[pt] Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o efeito do jateamento de partículas (shot-peening) sobre a vida-fadiga do aço estrutural R4, largamente adotado na fabricação de componentes estruturais para sistemas de ancoragem de unidades flutuantes. Inicialmente, amostras cilíndricas do material foram retiradas das seções retas de elos tipo Kenter. Em seqüência, algumas amostras foram temperadas e revenidas em diferentes tempos de tratamento, com o objetivo de se promover uma homogeneidade microestrutural, bem como propriedades mecânicas similares àquelas dos elos tratados industrialmente. As amostras foram submetidas a ensaios de dureza e tração e, com base nos resultados, providenciou-se o tratamento térmico de todas as amostras. Dando continuidade a etapa experimental, corpos de prova para ensaios de fadiga foram usinados das amostras tratadas e submetidos a jateamento com microesferas de aço temperado sob pressões de 20 psi, 30 psi e 40 psi. Finalmente, corpos de prova nas condições sem jateamento e após jateamento foram submetidos a ensaios de fadiga por flexão rotativa, com o objetivo de se levantar a curva tensão versus número de ciclos para a falha (curva S-N) do aço estrutural R4 nas diferentes condições de superfície. A extensão da vida em fadiga do aço estrutural R4 foi relacionada com o jateamento de microesferas. De acordo com os resultados, houve uma influência benéfica do tratamento de superfície sobre a vida-fadiga do material. Tal influência foi caracterizada por um maior número de ciclos para a falha e aumento do limite de resistência à fadiga. Os resultados mostraram que a extensão da vida útil esteve diretamente relacionada com a intensidade do jateamento, significando que uma maior intensidade de jateamento provocou uma maior extensão da vida-fadiga do material. / [en] The objective of the present work was to evaluate the effect of shot peening on the fatigue life of a grade R4 structural steel, largely adopted for fabricating offshore mooring chains. Initially, cylindrical samples of the material were cut of from the straight sections of Kenter links. In the sequence, a number of specimens were austenitized ed and tempered making use of different treatment times, in order to promote a microstructural homogeneity as well as mechanical properties similar to those associated with industrial heat treatments. The specimens were subjected to hardness and tensile tests and on the basis of the results, all samples were heat treated. After that, fatigue specimens were machined from the treated samples and shot peened with quenched steel shots under pressures of 20 psi, 30 psi and 40 psi. Finally, rotating bend fatigue tests were performed with unpeened and shot peened specimens aiming to establish the stress-life curves of the grade R4 structural steel. The fatigue life extension of the grade R4 structural steel was related to the shot peening. Regarding the results, the surface treatments affected the fatigue life of the material beneficially. This influence was characterized by a longer fatigue cycles and a fatigue life improvement. The results showed that the fatigue life extension was directly related to the shot peening intensity, i.e., the fatigue life extension has increased when increasing the shot peening intensity.

[pt] O objetivo deste trabalho é fazer uma modelagem numérica por elementos finitos de tensões residuais em peças de liga ferro-níquel e aço carbono submetidas a tratamentos térmicos,considerando mudanças de fase.Com este objetivo, foram desenvolvidos códigos computacionais orientados a objetos para análise térmica não-linear acoplado à análise da micro-estrutura. Códigos implementados em POO também foram criados para análise elasto-plástica, onde a distribuição de temperatura e as frações parciais dos constituintes são dados de entrada. As propriedades termo- mecânicas do material são consideradas dependentes tanto da temperatura quanto da fração parcial de cada constituinte. No tratamento térmico está sendo considerado a formação de martensita segundo o esquema de Koistinen e Marburger (1959). É abordado também a formação difusional de perlita e bainita, segundo o esquema proposto por Avrami (1939). Por fim, é apresentado um novo modelo para calcular os parâmetros cinéticos das transformações difusionais austenita-perlita e austenita-bainita. / [en] The objective of this thesis is to perform a finite element analysis of residual stress in Fe-Ni alloys and carbon steel heat-treated pieces, considering phase changes. To achieve this goal, a object oriented computer code for the non-linear thermal analysis coupled with a code for a micro-structural analysis were developed. OPP codes were also created for an elasto-plastic analysis, with temperature distribution and constituents partial fraction as input data. The material properties are considered dependent on both the temperature and the partial fraction for all analyses.In the thermal treatment, the martensite transformation according to Koistinen and Marburger (1959) scheme and the diffusional formation of pearlite and bainite according to Avrami (1939) are considered. Finally, a new model to calculate the kinetics parameters of the diffusional austenite-pearlite and austenite-bainite transformations is presented.

