COPPE/UFRJCOPPE/UFRJ

ANLISE DE TENSES COM ULTRA-SOM EM TUBOS SOLDADOS

Priscila Goreti Magina

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-graduao em Engenharia Metalrgica e de Materiais, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Metalrgica e de Materiais.

Orientador(es): Joo da Cruz Payo Filho

Rio de Janeiro Maro de 2009

ANLISE DE TENSES COM ULTRA-SOM EM TUBOS SOLDADOS

Priscila Goreti Magina

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS EM ENGENHARIA METALRGICA E DE MATERIAIS.

Aprovada por:

Prof. Joo da Cruz Payo Filho - D.Sc.

Dr. Marcelo de Siqueira Queiroz Bittencourt - D.Sc

Prof. Joo Marcos Alcoforado Rebello - D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARO DE 2009

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Magina, Priscila Goreti

Anlise de tenses com ultra-som em tubos soldados/ Priscila Goreti Magina. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2009.

XIII, 100 p.: il.; 1,3 cm.

Orientador: Joo da Cruz Payo Filho Dissertao (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de

Engenharia Metalrgica e de Materiais, 2009. Referncias Bibliogrficas: p. 92-97. 1. Efeito acustoelstico. 2. Birrefringncia acstica. 3.

Tenses. I. Payo, Joo da Cruz. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Metalrgica e de Materiais. III. Ttulo.

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Ao Leonardo, minha famlia, Michelin e aos meus amigos.

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AGRADECIMENTOS

COPPE, ao IEN e a APOLO Tubulars pelo apoio. Ao professor Joo da Cruz Payo Filho, pela ateno, pacincia e dedicao como orientador. Aos funcionrios da APOLO Tubulars, Igor, Boni e Luis Melo pela contribuio nas anlises e informaes prestimosas.

Ao diretor da APOLO Tubulars, Wilson Rosa, por acreditar e incentivar a pesquisa cientfica. Ao Dr. Marcelo de Siqueira Queiroz Bittencourt, por incentivar o trabalho, colaborando de forma mpar para o meu esclarecimento.

Aos mestres Nilson Jos dos Santos e Nilson Brandalise, da UFF, que muito me ajudaram e esclareceram.

Aos funcionrios do IEN, Manuel e Geraldo, que contriburam para a execuo dos ensaios e aos bolsistas Douglas e Carla, com a amizade. Ao Carlos Rangel, meu chefe, que me incentiva, colabora, me orienta como profissional e tambm exemplifica muitas atitudes pessoais. A todos da Michelin, sempre compreensivos e solcitos a me ajudarem. Carol, que por diversas vezes me emprestou sua casa e sua cama para que eu pudesse estudar. minha famlia, que sempre esteve presente nos momentos que precisei. Ao meu amigo e amor, Leonardo, sempre paciente ao meu lado, me dando nimo para continuar.

Aos amigos espirituais e a Deus, por permitirem chegar at aqui com o auxlio necessrio e a

certeza de cumprir essa tarefa.

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Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

ANLISE DE TENSES COM ULTRA-SOM EM TUBOS SOLDADOS

Priscila Goreti Magina

Maro / 2009

Orientador: Joo da Cruz Payo Filho

Programa: Engenharia Metalrgica e de Materiais

Este trabalho apresenta uma anlise de tenses pela tcnica ultra-snica em tubos API 5L X70 fabricados pelo processo ERW, utilizados no transporte de leo e gs. O programa experimental consistiu da determinao da birrefringncia acstica em diferentes pontos de chapas e tubos retirados do incio e fim de 2 bobinas de fabricao. Alm disso, foram feitos ensaios de acustoelasticidade em 2 pontos das bobinas, nas direes longitudinal e transversal, para analisar a homogeneidade da mesma, e anlise microestrutural. Os resultados mostram um comportamento anisotrpico da chapa e do tubo, e uma uniformidade dos resultados da constante acustoelstica do material, o que possibilita a utilizao da tcnica ultra-snica como ferramenta para avaliao de integridade estrutural da rede dutoviria.

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Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a part fulfillment of the requirement for the degree of Master of Science (M.Sc.)

TENSION ANALYSIS WITH ULTRASONIC IN PIPES WELDED

Priscila Goreti Magina

March / 2009

Advisor: Joo da Cruz Payo Filho

Department: Metallurgy and Materials Engineering

This work presents a tensions analysis with ultrasonic technique in pipes API 5L X70 manufactured by the process ERW, used in the oil and gas transportation. The experimental program consisted of birefrigence acoustics determination in plates and pipes different points of the beginning and end of 2 production bobbins. Moreover, acoustoelastic rehearsals in 2 bobbins points were done, in the longitudinal and transversal directions, to analyze the homogeneity the same, and analysis microstructural. The results show a behavior anisotropy of the plate and of the pipe, and an uniformity of the material constant acoustoelastic results, what enables the utilization of the ultrasonic technique as tool for net pipeline structural integrity evaluation.

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SUMRIO

Lista de figuras

Lista de tabelas

1. Introduo 1 1.1.Consideraes iniciais 1 1.2. Objetivo da pesquisa 2 1.3. Escopo do trabalho 2 2. Reviso bibliogrfica 3

2.1. MATERIAIS UTILIZADOS EM TUBOS 3 2.1.1. Tubos para dutos 4 2.1.1.1. Efeito dos elementos de liga nos aos 5 2.1.1.2. Efeito do refino de gro no material 6 2.1.2. Aos API 5L 8 2.2. PROCESSOS DE FABRICAO DE TUBOS 9 2.3. SOLDAGEM POR INDUO 14 2.4. ANLISE DE TENSES 17 2.4.1. Tenses residuais 17 2.4.2. Tcnicas de medio de tenses 18 2.4.3. Ultra-som 20 2.4.3.1. Tipos de onda 20 2.4.3.2. Gerao de ondas 22 2.4.3.3. Propagao de ondas acsticas 23 2.4.3.4. Tcnicas de inspeo 25 2.4.3.5. Birrefringncia acstica e acustoelasticidade 26 2.5. APLICAO DA TCNICA ULTRA-SNICA PARA MEDIO

DE TENSO 30

2.6. Consideraes finais 38

3. Materiais e mtodos 39 3.1. Consideraes inicias 39

3.2. Material de estudo 39

3.3. Caracterizao qumica e mecnica 39

3.4. Caracterizao microestrutural 41

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3.5. Equipamentos utilizados para aquisio do tempo de onda 42

3.6. Medio da constante acustoelstica 44

3.7. Medio da birrefringncia acstica 48

3.8. Consideraes finais 56

4. Resultados e discusses 57

4.1. Consideraes iniciais 57

4.2. Caracterizao microestrutural do material 57

4.3. Levantamento da constante acustoelstica 59

4.4. Medio da birrefringncia acstica da chapa 67

4.5. Medio da birrefringncia acstica no tubo 76

4.6. Consideraes finais 90 5. Concluso e propostas de estudo 91 6. Bibliografia 92 7. Anexo I 98

8. Anexo II 99

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Infra-estrutura necessria para o cenrio de crescimento petrolfero (Fonte: [1]). Figura 2 Classificao dos aos utilizados em tubos, conforme SAGE. Figura 3 Variaes estruturais na laminao controlada: a) os efeitos da temperatura na

resistncia da estrutura, b) as diferenas da estrutura com o tempo de processamento.

Figura 4 Processos de fabricao de tubos. Figura 5 Processo de conformao a quente sem solda: a) por extruso, b) por laminao

(Processo Mannesmann). Figura 6 Esquema do processo UOE. Figura 7 Processo de conformao a quente com solda longitudinal. Figura 8 Processo de fabricao ERW. Figura 9 Confeco de bordas. Figura 10 Esquema de fabricao SAW helicoidal. Figura 11 Processo de conformao a quente com solda espiral. Figura 12 Diferena entre as aplicaes: a) baixa freqncia, b) alta freqncia. Figura 13 Soldagem por induo em tubo. Figura 14 Demonstrao do processo de soldagem por induo. Figura 15 Seqncia do processo de soldagem. Figura 16 Onda longitudinal. Figura 17 Onda transversal. Figura 18 Campo snico prximo ao cristal.

Figura 19 Classificao das zonas do campo snico. Figura 20 Tcnicas de inspeo: a) pulso-eco, b) e c) transparncia, d) imerso. Figura 21 Variao das constantes elsticas com a mudana de polarizao da direo da

onda. Figura 22 Esquema do trabalho: a) Placas chanfradas para soldagem FCAW-G, b) forma de

avaliao da onda. Figura 23 Valores de tenso mdios medidos antes (vermelho) e aps (azul) o alvio de

tenses.

Figura 24 Posicionamento das tiras no tubo.

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Figura 25 Marcao do tubo: a) na direo circunferencial, b) direo longitudinal. Figura 26 Material de estudo: a) tubos soldados, b) chapas Figura 27 Microscpio ptico utilizado nas anlises metalogrficas. Figura 28 Esquema de aquisio de dados. Figura 29 Esquema de aquisio de dados. Figura 30 Software de aquisio de dados: a) quadro do Chronos fazendo a interpolao, b) aquisio do tempo de onda. Figura 31 Corpo-de-prova para levantamento da constante acustoelstica. Figura 32 Aquisio dos tempos de onda durante o carregamento. Figura 33 Esquema da tira medida. Figura 34 Regies dos tubos analisados. Figura 35 Grfico de regresso: Y = a + b X. Figura 36 Planilha de estatstica: a) verificao da normalidade, b) Statigraphics. Figura 37 Medio da perda do material pelo processo de oxi-corte. Figura 38 a) processo de corte automtico sem interferncia da temperatura, b) medio da

abertura total do tubo. Figura 39 Medio da birrefringncia acstica nos mesmos pontos. Figura 40 Macrografia das bobinas: a) 6627, b) 6628. Figura 41 Micrografia das amostras: a)6627, b)6628. Figura 42 Anlise metalogrfica estrutural: a e c) bobina 6627, b e d)bobina 6628. Figura 43 Resultados dos ensaios de acustoelasticidade de 4 corpos-de-prova de ao API 5L

X70 no sentido longitudinal ao sentido de laminao. Figura 44 Resultado encontrado em diversos tubos API 5L X70 por Bittencourt et al. Figura 45 Modo de bobinamento. Figura 46 Resultados dos ensaios de acustoelasticidade de 4 corpos-de-prova de ao API 5L

X70 no sentido transversal ao sentido de laminao. Figura 47 Esquema de pontos da chapa. Figura 48 Comportamento da birrefringncia acstica na chapa 1: a) ao longo do incio da

bobina, b) ao longo do fim da bobina. Figura 49 Comportamento da birrefringncia acstica da chapa 2: a) ao longo do incio da

bobina, b) ao longo do fim da bobina. Figura 50 Comportamento da birrefringncia acstica ao longo da chapa 1: a) primeira

fileira, b) segunda fileira, c) terceira fileira, d) quarta fileira, e) quinta fileira, f) sexta fileira.

