Made available in DSpace on 2016-08-29T15:32:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_5382_Dissertação de Mestrado (Polliana Alexandre Soares).pdf: 5558925 bytes, checksum: f527e57bc2fba9b5e555b52004855328 (MD5) Previous issue date: 2011-12-27 / Este trabalho foi desenvolvido com o intuito de determinar a tenacidade à fratura em estruturas contendo trincas em suas juntas soldadas. O material ensaiado foi o aço API X65 que é usado em tubos na indústria de produção de petróleo e gás, por exemplo. O tubo tem diâmetro de 20 polegadas com espessura de 6,8 mm. Foram estudadas duas condições diferentes: materiais metal base e metal soldado e, para cada condição, foram ensaiados nove e oito corpos de prova, respectivamente. O processo de soldagem utilizado foi a soldagem por resistência elétrica (Electric Resistence Welding - ERW). Os corpos de prova foram confeccionados segundo a norma ASTM E 1820 01 e o critério da mecânica da fratura empregado foi o da Curva de Resistência (Curva R), que fornece o tamanho e a abertura máxima da trinca sem que ocorra a ruptura do material. A tenacidade à fratura foi verificada e o metal base e metal soldado apresentaram os mesmos valores desta propriedade. Através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), pode-se notar que a fratura é dúctil e apresenta microcavidades (dimples) e inclusões. Na microscopia óptica, vê-se que o aço API X65 no metal base possui uma estrutura perlítica-ferrítica com grãos refinados e no metal soldado aumenta-se o tamanho dos grãos.

Pour les gazoducs, la résistance à la propagation ductile est reliée à la fraction surfacique de “shear area” mesurée dans l’essai Drop Weight Tear Test (DWTT). Récemment, un mode de rupture “inverse” a parfois été observé sur les éprouvettes DWTT dans cas d’aciers ayant une énergie Charpy très élevée. Ceci est un problème car la résistance à la propagation fragile est alors sous-estimée dans la cas d’aciers à haute ténacité. Une procédure pour évaluer l’effet de la rupture inverse manque encore. De plus, le mécanisme conduisant à la rupture inverse n’a pas été expliqué en détail. Il est donc important de développer des modèles de simulations permettant d’interpréter les essais DWTT présentant une rupture “inverse”. Cette étude vise à proposer un modèle de rupture pour l’essai DWTT représentant la rupture ductile en biseau ainsi que la rupture fragile. Cette étude comprend : (i) une modèle de plasticité anisotrope, (ii) une simulation de la rupture en biseau, (iii) un modèle de transition ductile—fragile. Bien décrire la plasticité est nécessaire pour bien estimer les contraintes et déformations dans la zone de fissuration. La rupture ductile est représentée avec un modèle GTN incluant un terme de germination dépendent du paramètre de Lode. La rupture fragile est étudiée avec le modèle de Beremin appliqué après simulation de la rupture ductile. A la lumière de cette simulation, il est possible de mieux comprendre l’essai DWTT. Ces résultats seront utiles pour promouvoir l’emploi des aciers à haute ténacité pour les gazoducs sous haute pression. / For the gas line-pipe, resistance to brittle fracture propagation is related to shear area fraction measured in Drop Weight Tear Test (DWTT). Recently, “so-called” inverse fracture is sometimes observed in DWTT specimens for line-pipe with high Charpy absorbed energy. The main problem of the inverse fracture is that the resistance to brittle fracture propagation is underestimated in case of high toughness steels. However, the rational guidelines to evaluate the effect of inverse fracture are still missing. Moreover, the mechanism of inverse fracture has not yet been clarified in details. It is important to establish the simulation models representing the DWTT fracture surface to clarify the mechanisms of inverse fracture. This study aims at the simulation model representing the slant ductile fracture and ductile to brittle transition during DWTT. The study includes the description of: (i) the anisotropic plastic behavior, (ii) slant ductile behavior and (iii) ductile to brittle transition behavior. The description of anisotropic plastic behavior is needed to be able to precisely estimate strains and stresses within the structures. The slant ductile fracture behavior is numerically investigated by using the GTN model with additional secondary void nucleation. The brittle fracture is studied by extending the Beremin model to brittle fracture initiation after slant ductile fracture. This study discusses the mechanism of inverse fracture during DWTT from these simulation results. This research results will be helpful to be able to use high toughness steels for natural gas line-pipes with high pressure transmission.

