Orientador: Paulo Roberto de Aguiar / Banca: Thiago Valle França / Banca: Arthur Alves Fiocchi / Resumo: Os processos de usinagem são de extrema importância para a fabricação de peças mecânicas, as peças exigem alta precisão dimensional e geométrica e qualidade no acabamento ao serem manufaturadas. Dentre os processos de usinagem, a retificação se destaca por ser um dos processos mais usado, por sua precisão e bom acabamento. É essencial que se conheça bem este processo, já que o mesmo se encontra na última etapa da manufatura. Assim, problemas durante o processo de retificação compromete-se a peça e pode-se perder o trabalho realizado em todas as etapas anteriores, acarretando alto custo na produção e perda de matéria-prima. O presente trabalho tem como objetivo avaliar um método de monitoramento das condições da superfície das peças, realizando um estudo comparativo da integridade superficial de peças retificadas com os sinais captados por um diafragma piezelétrico de baixo custo composto por Titanato Zirconato de Chumbo (PZT), bem como por um sensor de emissão acústica (EA). Os ensaios experimentais foram realizados em uma máquina retificadora plana, onde um banco de ensaios foi desenvolvido empregando-se um rebolo de CBN com ligante resinóide e corpos de prova de aço ABNT 1045 e VC131. Posteriormente, para caracterizar a superfície das peças, foi realizada a inspeção visual, medidas de rugosidade (Ra), medidas de microdureza Vickers e uma análise metalográfica. Os sinais EA e PZT foram aquisitados através de um osciloscópio de alta amostragem e, posteriormente, tratados com ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The machining processes are of utmost importance for the manufacture of mechanical parts, the parts require high dimensional and geometric precision and quality in the finishing of the surfaces when being manufactured. Among the machining processes, grinding stands out as one of the most used processes, due to its precision and superior finishing. It is essential that this process is well known, since it is in the last stage of manufacturing. Thus, problems, during the grinding process are committed to the part and can be lost the work carried out in all previous stages, resulting in high production costs and loss of raw material. The present work aims to evaluate a method of monitoring the surface conditions of the parts, performing a comparative study of the surface integrity of recified parts with the signals captured by a low-cost piezoelectric patch composed of Lead Titanium Zirconate (LZT) and as by an acoustic emission sensor (EA). Experimental tests were performed in a flat grinding machine, where a test bench was developed using a CBN grinding wheel with resinoid binder and ABNT 1045 and VC131 steel test bodies. Later, to characterize the surface of the parts, visual inspection, surface roughness (Ra), Vickers microhardness measurements and a metallographic analyiss were performed. The signals EA and PZT were acquired through a high sampling oscilloscope and later treated with digital filters. These signals were then compared to the firing and roughness of each part under their respective conditions, through signal processing techniques. It was observed that the increase of the roughness, as well as the occurrence of the burning of the parts, has a reationship with increase of the RSM signal of the PZT and the EA, as well as with the RMSD index. The CCDM index had no correlation with the process conditions. A good performance of the PZT patch with potential to... (Complete abstract electronic access below) / Mestre

Orientador: Vicente Lopes Junior / Co-orientador: Michael John Brennan / Banca: Fabricio Cesar Lobato de Almeida / Banca: José Roberto de França Arruda / Resumo: Pesquisas em propagação de ondas para aplicação de monitoramento de integridade estrutural (SHM) tem tido um incremento considerável recentemente. Este procedimento permite detectar danos nas fases iniciais. Esta dissertação descreve um estudo teórico de propagação de ondas para o propósito de detecção e quantificação de dano em uma viga. De particular interesse é a maneira que as ondas interagem com o dano, considerado simétrico com respeito ao eixo neutro. Uma análise de uma estrutura unidimensional de ondas guiadas incorporando o atuador