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Figura 51 Comportamento da birrefringncia acstica ao longo da chapa 2: a) primeira fileira, b) segunda fileira, c) terceira fileira, d) quarta fileira, e) quinta fileira,

f) sexta fileira. Figura 52 Anlise de regresso da chapa 1. Figura 53 Curva de hiptese para o fim das bobinas. Figura 54 Disperso da tenso ao longo da chapa. Figura 55 Esquema da ordem de medida do tubo. Figura 56 Comportamento da birrefringncia acstica ao longo do comprimento do tubo:

a)incio bobina 6627, b)fim bobina 6627, c)incio bobina 6628, d)bobina 6628. Figura 57 Comportamento da birrefringncia acstica ao longo do dimetro do tubo: a) incio bobina 6627, b) fim bobina 6627, c) incio bobina 6628, d) fim bobina

6628. Figura 58 Distribuio da tenso ao longo do dimetro dos tubos. Figura 59 Comportamento da birrefringncia acstica antes e aps o alvio de tenso: a) incio tubo 1, b) incio tubo 2, c) fim tubo 2. Figura 60 Diferenas das anisotropias medidas. Figura 61 Distribuio da birrefringncia: a) e b) incio chapa 6628, c) e d) incio chapa

6627. Figura 62 Comparao do comportamento da birrefringncia acstica entre chapa e tubo: a) bobina 6627, b) bobina 6628.

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 Caractersticas entre laminao controlada e convencional. Tabela 2 Tcnicas de anlises de tenso. Tabela 3 Caracterizao do material. Tabela 4 Equaes das retas obtidas pelo ensaio de ultra-som com corpo-de-prova no

sentido longitudinal ao sentido de laminao. Tabela 5 Equaes das retas obtidas pelo ensaio de ultra-som com corpo-de-prova no

sentido longitudinal ao sentido de laminao. Tabela 6 Resultados do coeficiente angular de cada bobina no incio e fim da chapa nos

sentidos longitudinais e transversais ao sentido de laminao. Tabela 7 Desvio padro entre incio e fim de cada chapa nos sentidos longitudinais e

transversais ao sentido de laminao. Tabela 8 Resultado do teste de hiptese com intervalo de confiana de 95%. Tabela 9 Mdias de birrefringncia de cada chapa. Tabela 10 Diferena entre os tempos de percurso da onda ultra-snica nas regies das

chapas.

Tabela 11 Anlise de tenso ao longo das medidas do tubo. Tabela 12 Erro padro de medida de cada ponto nas chapas. Tabela 13 Erro padro de medida de cada ponto dos tubos. Tabela 14 Erro padro de medida de cada ponto dos tubos aps alvio de tenses.

1

1. INTRODUO

1.1. Consideraes iniciais

Com o crescimento do setor petrolfero no Brasil, principalmente aps divulgao pela Petrobrs da descoberta de grandes reservas petrolferas, tornou-se necessria a implantao de uma infra-estrutura segura e de custo acessvel para transporte de leo e gs.

O transporte por dutos se mostra como uma alternativa atraente por reduzir custos, diminuir o trfego nas estradas e ferrovias e aumentar a segurana para o meio ambiente.

O Brasil conta hoje com extensa malha de dutos de transporte, com previso de expanso, conforme observado na figura 1.

Figura 1 Infra-estrutura necessria para o cenrio de crescimento petrolfero [1].

A estrutura de dutos de transporte est sujeita a danos, fundamentalmente os decorrentes de movimentaes de solo geologicamente instveis; logo, o controle da integridade estrutural fator de fundamental importncia para o setor de transporte da indstria de petrleo.

2

Tubos de transporte so fabricados a partir de trs processos distintos: ERW, UOE e processo sem solda. As etapas de conformao mecnica em chapas metlicas causam diferentes graus de anisotropia ao longo da seo circunferencial do tubo, outro fator que explica a anisotropia no material est no prprio processo de laminao para fabricao de chapas de ao.

A tcnica ultra-snica, apesar de ser sensvel a variaes microestruturais, mostra-se eficiente para medir as tenses residuais, tanto em campo quanto no processo de fabricao de tubos. Esta tcnica baseia-se na diferena da velocidade de propagao da onda ultra-snica, quando esta atravessa um material tensionado; fenmeno este conhecido como acustoelasticidade.

1.2. Objetivo da pesquisa

O objetivo deste trabalho verificar e comprovar a eficincia do mtodo da birrefringncia acstica no estudo de tenses em tubos condutores, feitos em ao API 5L X 70, utilizados na rede dutoviria, atravs da tcnica ultra-snica.

1.3. Escopo do trabalho

A dissertao composta de 5 captulos, apresentando inicialmente, neste captulo de introduo, as consideraes iniciais, os objetivos e o escopo do trabalho.

O captulo 2 apresenta os materiais utilizados na fabricao dos tubos e os efeitos que alteram as propriedades mecnicas fundamentais requeridas nos aos. Apresenta, ainda, os processos convencionais de fabricao de tubos e o processo da APOLO Tubulars com a caracterstica principal da soldagem por induo, alm das tcnicas de medio de tenso, principalmente a tcnica ultra-snica e sua aplicao.

O captulo 3 apresenta os materiais de estudo, os equipamentos utilizados e a metodologia aplicada.

O captulo 4 apresenta os resultados e discusses dos ensaios realizados nas chapas e nos tubos utilizados no trabalho.

O captulo 5 apresenta as concluses do estudo e propostas para pesquisas futuras.

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2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. Materiais utilizados para tubos

Estruturas tubulares so cada vez mais empregadas com o objetivo de transportar diversos tipos de fluidos: guas, efluentes domsticos e industriais, petrleo e seus derivados, gs natural e GLP, minrios e carvo (em suspenso aquosa); dada a ampla utilizao, torna-se necessria a diversificao dos materiais atualmente utilizados para a fabricao de tubos.

Aos-carbono Aos-liga

Aos inoxidveis Ferros fundidos

Ferrosos

Ferros forjados Cobre Lato

Cupro-nquel Nquel e ligas

Chumbo

Metlicos

No ferrosos

Titnio e zircnio

Cloreto de polivinil (PVC) Polietileno

Acrlicos

Acetato de celulose Epxis Polisteres

Materiais plsticos

Fenlicos, etc.

Barros vidrados Elastmeros

Vidros Cermicas e porcelanas

Cimento-amianto

No metlicos

Concreto armado

4

As propriedades mecnicas requeridas pelos tubos variam conforme as caractersticas especficas da aplicao: dimetro do tubo, caractersticas do fluido a ser transportado (pH e abrasividade), condio de transporte, meio ambiente, custos de instalao, facilidade de reparo, entre outros [2].

2.1.1. Tubos para dutos

O primeiro tubo de ferro fundido utilizado em dutos foi em 1834, na cidade de Millville, New Jersey - EUA, representando um importante marco na indstria de gs. Entretanto, a possibilidade de transportar leo atravs de dutos foi somente adquirida em 1863, quando Samuel Van Syckle utilizou dutos de ferro fundido em uma via de 8 km, a uma profundidade de 60 cm, para transportar leo [3]. Desde ento houve muitas inovaes nos processos e fabricao e novos padres de qualidade foram exigidos para chegar aos aos utilizados hoje. Atualmente, os tubos utilizados no setor petrolfero trabalham em alta presso, devendo ser resistentes aos efeitos danosos do meio, requerindo, para isso, um ao de alta resistncia, alm de boa soldabilidade e tenacidade. Os que melhor se enquadram pela relao custo x beneficio so os aos de alta resistncia e baixa liga (ARBL), que so aos microligados com baixo teor de carbono e elementos microligantes, como V, Ti, Cr e B, e processados termomecanicamente (laminao controlada) com refinamento de gros. Segundo Pereira [4], a classificao dos aos para utilizao em tubos se d pela microestrutura, j que suas propriedades mecnicas se baseiam neste princpio, sendo influenciado pelos elementos de liga e pelo processo de fabricao. Assim, classificam-se como: ferrita-perlita convencional; bainita-ferrita acicular; e multifase (ferrita poligonal e uma segunda fase que pode ser bainita e/ou martensita). Sage [5] fornece uma variao desta classificao, como pode ser visto na figura 2.

5

Figura 2 Classificao dos aos utilizados em tubos, conforme SAGE [5].

2.1.1.1. Efeito dos elementos de liga nos aos

Para o material estudado, um ao baixo carbono microligado, deve-se compreender como so promovidos: alta resistncia, boa tenacidade, soldabilidade, resistncia a trincas induzidas por hidrognio, resistncia fadiga nas juntas soldadas e resistncia corroso, a fim de atender as exigncias de tubos para oleodutos. Isso possvel atravs dos elementos de liga introduzidos na sua formao e das disposies em que elas se encontram no material.

O carbono o elemento mais importante para o aumento da resistncia, dado seu tamanho e por formar soluo slida intersticial na matriz. A maior parte dos aos microligados tem contedo de carbono variando de 0,30 a 0,50%, quantidade suficiente para formar perlita. A perlita diminui a ductilidade e tenacidade e aumenta a microssegregao durante a solidificao [6, 7, 8].

Os elementos nibio, vandio e titnio so responsveis pela formao de carbonitretos precipitados, que a outra forma de endurecimento nos aos microligados, pois impedem o crescimento do gro austentico, formando os gros finos. Todos aumentam a resistncia e a dureza, alm de permitirem a reduo dos teores de carbono e mangans sem alterar a soldabilidade. O vandio em quantidades de 0,05 a 0,15%, o mais comum dos elementos microligantes [6,7].

Nb Steel

V Steel

V N Steel

Nb Steel

V - Nb

Steel V - Nb

Steel Mo Nb Steel

V Nb Cr Steel

High V Steel

Ti B Steel

MoNbV

Steel

As rolled Ferrite pearlite

O 15 O 2%C

Normalized Ferrite pearlite

O 15 O 2%C

Controlled - rolled Pearlite

reduced steel O O8 O12%C

Controlled - rolled Pearlite

reduced steel transformation product

O O8 O12%C

Cold-worked ferrite steel (pearlte reduced)

Controlled rolled two phase steel

Type (i) significant lass of strength from pletz

2

Type (ii) minimum lass of strength from pletz to

pipe

Type (iii) Increase in

strength from pletz to pipe

Discontinous stress - strain

Continous stress - strain

Pipeline Steels

6

O mangans usado em quantias de 1,4 a 1,5%. Tem o efeito de reduzir a cementita, por formar sulfetos e carbonetos que difundem na ferrita, enquanto mantm o espaamento interlamelar da perlita. Tambm auxilia no fortalecimento por soluo slida, reala a solubilidade de carbonitretos de vandio e abaixa a temperatura de solubilidade para estas fases [6,7]. O silcio utilizado em altas porcentagens, de 0,30% a 0,70%, o que associado com alta dureza, aparentemente devido ao aumento de ferrita, pois o silcio auxilia na decomposio da cementita em ferrita, tambm degrada o alongamento e a condutividade trmica [6,7]. tambm um bom desoxidante, permite obter menor teor de oxignio em soluo, mantendo a quantidade de xido de ferro baixa.

