Embora seja extensivamente utilizado em todo o mundo, há uma grande discussão entre os profissionais da área de inspeção de equipamentos sobre os reais benefícios da realização do teste hidrostático como ferramenta para avaliação de integridade de vasos de pressão. Um dos principais argumentos contra a realização de testes hidrostáticos é o perigo da ocorrência de crescimento subcrítico de descontinuidades (CSCD), sem que este fenômeno seja percebido, causando a redução da vida remanescente do equipamento. Este trabalho tem como objetivo estudar as condições para ocorrência de crescimento subcrítico de descontinuidades (CSCD) em um vaso de pressão durante a realização de teste hidrostático e seus possíveis efeitos. O objeto de estudo é um vaso de pressão, com características típicas de um vaso de refinaria de petróleo, contendo defeitos em sua estrutura (em seu costado). O trabalho consistiu, basicamente, de simulações realizadas com auxílio do programa crackwise, baseadas no procedimento de análise de rasgamento dúctil da norma inglesa BS 7910, verificando em que condições a aplicação do TH influenciaria no comportamento futuro do equipamento, causando CSCD e reduzindo sua vida remanescente. Através da variação de valores das profundidades das trincas, dos expoentes de encruamento do material e da tenacidade à fratura do material, foram quantificados os valores de extensão dúctil das trincas e analisadas as alterações nos diagramas FADs gerados para as condições avaliadas. / Although it is widely used around the world, there is a great discussion among professionals in the field of equipment inspection of the real benefits of performing hydrostatic testing as a tool for assessing the integrity of pressure vessels. One of the main arguments against hydrostatic testing is the danger of the occurrence of stable crack growth (SCG), without this phenomenon been perceived, resulting in the reduction of the equipment remaining life. This work aims to study the conditions for the occurrence of stable crack growth (SCG) in a pressure vessel during the performance of a hydrostatic test and its possible effects. The object of study is a pressure vessel, with typical characteristics of oil refinery vessels, having cracks in its structure. The work basically consisted of simulations using the Crackwise software. The study was based on the procedure of ductile tearing analysis of the British standard BS 7910, to verify which conditions used during the hydrostatic test influence the future behavior of the equipment, causing SCG and reducing its remaining life. Varying crack depths values, the hardening exponents and the fracture toughness of the material, the crack ductile extension was quantified and the changes in the FAD diagrams generated were analyzed.

Este trabalho incorpora um modelo de múltiplos parâmetros de retardamento, aceleração, múltiplas sobrecargas e subcarga ao modelo de crescimento de trinca de Forman (1993), para cobrir os efeitos que influenciam o crescimento de trinca na análise pela Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE), quando as cargas não possuem amplitude constante. A teoria é descrita de forma seqüencial, incluindo os conceitos da Mecânica da Fratura e a elaboração do modelo proposto. O retardamento é baseado no modelo de Willenborg (1971), modificado por Gallagher (1974). A calibração do fator de intensidade de tensão relativo à sobrecarga é baseado na proposição de Elber (1971) e nas equações de Newman (1984). Os efeitos de múltiplas sobrecargas, aceleração e subcarga são incorporadas ao modelo conforme proposto por Johnson (1981). A intensidade do efeito da subcarga é ajustada de acordo com as observações de Stephens (1976) para sobrecargas seguidas de compressão. O modelo desenvolvido foi implementado a um software de crescimento de trinca já disponível no mercado, de forma a facilitar a execução dos exemplos apresentados. O modelo mostrou-se extremamente satisfatório diante dos dados de laboratório disponíveis do Projeto "F-5 FMS Durability and Damage Tolerance Analysis Update" e em relação ao exemplo acadêmico proposto por Wheeler (1972).

