[pt] Neste trabalho apresenta-se um procedimento que envolve técnicas de inspeção baseada em risco (IBR) e adequação ao uso, baseados nas recomendações API 581 e 579 respectivamente, para gerenciar a integridade estrutural de equipamentos estáticos e tubulações sujeitos a perda de espessura por corrosão. O risco de falha de um equipamento é analisado de forma quantitativa através do cálculo da probabilidade de falha (PoF) e da conseqüência de falha (CoF). Uma visão geral da IBR e da análise de risco é introduzida e seus objetivos, vantagens e desvantagens são analisados. A deterioração da parede metálica de equipamentos sujeitos à corrosão causa um aumento da PoF ao longo do tempo. Esse aumento da PoF depende da taxa de dano, da qualidade da previsão da taxa e ainda da eficiência dos métodos de inspeção usados para detectar e quantificar essa taxa. A falha de um equipamento pode resultar em conseqüências tais como danos aos equipamentos vizinhos, danos às pessoas, parada e perda de produção, contaminação do meio ambiente e danos à imagem da empresa. Com base nesse procedimento, desenvolveu-se um programa para o gerenciamento da integridade de equipamentos. Com o programa é possível estabelecer um plano de inspeção para o equipamento, levando-se em conta a eficiência dos métodos de inspeção, com o objetivo de manter o equipamento abaixo de um risco de falha, dado como admissível. Apresenta-se então, um exemplo de aplicação no qual um vaso separador de óleo e gás está sujeito à corrosão interna e corrosão externa. A PoF e a CoF do equipamento são calculadas de forma quantitativa. Um plano para realização de inspeções é proposto, sempre se respeitando os prazos máximos estabelecidos pela NR-13, considerando-se a eficiência da inspeção (interna, externa e teste hidrostático) adequada para detecção e acompanhamento do mecanismo de dano (corrosão interna e corrosão externa atmosférica) atuante no vaso. Verifica-se então que com o plano proposto, consegue- se controlar o risco de falha, possibilitando assim um melhor aproveitamento dos recursos de inspeção. É verificado também se o vaso, na época da inspeção, estará adequado ao uso nas condições de operação estabelecidas. / [en] This dissertation deals with the general concepts of risk and risk based inspection (RBI) and presents a procedure that integrates risk based inspection and fitnessfor- service tools as presented in API 581 and API 579 respectively, to manage the structural integrity of static equipments and piping subjected to a corrosion mechanism. Risk of failure is quantitatively assessed by calculating the product of probability of failure (PoF) and consequence of failure (CoF). Equipment deterioration leads to an increase of PoF along time, which is dependent on damage rate, confidence on rate prediction, and inspection tools effectiveness in detecting and quantifying the damage. The equipment failure may result in some consequences outcomes such as safety and health impact; production losses; maintenance and reconstruction cost; and environmental impact. A computer program to manage the equipment integrity was developed based on the RBI procedure. It allows to design and optimize an inspection plan for the equipment, taking in the consideration the amount of inspection activity and its effectiveness, while maintaining risk under a tolerable level. An application example is developed for an oil and gas separator which is subjected to internal and external corrosion. PoF and CoF are calculated quantitatively. The inspection plan proposed follows the Brazilian regulation concerned to boilers and pressure vessels (NR-13) in what refers to the maximum inspection intervals, considering the inspection effectiveness (external, internal and hydrostatic test) used to detect and evaluate the damage mechanism. It is showed that the proposed inspection plan will maintain the risk of a failure under a certain tolerable level and will provide better application of inspection resources.