O enxofre em altas porcentagens aumenta a usinabilidade dos aos microligados, pois formam sulfetos de mangans - um composto plstico [7].

O alumnio importante no controle do tamanho de gro austentico em aos, atravs da formao de incluses metlicas de nitreto de alumnio, que se colocam nos contornos de gro e inibem o crescimento do gro austentico. O nitrognio o maior elemento intersticial do carbonitreto de vandio. Por esta razo, necessita-se de maiores teores de nitrognio para fortalecimento efetivo dos precipitados, porm diminui a tenacidade e pode causar corroso intergranular quando em soluo [6,7].

2.1.1.2. Efeito do refino de gro no material

Segundo Gorni [9], para se obter boas propriedades mecnicas em aos de baixo carbono, alm do controle da composio qumica, necessrio controlar o tamanho de gro, atravs do refino de gro, precipitao de segunda fase, transformao de fase, formao de textura com soluo slida e encruamento. Vrias tcnicas so possveis durante o processamento a quente do ao, como o TMCP (Thermomechanical Control Processing) e laminao controlada, sendo esta, a mais utilizada pela relao custo x benefcio [10]. O TMCP um processo combinado de laminao controlada e resfriamento acelerado, sendo muito eficiente para o refino de aos de graus X80 a X120. Este processo se baseia no controle da temperatura de solubilidade dos carbonetos de nitrognio, tempo de permanncia na temperatura e o crescimento do gro

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austentico. O resfriamento acelerado para transformao da austenita em ferrita feito ao ar temperatura de austenitizao da liga [8]. A laminao controlada j estabelecida e consolidada no Brasil para os graus inferiores, como o X45. Como toda tcnica de processo termomecnico, as caractersticas so: a temperatura de aquecimento, o tempo de encharque e a taxa de resfriamento, porm com a vantagem de promover excelente dureza com relao ao mtodo tradicional, como pode ser visto na tabela 1.

Tabela 1 Caractersticas entre laminao controlada e convencional. [13]

Este processamento controlado utiliza altas temperaturas dentro do campo de no recristalizao dos gros austenticos. O processo dividido em 3 etapas, conforme se verifica na figura 3: (I) Regio de recristalizao, (II) Regio de no recristalizao e (III) laminao na regio de segunda fase.

8

a) b) Figura 3 Variaes estruturais na laminao controlada: a) os efeitos da temperatura

na resistncia da estrutura [12], b) as diferenas da estrutura com o tempo de processamento [13].

Na regio de recristalizao ocorre a deformao do gro austentico atravs de ciclos de deformao. Ao entrar na regio de no recristalizao os contornos de gro austenticos crescem junto com a taxa de nucleao da ferrita. Alm disso, formam-se diversas bandas de deformao e recozimentos que atuam como stios de nucleao da ferrita. A laminao na regio de segunda fase, abaixo da temperatura Ar3 promove o achatamento dos gros austenticos no transformados, deformando os gros de ferrita e promovendo o aparecimento dos subgros de ferrita. Estes subgros possuem alta densidade de discordncias aumentando a resistncia e tenacidade obtendo uma estrutura ferrita-perlita [11].

2.1.2. Aos API 5L

Os aos API, com caractersticas de elevada resistncia, aliada a boa soldabilidade, baixo nvel de incluses e boa qualidade superficial, so especificados pela Americam Petroleum Institute (API), no caso a API 5L [14]. Ele definiu uma srie de normas com o objetivo de estabelecer padres para a utilizao de tubos apropriados para carregar gs, leo e gua, que a norma API 5L (2000), aplicada nesta pesquisa.

9

Esta especificao abrange tubos de ao, com e sem solda, desde o processo de laminao da chapa, at a soldagem e os testes de inspeo; tambm com o objetivo de especificar os padres requeridos no devido fim. De acordo com as exigncias dos tubos, os aos API 5L A e B so usadas em tubulaes de baixa presso, enquanto que os graus API 5L X42, X46, X52, X60 e X70 so utilizadas em tubulaes de alta presso.

Na norma API 5L verso 2000 descreve sobre os graus, de A25 a X80, e especifica seu dimetro, carbono equivalente, elementos de liga, limite de escoamento mnimo, dentre outros parmetros, para a utilizao apropriada. De acordo com a norma ANSI.B.31, os tubos desta especificao no devem ser empregados para temperaturas acima de 200C, e a norma ANSI.B.31.1 (tubulaes para vapor), probe o uso desses tubos para vapor [15].

As normas mais atuais contm os graus maiores como o X120 que so aos ARBL (alta resistncia e baixa liga), mais utilizados para prospeco de gs e leo.

2.2. Processos de fabricao de tubos

O processo de fabricao de tubos no Brasil diversificado, em decorrncia da sua grande gama de utilizao, de fabricantes e de tecnologia, como observado na figura 4.

Figura 4 Processos de fabricao de tubos.

Nos processos de fabricao de tubos sem solda, geralmente utilizam-se tarugos ou barras circulares, os quais so aquecidos e colocados entre cilindros, inclinados entre si no plano horizontal e com movimento de rotao no mesmo sentido ou numa matriz

Fabricao de tubos

Conformao a quente Conformao a frio

Com solda Sem solda

Com solda espiral

Com solda longitudinal

Extrudados

Laminados

Trepanados

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de extruso. O material adquire um movimento helicoidal que o movimenta para frente, de encontro ao mandril, que conforma o dimetro interno do tubo. Obtm-se um tubo bruto, o qual sofrer conformao de acabamento atravs de laminadores perfiladores. Este processo de fabricao provoca rugosidade na parte interna do tubo [16].

a) b) Figura 5 Processo de conformao a quente sem solda: a) por extruso, b) por laminao

(Processo Mannesmann) [2].

Estes processos apresentam maior homogeneidade e isotropia no sentido circunferencial. So resistentes presso interna e a torso, porm as peas do maquinrio so os fatores essenciais para o bom acabamento do tubo.

Para fabricao de tubos com solda existem 2 processos distintos, o UOE e o ERW.

O processo UOE conhecido pelas etapas de dobramento das chapas em formas de U e O at a formao do tubo. Este processo responsvel por grande parte dos tubos. Os tubos no passam por qualquer tratamento de alvio de tenses. As etapas deste processo so prensamento da borda e da chapa, soldagem automtica por arco submerso e expanso mecnica a frio [16 e 18].

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Figura 6 Esquema do processo UOE [18].

Figura 7 Processo de conformao a quente com solda longitudinal [2].

O processo ERW (Weld Resistence Eletric - solda por resistncia eltrica) utilizado na fabricao de tubos com solda longitudinal ou espiral. Este processo garante a homogeneidade da matria-prima com a solda e confere excelentes

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caractersticas aos produtos. So geralmente fabricados a partir de bobinas de ao carbono laminadas a quente e conformadas a frio por meio de rolos, soldadas por resistncia eltrica e passam por um tratamento trmico de normalizao no cordo de solda para alvio de tenses residuais [16]. Geralmente no processo ERW, utiliza corrente eltrica de baixa freqncia, transmitida por contato atravs de rodas de cobre, uma em cada borda do tubo, com velocidades dificilmente superiores a um dgito de metro por minuto; porm, existem algumas variaes como o HFCW high frequency contact welding com o desenvolvimento dos geradores de alta freqncia, as rodas de contato foram substitudas por contatos deslizantes e as velocidades atingiram dezenas de metros por minuto; HFIW high frequency induction welding quando da eliminao dos contatos, substitudas por bobinas de induo, atingindo velocidades de centenas de metros por minuto [18]. Os tubos usados nesta pesquisa foram fabricados por este processo na Apolo Tubulars A figura 8 mostra os passes da conformao do processo.

Figura 8 Processo de fabricao ERW [18].

13

Figura 9 Confeco de bordas [19].

O processo SAW (Submerse Arc Weld) uma variao do processo ERW, onde tambm utiliza a solda por resistncia eltrica arco submerso; porm, durante a formao dos tubos a chapa ganha movimento vertical e horizontal, formando assim a solda na forma helicoidal [18].

Figura 10 Esquema de fabricao SAW helicoidal [18].

BREAKDOWN FINN PASS

WELDING SIZING

F F FFFFFF S S S

TH THS S I

CLUSTER

14

Figura 11 Processo de conformao a quente com solda espiral [2].

Os processos com solda, de forma geral, apresentam anisotropia acstica, maior tenso e deformaes no sentido transversal, que no sentido longitudinal, por decorrncia de sua conformao. Por isso, a qualidade ligeiramente inferior, mas amplamente utilizado no mundo inteiro.

2.3. Soldagem por induo

O principal guia para a soldagem de tubulaes a norma API 1104 [20], a qual fornece dados necessrios obteno de juntas soldadas com boas qualidades. Vrios estudos tem sido feitos para melhorar as tcnicas hoje utilizadas. Geralmente com o eletrodo revestido, as juntas so soldadas no campo, em diversas posies e somente do lado externo, o tipo de eletrodo revestido geralmente utilizado na soldagem de tubulaes o AWS EXX10, pois possui elevada penetrao. J com o arame tubular, apresenta baixa susceptibilidade falta de fuso, aumentando a produtividade com a escolha certa do arame. Segundo Ventrella [25], na soldagem do ao API 5L X70 com o arame tubular AWS E81T1-Ni1, a taxa de resfriamento do metal de solda um fator determinante da microestrutura resultante; no devendo ser realizada com a combinao metal de base a temperatura elevada e tenso alta. A tcnica de soldagem por induo, visto com maior nfase neste estudo, cada vez mais utilizada pela sua alta performance e versatilidade, permitindo uma ZTA (zona

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termicamente afetada) pequena e, conseqentemente, um menor ndice de trincas por corroso.

Inicialmente, eram utilizadas ondas quadradas de baixas freqncias (50 a 150 Hz) para aquecer as bordas dos tubos soldados. Em funo destas, era possvel identificar variaes na zona termicamente afetada pela solda, funo do grande comprimento de onda empregado (~ 5 mm). Hoje se empregam freqncias de at 500.000 Hz, cujo comprimento de onda se mede em microns (~ 0,001 mm). A diferenas entre esses comprimentos de onda e sua aplicao pode ser visto na figura12.

a) b) Figura 12 Diferena entre as aplicaes: a) baixa freqncia, b) alta freqncia.

