[pt] Neste trabalho foram estudados quatro geometrias de componentes tubulares, para trabalho sob pressão interna, que continham defeitos tipo perda de espessura metálica em regiões de sua superfície externa e que foram reparados por dois sistemas de materiais compósitos. As seguintes geometrias de espécimes tubulares foram estudadas: dutos com redução de diâmetro, dutos curvados a frio, dutos curvados a quente e uniões tubulares em T. Os dois sistemas de materiais compósitos consistiram de um sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de vidro (ERFV) e outro sistema com mantas de resina epóxi reforçadas por fibra de carbono (ERFC). O método de Elementos Finitos foi usado para simular o comportamento dos espécimes quando submetidos a testes hidrostáticos. As simulações levaram em consideração o comportamento do material dos tubos API 5L Grau B nas suas regiões elástica e plástica, e investigaram o aumento da resistência à ruptura dos tubos com defeitos proporcionados pela presença dos reparos compósitos. Os resultados obtidos com os modelos de elementos finitos, usados para as determinações de distribuições de deformações e de pressões de ruptura, foram comparados com resultados experimentais disponíveis para cada componente tubular. Os resultados destas comparações foram satisfatórios. Posteriormente, foram desenvolvidas equações para determinar espessuras otimizadas para os reparos e os resultados obtidos com estas equações foram comparados com os resultados das simulações por elementos finitos e outros resultados obtidos com equações disponíveis em normas pertinentes. Em conclusão, o método de elementos finitos usado neste trabalho simulou satisfatoriamente o comportamento em testes hidrostáticos de componentes tubulares tipo Tê, com redução concêntrica, curvados a quente e curvados a frio, com defeitos de perda de espessura metálica e que foram reparados com materiais compósitos. Por sua vez, os resultados numéricos auxiliaram na validação de equações analíticas simples que poderão ser usadas na determinação de espessuras otimizadas de sistemas de reparos com materiais compósitos. / [en] This dissertation investigates four geometries of pipe components that operate with internal pressure and contain metal loss defects in areas of their external surface. These components were repaired with two systems of composite materials that consisted of epoxy resin reinforced by glass fiber (ERFV) and epoxy resin reinforced by carbon fiber (ERFC). The following tubular specimens were studied: components with concentric diameter reducers, hot curved short radius elbow components, cold curved long radius elbow components and T-components. The finite element method was used to simulate the behavior of the specimens when submitted to hydrostatic tests. The simulations took into consideration the behavior of the material of the pipes API 5L Grade B in their elastic and plastic regions, and investigated the increase in the rupture strength of the pipes with defects that was provided by the presence of composite repairs. The results obtained with the finite element models, used for the determination of distributions of deformation and burst pressures, were compared with experimental results available for each pipe component. The results of these comparisons were satisfactory. Subsequently, simple analytical equations were developed to determine the optimized thicknesses for the composite repair systems and the results obtained from these equations were compared with the results determined with the finite element models and with other results obtained with equations recommended by international relevant standards. In conclusion, the finite element method used in this work satisfactorily simulated the behavior of the selected pipe components with defects of metal loss that were hydrostatically tested and that were repaired with composites materials. The numerical results helped to validate simple analytical equations that can be used in the determination of the optimized thicknesses of repair systems with composite materials.