Equipamentos de processo, como vasos de pressão, podem apresentar descontinuidades em suas estruturas, sendo elas originadas durante o processo de fabricação, ou devido ao uso do equipamento. A possibilidade de causarem falhas por fratura catastrófica em equipamentos de alto risco fazem das trincas o tipo de descontinuidade mais preocupante. Sendo, por isso, muitas vezes caracterizadas como defeitos, portanto inadmissíveis por vários códigos de fabricação de vasos de pressão. Mesmo que sua presença não seja admissível em equipamentos novos, as trincas são comumente detectadas em serviço, podendo seu reparo significar grandes prejuízos econômicos devido à parada de produção em uma refinaria de petróleo. Diante dessa situação, há a necessidade de se conhecer e adotar metodologias adequadas que possam avaliar com segurança, e sem conservadorismo excessivo, a criticidade desses defeitos na integridade estrutural dos equipamentos. Dois dos principais documentos que apresentam metodologias para avaliação de adequação-ao-uso de equipamentos que apresentam algum tipo de descontinuidade são a API-579 e a BS-7910. O presente trabalho aplicou ambos os documentos na avaliação de uma trinca longitudinal, localizada próxima a um cordão de solda, em uma geometria cilíndrica hipotética com e sem tratamento térmico. Foram comparados ambos os resultados por meio do diagrama de análise de falhas – FAD. Foram realizadas comparações entre as diferentes metodologias, apontando as facilidades e dificuldades no seu uso. / Process equipment, such as pressure vessels, may have discontinuities, which are generated during the manufacturing process, or due to the use of the equipment. The possibility of a catastrophic failure in high risk equipment makes the cracks the most worry some type of discontinuity. Therefore, cracks are often characterized as defects and are not permissible according several pressure vessels construction codes. Even being not permissible in new equipments, cracks are commonly detected in service; its repair can result in large economic losses due to losses in production at an oil refinery. To deal with this situation, there is a need to understand and adopt appropriate methodologies to evaluate safely and without excessive conservatism, the criticality of these defects in the structural integrity of equipment. API-579 and BS-7910 are two widely used documents that present methodologies for assessment of fitness-for-service in equipments that have any discontinuity. This study applied both documents in the evaluation of a longitudinal crack, located near to weld, in a hypothetical cylindrical geometry with and without heat treatment. Both results were compared by means of the Failure Analysis Diagram - FAD. Comparisons were made between different approaches, pointing out the advantages and difficulties in its use.

A maior parte da vida em fadiga de dutos submarinos é consumida em baixo valor de ΔK. Os cálculos de vida em fadiga para esta região da curva da/dN-ΔK, baseados em códigos de projeto atuais, têm produzido resultados, aparentemente, muito conservativos. Este feito torna inviável a execução de certos projetos, exigindo, portanto, uma verificação com maior precisão do comportamento em carregamento cíclico em determinados meios na região próxima ao limiar de fadiga. A dificuldade de obtenção de dados confiáveis em ensaios de fadiga em baixos valores de ΔK tem sido um entrave na sua aplicação em projetos de fadiga. Consequentemente, em projeto tem sido utilizado apenas dados oriundos de ensaios executados em valores mais altos de ΔK. Sendo assim, este trabalho visa discorrer quanto ao estado da arte sobre a propagação de trinca tipo longa e fazer uma análise crítica sobre os procedimentos utilizados em ensaios da/dN-ΔK e determinação de ΔKth. Uma nova metodologia de abertura de pré-trinca de fadiga tem demonstrado ser eficiente para evitar comportamentos anômalos da região de baixos valores de ΔK da curva da/dN-ΔK. / Most of the fatigue life of submersed pipelines is consumed in low value of ΔK. Calculations of fatigue life in this region for the da/dN-ΔK curve, based on current design codes, have produced results, apparently, very conservative. This fact makes impossible the implementation of certain projects, requiring therefore a more accurate verification of the behavior under cyclic loading in certain media in the region near the threshold of fatigue. The difficulty of obtaining reliable data on tests of fatigue at low values of ΔK has been an obstacle in its application in the design of fatigue. Consequently, in design has been used only data from tests carried out in higher values of ΔK. Thus, this work aims to present the state of the art on long crack propagation and carried out a critical analysis on the procedures used for fatigue crack propagation and measurement of ΔKth. A new method of opening fatigue pre-cracks has been shown to be efficient to avoid anomalous behavior in the region of low values of ΔK of the da/dN-ΔK curve.

