Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Orientador: Cesar Renato Foschini / Coorientador: Gilberto de Magalhães Bento Gonçalves / Banca: Carlos Alberto Soufen / Banca: Angelo Caporalli Filho / Resumo: As indústrias metalúrgicas de diversos segmentos buscam continuamente aperfeiçoar seus processos e reduzir custos de produção de estruturas metálicas. Variações em um processo térmico padronizado ou na configuração do produto podem causar alterações na microestrutura e nas propriedades mecânicas do, bem como, no comportamento mecânico do material. Assim, o presente estudo avaliou os efeitos das variações do ângulo de chanfro da junta em tubos de aço redondos AISI 4130 sem costura, quando soldados no processo TIG (Tungsten Inert Gas). Os tubos foram cortados com arco de plasma e preparados com ângulos, 30°, 45° e 60°, e 1 milímetro de altura da raiz. A soldagem foi realizada em dois passes, sendo o primeiro passe na raiz pelo método autógeno e o segundo de preenchimento com metal de adição arame-eletrodo AWSER80S-B2. As juntas soldadas foram submetidas a análises metalográficas de macrografia e microscopia óptica, para avaliação metalúrgica das zonas fundida e afetada pelo calor. Também foi realizado ensaio mecânico de tração e microdureza Vickers para verificar o desempenho mecânico e a dureza do material. A variável de interesse do estudo foi evidenciada por meio da estabilização do processo de corte e soldagem com uso de uma máquina rotativa digital desenvolvida no presente estudo. Os resultados obtidos evidenciaram uniformidade entre os cordões produzidos, variações nas geometrias dos cordões, no tamanho de grão e nas fases de transformação da microestrutura, com impacto n... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The metallurgical industries at several segments are continuously looking for improving their process and decrease metallic structures production costs. Modifications in a standardized thermal process or in the product configuration can leads to microstructure changes and in the mechanical properties,as well, in the mechanical behavior from the material. Thus, the current study made an assessment of the angle variation effect in steel round tubes joint AISI 4130 without seam, when welded by mechanized TIG process (Tungsten Inert Gas). The steel tubes were cross cut with plasma and prepared in three different angles 30°, 45° and 60°, with 1 millimeter height of root. The welding was made in two passes, the first one in the root by autogenous methode and the second one for filling using eletrode wire AWS ER80S-B2. The welded joints were submitted to metallographic test of macrograph and optical micrographics for metalurgical assessment in the melted zone and the heat affected zone. In addiction was made traction tests and micro hardness Vickers for verify the mechanical behavior and hardness from the material. The interest variable in this study, was evidenced by cut and welding process stabilization using a digital rotative machine developed in this study. The obtained results showed uniformity between weld beads produced with variation in the geometry, as well, in the grain size and in the fases transformations from the microstructure, with impact in the melted zone hardness ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T12:45:46Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Neste trabalho, uma investigação teórica e experimental foi desenvolvida para estudar o comportamento térmico de um dissipador de calor do tipo câmara de vapor. Uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte em dissipadores de calor com câmaras de vapor é apresentada, mostrando que a geometria proposta neste trabalho é original. Também são apresentadas correlações para a previsão de coeficientes de troca de calor por convecção externa ao dissipador, assim como para coeficientes de ebulição e condensação, fenômenos que ocorrem internamente à câmara de valor. Um modelo teórico baseado na analogia entre circuitos de resistências elétricas e térmicas foi desenvolvido para determinar as resistências térmicas total e global do dissipador de calor. Um segundo modelo teórico foi desenvolvido para obter a resistência térmica de um dissipador de calor convencional (maciço). Um aparato experimental foi construído no Laboratório de Tubos de Calor (Labtucal/Lepten) para a realização de testes, visando obter a distribuição de temperaturas e as resistências térmicas do dissipador de calor. Vários testes foram feitos variando-se parâmetros como: potência de entrada, razão de enchimento e inclinação do aparato experimental. Os dados experimentais são comparados com quatro modelos teóricos desenvolvidos, de forma a validar o modelo que melhor prevê o comportamento térmico do dissipador de calor. Outra análise experimental foi feita em relação à inclinação do aparato experimental, para verificar a influência do meio poroso da base da câmara de vapor. Resultados teóricos do modelo matemático, obtido para um dissipador maciço, foram comparados aos dados experimentais do dissipador de calor do tipo câmara de vapor, para comparar a performance térmica destas tecnologias, na transferência de calor. Finalmente, conclusões obtidas no presente trabalho e sugestões para desenvolvimentos complementares são apresentadas.