Esta Dissertação abrange a caracterização microestrutural do aço API 5L X65 soldado por feixe de elétrons (EBW) com cinco diferentes aportes térmicos e sem o uso de metal de adição. O aço API 5L X65 pertence à classe de aços ARBL e é empregado na fabricação de oleodutos e gasodutos. As três regiões da solda metal-base (MB), zona termicamente afetada (ZTA) e zona fundida (ZF) foram caracterizadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X e medidas de microdureza Vickers. As microestruturas encontradas nestas três regiões são bastante distintas. O MB apresenta grãos ferríticos com bandas perlíticas orientadas paralelamente à direção de laminação. Devido à elevada densidade de potência do processo EBW e às elevadas velocidades de soldagem utilizadas, a ZTA é bastante estreita sendo formada por grãos ferríticos finos e bandas perlíticas degeneradas que a diferem do MB. Na interface ZTA/ZF foi possível observar a presença de grãos com morfologia acicular com a presença dos constituintes M-A (martensita-austenita). A ZF apresentou morfologia similar à encontrada em aços microligados soldados: ferrita alotriomórfica, ferrita acicular, ferrita de Widmanstätten, constituintes M-A, além de regiões bainíticas. Na parte central da chapa foi observada a segregação de manganês. A técnica EBW permite a soldagem de tubos com paredes espessas com apenas um passe. Os resultados desta Dissertação são úteis para avaliar a viabilidade técnica do uso de EBW na fabricação de tubos para o transporte de óleo e gás, especialmente em aços mais resistentes (bainíticos). / This Dissertation aims at the microstructural characterization of electron-beam welded (EBW) API 5L X65 steel using five different processing conditions (heat input) and without filler metal addition. The API 5L X65 steel is a high-strength low-alloy (HSLA) steel employed mainly in the manufacture of pipelines for oil and gas. The three regions of the welds, namely the base metal (BM), heat affected zone (HAZ) and fusion zone (FZ) were characterized by light optical microscopy using different chemical etching agents, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and Vickers microhardness testing. The microstructures found in the three regions were quite distinct. The BM consists of elongated ferritic grains with pearlite bands oriented along the rolling direction. Due to the high power density provided by EBW, the HAZ is very narrow and consists of ferritic grains and bands of degenerated pearlite. At the HAZ/FZ interface it is possible to observe the presence of grains with acicular morphology and the presence of M-A (martensite- retained austenite) constituents. The FZ showed a morphology similar to that one found in molten microalloyed steels consisting of allotriomorphic ferrite, acicular ferrite, Widmanstätten-like ferrite, M-A constituents, as well as bainite. In the central part of the plate it was observed the presence of Mn-segregation lines along the BM. The electron beam welding was chosen because it produces a relatively small HAZ and it allows the welding of thick-wall tubes in one single pass. The results of this work are useful to evaluate the possibility of using EBW in the manufacture of pipelines for transport of oil and gas, especially in higher grade steels.