O estudo dos mecanismos de fadiga por contato tem grande relevância para o estudo dos componentes mecânicos que estão sujeitos ao desgaste. O desgaste é um tipo de falha que ocorre na maioria dos componentes que trabalham em contato. Atualmente para prever o desgaste são utilizados métodos experimentais que permitem ajustar curvas semi-empíricas, ou seja, o resultado depende de vários testes que além de caros são demorados. Com o aumento da competitividade na indústria, o tempo se tornou artigo de luxo e com isso o aprimoramento dos modelos de cálculo e das simulações numéricas são muito bem justificados. O estudo aprofundado do mecanismo de fratura por contato sem dúvida pode dar subsídios para um melhor projeto do componente mecânico e assim conseguir predizer com maior precisão quando a falha por desgaste ocorrerá e assim evitar falhas catastróficas e paradas de máquinas não programadas gerando grandes prejuízos e também risco de vidas humanas Este estudo apresenta um modelo numérico utilizando o método dos elementos finitos computacional para a simulação do spalling em componentes mecânicos sujeitos à fadiga de contato. O modelo foi simplificado para duas dimensões e foi considerado estado plano de deformações. Este estudo apresenta uma aproximação na aplicação dos conceitos da Mecânica da Fratura para estimar a vida de componentes mecânicos. O resultado do modelo numérico é confrontado qualitativamente com resultados práticos. A geometria dos pits assim como as relações entre o Fator de intensidade de tensões e o tamanho da trinca é apresentado.

Apesar de todo avanço da engenharia, o fenômeno da fadiga em estruturas continua causando pesadas perdas econômicas e em vidas. Portanto, investimentos na simulação e entendimento do fenômeno continuam sendo prioritários na engenharia. As simulações numéricas de fadiga, em especial a nível microscópico, vem ganhando grande atenção da comunidade científica internacional em anos recentes, pois vem permitindo um entendimento melhor da física do fenômeno. Para tais simulações, modelos discretos de fratura têm sido empregados, em especial o método das interfaces coesivas. Neste contexto se insere o presente trabalho, cujo objetivo principal foi a implementação de uma forma de considerar o dano numa relação constitutiva de interface coesiva. Neste caso, se a carga na ponta da trinca não é monotônica crescente, um dano cumulativo se desenvolve podendo, em cargas cíclicas, levar a propagação da trinca mesmo para níveis de carga inferiores a de ruptura estática. Interessante que tal implementação pode mudar o comportamento da propagação de trincas mesmo no caso de cargas monotônicas crescentes aplicadas, pois descargas localizadas podem ocorrer na ponta da trinca. Este trabalho analisou algumas formas de considerar o dano, que basicamente consiste na modificação da forma como se dá a descarga da relação constitutiva de interface. Há varias formas alternativas de realizar tal descarga. Não se teve como objetivo deste trabalho esgotar todas as alternativas, nem propor novas alternativas, mas sim analisar o efeito das descargas mais empregadas na literatura. As aplicações foram divididas em duas partes. Na primeira analisou-se o efeito da descarga em cargas externas monotônicas crescentes. Observou-se que houve descarga na ponta da trinca na propagação e uma conseqüente mudança nos resultados com a modificação da lei constitutiva de descarga. Tais exemplos foram casos de impacto, rodados com o método das diferenças finitas centrais. Foi observado que, para tais exemplos, o uso da condição CFL aplicada a elementos volumétricos está muito longe de conferir estabilidade ao método (a condição CFL, ou Courant-Friedrichs-Lewy, estabelece as condições mínimas de estabilidade numérica no método das diferenças centrais, conforme detalhado no Apêndice A). O problema acontece uma vez que a condição CFLnão pode ser aplicada aos elementos de interface, pois estes têm espessura nula, ao menos no início do processo. Na segunda parte, analisou-se casos com fadiga em tração, na qual somente o modo I de propagação foi considerado. Efeitos dinâmicos foram desprezados neste caso. As análises se restringiram à MFLE, ou seja, a zona de plastificação na ponta da trinca era pequena frente as demais dimensões. Dependendo do tipo de descarga, resultados coerentes com a literatura foram obtidos. / The fatigue phenomenon in structures is still causing heavy losses economically and in lives, even considering the recent advances of Engineering. Therefore, investments in simulation and knowledge of the phenomenon remain priority in Engineering. The simulations of fatigue. specially at microscopic level, have received great attention from international scientific community in recent years and a better understanding of the phenomenon physics was possible. For such simulations, discrete fracture models have been used, in special, the cohesive interface method. The present work is focused in this context, being its main goal to implement a way to consider damage in a cohesive interface constitutive relation. In this case, if the load at the crack tip is not monotonically crescent, a cumulative damage occurs that