[pt] O aumento dos custos relacionados aos processos de manutenção em estruturas como aeronaves, aliadas à crescente demanda das mesmas, alimentam a necessidade de investimentos em técnicas inovadoras de monitoramento estrutural. Dessa forma, o trabalho realizado nesta tese, busca o desenvolvimento de uma técnica de monitoramento ativo, visando o acompanhamento de parâmetros da estrutura analisada, a fim de identificar e caracterizar processos de dano não visíveis, tais como corrosão e delaminação. A metodologia empregada, teve como base a análise dos padrões de deformação superficial, obtidos com o uso de grades de sensores à fibra óptica baseadas em redes de Bragg (FBG). Inicialmente, tais padrões foram provocados por carregamentos estáticos (tração), e posteriormente por atuadores PTZ fixados à estrutura. Estes últimos são submetidos a uma voltagem alternada e frequência fixa. Esta técnica apresenta todas as vantagens dos sensores FBG (massa e dimensões reduzidas, imunidade eletromagnética, elevado poder de multiplexação e alta sensibilidade entre outras), alem de permitir a visualização de alterações nos padrões de deformação, provocados por danos, através da variação da frequência de excitação. Com relação à interpretação dos resultados, a estratégia empregada consistiu em separar o problema de detecção e caracterização dos danos. Dessa forma, a detecção é realizada comparando a energia das deformações superficiais dos corpos de prova nos casos com e sem defeito, enquanto a caracterização é obtida através a utilização de redes neurais artificiais (RNA), por meio de rotinas de reconhecimento de padrões. / [en] The higher costs related to maintenance processes in structures such as aircraft, coupled with the growing demand of them, fueling the need for investment in innovative techniques for structural monitoring. Thus, the work done in this thesis seeks to develop a technique of active monitoring, aiming at monitoring of structure parameters analyzed in order to identify and characterize processes of hidden damage such as corrosion and delamination. The maid methodology was based on the analysis of patterns of surface deformation, obtained with the use of nets of optical fiber sensors based on fiber Bragg gratings ( FBG ). Initially, these patterns were caused by static loads (tension ), and later by PTZ actuators fixed to the frame, who are subjected to an AC voltage and fixed frequency. This technique has all the advantages of the FBG s sensors (mass and small dimensions, electromagnetic immunity, high multiplexing s power and high sensitivity among others), in addition to allowing visualization of changes in the patterns of deformation caused by damage, by varying the frequency excitation. With respect to the interpretation of the results, the strategy employed was to separate the problem of detection and characterization of damage. Thus, the detection is performed by comparing the deformation energy of the surface of the specimens in the cases with and without defect, whereas the characterization is obtained through the use of artificial neural networks (ANN) by means of pattern recognition routines.

[pt] Este trabalho teve por objetivo avaliar a morfologia de biofilmes, formados em superfície de aço API 5L X80 submetida a um fluido com baixo BSW (Basic Sediment Water), ou seja, baixo teor de água em óleo, através de análise por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), determinar a cinética e quantificar os grupos bacterianos de formação destes biofilmes, e avaliar a biocorrosão causada por estes microrganismos. Foram realizadas alterações no protocolo original de preparo de amostras, com a finalidade de obter melhor definição das morfologias avaliadas. Realizaram-se estudos dinâmicos (looping) e em condições estáticas, com e sem a adição de agente biocida. Utilizando-se como fluido de processo o óleo coletado no terminal da Petrobras em Barra do Furado que tem como característica um BSW de aproximadamente 1 por cento de água. Para alcançar os objetivos descritos foram quantificadas bactérias sésseis (bactérias facultativas heterotróficas, bactérias precipitantes do ferro, bactérias anaeróbias heterotróficas e bactérias redutoras de sulfato) através da técnica do número mais provável (NMP). A intensidade do processo corrosivo foi avaliada através da análise dos pites formados nos cupons por microscopia óptica. A seqüência de fixação com alteração do protocolo inicial, permitiu uma melhor preservação estrutural do biofilme obtendo-se assim imagens com melhor resolução, tendo em vista que a fixação primária com glutaraldeído fixa principalmente proteínas pelo estabelecimento de ligações divalentes com grupamento amino, e a pós-fixação em tetróxido de ósmio reage com os lipídios. Quanto a cinética, observou-se também que na presença de fluido oleoso, a formação do biofilme só é detectada após 15 dias de exposição. A adição do agente biocida inibiu o crescimento do biofilme, não sendo detectada a presença de células cultiváveis após 7 dias em contato com o fluido contendo o agente químico. / [en] This study aims to evaluate the morphology of biofilms