O presente trabalho teve como objetivo desenvolver uma metodologia prática e confiável para previsão de vida à fadiga de juntas soldadas a cordão pelo processo MIG/MAG, quando estas estão submetidas a carregamentos cíclicos combinados. A máxima tensão linear no pé da solda, região típica de início de trinca, conhecida como hot spot foi utilizada para prever a vida através do método de Fadiga de Alto Ciclo S x N (Tensão x Vida), largamente empregado em códigos de projeto de estruturas soldadas. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para determinação das tensões estruturais resultantes do carregamento e das descontinuidades geométricas presentes nos cordões de solda. A análise de fadiga foi efetuada em ambiente virtual, através de um software (programa) de fadiga capaz de importar as tensões atuantes na região da solda para cada carregamento, combinando-as e obtendo assim a vida à fadiga decorrente da somatória dos diferentes tipos de carregamento ao qual a junta foi submetida. As propriedades monotônicas e cíclicas dos materiais da junta foram obtidas da literatura e de um extenso banco de dados disponível no software de fadiga. Estas propriedades foram ajustadas com base em ensaios de laboratório nas juntas investigadas. A medição ou modelagem das tensões residuais inerentes ao processo de soldagem não fazem parte do escopo deste trabalho. Contudo, os efeitos térmicos e metalúrgicos resultantes do processo de soldagem, como distorções, tensões residuais, variações microestruturais e propriedades mecânicas foram considerados de forma indireta, através da correção das curvas de fadiga nos corpos de prova investigados. Corpos de prova do tipo tubo-placa foram submetidos a carregamentos cíclicos combinados (flexão e torção) de amplitude constante. O resultado da análise virtual de durabilidade foi, portanto, calibrado com base nestes experimentos e curvas disponíveis em códigos de projeto de fadiga como BS7608 e Eurocode 3. A aplicabilidade deste método numérico-experimental e suas contribuições para a garantia da Integridade Estrutural do projeto de juntas soldadas são apresentadas. Seus desafios e melhorias são por fim discutidos. / The main purpose of this work is to develop a practical and robust methodology to evaluate the fatigue life in seam weld joints fabricated with GMAW process when subjected to combine cyclic loading. The maximum linear stress at the typical crack initiation region, better known as hot spot stress, was used to calculate the fatigue life through high cycle fatigue method S x N (Stress x Life), widely used in design codes for the life assessment of welded structures. The Finite Element Method (FEM) was used to obtain the structural stresses distribution due the external loading and geometric discontinuities very common in seam weld joints. The fatigue analysis was conducted in virtual environment. The FEM stress results from each loading were imported to fatigue code FE-Fatigue and combined to perform the fatigue life prediction. The monotonic and cyclic properties of the joint materials were obtained in the literature and from the fatigue software database. These properties were adjusted based on laboratory fatigue tests in the investigated welded joints configurations. The measurement or modeling of the residual stresses resulted from the welded process is not part of this work. However, the thermal and metallurgical effects, like distortions and residual stresses, were considered indirectly through fatigue curves corrections in the samples investigated. A tube-plate specimen was submitted to combine cyclic loading (bending and torsion) with constant amplitude. The virtual durability analysis result was calibrated based on these laboratory tests and design codes such as BS7608 and Eurocode 3. The feasibility and application of the proposed numerical-experimental methodology and contributions for the welded joints structural integrity design are presented. The challenges and improvements are finally discussed.