colapso por resistência ao escoamento para tubo de parede grossa e colapso elástico para tubo de parede fina, com fórmulas plásticas e de transição cobrindo a faixa intermediária que rege a maioria do casing e tubing de produção.

Modelo de Colapso de Quatro Regimes

A fórmula de colapso aplicável depende de D/t (OD ÷ espessura de parede nominal). Aplique a fórmula correspondente à faixa D/t em que seu tubo se encontra, usando os coeficientes específicos por grau da aba acima. Os limites (D/t)_YP, (D/t)_PT, (D/t)_TE estão tabulados na Tabela 1 da API TR 5C3 e variam de acordo com a resistência mínima ao escoamento do grau.

1 — Colapso por Resistência ao Escoamento

Aplica-se quando: D/t ≤ (D/t)_YP (parede grossa)

Pyp = 2Yp × (D/t − 1) / (D/t)²

A parede é suficientemente grossa para que a tensão de escoamento seja atingida antes do flambamento. Governado apenas pela resistência ao escoamento — nenhum coeficiente de grau é necessário.

2 — Colapso Plástico

Aplica-se quando: (D/t)_YP < D/t ≤ (D/t)_PT

Pp = Yp [A / (D/t) − B] − C

A maioria do casing de produção se enquadra aqui. Os coeficientes A, B, C são específicos por grau (ver aba Coeficientes por Grau). C tem unidades de tensão.

3 — Colapso de Transição

Aplica-se quando: (D/t)_PT < D/t ≤ (D/t)_TE

Pt = Yp [F / (D/t) − G]

Faixa intermediária de parede fina. Os coeficientes F e G são específicos por grau. As fórmulas Pp e Pe convergem nesta faixa.

4 — Colapso Elástico

Aplica-se quando: D/t > (D/t)_TE (parede fina)

Pe = 323 700 / [(D/t)(D/t − 1)²] MPa

O tubo de parede fina flambe elasticamente antes de escoar. A fórmula é independente do grau — a resistência ao escoamento não aparece. Em psi: 46.950.000 / [(D/t)(D/t−1)²].

Definição de Variáveis

Símbolo	Definição	Unidades
D or OD	Diâmetro externo do tubo (nominal)	mm (ou pol)
t	Espessura de parede nominal	mm (ou pol)
D/t	Relação diâmetro/espessura (adimensional)	—
Yp	Resistência mínima ao escoamento do grau (da API 5CT)	MPa (ou psi)
A, B, C	Coeficientes de colapso plástico conforme API TR 5C3 Tabela 1	A, B adimensional; C mesmas unidades que Yp
F, G	Coeficientes de colapso de transição conforme API TR 5C3	Adimensional
Pyp	Pressão de colapso por resistência ao escoamento	MPa (ou psi)
Pp	Pressão de colapso plástico	MPa (ou psi)
Pt	Pressão de colapso de transição	MPa (ou psi)
Pe	Pressão de colapso elástico — constante do aço = 323 700 MPa (46 950 000 psi)	MPa (ou psi)
(D/t)_YP	Limite D/t entre regime de escoamento e plástico	—
(D/t)_PT	Limite D/t entre regime plástico e de transição	—
(D/t)_TE	Limite D/t entre regime de transição e elástico	—

Limites de Regime D/t Aproximados por Grau

Os limites D/t se deslocam para baixo à medida que a resistência ao escoamento aumenta (tubo de grau mais alto tem uma faixa de colapso plástico menor). Os valores abaixo são aproximados — use a Tabela 1 da API TR 5C3 ou a Tabela B.1 da ISO/TR 10400 para valores precisos no projeto de casing.