Electric propulsion motors have emerged as a promising solution to address greenhouse gas emissions from Internal Combustion Engines (ICEs). While electric propulsion motors offer numerous advantages over Internal Combustion Engines (ICEs), they also pose certain challenges. Electric motors are prone to high-frequency tonal noise, which can be annoying to customers and become a quality concern in noise-sensitive automotive applications. The ongoing effort to increase the speed of electric propulsion motors for enhanced power density can have an adverse impact on rotors. This is due to the fact that the stress induced in the rotor is quadratically proportional to its speed. This concern becomes particularly significant for motors that rely on air barriers and thin bridges to enhance their electromagnetic performance. The thesis makes a contribution to address these challenges. First, the acoustic noise mitigation methods at the transmission stage are investigated. Then, acoustical materials are experimentally validated for their capacity to mitigate acoustic noise at the transmission stage. Then, experimental modal analysis is conducted to find out the modal characteristics of a stator-housing assembly. The mode shapes and modal frequency are compared with finite element results to evaluate the fidelity of the finite element model. Then, an equivalent damage approach is used to employ accelerated fatigue analysis for a rotor using constant amplitude load cycles. Finally, a thermomechanical fatigue analysis workflow is developed for a rotor to overcome the limitations of the constant amplitude load cycle approach, with an additional computational cost. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para a medição de curvas de resistência J-R em espécimes SE(T) usando os métodos de flexibilidade elástica e método n. Uma descrição da metodologia sobre a qual J e o crescimento de trinca são medidos estabelece o contexto para determinar dados de resistência ao rasgamento dúctil com o emprego de curvas carga vs. deslocamento obtidas experimentalmente. A extensiva matriz de análises em estado plano de deformações de espécimes SE(T) complementada, em algumas geometrias selecionadas, com análises 3D permite a determinação numérica da flexibilidade adimensional, u, e fatores nJ e Y para uma grande faixa de proporções geométricas e propriedades de material características de aços estruturais e para dutos. Ensaios laboratoriais de um aço API 5L X60 à temperatura ambiente usando espécimes SE(T) carregados por pinos com entalhes laterais (side-grooves) fornecem os dados de carga e deslocamento necessários para validar o procedimento para determinar curvas de resistência do material. Os resultados apresentados nesta tese fornecem uma base de soluções para o futuro estabelecimento de norma padronizada para a medição experimental de curvas J-R em corpos de prova SE(T) mecanicamente similares a dutos com defeitos bidimensionais. / This work provides an estimation procedure to determine J-resistance curves for pinloaded and clamped SE(T) fracture specimens using the unloading compliance technique and the n-method. A summary of the methodology upon which J and crack extension are derived sets the necessary framework to determine crack resistance data from the measured load vs. displacement curves. The extensive plane-strain analyses and key 3D results enable numerical estimates of the nondimensional compliance, u , and parameters n and Y for a wide range of specimen geometries and material properties characteristic of structural and pipeline steels. Laboratory testings of an API 5L X60 steel at room temperature using pin-loaded SE(T) specimens with side-grooves provide the load-displacement data needed to validate the estimation procedure for measuring the crack growth resistance curve for the material. The results presented in the this thesis produce a representative set of solutions which lend further support to develop standard test procedures for constraint-designed SE(T) specimens applicable in measurements of crack growth resistance for pipelines.