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 8451295 bytes, checksum: 74544bf6e3d65bb8e6eb7bec81fffac1 (MD5) Previous issue date: 2014-07-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This study examined the influence of hydrogen in quasi-static toughness of dissimilar welded joint, consisting of base metals steel AISI 8630M and ASTM A36, HSLA steels classified as (High Strength Low Alloy). As a metal filler wire AWS-ERNiCrMo 3ARBL was used both in the buttering 8630M steel sheet as the welding filling. This is a welded joint similar to one of the most used joints in the oil sector that, by the last decade have shown some fractures by circumferential cracking, is being studied worldwide in order to identify the causes and safer solutions for your application. As parameter of fracture toughness is studied the CTOD (Crack Top Open Displecement) using type specimens SE(B) subjected to three point bending. The assays were performed in air after pre-doping cathodic hydrogen into water at 0°C synthetic sea, having to main references the standards ISO 12135: 2002 and ISO 15653: 2010 The results showed a significant susceptibility of the steel 8630M to retained hydrogen, reaching a embrittlement via CTOD around 25%. In turn, the dissimilar welding joint CTOD values present twice that of the base metal (steel 8630M), under the conditions with and without hydrogenation, had virtually no susceptibility to the cathodic hydrogen retained in their microstructure / O presente trabalho analisou a influencia do hidrogênio na tenacidade quase estática de uma junta soldada dissimilar constituída dos metais de base aços AISI 8630M e ASTM A36, classificados como aços ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga). Como metal de adição utilizou-se o arame AWS ERNiCrMo-3 (comercialmente conhecido como INCONEL 625) tanto no amanteigamento da chapa de aço 8630M, quanto no enchimento da solda. Trata-se de uma junta soldada similar a junta AISI 8630M-Inconel 625-API X65, bastante utilizada no setor petrolífero que, por ter apresentado na última década algumas fraturas por trincamento circunferencial, vem sendo mundialmente estudada com o intuito de se identificar as causas e soluções mais seguras para sua aplicação. Como parâmetro de tenacidade à fratura estudou-se o deslocamento de abertura da ponta da trinca, do inglês CTOD (Crack Top Open Displecement), utilizando-se espécimes tipo SE(B) submetido à flexão em três pontos. Os ensaios foram realizados ao ar após pré- dopagem por hidrogênio catódico em água do mar sintética a 0ºC, tendo como principais referencias as Normas ISO 12135: 2002 e ISO 15653: 2010. Os resultados apresentaram uma significativa susceptibilidade do aço 8630M ao hidrogênio retido, apresentando uma queda na tenacidade (CTOD) em torno de 25%. Por sua vez, a junta soldada dissimilar além de apresentar valores de CTOD duas vezes superior ao do metal de base (aço 8630M), nas condições com e sem hidrogenação, praticamente não apresentou susceptibilidade ao hidrogênio retido em sua microestrutura

O presente trabalho teve como objetivo desenvolver uma metodologia prática e confiável para previsão de vida à fadiga de juntas soldadas a cordão pelo processo MIG/MAG, quando estas estão submetidas a carregamentos cíclicos combinados. A máxima tensão linear no pé da solda, região típica de início de trinca, conhecida como hot spot foi utilizada para prever a vida através do método de Fadiga de Alto Ciclo S x N (Tensão x Vida), largamente empregado em códigos de projeto de estruturas soldadas. O Método dos Elementos Finitos foi utilizado para determinação das tensões estruturais resultantes do carregamento e das descontinuidades geométricas presentes nos cordões de solda. A análise de fadiga foi efetuada em ambiente virtual, através de um software (programa) de fadiga capaz de importar as tensões atuantes na região da solda para cada carregamento, combinando-as e obtendo assim a vida à fadiga decorrente da somatória dos diferentes tipos de carregamento ao qual a junta foi submetida. As propriedades monotônicas e cíclicas dos materiais da junta foram obtidas da literatura e de um extenso banco de dados disponível no software de fadiga. Estas propriedades foram ajustadas com base em ensaios de laboratório nas juntas investigadas. A