<p>The objective of this research is to develop recommendations on calibration standards, scanning procedures, and acceptance criteria for phased array ultrasonic testing (PAUT) of complete joint penetration butt welds within the AWS D1.5 Bridge Welding Code. These recommendations include the development of a rational acceptance criteria which is based in engineering analysis and fracture mechanics. It is expected that the updated scanning procedures and acceptance criteria will result in improved reliability for bridges and improved consistency in bridge fabrication quality.</p><p><br></p> <p> </p> <p>While PAUT was included in the 2015 edition of AWS D1.5 in Annex K, the acceptance criteria for this procedure was developed as an adaptation of an existing conventional ultrasonic testing (UT) acceptance criteria in AWS D1.1. Therefore, the acceptance criteria in AWS D1.5:2015 is a workmanship-based criteria and is not based on engineering analysis of the criticality of weld flaws. The scanning procedures and application of PAUT inspections of bridge welds according to this procedure differ greatly from the scanning procedures outlined in AWS D1.5 for conventional UT inspections. Previous research has shown that differences in flaw rejection are possible for PAUT and conventional UT ultrasonic methods under the AWS D1.5:2015 approach.</p><p><br></p> <p> </p> <p>In order to develop recommendations for improved calibration standards, scanning procedures, and acceptance criteria for PAUT within AWS D1.5, this research project utilized both analytical techniques and experimental testing. This research project included determination of target critical flaw sizes for routine detection and rejection through fitness-for-service evaluations. This was followed by a round robin ultrasonic testing program in order to collect data on the variability of inspection results of eleven weld samples with nineteen weld flaws using different ultrasonic inspection techniques. Next, calibration requirements were developed to account for differences in ultrasonic attenuation and shear wave velocity between calibration blocks and test objects. Development of these requirements included experimental testing of base metals and weld metals, along with simulations of ultrasonic inspection using commercial software. Finally, minimum requirements for weld scanning procedures, reference standard reflectors, and corresponding amplitude limits for detection and rejection of target critical weld flaws were developed using ultrasonic inspection simulations and verified through experimental testing of weld samples with known weld flaws.</p>

Componentes e equipamentos utilizados na indústria petroquímica estão suscetíveis a presença de descontinuidades e, por esta razão, diversas pesquisas são desenvolvidas com o intuito de aprimorar e criar novos métodos para evitar, remediar ou controlar estas, de forma a não causarem um dano à integridade estrutural. Neste trabalho é avaliado um conjunto de trincas induzidas pelo hidrogênio (TIH), através do método de elementos finitos, com a finalidade de verificar o fenômeno de união das suas extremidades formando uma trinca contínua do tipo SWC (Stepwise Cracking). Também se verifica a influência do conjunto de trincas à integridade da estrutura com base na metodologia Fitness for Service (FFS) através do uso dos diagramas de avaliação de falhas (FAD – Failure Assessment Diagram) indicados pelas normas API-579 / ASME FFS-1 e BS 7910 além do procedimento CEGB-R6. Os resultados mostram que o efeito de interação entre as extremidades é intenso quando estas se encontram próximas umas das outras, confirmando assim a tendência de união das fissuras. Também se constata que o fenômeno é fortemente influenciado pela pressão interna presente nas TIH, esta causada pela presença de hidrogênio. Em relação à aceitabilidade das descontinuidades, é observado que os resultados da avaliação são influenciados pela maneira como a descontinuidade é caracterizada. / Components and equipments of the petrochemical industry are susceptible to the presence of flaws and, for this reason, several studies are developed aiming to improve and create new methods to avoid, remedy and control these flaws in order they will not cause any integrity damage. In this work a cluster of Hydrogen Induced Crack (HIC) is assessed, using the finite element method, with the goal to verify the union phenomena in their tips forming a Stepwise Cracking (SWC) flaw. Also is verified the influence of the cluster to the integrity of the structure based on the Fitness for Service methodology, using the Failure Assessment Diagrams indicated by the Standards API-579 / ASME FFS-1 and BS 7910, also the CEGBR6 procedure. The results show that the interaction effect among the tip of the cracks is considerably intense when they are near to each other, confirming the tendency of union among them. Also this phenomenon is strongly influenced by the internal pressure in the HIC, caused by the presence of atomic Hydrogen diffused in the structure. In relation to the flaw assessment, it is observed that results are strongly influenced on how the flaw is characterized.