Esta Dissertação abrange a caracterização microestrutural do aço API 5L X65 soldado por feixe de elétrons (EBW) com cinco diferentes aportes térmicos e sem o uso de metal de adição. O aço API 5L X65 pertence à classe de aços ARBL e é empregado na fabricação de oleodutos e gasodutos. As três regiões da solda metal-base (MB), zona termicamente afetada (ZTA) e zona fundida (ZF) foram caracterizadas por microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), difração de raios X e medidas de microdureza Vickers. As microestruturas encontradas nestas três regiões são bastante distintas. O MB apresenta grãos ferríticos com bandas perlíticas orientadas paralelamente à direção de laminação. Devido à elevada densidade de potência do processo EBW e às elevadas velocidades de soldagem utilizadas, a ZTA é bastante estreita sendo formada por grãos ferríticos finos e bandas perlíticas degeneradas que a diferem do MB. Na interface ZTA/ZF foi possível observar a presença de grãos com morfologia acicular com a presença dos constituintes M-A (martensita-austenita). A ZF apresentou morfologia similar à encontrada em aços microligados soldados: ferrita alotriomórfica, ferrita acicular, ferrita de Widmanstätten, constituintes M-A, além de regiões bainíticas. Na parte central da chapa foi observada a segregação de manganês. A técnica EBW permite a soldagem de tubos com paredes espessas com apenas um passe. Os resultados desta Dissertação são úteis para avaliar a viabilidade técnica do uso de EBW na fabricação de tubos para o transporte de óleo e gás, especialmente em aços mais resistentes (bainíticos). / This Dissertation aims at the microstructural characterization of electron-beam welded (EBW) API 5L X65 steel using five different processing conditions (heat input) and without filler metal addition. The API 5L X65 steel is a high-strength low-alloy (HSLA) steel employed mainly in the manufacture of pipelines for oil and gas. The three regions of the welds, namely the base metal (BM), heat affected zone (HAZ) and fusion zone (FZ) were characterized by light optical microscopy using different chemical etching agents, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and Vickers microhardness testing. The microstructures found in the three regions were quite distinct. The BM consists of elongated ferritic grains with pearlite bands oriented along the rolling direction. Due to the high power density provided by EBW, the HAZ is very narrow and consists of ferritic grains and bands of degenerated pearlite. At the HAZ/FZ interface it is possible to observe the presence of grains with acicular morphology and the presence of M-A (martensite- retained austenite) constituents. The FZ showed a morphology similar to that one found in molten microalloyed steels consisting of allotriomorphic ferrite, acicular ferrite, Widmanstätten-like ferrite, M-A constituents, as well as bainite. In the central part of the plate it was observed the presence of Mn-segregation lines along the BM. The electron beam welding was chosen because it produces a relatively small HAZ and it allows the welding of thick-wall tubes in one single pass. The results of this work are useful to evaluate the possibility of using EBW in the manufacture of pipelines for transport of oil and gas, especially in higher grade steels.

As recentes descobertas de petróleo e gás na camada do Pré-sal representam um enorme potencial exploratório no Brasil, entretanto, os desafios tecnológicos para a exploração desses recursos minerais são imensos e, consequentemente, têm motivado o desenvolvimento de estudos voltados a métodos e materiais eficientes para suas produções. Os tubos condutores de petróleo e gás são denominados de elevadores catenários ou do inglês \"risers\", e são elementos que necessariamente são soldados e possuem fundamental importância nessa cadeia produtiva, pois transportam petróleo e gás natural do fundo do mar à plataforma, estando sujeitos a carregamentos dinâmicos (fadiga) durante sua operação. Adicionalmente, um dos problemas centrais à produção de óleo e gás das reservas do Pré-Sal está diretamente associado a meios altamente corrosivos, tais como H2S e CO2. Uma forma mais barata de proteção dos tubos é a aplicação de uma camada de um material metálico resistente à corrosão na parte interna desses tubos (clad). Assim, a união entre esses tubos para formação dos \"risers\" deve ser realizada pelo emprego de soldas circunferenciais de ligas igualmente resistentes à corrosão. Nesse