medição ou modelagem das tensões residuais inerentes ao processo de soldagem não fazem parte do escopo deste trabalho. Contudo, os efeitos térmicos e metalúrgicos resultantes do processo de soldagem, como distorções, tensões residuais, variações microestruturais e propriedades mecânicas foram considerados de forma indireta, através da correção das curvas de fadiga nos corpos de prova investigados. Corpos de prova do tipo tubo-placa foram submetidos a carregamentos cíclicos combinados (flexão e torção) de amplitude constante. O resultado da análise virtual de durabilidade foi, portanto, calibrado com base nestes experimentos e curvas disponíveis em códigos de projeto de fadiga como BS7608 e Eurocode 3. A aplicabilidade deste método numérico-experimental e suas contribuições para a garantia da Integridade Estrutural do projeto de juntas soldadas são apresentadas. Seus desafios e melhorias são por fim discutidos. / The main purpose of this work is to develop a practical and robust methodology to evaluate the fatigue life in seam weld joints fabricated with GMAW process when subjected to combine cyclic loading. The maximum linear stress at the typical crack initiation region, better known as hot spot stress, was used to calculate the fatigue life through high cycle fatigue method S x N (Stress x Life), widely used in design codes for the life assessment of welded structures. The Finite Element Method (FEM) was used to obtain the structural stresses distribution due the external loading and geometric discontinuities very common in seam weld joints. The fatigue analysis was conducted in virtual environment. The FEM stress results from each loading were imported to fatigue code FE-Fatigue and combined to perform the fatigue life prediction. The monotonic and cyclic properties of the joint materials were obtained in the literature and from the fatigue software database. These properties were adjusted based on laboratory fatigue tests in the investigated welded joints configurations. The measurement or modeling of the residual stresses resulted from the welded process is not part of this work. However, the thermal and metallurgical effects, like distortions and residual stresses, were considered indirectly through fatigue curves corrections in the samples investigated. A tube-plate specimen was submitted to combine cyclic loading (bending and torsion) with constant amplitude. The virtual durability analysis result was calibrated based on these laboratory tests and design codes such as BS7608 and Eurocode 3. The feasibility and application of the proposed numerical-experimental methodology and contributions for the welded joints structural integrity design are presented. The challenges and improvements are finally discussed.

Nos últimos anos houve, no Brasil, um significativo investimento em usinas de álcool para suprir a demanda. Todavia, surgiram problemas de natureza econômica e ambiental, já que a tecnologia atualmente utilizada nas destilarias de álcool produz em média 13 litros de vinhaça para cada litro de álcool. Na busca de uma solução para reduzir o volume deste resíduo, desenvolveu-se um equipamento para concentração de vinhaça, denominado Ecovin, pela empresa Citrotec localizada em Araraquara-SP. Para cada Ecovin são utilizados cerca de 4000 tubos com costura nos trocadores de calor, e para reduzir seu custo de fabricação, avaliou-se como opção o uso de tubos da liga AISI 444. Inserido neste contexto, o presente trabalho procurou caracterizar os mecanismos de corrosão e mostrar de forma comparativa o desempenho dos tubos nas juntas tubo-espelho. Estudo-se, portanto, dois tipos de junta, a do projeto atual, composta por chapa e tubo da liga AISI 316L; e a nova proposta, composta por chapa da liga AISI 316L e tubo da liga AISI 444. Para tanto, iniciou-se com a avaliação da soldabilidade das ligas estudadas, através da caracterização microestrutural, qualificação do procedimento de soldagem da junta tubo-espelho e de ensaios de sensitização nas soldas. Em seguida, ensaios de perda de massa por imersão foram realizados nas soluções de 0,5 M \'H IND.2\'SO IND.4\' e 0,5 M \'H\'CL\', nas