Componentes e equipamentos utilizados na indústria petroquímica estão suscetíveis a presença de descontinuidades e, por esta razão, diversas pesquisas são desenvolvidas com o intuito de aprimorar e criar novos métodos para evitar, remediar ou controlar estas, de forma a não causarem um dano à integridade estrutural. Neste trabalho é avaliado um conjunto de trincas induzidas pelo hidrogênio (TIH), através do método de elementos finitos, com a finalidade de verificar o fenômeno de união das suas extremidades formando uma trinca contínua do tipo SWC (Stepwise Cracking). Também se verifica a influência do conjunto de trincas à integridade da estrutura com base na metodologia Fitness for Service (FFS) através do uso dos diagramas de avaliação de falhas (FAD – Failure Assessment Diagram) indicados pelas normas API-579 / ASME FFS-1 e BS 7910 além do procedimento CEGB-R6. Os resultados mostram que o efeito de interação entre as extremidades é intenso quando estas se encontram próximas umas das outras, confirmando assim a tendência de união das fissuras. Também se constata que o fenômeno é fortemente influenciado pela pressão interna presente nas TIH, esta causada pela presença de hidrogênio. Em relação à aceitabilidade das descontinuidades, é observado que os resultados da avaliação são influenciados pela maneira como a descontinuidade é caracterizada. / Components and equipments of the petrochemical industry are susceptible to the presence of flaws and, for this reason, several studies are developed aiming to improve and create new methods to avoid, remedy and control these flaws in order they will not cause any integrity damage. In this work a cluster of Hydrogen Induced Crack (HIC) is assessed, using the finite element method, with the goal to verify the union phenomena in their tips forming a Stepwise Cracking (SWC) flaw. Also is verified the influence of the cluster to the integrity of the structure based on the Fitness for Service methodology, using the Failure Assessment Diagrams indicated by the Standards API-579 / ASME FFS-1 and BS 7910, also the CEGBR6 procedure. The results show that the interaction effect among the tip of the cracks is considerably intense when they are near to each other, confirming the tendency of union among them. Also this phenomenon is strongly influenced by the internal pressure in the HIC, caused by the presence of atomic Hydrogen diffused in the structure. In relation to the flaw assessment, it is observed that results are strongly influenced on how the flaw is characterized.

Submitted by Lucienne Costa (lucienneferreira@ufcg.edu.br) on 2018-04-10T21:22:10Z No. of bitstreams: 1 GABRIEL DE CASTRO COÊLHO – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 7666728 bytes, checksum: 7531b06d7808af28519bdc17c9bac069 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-10T21:22:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GABRIEL DE CASTRO COÊLHO – DISSERTAÇÃO (PPGEM) 2018.pdf: 7666728 bytes, checksum: 7531b06d7808af28519bdc17c9bac069 (MD5) Previous issue date: 2018-02-26 / Capes / Com o intuito de se ter uma melhor análise de engenharia (avaliação de vida útil remanescente) versus menor número de intervenções (parada de equipamento para manutenção) foram elaboradas normas técnicas de Fitness For Service (FFS – Adequação ao Serviço), que procuram explorar os limites de carregamentos, permitindo a utilização de estruturas e componentes danificados de forma mais eficiente, estendendo suas campanhas operacionais. Este trabalho teve como objetivo realizar os procedimentos de FFS das normas americana API-579/ASME FFS-1 (2016) e britânica BS 7910 (2013) por meio da análise de uma trinca superficial longitudinal localizada na superfície externa de um vaso de pressão cilíndrico, em cada nível de cada norma, tal que uma comparação entre as duas normas foi feita de modo a avaliar qual das duas normas é capaz de prover dimensões críticas maiores, que na prática proporcionariam maiores campanhas operacionais de estruturas e componentes danificados. Como ferramenta de análise, o MEF foi usado através do software ABAQUS®. Resultados indicaram em todas as comparações dos 3 (três) níveis de avaliação de cada norma que a BS 7910 (2013) oferece uma avaliação crítica de engenharia menos conservadora, já que tanto pelas soluções analíticas como pelos