e sensores piezelétricos em configuração pitch-catch e pulse eco é apresentada. O modelo é desenvolvido no domínio da frequência e posteriormente transformado no domínio do tempo através da transformada de Fourier inversa. Isto permite que o efeito do dano entre o atuador e o sensor seja estudado no domínio do tempo e da frequência. Os comprimentos do atuador e do sensor e a profundidade do dano são estudados em uma viga de alumínio delgada. Mostra-se que uma abordagem no domínio do tempo é preferível em relação a abordagem no domínio da frequência para detecção e quantificação de danos na estrutura. Os resultados mostraram que ondas longitudinais são mais sensíveis a variação da espessura para um sistema simétrico e é melhor medir ondas refletidas que as transmitidas. Além disto, verificou-se que devido à natureza dispersiva das ondas de flexão é possível que em algumas situações a amplitude da onda refletida seja diminuída em vez de aumentar quando a espessura da viga é reduzida / Abstract: Wave propagation research for Structural Health Monitoring (SHM) has been increasing recently. It allows the detection of damage at its early stages of development. This dissertation describes a theoretical study of wave propagation for the purpose of detection and quantification of damage in a beam structure. Of particular interest is the way in which waves interact with damage that is symmetrical with respect to the neutral axis. An analysis of a one-dimensional structural waveguide incorporating a piezoelectric actuator and sensors in a pitch-catch and pulse-echo configuration is presented. The model is developed in the frequency domain, which is then transformed into the time domain using the inverse Fourier transform. This enables the effect of damage on wave propagation between the actuator and the sensor to be investigated in both the time and the frequency domains. The size of the actuator and the sensor, and the size of damage are investigated for a thin aluminum beam. It is shown that the time-domain approach is preferable to a frequency domain approach for damage detection in this kind of structure. It is found that longitudinal waves are more sensitive to a change in thickness for a symmetrical system and it is better to measure reflected rather than transmitted waves. Further, it is found that due to the dispersive nature of bending waves, it is possible in some situations for the reflected wave amplitude to decrease rather than increase as the beam thickness is reduced / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-09-21Bitstream added on 2014-06-13T20:55:54Z : No. of bitstreams: 1 cavalinijunior_aa_me_ilha.pdf: 4616021 bytes, checksum: bcabaa1ecc36a762e1aa65b62c75b44a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O monitoramento da integridade estrutural (SHM) de sistemas mecânicos trata-se de uma tecnologia emergente que combina modernos sensores com inteligentes algoritmos computacionais para analisar a condição da estrutura em tempo real ou quando for necessário. Segurança, alto desempenho em operação e redução nos custos de manutenção são alguns dos principais benefícios concedidos pela tecnologia SHM. Deste modo, esta tecnologia vem encontrando aceitação crescente na indústria, principalmente na aeronáutica e petrolífera onde os custos de manutenção são muito elevados. Dentre as técnicas de monitoramento desenvolvidas, a dos observadores de estado se destacou. No entanto, esta técnica SHM possui algumas restrições que motivam o interesse pelo desenvolvimento de uma nova abordagem para a mesma. Neste contexto, este trabalho alia os já conhecidos observadores de estado com as características do domínio modal a fim de determinar o modo de vibrar mais afetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado. A partir do conhecimento desta informação é possível projetar, por exemplo, sistemas de controle e manutenção mais eficientes. Contudo, nesta dissertação são apresentadas aplicações numéricas e experimentais em diferentes sistemas mecânicos a fim de detalhar e demonstrar a técnica SHM via Observador de Estado Modal, inicialmente proposta aqui. Algumas destas aplicações contam ainda com sensores e atuadores piezelétricos acoplados as estruturas. Os resultados encontrados mostram pontos favoráveis e desfavoráveis da