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.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2017-05-03T16:50:05Z No. of bitstreams: 1 2017_AnaCarolinaGonzagaPires.pdf: 14621803 bytes, checksum: 89ff4418a4d67533d568f6edde88ade2 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-05-08T23:08:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_AnaCarolinaGonzagaPires.pdf: 14621803 bytes, checksum: 89ff4418a4d67533d568f6edde88ade2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-08T23:08:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_AnaCarolinaGonzagaPires.pdf: 14621803 bytes, checksum: 89ff4418a4d67533d568f6edde88ade2 (MD5) Previous issue date: 2017-05-08 / Danos em tubos enterrados pressurizados podem causar acidentes graves, com perdas materiais significativas e não raramente perdas de vidas. Neste contexto, esta dissertação investiga o desempenho de geossintéticos aplicados como elementos de reforço com a finalidade de reduzir a magnitude dos esforços atuantes sobre dutos enterrados. Para isso, foram realizados experimentos em laboratório em escala em modelo (escala 1:4), para determinar a influência da presença do reforço inserido num maciço com duto enterrado, submetido a sobrecargas superficiais. O desenvolvimento do estudo foi conduzido com a construção de um aterro experimental em uma caixa de ensaio (1500 mm x 1000 mm x 500 mm), com areia fina à média, contendo tubo de aço carbono enterrado e geossintético no interior do maciço, sob diferentes arranjos geométricos. A sobrecarga foi aplicada na superfície do aterro por meio de uma placa rígida, com largura de 100 mm, simulando condições de deformação plana. A avaliação do comportamento das tensões verticais e horizontais no maciço e das deformações do duto foi possível devido à instalação de células de tensões totais em torno do duto e a instrumentação do tubo com extensômetros elétricos ao longo da sua seção transversal central. Foram realizados ensaios sem reforço e reforçados com diferentes tipos de reforços sob três configurações geométricas. Os resultados obtidos mostraram um aumento do carregamento final aplicado à superfície do maciço de aproximadamente 40% em comparação com a situação não reforçada. Foram também observadas reduções significativas nas tensões verticais transmitidas ao solo próximo do tubo, dependendo da configuração de reforço utilizada. Além disso, observou-se que a presença do reforço causou uma redução nas tensões de compressão no topo e na base do tubo de até 74% em comparação com a situação sem a presença do reforço. / Damages in buried pressurized pipes can cause serious accidents with significant material losses and, not rarely, human life losses. In this context, this dissertation investigates the performance of geosynthetics as reinforcing elements aiming at reducing the magnitude of loads transferred to buried pipes. Laboratory experiments were carried out under reduced scale (scale 1:4), in order to assess the influence of the geosynthetic in reducing the loads on a buried pipe due to surface surcharges. The study was conducted in a test box (1500 mm x 1000 mm x 500 mm), using fine to medium sand, a steel pipe and geosynthetic reinforcement with different geometrical arrangements. The surface surcharge was applied by a 100 mm wide rigid plate, under plane strain conditions. Vertical and horizontal stresses n the soil mass, as well as strain in the pipe were measured by total stress cells and strain gauges glued to the pipe surface. Tests with different reinforcements and installation arrangements were executed. The results obtained showed increases of up to 40% in the bearing capacity of the soil due to the presence of the reinforcement layer. The reinforcement also caused significant reductions in vertical stresses around the pipe. Compressive strains at the crest and bottom of the pipe of up to 70% were obtained with the use of reinforcement.

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 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.

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.

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento do processo de soldagem Plasma-keyhole - MAG em tandem, utilizado de forma automatizada, e aplicado para realizar a união de chapas de aço API 5L-X70 de 10 mm de espessura, com chanfro em "V", em único passe de solda. Este processo de soldagem tandem consiste nas tochas dos processos de soldagem Plasma e MAG acopladas em um mesmo cabeçote de soldagem e distanciadas entre elas. A escolha destes processos de soldagem foi devido a capacidade do processo Plasma, em modo keyhole, de executar a raiz do cordão, e do processo MAG de realizar o preenchimento do chanfro residual. Para que isto seja obtido, é necessário que os parâmetros de soldagem e as características geométricas do chanfro sejam adequados. A demanda por maior produtividade na área de soldagem justifica o estudo e desenvolvimento de processos tandem. Aliado a isto, a disponibilidade de equipamentos de soldagem avançados tecnologicamente, como é o caso de fontes eletrônicas que permitem o excepcional controle de parâmetros de soldagem, e dos cabeçotes de soldagem automáticos que possibilitam diversas posições de soldagem, fazem com que muitas possibilidades de estudos sejam possíveis. Os resultados alcançados com os processos utilizados isoladamente comprovaram a qualidade, estabilidade e repetibilidade do processo Plasma-keyhole, com a obtenção de penetração total na raiz e ausência de defeitos que comprometam sua utilização, assim como comprovaram a grande capacidade do processo MAG no preenchimento de chanfros com diversas configurações. Os processos Plasma-keyhole e MAG em tandem obtiveram bons resultados quanto à soldagem, em único passe, de chapa com 10 mm de espessura, tendo o cordão apresentado defeitos de solda apenas no processo MAG, sendo oriundos provavelmente de parâmetros de soldagem inadequados. Os testes de microdureza e a análise da microestrutura mostraram a formação de constituintes de excelente tenacidade e resistência mecânica, compatíveis com o metal base e com as exigências normativas.