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Esta tese investiga o efeito do fechamento de trinca sobre as previsões da vida à fadiga em materiais homogêneos e juntas soldadas. É apresentada uma metodologia para a simulação numérica do fenômeno de fechamento de trinca induzido por plasticidade utilizando o método dos elementos finitos. Ensaios laboratoriais de propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A516 Gr. 70 à temperatura ambiente foram realizados usando corpos de prova típicos da mecânica da fratura nas condições soldada e homogênea. Estes resultados foram usados para validar a metodologia numérica do cálculo da carga de abertura de trinca. Comparações entre a vida de propagação experimental e as estimativas obtidas por meio da integração da lei de propagação, incluindo o efeito do fechamento de trinca, foram feitas usando vários critérios para o cálculo da carga de abertura. As análises numéricas permitem estimar a carga de abertura de trinca analisando a evolução do campo de tensões, deformações e deslocamentos na região próxima à trinca, que está influenciada pelo contato das faces da trinca. Menores níveis de proteção da trinca devido ao fechamento foram obtidos para o corpo com heterogeneidade mecânica quando comparado ao corpo homogêneo na modelagem numérica. Durante o ensaio de propagação o corpo homogêneo apresentou taxas de propagação de trinca relativamente menores quando comparadas ao espécime soldado. A não inclusão do efeito do fechamento de trinca resulta em previsões da vida à fadiga conservadoras em aproximadamente 20% para todos os casos estudados neste trabalho. Análises tridimensionais do fenômeno de fechamento de trinca revelam que o crescimento da trinca por fadiga no estagio II parece estar controlado pelo retardo que acontece na superfície do corpo de prova. Incluído o efeito do fechamento de trinca nas previsões, as estimativas da vida à fadiga foram bastante próximas das obtidas experimentalmente, com diferenças conservadoras entre 1% e 15% dependendo do método de cálculo da carga de abertura. Os resultados apresentados mostram que vidas à fadiga mais acuradas e, ainda, conservadoras são feitas incluindo o efeito do fechamento de trinca na metodologia de cálculo da vida remanescente de componentes estruturais. / This thesis investigates the effect of crack closure on fatigue life predictions in homogeneous material and welded joints. It presents a methodology for numerical simulation of the phenomenon of plasticity-induced crack closure by using the finite element method. Experimental tests of fatigue crack propagation on ASTM A516 Gr 70 steel at room temperature were performed using typical specimens of fracture mechanics in two conditions: welded and homogeneous; these results were used to validate the numerical methodology for calculating the crack opening load. Comparisons between experimental propagation life and estimations obtained by numerical integration of propagation law, including the effect of crack closure, have been made using various criteria to calculate the opening load .The numerical analyses allow to predict the opening load by analyzing the evolution of stresses, deformations and displacements fields in the region near the crack which is growing and is influenced by the contact of the crack flanks. Lower levels of protection due to crack closure were obtained for the specimen with mechanical heterogeneity when compared to the homogeneous specimen in the numerical analyses. During the test of fatigue crack propagation the homogeneous specimen had smaller crack growth rates when compared to the welded specimen. Fatigue life predictions without including the effect of crack closure result in conservative estimations around 20% for all studied cases. Three-dimensional analysis of the phenomenon of crack closure shows that the fatigue crack growth in stage II appears to be controlled by the delay that occurs on the specimen surface. Including the effect of crack closure in life predictions, the estimates of fatigue life were quite close to those obtained experimentally, with conservative differences between 1% and 15% depending on the method of opening load calculation. The results show that the fatigue life predictions can be made more accurate and yet remain conservative when the effect of crack closure is included on the methodology for calculating the remaining life of structural components.

[pt] O presente trabalho apresenta uma técnica numérica geral para a aproximação da solução do problema de evolução quasi-estático em treliças elasto-plásticas com dano. Uma formulação geral e abstrata é apresentada e uma técnica numérica simples, baseada na técnica de decomposição do operador com um algoritmo sequencial associado, é proposta. Alguns exemplos tratando da análise de falha de treliças metálicas são usados para mostrar a efetividade do método. / [en] This work is corcerned with a general numerical technique for approximating the solution of quase-static evolution problems in damageable elasto-plastic trusses. An abstract and general formulation of the problem is presented and a simple numerical technique based on the operator splitting technique associated with a product formula algorithm is proposed. Some examples concerning the failure analysis of metallic trusses are used to show the effectiveness of the method.