resultados via MEF, conseguiu-se por esta determinar tamanhos críticos maiores quando em comparação a norma americana. Conclui-se, portanto, que a BS 7910 (2013) desde a absorção da FITNET (2008) tornou-se um procedimento bem mais prático em termos de aplicação e menos conservador quando comparado a norma API 579/ASME FFS-1 (2016), para os casos estudados. / Intending on having a better engineering analysis (remaining life assessment) versus lower interventions (equipment stop for maintainance) Fitness For Service (FFS) standards were elaborated to explore the load limits, allowing the use of damaged structures and components in a more efficient way, extending their operational campains. This thesis implemented the FFS procedures of the American standard API 579/ASME FFS-1 (2016) and the British standard BS 7910 (2013) by the analysis of a surface longitudinal crack on the external surface of a cylindrical pressure vessel, in each level of assessment of each standard so that a comparison between each standard could be performed to evaluate which one is capable of providing higher critical dimensions that in real situation would mean higher operational time of dmamaged structures and components. FEM was used through the ABAQUS® software. Results indicated that in all comparisons of the 3 (three) assessment levels of each standard, BS 7910 (2013) provided a less conservative engineering critical assessment since, by both numerical and analytical solutions, this standard was able to determine higher critical sizes in comparison to the American standard. As a general concluding remark, BS 7910 (2013), since the absorption of the FITNET (2008) procedures, has become a much more practical and less conservative procedure when compared to the API 579/ASME FFS-1 (2016).

Componentes e equipamentos utilizados na indústria petroquímica estão suscetíveis a presença de descontinuidades e, por esta razão, diversas pesquisas são desenvolvidas com o intuito de aprimorar e criar novos métodos para evitar, remediar ou controlar estas, de forma a não causarem um dano à integridade estrutural. Neste trabalho é avaliado um conjunto de trincas induzidas pelo hidrogênio (TIH), através do método de elementos finitos, com a finalidade de verificar o fenômeno de união das suas extremidades formando uma trinca contínua do tipo SWC (Stepwise Cracking). Também se verifica a influência do conjunto de trincas à integridade da estrutura com base na metodologia Fitness for Service (FFS) através do uso dos diagramas de avaliação de falhas (FAD – Failure Assessment Diagram) indicados pelas normas API-579 / ASME FFS-1 e BS 7910 além do procedimento CEGB-R6. Os resultados mostram que o efeito de interação entre as extremidades é intenso quando estas se encontram próximas umas das outras, confirmando assim a tendência de união das fissuras. Também se constata que o fenômeno é fortemente influenciado pela pressão interna presente nas TIH, esta causada pela presença de hidrogênio. Em relação à aceitabilidade das descontinuidades, é observado que os resultados da avaliação são influenciados pela maneira como a descontinuidade é caracterizada. / Components and equipments of the petrochemical industry are susceptible to the presence of flaws and, for this reason, several studies are developed aiming to improve and create new methods to avoid, remedy and control these flaws in order they will not cause any integrity damage. In this work a cluster of Hydrogen Induced Crack (HIC) is assessed, using the finite element method, with the goal to verify the union phenomena in their tips forming a Stepwise Cracking (SWC) flaw. Also is verified the influence of the cluster to the integrity of the structure based on the Fitness for Service methodology, using the Failure Assessment Diagrams indicated by the Standards API-579 / ASME FFS-1 and BS 7910, also the CEGBR6 procedure. The results show that the interaction effect among the tip of the cracks is considerably intense when they are near to each other, confirming the tendency of union among them. Also this phenomenon is strongly influenced by the internal pressure in the HIC, caused by the presence of atomic Hydrogen diffused in the structure. In relation to the flaw assessment, it is observed that results are strongly influenced on how the flaw is characterized.