[pt] A fotoelasticidade é uma ferramenta poderosa para análise de tensões em problemas bi e tridimensionais. Nos últimos anos a técnica vem ganhando renovado interesse da comunidade científica devido à adaptação de modernas técnicas de aquisição e processamento digital de imagens. Uma das linhas mais promissoras é a Fotoelasticidade RGB, que entende a cor como uma combinação única dos níveis de intensidade das componentes Red, Green e Blue. Tratase de uma metodologia poderosa, porém de fácil compreensão e aplicação em ambientes industriais. Uma aplicação tradicional da fotoelasticidade é na inspeção de tensões residuais em componentes de vidro, utilizando-se a Norma ASTM F218. Esta Norma estabelece dois procedimentos para a determinação da ordem de franja isocromática: um quantitativo e outro qualitativo. O vidro tem birrefringência muito baixa, o que faz com que a resposta ótica seja basicamente em tons de cinza. No seu procedimento qualitativo a Norma ASTM F218 recomenda a utilização de um filtro retardador de onda inteira. Com esse simples procedimento, a resposta ótica se modifica. No lugar de tons de cinza tem-se cores em torno da passagem do vermelho para o azul, o que simplifica muito a análise de birrefringência por um operador. A aplicação da Fotoelasticidade RGB para componentes de vidro, transforma este método qualitativo em quantitativo: a cor deixa de ser um parâmetro abstrato, e passa a ser um número. Este trabalho analisa os procedimentos necessários para aplicar a Fotoelasticidade RGB à indústria do vidro. A Norma ASTM F218 recomenda que o filtro de onda inteira, seja inserido com sua direção principal alinhada à direção principal de cada ponto analisado. Foi pesquisada a diferença entre os resultados obtidos, quando a norma é seguida, e quando é utilizado um procedimento simplificado, ou seja, é utilizada apenas uma posição do filtro para analisar todos os pontos. Além disso, o método foi aplicado a dois casos: um esteme e um bulbo de lâmpada. Nos dois casos, foram analisados um componente considerado bom e outro considerado ruim, por seu fabricante, procurando mostrar seus estados de tensões residuais através da Fotoelasticidade RGB. / [en] Photoelasticity is a powerful tool for analyzing stress in bidimensional and three-dimensional problems. In the last years the technique renewed the scientific community s interest due to adaptation of modern acquisition and image digital processing techniques. One of the most promising field is called RGB Photoelasticity. It quantifies the color as an unique combination of the intensity levels of Red, Green and Blue components. It is a powerful methodology,even so of easy understanding and application in industrial enviroment.A traditional application of the photoelasticity is in the inspection of residual stresses in glass components, using the specification ASTM F218. That specification establishes two procedures for the determination of the isocromatics fringe order: one of them quantitative and anotehr one qualitative. The glass has very low birefringence, so that its optic response is basically in gray tones. In the qualitative procedure the specification F218 recommends the use of a full - wave plate. With this simple procedure the optical answer is changed. It is possible to obtain colors near the passage of the red to blue, what simplifies the analysis too much. The application of RGB photoelasticity to glass transforms the qualitative method in quantitative: the color is not more an abstract parameter, but a number. This dissertation analyzes the necessary procedures to apply RGB photoelasticity to the glass industry. The specification F218 recommends that the full wave plate must be inserted with its principal direction aligned to the principal direction of each analyzed point. A implification to that procedure was proposed: to use only one position of the filter to analyze all the points. The difference among the two procedure was researched; the results obtained following the specification and using the simplified procedure were compared. The method has been applied to two cases: a stem and a lamp bulb. In the both cases, a component in the acceptable condition and another in the non-acceptable condition were analyzed, in order to show their states of residual stresses using the RGB photoelasticity.