contexto, como os elementos soldados são considerados possuir defeitos do tipo trinca, para a garantia de sua integridade estrutural quando submetidos a carregamentos cíclicos, é necessário o conhecimento das taxas de propagação de trinca por fadiga da solda circunferencial. Assim, neste trabalho, foram realizados ensaios de propagação de trinca por fadiga na região da solda circunferencial de Inconel® 625 realizada em tubo de aço API 5L X65 cladeado, utilizando corpos de prova do tipo SEN(B) (Single Edge Notch Bending) com relações entre espessura e largura (B/W) iguais a 0,5, 1 e 2. O propósito central deste trabalho foi de obter a curva da taxa de propagação de trinca por fadiga (da/dN) versus a variação do fator de intensidade de tensão (ΔK) para o metal de solda por meio de ensaios normatizados, utilizando diferentes técnicas de acompanhamento e medição da trinca. A monitoração de crescimento da trinca foi feita por três técnicas: variação da flexibilidade elástica (VFE), queda de potencial elétrico (QPE) e análise de imagem (Ai). Os resultados mostraram que as diferentes relações B/W utilizadas no estudo não alteraram significantemente as taxas de propagação de trinca por fadiga, respeitado que a propagação aconteceu em condições de escoamento em pequena escala na frente da trinca. Os resultados de propagação de trinca por fadiga permitiram a obtenção das regiões I e II da curva da/dN versus ΔK para o metal de solda. O valor de ΔKlim obtido para o mesmo foi em torno de 11,8 MPa.m1/2 e os valores encontrados das constantes experimentais C e m da equação de Paris-Erdogan foram respectivamente iguais a 1,55 x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m] e 4,15. A propagação de trinca no metal de solda deu-se por deformação plástica, com a formação de estrias de fadiga. / Recent oil and gas discoveries in the Pre-Salt layer represent a huge exploration potential in Brazil, however, the technological challenges for the exploitation of these mineral resources are immense and therefore have motivated the development of studies looking for efficient methods and materials for their productions. The oil and gas pipellines, called risers, are elements that are necessarily welded and have fundamental importance in the production chain, since they transport oil and natural gas from the sea bed to the platforms and are subject to dynamic loads (fatigue) during operation. Additionally, one of the central problems in the production of oil and gas in the Pre-Salt reserves is directly associated with a highly corrosive media, such as H2S and CO2. A cheaper way to protect the pipelines from these medias is applying a protective layer of a corrosion resistant metal on the inner diameter of these pipes, creating a cladded pipe. Thus, a joining process of these pipes to form the risers must be carried out by the use of girth welds with a corrosion resistance material similar to the clad metal. As the welded structures are seen as potential location of \"crack like\" defects, to ensure the structural integrity of such component when subjected to repetitive loading conditions, it is necessary to know the fatigue crack growth rates for the girth weld. Therefore, in this work it was carried out fatigue crack propagation tests in the weld region of an API 5L X65 cladded pipe with Inconel® 625, girth welded using Inconel® 625 electrodes. From the welded region, Single Edge Notch Bending specimens, SEN(B), were removed with different thickness and width ratios (B/W= 0.5, 1, and 2). From the fatigue tests, the crack propagation rates (da/dN) as function of the variation of the stress intensity factor (ΔK), were determined for the weld metal, using different crack size measurement techniques: the elastic compliance (EC), electric potential drop (EPD) and image analysis (IA). The results showed that the different B/W ratios used in study did not modified significantly the fatigue crack growth rates, considering that crack propagation took place under small scale yielding conditions. The results of fatigue crack growth tests allowed to obtain the regions I and II of da/dN x ΔK curves for the weld metal. The ΔKth value obtained for the weld metal was around 11,8 MPa.m1/2 and the found values of the experimental constants C and m of Paris-Erdogan\'s equation were respectively equal to 1,55 x10-10 [(mm/cycle)/( MPa.m1/2)m] and 4.15. The micromechanism of fatigue crack growth took place by plastic deformation, with the formation of fatigue striations.