formed on the surface of API 5L X80 steel exposed to a low BSW (Basic Sediment Water) fluid comprising oil of a low water content. The analisys was performed using scanning electron microscopy (SEM) in order to determine the formation kinetics, to quantify and identify the bacterial groups present as the film formed, and to evaluate the biocorrosion caused by these organisms. Modifications were made to the original sample preparation protocol, in order to better define the film morphologies. Studies were undertaken applying either static or dynamic (looping) conditions, bith with and without the addition of biocides. The process fluid used was oil collected from the Petrobras Barra do Furado Terminal, characterized by its 1 percent BSW. The evaluation was performed quantifying the sessile bacteria present in the film (heterotrophic bacteria, iron bacteria, anaerobic bacteria e sulphate reducing bacteria) via the Most Probable Number (MPN) technique. The intensity of the corrosion process was determined by the analysis of pits forme in the testpieces, by optical microscopy. The application of a sample fixation sequence, in addition to modifications of the inicial sample preparation protocol, permitted the improved preservation of the biofilm structures, thereby permitting higher resolution images. The primary fixing agent, containing gluteraldehyde, principally fixes proteins, by establishing divalent bonds with amino groups, while the post-fixation stage with osmium tetroxide invloves reactions with lipid groups.With regard to the film deposition kinetics, it was observed that biofilm formation could only be detected after 15 day s exposure to the oily fluid. The addition of a biocide, inhibited the growth of the film, no cultivatable cells being present after 7 days contact with the treated fluid.

[pt] Corrosão sob tensão (SCC), que consiste na iniciação e propagação de trincas devido ao efeito combinado de tensões mecânicas e o ambiente corrosivo, é um dano potencial para estruturas e componentes. Além do mais, SCC pode ser explicado por diferentes mecanismos dependendo do par material ambiente corrosivo considerado, o que dificulta o uso de um modelo geral para predizer o comportamento de trincas em SCC. Sendo assim, projetos frequentemente utilizam um critério conservativo que desqualifica materiais susceptíveis à SCC sem analisar de maneira apropriada a influência dos campos de tensão que a induzem. O objetivo deste trabalho é avaliar o efeito de tensões elastoplásticas na corrosão sob tensão. Esta abordagem mecânica considera que todos os efeitos corrosivos envolvidos na corrosão sob tensão podem ser apropriadamente quantificados pelas tradicionais resistências do material à iniciação e propagação de trincas para um ambiente corrosivo específico. Corpos de prova de flexão em Alumínio fragilizados por Gálio líquido serão utilizados para prever o efeito de tensões residuais induzidas por deformações plásticas na iniciação de trincas por corrosão sob tensão. Além disso, uma análise quantitativa baseada no comportamento de trincas não propagantes a partir de entalhes será usada para estimar a tensão necessária para iniciar e propagar trincas em corpos de prova entalhados em aço AISI 4140 sujeitos à corrosão por sulfeto de hidrogênio em ambiente aquoso. O comportamento de trincas curtas e a carga máxima suportada pelos corpos de prova entalhados são analisadas considerando campos de tensões lineares elástico e elastoplásticos através do modelo proposto que será validado através de dados experimentais. / [en] Stress Corrosion Cracking (SCC), which consist in the initiation and propagation of cracks due to the combined attack of mechanical stresses and a corrosive environment is a potential danger for structures and components. Moreover, SCC can be explained by different mechanisms depending on the metal environmental pair, what makes difficult to create a generalized analytical approach to predict the crack behavior in SCC. Therefore, projects often use an over-conservative design criteria that disqualify a material susceptible to SCC without properly evaluate the influence of the stress fields that drive them. The aim of this work is to evaluate the effect of elastic-plastic stress in SCC. This mechanical approach assumes that all chemical effects involved in SCC problems can be appositely described and quantified by traditional material resistances to crack initiation and propagation at under specific environment. Aluminum bending specimens in Gallium environment are used to predict the effect of the residual stress induced by plastic deformation in the crack initiation under SCC conditions. Furthermore, a quantitative analysis based on the non-propagating crack behavior departing from notch tips are used to calculate the necessary stress to initiate and propagate SCC in AISI 4140 steel notched specimens under aqueous hydrogen sulfide environment. The non-propagating crack behavior and the maximum load supported by notched specimens are analyzed under linear elastic and elastic-plastic stress field through the proposed model that will be validated by experimental data.