temperaturas de 30°C, 50°C, 70°C e 90°C, de acordo com o intervalo de temperatura de operação do Ecovin. Nas mesmas soluções, e na temperatura ambiente, foram realizados ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica em amostras que reproduziram o ciclo térmico de soldagem das juntas tubo-espelho estudadas, nas regiões do metal de base, zona afetada pelo calor (ZAC) e no metal de solda. Na junta tubo-espelho a corrosão ocorreu preferencialmente na ZAC formada entre a interface tubo-metal de solda, e no cordão de solda à margem do tubo, com a atuação de mecanismos de corrosão generalizada e localizada. Na junta tubo-espelho dissimilar observou-se que o processo corrosivo foi predominante na superfície do tubo AISI 444, típico do mecanismo de corrosão galvânica, onde o tubo AISI 444 caracterizou-se como a região anódica. O desempenho da liga AISI 316L, assim como a junta soldada composta somente por essa liga, apresentou um melhor desempenho em corrosão, porém, na solução contendo cloreto, a variação da temperatura exerceu uma influência proporcional para ambos os casos avaliados nesse estudo. Destaca-se ainda que a liga AISI 316L sofreu corrosão por pite na ZAC e no metal de solda, em ambas as soluções, com maior severidade do que a liga AISI 444. Os resultados obtidos indicam que para a aplicação requerida, o tubo AISI 444 pode ser utilizado na temperatura de 50°C com satisfatório desempenho e similar à junta composta somente por AISI 316L. / Recently in Brazil there has been constant investments in ethanol plants, to supply the internal and external market, resulting at a high increase of the volume of this product. However, economical and environmental problems arose because of this new demand, whereas the current technologies produce thirteen liters of vinasse for each liter of alcohol. Each ECOVIN uses nearly 4000 welded tubes in the heat exchangers, and there is an option to use welded AISI 444 alloy tubes in order to reduce the manufacture costs of the ECOVIN. In this context, this work determines the corrosion mechanisms and analyzes the performance of welded tubes and the tube-to-tubesheet welded joints. The following types of tube-to-tubesheet were evaluated: current welded joints of this project, with all components manufactured with AISI 316L alloy; and the welded joint suggested for the project, using the welded tubes of AISI 444 alloy and the plate of AISI 316L alloy. For this purpose, the first step was to evaluate the weldability of the studied alloys, through microstructural characterization, welding procedure qualification and the intergranular corrosion test. After that, mass loss tests were conducted in 0,5 M \'H IND.2\'SO IND.4\' and 0,5 M \'H\'CL\' solutions, at 30°C, 50°C, 70°C and 90°C, according to the temperature range of the equipment operating. Electrochemical polarization tests were made in the same solution concentration used in the mass loss tests, but only in room temperature. These tests were made in samples that were welded with the same thermal cycle of the tube-to-tubesheet welded joints, and the evaluations were made on the base metal, heat affected zones and weld metal. The uniform and localized corrosion process occurred preferentially in the interface formed between tube and weld metal, and on weld metal near the tubes. In the tube-to-tubesheet dissimilar welded joints, it was observed that the corrosion process was predominant on the surface of AISI 444 alloy, probably because of the galvanic corrosion process, where the AISI 444 was an anodic region. The best performance on corrosion process was observed in AISI 316L, both the base metal and the similar welded joints. However, for the tests in chloride environment, in this process, the temperature caused a proportional influence in the corrosion rate of AISI 316L and AISI 444. In the AISI 316L alloy it was observed nucleation of pitting in HAZ and in weld metal, in both solutions, and more aggressive than observed in the AISI 444 alloy. The results showed that the AISI 444 alloy can be applied for the initial ranging temperatures of the equipments operation, with satisfactory performance.