técnica proposta / Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging technology that combines modern sensors with intelligent algorithms to analyze the structural condition in real time or specific time. Security, high operation performance and maintenance reduction costs are some of the key benefits provided by this technology. Not surprisingly, the SHM techniques have recently received increased attention in aircraft and oil industries. Among the developed SHM techniques, state observers had special attention. However, this technique presents some restrictions that motivate the development of a new SHM approach through state observers. In this context, this work associates the already known state observers with features obtained in the modal domain to determine the vibration modes that are more affected by damage presence in the monitored structure. That information makes possible the design of efficient maintenance and control systems. In order to analyze the Modal State Observer technique, firstly presented here, numerical and experimental applications in different mechanical systems are presented. In some applications are used sensors and piezoelectric actuators coupled in the structures. The results lead to the conclusion that the Modal State Observer is a potential useful SHM tool

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 3775255 bytes, checksum: 1b99107cee89e4bce6bbab2b485dac91 (MD5) Previous issue date: 2012-11-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Fitness-for-service (FFS) assessment is a quantitative engineering evaluation of operational components. In the context of pressure vessels and piping systems FFS assessment is performed periodically to ensure the operational safety and structural integrity. The evaluation of structural integrity of equipment is crucial to avoid failure and thereby obtain the best possible performance of mechanical components under corrosion, in turn, is one of the greatest dangers to pressure vessels. The evaluation of structural integrity of a component service that contains general damage or failure is given in Level 4 described in API 579. Nondestructive testing by ultrasound was used to obtain measurements of the loss of thickness wall of the pressure vessel for the model developed to numerical analysis using finite element. The objective is to analyze and evaluate the values of Maximum Allowable Working Pressure (MAWP) provided by the Fitness for Service assessment with the values found in numerical analysis. Results of PMTA are compared when it takes into account several variables that API 579 considers, the Future Corrosion Allowance (FCA) due to evolution of corrosion, the thickness uniform loss (LOSS) of the internally corroded areas and the changes of temperature affecting the structural integrity of the equipment. / A avaliação da integridade estrutural de equipamentos é de fundamental importância para se evitar falhas e assim obter o maior rendimento possível dos componentes mecânicos presente em vários setores industriais e a corrosão, por sua vez, constitui um dos maiores perigos para os vasos de pressão. A capacidade de analisar a integridade estrutural de um componente em serviço que contém danos ou falha é apresentada na norma API 579 (FFS - Fitness for Service). Utilizando o ensaio por ultrassom para obter medições de perda de espessura na área sob corrosão da parede de vasos de pressão e aplicando a análise da API 579 seção 4 que recomenda a adequação ao uso do equipamento com a presença de perda de metal generalizada, faz-se uma correlação com a análise numérica utilizando elementos finitos do vaso com a mesma área de corrosão obtida do ensaio de ultra-som. O objetivo é analisar e avaliar os valores de Pressão Máxima de Trabalho Admissível (MAWP - Maximum Allowable Working Pressure) fornecida pela API 579 para adequação ao uso do equipamento com os valores encontrados na análise numérica. Resultados de valores da MAWP são comparados quando leva-se em consideração algumas variáveis que a API 579 considera como, a perda de espessura futura (FCA - Future Corrosion Allowance) devido a evolução da corrosão, a perda de espessura unifome (LOSS) da área corroída internamente e mudanças de temperaturas que afetam a integridade estrutural desses equipamentos.