may lead, under cyclic loads, to crack propagation even for load levels below static rupture load. Interesting that such implementation can change crack propagation behavior even under monotonically crescent applied loads, since localized unloading may occur at the crack tip. This work analyzed some ways to consider damage, which basically consists in the modification of the unloading of the interface constitutive relation. There are many ways to do such unloading. The present work did not aim to explore all possibilities, or to propose new ones, and focused only on the most used unloading laws used in literature. Applications were divided in two parts. The first analyzed the unloading effect under monotonically crescent applied loads. It was observed that localized unloading at the crack tip took place during propagation, leading to changes in results when the unloading of the constitutive law was changed. These examples were dynamic and were analyzed using the Central Differences Method. It was observed that CFL condition applied to volumetric Finite Elements, is far from granting stability of the method (the CFL condition, or Courant-Friedrichs-Lewy, establishes the minimum numerical stability conditions for the Central Differences Method, as detailed in Appendix A). The reason is that CFL condition can not be applied to interface elements, since they have null thickness, at least at the begining of the analysis. The second part, fatigue cases in tension were analyzed where only mode I of propagation was present. Dynamic effects were neglected. The cases were restricted to Linear Elastic Fracture Mechanics, i. e., crack tip plastification zone was smallcompared to other dimensions. Results were coherent with literature, depending on unloading relationship used.

A crescente produção de petróleo, destacada em função da descoberta dos campos do pré-sal em território brasileiro, tem aumentado a demanda por tubulações de transporte de óleo e gás. Uma vez que estas tubulações estão sujeitas às solicitações impostas pelas correntes marítimas bem como variação de pressões internas é necessária uma criteriosa análise da vida em fadiga de tais componentes. Os códigos atuais de projeto baseados no conceito de adequação ao serviço e tolerância a defeitos, como o API 579 e a BS 7910, definem diretrizes para a análise de componentes que apresentem defeitos do tipo trinca bem como as características esperadas para os materiais frente as mais variadas aplicações. Estudos recentes apontam considerável dispersão de resultados para os métodos de obtenção do limiar de propagação de trincas realizadas pela técnica do K-decrescente como é o caso da norma ASTM E647. Por outro lado, nos últimos anos, alguns trabalhos têm apresentado técnicas alternativas na obtenção das curvas de propagação de trinca como é o caso da técnica conhecida como CPCA (compression precracking constant amplitude). Através de tal técnica de ensaio seriam obtidos valores inferiores de limiar e, portanto, mais conservadores do que os obtidos pela técnica convencional uma vez que os fenômenos de fechamento de trinca seriam suprimidos. Este trabalho emprega corpos de prova do aço API 5L X60 tipo C(T) comparando quatro curvas da/dN x ΔK obtidas pelos métodos CPCA e convencional onde é variada a razão de carregamento (R) com valores distintos de 0,1 e 0,5. Os resultados obtidos demonstram que o método CPCA apresentou menores valores de limiar de propagação quando comparados ao método convencional. Embora para a razão de carregamento de 0,5 tal resultado fique evidente este é ainda mais pronunciado para a razão de 0,1. / The spread in oil production has increased the demand for pipelines transporting oil and gas mainly due to the discovery of the pre-salt fields in Brazil. Since the pipes are subjected to the loads imposed by water currents and internal pressure variations is necessary to conduct a careful analysis of the fatigue endurance of these components. The current design codes based on fitness-for-service and flaw acceptability concepts, as the API 579 and BS 7910, define guidelines for the analysis of components that have cracklike defects and the expected material properties for several applications. Recent studies have shown anomalous fatigue crack growth data generated by the K-decreasing method presented in ASTM E 647 standard. On the other hand the latest researches have presented alternative techniques for obtaining the crack propagation curves. One of the widespread techniques is known as CPCA method (compression precracking constant amplitude). CPCA technique provides lower crack propagation thresholds than the load reduction methods since the crack closure mechanisms are suppressed. This work compares da/dN vs. ΔK curves obtained by conventional and CPCA method. The samples were C(T) type specimens machined of an API 5L X60 steel. Tests were conducted under load stress ratios of 0.1 and 0.5. The obtained results shown lower crack propagation thresholds for the CPCA technique compared to the conventional method. The differences between tests methods were more pronounced for stress ratio of 0.1 although they were also clear for stress ratio of 0.5.