O processo de solda de tubos, por induo em alta freqncia, consiste em passar uma corrente alternada de alta freqncia por meio do material, com limitao ao trecho requerido, atravs de ims cilndricos - para evitar a perda de energia - gerando um campo magntico na superfcie da bobina, induzindo assim um fluxo de corrente nas proximidades da face, que pela prpria resistncia do material, aquece, concentrando o calor gerado na borda do tubo a ser unido, pela ao dos rolos de solda, conforme figura 13 [21, 22].

Figura 13 Soldagem por induo em tubo [17].

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Na rea prxima s extremidades da bobina conformada, o fluxo de corrente circula pela parte interna do tubo e nas bordas a serem soldadas. Seguindo a lei de menor esforo, a face que oferece menor impedncia a interna, por onde passa maior fluxo de corrente, aquecendo a face interna e desperdiando energia. Por esta razo se torna necessrio promover a reduo do caminho das extremidades a serem soldadas, atravs de materiais magnticos, na proximidade da face a ser soldada.

A utilizao deste tipo de corrente gera menor voltagem e mantm a potncia requerida, com a vantagem de controlar o processo permanentemente, reduzindo peso de equipamento, proporcionando uma solda de alta qualidade, com baixa penetrao na espessura da bobina. Para os aos de alta resistncia a melhor opo, pois os mtodos convencionais so mais perigosos e menos performticos.

Figura 14 Demonstrao do processo de soldagem por induo [19].

As transformaes ocorridas na ZTA por este processo so extremamente rpidas, considerando as variveis que influenciam, tais como: tempo, gradiente de temperatura, deformao mecnica, caractersticas qumicas da pea, morfologias metalrgicas, mecanismos de difuso dos elementos qumicos envolvidos, impurezas e segregaes, entre outras [19]. Logo, pode-se dividir o processo em 3 etapas, aquecimento, deformao e resfriamento.

A figura 15 mostra a evoluo do aquecimento ao longo do V das bordas. Onde na figura A, observa-se o incio da passagem de corrente, e aquecimento das bordas, na figura B, o aquecimento atinge toda a borda, na figura C as bordas j aquecidas entram em contato, na figura D mostra as isotermas do ponto se dissipando e culminando na figura E, onde perde calor por conduo (ao longo do material), conveco (nas bordas com o ar) e por radiao, gerando a clssica ZTA. Velocidades de resfriamento

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determinam a qualidade da estrutura final obtida, sendo um fator de controle do processo [19].

A B C D E

Figura 15 Seqncia do processo de soldagem [19].

medida que o material aquece, ocorre a dilatao do mesmo e no momento C, quando h o contato, a presso entre as bordas a deforma mecanicamente, causando, desta forma, a cabea da solda.

2.4. Anlises de tenses

Tenses residuais so muito importantes, pois definem seu comportamento perante a fadiga, fratura, corroso, entre outros fatores, alm do seu efeito no componente metlico. A anlise de tenses em componentes em uso de fundamental importncia, devido ao efeito conjunto das tenses residuais, com as tenses aplicadas, podendo ocasionar a fratura dos mesmos.

2.4.1.Tenses residuais

As tenses residuais so aquelas que permanecem no material, mesmo quando todo o carregamento externo retirado. Essas tenses aparecem quando o material submetido a processos trmicos ou mecnicos (fundio, soldagem, laminao, trefilao, usinagem e outros), que causam deformaes plsticas no uniformes ao longo da seo da pea. Em sistemas compostos por vrios componentes, as tenses tambm podem resultar de foras de reao quando o material colocado em posio, ou seja, quando no h carregamento externo e transformaes estruturais do material, com expanses e contraes, que causam tenses residuais [27] As tenses que sero estudadas so originrias do processo de conformao a frio da chapa de ao e do processo de soldagem.

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Durante o processo de soldagem h o aquecimento do material, onde suas dimenses se dilatam proporcionalmente temperatura. Como a variao de temperatura no uniforme pela pea e no existe liberdade de expanso e contrao do material durante o ciclo trmico da confeco do tubo, ento, se desenvolvem tenses residuais. H trs classificaes de tenses residuais: macroscpicas, que ocorrem em alta escala na natureza; microtenses estruturais, que ocorrem entre diferentes fases e partculas na estruturas; e tenses interatmicas, devido a distncias atmicas dentro do gro [23]. Os sistemas de tenses residuais auto equilibrado. A fora e o momento dessas tenses so nulos. O aparecimento dessas tenses pode gerar diversos problemas como formaes de trincas, tendncia estrutura frgil e instabilidade dimensional. As tenses residuais podem afetar as propriedades mecnicas do material e sua estrutura causando falhas estruturais, diminuindo o comportamento de corroso (no caso de tenses residuais elsticas), mas podem ter efeitos benficos como o aumento do limite de fadiga, no caso de tenses superficiais compressivas [23].

2.4.2.Tcnicas de medio de tenses

Existem diversas tcnicas qualitativas e quantitativas para analisar tenses residuais, principalmente em solda, conforme tabela 2. Geralmente podem ser distinguidas entre destrutivas e no destrutivas.

Tabela 2 Tcnicas de anlise de tenso.

Grupo Tcnica Tcnica de extensmetro eltrico

Tcnica de extensmetro mecnico

Tcnica de revestimento frgil Tcnicas de relaxamento de tenso

Tcnica de revestimento fotoelstico

Difrao em filme Tcnica de difrao de raios-X

Difrao com difratmetro

Tcnica com ultra-som

Tcnica com medida de dureza Tcnicas baseadas em propriedades sensveis tenso

Tcnica magntica

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Fissurao pelo hidrognio Tcnica de fissurao

Fissurao por corroso sob tenso

As sries destrutivas se baseiam na destruio do estado de equilbrio da tenso residual, no componente mecnico. Neste sentido, pode-se medir o relaxamento, ou melhor, as conseqncias do relaxamento. As tcnicas de relaxamento de tenso so baseadas na deformao elstica que ocorre quando uma parte de um corpo-de-prova, contendo tenses residuais, removida [27]. Esta mudana na deformao elstica pode ser medida por sensores eltricos ou mecnicos, chamados extensmetros ou strain gages. Com a associao de equaes de elasticidade calculam-se as tenses residuais existentes anteriormente no material. Embora esta tcnica seja destrutiva a mais utilizada. Todos os mtodos destrutivos so sensveis tenso residual macroscpica. Os mtodos no destrutivos se baseiam na relao entre os parmetros fsicos, ou cristalogrficos, ou tenso residual. Em sua maioria, os materiais so sensveis aos trs tipos de tenses, porm no podem diferenci-los. As tcnicas de difrao de raios-X so baseadas nos parmetros cristalinos de pequenas regies da pea e na variao destes parmetros com as deformaes elsticas, presentes no material submetido a tenses residuais; permite medir tenses residuais e no destrutiva, porm menos precisa e mais demorada. Tcnicas baseadas em propriedades sensveis a tenso so tcnicas no destrutivas e tambm medem as alteraes associadas s deformaes elsticas presentes na regio medida. A tcnica ultra-snica se baseia na alterao do ngulo de polarizao da onda ultra-snica polarizada, relacionando-o a tenso residual. A anlise de dureza baseada em pequenas alteraes que ocorrem nas regies que contm deformaes elsticas e o mtodo magntico se baseia nas alteraes das propriedades magnticas em materiais ferromagnticos.

A tcnica de fissurao baseada na avaliao qualitativa do padro de fissurao, desenvolvido em corpos-de-prova em ambientes agressivos, capazes de formar trincas por tenses. Essas trincas so induzidas por fragilizao de hidrognio ou por corroso sob tenso.

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2.4.3. Ultra-som

De uma forma geral, a tcnica de ultra-som consiste em uma vibrao ou onda ultra-snica, acima de 20 kHz, que ao percorrer um meio elstico, refletir ao incidir num anteparo qualquer, seja uma descontinuidade, uma falha interna ou o fim da pea. Atravs de aparelhos especiais, detectamos as reflexes provenientes do interior da pea examinada, localizando e interpretando os picos.

Este mtodo no destrutivo tem por vantagem alta sensibilidade na deteco de defeitos internos, por ser um mtodo volumtrico, eficaz tambm nas medidas de espessuras e tenses residuais na pea. Para cada finalidade h algumas caractersticas especficas importantes.

2.4.3.1. Tipos de ondas

O teste ultra-snico de materiais feito com o uso de ondas mecnicas ou acsticas colocadas no meio em inspeo. A passagem de energia acstica no meio faz com que as partculas que compem o mesmo, execute o movimento de oscilao em torno da posio de equilbrio, cuja amplitude do movimento ser diminudo com o tempo em decorrncia da perda de energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio em estudo elstico, ou seja, que as partculas que o compem so rigidamente ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direo, ento podemos classificar as ondas acsticas em trs tipos principais:

Ondas longitudinais ou ondas de compresso - So ondas cujas partculas oscilam na direo de propagao da onda, podendo ser transmitidas a slidos, lquidos e gases.

Figura 16 Onda longitudinal [24].

21

A figura 16 mostra como o primeiro plano de partculas vibra e transfere sua energia cintica para os prximos planos que passam a oscilar. Desta maneira, todo o meio elstico vibra na mesma direo de propagao da onda (longitudinal), e aparecero zonas de compresso e zonas diludas. As distncias entre duas zonas de compresso determinam o comprimento de onda [24].

Em decorrncia do processo de propagao, este tipo de onda possui uma alta velocidade de propagao como caracterstica do meio.

Ondas transversais ou ondas de cisalhamento a onda utilizada no presente estudo para deteco de tenses residuais e espessuras, definida, quando as partculas do meio vibram na direo perpendicular ao de propagao. Neste caso, se observa que os planos de partculas se mantm na mesma distncia um do outro, movendo-se apenas verticalmente.

Figura 17 Onda transversal [24].

As partculas oscilam na direo transversal direo de propagao, podendo ser transmitida somente a slidos. As ondas transversais so praticamente incapazes de se propagarem nos lquidos e gases, pelas caractersticas das ligaes entre as partculas, conforme figura 17. Neste caso o comprimento de onda distncia entre dois vales ou dois picos [24].

Ondas superficiais ou ondas de Rayleigh - So assim chamadas pela caracterstica de se propagarem na superfcie dos slidos. Devido ao complexo movimento oscilatrio

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das partculas da superfcie, a velocidade de propagao da onda superficial, entre duas fases diferentes, aproximadamente 10% inferior que a de uma onda transversal.

O tipo de onda superficial que no possui a componente normal e se propaga em movimento paralelo superfcie e transversal em relao direo de propagao, recebe a denominao de onda de Love. Sua aplicao se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros materiais [24].

Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda prxima a espessura da chapa ensaiada, a inspeo no se restringe somente superfcie, mas em todo o material. Para esta particularidade denominamos as ondas de Lamb.