[pt] Uma das técnicas mais aplicadas para medir tensões residuais em componentes mecânicos é a técnica do furo cego. Esta técnica é de fácil aplicação industrial e é normalizada pela ASTM E 837. Entretanto, devido à concentração de tensões gerada pelo furo, há restrições quanto à aplicação deste método quando as tensões residuais presentes excedem 0.3 da tensão de escoamento do material, Sy. Há na literatura trabalhos que avaliam, por elementos finitos, os erros gerados ao se aplicar diretamente estes coeficientes em componentes com altos níveis de tensões residuais. Em alguns casos, o erro pode chegar a 140%, para tensões da ordem de 0.9 de Sy. Porém, para retrocalcular as tensões residuais estes trabalhos também usam hipóteses válidas apenas no regime elástico, de forma que os resultados por eles apresentados podem ter imprecisões. Neste trabalho propõem-se novas metodologias numéricas para avaliar a validade da norma ASTM E 837 em regime plástico, através de uma modelagem mais realística do alívio de tensão gerado pela usinagem do furo, evitando o uso de hipóteses linear-elásticas. Estas metodologias são: Estado Equivalente, na qual uma tensão equivalente àquela agindo no componente é aplicada na borda do furo; metodologia Morte de Elementos na qual os elementos presentes na região em que o furo será usinado são eliminados numericamente em vários passos, de forma a simular o processo de usinagem; e a metodologia Tensão Substituta, na qual o material presente na região do furo é substituído pela tensão que nele age, a qual é retirada gradativamente. Foram modeladas em elementos finitos placas com furos passantes e cegos, submetidas a carregamentos uniaxiais e biaxiais, desde 0.3 Sy até 0.9 Sy. Além disso, foram utilizados nas simulações materiais tendo limite elástico e de escoamento coincidentes e não coincidentes. Os erros encontrados entre as tensões retrocalculadas e as tensões aplicadas, para todas as situações são menores que encontrados por outros pesquisadores, obtendo-se no pior caso 70 por cento. Finalmente, conclui-se que as metodologias Tensão Substituta e Morte de Elementos são as que simulam de forma mais próxima da realidade o processo de usinagem de um furo em um placa submetida à altas tensões. / [en] One of the most popular techniques applied to measure residual stresses is the hole-drilling technique. The technique is easy to be applied at industry, and is normalized ASTM E 837. However, due to the stress concentration caused by the machined hole, the technique can not be used if the residual stresses are higher than one third of the material yield strength, Sy. There are several researches articles that evaluate the errors aroused from the use of linear-elastic coefficients in case where plastic strains are present. In general, those articles apply the finite element to simulate the process of drilling the hole and stress relief. In certain case it is showed that the error can reach 140% of the applied stress. However,those articles use linear-elastics hypothesis and therefore their predictions can also include mistakes. The present work proposes new numerical methodologies to evaluate the usefulness of the hole- drilling technique, as it is described by the ASTM E 387, in the plastic range. The aim is to model the stress relief caused by the hole`s drilling process in a more realistic way, in order to avoid the use of linear-elastics hypothesis. The proposed methodologies are: Equivalent State, in which is applied in the hole a stress equivalent to that one acting externally on the component; Element Death, in which the drilling process is simulated by eliminating numerically in several steps the material which vanishes during the drilling process, and the Replacement Stress; in which the material in the hole is replaced by the stress that is acting at its walls. Those mentioned methodologies were implemented using a commercial finite element program which simulated plates with through the thickness and blind holes. Those plates have been loaded with three different loadings which varied from 0.3 to 0.9 Sy. Two materials with different stress-strain curves have been used. One of them had the elastic limit equal to the yield limit and the other one has those two limits different. In the worst case the errors found were 70 percent, which is smaller than those found by others researchers. It was concluded that, the Replacement Stress and the Elements Death methodologies are those that best simulate the process of drilling a hole in a plate which is under high stresses.