Apesar da vida em fadiga de risers flexíveis ser de grande importância na explotação “off-shore”, os dados disponíveis são bastante restritos. A interação entre as suas várias camadas, as inúmeras combinações realizadas entre elas para se obter diferentes características e os recentes avanços em termos de materiais, nos obrigam a estudá-los constantemente. Este trabalho tinha como objetivo principal a construção de um equipamento para possibilitar o estudo da vida em fadiga de risers, através de movimentos de tração combinada com flexão, referentes ao teste “a” da classe II da norma API 17B, bem como todos os outros testes da classe I da referida norma. Foram projetadas a estrutura e todos os demais componentes, que posteriormente foram redimensionados pelos resultados obtidos em simulações numéricas (elementos finitos). Posteriormente, de posse de todos os componentes, realizou-se a montagem do equipamento, seguida de um teste final, que foi acompanhado por uma análise extensométrica dos principais pontos da estrutura. A conclusão básica deste trabalho foi obtida através da comparação das análises por elementos finitos e extensométrica, onde foi constatado que o equipamento estava apto a entrar em operação para a realização de ensaios estáticos ou dinâmicos, observando-se apenas algumas restrições comentadas.

Este trabalho teve como motivação buscar as causas e apresentar alternativas de soluções que busquem sanar ou reduzir o problema de desgaste localizado, produzido pela erosão das cinzas, nos tubos do economizador das caldeiras de uma usina termoelétrica a carvão. Para este fim foi construído um modelo em escala de parte da caldeira, reproduzindo o duto curvo de retorno dos gases e, na saída do mesmo, um banco de barras de seção circular, simulando o banco de tubos do economizador. Medições de velocidade, utilizando uma sonda tipo tubo de Pitot e anemômetro de fio quente, medições do campo de pressão nas paredes e visualização do escoamento utilizando fios de lã foram aplicados para a análise do escoamento nas condições existentes na usina e nas configurações modificadas, propostas segundo critérios de controle da camada limite. A análise dos dados, comparada com medições de desgaste localizado na caldeira, levaram à identificação do processo hidrodinâmico existente e os efeitos resultantes nas modificações propostas.

O presente trabalho tem como objetivo determinar a pressão de colapso de tubos API 5L X56 de parede fina com trincas longitudinais internas e externas submetidas a pressão interna. Foi utilizado o método R6 conforme a norma BS7910:1999 e a Análise por Elementos Finitos. Foram feitos ensaios de tração e de caracterização da tenacidade do material utilizado por integral J, assim como o modelamento por Elementos Finitos do tubo e a aplicação dos “Failure Assessment Diagram” FAD para determinar a pressão de colapso. Verificou-se que para trincas internas a pressão de colapso é levemente maior que em trincas externas. Isto é mais acentuado para trincas com uma profundidade maior que a metade da parede do tubo. As predições da pressão de colapso em função do tamanho da trinca do método R6 em comparação com alguns resultados experimentais mostraram uma precisão satisfatória, porem em alguns casos não conservadora.