As ondas de Lamb podem ser geradas a partir das ondas longitudinais incidindo segundo um ngulo de inclinao em relao chapa.

O ensaio ultra-snico de materiais com ondas superficiais so aplicados com severas restries, pois somente so observados defeitos de superfcie e, nestes casos, existem processos mais simples para a deteco destes tipos de descontinuidades [24].

2.4.3.2. Gerao de ondas

Existem 2 sistemas para gerao de onda ultra-snica: os eletromagnticos (EMAT) e os piezeltricos (PZT). Os transdutores so responsveis por gerar ou transmitir ao material estudado, as ondas ultra-snicas. Os mais utilizados so os que contm cristais piezeltricos, que com o auxilio do acoplante (material utilizado para melhorar a passagem da onda entre o transdutor e a pea, reduzindo a camada de ar existente entre as mesmas), conseguem converter a energia eltrica em oscilao mecnica dentro do material. A vantagem deste sistema o baixo custo e maior relao entre sinal e rudo. Os transdutores eletromagnticos tm aplicao nas reas ferroviria e estrutural. A vantagem deste sistema que no precisa de fludo de acoplamento acstico, so menos susceptveis a variao de temperatura e a variao de umidade, eliminando tambm o efeito da presso entre sensor e pea. Tal fenmeno obtido aplicando-se eletrodos no cristal piezeltrico com tenso eltrica alternada, de maneira que o mesmo se contrai e se estende ciclicamente. Se tentarmos impedir esse movimento, a placa transmite esforos de compresso s zonas adjacentes, emitindo uma onda longitudinal, por exemplo, cuja forma depende da freqncia de excitao e das dimenses do cristal [24].

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Existem 4 tipos de transdutores piezeltricos: normal, angular, duplo cristal e phased array. O transdutor normal responsvel pela onda longitudinal. O transdutor angular um normal, porm incide com um determinado ngulo. O transdutor duplo cristal utilizado para detectar defeitos sub-superficiais e em chapas de pequena espessura, pois separa a emisso da recepo. Transdutores Phased array so compostos por dezenas de pequenos cristais (10 a 256), ligados a circuitos independentes, controlando independentemente o tempo de excitao, mudando o feixe snico; isto permite detectar vrios ngulos de refrao ao mesmo tempo, aumentando a velocidade de inspeo [23]. Transdutores piezeltricos so altamente eficientes, mas para medir tenso eles reduzem o grau de certeza devido preciso da velocidade requerida. Para resolver este problema uma das alternativas a utilizao de transdutores eletromagnticos acsticos, pois eles detectam a onda ultra-snica diretamente da interao eletromagntica e no precisam de acoplantes [23].

2.4.3.3. Propagao de ondas acsticas

A onda ao percorrer um material qualquer sofre, em sua trajetria efeitos de disperso e absoro, resultando na reduo da sua energia. A disperso deve-se ao fato da matria no ser totalmente homognea, contendo interfaces naturais de sua prpria estrutura ou do processo de fabricao, por exemplo, ferro fundido com gros de ferrita e grafita possui propriedades elsticas distintas. A mudana das caractersticas elsticas, num mesmo material, denominada anisotropia, que bem significativa quando o tamanho de gro for 1/10 do comprimento de onda utilizada. O fenmeno da absoro ocorre sempre que uma vibrao acstica percorre um meio elstico. A energia cedida pela onda para que cada partcula do meio execute um movimento de oscilao, transmitindo a vibrao s outras partculas do prprio meio. O resultado dos efeitos de disperso e absoro, quando somados, resultam na atenuao snica. Este fenmeno pode ser observado na tela do aparelho de ultra-som, onde a altura dos ecos diminui com a distncia percorrida pela onda. O fenmeno de divergncia do feixe percebido pela perda da intensidade da onda quando se afasta da fonte emissora da vibrao.

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A propagao da onda est bastante relacionada com o campo piezeltrico do transdutor, que formado por infinitos pontos oscilantes, onde cada ponto produz ondas que se propagam no meio, conforme demonstrado na figura 18.

Figura 18 Campo snico prximo ao cristal [24].

Nas proximidades do cristal existe uma interferncia ondulatria muito grande. medida que nos afastamos do cristal, as interferncias vo diminuindo e desaparecendo, tornando uma s frente de onda. regio prxima do cristal denomina-se Campo Prximo com uma extenso (N) que depende do dimetro do cristal piezeltrico (D) e do comprimento de onda () da vibrao, podendo ser calculado pela equao 1:

N = Def2 / 4 = Def2 f / 4 v Equao 1

Onde: Def = dimetro efetivo do cristal. a rea acusticamente efetiva do cristal, que depende da sua forma geomtrica. Para cristais circulares, Def = 0,97 x dimetro do cristal. Para cristais retangulares, Def = 0,97 x metade do comprimento do lado maior do cristal. f = freqncia ultra-snica.

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v = velocidade de propagao do som = l x f . Sendo: v = 5900 m/s ou 5900.000 mm/s, para o ao.

O campo prximo representa uma dificuldade na avaliao ou deteco de pequenas descontinuidades situadas na regio prxima do transdutor.

A regio, aps o campo prximo, o campo longnquo ou distante. Nesta regio a onda snica se diverge e diminui de intensidade quase que com o inverso do quadrado da distncia. A forma do campo snico mostrada na figura 19.

Figura 19 Classificao das zonas do campo snico [24].

O campo snico de um transdutor representado: pela regio (1), onde pequenas descontinuidades so difceis de serem detectadas (campo prximo); na regio (2) descontinuidades maiores podem ser detectadas; e na regio (3), onde qualquer descontinuidade, compatvel com o comprimento de onda, pode ser detectada [24].

2.4.3.4. Tcnica de inspeo

So basicamente trs tcnicas de inspeo para deteco de defeitos e at mesmo para analisar as tenses: imerso, transparncia e pulso-eco (que foi a tcnica utilizada neste trabalho), como mostrado na figura 20.

Na tcnica de imerso utilizado um transdutor de imerso prova dgua, a pea inerte em gua, permitindo um acoplamento homogneo, e os transdutores tm movimentos livres.

Na tcnica de transparncia so utilizados dois transdutores separados, um transmitindo e outro recebendo a onda ultra-snica. Nesta tcnica no se sabe posio ou extenso da descontinuidade.

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A tcnica Pulso - Eco a tcnica onde somente um transdutor responsvel por emitir e receber as ondas ultra-snicas que se propagam no material. Portanto, o transdutor acoplado em somente um lado do material, podendo ser verificada a profundidade da descontinuidade, suas dimenses e localizao na pea.

d) Figura 20 Tcnicas de inspeo: a) pulso-eco, b) e c) transparncia e d) imerso [24].

2.4.3.5. Birrefringncia acstica e acustoelasticidade

Materiais isotrpicos so materiais considerados como livres de tenso. Nesta condio a velocidade de propagao da onda ultra-snica constante, ou seja, no existe diferena de velocidade entre as ondas longitudinais, que so ondas compressivas incidentes com um movimento paralelo direo de propagao da onda, e das ondas transversais, que tem polarizao perpendicular direo de propagao de onda. J para materiais anisotrpicos isto no ocorre, a velocidade das ondas longitudinal e transversal diferente, o que pode ser melhor explicado por meio da birrefringncia tica. Quando um meio homogneo anisotrpico, um feixe de luz que o atravessa sofre dupla refrao, gerando ondas que apresentam diferentes ngulos de polarizao. Para materiais anisotrpicos a polarizao no necessariamente paralela, ou perpendicular direo de propagao, denotada quase longitudinal ou quase transversal. Materiais que apresentam esta propriedade so chamados duplamente refratores ou birrefringentes. A anisotropia do material causada tanto pela textura, quanto pelo estado de tenso em um slido elstico. Essa variao da velocidade da onda ultra-snica, ao percorrer um material elstico sob tenso, chamada de efeito acustoelstico.

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A descrio terica do efeito acustoelstico, que relaciona a influncia do estado de tenso do material velocidade da onda ultra-snica, somente foi possvel considerando a teoria no linear (deformaes finitas) da elasticidade. Murnaghan incluiu termos de terceira ordem na definio da energia elstica e introduziu as constantes elsticas de terceira ordem (l, m e n que so as constantes de Murnaghan), na relao entre velocidade da onda ultra-snica e a deformao que surge devido tenso no material onde essa onda se propaga [30]. Constantes elsticas determinam a resposta do cristal (deformao) sob ao de tenso. A partir de constantes possvel calcular, pela teoria linear, constantes volumtricas, coeficientes de Poisson, entre outras. Mas pela teoria no linear, necessrio utilizar as constantes de Murnaghan. A forma simplificada da equao, desenvolvida por Hughes e Kelly, representada em termos da variao da velocidade da onda ultra-snica, em relao tenso, podendo ser apresentada na equaes 2 e 3.

Vpp-Vl = K1p +K2(q+ s ) Vl

Equao 2 com onda de incidncia normal

Vpq-Vt = K3p +K4q + K5s

Vt

Equao 3 com onda de incidncia cisalhante

Onde Vt e Vl so as ondas isotrpicas transversal e longitudinal respectivamente; Vij a velocidade de propagao de onda ultra-snica na direo i e polarizada na direo j; s a tenso principal e Kn so as constantes acustoelsticas normalizadas. Assume-se: direo p como a direo da tenso componente principal; q direo transversal; e s a direo ortogonal, isto funciona bem para materiais isotrpicos [23]. Se existe alguma anisotropia elstica causada pela microestrutura ou por uma orientao preferencial de gros no material, a velocidade das ondas cisalhantes apresenta mudanas geralmente maiores do que as resultantes do efeito acustoelstico.

Em um slido homogneo elstico, o tensor tenso ij e o tensor deformao u so de segunda ordem e ficam relacionados conforme lei de Hooke, pelo mdulo de elasticidade ou de rigidez Cijkl, conforme equao 4, onde k e l variam de 1 a 3. Em geral

tensores de quarta ordem contm 81 constantes elsticas de segunda ordem.

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ij = Cijkl u = Cijkl(u11+u11) Equao 4

Devido simetria dos tensores tenso e deformao, o nmero de componentes independentes de Cijkl para um slido elstico reduz de 81 para 36. Assim, possvel representar o tensor elstico em notao compacta como uma matriz Cijkl de 36 componentes, o que gera seis equaes.

Consideraes de energia de deformao de um cristal permitem mostrar que esta matriz simtrica, Cij = Cji de modo que, um slido de anisotropia geral, possui apenas 21 constantes elsticas independentes. Contudo, propriedades de simetria elstica, com relao a trs planos cristalinos, permitem reduzir a quantidade de constantes elsticas; so chamados materiais ortotrpicos, sendo neste caso, s 12 das 21 componentes do tensor elstico so no nulas, das quais, por simetria, 9 so constantes independentes: as 6 da diagonal e as 3 simtricas, de modo que o nmero de constantes independentes se reduz a 5 [30]. A figura 21 mostra estas 5 constantes e a dependncia da velocidade com a variao da polarizao e propagao da direo para aos.