[pt] Na indústria do petróleo, as tubulações de aço que conduzem hidrocarbonetos estão constantemente submetidas à ação do gás sulfídrico (H2S).Na condição de veículo do átomo de hidrogênio, este gás pode ensejar sua difusão no aço, provocando a fragilização do mesmo. O tratamento térmico pós-soldagem,previsto nos procedimentos de soldagem convencionais qualificados pela Petrobras, atua no sentido de atenuar os efeitos danosos do hidrogênio, na medida em que reduz o nível de tensões presentes na junta soldada, quando em contato com o H2S. O presente trabalho conduz um estudo a respeito do comportamento de juntas de topo de tubulações em aço-carbono microligado, soldadas conforme o procedimento conhecido como Dupla-Camada, comparando-o ao de juntas obtidas pelo procedimento de soldagem dito Convencional. O procedimento Dupla-Camada não contempla tratamento térmico pós-soldagem de revenimento, pois as tensões internas remanescentes na zona de solda são aliviadas pelo passe de soldagem subseqüente, agregando, portanto, redução do custo de manutenção e acréscimo da disponibilidade de tubos condutores de derivados do petróleo. Outrossim, este procedimento eleva a vida-útil da junta, pela melhoria da sua tenacidade, em função da redução do tamanho de grão obtida nas zonas termicamente afetadas (ZTA s). A medição das tensões residuais provenientes da soldagem (oriundas de contração, transformação de fases, gradiente de resfriamento e difusão do átomo de hidrogênio inerente ao processo) e da exposição do material ao H2S (provocadas por difusão do H), através do método de difração de raios-X, avaliou a efetividade do alívio de tensões alcançado em juntas idênticas soldadas pelos dois procedimentos citados. Foi, também, investigada a ocorrência de microtrincas inter e/ou transgranulares, bem como foram observadas as microestruturas resultantes, através de metalografias óptica e eletrônica de varredura, medidas as microdurezas das juntas, assim como os tamanhos de grão na zona de ligação das ZTA s, e comparados os resultados obtidos segundo os dois procedimentos de soldagem. A seguir, as amostras foram submetidas a análise em microscópio eletrônico de transmissão, visando a observação das discordâncias existentes, mecanismos que contribuem para o alcance do nível de tensões residuais reinante, que não puderam ser avaliados pelo método de medição empregado. Os resultados obtidos indicaram, em média, um estado de tensões mais relaxado, com evidência de microestrutura de granulação ligeiramente mais fina, após a soldagem pelo procedimento Convencional. Não foram encontradas microtrincas, nem constatada uma substancial existência de discordâncias, e constatou-se uma microdureza maior nas regiões de granulação refinada nas ZTA s. Torna-se necessária a realização de mais medições de tensões residuais, que forneçam suporte estatístico à tomada de decisão na escolha do procedimento de soldagem mais adequado. Do ponto-de-vista operacional, os resultados obtidos indicam a demanda por um controle mais apurado na velocidade de avanço da deposição do eletrodo (metal de adição) por parte do soldador executante do procedimento de soldagem Dupla-Camada, suficiente à garantia da elevação do aporte térmico exigida ao recozimento da microestrutura de granulação grosseira das ZTA s, visando a garantia do alcance das propriedades requeridas à junta soldada. / [en] In petroleum industry, steel pipes that conduct products are frequently submitted to the H2S action, that produces steel atomic hydrogen diffusion and embrittlement. The post- welding heat treatment, predicted in welding procedures qualified by Petrobras, reduce the dangerous hydrogen effect when joint is in contact with H2S, by reducing existing residual internal stresses level. This thesis studies a top joint performance when welded by two different techniques:Conventional, with tempering after welding, and Two-Layer Deposition, without post-welding heat treatment to internal stresses relief. In the last case, the residual stresses produced during welding deposition are reduced by action of second layer, what reduces maintenance costs and increase the equipments availability. This welding procedure increase the welded joint life too, by reducing grain size and increasing toughness of thermal affected zone. By X-ray diffraction methode, were measured internal stresses deriving from welding process and H2S exposition, to detect the efficacy of stress relief made on identical joints welded by the two refered procedures. They were also investigated existing microcracks, observed resultant microstructures by optical and scanning electron microscopy, measured microhardnesses and compared grain sizes in joints regions welded by both procedures. Then, samples were analysed by transmission electron microscopy to evaluate itself existing dislocations level, responsible by internal tension level existing at regions from welded zone that were inable to be measured by X-ray methode. Results obtained showed a major stress relief state and a relatively lowest grain size in joints welded by Conventional welding process. There was detected neither microcracks nor an important dislocations level and the microhardnesses showed higher values on the biggest grains at the thermal affected zones. It´s necessary to make more residual stresses measures to give a statistical support to decision about what is the most adequate welding procedure. From the operational point-of- view, these results suggest the necessity of a better parameters control process by the welder, in the case of alternative welding procedure proposed, the Two-Layer Deposition Technique.