O objetivo deste trabalho é a caracterização mecânica e microestrutural do aço API 5L-X65 soldado por feixe de elétrons para possível aplicação no processo de fabricação de dutos para o transporte de óleo e gás. A caracterização do material será realizada por meio de microscopia ótica, análise de textura via difração de raios X, microdureza Vickers e ensaio Charpy V. Para a caracterização microestrutural, foram testados diferentes ataques químicos para a identificação das fases presentes na microestrutura de cada uma das três regiões que compõem uma junta soldada, zona fundida (ZF), zona termicamente afetada (ZTA) e o metal base (MB). As microestruturas das regiões que foram submetidas ao ciclo térmico de soldagem, apresentaram-se bastante distintas da microestrutura bandeada ferrítico-perlítica encontrada no MB. A ZTA apresentou uma estrutura de grãos refinados, as bandas perlíticas do MB se tornaram completamente difusas, não mantendo qualquer semelhança com a microestrutura perlítica anterior e também, foram evidenciadas ilhas do constituinte M-A (martensita-austenita). Na ZF foram evidenciadas as fases tipicamente encontradas em metais de solda de aços microligados, tais como: ferrita de Widmanstätten, acicular, alotriomórfica, além de bainita e ilhas do constituinte M-A. Os resultados das propriedades mecânicas do material submetido ao processo de soldagem por EBW foram satisfatórios e atendem os requisitos da Norma API 5L. Desta forma, de acordo com os resultados obtidos neste trabalho é possível a aplicação da soldagem por EBW na fabricação e montagem de sistemas de dutos. / The aim of this work is the mechanical and microstructural characterization of API 5L-X65 steel welds performed by electron beam welding, as well as to investigate the technical feasibility of applying this welding process in the manufacture and assembly of pipelines for oil and gas. The characterization was carried out by using light optical microscopy, X-ray diffraction texture analysis, Vickers micro-hardness testing and tests Charpy V. For the microstructural characterization, several chemical etchants were tested in order to identify the phases present in the microstructure of the regions associated to the weld, i.e. the weld metal (WM), the heat affected zone (HAZ) and the base metal (BM). The microstructures of the regions exposed to thermal welding cycles displayed quite distinct microstructure than the one found in the BM (banded ferritic-pearlitic structure). The HAZ showed a refined grain structure where the pearlite bands of BM became quite diffuse. Islands of the M-A (martensite-austenite) constituent were found in the HAZ. The phases typically found in weld metals of microalloyed steels such as Widmanstätten ferrite, acicular ferrite, allotriomorphic ferrite, bainite, and M-A constituent were found in the WM. The results of the mechanical properties of the material submitted to the welding process by EBW were satisfactory and meet the requirements of the standard API 5L. Thus, the according to the results obtained in this work is possible the application of EBW in the manufacture and assembly of pipeline systems.

O objetivo deste trabalho é a caracterização mecânica e microestrutural do aço API 5L-X65 soldado por feixe de elétrons para possível aplicação no processo de fabricação de dutos para o transporte de óleo e gás. A caracterização do material será realizada por meio de microscopia ótica, análise de textura via difração de raios X, microdureza Vickers e ensaio Charpy V. Para a caracterização microestrutural, foram testados diferentes ataques químicos para a identificação das fases presentes na microestrutura de cada uma das três regiões que compõem uma junta soldada, zona fundida (ZF), zona termicamente afetada (ZTA) e o metal base (MB). As microestruturas das regiões que foram submetidas ao ciclo térmico de soldagem, apresentaram-se bastante distintas da microestrutura bandeada ferrítico-perlítica encontrada no MB. A ZTA apresentou uma estrutura de grãos refinados, as bandas perlíticas do MB se tornaram completamente difusas, não mantendo qualquer semelhança com a microestrutura perlítica anterior e também, foram evidenciadas ilhas do constituinte M-A (martensita-austenita). Na ZF foram evidenciadas as fases tipicamente encontradas em metais de solda de aços microligados, tais como: ferrita de Widmanstätten, acicular, alotriomórfica, além de bainita e ilhas do constituinte M-A. Os resultados das propriedades mecânicas do material submetido ao processo de soldagem por EBW foram satisfatórios e atendem os requisitos da Norma API 5L. Desta forma, de acordo com os resultados obtidos neste trabalho é possível a aplicação da soldagem por EBW na fabricação e montagem de sistemas de dutos. / The aim of this work is the mechanical and microstructural characterization of API 5L-X65 steel welds performed by electron beam welding, as well as to investigate the technical feasibility of applying this welding process in the manufacture and assembly of pipelines for oil and gas. The characterization was carried out by using light optical microscopy, X-ray diffraction texture analysis, Vickers micro-hardness testing and tests Charpy V. For the microstructural characterization, several chemical etchants were tested in order to identify the phases present in the microstructure of the regions associated to the weld, i.e. the weld metal (WM), the heat affected zone (HAZ) and the base metal (BM). The microstructures of the regions exposed to thermal welding cycles displayed quite distinct microstructure than the one found in the BM (banded ferritic-pearlitic structure). The HAZ showed a refined grain structure where the pearlite bands of BM became quite diffuse. Islands of the M-A (martensite-austenite) constituent were found in the HAZ. The phases typically found in weld metals of microalloyed steels such as Widmanstätten ferrite, acicular ferrite, allotriomorphic ferrite, bainite, and M-A constituent were found in the WM. The results of the mechanical properties of the material submitted to the welding process by EBW were satisfactory and meet the requirements of the standard API 5L. Thus, the according to the results obtained in this work is possible the application of EBW in the manufacture and assembly of pipeline systems.