This research sought to establish residual stress distribution characteristics in typical pipe and vessel welds by carrying out a comprehensive parametric study using an advanced sequentially coupled thermo-mechanical finite element procedure. The parametric study covered vessel and pipe components with a ranging radius to thickness ratio from r/t=2 to 100, for thickness ranging from t=1/4” to 10”. Component materials varied from low carbon steel to high alloy steels, such as stainless steel and titanium alloy. Furthermore, a structural mechanics based framework is proposed to generalize through-thickness residual stress distributions for a broad spectrum of joint geometry and welding conditions. The results of this study have been shown to provide both a significantly improved understanding of important parameters governing residual stresses in pipe and vessel welds, as well as a unified scheme for achieving consistent residual stress prescriptions for supporting fitness-for-service assessments of engineering structures. Specific contributions of this investigation may be summarized as follows: (a) A welding heating input characterization procedure has been developed and validated to relate prescribed temperature thermal modeling procedure to conventional linear input definition. With this development, a large number of parametric analyses can be carried in a cost-effective manner without relying on the heat flux based weld pool model that can be exhaustive and time-consuming. (b) A set of governing parameters controlling important residual stress distribution characteristics regardless of joint types, materials, and welding procedures have been identified. These are characteristic heat input intensity and radius over thickness ratio. (c) A shell theory based residual stress estimation scheme has been developed to interrelate all parametric analysis results for circumferential girth welds, which can also be used to estimate residual stress distributions in both through-thickness and at any distance away from the weld, for cases that are not covered in the parametric study. (d) In a similar manner, a curve bar theory based residual stress estimation scheme has also been developed for longitudinal seam welds. These developments can significantly advance the residual stress profile prescription methods stipulated in the current national and international FFS Codes and Standards such as 2007 API 579 RP/ASME FFS-1 and BS 7910: 2011.

Vasos de pressão e tubulações são equipamentos essenciais em industrias químicas, petroquímicas, refino de petróleo, entre outras. A operação segura deste tipo de equipamento é um fator determinante, visto que falhas podem variar desde grandes perdas financeiras até consequências catastróficas. Avaliação de descontinuidades encontradas em inspeções podem ser realizadas através de metodologias de fitness for service, as quais são baseadas na mecânica da fratura, que teve grande desenvolvimentos nos últimos 40 anos. Estas metodologias são consagradas como sendo seguras para garantir a integridade de equipamentos em operação. Este trabalho utilizará primeiramente a metodologia de “fitness for service” empregando o guia BS7910 para avaliar um caso de um bocal de oito polegadas de diâmetro unido a um casco de dezesseis polegadas de diâmetro com uma grande descontinuidade do tipo falta de penetração em sua solda. A metodologia de fitness for service será comparada com o resultado do teste experimental, o qual foi realizado através de um teste hidrostático destrutivo monitorado através do ensaio de emissão acústica. Por fim, será realizada uma análise não linear utilizando não linearidade física e geométrica através do método de elementos finitos. A comparação dos resultados numéricos, experimentais e os analíticos obtidos pela aplicação da BS7910 permitiram a obtenção de várias conclusões que são expostas neste trabalho. A metodologia de ajuste ao uso utilizando a BS7910 foi conservativa para o caso estudado. O modo de falha dominante utilizando a BS7910 foi o colapso plástico que foi coerente com o teste experimental. O ensaio de emissão acústica não teve correlação entre a energia acumulada dos sinais captados e a criticidade de descontinuidades entre um bocal e um tampo, o que salientou que para aplicações semelhantes os dados devem ser analisados cuidadosamente uma vez que regiões sujeitas a colapso plástico como no caso do bocal estudado podem emitir sinais de menor intensidade que descontinuidades onde existe a interação entre os modos de fratura e colapso plástico. A análise não linear utilizando não linearidades física e geometria teve o resultado 5,8% maior que a pressão de ruptura no teste experimental que foi de 14,7MPa, o que pode ser considerado um resultado com um bom grau de aproximação. / Pressure vessels and pipes are essential equipment in the chemical, petrochemical, petroleum refining, among others. The safety operation of this equipment is an important aspect, since failures can vary from large financial losses to catastrophic consequences. Evaluation discontinuity found in inspections can be perfomed by fitness for service methodology which is based on fracture mechanics, which had great developments in the last 40 years. These methodologies are known as being the best way to ensure the integrity of equipment while in operation. This work first uses the fitness for service methodology according BS7910 guide to evaluate lack of weld penetration in eight-inch nozzle attached to a shell with sixteen inches in diameter. The methodology of fitness for service was compared with the experimental test result, which was performed by a destructive hydrostatic test monitored by acoustic emission test. Finally, finite element method was performed using nonlinearity physical and geometric tecniques. The comparison of numerical, experimental and analytical results obtained by the application of BS7910 allowed us to obtain several conclusions that are exposed in this work. The methodology using the BS7910 was conservative for the case study. The dominant failure mode using the BS7910 was the collapse of plastic that was consistent with the experimental test. The acoustic emission technique had no correlation between the stored energy of the picked up signals and criticality of discontinuities between a nozzle and a head, which pointed out that for similar applications data must be analyzed carefully since in regions subjected to plastic collapse such as in the case studied nozzle can generate signals of lower intensity that discontinuities where there is an interaction between the modes of fracture and plastic collapse. The nonlinear analysis result using physics and geometry nonlinearities was 5.8% higher than the rupture pressure of the experimental test was 14.7 MPa, being considered a result with a good degree of accuracity.