O presente trabalho foi desenvolvido em várias etapas envolvendo desde o estudo do desempenho em fadiga de tubos utilizados em risers rígidos até a avaliação do comportamento em fratura dos mesmos. Inicialmente foi desenvolvido um sistema de ensaios de fadiga de tubos por ressonância. Este sistema constava de cabeças de apoio, sendo o tubo submetido a carregamento cíclico por uma massa excêntrica acionada por um motor elétrico. Com este sistema foram realizados ensaios de fadiga em tubos que continham uma emenda produzida por solda helicoidal. Foram testadas duas séries de tubos, sendo uma sem simulação de bobinamento e outra com simulação de bobinamento. Devido ao fato de que os ensaios de fadiga nestes tubos eram interrompidos quando a trinca se tornava passante, alguns tubos foram submetidos a um carregamento em tração até a ruptura. Assim foi possível avaliar a resistência remanescente e com estes dados comparar com aqueles utilizando-se os ensaios a partir da previsão do comportamento em fratura obtida com corpos de prova da mecânica da fratura. Foram, também, ensaiados por tração tubos com defeitos produzidos por usinagem para comparação do comportamento na fratura com aqueles que possuíam defeitos gerados por fadiga. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização de corpos de prova normalizados do tipo SE(B), foram realizados em laboratório, ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova retirados dos tubos. No intuito de avaliar a correspondência de técnicas de simulação numérica foram utilizadas técnicas analíticas por método de elementos finitos para simular o comportamento de trincas em tubos. Estes resultados foram comparados com os obtidos nos ensaios de tração. Também foi realizada a simulação do corpo de prova testado em laboratório com o mesmo objetivo. Foi verificado que o sistema de ensaio sob carregamento cíclico permite a execução de testes de fadiga em tubos. Os tubos testados apresentaram ótimo desempenho em fadiga, sendo os resultados superiores àqueles especificados em norma. Os ensaios de tração nos tubos trincados por fadiga mostram que estes apresentam resistência próxima das do tubo íntegro, mesmo possuindo trinca da ordem de 60 mm de comprimento. Entretanto, os ensaios de laboratório revelaram que os corpos de prova de dimensões reduzidas utilizados para avaliação do comportamento em fratura destes componentes são inadequados. A simulação numérica mostrou-se eficiente na reprodução do comportamento de tubos com trinca não passante e para os corpos de prova de laboratório,não tendo, entretanto, o mesmo sucesso na previsão do comportamento de tubos com trincas passantes. / This work was developed in multiple steps, from the fatigue behavior to fracture evaluation of rigid risers’ pipes. First was developed a resonant fatigue test rig, which consisted of two support heads, with the pipe being submitted to cyclic load by a rotating eccentric mass that was driven by an electric motor. With this rig full-scale fatigue tests were carried out in two sets of middle bias weld pipes. One set was subjected to plastic deformation simulating reeling operation, while the other was not. Since the tests were interrupted when there was a trough the wall crack, some pipes were tested in tension to fracture to evaluate the load capacity of the remaining pipe sections. Pipes with machined defects were also tested, in order to compare their behavior to that of the pipes that had fatigue defects. With the goal of evaluating the possibility of using standard SE(B) specimens, some fracture toughness tests were done in laboratory with specimens extracted from the pipes. In order to evaluate the correspondence of numeric simulation methods to reality, a commercial software was used to simulate the load capacity of the fractured pipe segments and the results were compared with those obtained in the tension to fracture tests. A simulation of the laboratory tested specimen was also done with the same objective. It was evidenced that the resonance fatigue test rig was capable of executing fatigue tests in full-scale pipes. The tested pipes presented good performance under fatigue, being superior to the specified by the standard. The tension to fracture tests done on the cracked pipe segments showed that they have a resistance that is close to that of the non-cracked pipes, even with cracks with lengths of around 60 mm. The laboratory tests proved that the small standard specimens are inadequate to measure the fracture properties of the pipe's material. The numeric simulation showed itself to be efficient in the reproduction of the behavior of pipes with non-trough the wall cracks and of standard specimens, but showed poor agreement with the behavior presented by the pipes with trough-wall cracks.