The presence of residual stresses in engineering components may significantly affect damage evolution and progression towards failure. Correct evaluation of residual stress is of crucial importance for assessing mechanical components, predicting response and ensuring reliability. For example, when failure occurs due to cyclic loading, the underlying damage begins at the nano-, and then micro-scale. It is clear that improving engineering reliability at the micro-scale requires the ability to evaluate residual stress and mechanical properties at the appropriate scale. The key objective of the thesis is to advance the understanding and practice of residual stress evaluation at the micro-scale, and to examine the implications and applications that follow. Significant effort was devoted to the evaluation of two aspects of the relatively novel FIB-DIC micro-ring-core experimental technique: assessing the effects of Ga-ion damage and the quantification of uncertainty in stress evaluation due to unknown crystal orientation. FIB-DIC micro-ring-core milling was then used alongside with synchrotron XRD to study residual stress effects on fatigue crack growth propagation rate following the occurrence of overload or underload. The effects of the two principal mechanisms of crack retardation following an overload, residual stress and crack closure, were separated by testing samples at different loading ratios. Whilst, the acceleration after an underload was studied using validated non-linear FEM analyses. Conceptual focus was placed on the macro-micro-nano residual stress decomposition into Type I, II & III according to scale and, detailed examination was conducted experimentally and numerically. In the context of shot-peening surface treatment, residual stresses were modelled using a novel eigenstrain-based modelling procedure for arbitrarily shaped components. Furthermore, a fine scale characterisation was performed of the recast layer produced by EDM, with particular attention paid to the residual stress. The investigations presented in this thesis open new perspectives for the assessment of material reliability. Improved failure prediction models will be elaborated based on the insights obtained in the present study.

[pt] Durante o tempo em serviço, estruturas e componentes de equipamentos podem falhar e causar acidentes. Isto geralmente conduz a danos materiais podendo, ainda, causar perda de vidas humanas e danos ambientais. Frequentemente, os eventos danosos são originários de falhas de materiais e de fabricação, sobrecargas não previstas ou outros problemas oriundos do tempo de operação ou deficiência de manutenção de um componente. Neste estudo, com base numa análise de propagação de trinca superficial submetida a carregamento, se avaliou a integridade de um flange da conexão de topo de uma linha flexível, sob condições criogênicas de operação. Quando em serviço, a falha deste conector pode ocasionar interrupções na produção, dano a equipamentos e meio ambiente, bem como fatalidades em plataformas offshore de petróleo. As linhas (dutos) flexíveis utilizadas para injetar gás CO2 nos reservatórios de petróleo no país trabalham submetidas a elevadas pressões internas (da ordem de 10.000 psi), o que aumenta o risco de falha do componente. Além disto, a selagem da conexão flangeada pode falhar e provocar um vazamento de fluido gasoso, proporcionando uma queda acentuada da temperatura local e potencializando a fratura frágil do componente. O cenário proposto para o estudo foi relacionado a possível falha na vedação do anel BX, localizado entre a conexão da linha flexível e a plataforma de petróleo. A metodologia foi dividida em duas etapas: a primeira corresponde à análise global linear elástica do conector na ausência de trincas e baseada no método de elementos finitos (MEF). Na segunda etapa da análise, se introduziu uma trinca no conector na região com os maiores níveis de tensão e onde é possível realizar ensaio por líquido penetrante. Assim, o estudo se concentrou na conexão flangeada do conector, adotando como um aço com 9 por cento de níquel em sua composição química, liga ferrosa de larga aplicação em tanques de armazenagem de GNL. Se buscou avaliar a resistência à fratura do material através da associação de condições severas de carregamento, baixas temperaturas e tamanho de trinca em flanges de dutos flexíveis, conforme critério severizado da norma API 6A. Desta maneira, se espera contribuir para que a indústria offshore de petróleo tenha mais uma opção de material para ser adotado na fabricação de conectores de topo das linhas flexíveis que trabalhem em condição criogênica. / [en] During the time in service, structures and equipment components can fail and cause accidents. This usually leads to damage and may also cause loss of human lives and environmental damages. Often, harmful events are originated from materials and manufacturing faults, unforeseen overloads or other problems arising from the operation time or component maintenance deficiencies. In this study, based on the analysis of surface crack propagation under loading, was assessed the integrity of a top connecting flange of a flexible line operation under cryogenic conditions. When in service, the failure of this connector may cause production disruptions, damages to the equipment and the environment, as well as human fatalities on offshore oil platforms. In Brazil, flexibles lines (ducts) used to inject CO2 gas in oil reservoirs work subjected to high internal pressures (of the order of 10,000 psi), which increases the risk of a component failure. Moreover, the damaged flange may cause leakage of gaseous fluid resulting in very low local temperatures and resulting in brittle fracture enhancing of the component. The scenario proposed in this study is related to a possible seal BX ring failure which is located between the flexible line connection and the oil platform. The methodology was divided into two stages: the first corresponds to the linear elastic global analysis of the connector in the absence of cracks and based on the finite element method (FEM). In the second stage of analysis, it introduced a crack on the connector in the region with the highest stress levels and where it is possible to test for penetrant. Thus, the study focused on the flange connection connector, adopting as a steel with 9 per cent nickel in its chemical composition, ferrous alloy wide application in LNG storage tanks. He sought to evaluate the fracture resistance of the material through the combination of severe loading conditions, low temperatures and 9 cracks in flanges of flexible ducts as severe criteria standard API 6A standard. Thus, it is expected to contribute to the offshore oil industry has one more material option to be adopted in the manufacture of top connectors of the flexible lines working in cryogenic condition.

