A avaliação da integridade estrutural de dutos pelo uso de corpos-de-prova laboratoriais depende da escolha de corpos-de-prova de geometrias que representem condições de restrições plásticas na frente da trinca, similares às encontradas nas condições operacionais dos dutos. O Núcleo de Ensaios de Materiais e Análise de Falhas, NEMAF do SMM, EESC-USP vem realizando pesquisas para o desenvolvimento de corpos-de-prova e metodologias experimentais que melhor represente esta situação. Entretanto, no caso de dutos existem situações onde a geometria e o tamanho do corpo-de-prova são limitados pelas dimensões do duto. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API 5L X70, avaliando a influência da geometria e dimensões do corpo-de-prova na tenacidade à fratura do citado aço, sendo este utilizado na fabricação de dutos para transporte de gás e petróleo. Para isto, foram obtidas curvas de resistência à propagação dúctil de trincas, curvas J-R\'s, utilizando a metodologia do espécime único (single specimen) em conjunto com a técnica da variação da flexibilidade elástica (unloading elastic compliance), medida na boca da trinca (CMOD) que fornece ao mesmo tempo a área plástica abaixo da curva de carregamento versus deslocamento e o tamanho da trinca, segundo a norma de ensaios ASTM E1820-05. Foram ensaiados corpos-de-prova SE(T) com trincas rasa (a/W=0,2) e profunda (a/W=0,5) e razão W/B de 2,5 e 1,0, com a finalidade de garantir que o ensaio seja realizado em dominância de um estado plano de deformação como recomendado pela referida norma, para outros tipos de corpos-de-prova. Dos resultados observou-se que, independente do tamanho de trinca inicial adotado, não foram observadas diferenças significativas nas curvas J-R. Este fato pode ser comprovado nos casos de W/B = 2,5 e 1,0, sendo obtidas curvas J-R similares para cada caso, independente do valor de a/W. Entretanto, na grande maioria dos CDP\'s, foi obtida uma propagação dúctil de trinca anômala, ou seja, trincas que apresentam um tunelamento acentuado, decorrente de um elevado estado de tensão plana próximo das laterais, mesmo com o entalhe lateral de 20% da espessura. Os corpos-de-prova com W/B = 1,0 foram capazes de produzir curvas J-R, sem que as trincas apresentassem tunelamento e que os valores médios de trinca (ai e af) medidos conforme a norma (ASTM, 2005), são bastante próximos dos valores obtidos pelo método da variação de flexibilidade elástica. As razões para este fato são discutidas em detalhes. De um modo geral as delaminações, quando existente, não permitem uma correta medição do tamanho de trinca. Ainda, contrário à observação de outros pesquisadores, neste trabalho, foi observado que em vários casos as delaminações induziram fratura instável. / The evaluation of pipes´ structural integrity from laboratories specimens depends on choosing the right specimen geometry that is able to present the conditions of plastic constrain at the crack tip, similar to the one found in the pipes´ operational conditions. The NEMAF Group from SMM, EESC-USP has been performing studies in this area, trying to develop specimen´s geometry that is able to represent this situation, as well as the necessary experimental methodologies to evaluate the fracture toughness of pipes. However, in some cases, the pipe size is a limiting factor in determining the specimen size and geometry. In this work is presented the development and application of specimens SE(T), evaluating the influence of the geometry and dimensions of the specimens on the fracture toughness of API 5L X70 steel, regularly used in the pipes for gas and petroleum transportation. Therefore, the resistance curves to ductile crack propagation, J-R`s curves, using the single specimen methodology, together with the variation of the elastic compliance technique (multiple unloading), measure at the crack mouth (CMOD) that provides both the plastic area under the load x displacement curve and crack size, according to the ASTM E1820-05 standard. The SE(T) specimens with shallow (a/W=0.2) and deep (a/W=0.5) cracks and W/B ratio of 2.5 and 1.0 trying to reduce the amount of plastic deformation and a straight crack front, as well as a dominance of a plane strain state at the crack tip, as recommended by the ASTM E1820-05 standard for other specimens type. From the results it was observed that, independent of the initial a/W, no significant differences were observed in the J-R curves. This fact is verified in both cases, this is, W/B = 2.5 and 1.0. However, in the great majority of CDP\'s with W/B = 2.5, it was obtained an anomalous crack propagation during testing, in other words, they presented an accentuated tunneling due to a high plane tension state near the CDP´s lateral faces, even with the side groove of 20% thickness. The specimens with W/B = 1.0 were capable to produce J-R curves with straight crack fronts, this is, without tunneling, allowing the measurement of medium values of the crack (ai e af) according to the ASTM E1820-05 standard. The reasons for this fact are discussed in details in this work. In general, the split, when present, did not allow a correct crack size measurement. Still, contrary to the other researchers\' observation, in this work, it was observed that in several cases the splits were able to induced unstable fracture.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API X60 para avaliação de integridade estrutural em dutos condutores de gás e petróleo, o qual consiste na implantação de três técnicas que forneçam as curvas de resistência à propagação dútil de trincas, curvas J-Rs. As metodologias utilizadas foram a da variação da flexibilidade elástica, da queda de potencial elétrico e da normalização linear da carga, nas quais duas análises são verificadas para obtenção da área plástica abaixo da curva de carregamento. A primeira, através da medida do deslocamento da linha de carga e a segunda, pelo deslocamento do extensômetro colocado na boca da trinca. Foram ensaiados corpos de prova SE(T) com trincas rasa (a/W = 0,2) e profunda (a/W = 0,5) e os resultados obtidos permitiram observar a iniciação da propagação por rasgamento dúctil e discutir os limites das metodologias aplicadas. Os resultados mostraram que é possível obter as curvas J-Rs medindo o deslocamento na boca da trinca, podendo-se converter os deslocamentos de CMOD em deslocamentos do LLD. Foi constatada também que a técnica de normalização linear da carga é a que possibilitou o menor tempo de preparação e execução do ensaio, por utilizar apenas a medição do CMOD e não necessitar da realização dos descarregamentos. A variação da flexibilidade elástica é uma técnica rápida e confiável e não sofre alterações devido às delaminações. Já a técnica de queda do potencial elétrico se mostrou a mais consistente para o caso de a/W = 0,5, porém no caso de trincas curtas, a plasticidade desenvolvida na frente da trinca influencia nas medições causando imprecisões. As curvas J-Rs são deslocadas para a esquerda quando o tamanho inicial de trinca é reduzido, isto é, ocorre um aumento na energia de iniciação da propagação, JIC. / This work presents the development and application of SE(T) type specimen for structural integrity evaluation of pipeline steels used for gas and oil transportation, and it consists of the implementation of different techniques to provide the crack growth resistance curves, J-R curves. The methodologies used for crack growth measurement were: the elastic compliance, the electrical potential drop and the linear normalization techniques. Two techniques to provide the plastic area, Apl under the load versus displacement curve were used to evaluate Jpl, one based on the load line displacement, LLD, and the other based on the crack mouth opening displacement, CMOD. SE(T) specimens with two different initial crack size, denominate as shallow crack (a0/W = 0.2) and deep crack (a0/W = 0.5). The obtained results allowed the determination of the ductile tearing initiation point and to discuss the limits of the methodologies applied. It was proved be possible to get J-R curves using only one extensometer to measure the CMOD, which provides both crack size and Apl. The linear normalization technique is the one that provided the lower preparation and testing time, since there is no need of multiples unloading for crack growth measurement. The elastic compliance is a very easy, fast and reliable technique, and it is not sensible to the effect of the occurrence of delaminations, as it was the linear normalization technique. The electrical potential drop technique proved to very consistent for a0/W = 0.5, however in the case of shallow cracks the developed plasticity at the crack tip affected the measurements. The J-R curves were displaced to the left as the initial crack size is reduced, this is, there is an increase in the energy for crack tearing initiation, JIC.

A avaliação da integridade estrutural de dutos pelo uso de corpos-de-prova laboratoriais depende da escolha de corpos-de-prova de geometrias que representem condições de restrições plásticas na frente da trinca, similares às encontradas nas condições operacionais dos dutos. O Núcleo de Ensaios de Materiais e Análise de Falhas, NEMAF do SMM, EESC-USP vem realizando pesquisas para o desenvolvimento de corpos-de-prova e metodologias experimentais que melhor represente esta situação. Entretanto, no caso de dutos existem situações onde a geometria e o tamanho do corpo-de-prova são limitados pelas dimensões do duto. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API 5L X70, avaliando a influência da geometria e dimensões do corpo-de-prova na tenacidade à fratura do citado aço, sendo este utilizado na fabricação de dutos para transporte de gás e petróleo. Para isto, foram obtidas curvas de resistência à propagação dúctil de trincas, curvas J-R\'s, utilizando a metodologia do espécime único (single specimen) em conjunto com a técnica da variação da flexibilidade elástica (unloading elastic compliance), medida na boca da trinca (CMOD) que fornece ao mesmo tempo a área plástica abaixo da curva de carregamento versus deslocamento e o tamanho da trinca, segundo a norma de ensaios ASTM E1820-05. Foram ensaiados corpos-de-prova SE(T) com trincas rasa (a/W=0,2) e profunda (a/W=0,5) e razão W/B de 2,5 e 1,0, com a finalidade de garantir que o ensaio seja realizado em dominância de um estado plano de deformação como recomendado pela referida norma, para outros tipos de corpos-de-prova. Dos resultados observou-se que, independente do tamanho de trinca inicial adotado, não foram observadas diferenças significativas nas curvas J-R. Este fato pode ser comprovado nos casos de W/B = 2,5 e 1,0, sendo obtidas curvas J-R similares para cada caso, independente do valor de a/W. Entretanto, na grande maioria dos CDP\'s, foi obtida uma propagação dúctil de trinca anômala, ou seja, trincas que apresentam um tunelamento acentuado, decorrente de um elevado estado de tensão plana próximo das laterais, mesmo com o entalhe lateral de 20% da espessura. Os corpos-de-prova com W/B = 1,0 foram capazes de produzir curvas J-R, sem que as trincas apresentassem tunelamento e que os valores médios de trinca (ai e af) medidos conforme a norma (ASTM, 2005), são bastante próximos dos valores obtidos pelo método da variação de flexibilidade elástica. As razões para este fato são discutidas em detalhes. De um modo geral as delaminações, quando existente, não permitem uma correta medição do tamanho de trinca. Ainda, contrário à observação de outros pesquisadores, neste trabalho, foi observado que em vários casos as delaminações induziram fratura instável. / The evaluation of pipes´ structural integrity from laboratories specimens depends on choosing the right specimen geometry that is able to present the conditions of plastic constrain at the crack tip, similar to the one found in the pipes´ operational conditions. The NEMAF Group from SMM, EESC-USP has been performing studies in this area, trying to develop specimen´s geometry that is able to represent this situation, as well as the necessary experimental methodologies to evaluate the fracture toughness of pipes. However, in some cases, the pipe size is a limiting factor in determining the specimen size and geometry. In this work is presented the development and application of specimens SE(T), evaluating the influence of the geometry and dimensions of the specimens on the fracture toughness of API 5L X70 steel, regularly used in the pipes for gas and petroleum transportation. Therefore, the resistance curves to ductile crack propagation, J-R`s curves, using the single specimen methodology, together with the variation of the elastic compliance technique (multiple unloading), measure at the crack mouth (CMOD) that provides both the plastic area under the load x displacement curve and crack size, according to the ASTM E1820-05 standard. The SE(T) specimens with shallow (a/W=0.2) and deep (a/W=0.5) cracks and W/B ratio of 2.5 and 1.0 trying to reduce the amount of plastic deformation and a straight crack front, as well as a dominance of a plane strain state at the crack tip, as recommended by the ASTM E1820-05 standard for other specimens type. From the results it was observed that, independent of the initial a/W, no significant differences were observed in the J-R curves. This fact is verified in both cases, this is, W/B = 2.5 and 1.0. However, in the great majority of CDP\'s with W/B = 2.5, it was obtained an anomalous crack propagation during testing, in other words, they presented an accentuated tunneling due to a high plane tension state near the CDP´s lateral faces, even with the side groove of 20% thickness. The specimens with W/B = 1.0 were capable to produce J-R curves with straight crack fronts, this is, without tunneling, allowing the measurement of medium values of the crack (ai e af) according to the ASTM E1820-05 standard. The reasons for this fact are discussed in details in this work. In general, the split, when present, did not allow a correct crack size measurement. Still, contrary to the other researchers\' observation, in this work, it was observed that in several cases the splits were able to induced unstable fracture.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API X60 para avaliação de integridade estrutural em dutos condutores de gás e petróleo, o qual consiste na implantação de três técnicas que forneçam as curvas de resistência à propagação dútil de trincas, curvas J-Rs. As metodologias utilizadas foram a da variação da flexibilidade elástica, da queda de potencial elétrico e da normalização linear da carga, nas quais duas análises são verificadas para obtenção da área plástica abaixo da curva de carregamento. A primeira, através da medida do deslocamento da linha de carga e a segunda, pelo deslocamento do extensômetro colocado na boca da trinca. Foram ensaiados corpos de prova SE(T) com trincas rasa (a/W = 0,2) e profunda (a/W = 0,5) e os resultados obtidos permitiram observar a iniciação da propagação por rasgamento dúctil e discutir os limites das metodologias aplicadas. Os resultados mostraram que é possível obter as curvas J-Rs medindo o deslocamento na boca da trinca, podendo-se converter os deslocamentos de CMOD em deslocamentos do LLD. Foi constatada também que a técnica de normalização linear da carga é a que possibilitou o menor tempo de preparação e execução do ensaio, por utilizar apenas a medição do CMOD e não necessitar da realização dos descarregamentos. A variação da flexibilidade elástica é uma técnica rápida e confiável e não sofre alterações devido às delaminações. Já a técnica de queda do potencial elétrico se mostrou a mais consistente para o caso de a/W = 0,5, porém no caso de trincas curtas, a plasticidade desenvolvida na frente da trinca influencia nas medições causando imprecisões. As curvas J-Rs são deslocadas para a esquerda quando o tamanho inicial de trinca é reduzido, isto é, ocorre um aumento na energia de iniciação da propagação, JIC. / This work presents the development and application of SE(T) type specimen for structural integrity evaluation of pipeline steels used for gas and oil transportation, and it consists of the implementation of different techniques to provide the crack growth resistance curves, J-R curves. The methodologies used for crack growth measurement were: the elastic compliance, the electrical potential drop and the linear normalization techniques. Two techniques to provide the plastic area, Apl under the load versus displacement curve were used to evaluate Jpl, one based on the load line displacement, LLD, and the other based on the crack mouth opening displacement, CMOD. SE(T) specimens with two different initial crack size, denominate as shallow crack (a0/W = 0.2) and deep crack (a0/W = 0.5). The obtained results allowed the determination of the ductile tearing initiation point and to discuss the limits of the methodologies applied. It was proved be possible to get J-R curves using only one extensometer to measure the CMOD, which provides both crack size and Apl. The linear normalization technique is the one that provided the lower preparation and testing time, since there is no need of multiples unloading for crack growth measurement. The elastic compliance is a very easy, fast and reliable technique, and it is not sensible to the effect of the occurrence of delaminations, as it was the linear normalization technique. The electrical potential drop technique proved to very consistent for a0/W = 0.5, however in the case of shallow cracks the developed plasticity at the crack tip affected the measurements. The J-R curves were displaced to the left as the initial crack size is reduced, this is, there is an increase in the energy for crack tearing initiation, JIC.