A Petrobras desenvolveu em São Mateus do Sul uma unidade para processamento do Xisto, a partir da qual são produzidos óleos, gases, nafta, etc. Esta planta possui uma série de equipamentos especialmente projetados para esta aplicação, sendo um dos mais críticos, do ponto de vista de confiabilidade, o forno de radiação, que utiliza tubos de troca térmica confeccionados em aço inoxidável ferrítico ASTM A 268 Gr. 446. Este estudo tem como objetivo avaliar o nível de degradação destes tubos, através da verificação das alterações ocorridas na matriz metálica e em algumas das propriedades mecânicas do material, devido à exposição a temperaturas próximas a 800°C e a um ambiente contendo gás sulfídrico (H2S). Objetiva-se também definir um possível limite de utilização dos tubos, evitando, desta forma, paradas de produção ocasionadas por ruptura dos tubos em operação. Foram estudadas amostras tubos de novos e usados, com o auxílio de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por energia dispersiva de raios X, ensaios de dureza e microdureza, e ensaios de tração à temperatura ambiente e à temperatura de 770°C. Observou-se, que nos tubos novos a matriz apresentava-se totalmente ferrítica, já nos tubos usados, a matriz permanecia predominantemente ferrítica, porém, com precipitação de fases sigma e carbonetos de cromo nos contornos de grãos. Pôde-se observar também a corrosão interna no material, que se iniciava nas fases localizadas nos contornos de grãos e após passava a corroer o restante da matriz, reduzindo desta forma a seção metálica resistente. Verificou-se nos tubos usados, um aumento de dureza e redução da resistência à tração a temperatura ambiente, alterações estas, que são diretamente influenciadas pela precipitação de fases sigma e carbonetos. Em função dos resultados obtidos no ensaio de tração realizado a 770°C, foi possível definir-se um limite para utilização dos tubos do forno, atribuindo este limite a uma espessura mínima capaz de resistir aos esforços existentes. Concluiu-se que somente a precipitação das fases sigma e carbonetos no material analisado não seriam suficientes para provocar a ruptura do material em operação. Atribuiu-se então, como principal causa de deterioração o processo corrosivo que o material está submetido, reduzindo de forma considerável sua secção resistente e promovendo a falha do componente. / The Petrobras developed in São Mateus do Sul a manufacturing unit to process Shale where oil, gas, naphtha, etc., are produced. This plant has a large number of equipments specially designed to this application. The most critical equipment by the point of view of reliability is the radiation furnace, which uses exchange thermic tubes made by ferritic stainless steel ASTM A 268 Gr. 446. The first objective of this study is to evaluate the degradation in these tubes, verifying the modifications in the metallic matrix and in some mechanical properties due to the exposure at high temperatures close to 800°C and a hydrogen sulfide gas environment (H2S). A second objective is to correlate the results to establish a possible residual live to these tubes, avoiding failure and rupture in operation. Samples of new and used tubes were studied, using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), hardness and micro hardness test, tensile tests at the room temperature and at 770°C. It was observed, that in the new tubes the matrix was totally ferritic, and in the used tubes the matrix remain predominantly ferritic, but with sigma phase and chromium carbide around the grains. It was observed corrosion, which has begun in the area around the grains and after that passed to corrode the remaining matrix, reducing the metallic resistance section. It was verified in the used tubes higher hardness and lower strength at room temperature, changes that were influenced directly by sigma phase and chromium carbide precipitation. After analysis that were obtained from tensile tests carried out at 770°C, for used tubes, it was defined a minimum thickness resistant. It was concluded that just the sigma phase and chromium carbide precipitation, were not sufficient to cause the rupture of the tubes during operation. The main reason to cause fails in these tubes is the corrosive process the tubes were submitted, reducing substantially the resistant section.

