A demanda crescente por energia tem motivado a procura por petróleo e gás natural em ambientes com condições extremas, como operações em águas profundas e o transporte de fluídos corrosivos. Avanços tecnológicos recentes favorecem o uso de tubos de aço contendo uma camada interna resistente a corrosão (comumente chamados de Lined ou Clad Pipes) para o transporte de tais fluidos agressivos. Além disso, as tubulações submarinas são sujeitas a condições de instalação muito severas e, um caso de interesse, é o procedimento de reeling que permite com que a fabricação e inspeção da tubulação seja feita em terra. Apesar de possuir vantagens econômicas, a avaliação da integridade estrutural e especificação dos tamanhos toleráveis de trinca em juntas soldadas, nestas condições, torna-se uma tarefa complexa, devido a natureza dissimilar dos materiais e ao grande nível de deformação plástica no processo. Dessa maneira, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um procedimento de avaliação de forças motrizes elasto-plásticas em tubos contendo juntas soldadas circunferenciais sujeitos a flexão, para uma extensa gama de configurações geométricas. Dois métodos distintos foram desenvolvidos e analisados: a metodologia EPRI e o procedimento que utiliza a curva de tensão vs. deformação equivalente. As análises numéricas 3D fornecem os parâmetros de fratura necessários para a resolução do problema e a acurácia dos procedimentos é verificada a partir de estudos de casos e análises paramétricas. / The increasing demand for energy has motivated the oil and natural gas exploration in very hostile environments, including very deep water operation and the transport of corrosive fluids. Technological advances favor the use of high strength steel pipelines either clad or mechanically lined with a corrosion resistant alloy (CRA), such as Alloy 625, for the transport of corrosive hydrocarbons. Moreover, these pipelines are subjected to severe installation conditions and a case of interest is the pipe reeling process, which allows pipe welding and inspection to be conducted at onshore facilities. While cost effective, fracture assessments and specification of critical flaw sizes for the girth welds of lined/clad pipes are more complex due to the dissimilar nature of these materials and the high levels of plastic strain imposed during installation. In particular, effective analyses of crack driving forces in undermatched or partially mismatched pipe girth welds remain essential to determine more accurate acceptable flaw sizes for the piping system based upon conventional ECA procedures. This work focuses on the development of a procedure to determine the elastic-plastic crack driving forces for pipe girth welds with circumferential surface cracks subjected to bending load for a wide range of geometries and weld mismatch levels based upon based methodologies: the GE-EPRI framework and the equivalente stress vs. strain curve. The study also addresses the potential effects of an undermatching girth weld on critical flaw sizes. The extensive nonlinear, 3-D numerical analysis provide the fracture parameters for cracked pipes and cylinders with mismatched girth welds which will be applied in case studies and parametric analyses in order to verify the accuracy of the methods.

Métodos acurados de avaliação de tenacidade à fratura, incluindo curvas de resistência ao rasgamento dúctil de juntas soldadas de dutos e risers rígidos, tornam-se essenciais em procedimentos de avaliação de defeitos em regiões de soldas e zonas termicamente afetadas, nas quais defeitos não detectados podem se propagar devido às grandes tensões e deformações envolvidas na instalação e/ou operação dessa classe de estruturas. Este trabalho apresenta uma investigação experimental da tenacidade à fratura de uma junta soldada de um duto rígido de aço API 5L X80 (curvas J-Ãa). A motivação para este trabalho decorre da demanda crescente na aplicação de dutos de alta resistência na indústria de óleo e gás, em particular dutos submarinos e risers rígidos em catenária. Para tal, foram empregados corpos de prova de tração SE(T) fixados por garras, e flexão três pontos SE(B) contendo entalhe no centro da solda, para determinação das curvas J-R pelo método do corpo de prova único utilizando a técnica da flexibilidade no descarregamento, além das funções de flexibilidade e fatores n referentes aos corpos de prova SE(T) e SE(B) em função do nível de dissimilaridades mecânicas, o que permite obter valores mais assertivos das propriedades de tenacidade à fratura de juntas soldadas. / Accurate measurements of fracture resistance properties, including crack growth resistance curves for pipeline girth welds, become essential in defect assessment procedures of the weldment region and the heat affected zone, where undetected crack-like defects (such as lack of penetration, deep undercuts, root cracks, etc.) may exhibit further crack extension due to high tensile stresses and strains during installation and in-service operation. This work presents an investigation of the ductile tearing properties for a girth weld made of an API 5L X80 pipeline steel using experimentally measured crack growth resistance curves (J-Ãa curves). Use of these materials is motivated by the increasing demand in the number of applications for manufacturing high strength pipes for the oil and gas industry including marine applications and steel catenary risers. Testing of the pipeline girth welds utilized sidegrooved, clamped SE(T) specimens and 3P bend SE(B) specimens with a weld centerline notch to determine the crack growth resistance curves based upon the unloading compliance (UC) method using a single specimen technique. Recently developed compliance functions and n-factors applicable for SE(T) and SE(B) fracture specimens with homogeneous material and overmatch welds are introduced to determine crack growth resistance data from laboratory measurements of load-displacement records. This experimental characterization provides additional toughness data which serve to evaluate crack growth resistance properties of pipeline girth welds using SE(T) and SE(B) specimens with weld centerline cracks.