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ederson Pauletti.pdf: 5739200 bytes, checksum: 362611be295a3342251b72d168512c61 (MD5) Previous issue date: 2013-03-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the ductile crack growth resistance curves (J-R curves) was evaluated for the steels used in the oil and gas pipelines from the X60 and X70 API 5L grades using the unloading compliance technique. The non standardized SE (T) specimens were used due to the same has low constraint, it is feature of pipelines. The plastic area for the obtaining the J integral was performed by measuring from the crack mouth open displacement, (CMOD). The central emphasis this research was evaluated the delamination phenomenon influence from the fracture toughness and along the J-R curve. As also the microtexture in close to delamination and ductile fracture regions, by using the Electron Backscatter Diffraction (EBSD) technique. The results have shown that value average of 355kJ/m2 was similar for both the shallow and deep crack specimens. The J-R curve values average from the shallow crack specimens have displayed most steep J-R curves, namely, it obtained higher energy values along the ductile crack propagation. Specimens that showed delaminations, during fracture process, obtained higher energy values along the ductile crack propagation. The occurrence of delaminations was more common in deep crack specimens. The microtexture results have shown a random grain sizes distribution. The components with higher intensity in the delamination region were α-fiber textures: {113} <110>, {112} <110>, {223} <110> the same cause anisotropy of mechanical properties and can be influenced out-of-plane constraint during the test. Moreover, there was the occurrence of the {100} <110> recrystallization texture component, which have deleterious effect in occurrence of delamination in microalloyed steels. Whereas in the ductile fracture region occurred the {111} <231>, {111} <132> and {111} <123> γ-fiber, which it can be influenced the ductile crack propagation process. / Neste trabalho foram investigadas as curvas de resistência ao crescimento de trinca dúctil para aços utilizados em tubulações de petróleo e gás, das classes API 5L X60 e X70, utilizando-se da técnica de variação da flexibilidade elástica. Espécimes SE(T) não padronizados foram utilizados, pois o mesmo possui baixa restrição ao fluxo plástico, característica de tubulações. A área plástica para obtenção da integral J foi obtida através da medida de deslocamento de abertura de trinca (crack mouth open displacement, CMOD). A ênfase central desta pesquisa foi avaliar a influência do fenômeno da delaminação na tenacidade à fratura (JIC) e na curva J-R em geral. Como também a obtenção da microtextura em regiões próximas à delaminação e fratura dúctil, que ocorrem durante o processo de fratura no ensaio de tenacidade à fratura, pelo uso da técnica de difração de elétrons retroespalhados (EBSD). Os resultados mostraram que o valor médio de tenacidade à fratura, de 355 kJ/m2 foi equivalente para espécimes com tamanho de trinca rasa e profunda. A média dos valores de curva J-R para espécimes com tamanho de trinca rasa mostrou curvas J-R mais íngremes, ou seja, obtiveram maiores valores energia ao longo da propagação dúctil de trinca. Os espécimes que apresentaram delaminações, durante o processo de fratura, obtiveram maior valor de energia ao longo do crescimento de trinca dúctil. A ocorrência das delaminações foi mais comum em espécimes com tamanho de trinca profunda. Os resultados de microtextura mostraram uma distribuição aleatória de tamanhos de grão. As componentes com maior intensidade na região próxima à delaminação foram as texturas de fibras α: {113}<110>, {112}<110>, {223}<110> que causam anisotropia das propriedades mecânicas e podem ter influenciado no estado triaxial de tensões durante o ensaio. Além disso, houve ocorrência da componente de textura de recristalização {100}<110>, a qual tem efeito deletério na ocorrência de delaminações em aços microligados. As componentes de fibra mais intensas na região próxima à fratura dúctil foram as texturas de fibra γ: {111}<231>, {111}<132> e {111}<123>, as quais podem influenciar no processo de propagação de trinca dúctil.