[pt] O transporte eletrocinético de gasolina e óleo através de um solo residual gnáissico é focado na utilização da eletrocinese como uma técnica de remediação para solos finos. Baseia-se na aplicação de uma diferença de potencial através de uma massa de solo, com a conseqüente produção de um fluxo eletrocinético, o qual envolve mecanismos como eletroosmose -fluxo de água- e migração de íons.Na primeira etapa, amostras de solo foram contaminadas com gasolina e com óleo cru. Os ensaios mostraram que a presença desses compostos não variou o comportamento dos parâmetros eletroosmóticos, assim como o pH e a condutividade elétrica dos eletrólitos e do próprio solo. Em dois dos ensaios realizados com óleo, observou-se um notório transporte em direção ao anodo devido à eletroosmose. Já com a gasolina os resultados das determinações analíticas sugeriram o transporte da mesma, embora que em uma escala reduzida. Na segunda etapa analisou-se a remediação dos metais e do óleo presentes em uma borra de petróleo da Bacia de Campos, para a utilização desta como material geotécnico. Nenhum teor significativo de metal foi encontrado na borra antes do ensaio, em contrapartida, observou-se contaminação de zinco pela corrosão dos eletrodos de latão utilizados. E quanto ao óleo, notou-se um transporte considerável devido à eletroosmose. / [en] This study assesses the use of electrokinetics as an innovative technique for remediation of fine-grained soils. It relies on the application of an electrical potential through a soil mass, producing a series of coupled flows, including fluid flow -electroosmosis- and migration of ions. The first stage of the experimental program encompassed a series of tests with samples of residual soil contaminated with gasoline and crude oil. The results showed that the presence of these compounds did not affect the electroosmotic behavior, and there was observed no changes on the pH and electric conductivity of neither the electrolytes solution nor the soil itself.When oil contaminated samples are of concern, it was noticed a clear electroosmotic flow towards the anode. This pattern was also observed, but at a reduced level, on the tests on the gasoline contaminated samples.The second stage of the experimental program consisted on a series of tests with oil ground from Campos Basin aiming on dewatering and de-oiling. The results were satisfying, in all sample there was a noticeable reduction on the water and oil contents. Tests results also showed a zinc contamination on the sample caused by electrolysis on the brass electrodes.