Orientador: Jozué Vieira Filho / Co-orientador: Fabricio Guimarães Baptista / Banca: Vicente Lopes Junior / Banca: Ricardo Tokio Higuti / Banca: Domingos Alves Rade / Banca: Roberto Gil Annes da Silva / Resumo: O monitoramento de integridade estrutural tem atraído o interesse de muitos pesquisadores ao longo das últimas décadas. Com os recentes avanços na tecnologia de comunicação sem fio, as redes sem fio podem, potencialmente, oferecer uma alternativa de baixo custo para seus homólogos tradicionais baseados em cabo. Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento e implementação de um novo sistema de monitoramento de integridade estrutural sem fio baseado em um promissor e simples método para detectar dano em estruturas usando o princípio da impedância eletromecânica. O sistema proposto consiste de uma rede de sensores sem fio, escalável e de baixa potência; composta por nós sensores inteligentes, um nó de enlace e um centro de monitoramento remoto. O nó de enlace é usado como coordenador de uma rede ZigBee composta por múltiplos nós sensores inteligentes; e como um gateway para integrar a rede ZigBee com o centro de monitoramento remoto via uma rede GSM/GPRS e/ou um servidor HTTP. O nó sensor inteligente, baseado em microcontrolador, é um núcleo portátil, autônomo, realiza automaticamente a compensação das medições com variações da temperatura ambiente, pode controlar vários sensores e opera em modo local ou remoto. A identificação de dano é realizada mediante simples análise nas variações da tensão eficaz do sinal de resposta de transdutores piezelétricos, tais como cerâmicas de titanato zirconato de chumbo (PZT) colados à estrutura, obtidos no domínio do tempo para diferentes frequências do sinal de excitação, sendo que não é necessário calcular a impedância eletromecânica. A compensação dos efeitos da temperatura é realizada utilizando os coeficientes de correlação para calcular o valor efetivo do deslocamento de frequência a partir das assinaturas coletadas. Experimentos foram realizados com sucesso em uma estrutura de alumínio, variando a temperatura na faixa de 0oC-60oC; os resultados... / Abstract: Structural health monitoring have attracted much research interest over the last few decades. With recent advances in wireless communication technology, wireless networks can potentially offer a low-cost alternative to traditional cable-based sensing systems. This work presents the design and implementation of a novel wireless structural health monitoring system based on a promising and simple method to detect damage in structures using the electromechanical impedance principle. The proposed system is a wireless low-power scalable sensor network composed of smart sensor nodes, a link node and a remote monitoring center (host node and server). The link node is used as the coordinator of a ZigBee network of multiple smart sensor nodes; and as a gateway to integrate ZigBee network with the remote monitoring center via a GSM/GPRS network and/or an HTTP server. The smart sensor node, based on microcontroller, is a portable core, standalone, which automatically compensates measurements with environment temperature variation, may control various sensors and operates in either local or remote mode. The identification of damage is performed by simply analyzing the variations of root mean square voltage of the response signals from piezoelectric transducers, such as PZT (Lead Zirconate Titanate) patches bonded to the structure, obtained for different frequencies of excitation signals in time domain, and it is not necessary to compute the electromechanical impedance. The temperature compensation is performed using the correlation coefficients to compute the effective frequency displacement value from the data signatures. Experiments were successfully performed on an aluminum structure and temperature varying from 0oC to 60oC; the results indicate that the proposed smart sensor node, which can be monitored from anywhere in the world and is able to detect damage in the initial stage, even in the presence of ... / Doutor

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Co-orientador: Marcelo Ornaghi Orlandi / Banca: Michael John Brennan / Banca: Carlos de Marqui Junior / Resumo: Com o objetivo de assegurar a integridade estrutural de estruturas aeronáuticas, diversas técnicas de monitoramento da integridade estrutural têm sido estudadas. Uma das técnicas mais recentes é a utilização de sensores contínuos, constituídos de filmes delgados de nanocompósitos. A vantagem em se utilizar estes materiais é a possibilidade de se aplicar tais sensores em superfícies complexas, cobrindo uma grande área e utilizando poucos terminais de aquisição. Este tipo de material permite o controle das suas características mecânicas e elétricas, possibilitando a criação de um sensor customizado para cada situação. O nanocompósito mais encontrado na literatura para fins de detecção de falhas é o compósito de nanotubos de carbono (CNT), sendo que a matriz utilizada varia de acordo com cada caso. Este trabalho propõe a utilização de materiais alternativos como os nanofios de ITO (Indium tin oxide ou óxido de índio dopado com estanho) inseridos em matriz de PMMA (polimetil- metacrilato) para o revestimento da superfície a ser monitorada. Afim de verificar a efetividade