Ensaios de mecânica da fratura utilizando corpos de prova padronizados apresentam alto nível de restrição à deformação plástica na ponta da trinca, devido a esforços de flexão e a trincas profundas. Em decorrência do emprego desses corpos de prova, há um alto conservadorismo nos resultados obtidos por esses ensaios, quando aplicados em materiais de boa tenacidade. Aplicações cujos defeitos estão submetidos a baixos níveis de constricção e a pequenas margens de segurança fazem com que sejam necessários corpos de prova mais próximos do estado de tensão submetido pela estrutura para realizar adequadamente a análise crítica de engenharia (Engineering Critical Analysis - ECA). Este trabalho visa analisar a influência da geometria de corpos de prova e do tamanho da trinca na tenacidade à fratura do aço API 5DP Tool Joint. Este estudo constitui-se da realização de ensaios de tenacidade à fratura com duas geometrias de corpos de prova (SE(B) e SE(T)) e quatro tamanhos de trinca normalizados (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; e 0,70) com a técnica da flexibilidade no descarregamento (unloading compliance). Foi utilizado o projeto de experimentos (DOE) para obter resultados referentes aos efeitos principais dos dois fatores e de suas interações. Foram calculadas, a partir de triplicatas para cada condição, curvas de resistência e valores únicos de tenacidade à fratura (Integral J e CTOD), sendo que o último foi utilizado para o cálculo da análise de variância (ANOVA). Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a geometria de corpo de prova, tamanho da trinca e a interação entre os dois fatores possuem efeito significativo sobre as variáveis resposta (CTOD e Integral J) com nível de significância de 5%. Além disso, obtiveram-se os valores de JIC e δi através das curvas de resistência, mostrando que esses valores independem da geometria e do tamanho da trinca. / Fracture mechanics testing using standardized specimens have a high level of restriction to plastic deformation at the crack tip, due the bending stresses and deep crack lengths. Due to the use of these specimens geometry, there is a high conservatism on the obtained results of fracture toughness testing when applied on high toughness materials. The application of specimens closely modeling to the actual stress conditions in the component under consideration are necessary to evaluate structures containing defects with low levels of constraint and small safety margins to perform appropriately the engineering critical analysis (ECA). This work aims to analyze the influence of specimen geometry and crack length on the fracture toughness of API 5DP Tool Joint steel. This study consists in the execution of fracture toughness testing on two specimen geometries (SE(B) e SE(T)) and four normalized crack lengths (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; and 0,70) with the unloading compliance method. Design of experiments (DOE) was applied to obtain results regarding to the main factors effects and their interactions. From triplicates of each condition, resistance curves and unique values of fracture toughness (J integral and CTOD) were calculated, and the latter result was used to calculate the analysis of variance (ANOVA). The obtained outcomes show that the specimen geometry, crack length and the interaction between these factors have significant effect on the response variables (CTOD and J integral) on a significance level of 5%. In addition, there were obtained the values of JIC e δi through the resistance curves, showing that these values do not depend on the geometry and crack length.