Métodos acurados de avaliação de tenacidade à fratura, incluindo curvas de resistência ao rasgamento dúctil de juntas soldadas de dutos e risers rígidos, tornam-se essenciais em procedimentos de avaliação de defeitos em regiões de soldas e zonas termicamente afetadas, nas quais defeitos não detectados podem se propagar devido às grandes tensões e deformações envolvidas na instalação e/ou operação dessa classe de estruturas. Este trabalho apresenta uma investigação experimental da tenacidade à fratura de uma junta soldada de um duto rígido de aço API 5L X80 (curvas J-Ãa). A motivação para este trabalho decorre da demanda crescente na aplicação de dutos de alta resistência na indústria de óleo e gás, em particular dutos submarinos e risers rígidos em catenária. Para tal, foram empregados corpos de prova de tração SE(T) fixados por garras, e flexão três pontos SE(B) contendo entalhe no centro da solda, para determinação das curvas J-R pelo método do corpo de prova único utilizando a técnica da flexibilidade no descarregamento, além das funções de flexibilidade e fatores n referentes aos corpos de prova SE(T) e SE(B) em função do nível de dissimilaridades mecânicas, o que permite obter valores mais assertivos das propriedades de tenacidade à fratura de juntas soldadas. / Accurate measurements of fracture resistance properties, including crack growth resistance curves for pipeline girth welds, become essential in defect assessment procedures of the weldment region and the heat affected zone, where undetected crack-like defects (such as lack of penetration, deep undercuts, root cracks, etc.) may exhibit further crack extension due to high tensile stresses and strains during installation and in-service operation. This work presents an investigation of the ductile tearing properties for a girth weld made of an API 5L X80 pipeline steel using experimentally measured crack growth resistance curves (J-Ãa curves). Use of these materials is motivated by the increasing demand in the number of applications for manufacturing high strength pipes for the oil and gas industry including marine applications and steel catenary risers. Testing of the pipeline girth welds utilized sidegrooved, clamped SE(T) specimens and 3P bend SE(B) specimens with a weld centerline notch to determine the crack growth resistance curves based upon the unloading compliance (UC) method using a single specimen technique. Recently developed compliance functions and n-factors applicable for SE(T) and SE(B) fracture specimens with homogeneous material and overmatch welds are introduced to determine crack growth resistance data from laboratory measurements of load-displacement records. This experimental characterization provides additional toughness data which serve to evaluate crack growth resistance properties of pipeline girth welds using SE(T) and SE(B) specimens with weld centerline cracks.

A demanda crescente por energia tem motivado a procura por petróleo e gás natural em ambientes com condições extremas, como operações em águas profundas e o transporte de fluídos corrosivos. Avanços tecnológicos recentes favorecem o uso de tubos de aço contendo uma camada interna resistente a corrosão (comumente chamados de Lined ou Clad Pipes) para o transporte de tais fluidos agressivos. Além disso, as tubulações submarinas são sujeitas a condições de instalação muito severas e, um caso de interesse, é o procedimento de reeling que permite com que a fabricação e inspeção da tubulação seja feita em terra. Apesar de possuir vantagens econômicas, a avaliação da integridade estrutural e especificação dos tamanhos toleráveis de trinca em juntas soldadas, nestas condições, torna-se uma tarefa complexa, devido a natureza dissimilar dos materiais e ao grande nível de deformação plástica no processo. Dessa maneira, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um procedimento de avaliação de forças motrizes elasto-plásticas em tubos contendo juntas soldadas circunferenciais sujeitos a flexão, para uma extensa gama de configurações geométricas. Dois métodos distintos foram desenvolvidos e analisados: a metodologia EPRI e o procedimento que utiliza a curva de tensão vs. deformação equivalente. As análises numéricas 3D fornecem os parâmetros de fratura necessários para a resolução do problema e a acurácia dos procedimentos é verificada a partir de estudos de casos e análises paramétricas. / The increasing demand for energy has motivated the oil and natural gas exploration in very hostile environments, including very deep water operation and the transport of corrosive fluids. Technological advances favor the use of high strength steel pipelines either clad or mechanically lined with a corrosion resistant alloy (CRA), such as Alloy 625, for the transport of corrosive hydrocarbons. Moreover, these pipelines are subjected to severe installation conditions and a case of interest is the pipe reeling process, which allows pipe welding and inspection to be conducted at onshore facilities. While cost effective, fracture assessments and specification of critical flaw sizes for the girth welds of lined/clad pipes are more complex due to the dissimilar nature of these materials and the high levels of plastic strain imposed during installation. In particular, effective analyses of crack driving forces in undermatched or partially mismatched pipe girth welds remain essential to determine more accurate acceptable flaw sizes for the piping system based upon conventional ECA procedures. This work focuses on the development of a procedure to determine the elastic-plastic crack driving forces for pipe girth welds with circumferential surface cracks subjected to bending load for a wide range of geometries and weld mismatch levels based upon based methodologies: the GE-EPRI framework and the equivalente stress vs. strain curve. The study also addresses the potential effects of an undermatching girth weld on critical flaw sizes. The extensive nonlinear, 3-D numerical analysis provide the fracture parameters for cracked pipes and cylinders with mismatched girth welds which will be applied in case studies and parametric analyses in order to verify the accuracy of the methods.

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.

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