destes sensores, diversos testes foram propostos. Estes testes consistem em monitorar o comportamento dos nancompósitos quando afetados por algum tipo de dano, os quais podem ser uma adição de massa, excesso de cargas tensoras ou uma trinca. Para isto, o intuito é medir as resistências elétricas entre dois pontos e verificar a influência do dano no valor medido. Em geral as resistências obtidas variaram entre 1kΩ e 10kΩ, sendo que com o aparecimento do dano, as medições apresentaram variações de mais de 30% tanto no caminho com o dano como nos caminhos em sua proximidade. Testes com o sensor em uma câmara ambiental, com controle de temperatura e umidade, mostraram que o sensor é sensível a altas temperatura e a altas umidades. Quanto à sensibilidade às tensões de tração aplicadas na placa, o sensor só mostrou alterações em sua... / Abstract: With the objective of structural health monitoring (SHM) in aerospace structures, several monitoring techniques have been studied. One of the most recent techniques is based on the use of continuous sensors, made of thin films of nanocomposites. The advantage of using such materials is the possibility to apply them on complex surfaces, covering larger areas and using few acquisition terminals. Moreover, by using the nanocomposites, it is possible to control its mechanical and electrical properties, making it possible to create a customized sensor for each case. The nanocomposite found most commonly in the literature for damage detection are the carbon nanotubes (CNT) composites, while the matrix depends on each case. This work proposes the use of alternative materials such as the ITO (Indium tin oxide) nanowires inserted at PMMA (Poly(methyl methacrylate)) to be used as coatings for the monitored structure. In order to verify the effectiveness of this sensor, several tests were proposed. These tests consists on monitoring the nanocomposite's behavior when affected by some kind of damage, in which can be simulated by a mass addition, excess of load or a crack. The principle for the damage detection is to measure the electrical resistance between two points at the film sensor and verify the variations caused by the damage to these measurements. In general, the obtained resistances varied from 1kΩ to 10kΩ, while with the damage appearance the measurements varied more than 30% at the path with the damage and at the paths nearby. Tests at the environmental chamber, with temperature and humidity control, showed that the sensor is sensitive to high temperatures and humidity levels. Regarding the sensibility to stress applied to the plate, the sensor showed changes at the resistances only when the plate started to deform plastically. The obtained results are promising and indicate that this method is effective for damage detection / Mestre

Este trabalho busca avaliar o efeito da sobrepressão interna na avaliação crítica de engenharia (ECA) de dutos submersos sujeitos a flambagem lateral controlada, que essencialmente consiste na análise de carregamentos combinados associados a grandes deformações longitudinais. O objetivo principal é avaliar a viabilidade da adoção de corpos-de-prova SENT na avaliação da resistência à fratura em dutos sujeitos a esforços combinados utilizando procedimentos analíticos que incorporam do aumento das forças motrizes devido à sobrepressão interna. Este estudo apresenta uma revisão sobre os procedimentos de ECA utilizados em dutos submersos e sobre o efeito da pressão interna na capacidade de deformação de dutos. Os procedimentos adotados atualmente e procedimentos alternativos são discutidos e implementados em um problema prático envolvendo diferentes razões de diâmetros por espessuras, expoentes de encruamento, níveis de sobrepressão e deformação longitudinal. Alguns casos selecionados são comparados com soluções elasto-plásticas de J, e.g. EPRI. Os resultados apresentados fornecem uma boa compreensão sobre as vantagens e limitações de cada procedimento, incluindo a possibilidade de estender sua aplicação além do limite normativo de 0,4% de deformação longitudinal. / This work aims to evaluate the effect of internal overpressure on the engineering critical assessment (ECA) of submarine pipelines subjected to controlled lateral buckling, which essentially consists of the analysis of combined loading with large longitudinal strains at the buckle crown. The main goal is to evaluate the feasibility of using SENT specimens to characterize the fracture resistance in the assessments of pipelines subjected to combined loadings using analytical procedures that takes into account the increase of crack driving force due to internal overpressure. This study presents a revision about ECA procedures used in submarine pipelines and about the effect of biaxial stresses their tensile strain capacity. Both standard and alternative procedures are discussed and implemented in a practical problem involving different diameter to thickness ratios, hardening exponents, levels of internal pressure and longitudinal strain. Some selected cases are compared with full elastic-plastic J solutions, e.g. EPRI. The results provide useful insights regarding the advantage and limitations of each procedure, including the possibilities to extend their applicability beyond the standard limit of 0,4% of longitudinal strain.