Grau	Escoamento Mín. (ksi)	Regime escoamento: D/t ≤	Regime plástico: D/t	Regime transição: D/t	Regime elástico: D/t ≥
H40	40	~16–17	~17 – ~27	~27 – ~43	~43
J55/K55	55	~15–16	~16 – ~26	~26 – ~38	~38
N80/L80	80	~13–14	~14 – ~22	~22 – ~32	~32
C90	90	~13	~13 – ~21	~21 – ~30	~30
T95/R95	95	~12–13	~13 – ~20	~20 – ~29	~29
P110/C110	110	~12	~12 – ~19	~19 – ~27	~27
Q125	125	~11–12	~12 – ~18	~18 – ~25	~25

A maioria do casing de produção (4½" – 9⅝", pesos padrão) se enquadra no regime de colapso plástico ou de transição. O casing de superfície (13⅜" – 20", paredes mais leves) frequentemente se enquadra no regime de transição ou elástico.

Coeficientes de Colapso API TR 5C3 (Unidades USC)

Coeficientes para as fórmulas de colapso plástico (Pp) e de transição (Pt). Os valores abaixo são para uso com Yp em psi e C em psi; o resultado está em psi. Para unidades SI (MPa), converta C de psi para MPa dividindo por 145,038. Fonte: API TR 5C3 Tabela 1. Verifique com a norma vigente (ISO/TR 10400:2011) para uso em engenharia.

Grau	Escoamento Mín. (ksi)	Escoamento Mín. (MPa)	A (plástico)	B (plástico)	C — psi	C — MPa	F (transição)	G (transição)
H40	40	276	2.950	0.0465	754	5.2	2.063	0.0325
J55/K55	55	379	3.205	0.0541	1,206	8.3	2.038	0.0403
N80/L80	80	552	3.071	0.0667	1,955	13.5	1.998	0.0544
C90	90	621	3.106	0.0706	2,172	15	1.990	0.0575
T95/R95	95	655	3.124	0.0727	2,254	15.5	1.984	0.0584
P110/C110	110	758	3.181	0.0799	2,836	19.6	1.972	0.0609
Q125	125	862	3.239	0.0875	3,561	24.6	1.959	0.0632

Fonte: API Technical Report 5C3 Tabela 1 (USC). C110 usa os mesmos coeficientes que P110 (mesma resistência mínima ao escoamento de 110 ksi). Para coeficientes SI atualizados, consulte a Tabela B.1 da ISO/TR 10400:2011.

Exemplo Resolvido — Colapso Plástico para 7" L80 a 35 ppf

Dados: Casing 7", OD = 177,8 mm, parede = 12,65 mm, Grau L80 (Yp = 80.000 psi)

D/t = 177,8 / 12,65 = 14,1

Verificação de regime: D/t = 14,1 está no regime plástico para L80 (~14 – ~22)

Coeficientes (N80/L80): A = 3,071, B = 0,0667, C = 1.955 psi

Pp = 80.000 × [3,071/14,1 − 0,0667] − 1.955
= 80.000 × [0,2178 − 0,0667] − 1.955
= 80.000 × 0,1511 − 1.955
= 12.088 − 1.955
= 10.133 psi (69,9 MPa)

A classificação de colapso publicada na API 5CT para 7" L80 35,0 ppf ≈ 10.180 psi. Pequena diferença devida ao arredondamento em D/t.

Colapso Elástico — Sem Coeficientes de Grau

A fórmula elástica Pe = 323.700 / [(D/t)(D/t−1)²] MPa usa apenas a constante do módulo elástico do aço — a resistência ao escoamento do grau não aparece. Para D/t = 28 (casing de superfície de parede fina): Pe = 323.700 / (28 × 27²) = 323.700 / 20.412 = 15,9 MPa (2.300 psi). Essa baixa pressão de colapso elástico explica por que o casing de superfície deve ser cimentado: a pressão de formação e a coluna de cimento fornecem suporte externo.