Ensaios de mecânica da fratura utilizando corpos de prova padronizados apresentam alto nível de restrição à deformação plástica na ponta da trinca, devido a esforços de flexão e a trincas profundas. Em decorrência do emprego desses corpos de prova, há um alto conservadorismo nos resultados obtidos por esses ensaios, quando aplicados em materiais de boa tenacidade. Aplicações cujos defeitos estão submetidos a baixos níveis de constricção e a pequenas margens de segurança fazem com que sejam necessários corpos de prova mais próximos do estado de tensão submetido pela estrutura para realizar adequadamente a análise crítica de engenharia (Engineering Critical Analysis - ECA). Este trabalho visa analisar a influência da geometria de corpos de prova e do tamanho da trinca na tenacidade à fratura do aço API 5DP Tool Joint. Este estudo constitui-se da realização de ensaios de tenacidade à fratura com duas geometrias de corpos de prova (SE(B) e SE(T)) e quatro tamanhos de trinca normalizados (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; e 0,70) com a técnica da flexibilidade no descarregamento (unloading compliance). Foi utilizado o projeto de experimentos (DOE) para obter resultados referentes aos efeitos principais dos dois fatores e de suas interações. Foram calculadas, a partir de triplicatas para cada condição, curvas de resistência e valores únicos de tenacidade à fratura (Integral J e CTOD), sendo que o último foi utilizado para o cálculo da análise de variância (ANOVA). Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a geometria de corpo de prova, tamanho da trinca e a interação entre os dois fatores possuem efeito significativo sobre as variáveis resposta (CTOD e Integral J) com nível de significância de 5%. Além disso, obtiveram-se os valores de JIC e δi através das curvas de resistência, mostrando que esses valores independem da geometria e do tamanho da trinca. / Fracture mechanics testing using standardized specimens have a high level of restriction to plastic deformation at the crack tip, due the bending stresses and deep crack lengths. Due to the use of these specimens geometry, there is a high conservatism on the obtained results of fracture toughness testing when applied on high toughness materials. The application of specimens closely modeling to the actual stress conditions in the component under consideration are necessary to evaluate structures containing defects with low levels of constraint and small safety margins to perform appropriately the engineering critical analysis (ECA). This work aims to analyze the influence of specimen geometry and crack length on the fracture toughness of API 5DP Tool Joint steel. This study consists in the execution of fracture toughness testing on two specimen geometries (SE(B) e SE(T)) and four normalized crack lengths (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; and 0,70) with the unloading compliance method. Design of experiments (DOE) was applied to obtain results regarding to the main factors effects and their interactions. From triplicates of each condition, resistance curves and unique values of fracture toughness (J integral and CTOD) were calculated, and the latter result was used to calculate the analysis of variance (ANOVA). The obtained outcomes show that the specimen geometry, crack length and the interaction between these factors have significant effect on the response variables (CTOD and J integral) on a significance level of 5%. In addition, there were obtained the values of JIC e δi through the resistance curves, showing that these values do not depend on the geometry and crack length.

Ensaios de mecânica da fratura utilizando corpos de prova padronizados apresentam alto nível de restrição à deformação plástica na ponta da trinca, devido a esforços de flexão e a trincas profundas. Em decorrência do emprego desses corpos de prova, há um alto conservadorismo nos resultados obtidos por esses ensaios, quando aplicados em materiais de boa tenacidade. Aplicações cujos defeitos estão submetidos a baixos níveis de constricção e a pequenas margens de segurança fazem com que sejam necessários corpos de prova mais próximos do estado de tensão submetido pela estrutura para realizar adequadamente a análise crítica de engenharia (Engineering Critical Analysis - ECA). Este trabalho visa analisar a influência da geometria de corpos de prova e do tamanho da trinca na tenacidade à fratura do aço API 5DP Tool Joint. Este estudo constitui-se da realização de ensaios de tenacidade à fratura com duas geometrias de corpos de prova (SE(B) e SE(T)) e quatro tamanhos de trinca normalizados (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; e 0,70) com a técnica da flexibilidade no descarregamento (unloading compliance). Foi utilizado o projeto de experimentos (DOE) para obter resultados referentes aos efeitos principais dos dois fatores e de suas interações. Foram calculadas, a partir de triplicatas para cada condição, curvas de resistência e valores únicos de tenacidade à fratura (Integral J e CTOD), sendo que o último foi utilizado para o cálculo da análise de variância (ANOVA). Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a geometria de corpo de prova, tamanho da trinca e a interação entre os dois fatores possuem efeito significativo sobre as variáveis resposta (CTOD e Integral J) com nível de significância de 5%. Além disso, obtiveram-se os valores de JIC e δi através das curvas de resistência, mostrando que esses valores independem da geometria e do tamanho da trinca. / Fracture mechanics testing using standardized specimens have a high level of restriction to plastic deformation at the crack tip, due the bending stresses and deep crack lengths. Due to the use of these specimens geometry, there is a high conservatism on the obtained results of fracture toughness testing when applied on high toughness materials. The application of specimens closely modeling to the actual stress conditions in the component under consideration are necessary to evaluate structures containing defects with low levels of constraint and small safety margins to perform appropriately the engineering critical analysis (ECA). This work aims to analyze the influence of specimen geometry and crack length on the fracture toughness of API 5DP Tool Joint steel. This study consists in the execution of fracture toughness testing on two specimen geometries (SE(B) e SE(T)) and four normalized crack lengths (a0/W = 0,40; 0,50; 0,60; and 0,70) with the unloading compliance method. Design of experiments (DOE) was applied to obtain results regarding to the main factors effects and their interactions. From triplicates of each condition, resistance curves and unique values of fracture toughness (J integral and CTOD) were calculated, and the latter result was used to calculate the analysis of variance (ANOVA). The obtained outcomes show that the specimen geometry, crack length and the interaction between these factors have significant effect on the response variables (CTOD and J integral) on a significance level of 5%. In addition, there were obtained the values of JIC e δi through the resistance curves, showing that these values do not depend on the geometry and crack length.