Este trabalho trata sobre o estudo numérico das forças motrizes (J e CTOD) em corpos-de-prova SE(T), usualmente extraídos da junta soldada do componente estrutural defeituoso, especificamente dutos submarinas (risers) com trincas circunferências alocadas no metal de solda. Durante o processo de instalação (reeling method) o duto é submetido a grandes carregamentos cíclicos (principalmente momentos de flexão) os quais introduzem fortes deformações plásticas (~2 e ~3%) afetando diretamente a integridade estrutural e a operação segura do sistema dutoviário. Procedimentos correntes aplicados na determinação da tenacidade à fratura de materiais, frequentemente, baseiam-se no coeficiente adimensional de proporcionalidade plástica (o fator n) e tem se mostrado válido em espécimes homogêneos. Para configurações com dissimilaridade mecânica, a aplicação direta deste método fica comprometida pelo grau de complexidade que existe entre a relação acoplada das forças motrizes (J e CTOD) e carregamento remoto com a dissimilaridade mecânica introduzida pelo processo de soldagem. O objetivo da presente tese é desenvolver um procedimento numérico de estimação de parâmetros de mecânica da fratura aplicáveis em configurações não padronizadas SE(T) para condições de dissimilaridade mecânica (weld strength mismatch). Uma extensiva análise de elementos finitos é desenvolvida na obtenção dos fatores n aplicáveis para espécimes SE(T) com várias profundidades de trincas (a/W) e níveis de dissimilaridade mecânica (My) para dois tipo de carregamento: garra (clamped end) e pino (pin loading). Três diferentes, mas correlatos métodos são aplicados para a obtenção acurada dos fatores n em condição de dissimilaridade mecânica, a saber, são: trabalho plástico, separação de cargas e carga limite. Os efeitos tridimensionais são analisados de forma sistemática para diferentes valores de espessura (B/W) e comprimentos do espécime (H/W) com a finalidade de avaliar a robustez das soluções obtidas das análises em estado plano de deformação. Finalmente, os resultados obtidos fornecem suporte para uso de espécimes SE(T) em procedimentos de avaliação de defeitos em dutos soldados submetidos a carregamento de flexão. / This work focuses on the numerical study of crack driving forces (J and CTOD) on single edge notch in tension (SE(T)) specimens usually extracted from defective structural components, specifically, circumferentially welded cracked pipes. The most efficient procedure to deploy submarine pipes (risers) on the sea floor is the reeling method. This procedure introduces a huge amount of cyclic loading to the girth welded pipe during the installation causing permanent plastic deformation (around ~2 to ~3%), which can affect the structural integrity and safe operation of the pipeline system. Current material fracture toughness procedures rely upon accuracy of proportionality plastic coefficient (also known n factor), which has to be effective for homogeneous condition. For mismatched configurations, where the strength of the weld metal is higher than the strength of base metal (also referred as overmatching), the direct applicability of such procedures remains a key aspect for defect assessment procedures and fitness for service codes, due to the complexity of the univocal relationship between crack driving forces and remote loading and the weld strength mismatch effect. The goal of the present thesis is to develop an estimation procedure of fracture mechanics parameters (J and CTOD) for SE(T) specimens in heterogeneous conditions. Extensive finite element analyses were conducted in order to obtain n factors for mismatched SE(T) specimens with varying crack lengths (a/W), different levels of overmatch (My) and two loading schemes (clamped and pin loading). Three different but related methods are applied to compute the n factor for welded mismatch configurations, namely the plastic work, load separation and limit load method. Also, the 3D effects are systematically analyzed for different thickness (B/W) and different specimen lengths (H/W) in order to prove the robustness of the proposed solutions derived from FE analyses in plane strain conditions. Finally, the results provide strong support for the use of constraint designed SE(T) specimens in fracture assessments of circumferential surface cracks in girth welded pipes subjected to bending moment.