Vasos de pressão e tubulações são equipamentos essenciais em industrias químicas, petroquímicas, refino de petróleo, entre outras. A operação segura deste tipo de equipamento é um fator determinante, visto que falhas podem variar desde grandes perdas financeiras até consequências catastróficas. Avaliação de descontinuidades encontradas em inspeções podem ser realizadas através de metodologias de fitness for service, as quais são baseadas na mecânica da fratura, que teve grande desenvolvimentos nos últimos 40 anos. Estas metodologias são consagradas como sendo seguras para garantir a integridade de equipamentos em operação. Este trabalho utilizará primeiramente a metodologia de “fitness for service” empregando o guia BS7910 para avaliar um caso de um bocal de oito polegadas de diâmetro unido a um casco de dezesseis polegadas de diâmetro com uma grande descontinuidade do tipo falta de penetração em sua solda. A metodologia de fitness for service será comparada com o resultado do teste experimental, o qual foi realizado através de um teste hidrostático destrutivo monitorado através do ensaio de emissão acústica. Por fim, será realizada uma análise não linear utilizando não linearidade física e geométrica através do método de elementos finitos. A comparação dos resultados numéricos, experimentais e os analíticos obtidos pela aplicação da BS7910 permitiram a obtenção de várias conclusões que são expostas neste trabalho. A metodologia de ajuste ao uso utilizando a BS7910 foi conservativa para o caso estudado. O modo de falha dominante utilizando a BS7910 foi o colapso plástico que foi coerente com o teste experimental. O ensaio de emissão acústica não teve correlação entre a energia acumulada dos sinais captados e a criticidade de descontinuidades entre um bocal e um tampo, o que salientou que para aplicações semelhantes os dados devem ser analisados cuidadosamente uma vez que regiões sujeitas a colapso plástico como no caso do bocal estudado podem emitir sinais de menor intensidade que descontinuidades onde existe a interação entre os modos de fratura e colapso plástico. A análise não linear utilizando não linearidades física e geometria teve o resultado 5,8% maior que a pressão de ruptura no teste experimental que foi de 14,7MPa, o que pode ser considerado um resultado com um bom grau de aproximação. / Pressure vessels and pipes are essential equipment in the chemical, petrochemical, petroleum refining, among others. The safety operation of this equipment is an important aspect, since failures can vary from large financial losses to catastrophic consequences. Evaluation discontinuity found in inspections can be perfomed by fitness for service methodology which is based on fracture mechanics, which had great developments in the last 40 years. These methodologies are known as being the best way to ensure the integrity of equipment while in operation. This work first uses the fitness for service methodology according BS7910 guide to evaluate lack of weld penetration in eight-inch nozzle attached to a shell with sixteen inches in diameter. The methodology of fitness for service was compared with the experimental test result, which was performed by a destructive hydrostatic test monitored by acoustic emission test. Finally, finite element method was performed using nonlinearity physical and geometric tecniques. The comparison of numerical, experimental and analytical results obtained by the application of BS7910 allowed us to obtain several conclusions that are exposed in this work. The methodology using the BS7910 was conservative for the case study. The dominant failure mode using the BS7910 was the collapse of plastic that was consistent with the experimental test. The acoustic emission technique had no correlation between the stored energy of the picked up signals and criticality of discontinuities between a nozzle and a head, which pointed out that for similar applications data must be analyzed carefully since in regions subjected to plastic collapse such as in the case studied nozzle can generate signals of lower intensity that discontinuities where there is an interaction between the modes of fracture and plastic collapse. The nonlinear analysis result using physics and geometry nonlinearities was 5.8% higher than the rupture pressure of the experimental test was 14.7 MPa, being considered a result with a good degree of accuracity.