O estudo da propagação de trincas transversais de fadiga em trilhos ferroviários foi o objetivo principal deste trabalho. Para tanto foram utilizados trilhos do tipo Vignole do aço Niobras 200 com perfil 136 RE, produzido pela Companhia Siderúrgica Nacional, sendo um lote de trilhos manufaturado na década de 80 e outro no decorrer do ano de 1995, para serem utilizados na Estrada de Ferro Carajás. A análise do desempenho destes materiais foi feita através da interpretação dos resultados obtidos em uma bateria de ensaios mecânicos e exames metalográficos. A avaliação metalográfica dos materiais foi feita através da análise da composição química, da identificação da microestrutura existente, das análises qualitativa e quantitativa das inclusões não metálicas, da determinação do tamanho de grão austenítico prévio e da medição do espaçamento interlamelar da perlita. Os ensaios mecânicos visaram determinar valores numéricos que caracterizassem as propriedades mecânicas e, para isso, foram feitos ensaios de dureza, tração, tenacidade à fratura, fadiga por flexão rotativa e a determinação das curvas da taxa de propagação de trincas por fadiga (da/dN x ..1K). Foram, também, desenvolvidas técnicas e metodologia para a realização de ensaios de fadiga usando segmentos de trilhos em tamanho real, que propiciaram a obtenção das curvas de da/dN x ..1Kem ensaios de flexão a três pontos e curvas de (J x N em ensaios de flexão a quatro pontos. Os resultados destes testes mostraram que a qualidade metalúrgica do aço dos trilhos da década de 80 é superior a dos trilhos mais recentes e isto se reflete no desempenho em fadiga, mostrando que os trilhos antigos tem maior período de vida útil. Entretanto os resultados também revelaram que as taxas de propagação de trincas nestes materiais possuem valores muito próximos, mostrando que depois de nucleada uma trinca, seja ela em um trilho novo ou antigo, o tempo que estas levaram para atingir seu tamanho crítico é praticamente o mesmo. Foi possível, também, constatar que a metodologia desenvolvida para avaliar o comportamento em fadiga para os segmentos de trilhos em tamanho real correspondeu as expectativas e servem como parâmetro para a qualificação do material, ajudando na tomada de decisão na hora de escolha entre tipos distintos de materiais para trilhos. / This study is centered on the propagation of transversal fatigue crack on railroad rails. For this work, Vigllole rails of Niobras 200 steel with 136RE profile produced by Companhia Siderúrgica Nacional (CSN) were used. Part of the rails studied was manufactured in the 80s and the rest in 1995, with the purpose of being use at the Carajás Railway. The materiaIs characterization was accomplished through results obtained from a battery of mechanical and metallographics analyzes. The metallographic evaluation of these materiaIs consisted of chemical analysis, microstructure identification, quantitative and qualitative analysis of the non-metallic inc1usions,determination of the previous austenitics grain size and measurement of the pearlite interlamelIar spacing. The mechanical properties characterization considered several tests, such as hardness, tensile test and fracture toughness test, rotating bending fatigue test and fatigue crack growth rates curves (da/dN x ∆1K). A methodology was developed in order to obtain da/dN x ∆1Kcurves from real size rail segments in three point bending test and σx N curves in four paint bending tests. The results of these tests showed that the metallurgical quality of the steel rails from the 80s is superior comparing with the more recent.ones, and this can be seen in the fatigue performance, it shows that old rails have a larger usefullifetime. Meanwhile, the results also reveals that the fatigue crack growth rates in these materiais is very similar showing that after nuc1eating a crack, in a new or old rail, the time spent to get to its critical size is almost the same. The methodology developed to evaluate the behaviour in fatigue of rail segment corresponded to the expectations na serves as a parameter of material qualification, assisting in the decision making process when choosing between distinct type of materiaIs for rails.