[pt] O conhecimento dos esforços de flexão e normal provocados por movimentação de solo é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforços. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e de seu comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforços existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforços agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforços de trabalho obtidos desconsiderando-as são próximos dos valores reais. No mais, os procedimentos propostos para a determinação dos esforços, mediante a separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais. / [en] The knowledge of the bending and axial efforts caused by soil movement is important for the structural integrity analysis of pipelines. The existence of residual stresses is one of the main obstacles for obtaining good results in the determination of such efforts. This work was developed to analyze the behavior of the residual stresses of manufacturing in pipes throughout its circumference and length. Measurements of residual stresses had been made in samples of a new pipe and others samplers removed from operation, using the hole drilling technique and a new sectioning technique. The measurements had been carried throughout the circumference and different sections of the pipes. The measurements with the sectioning technique proposed, called elliptical hole technique, are coherent with the measurements of the hole drilling technique, mainly for the longitudinal stresses. From the experimental results, recommendations had been made and methodologies had been proposed to separate the manufacturing residual stresses from the operating stresses in the pipelines. For each method considered in this work, a simulation was made to evaluate its errors. The circumferential and longitudinal residual stresses of manufacturing have considerable magnitudes (sometimes next to the yield strength of the pipes). Not considering the residual stresses in measurements carried through in situ to calculate the existing loads, as it is made most of the time, can cause significant errors in the determination of the efforts acting on the pipeline. The results of the simulations had shown that, if the residual stresses are low, the work loads obtained when the residual stresses are not considered are comparable with the correct loads. The procedures proposed for the determination of loads, considering the separation of the existing residual stresses, had presented smaller errors or closer to those when the calculation was made neglecting the residual stresses.

[pt] Realizou-se uma completa avaliação das propriedades mecânicas e metalúrgicas do metal de base e do metal de solda para o material da classe API 5L X60. A caracterização das propriedades mecânicas monotônicas e à fadiga deste aço inclui ensaios de tração, de iniciação de trincas por fadiga (épsilonN), de propagação de trincas por fadiga (da/dN), e de tenacidade à fratura (CTOD). Com as propriedades mecânicas quantificadas, passou-se à medição das tensões residuais. Primeiro utilizou-se um equipamento de raios-X portátil para o levantamento do perfil das tensões residuais ao longo da junta soldada. Porém, este método apresentou muita dispersão nos resultados. Em virtude deste fato optou-se por outro ensaio de medição de tensão residual, chamado de método da furação instrumentada ou - Hole-Drilling -.Porém devido à limitação da técnica de furação instrumentada (sigmaRES menor ou igual SE / 3), propôs-se um modelo numérico que viabilizasse a medição das tensões residuais para cargas nominais que variasse até a resistência ao escoamento. Além do mais como o problema da excentricidade na técnica da furação instrumentada é muito relevante, propôs-se uma roseta extensométrica com 5 extensômetros para que se pudesse fazer uma medição das tensões residuais que não fosse determinística. / [en] This study involved a complete evaluation of the mechanical and metallurgical properties of the base and the metal of welding for the material of the class API 5L X60. The characterization of the mechanical monotonic properties of fatigue of this steel included the evaluation of mechanical monotonic, cyclic, toughness, fatigue crack propagation potential drop and back strain deformation and microstructural evaluation. After quantifying the mechanical properties of API 5L X60 steel, residual tensions were then measured. Firstly, for the assessment of the profile of residual tensions throughout a welded joint a portable x-ray equipment was used. However, as this method presented considerable result dispersion, I opted for yet another technique for measuring residual tension, namely the Hole Drilling Method. As this technique also presented shortcomings (sigmaRES less or equal SE / 3), I suggest a numerical model that allows for the measuring of residual tensions for nominal loads which varies till the resistance of yielding. In addition, since the problems with the hole drilling technique are of great relevance, I also suggest the use of a rosette with 5 strain-gages so as not to restrict the measurement of residual tensions to a deterministic experiment.

[pt] A soldagem é o principal processo de união de componentes estruturais, sendo aplicado em larga escala na indústria. No entanto os ciclos térmicos existentes na soldagem geram nos componentes tensões e deformações residuais, que agem como solicitações pré-existentes, podendo ocasionar a falha prematura dos mesmos. As metodologias existentes para previsão das tensões residuais apenas quantificam conservadoramente esses esforços em um número limitado de geometrias. Nesse trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérica usando o método de elementos finitos para a simulação da soldagem de componentes, com foco nas tensões, deformações e distorções causadas durante o processo. Os modelos estudados trataram da união de elementos planos, como chapas e painéis, da fabricação de elementos tubulares, como de dutos e de sua montagem em campo, e da união por soldagem das partes de um vaso de pressão. Foi estudada a influência de diversos parâmetros no comportamento da estrutura como: número de passes, velocidade de soldagem, comportamento do material, e influência do tratamento mecânico de alívio de tensões por meio da simulação de testes hidrostáticos aplicados aos componentes tubulares e ao vaso de pressão. No caso das placas unidas pela soldagem e dos tubos fabricados por este processo, a validade dos resultados obtidos foi feita por meio de medições experimentais realizadas com as técnicas de furo cego, corte elíptico e difração de raios X. Verificou-se uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais, onde foi possível a obtenção de resultados experimentais para comparação. As simulações apontaram nos espécimes altos valores de tensões residuais, por vezes da ordem do limite de escoamento do material, sendo observada tração na região do cordão de solda e compressão em sua adjacência. Esse resultado é esperado uma vez que no cordão de solda são localizados os maiores gradientes de temperatura e as maiores restrições à expansão volumétrica. As simulações mostraram que a aplicação de um teste hidrostático tem como efeito benéfico para o componente a redistribuição das tensões residuais, com consequente diminuição das tensões residuais trativas nos cordões de solda. O grau do alívio das tensões é influenciado pelo valor da pressão de teste; sendo que, em geral, verificou-se que tanto maior a pressão de teste, tanto maior a redistribuição de tensões. / [en] Welding is the main process to join structural components, being applied on a large scale and helping to increase productivity. However, the weld thermal cycles generate residual stresses and deformation, which act as pre-existing loads, and may cause premature failure. Existing methods only conservatively quantify these efforts on a limited number of geometries. In this work a numerical methodology was developed using the finite element method to simulate welding components, focusing on the stress, strains and distortions caused by process. The models studied dealt with the joining of elements such as plates and panels, the manufacturing of tubular elements such as pipelines and their assembly in the field, and the union by welding of parts of a pressure vessel.To understand the behavior of the structure the influence of various parameters were studied such as: number of weld beads, welding speed, material behavior, and the influence of a stress relief mechanical treatment through the simulation of hydrostatic tests applied to the tubular components and to the pressure vessel. In the two cases of the plates joined by welding and the pipes manufactured by this process, the validation of the results was performed by experimental measurements conducted using the blind hole, elliptical cut and X-ray diffraction techniques. Good agreement between the numerical and experimental results were verified, when was possible the knowledge of experimental results for comparison. The simulations indicated values of residual stress, sometimes in the order of the yield strength of the material, being observed traction in the weld bead and compression in its vicinity. This result is expected since that in the weld bead are located the largest temperature gradients and major restrictions on volume expansion. The simulations showed that the application of a hydrostatic test induces a beneficial effect to the component redistribution of residual stress, with consequent reduction of the tensile residual stresses in the weld beads. The degree of relief of tensile stress is influenced by the test pressure value; and, in general, it was found that the greater the test pressure, the greater the stress redistribution.