Vasos de pressão e tubulações são equipamentos essenciais em industrias químicas, petroquímicas, refino de petróleo, entre outras. A operação segura deste tipo de equipamento é um fator determinante, visto que falhas podem variar desde grandes perdas financeiras até consequências catastróficas. Avaliação de descontinuidades encontradas em inspeções podem ser realizadas através de metodologias de fitness for service, as quais são baseadas na mecânica da fratura, que teve grande desenvolvimentos nos últimos 40 anos. Estas metodologias são consagradas como sendo seguras para garantir a integridade de equipamentos em operação. Este trabalho utilizará primeiramente a metodologia de “fitness for service” empregando o guia BS7910 para avaliar um caso de um bocal de oito polegadas de diâmetro unido a um casco de dezesseis polegadas de diâmetro com uma grande descontinuidade do tipo falta de penetração em sua solda. A metodologia de fitness for service será comparada com o resultado do teste experimental, o qual foi realizado através de um teste hidrostático destrutivo monitorado através do ensaio de emissão acústica. Por fim, será realizada uma análise não linear utilizando não linearidade física e geométrica através do método de elementos finitos. A comparação dos resultados numéricos, experimentais e os analíticos obtidos pela aplicação da BS7910 permitiram a obtenção de várias conclusões que são expostas neste trabalho. A metodologia de ajuste ao uso utilizando a BS7910 foi conservativa para o caso estudado. O modo de falha dominante utilizando a BS7910 foi o colapso plástico que foi coerente com o teste experimental. O ensaio de emissão acústica não teve correlação entre a energia acumulada dos sinais captados e a criticidade de descontinuidades entre um bocal e um tampo, o que salientou que para aplicações semelhantes os dados devem ser analisados cuidadosamente uma vez que regiões sujeitas a colapso plástico como no caso do bocal estudado podem emitir sinais de menor intensidade que descontinuidades onde existe a interação entre os modos de fratura e colapso plástico. A análise não linear utilizando não linearidades física e geometria teve o resultado 5,8% maior que a pressão de ruptura no teste experimental que foi de 14,7MPa, o que pode ser considerado um resultado com um bom grau de aproximação. / Pressure vessels and pipes are essential equipment in the chemical, petrochemical, petroleum refining, among others. The safety operation of this equipment is an important aspect, since failures can vary from large financial losses to catastrophic consequences. Evaluation discontinuity found in inspections can be perfomed by fitness for service methodology which is based on fracture mechanics, which had great developments in the last 40 years. These methodologies are known as being the best way to ensure the integrity of equipment while in operation. This work first uses the fitness for service methodology according BS7910 guide to evaluate lack of weld penetration in eight-inch nozzle attached to a shell with sixteen inches in diameter. The methodology of fitness for service was compared with the experimental test result, which was performed by a destructive hydrostatic test monitored by acoustic emission test. Finally, finite element method was performed using nonlinearity physical and geometric tecniques. The comparison of numerical, experimental and analytical results obtained by the application of BS7910 allowed us to obtain several conclusions that are exposed in this work. The methodology using the BS7910 was conservative for the case study. The dominant failure mode using the BS7910 was the collapse of plastic that was consistent with the experimental test. The acoustic emission technique had no correlation between the stored energy of the picked up signals and criticality of discontinuities between a nozzle and a head, which pointed out that for similar applications data must be analyzed carefully since in regions subjected to plastic collapse such as in the case studied nozzle can generate signals of lower intensity that discontinuities where there is an interaction between the modes of fracture and plastic collapse. The nonlinear analysis result using physics and geometry nonlinearities was 5.8% higher than the rupture pressure of the experimental test was 14.7 MPa, being considered a result with a good degree of accuracity.

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