Pressão de Escoamento Interno de Barlow (Pressão Interna)

P = 0.875 × (2 × Yp × t) / OD

Equivalentemente: P = 1.75 × Yp / (D/t)

P = pressão de escoamento interno (MPa se Yp em MPa; psi se Yp em psi)

Yp = resistência mínima ao escoamento conforme API 5CT (MPa ou psi)

t = espessura de parede nominal (mm ou pol)

OD = diâmetro externo (mm ou pol)

0.875 = fator pela tolerância negativa de parede de 12,5% (API 5CT)

A fórmula de Barlow fornece a pressão interna teórica na qual a parede do corpo do tubo começa a escoar. Não inclui as classificações de pressão interna da conexão (acoplamento) — verifique sempre a pressão interna da conexão separadamente. Use a resistência mínima ao escoamento (da Tabela API 5CT) para um projeto conservador.

Tabela de Referência de Pressão de Escoamento Interno de Barlow (MPa)

D/t	J55 Yp=379 MPa	L80 Yp=552 MPa	T95 Yp=655 MPa	P110 Yp=758 MPa	Q125 Yp=862 MPa
8	82.9 (12,020 psi)	120.8 (17,520 psi)	143.3 (20,780 psi)	165.8 (24,050 psi)	188.6 (27,350 psi)
10	66.3 (9,620 psi)	96.6 (14,010 psi)	114.6 (16,620 psi)	132.7 (19,250 psi)	150.9 (21,890 psi)
12	55.3 (8,020 psi)	80.5 (11,680 psi)	95.5 (13,850 psi)	110.5 (16,030 psi)	125.7 (18,230 psi)
14	47.4 (6,870 psi)	69.0 (10,010 psi)	81.9 (11,880 psi)	94.8 (13,750 psi)	107.8 (15,640 psi)
16	41.5 (6,020 psi)	60.4 (8,760 psi)	71.6 (10,380 psi)	82.9 (12,020 psi)	94.3 (13,680 psi)
18	36.8 (5,340 psi)	53.7 (7,790 psi)	63.7 (9,240 psi)	73.7 (10,690 psi)	83.8 (12,150 psi)
20	33.2 (4,820 psi)	48.3 (7,010 psi)	57.3 (8,310 psi)	66.3 (9,620 psi)	75.4 (10,940 psi)
22	30.1 (4,370 psi)	43.9 (6,370 psi)	52.1 (7,560 psi)	60.3 (8,750 psi)	68.6 (9,950 psi)
25	26.5 (3,840 psi)	38.6 (5,600 psi)	45.9 (6,660 psi)	53.1 (7,700 psi)	60.3 (8,750 psi)

P = 1.75 × Yp / (D/t). Use a resistência mínima ao escoamento (API 5CT). Valores em psi arredondados para o 10 mais próximo. Para valores D/t não tabelados, use a calculadora interativa.

Peso de Tubulação de Extremidade Lisa por Metro

W = 0.02466 × t × (OD − t) [kg/m, OD e t em mm]

Equivalente em lb/ft: W = 10.69 × t × (OD − t) / 1000² (OD, t em mm, resultado em lb/ft — multiplicar kg/m por 0,6720)

A constante 0,02466 = ρ_aço × π/4 × 2 / 1000² = 7850 kg/m³ × π/4 × 2 / 10⁶

Isso fornece o peso de extremidade lisa (apenas corpo do tubo). O peso nominal (conforme listado na API 5CT) inclui a tolerância por rosca e acoplamento e é 1,5–4% maior dependendo do tipo de acoplamento. A Tabela C.18 da API 5CT lista o peso nominal Wt (com acoplamento) e o peso de extremidade lisa Wpe lado a lado.

Tabela de Verificação de Peso — Tamanhos de Casing Selecionados

OD (pol)	OD (mm)	Parede (mm)	D/t	W calc. (kg/m)	API 5CT Wpe (kg/m)
4½	114.3	7.37	15.5	19.43	19.87
5	127	9.19	13.8	26.70	27.19
5½	139.7	10.54	13.3	33.57	34.05
7	177.8	10.36	17.2	42.78	43.60
7	177.8	13.72	13	55.51	56.10
7⅝	193.68	12.7	15.3	56.68	58.04
9⅝	244.48	13.84	17.7	78.72	79.62
10¾	273.05	12.57	21.7	80.74	82.59
13⅜	339.72	10.92	31.1	88.54	90.78

W calc. = 0,02466 × t × (OD − t). API 5CT Wpe da Tabela C.18 (peso de extremidade lisa). Os valores coincidem de perto; pequenas diferenças devidas ao arredondamento nas tabelas publicadas.

Calculadora Interativa

Para qualquer combinação de OD, parede e grau — insira os valores diretamente na calculadora para obter a pressão interna, o peso da tubulação e a pressão de colapso aproximada.

→ Abrir Calculadora de Pressão

Fatores de Segurança de Projeto

Os valores de desempenho de API 5C3 / TR 5C3 são capacidades classificadas, não limites de projeto. O projeto da coluna de casing aplica fatores de segurança a cada modo:

Modo de Falha	Fator de Projeto Típico	Significado	Comentários
Colapso	1,0 – 1,125	Carga de trabalho ≤ colapso classificado ÷ FP	FP menor para colunas cimentadas; maior para não cimentadas / retorno de fluido perdido no pior caso
Pressão Interna	1,0 – 1,25	Pressão de trabalho ≤ pressão interna classificada ÷ FP	A pressão interna da conexão frequentemente governa sobre o corpo do tubo — verifique separadamente
Tração	1,6 – 2,0	Peso suspenso ≤ resistência da junta ÷ FP	A fórmula de resistência de junta da API 5C3 também está definida. Inclua flutuação, flexão, cargas dinâmicas
Biaxial	aplica a todos	As classificações de pressão interna e colapso são reduzidas sob carga axial	API 5C3 fornece correção biaxial. Crítico para carregamento combinado tração/colapso em colunas de produção

Correção de Carga Biaxial

Sob tração axial combinada e pressão externa, a resistência efetiva ao colapso é reduzida. A API 5C3 fornece a elipse de escoamento biaxial para corrigir a classificação de colapso quando o esforço axial é significativo:

Pa/Ppure = √[1 − 0.75(σa/Yp)²] − 0.5(σa/Yp)

onde:
Pa = pressão de colapso corrigida biaxialmente
Ppure = pressão de colapso da TR 5C3 (sem carga axial)
σa = esforço axial (tração = positivo, psi ou MPa)
Yp = resistência mínima ao escoamento (psi ou MPa)

Para colunas de produção típicas sob tração no topo, a correção biaxial reduz a resistência efetiva ao colapso em 10–25%. Inclua sempre a correção biaxial para colunas de condutor e seções superiores de colunas de produção longas.

Erros Comuns

Erro	Consequência	Abordagem Correta
Usar a resistência ao escoamento nominal (máxima) em vez da mínima	Superestima a classificação real de pressão interna	Use sempre a resistência mínima ao escoamento (limite inferior) para o projeto
Aplicar a fórmula de Barlow à pressão interna da conexão	A pressão interna da conexão é tipicamente 10–20% menor que a do corpo do tubo	Verifique a classificação de pressão interna da conexão separadamente com o fabricante do acoplamento ou a tabela da API 5C3
Ignorar a tolerância de parede no cálculo de colapso	Colapso prematuro; a classificação de colapso publicada já incorpora a tolerância de −12,5%	As classificações de colapso da TR 5C3 usam parede nominal (não mínima). Nenhum fator de tolerância adicional é necessário
Usar a fórmula elástica para todas as relações D/t	Superestima o colapso para o regime plástico/escoamento (não conservador se aplicado incorretamente)	Identifique o regime correto a partir de D/t; use a fórmula apropriada
Aplicar o colapso classificado a casing superficial não cimentado	Suporte insuficiente se a pressão do espaço anular aprisionado for perdida	Use fatores de segurança e avalie a coluna de fluido no pior caso — considere cimentação parcial

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