Submitted by PPG Engenharia e Tecnologia de Materiais (engenharia.pg.materiais@pucrs.br) on 2018-11-16T17:04:36Z No. of bitstreams: 1 Disserta??o homologa??o Viviane Bettanin 14.11.2018.pdf: 3436850 bytes, checksum: 12199a52b8023657a598a8254ca85c0f (MD5) / Approved for entry into archive by Sheila Dias (sheila.dias@pucrs.br) on 2018-11-19T13:58:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Disserta??o homologa??o Viviane Bettanin 14.11.2018.pdf: 3436850 bytes, checksum: 12199a52b8023657a598a8254ca85c0f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-11-19T14:07:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Disserta??o homologa??o Viviane Bettanin 14.11.2018.pdf: 3436850 bytes, checksum: 12199a52b8023657a598a8254ca85c0f (MD5) Previous issue date: 2018-08-29 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / In order to reduce the environmental impacts caused by chemical harmful to the environmental and to human health, the development of natural substances that are able to substitute these dangerous components have been increased. Tannins are a group of natural poliphenolic components extracted from plants that could be used as corrosion inhibitors. This study investigates the utilization of two bark of black wattles (Acacia mearnsii) as corrosion inhibitors, Weibull and Macrospec, in acidic medium and in atmospheric environment and in aqueous CO2 rich medium under high pressure. API 5L X65 steel samples were exposed to a corrosive medium (0.1 M HCl) with different tannin concentrations. The best results were duplicate to an environmental with CO2 saturated water at 15 MPa and 50?C. In order to characterize the specimens scanning electron microscopy by gun field emission, energy dispersive spectroscopy, X ray diffraction, mass loss tests and potenciodynamic polarization tests were used. The results indicated that both tannins, at atmospheric pressure and 0.1 M HCl corrosive environment have similar performance as corrosion inhibitors, and the higher dosage tested (12 g/L) exhibited the best efficiency. However, when the tannins were tested in environment with presence of CO2 under high pressure (15 MPa) and 50?C the results were different, and only Macrospec tannin had an inhibitory action under the conditions tested. / Visando diminuir os impactos ambientais causados por subst?ncias qu?micas nocivas ao meio ambiente e ? sa?de humana, a procura por substitutos naturais destes compostos em diversas aplica??es vem sendo intensificada. Taninos compreendem uma classe de compostos polifen?licos naturais extra?dos de plantas, podendo ser usados como inibidores de corros?o em meio aquoso. Neste estudo avaliou-se a utiliza??o de dois taninos vegetais da ac?cia negra (Acacia mearnsii), Weibull (em p?) e Macrospec (l?quido), como inibidores de corros?o em meios ?cidos em ambiente atmosf?rico e em ambiente com a presen?a de CO2 a alta press?o. Corpos de prova de a?o API5L X65 foram expostos a meio acidificado com HCl 0,1 M com diferentes concentra??es de taninos e o melhor resultado no que se refere ? concentra??o do tanino para a inibi??o de corros?o foi replicado para um meio com ?gua saturada com CO2 a 15 MPa e 50?C. Para caracteriza??o foram realizadas as an?lises de microscopia eletr?nica de varredura, difra??o de raios X, medidas eletroqu?micas de polariza??o potenciodin?mica, e testes de perda de massa. Os resultados indicaram que ambos os taninos, em meio de HCl 0,1 M e press?o atmosf?rica, apresentaram desempenho similar no que diz respeito aos efeitos de inibi??o da corros?o e a maior dosagem utilizada (12 g/L) foi a que apresentou melhor efici?ncia de inibi??o. Por?m, quando testados em meio de ?gua saturada com CO2 a 50?C e 15 MPa o comportamento dos taninos foi distinto, sendo que apenas o tanino Macrospec teve a??o inibit?ria nas condi??es testadas.

Le Piégeage et le Stockage du dioxyde de Carbone (PSC) est reconnu comme ayant un rôle important dans la lutte contre le changement climatique et la réduction d’émissions de dioxyde de carbone (CO2). Ce processus consiste à capturer le CO2 des sources anthropiques, et le transporter vers des sites de stockage appropriés. Le transport de telles quantités de CO2 entraîne de nouveaux défis pour les concepteurs et les opérateurs des gazoducs. Parmi ces défis, nous citons : le comportement de phase du CO2, la température atteinte lors de la décompression, la présence des différentes impuretés et la pression de service très élevée. Malgré l’enjeu important, et contrairement au gazoduc de transport de gaz naturel et de pétrole, peu d’études ont été consacrées à la sûreté et la rentabilité des gazoducs de transport du CO2. À l’égard de ces défis industriels, cette étude a été menée pour identifier et comprendre les mécanismes de rupture des gazoducs, à haute pression, transportant du CO2 supercritique. Ce travail a engagé la mise au point d’une nouvelle approche qui anticipe l’éclatement du gazoduc. Pour répondre à cette problématique, nous avons utilisé en premier lieu une approche théorique basée sur les fondamentaux de la Mécanique de la Rupture. En second lieu, et en conjonction avec la méthode des éléments finis, nous avons développé un outil numérique robuste. L’ultime objectif de ces travaux de recherche est d’enrichir les codes de dimensionnement des gazoducs, souvent restreints au transport de gaz naturel et au matériau à faible ténacité. De plus, cette thèse apporte une large base de données d’essais de ténacité à basse température liés à des séries d’analyses par éléments finis sous le code de calcul Abaqus 12.6. La finalité de notre recherche réside dans la proposition d’une méthodologie complète d’évaluation des risques d’éclatement des gazoducs en fonction du matériau et de la nature du fluide transporté / Capture, transport, and storage of Carbon dioxide are well-known applications for their key role in the field of climate change and reduction of CO2 emissions. This process involves the use of some particular technologies, not only to collect and concentrate the CO2 emitted by the anthropogenic sources but also to transport it to a suitable storage location. The transport of such a big quantity of CO2 creates new challenges for designers and pipeline operators. For instance, CO2 phase behavior, the temperature reached during the decompression phase, the presence of various impurities as well as the high operating pressure. Contrary to natural gas and oil transportation structures, a very few studies have raised the issue of the integrity of CO2 pipeline. In order to meet the industry needs particularly in this CO2 integrity application, the present research was conducted to identify and to better comprehend pipeline failure mechanisms at high pressures. This work includes the development of a new numerical approach about running ductile fracture arrest for high pressure gas pipeline. To address this issue, we have initially used a theoretical approach based on the fundamental knowledge of Fracture Mechanics. Based on the crack-tip opening angle (CTOA) fracture criterion and the finite element method along with the node release technique, a new two-curve method (TCM) was proposed for the prediction of gas pipelines’ crack arrestability. The results of this newly developed method were discussed and compared to those obtained by using other methods commonly employed in the Fracture mechanics, for instance, Battelle-TCM, HLP and HLP-Sumitomo method

As recentes descobertas de petróleo e gás na camada do Pré-sal representam um enorme potencial exploratório no Brasil, entretanto, os desafios tecnológicos para a exploração desses recursos minerais são imensos e, consequentemente, têm motivado o desenvolvimento de estudos voltados a métodos e materiais eficientes para suas produções. Os tubos condutores de petróleo e gás são denominados de elevadores catenários ou do inglês \"risers\", e são elementos que necessariamente são soldados e possuem fundamental importância nessa cadeia produtiva, pois transportam petróleo e gás natural do fundo do mar à plataforma, estando sujeitos a carregamentos dinâmicos (fadiga) durante sua operação. Adicionalmente, um dos problemas centrais à produção de óleo e gás das reservas do Pré-Sal está diretamente associado a meios altamente corrosivos, tais como H2S e CO2. Uma forma mais barata de proteção dos tubos é a aplicação de uma camada de um material metálico resistente à corrosão na parte interna desses tubos (clad). Assim, a união entre esses tubos para formação dos \"risers\" deve ser realizada pelo emprego de soldas circunferenciais de ligas igualmente resistentes à corrosão. Nesse contexto, como os elementos soldados são considerados possuir defeitos do tipo trinca, para a garantia de sua integridade estrutural quando submetidos a carregamentos cíclicos, é necessário o conhecimento das taxas de propagação de trinca por fadiga da solda circunferencial. Assim, neste trabalho, foram realizados ensaios de propagação de trinca por fadiga na região da solda circunferencial de Inconel® 625 realizada em tubo de aço API 5L X65 cladeado, utilizando corpos de prova do tipo SEN(B) (Single Edge Notch Bending) com relações entre espessura e largura (B/W) iguais a 0,5, 1 e 2. O propósito central deste trabalho foi de obter a curva da taxa de propagação de trinca por fadiga (da/dN) versus a variação do fator de intensidade de tensão (ΔK) para o metal de solda por meio de ensaios normatizados, utilizando diferentes técnicas de acompanhamento e medição da trinca. A monitoração de crescimento da trinca foi feita por três técnicas: variação da flexibilidade elástica (VFE), queda de potencial elétrico (QPE) e análise de imagem (Ai). Os resultados mostraram que as diferentes relações B/W utilizadas no estudo não alteraram significantemente as taxas de propagação de trinca por fadiga, respeitado que a propagação aconteceu em condições de escoamento em pequena escala na frente da trinca. Os resultados de propagação de trinca por fadiga permitiram a obtenção das regiões I e II da curva da/dN versus ΔK para o metal de solda. O valor de ΔKlim obtido para o mesmo foi em torno de 11,8 MPa.m1/2 e os valores encontrados das constantes experimentais C e m da equação de Paris-Erdogan foram respectivamente iguais a 1,55 x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m] e 4,15. A propagação de trinca no metal de solda deu-se por deformação plástica, com a formação de estrias de fadiga. / Recent oil and gas discoveries in the Pre-Salt layer represent a huge exploration potential in Brazil, however, the technological challenges for the exploitation of these mineral resources are immense and therefore have motivated the development of studies looking for efficient methods and materials for their productions. The oil and gas pipellines, called risers, are elements that are necessarily welded and have fundamental importance in the production chain, since they transport oil and natural gas from the sea bed to the platforms and are subject to dynamic loads (fatigue) during operation. Additionally, one of the central problems in the production of oil and gas in the Pre-Salt reserves is directly associated with a highly corrosive media, such as H2S and CO2. A cheaper way to protect the pipelines from these medias is applying a protective layer of a corrosion resistant metal on the inner diameter of these pipes, creating a cladded pipe. Thus, a joining process of these pipes to form the risers must be carried out by the use of girth welds with a corrosion resistance material similar to the clad metal. As the welded structures are seen as potential location of \"crack like\" defects, to ensure the structural integrity of such component when subjected to repetitive loading conditions, it is necessary to know the fatigue crack growth rates for the girth weld. Therefore, in this work it was carried out fatigue crack propagation tests in the weld region of an API 5L X65 cladded pipe with Inconel® 625, girth welded using Inconel® 625 electrodes. From the welded region, Single Edge Notch Bending specimens, SEN(B), were removed with different thickness and width ratios (B/W= 0.5, 1, and 2). From the fatigue tests, the crack propagation rates (da/dN) as function of the variation of the stress intensity factor (ΔK), were determined for the weld metal, using different crack size measurement techniques: the elastic compliance (EC), electric potential drop (EPD) and image analysis (IA). The results showed that the different B/W ratios used in study did not modified significantly the fatigue crack growth rates, considering that crack propagation took place under small scale yielding conditions. The results of fatigue crack growth tests allowed to obtain the regions I and II of da/dN x ΔK curves for the weld metal. The ΔKth value obtained for the weld metal was around 11,8 MPa.m1/2 and the found values of the experimental constants C and m of Paris-Erdogan\'s equation were respectively equal to 1,55 x10-10 [(mm/cycle)/( MPa.m1/2)m] and 4.15. The micromechanism of fatigue crack growth took place by plastic deformation, with the formation of fatigue striations.