[pt] Este trabalho versa sobre duas diferentes aplicações de sensores a redes de Bragg em fibra óptica. A primeira consiste no desenvolvimento de uma técnica de sensoriamento do pH empregando fibra óptica, que visa a monitoração contínua e permanente deste parâmetro em poços de petróleo depletados e de injeção. Nesta aplicação, as redes de Bragg são acopladas, através de um mecanismo transdutor, a sistemas poliméricos que respondem a alterações do pH apresentando uma variação expressiva de seu volume. O tempo de resposta e o fator de inchamento do sistema polimérico foram caracterizados para valores de pH 3, 4, 5, e 6, em soluções aquosas contendo sais dissolvidos em concentrações típicas das encontradas em águas de formação. As medições foram realizadas a temperaturas e pressões ambientes, assim como na presença de óleo, e após a pressurização do sistema polimérico até 5000 psi. Diferentes mecanismos transdutores foram projetados e construídos, e suas respostas, avaliadas em soluções aquosas com composição similar à das águas de formação. Foram estimadas a sensibilidade da técnica e as principais fontes de incerteza na medição do pH. Procurou-se também avaliar a funcionalidade dos mecanismos transdutores visando uma futura instalação em poço. Na segunda aplicação, é proposta uma técnica para a medição in situ da tensão residual induzida em filmes finos de alta dureza durante sua deposição em câmaras de sputtering assitido por rádio-frequência e campo magnético. A técnica é constituída por uma viga em aço engastada, tendo uma de suas faces instrumentada com um conjunto de redes de Bragg a fibra óptica, enquanto a face oposta é exposta ao fluxo de íons do material a ser depositado. O sistema sensor é instalado em uma câmara que opera sob alto vácuo, enquanto os aparelhos de leitura permanecem no exterior. A resposta do protótipo em função de variações do campo magnético e da temperatura no interior da câmara foi levantada. Em seguinda, foram realizadas medições da deformação da viga durante a deposição de filmes de sílica, de óxido de titânio-índio, e de carbeto de silício. A tensão residual dos filmes foi calculada e comparada com resultados de medições de curvatura do substrato realizadas empregando um perfilômetro. Tensões residuais de 6 MPa até 0,2 Gpa foram obtidas durante as diferentes deposições. / [en] This work treats of two different applications of optical fiber Bragg grating sensors. The first application consists of a pH sensing technique that employs optical fiber to permanent and continuously monitor the pH in depleted and injection oil wells. In this application, the Bragg gratings are coupled by a transduction mechanism to a polymeric system which responds to pH variations with a large volume change. The response time as well as the swelling factor of the polymeric system at pH 3, 4, 5, and 6 have been characterized in aqueous solutions with dissolved salts in concentrations typical of those found in formation waters. Experiments have been carried out at room temperature and pressures, in the presence of oil, and after pressurization up to 5000 psi. Several mechanisms of transduction have been designed, constructed, and tested in solutions similar to the formation waters. The sensitivity of the technique and the main sources of uncertainties related to the pH measurement have been investigated. Also, the functionality of the mechanisms has been evaluated aiming at a future installation in the petroleum wells. The second application investigated is a technique for in situ measurement of the residual stress induced in hard thin films during deposition by RF magnetron sputtering. The sensing technique consists of a cantilever steel beam. One of the surfaces of the beam is instrumented using optical fiber Bragg gratings; the opposite face is exposed to the ion flux that originates the thin film. The sensing system is installed in a vacuum chamber while the interrogating apparatus remains outside. The prototype has been characterized with respect to variations of the magnetic field and the temperature inside the chamber. Measurements of the beam strain have been carried out during deposition of silica, indium- titanium oxide, and silicon carbide thin films. The residual stresses have been calculated and the results compared with data obtained using perfilometry. Residual stress values varying from 6 MPa up to 200 MPa have been obtained during the different deposition processes.