Orientador: José Luiz Pinheiro Melges / Co-orientador: Jorge Luís Akasaki / Banca: Mauro Mitsuuchi Tashima / Banca: João Henrique da Silva Rêgo / Resumo: Os tubos de concreto com diâmetros superiores a 400 mm são utilizados em bueiros, travessias, drenagem pluvial, esgoto sanitário e canalizações de abastecimento; já os resíduos de borracha de pneu estão sendo aplicados com diversas finalidades, como por exemplo: combustível alternativo para as indústrias de cimento, na fabricação de solados de sapato, em borrachas de vedação, dutos pluviais, pisos para quadras poliesportivas, pisos industriais, asfalto-borracha, tapetes para automóveis e diversos tipos de concreto. Os resíduos de borracha de pneu quando adicionadas ao concreto podem melhorar algumas propriedades, tais como: impermeabilidade, flexibilidade, resistência à abrasão e resistência à corrosão. Em outro contexto, a incorporação destes resíduos no concreto surge como uma possibilidade para se atenuar impactos ambientais, ainda mais sabendo que ele é gerado em abundância durante o processo de recauchutagem. Observa-se, no entanto, que a inclusão desse resíduo pode provocar uma diminuição da resistência à compressão axial e do módulo de deformação longitudinal. Esta pesquisa tem por objetivo analisar o comportamento mecânico de protótipo de tubos de concreto feitos com diferentes teores de adições de resíduos de borracha de pneu. tais como: 10 kg/m³, 15 kg/m³, 20 kg/m³, 25 kg/m³ e 30 kg/m³, com base na norma NBR 8890 (ABNT, 2007). Os tubos de concreto possuem 600 mm de diâmetro nominal e 1,5 m de comprimento, sendo destinados aos sistemas de drenagem de águas pluviais. Os tubos de concreto foram submetidos, em escala real, ao ensaio de resistência à compressão diametral e de absorção de água, cujas amostras foram retiradas dos tubos após o ensaio de compressão diametral. Os resultados obtidos no ensaio de compressão diametral foram satisfatórios, todos os traços superaram o valor mínimo da norma, mas os resíduos de borracha de pneu não se comportaram como fibras. O teor de 15 kg ... / Abstract: The concrete pipes with diameters greater than 400 mm are used in culverts, crossings, rainwater drainage, sanitary sewer and plumbing supply. The tire rubber residues are being applied to various purposes such as: alternative fuel for the cement industry, in the manufacture of shoe soles in rubber seals, rainwater pipes, flooring for sports courts, industrial floors, asphalt-rubber mats for automobiles and various types of concrete. The tire rubber residue, when added to concrete, may improve some properties such as impermeability, flexibility, abrasion resistance and corrosion resistance. In another context, incorporation in the concrete of these residues appears as a possibility to mitigate environmental impacts, especially knowing that it is generated abundantly during the retreading process. It is noted, however, that the inclusion of this residue may lead to a decrease in compressive strength and modulus of elasticity. Based on standard NBR 8890 (ABNT, 2007), this research aims to analyze the mechanical behavior of prototypes of concrete pipes made with different contents of additions of tire rubber residue, such as: 10 kg/m³, 15 kg/m³, 20 kg/m³, 25 kg/m³ and 30 kg/m³. The concrete pipes that were studied had nominal diameter of 600 mm and length of 1.5 m, being intended for drainage systems of rainwater. The concrete pipes in real scale were submitted to the test of diametral compression strength and, after their ruptures, to the water absorption test, which samples were collected from the broken pieces. The results obtained by the diametral compression test were satisfactory since all pipes made with the mixtures exceeded the minimum value of the brazilian standard, but the tire rubber residue did not behave as a fiber. The content of 15 kg of tire rubber residue per cubic meter of concrete was the one who had the best performance. The addition of tire rubber residue had not changed the characteristic of concrete related to ... / Mestre