Equipamentos de processo, como vasos de pressão, podem apresentar descontinuidades em suas estruturas, sendo elas originadas durante o processo de fabricação, ou devido ao uso do equipamento. A possibilidade de causarem falhas por fratura catastrófica em equipamentos de alto risco fazem das trincas o tipo de descontinuidade mais preocupante. Sendo, por isso, muitas vezes caracterizadas como defeitos, portanto inadmissíveis por vários códigos de fabricação de vasos de pressão. Mesmo que sua presença não seja admissível em equipamentos novos, as trincas são comumente detectadas em serviço, podendo seu reparo significar grandes prejuízos econômicos devido à parada de produção em uma refinaria de petróleo. Diante dessa situação, há a necessidade de se conhecer e adotar metodologias adequadas que possam avaliar com segurança, e sem conservadorismo excessivo, a criticidade desses defeitos na integridade estrutural dos equipamentos. Dois dos principais documentos que apresentam metodologias para avaliação de adequação-ao-uso de equipamentos que apresentam algum tipo de descontinuidade são a API-579 e a BS-7910. O presente trabalho aplicou ambos os documentos na avaliação de uma trinca longitudinal, localizada próxima a um cordão de solda, em uma geometria cilíndrica hipotética com e sem tratamento térmico. Foram comparados ambos os resultados por meio do diagrama de análise de falhas – FAD. Foram realizadas comparações entre as diferentes metodologias, apontando as facilidades e dificuldades no seu uso. / Process equipment, such as pressure vessels, may have discontinuities, which are generated during the manufacturing process, or due to the use of the equipment. The possibility of a catastrophic failure in high risk equipment makes the cracks the most worry some type of discontinuity. Therefore, cracks are often characterized as defects and are not permissible according several pressure vessels construction codes. Even being not permissible in new equipments, cracks are commonly detected in service; its repair can result in large economic losses due to losses in production at an oil refinery. To deal with this situation, there is a need to understand and adopt appropriate methodologies to evaluate safely and without excessive conservatism, the criticality of these defects in the structural integrity of equipment. API-579 and BS-7910 are two widely used documents that present methodologies for assessment of fitness-for-service in equipments that have any discontinuity. This study applied both documents in the evaluation of a longitudinal crack, located near to weld, in a hypothetical cylindrical geometry with and without heat treatment. Both results were compared by means of the Failure Analysis Diagram - FAD. Comparisons were made between different approaches, pointing out the advantages and difficulties in its use.

A maior parte da vida em fadiga de dutos submarinos é consumida em baixo valor de ΔK. Os cálculos de vida em fadiga para esta região da curva da/dN-ΔK, baseados em códigos de projeto atuais, têm produzido resultados, aparentemente, muito conservativos. Este feito torna inviável a execução de certos projetos, exigindo, portanto, uma verificação com maior precisão do comportamento em carregamento cíclico em determinados meios na região próxima ao limiar de fadiga. A dificuldade de obtenção de dados confiáveis em ensaios de fadiga em baixos valores de ΔK tem sido um entrave na sua aplicação em projetos de fadiga. Consequentemente, em projeto tem sido utilizado apenas dados oriundos de ensaios executados em valores mais altos de ΔK. Sendo assim, este trabalho visa discorrer quanto ao estado da arte sobre a propagação de trinca tipo longa e fazer uma análise crítica sobre os procedimentos utilizados em ensaios da/dN-ΔK e determinação de ΔKth. Uma nova metodologia de abertura de pré-trinca de fadiga tem demonstrado ser eficiente para evitar comportamentos anômalos da região de baixos valores de ΔK da curva da/dN-ΔK. / Most of the fatigue life of submersed pipelines is consumed in low value of ΔK. Calculations of fatigue life in this region for the da/dN-ΔK curve, based on current design codes, have produced results, apparently, very conservative. This fact makes impossible the implementation of certain projects, requiring therefore a more accurate verification of the behavior under cyclic loading in certain media in the region near the threshold of fatigue. The difficulty of obtaining reliable data on tests of fatigue at low values of ΔK has been an obstacle in its application in the design of fatigue. Consequently, in design has been used only data from tests carried out in higher values of ΔK. Thus, this work aims to present the state of the art on long crack propagation and carried out a critical analysis on the procedures used for fatigue crack propagation and measurement of ΔKth. A new method of opening fatigue pre-cracks has been shown to be efficient to avoid anomalous behavior in the region of low values of ΔK of the da/dN-ΔK curve.