Esta tese propõe avaliar a integridade estrutural de projetos de válvulas do tipo esfera trunnion e/ou gaveta. Por meio desta pesquisa, são avaliados os principais modos de falhas e parâmetros funcionais. Os estudos foram realizados utilizando a técnica dos elementos finitos e permitiram a construção de modelos para avaliar os seguintes modos de falha. (i) colapso estrutural dos principais componentes; (ii) vazamento na interface esfera/sede; (iii) travamento do sistema de acionamento devido à influência da vazão de escoamento do fluido. A avaliação da integridade estrutural é de fundamental importância para mitigar e/ou evitar erros, durante a fase de desenvolvimento de válvulas. Os modelos desenvolvidos também possibilitam o aprimoramento de novos projetos de válvulas e o aperfeiçoamento de projetos já desenvolvidos. O estudo proposto pode ser utilizado como indicador da qualidade de projeto de válvulas, auxiliando a equipe de desenvolvimento no dimensionamento de novos produtos, permitindo assim a avaliação dos requisitos funcionais e a avaliação da possível melhoria do projeto. Os resultados mostraram que o uso do método dos elementos finitos durante as fases iniciais do processo de desenvolvimento de válvulas é extremamente útil na concepção de novos produtos, permitindo a elaboração de produtos otimizados, sendo que por meio de um conhecimento multidisciplinar falhas prematuras podem ser detectadas nas fases iniciais do processo de desenvolvimento de projeto de válvulas, possibilitando com isso o desenvolvimento de um projeto mais racional com melhoria significativa de qualidade, confiabilidade, desempenho e competividade. O uso do método dos elementos finitos também possibilita uma redução do número de ensaios com protótipos físicos, o tempo de desenvolvimento e consequentemente o custo final do produto. / This thesis proposes to evaluate the structural integrity of the trunnion ball valves and/or gate. By means of this research, are evaluated main failure modes and functional parameters. The studies were conducted using the finite elements technique and allowed the construction of models to evaluate the following modes of failure. (i) structural collapse of the main components; (ii) leakage in the ball/seat interface; (iii) torque and/or locking of drive system due the influence of fluid flow rate. The evaluation of the integrity structural is of fundamental importance to mitigate and/or avoid errors, during the valve development phase. The models developed also enable the improvement de new valves design and the upgrade the valves design already developed. The proposed study can be used as an indicator the quality of valves design, assisting the development team in the design of new products, thus enabling the assessment of the functional requirements and evaluation of possible improvements in the design. The results showed that the use of finite element method during the early stage of valve development process is extremely useful in the conception the new products, allow to develop products optimized, and by means of a multidisciplinary knowledge premature failures can be detected in the early stages of the product design, besides enable the development of a design more rational with significant improvement in quality, reliability, performance and competitiveness. The use of finite element method also allows reduction the number of with physical prototype tests, time of development and the final cost of the product.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:50:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 10555.pdf: 13498632 bytes, checksum: a2f985eebcd01db42fa692b0aad0df6d (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP