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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