Estudou-se neste trabalho o comportamento à fadiga e à corrosão-fadiga de juntas soldadas de Inconel 625 que poderiam ser empregadas em plataformas off-shore em alimentadores ("risers"). Um dos pontos mais susceptíveis a sofrer esses processos de degradação é a solda circunferencial entre os tubos, uma vez que são geradas tensões devido ao processo de soldagem, e fluem no interior destes; soluções contendo elementos agressivos como cloretos, gás carbônico, entre outros. Os testes utilizados para avaliação desses fenômenos consistiram em curvas de polarização para caracterização do comportamento à corrosão, ensaios de tração ao ar e em presença do meio corrosivo, ensaios de fadiga e corrosão fadiga em máquinas tipo excêntrica, sendo os ensaios monitorados com sistema da aquisição de dados adequado. Esta liga demonstrou uma boa resistência a corrosão com um potencial de pite de 0,6 V, e uma boa durabilidade frente a fadiga e corrosão-fadiga, resistindo mesmo em tensões superiores às de trabalho a mais de 5 milhões de ciclos. / It was studied the fatigue and corrosion fatigue behavior of welded specimens of a nickel base alloy, namely Inconel 625, that may be used in oil and gas production in off-shore plants like risers. One of the most susceptible regions, to suffer these processes of degradation, are the circumferential welds between pipes due to stress concentration from the welding process. The environment inside these pipes may contain aggressive elements like carbonic gas and chlorides among others and low pH. The tests used, in this work, to evaluate these phenomena, were polarization curves, slow strain rate technique, in air and in the presence of corrosive medium and fatigue and corrosion-fatigue tests using an eccentric type machine and an data acquisition system. This alloy shows a good corrosion resistance and a good behavior considering fatigue and corrosion fatigue tests, where even in stress levels higher than the ones used in service conditions, the number of cycles to failure of the specimens surpassed 5 million cycles.

A exploração de petróleo em águas profundas no Brasil iniciou devido a uma necessidade da indústria petrolífera nacional de oferecer preços competitivos para seus produtos no mercado mundial. Essa exploração se tornou possível e economicamente viável devido ao surgimento de tubos flexíveis de multi-camadas. Esses dutos são empregados corriqueiramente no Brasil e existe uma necessidade de inspeção e avaliação da vida útil dos mesmos de um modo contínuo sem paradas na produção. Dentre as técnicas de ensaios não destrutivos disponíveis para esse tipo de aplicação, a Emissão Acústica (EA) tem grande potencial pois permite o monitoramento da integridade estrutural do riser através da aquisição contínua de sinais sonoros que percorram a estrutura e cheguem até os sensores. Esses sinais podem ser tratados estatisticamente e no futuro podem levar à automatização do processo. Para tanto, é necessário um estudo dos parâmetros de Emissão Acústica para se verificar quais são os mais adequados e quais são as melhores condições para adquirir o sinal com o mínimo de erro e ruído. Neste trabalho, estudou-se a resposta acústica de tiras retiradas de risers frente a ensaios de tração e risers em escala real em carregamentos de tração e fadiga. Os resultados mostram que é possível a detecção de ruptura dos arames em todos esses casos, e que parâmetros de EA como Duração e Contagens e são fortemente influenciados por ruído. Além disso, foi criado um limite de confiança de 200μs para Tempo de Subida e 2ms para Duração de modo que se possa avaliar se o limiar e os parâmetros temporais de aquisição estão adequados. / The production of oil in deep waters by the national industry was initiated due to a need to offer competitive prices in the world wide market. This type of enterprise was possible and interesting in the economic point of view mainly due to the development of multi-layered flexible risers. This type of tube is often employed in Brazil and there is a need for an inspection and health monitoring strategy in a continous way without stopping production. Among the non-destructive techniques available for this type of application, the Acoustic Emission technique shows a great potential since it allows the monitoring of structural integrity though continous aquisition of sound waves that run in the structure and arrive at the sensors. These signals may be statistically treated and in the future may also lead to the automation of the process. Thus, a study of the parameters for Acoustic Emission is needed, in order to verify which parameters and acquisition rules are adequate to minimize error and noise. This works presents results from tests where wires taken from risers were load tested and also results from real risers subject to load and fatigue. The results show that it is possible to detect the rupture of the wires in all the above cases, and that parameters such as Duration and Counts are highly influenced by noise. Besides that, a "trust range" was created (200ms for Rise Time and 2ms for Duration) allowing the analyst to evaluate if the threshold and time based aquisition rules are appropriate.