Figura 21 Variao das constantes elsticas com a mudana de polarizao da direo da onda.

29

Nota-se que K1, K3 e K4 so negativos e K2 e K5 so positivos. Logo o uso de ondas ultra-snicas longitudinais de incidncia normal no modo pulso-eco permite obter a tenso mdia na espessura de chapa metlica. Ao conjunto destas constantes trabalhadas por Tokuoka e Iwashimizu deu-se o nome de constante acustoelstica m. Geralmente os materiais no so completamente ortotrpicos, o que pode influenciar na anlise da variao da anisotropia acstica do material, pois, efeitos como uma pequena variao na orientao cristalogrfica do material, podem causar uma anisotropia da mesma ordem que uma produzida por tenso. Na aplicao do ultra-som, para medida de tenso, utiliza-se o termo da birrefringncia ao se empregar ondas cisalhantes e denomina-se birrefringncia acstica diferena fracional da velocidade ou tempo de onda ultra-snica, em relao a duas direes perpendiculares, como pode ser visto na equao 5.

Equao 5

Onde tl o tempo de percurso da onda ultra-snica com direo de polarizao alinhada com a direo de laminao do material, tt o tempo de percurso da onda ultra-snica com direo de polarizao perpendicular a direo de laminao do material e B a birrefringncia. Em um material isotrpico, sem efeito da tenso ou textura, a onda ultra-snica incidindo perpendicularmente ao material, quando polarizada em duas direes perpendiculares, retorna ao mesmo tempo; ento B = 0. No caso em que a tenso cisalhante for igual a zero e as direes das tenses principais coincidirem com a direo de simetria ortotrpica do material, e quando no material aplicada uma tenso, as ondas tm velocidades diferentes e a equao que rege a equao 6.

Equao 6

30

Onde B a birrefringncia induzida pela textura e pelo estado de tenso do material, B0 a birrefringncia induzida pela textura (deformao) e m a constante acustoelstica do material.

A vantagem de utilizar esta tcnica a de operar um instrumento pequeno e leve, oferecendo informaes de tenses no interior da pea, no sendo sensvel pela espessura do material nem pela temperatura. Como essas velocidades de propagao das ondas de ultra-som so medidas no mesmo ponto da pea e, praticamente, ao mesmo tempo, elas so influenciadas da mesma forma pela temperatura e/ou espessura, reduzindo assim, a uma medio do tempo de percurso das ondas ultra-snicas. A desvantagem o efeito da microestrutura, tendo variaes microestruturais pontuais, como as que ocorrem em gros, interfaces, segundas fases, precipitados, interstcios, lacunas e discordncias, que alteram as constantes elsticas de terceira ordem, modificando, assim, as constantes acustoelsticas, influenciando a velocidade de propagao da onda de ultra-som na mesma magnitude que as tenses, sobre a velocidade e preciso da tcnica.

2.5. Aplicao da tcnica ultra-snica para medio de tenso

Para a utilizao da tcnica ultra-snica, uma medida com preciso de tempo de percurso da onda ultra-snica precisa ser feita, seja em aplicaes como na avaliao de porosidade em materiais cermicos, na determinao da direo de laminao e do tamanho de gro em materiais metlicos ou na caracterizao do estado de tenses em materiais, j que as variaes do tempo so na ordem de nanossegundos [28]. Com o intuito de vencer essa barreira para a aplicao da tcnica ultra-snica na avaliao de tenses, Bittencourt et al. desenvolveram uma metodologia para medio do tempo de percurso de ondas ultra-snicas, empregando o processamento do sinal ultra-snico gerado, com um algoritmo de correlao cruzada e a tcnica multitaxas para aumentar a resoluo das medidas [28]. Os autores utilizaram uma chapa de alumnio, para medir atravs da tcnica com correlao cruzada e sua comparao atravs de um equipamento eletrnico que capta o sinal em picossegundos. Utilizaram a configurao pulso-eco, onde um nico transdutor usado como emissor/receptor, sendo o sinal adquirido correspondente a uma sucesso de ecos provenientes da face oposta a que o transdutor est acoplado. O tempo de percurso da

31

onda o tempo medido entre dois ecos consecutivos. O transdutor usado foi de ondas transversais com incidncia normal, com freqncia de 2,25MHz. O algoritmo de correlao cruzada, utilizado para o processamento do sinal ultra-snico, se baseou na diviso do sinal adquirido, com dois ecos, de maneira a gerar dois sinais, com partes idnticas. Um dos sinais gerados era formado apenas pelo primeiro eco do sinal adquirido e o outro pelo sinal completo. O resultado da correlao cruzada entre esses dois sinais ser, conceitualmente, o atraso entre eles. A defasagem entre os sinais, nesse caso, corresponde ao tempo de percurso que a onda ultra-snica levou na sua propagao atravs da espessura do material. O aumento da taxa de amostragem foi realizado interpolando pontos entre dois pontos de dados obtidos no osciloscpio, empregando-se a tcnica multitaxas.

A eficincia do mtodo desenvolvido foi verificada experimentalmente medindo-se, em um determinado ponto de uma chapa de alumnio, o tempo de percurso de uma onda ultra-snica com um analisador de tempo de preciso de picosegundo. Nos experimentos realizados, o tempo de percurso da onda ultra-snica medido, para o

intervalo de confiana de 90%, foi t = 2,6532 0,0014 s e ao comparar com os resultados adquiridos no mesmo ponto pelo mtodo da correlao e pela interpolao com correlao cruzada, os resultados so 100% eficientes. Na interpolao, foram empregados fatores de expanso (L) 4, 8 e 16.

Para avaliar se seria possvel este mtodo na avaliao de tenso, foi utilizada uma chapa de alumnio sujeita a diversos tipos de carregamento de trao. Utilizou a medio atravs de 2 pontos mximos de 2 ecos consecutivos e viu-se a disperso em

um mesmo ponto de at 40ns (4,95s e 4,99s, no caso do carregamento de 2000kgf). Esta variao pode ter sido causada por uma variao do carregamento aplicado. Parte do erro se deve dificuldade na determinao do ponto mximo do eco como referncia e pela distoro em diferentes regies do eco, devido caracterstica de que quando o tempo de percurso aumenta, aumenta tambm a defasagem entre as duas ondas e a deformao do eco muda de lugar. J com o mtodo de correlao cruzada, a defasagem foi de apenas 2ns por ter feito medidas com uma casa decimal a mais, aumentando a resoluo e diminuindo o erro de medida de tempo, provando a eficincia para as aplicaes de medidas de tenso.

Andrino et al. [29], utilizou a tcnica da acustoelasticidade para avaliar o perfil de tenses em juntas soldadas. O material estudado foi uma chapa de ao API 5L X65

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com tratamento trmico de alvio de tenses aps usinagem do chanfro. Logo aps as chapas foram soldadas duas a duas pela tcnica FCAW-G (Flux Core Welding Gs Shielded) e jateadas para melhora da superfcie. Os pontos a serem estudados foram definidos anterior ao cordo de solda e paralelamente ao mesmo, conforme figura 22.

a) b) Figura 22 Esquema do trabalho: a) Placas chanfradas para soldagem FCAW-G, b) forma

de avaliao da onda [29].

Para avaliao da acustoelasticidade foi utilizada onda longitudinal, criticamente refratada com 2 transdutores incidindo a um ngulo de 28, escolhido por ser, segundo a lei de Snell, o primeiro ngulo crtico a gerar uma onda longitudinal paralela superfcie.

Foram realizadas medidas na chapa antes da solda, aps a solda e com um novo tratamento trmico. Para eliminar a variao da distncia de percurso da onda foi feito um controle na fora imposta ao conjunto atravs de uma clula de carga e um condicionador de sinais. Os resultados mostraram que o mtodo da teoria acustoelstica foi capaz de identificar o alvio de tenses, embora com uma grande disperso. Os valores obtidos foram coerentes com o formato esperado para a variao de tenses nas soldas. Para o clculo da tenso foi utilizada a constante acustoelstica do ao API 5L X70, levantada por Caetano em 2003 [43], no sentido transversal, pois o transdutor estava perpendicular direo de laminao da placa. O resultado se mostrou coerente com a literatura, tendo um pico de tenso em 650 MPa, que o limite de escoamento do material, e apresentou a reduo da tenso na junta soldada entre as chapas antes e aps o tratamento trmico, conforme visto na figura 23.

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Figura 23 Valores de tenso mdios medidos antes (vermelho) e aps (azul) o alvio de tenses [29].

Para corroborar com os resultados obtidos por Andrino, Medeiros et al. [31] utilizou a tcnica ultra-snica para o ao API 5L X65, porm com o valor da acustoelasticidade retirada de tiras do tubo soldado e ondas cisalhantes de incidncia normal. As amostras foram retiradas do tubo com dimetro de 365 mm e espessura de 7,85mm a +130mm e -130 mm da solda, +3h, +6h, +9h solda, conforme figura 24.

Figura 24 Posicionamento das tiras no tubo [31].

Avaliou assim, a birrefringncia do tubo ntegro e da tira, tendo como resultado a averiguao da anisotropia acstica em cada ponto do tubo, com cada tira se comportado como um pedao de caractersticas mecnicas distintas. O relaxamento da tenso na tira, aps retir-la do tubo foi de 57%, ou de 15,8 para 6,7 kgf/mm2, sendo a situao mais crtica, a tira retirada a 6h. Para tanto, foi feito normalizao dos valores

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da birrefringncia com o valor crtico, tendo como resultado a perfeita curva de calibrao da birrefringncia acstica para o ao em questo.

Cardoso [30] utilizou a tcnica da birrefringncia, porm com tubos isotrpicos e conformados de ao API 5L X46, utilizando transdutor de 2,25 MHz com aquisio de tempos par a par, ou seja, aps uma medida realizada na direo longitudinal, o transdutor era girado em 90 e media-se o tempo de percurso da onda na direo transversal; aps essa segunda medida, retornava-se o transdutor para a posio longitudinal e dava-se incio a um novo par de medidas. Os tubos tambm foram marcados conforme a referncia da solda e, para o tubo isotrpico, suas medidas foram marcadas sem referncia. No estudo verificou a diferena significativa dos valores de birrefringncia entre os tubos isotrpicos e anisotrpicos, o que ele associou aos diferentes processos de fabricao.

O tubo com solda apresenta anisotropia acstica bem definida em todas as suas regies, pelos valores negativos de birrefringncia variando de -6,0x10-3 a -9,0x10-3 ao longo da seo circunferencial do tubo e pelo valor da constante acustoelstica, mostrando que cada parte do tubo se comporta com caractersticas mecnicas distintas entre si. visto como dificuldade a escolha do termo de birrefringncia que represente o estado inicial do material, B0. J para o material sem solda, houve uma disperso dos resultados, alternando entre valores positivos e negativos, e linha representada como a 180 da referncia definida apresentou isotropia com birrefringncia igual a zero por todo o percurso. A diferena entre os valores no caso do tubo sem solda varia de 1,5 a 7,7 nanossegundos; no caso dos tubos com solda, de 43,3 a 58,8 nanossegundos, tambm atestando para o bom funcionamento da tcnica.

Carmos [32] tambm analisou as tenses pelo mtodo da birrefringncia com ondas cisalhantes de incidncia normal e pulso-eco, porm numa barra com flexo. Utilizando um nico transdutor de 5MHz de freqncia como emissor / receptor para a obteno das variaes de tempo ao longo da espessura da barra e o sinal aquisitado correspondeu a uma sucesso de ecos provenientes da face, oposta a que o transdutor est acoplado. O esquema montado foi bem parecido com o utilizado neste trabalho, capaz de gerar e receber ondas cisalhantes. Estes sinais foram submetidos a um processamento matemtico (correlao cruzada com interpolao), para permitir a exatido e resoluo necessria s medidas do tempo de percurso da onda ultra-snica.

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O estudo foi sobre uma barra de ao SAE 1045 usinada, de medidas 900 x 93 x 45 mm e com acabamento superficial. A barra sofreu um carregamento de 8.000 kg (80% do limite de escoamento da barra) no equipamento para ensaio de flexo. Foram aquisitados os sinais ultra-snicos estando barra sem carregamento e com carregamento.

Pela tcnica de birrefringncia verificou a anisotropia da barra oriunda do processo de conformao mecnica e o maior grau de anisotropia nos pontos prximos dos laminadores pelos valores maiores da birrefringncia com resultados variando de 2E-4 a 1,4E-3. Os valores foram tratados somente qualitativamente, j que no foi levantada a constante acustoelstica. Num ensaio de flexo, a tenso imposta ora trativa ora compressiva e isto pode ser visto pelos valores de B-B0 negativo ou positivo. A tcnica da birrefringncia acstica foi capaz de avaliar a anisotropia da barra causada pela deformao devido ao processo de conformao mecnica de laminao e de identificar as tenses trativas e compressivas, assim como, identificar as regies de maiores tenses no material mesmo sem conhecer o valor da tenso. A fim de averiguar a influncia do processo de fabricao de tubos na anisotropia acstica e da espessura utilizada, Bittencourt et al. [33] realizou experimentos com tubos soldados fabricados pela tcnica ERW e UOE e tambm com diversas espessuras. A tcnica ultra-snica aplicada utilizou ondas cisalhantes de incidncia normal, transdutor de 2,25 MHz, com a anisotropia verificada em funo de diferentes medidas de tempo de onda obtidas em um mesmo ponto, propagada em duas direes de polarizao ortogonais entre si.

As medidas foram feitas nos tubos marcados a +130mm e -130 mm da solda, +3h, +6h, +9h solda. As regies tinham comprimento de 500 mm e largura de 50 mm. Em cada regio foram feitas 05 (cinco) marcaes para aquisitar os sinais e em cada marcao foram feitas cinco medidas de birrefringncia, gerando um total de 125 medidas por tubo.

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Figura 25 Marcao do tubo: a) na direo circunferencial, b) direo longitudinal [33].

A variao dos resultados no sentido longitudinal, no mesmo ponto, foi de 2 a 10 nanossegundos, porm conforme tratamento estatstico, foram considerados iguais em todos os tubos, o que j no se pode afirmar na direo circunferencial do tubo, devido a alta anisotropia.

Verificou a influncia da espessura na birrefringncia de forma proporcional, quer dizer, que quanto maior a espessura, maior a birrefringncia encontrada ao longo da circunferncia do tubo. Com tubos de 6 mm, o B obtm valores entre 0,028 e 0,032 nanossegundos, para espessuras entre 8 e 9 mm, os valores de B assumem entre 0,038 e 0,050 nanossegundos e para espessura de 12mm entre 0,059 e 0,068 nanossegundos. Com relao ao modo de fabricao, os tubos fabricados pelo processo ERW, tendo a mesma espessura, tm comportamento dentro de um padro, o que ocorre o mesmo para o processo UOE, porm comparando os dois processos o UOE apresenta uma variao mais brusca da anisotropia com relao ao ERW. Para a anlise de tenso pela tcnica da birrefringncia, o problema levantado e demonstrado, a variao anisotrpica na direo circunferencial dos tubos, j que torna difcil definir um valor de referncia, o B0, a qualquer momento em qualquer ponto de uma tubulao, para a obteno das tenses. Matos [34], estudou a tcnica de anlises de tenso por ultra-som em um material tratado termicamente e depois de imputado a tenso pela ao de um furo no centro da chapa. Foi usado um transdutor de ondas cisalhantes de incidncia normal, com freqncia de 2,25 MHz em modo pulso-eco. As ondas foram aquisitadas com a

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direo de polarizao alinhada com a direo longitudinal do corpo-de-prova e perpendicular a esta. O material era composto de 2 chapas de ao 1020 com dimenses de 300 x 300 x 25,4 mm, tratadas termicamente por recozimento. As amostras foram retiradas da chapa, de maneira que em uma foi retirado um disco e na outra um furo central. Os dimetros do furo e do disco eram de 120 mm e 126 mm, respectivamente, afim de gerar tenso interna do furo. Aps dilatao da chapa com furo por maarico e contrao do disco atravs de resfriamento com nitrognio por 40 minutos, ambos se encaixaram. Os tempos foram medidos na chapa com furo antes da confeco do corpo-de-prova e aps, atravs de 20 pontos previamente marcados. A constante acustoelstica para o material foi levantada por um ensaio de trao solicitado uniaxialmente, medidos em diferentes carregamentos, porm, todos abaixo do limite elstico. A constante acustoelstica do material determinada foi de 6.2 10-6 MPa-1. Como resultado ocorreu uma variao de tenso ao longo das direes principais de simetria do corpo-de-prova, com as maiores tenses prximas regio central do corpo-de-prova, onde foi inserido o disco, e vo diminuindo em direo a borda da chapa. Foi analisado a diferena de tenso, utilizando o B0 de cada ponto e com um B0 mdio, onde constatou uma variao mdia de 12% (mnima de 2% e mxima de 62%), quando utilizado os valores de B0 mdio em relao queles obtidos pelo B0 no ponto. Isso indica que possvel uma avaliao de tenso por ultra-som, pelo mtodo da birrefringncia acstica, sem a necessidade de conhecimento prvio das medidas da birrefringncia inicial, no ponto a ser investigado, uma vez que existe a possibilidade do uso da birrefringncia inicial mdia levantada num corpo-de-prova do mesmo material livre de tenso. Considerando a chapa inicial como isotrpica, homognea e sujeita a estado plano de tenses, j que recebeu o tratamento trmico, utilizou as equaes 7 e 8 para calcular a diferena entre as tenses principais 1 (tenso tangencial) e 2 (tenso radial), considerando um sistema cilndrico de coordenadas.

1 2 = (2 c2 d2 ) p

(d2 - c2) r2 Equao 7

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Onde c o raio interno do furo (=60 mm), d a metade do comprimento da chapa (d=150 mm) e p, a presso de contato entre o disco e a chapa, dada pela equao 8.

p = E ( 1 - c2 ) 2 c d2

Equao 8

Onde E o mdulo de elasticidade do material ( 2.1 x 105 MPa) e , a diferena entre os raios do disco e do furo (0,15 mm). As diferenas percentuais entre os valores experimentais e analticos da distribuio de tenses foram de 6% (diferena mnima) e 30% (diferena mxima). Para comparao com o valor analtico foram consideradas as mdias dos valores experimentais obtidos a partir dos 4 valores em cruz na mesma distncia radial.

2.6. Consideraes finais

Torna-se evidente a preocupao atual em se determinar o nvel de tenses residuais em tubos de transporte de leo e gs, pois a partir de levantamentos bibliogrficos, possvel perceber que os valores de tenses residuais encontrados podem causar uma grande influncia na vida em servio destes tubos. Este um risco que tem que ser minimizado ao mximo ou acompanhado com absoluto cuidado pela indstria. Dentre as tcnicas no destrutivas utilizadas atualmente, a tcnica ultra-snica baseada na acustoelasticidade mostra-se promissora para medio de tenses residuais em tubos.

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3 - Materiais e metodologia de estudo

3.1. Consideraes iniciais

Neste captulo so apresentados os materiais de estudo deste trabalho, os ensaios para caracterizaes qumicas, mecnicas e metalogrfica, bem como os ensaios de birrefringncia acstica pelo mtodo ultra-snico, realizados na avaliao acustoelstica.

3.2. Material de estudo

Na avaliao acustoelstica foram utilizadas 4 chapas quadradas de 500 mm de lado com 13 mm de espessura e 4 tubos de 144 mm de dimetro interno e 10 mm de espessura, como pode ser visto na figura 26. Ambos de ao-carbono tipo API 5L X70, fabricados pela CSN Companhia Siderrgica Nacional, e cedidos pela Apolo Tubulars, fabricante de tubos de ao para os setores petrolferos e construo civil.

Figura 26 Material de estudo: a) tubos soldados, b) chapas.

3.3. Caracterizao qumica e mecnica

Foi retirado uma amostra de cada chapa de ao estudada, para anlise da composio qumica, nas dependncias da Apolo Tubulars, atravs do espectrofotmetro de emisso ptica, marca SPECTRO MAXX / 2007, que utiliza o

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comprimento de onda caracterstico de cada elemento para calcular a composio qumica de qualquer material em estado slido.

As caractersticas mecnicas do material, como limite de escoamento - que o ponto mximo onde o material mantm as propriedades elsticas -, limite de resistncia - que o ponto mximo que o material se deforma, antes de formar o empescoamento - e alongamento, foram obtidas durante um ensaio de trao de um corpo-de-prova, fabricado conforme norma ASTM E8-69, na mquina de trao de marca Kratos / 1980 de 100 kN. Os dados podem ser vistos na tabela 3.

Tabela 3 Caracterizao do material

Tabela de propriedades Elementos qumicos (%) Propriedades mecnicas (MPa,%)

Analisado

Especificado Analisado

Especificado Chapa 1 Chapa 2

C 0,26 0,1035 LE 1 483 498 493 Mn 1,65 1,3150 LR 2 565 548 603 P 0,025 0,0175 Al 3 21 32,2 31,7 S 0,015 0,0046 Nb+V+Ti 0,15 0,0540 B

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Pcm = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B Equao 10

3.4. Caracterizao microestrutural

A caracterizao microestrutural consiste num exame metalogrfico da pea a fim de obter informaes sobre sua estrutura, podendo correlacion-la com propriedade fsica, esclarecendo ou antevendo seu comportamento em operao. Ela consiste numa anlise microgrfica e macrogrfica da pea, podendo determinar a sua microestrutura, defeitos internos, segregaes, incluses, entre outros.