Nos últimos anos houve, no Brasil, um significativo investimento em usinas de álcool para suprir a demanda. Todavia, surgiram problemas de natureza econômica e ambiental, já que a tecnologia atualmente utilizada nas destilarias de álcool produz em média 13 litros de vinhaça para cada litro de álcool. Na busca de uma solução para reduzir o volume deste resíduo, desenvolveu-se um equipamento para concentração de vinhaça, denominado Ecovin, pela empresa Citrotec localizada em Araraquara-SP. Para cada Ecovin são utilizados cerca de 4000 tubos com costura nos trocadores de calor, e para reduzir seu custo de fabricação, avaliou-se como opção o uso de tubos da liga AISI 444. Inserido neste contexto, o presente trabalho procurou caracterizar os mecanismos de corrosão e mostrar de forma comparativa o desempenho dos tubos nas juntas tubo-espelho. Estudo-se, portanto, dois tipos de junta, a do projeto atual, composta por chapa e tubo da liga AISI 316L; e a nova proposta, composta por chapa da liga AISI 316L e tubo da liga AISI 444. Para tanto, iniciou-se com a avaliação da soldabilidade das ligas estudadas, através da caracterização microestrutural, qualificação do procedimento de soldagem da junta tubo-espelho e de ensaios de sensitização nas soldas. Em seguida, ensaios de perda de massa por imersão foram realizados nas soluções de 0,5 M \'H IND.2\'SO IND.4\' e 0,5 M \'H\'CL\', nas temperaturas de 30°C, 50°C, 70°C e 90°C, de acordo com o intervalo de temperatura de operação do Ecovin. Nas mesmas soluções, e na temperatura ambiente, foram realizados ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica em amostras que reproduziram o ciclo térmico de soldagem das juntas tubo-espelho estudadas, nas regiões do metal de base, zona afetada pelo calor (ZAC) e no metal de solda. Na junta tubo-espelho a corrosão ocorreu preferencialmente na ZAC formada entre a interface tubo-metal de solda, e no cordão de solda à margem do tubo, com a atuação de mecanismos de corrosão generalizada e localizada. Na junta tubo-espelho dissimilar observou-se que o processo corrosivo foi predominante na superfície do tubo AISI 444, típico do mecanismo de corrosão galvânica, onde o tubo AISI 444 caracterizou-se como a região anódica. O desempenho da liga AISI 316L, assim como a junta soldada composta somente por essa liga, apresentou um melhor desempenho em corrosão, porém, na solução contendo cloreto, a variação da temperatura exerceu uma influência proporcional para ambos os casos avaliados nesse estudo. Destaca-se ainda que a liga AISI 316L sofreu corrosão por pite na ZAC e no metal de solda, em ambas as soluções, com maior severidade do que a liga AISI 444. Os resultados obtidos indicam que para a aplicação requerida, o tubo AISI 444 pode ser utilizado na temperatura de 50°C com satisfatório desempenho e similar à junta composta somente por AISI 316L. / Recently in Brazil there has been constant investments in ethanol plants, to supply the internal and external market, resulting at a high increase of the volume of this product. However, economical and environmental problems arose because of this new demand, whereas the current technologies produce thirteen liters of vinasse for each liter of alcohol. Each ECOVIN uses nearly 4000 welded tubes in the heat exchangers, and there is an option to use welded AISI 444 alloy tubes in order to reduce the manufacture costs of the ECOVIN. In this context, this work determines the corrosion mechanisms and analyzes the performance of welded tubes and the tube-to-tubesheet welded joints. The following types of tube-to-tubesheet were evaluated: current welded joints of this project, with all components manufactured with AISI 316L alloy; and the welded joint suggested for the project, using the welded tubes of AISI 444 alloy and the plate of AISI 316L alloy. For this purpose, the first step was to evaluate the weldability of the studied alloys, through microstructural characterization, welding procedure qualification and the intergranular corrosion test. After that, mass loss tests were conducted in 0,5 M \'H IND.2\'SO IND.4\' and 0,5 M \'H\'CL\' solutions, at 30°C, 50°C, 70°C and 90°C, according to the temperature range of the equipment operating. Electrochemical polarization tests were made in the same solution concentration used in the mass loss tests, but only in room temperature. These tests were made in samples that were welded with the same thermal cycle of the tube-to-tubesheet welded joints, and the evaluations were made on the base metal, heat affected zones and weld metal. The uniform and localized corrosion process occurred preferentially in the interface formed between tube and weld metal, and on weld metal near the tubes. In the tube-to-tubesheet dissimilar welded joints, it was observed that the corrosion process was predominant on the surface of AISI 444 alloy, probably because of the galvanic corrosion process, where the AISI 444 was an anodic region. The best performance on corrosion process was observed in AISI 316L, both the base metal and the similar welded joints. However, for the tests in chloride environment, in this process, the temperature caused a proportional influence in the corrosion rate of AISI 316L and AISI 444. In the AISI 316L alloy it was observed nucleation of pitting in HAZ and in weld metal, in both solutions, and more aggressive than observed in the AISI 444 alloy. The results showed that the AISI 444 alloy can be applied for the initial ranging temperatures of the equipments operation, with satisfactory performance.

Submitted by BRUNO ANTONIO SORRIJA null (sorrija.bruno@gmail.com) on 2016-05-19T13:40:17Z No. of bitstreams: 1 Versão Final - Dissertação.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-05-23T16:33:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 sorrija_ba_me_guara.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-23T16:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 sorrija_ba_me_guara.pdf: 9391340 bytes, checksum: b297f42192c63f4f572fd0e0e177f47e (MD5) Previous issue date: 2016-04-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Tubos de aço utilizados na exploração e prospecção de petróleo e gás natural estão sujeitos a carregamentos dinâmicos durante o transporte (transit fatigue) e também quando em serviço. Por este motivo é imperativo que os tubos utilizados apresentem excelente integridade estrutural a fim de evitar a ocorrência de falhas prematuras devido à fadiga. Contudo, como o processo de fabricação HFIW, largamente utilizado pela indústria, envolve conformação mecânica seguida de soldagem, defeitos estarão inerentemente presentes nos tubos, notadamente uma interface entre as bordas das chapas soldadas. No presente trabalho foi investigado como a junta soldada de tubos de aço API 5CT N80 tipo Q pode contribuir para redução da vida em fadiga e como o processo como um todo pode levar a anisotropia mecânica dos tubos. Para preservar ao máximo as características originais dos tubos foram realizados ensaios de fadiga axiais utilizando corpos de prova não previstos pelas normas técnicas vigentes, com espessuras iguais as das paredes dos tubos dos quais foram retirados. Foi também desenvolvido e testado um dispositivo para realização de ensaios de fadiga utilizando trechos de tubo, o qual mostrou potencial para a realização de ensaios futuros. Os resultados dos ensaios axiais (realizados de modo a comparar a região da junta soldada como uma posição a 90° dela) indicaram que a junta soldada pode agir como um tipo de concentrador de tensões, contribuindo para a diminuição da resistência à fadiga dos tubos de maneira inversamente proporcional à carga aplicada. Também foi observado que defeitos resultantes do processo de fabricação (muitos deles macroscópicos) podem atuar como pontos para a nucleação de trincas de fadiga e que, portanto, não deveriam estar presentes no produto final. Ensaios de tração, análises metalográfias, fractográficas e de microdureza também foram realizados de modo a complementar os resultados dos ensaios de fadiga. / Steel pipes, used in the oil and gas industry in prospection and exploration activities, are often subjected to cyclic loading during their transportation (transit fatigue) and during their service life. Considering this, these steel pipes must have excellent structural integrity in order to avoid premature failure by fatigue mechanisms. However, the HFIW manufacturing process, widely used by the industry, involves mechanical forming and welding and, therefore, defects are inherently present in the finished products, remarkably an interface between the edges of the steel sheets that are welded into tubes. In this work it has been investigated how the HFIW manufacturing process can reduce the fatigue resistance of API 5CT N80 type Q steel tubes and lead to a mechanical anisotropy of the finished product. To keep the specimens characteristics closer to the real steel pipes, axial fatigue tests have been performed with round specimens which had their thickness equal to the thickness of the walls of the pipes from which they had been taken from. It has been developed also a device and a method to test small length sections of steel tubes, which have shown potential to be used in the future as a new methodology for the study of fatigue in steel pipes. The results of the axial fatigue tests (carried out to compare the welded joint to a position situated 90° from it) indicate that the welded joint can act as a stress raiser and contributes to reduce the fatigue resistance of the steel pipes, in a inversely proportional relationship with the increasing of the applied dynamic loading. It has been observed also that some defects, which result from the manufacturing process, can act as points for the nucleation of fatigue cracks and, for this, they should not be present in the manufactured product. Tensile tests, metallographic analysis, fractography study and microhardness tests had been carried out to complement the fatigue tests results.