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.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:35:14Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2217_1.pdf: 882149 bytes, checksum: 3c08b499446a409d8a16c96820f252d3 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2009 / O procedimento mais adequado para verificação da segurança de uma estrutura é quantificar a sua probabilidade de falha. A determinação deste valor pode ser feita utilizando o método de confiabilidade de primeira ordem (FORM), que recai em um problema de otimização para resolver o problema de confiabilidade estrutural. Outra alternativa é aplicar o método de simulação de aleatoriedade de Monte Carlo. O presente trabalho tem por objetivo apresentar uma metodologia para verificação da segurança e dimensionamento ótimo baseado na verificação da segurança de dutos com defeitos causados por corrosão. Por sua vez, para aplicação dos métodos de confiabilidade, a função de falha do problema deverá ser definida. Aqui, esta função será representada pela pressão interna aplicada e pela pressão de falha em termos de ruptura. Apesar da pressão de falha poder ser obtida por fórmulas empíricas usando códigos tais como B31G, RSTRENG, BS-7910 e DNV-99, o uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) torna o problema mais realístico na obtenção da pressão de falha do duto, pelo fato dos resultados empíricos serem em geral muito conservadores. Para calcular a pressão de falha considerando o MEF, as não-linearidades do material e da geometria devem ser consideradas. Este é um problema com simulação de alto custo, mesmo para uma única simulação. No caso de múltiplas avaliações da função e do gradiente, tal como o procedimento de análise de confiabilidade, dependendo do caso estudado, o alto custo computacional envolvido pode tornar o emprego desta ferramenta inviável. Modelos substitutos são apontados na literatura como uma ferramenta poderosa para superar os problemas citados. A idéia básica é a de construir uma simplificação matemática para o problema original normalmente de alto custo computacional. Este modelo aproximado é aqui utilizado para aplicações referentes à confiabilidade de estruturas fornecendo uma visão sobre as tendências globais das respostas no domínio de falha. Uma vez que o modelo substituto é construído, as várias avaliações de funções e seus gradientes que envolvem o processo de confiabilidade ficam diretamente associadas a este modelo, em substituição às respostas obtidas pelo modelo de simulação original. Neste trabalho, aproximação do tipo ajuste de dados via krigagem será utilizada. Finalmente, o dimensionamento ótimo do duto será apresentado visando garantir que em um determinado período de exposição, o duto conserve o nível de segurança com o menor custo de projeto possível. No contexto da verificação da segurança, o método semi-probabilístico também se insere. Em contrapartida, não é possível definir a probabilidade de falha fazendo uso deste método. O fatorde segurança será aqui calculado apenas para efeito de verificação. Serão estudados dutos com defeito isolado e com múltiplos defeitos. O presente estudo analisará incertezas relacionadas com parâmetros geométricos do duto e do defeito, com o carregamento aplicado e com as propriedades do material. Para efeito comparativo, a predição de falha desses dutos será representada por soluções empíricas tais como BS-7910 (1999) e por soluções numéricas via MEF e via técnicas de aproximação por krigagem. Comparações entre as diferentes metodologias de verificação da segurança serão apresentadas, considerando o efeito do tempo. O dimensionamento ótimo do duto será avaliado, considerando como variável de projeto a espessura do duto ou o tempo de inspeção. Com o presente estudo fica apresentada uma metodologia realística e viável na prática, podendo facilitar o trabalho do engenheiro na avaliação da segurança de dutos sujeitos à corrosão. Esta provém da aplicação de diferentes procedimentos. Estes envolvem: análise determinística nãolinear física e geométrica, análise de confiabilidade para consideração de incertezas no problema, uso de modelos substitutos e dimensionamento ótimo