[pt] A Corrosão Influenciada por Microrganismos (CIM) ou biocorrosão é reconhecida como um dos fenômenos causadores de inúmeros problemas nas indústrias de petróleo e gás, pois causa sérios danos ao material reduzindo sua vida útil. Neste trabalho foram avaliados os efeitos da biocorrosão caracterizado pela cinética de formação de biofilme em uma junta soldada longitudinal de aço API X80 obtida pelo processo de arco submerso (SAW). Durante o processo de soldagem forma-se uma região com características microestruturais distintas do metal de base e do metal de adição, denominada de zona termicamente afetada (ZTA). Assim essa zona poderá ter uma adesão microbiana diferenciada, visto que diferenças superficiais em um material, seja por natureza química ou física, podem limitar ou facilitar a adesão microbiológica. Por esse motivo foi realizado um estudo comparativo entre a cinética da formação de biofilme na junta soldada de um aço API X80. Também foi avaliada a influência das características físicas da superfície na adesão microbiana utilizando dois tipos de superfície: com a rugosidade original e polido com pasta de diamante com granulação de 6μm. Estas superfícies foram expostas ao fluido de processo (água do mar da Baía de Guanabara) em um sistema dinâmico. Foram realizadas tanto a quantificação microbiana, como também a quantificação dos ácidos orgânicos, sulfato depletado e ferro total para avaliar os nutrientes disponíveis e a bioatividade das reações bacterianas. A rugosidade superficial e o biofilme formado foram caracterizados morfologicamente e a sua presença correlacionada com a formação de pites. / [en] The Microbiologically Influenced Corrosion (MIC) or bio-corrosion is recognized as one of the phenomena that cause a lot of problems in petroleum and gas industries, because it causes serious damages to the materials, reducing its life cycle. This study evaluated the effects of bio-corrosion characterized by the biofilm formation kinetics in longitudinal welds of API 5L X80 steel obtained by the process of submerged arc welding (SAW). During the welding process a region with different microstructural characteristics of the base metal and weld metal is formed, called heat affected zone (HAZ). Thus this zone can have a differentiated microbial adhesion since the different surfaces of a material, either by chemical and physical nature, can limit or facilitate the microbial adhesion. For this reason a comparative study of biofilm formation kinetic on the welded joint was conducted. The influence of the physical characteristics of the surface in microbial adhesion was also evaluated using two kinds of surface: steel with real roughness and steel polished with diamond paste with grain size of 6 μm. These surfaces were exposed to the process fluid (Guanabara Bay seawater) in a dynamic flow system. The microbial quantification was held. Organic acids, depleted sulfate and total iron were also measured to evaluate the available nutrients bioactivity of bacterial reactions. Surface roughness and biofilm were characterized morphologically and correlated with pitting formation.

[pt] Esta pesquisa avaliou a resistência a corrosão de revestimentos de base em resina epóxi, reforçada com 0,1% wt e 0,5% wt de óxido de grafeno reduzido (rGO), aplicado sobre um substrato em aço carbono AISI 1020. Como teste de corrosão foi aplicado testes de imersão em solução com 3,0% wt de NaCl saturadas com CO2, em um vaso de pressão a 70 bar na temperatura de 40 ᵒC, por 528 h. Os revestimentos foram avaliados por teste de aderência (Pull Off), microdureza (Dureza Shore D) e caracterizado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) quanto a qualidade de ancoragem do revestimento ao substrato, porosidade e espessura, para a análise de existência de pites na superfície do substrato metálicos foi utilizada microscopia ótica (MO). Os resultados obtidos evidenciaram que os revestimentos nas três condições, como recebido, aditivados com 0,1% wt e 0,5% de rGO tiveram a mesma eficiência na proteção do substrato metálico, todos igualmente, evitaram a formação de pites nas condições de testes propostas. Para adição de 0,1% wt de rGO ocorreu refinamento dos poros e a adição de 0,5% wt promoveu drástica redução da densidade de poros. A adição do rGO não influenciou na Dureza Shore D dos revestimentos. Para pré teste de corrosão, o revestimento com 0,1% wt de rGO obteve maior densidade de poros e menor valor de dureza, seguido pelo 0,0% wt e posterior 0,5% wt de rGO. Para pós testes de corrosão a ordem é invertida. Os resultados pós testes de corrosão indicaram que a porosidade possibilitou a permeação da solução nos revestimentos, e está relacionada com as bolhas e empolamentos, que influenciaram na dureza. A adição de 0,1% wt e 0,5% wt de rGO não