Orientador: Itamar Ferreira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-06T11:42:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AguirreTorrico_IvanFelix_D.pdf: 3675970 bytes, checksum: 89da868d1276d05e3f5f216b82efb029 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O gasoduto Bolívia-Brasil foi fabricado com dutos de aços API 5L X65 e X70. Existem relatos na literatura especializada de que o campo de tensões nas vizinhanças da ponta da trinca e a tenacidade à fratura são similares entre os corpos de prova não normalizados do tipo tração com entalhe lateral [SE(T)] e dutos. Neste trabalho realizou-se um estudo numérico e experimental da tenacidade à fratura em condições elasto-plásticas, com corpos de prova do tipo SE(T), dos aços API 5L X65 e API 5L X70. A determinação dos parâmetros da mecânica da fratura elástica linear foi feita pelos Métodos dos Elementos Finitos (MEF) e dos Elementos de Contorno (MEC) e a determinação do parâmetro elasto-plástico integral J por MEF. O fator eta plástico obtido numericamente, pelo MEF e com dados fornecidos pelo método EPRI, foi de 1,0, para medições do deslocamento de abertura da boca da trinca (CMOD). Com este fator eta plástico, foram realizados ensaios experimentais de tenacidade à fratura com corpos de prova do tipo SE(T), com espessura de 5 mm, e esses valores foram comparados com os resultados de ensaios em corpos de prova de flexão em três pontos [SE(B)], também com espessura de 5 mm. Houve um boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais da integral J. Verificou-se que as curvas J-R obtidas com ensaios SE(T) são próximas das obtidas com ensaios SE(B), tendo em vista que a espessura dos corpos de prova utilizada, de 5 mm, não pôde ser modelada no estado plano de tensão ou de deformação / Abstract: The gas pipeline Bolivia-Brazil was manufactured with pipes of API 5L X65 and X70 steels. Specialized literature report that the stress field in the neighborhood of the crack tip and the fracture toughness are similar between not standard single edge notch tensile specimens - SE(T) - and pipes. In this work numerical and experimental study were made of the elastic-plastic fracture toughness using SE(T) specimens for API 5L X65 and X70 steels. The determination of the parameters of the linear elastic fracture mechanics was performed by the methods of the Finite Elements (FEM) and Boundary Elements (BEM). The J-integral parameter was determined by FEM. The plastic eta factor was obtained by FEM and with data supplied by the EPRI method. In both cases for measurements of the crack mouth opening displacement (CMOD) the determined plastic eta factor is 1.0. With this plastic eta factor, experimental tests of fracture toughness were accomplished using SE(T) specimens with thickness of 5 mm, and those values were compared with the test results obtained with standard single edge bend -SE (B)- specimens also with thickness of 5 mm. There was a good agreement between the numeric and experimental results of J-integral. Was verified that the J-R curves obtained with SE(T) specimens are close to the obtained with SE(B) specimens / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica