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PROPAGAÇÃO DE TRINCAS DE FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS

LONGITUDINAIS DE AÇO PARA DUTOS DA CLASSE API 5L X-70

Marcelo Augusto Neves Beltrão

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS.

Aprovada por:

________________________________________________
Prof. Fernando Luiz Bastian, Ph.D.

________________________________________________
Enrique Mariano Castrodeza, D. Sc.

________________________________________________
Prof. Célio Albano da Costa Neto, Ph.D

________________________________________________
Prof. Flávio de Marco Filho, D. Sc.

________________________________________________
Prof. Ivan Napoleão Bastos, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

FEVEREIRO DE 2005

 ii

BELTRÃO, MARCELO AUGUSTO NEVES

Propagação de Trincas de Fadiga em Jun-

 tas Soldadas Longitudinais de Aço para Dutos

da Classe API 5L X-70 [Rio de Janeiro] 2005

XVI, 106 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ), M.Sc,

 Engenharia Metalúrgica e de Materiais, 2005)

Tese - Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE

1. Propagação de Trincas de Fadiga

2. Juntas Soldadas Longitudinais

3. Amplitudes Constante e Variável

4. Razão de Tensões

I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )

 iii

Dedico esta tese aos meus pais

Carlos e Conceição e a minha esposa Marilia

 iv

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a DEUS por permitir o transcorrer e a conclusão desse

trabalho.

Aos meus familiares que torcem pelo meu sucesso.

Aos orientadores Fernando Luiz Bastian e Enrique Mariano Castrodeza pela

orientação, apoio e incentivo durante todo o trabalho, principalmente na reta final.

Aos professores do PEMM por todo conhecimento transmitido.

À Universidade Federal de Sergipe, em especial à professora Ledjane pelos

ensinamentos durante a iniciação científica e aos professores Nivan, Djalma, Eduardo

“Dudu” e Marina.

As amigas Isabel, Michelle e Shirleny por tudo aquilo que elas representam

para mim.

Aos amigos sergipanos de longa data Euler e Fabiane.

Ao amigo Felippe, o qual devo minha gratidão.

Ao professor Flávio de Marco Filho pelos ensinamentos durante o

transcorrer do trabalho.

À Aliança Brito, particularmente ao Paulo Roberto, pela usinagem dos

corpos-de-prova.

Ao Grupo de Materiais do Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento do

Exército por permitir o desenvolvimento do trabalho e, principalmente, aos amigos:

Ivan, Francisco, Cosentino, Gustavo, Cardoso, Valmir, Mário, Zé Luís, Da. Maria, J.

Vieira, Andréia, Moutinho e Egbert.

Aos amigos da van: Jalves, Rosa, Jandira, Regina, Santos, Roberto,

Oliveira, Sérgio, Massayoshi, Zé Carlos, Pinho, Assunção, Yuan e Jorge pela acolhida

durante todo esse tempo.

Aos amigos do Laboratório de Compósitos: Aline, Ana Beatriz, Andrés,

Camila, Eliana, Felippe, Ledjane, Letícia, Patrícia, Renata e Wanderley por todos os

momentos vividos.

Ao amigo Robson, pela ajuda em todos os momentos necessários, do

Laboratório de Propriedades Mecânicas e a todos os funcionários do PEMM.

À CONFAB, especialmente ao Eng. Sérgio Kojima pelo fornecimento das

juntas soldadas do estudo.

 v

Ao CNPQ/CTPETRO pelo apoio financeiro para a execução do projeto

“Propagação de Trincas de Fadiga em Juntas Soldadas de Dutos de Aço API X-70

Utilizados no Transporte de Óleo e Gás” (processo número 502084/03-0).

À CAPES, pela bolsa de estudo concedida.

 vi

Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

PROPAGAÇÃO DE TRINCAS DE FADIGA EM JUNTAS SOLDADAS

LONGITUDINAIS DE AÇO PARA DUTOS DA CLASSE API 5L X-70

Marcelo Augusto Neves Beltrão

Fevereiro/2005

Orientadores: Fernando Luiz Bastian

 Enrique Mariano Castrodeza

Programa: Engenharia Metalúrgica e de Materiais

 O objetivo do deste trabalho foi estudar o comportamento em fadiga do metal de

base, metal de solda e zona termicamente afetada da junta soldada longitudinal de aço

para dutos API 5L X-70 utilizados no transporte de óleo e gás. Os ensaios de fadiga

foram realizados sob controle de carregamento em dois valores de razão de tensões

(R=0,1 e 0,5) com amplitude constante, ou variável, com aplicação de sobrecargas

trativas, de 75 e 100% da carga máxima. Os resultados dos testes de fadiga foram

obtidos na forma de curvas a vs. N e da/dN vs. ∆K. Pôde-se inferir das curvas a vs. N

que os corpos-de-prova submetidos a R=0,5 apresentaram menor vida em fadiga em

comparação a R=0,1 mediante aplicação de sobrecargas ou não. Verificou-se também

que as sobrecargas provocaram retardo no crescimento da trinca nas três regiões da

junta soldada, sendo o efeito mais pronunciado para R=0,1. As curvas da/dN vs. ∆K,

revelaram as maiores taxas de propagação para as juntas soldadas submetidas a R=0,5.

 vii

Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science of (M.Sc.)

FATIGUE CRACK PROPAGATION OF LONGITUDINAL WELDED JOINTS OF

PIPELINE API 5L X-70 GRADE STEEL

Marcelo Augusto Neves Beltrão

February/2005

Advisors: Fernando Luiz Bastian

 Enrique Mariano Castrodeza

Department: Metallurgical and Materials Engineering

 The objective of this work was to study the behavior in fatigue of the base metal,

weld metal and heat affected zone of a longitudinal welded joint of pipeline API 5L X-

70 grade steel used in the transport of oil and gas. Fatigue tests were carried under load

control in two stress ratio values (R=0.1 and 0.5) at constant amplitude, or variable, with

application of tensile overloads of 75 and 100% of the maximum load. The results of

fatigue tests were obtained as a vs N and da/dN vs. ∆K curves. From the a vs. N curves it

can be inferred that the specimens tested under R=0.5 had smaller fatigue lifes than the

ones under R=0.1. Crack growth retardation resulted from the overloads in the three

welded joint regions, the effect being more pronunced when R=0.1. Fatigue crack

growth rates were larger when R=0.5.

 viii

ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................X

LISTA DE TABELAS ................................................................................................ XVI

1 – INTRODUÇÃO.......................................................................................................... 1

2 – REVISÃO DE LITERATURA .................................................................................. 2

2.1 – AÇOS API PARA DUTOS ................................................................................. 2

2.1.1 – Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL) .......................................... 4

2.2 – ASPECTOS GERAIS DA FADIGA................................................................... 6

2.3 – CURVAS DE WÖHLER (CURVAS S-N) ....................................................... 11

2.4 – MECÂNICA DA FRATURA APLICADA À FADIGA .................................. 13

2.4.1 – Fechamento de Trinca por Fadiga .............................................................. 17

2.4.2 – Efeito das Sobrecargas ............................................................................... 21

2.4.3 – Efeito da Razão de Tensão (R) ................................................................... 25

2.4.4 – Outros Fatores que Influenciam a Propagação das Trincas de Fadiga ....... 29

2.5 – MEDIÇÃO