influenciou na ancoragem dos revestimentos, obtendo boa acomodação nas irregularidades da superfície metálica do substrato. / [en] This research evaluated the corrosion resistance of an epoxy resin-based coat, reinforced with 0.1 and 0.5 wt% of reduced graphene oxide (rGO), applied to AISI 1020 carbon steel. Immersion tests in aqueous solution with 3.0 wt% NaCl saturated with CO2, in a pressurized cell at 70 bar at 40⁰C, for 528 h. The coating was evaluated by Pull-Off Test, microhardness (Shore D hardness), and Scanning Electron Microscopy (SEM). The quality of the coating anchoring to the substrate, porosity, and thickness was evaluated. The presence of pits on the surface of the metallic substrate was assessed by Optical Microscopy (OM). The results obtained indicated that the addition of rGO contributed to greater corrosion resistance and provided better structural integrity to the coating. The results obtained showed that the coatings under the three conditions, as received and 0.1 and 0.5wt% rGO additions had the same efficiency in protecting the metallic substrate, avoiding pitting. Pore refinement occurred for 0.1wt % rGO, and the addition of 0.5wt% promoted a drastic reduction in pore density. The addition of rGO did not influence on the Shore D Hardness of the coatings. For a precorrosion test, the coating with 0.1wt% of rGO obtained higher pore density and lower hardness value, followed by 0 wt% and later 0.5 wt% of rGO. For the post corrosion test, the order is reversed. The results of the post corrosion test indicated that the porosity allowed the permeation of the solution in the coatings and is related to the bubbles and blistering, which influenced the hardness. The addition of 0.1 and 0.5 wt% or rGO did not affect the coating anchoring, obtaining reasonable accommodation in the irregularities of the substrate metallic surface.

[pt] Em tubulações industriais e dutos, a presença de biofilme pode ocasionar danos localizados (pites e alvéolos), levando a vazamentos e redução da área de fluxo devido à formação de biomassa. Aços grau API são os materiais usualmente utilizados nas tubulações industriais e dutos que podem ser afetados pelo fenômeno de corrosão induzida por microrganismos (CIM). A CIM ocorre devido a interações entre os grupos microbianos presentes no biofilme formado, a liberação de produtos metabolitos, e a relação destes com a superfície do metal. Foi realizado um estudo do comportamento de aços graus API B, X-65 e X-80, em presença de água do mar sintética com adição de cultura mista de bactérias (BRS; BPF; BPA) em sistema dinâmico, e comparados com meio sem adição de microrganismos. Foram realizadas analises químicas do fluido de processo e a quantificação microbiana das bactérias planctônicas e sésseis que demonstraram a relação entre os grupos bacterianos dentro dos biofilmes formados e sua cinética ao longo do tempo. Microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de dispersão de energia foi aplicada para visualização do biofilme e seus produtos de corrosão. A extensão, severidade e morfologia da corrosão dos aços API foi avaliada por microscopia ótica, sendo possível relacionar o efeito no processo corrosivo com o consorcio de microrganismos presente, tendo sido ainda avaliado a influência da microestrutura dos diferentes aços nos sítios preferenciais de nucleação de pites. / [en] In industrial and transportation pipelines, the presence of biofilms may cause localized damage (pitting), leading to leakages and reduction of flow area due to the formation of biomass. API grade steels pipes are the materials commonly used in industrial and transportation pipelines and may be affected by this type of phenomenon. The microbiologically influenced corrosion (MIC) occurs due to interactions between the microbial groups present in the biofilm, the release of metabolites and their relation with the metal surface. The present work study of the behavior of API pipe steels degrees B, X-65 and X-80 in synthetic sea water containing mixed culture of bacteria (SRB, APB, IOB) carried out on a dynamic system and compared to medium without added microorganisms. Chemical analysis of the process fluid and quantification of microbial planktonic and sessile bacteria performed showed the relation between bacterial groups within biofilms and their kinetics over time. Scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy was applied for visualization of biofilms and their corrosion products. The extent, severity and morphology of corrosion of API pipe steels were assessed by optical microscopy, being possible to relate the effect of the consortium of microorganisms on the corrosion process. Also the influence of microstructure of different steels in preferential nucleation sites for pitting were evaluated.