Uma anlise qualitativa compreendida como um estudo de carter descritivo dos constituintes microestruturais presentes nas amostras, podendo ser feita por observao direta no microscpio, utilizando os mtodos mais adequados para o exame da microestrutura do material, acompanhada da documentao por micrografias, fotografias da microestrutura, utilizando sistemas fotogrficos dos microscpios. Uma anlise quantitativa foi utilizada para a medio do tamanho dos gros de ferrita dos aos, baseado na norma ASTM E 112-96 [46].

Com o auxlio de um microscpio ptico modelo M. G. Olympus Tokyo 1999, figura 27, equipado com um conjunto de padres metalogrficos e um sistema fotogrfico que permite observaes por campo claro, campo escuro e luz polarizada, possibilitando as anlises qualitativas e quantitativas das amostras, foi realizada anlise do material. As amostras foram retiradas de 2 bobinas diferentes no incio do desenrolador, no processo de fabricao de tubos na Apolo Tubulars.

As amostras foram cortadas e usinadas com o objetivo de obter peas planas de 5 cm de comprimento por 1 cm de largura.

As amostras foram lixadas para melhorar o aspecto superficial do lado onde se examinaria. Foram utilizadas lixadeiras automticas com lixas de 200 a 1200 mesh, com o auxlio de gua para evitar encruamento local. A cada troca de lixa girava-se cerca de 90 a pea, para que no ficasse marcado com a orientao da mesma.

Aps estas operaes realizou-se a anlise macrogrfica com um aumento de 10 vezes, para percepo de impurezas e de homogeneidade da pea.

A partir da foi realizado o polimento em disco de feltro com abrasivo de alumina em politriz automtica para eliminao de qualquer defeito superficial e assim poder obter a melhor reflexo de luz durante a anlise microgrfica. Utilizou-se um ataque qumico com nital, soluo de cido ntrico a 10%, para revelar os contornos de

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gro e a estrutura interna. O nital tem como propriedade o ataque somente a ferrita, transparecendo desta forma todas as estruturas que a tem como componente, por exemplo, a perlita.

Aps esta operao realizou-se a anlise microgrfica com aumento de 100 at 1000 vezes para anlise da microestrutura e orientao dos gros.

Figura 27 Microscpio ptico utilizado nas anlises metalogrficas.

3.5. Equipamentos utilizados para aquisio de tempo de onda

Para a realizao dos ensaios, necessrios aquisio do tempo de onda ultra-snica, foi utilizado um gerador de pulso modelo Panametrics EPOCH 4 pela tcnica de inspeo pulso-eco, conectado a um osciloscpio Tektronik TDS 3032, com um transdutor de onda transversal de 11 mm de dimetro e freqncia nominal de 2,25 MHz e um atrasador de pulso, ligados a um computador com o programa Wavestar, capaz de captar a imagem e os dados de tempo de onda ultra-snica. O acoplante utilizado foi o do fabricante Panametrics, com a finalidade de eliminar as camadas de ar entre o transdutor e a chapa, reduzindo as impedncias acsticas, que a quantidade de energia acstica que reflete e transmite para o meio.

O esquema utilizado no presente trabalho apresentado nas figura 28 e 29.

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PC Osciloscpio TDS 3032 Gerador de pulso EPOCH

Atrasador de pulso onde entra corrente baixa e sai corrente alta

Material de estudo com transdutor longitudinal coplado.

Figura 28 Esquema de aquisio de dados.

Figura 29 Esquema de aquisio de dados.

Para o tratamento destes dados utilizou-se um programa desenvolvido pelo IEN, chamado Chronos, e que possibilita melhorar a correlao entre os mesmos fazendo

44

uma interpolao tipo L4, onde se insere trs novos pontos entre os 2 pontos do sinal original e tambm capaz de calcular a birrefringncia do material atravs de clculos matemticos, conforme descrito por Bittencourt et al [28].

As telas dos programas do sinal e do Chronos seguem na figura 30.

Figura 30 Software de aquisio de dados: a) quadro do Chronos fazendo a interpolao, b) aquisio do tempo de onda.

3.6. Medio da constante acustoelstica

A segunda etapa do trabalho consistiu em levantar as constantes acustoelstica do material a partir de 4 corpos-de-prova, usinados conforme Norma ASTM E8-69, como mostrado na figura 31, retirados de 2 bobinas de ao API 5L X70, corridas 6627 e 6628; sendo 1 corpo-de-prova localizado no incio e outro no final de cada bobina, no sentido longitudinal ao sentido de laminao. Foram tambm confeccionados outros 2 corpos-de-prova, 1 do incio e outro no final de cada bobina, porm no sentido transversal ao sentido de laminao, a fim de averiguar possveis diferenas nos valores, visto que a constante acustoelstica em funo do tipo de material e da textura.

O ensaio consistiu em medir o tempo de percurso da onda ultra-snica cisalhante em duas direes de polarizao da onda.

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Figura 31 Corpo-de-prova para levantamento da constante acustoelstica.

Os ensaios consistiram em realizar 3 pares de medidas de tempo de percurso de onda cisalhante em posies ortogonais entre si, utilizando o equipamento descrito anteriormente, durante o ensaio de trao do corpo-de-prova. A mquina de trao utilizada foi da marca Kratos de 100 kN nas instalaes da Apolo Tubulars. O corpo-de-prova foi carregado at o limite de escoamento do material (12000 N ou 480 MPa), sendo interrompida e sustentada a cada 1000 60N para a realizao da srie de medio. Dessa forma, foi possvel calcular a birrefringncia acstica, dada pela equao 5.

2 2

l t t l

l t l t

V V t tB V V t t

= =

Equao 5

Com os valores da birrefringncia em cada tenso foi possvel calcular a constante acustoelstica, que o coeficiente angular da reta, no caso dos aos, descrita pela equao 6 e obtida atravs dos grficos de birrefringncia x tenso. As demais variveis da equao (B, B0 e ) so obtidas durante o ensaio.

B B0 = m (1 2) Equao 6

Os corpos-de-prova foram denominados como incio (cabea - C) ou fim (cauda -T), longitudinal (L) ou transversal (T) das chapas 1 e 2, que eram referentes s bobinas 6628 e 6627, respectivamente. Os dados foram coletados no mesmo ponto, previamente

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estabelecidos e preparados, com o objetivo de serem eqidistantes das extremidades e isentos de irregularidades superficiais, que poderiam atrapalhar o acoplamento do transdutor. A temperatura ambiente durante o ensaio foi de 21 C. O tempo total de realizao de cada corpo-de-prova foi de aproximadamente 1 hora e meia, em mdia.

Foram necessrios 4 operadores, um para aquisitar os sinais durante o ensaio, operando o equipamento, fazendo os ajustes do sinal e salvando as medidas de tempo e os processar no programa Chronos, outro parar assegurar que o transdutor se encontrasse na posio correta e bem acoplado durante a aquisio dos sinais, outro para operar a mquina de trao e por fim, outro para assegurar que a variao da fora estivesse dentro dos limites estabelecidos, enquanto a mesma se mantinha sustentada para a aquisio dos sinais naquele ponto.

Antes de iniciar o ensaio foram realizados 3 pares de medidas de tempo de percurso da onda ultra-snica no local indicado, figura 32, para detectar qual era o valor inicial da birrefringncia acstica (B0) do corpo-de-prova. Sempre que uma medida era aquisitada o transdutor era girado de 90C, afim que ficasse ora longitudinal ora transversal ao sentido de laminao do material, dessa forma, com os valores dos pares foi possvel calcular a birrefringncia.

Durante o ensaio, foi tambm efetuado a aquisio de 3 pares de medidas de tempo de onda ultra-snica em cada carga sustentada, para que os dados fossem representativos.

Figura 32 Aquisio dos tempos de onda durante o carregamento.

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A fim de averiguar os dados e compar-los, foi utilizado um mtodo estatstico, e o que se adequa para esta comparao o mtodo de intervalo de confiana e da hiptese nula.

O intervalo de confiana de um parmetro populacional fornece um intervalo no qual se est confiante da cobertura do verdadeiro valor do parmetro. Para amostras pequenas, o desvio padro uma estimativa pouco confivel de mdia da populao e no se pode estimar uma distribuio normal. Por isso, foi utilizado um valor maior para refletir a reduo na confiana. Obteve-se o valor requerido da tabela de distribuio t Distribuio T de Student. Tomamos o valor correspondente linha r = n-1 graus de liberdade. Quanto menor n, ou seja, nmeros de experimentos, maiores os valores de t. Ento um intervalo de confiana exato dado pela equao 11.

( ) ( )1,0.05 1,0.05,n nS SX t x X t xn n

+

Equao 11

Para comparar os valores e averiguar se existe diferena significativa entre as constantes acustoelsticas, nos sentidos longitudinais e transversais ao sentido de laminao, utiliza-se o teste de Hiptese para comparao de mdias independentes. Primeiro estabelece a hiptese nula que ser testada. H0: 1 = 2

H1: 1 2

Como o nmero de experimentos pequeno e a mdia amostral independente, calcula-se a varincia combinada pela equao 12.

2 22 1 1 2 2

1 2

( 1) ( 1)2p

n S n SSn n

+ =

+

Equao 12

A seguir calcula-se a estatstica do teste tcal e compara com o valor de Ttab com n1+n2-2 graus de liberdade, conforme anexo II. A hiptese nula ser rejeitada se tcal>Ttab com /2.

48

1 2

1 2

1 1cal

p

x xt

Sn n

=

+

Equao 13

3.7. Medio da birrefringncia acstica

A etapa seguinte foi a de realizar a aquisio do tempo de onda ultra-snica nas chapas de ao API 5L X70 laminadas a quente, retirada das bobinas 6627 e 6628 no incio e fim de cada uma e tubos da mesma chapa fabricados pelo processo Apolo Tubulars, que consiste numa conformao controlada, fazendo as tiras de ao passarem por entre rolos at atingirem a forma do tubo e aps, h a soldagem, do tipo por induo a alta freqncia com um rebarbamento interno e externo. As dimenses das peas j foram descritas no item 3.2. Os ensaios consistiram na medio de 10 pares de tempo de percurso de onda ultra-snica, em 40 pontos distintos, de 3 zonas selecionadas na chapa, extremidades e meio.

Os pontos foram dispostos de forma a abranger toda a chapa, porm eqidistantes entre si cerca de 5 cm e afastados 2 cm das bordas. A disposio conforme figura 33.

0,1m 0,3m 0,1m Figura 33 Esquema da tira medida.

Os pontos selecionados foram identificados comeando na lateral e crescendo no sentido do comprimento na chapa, na direo longitudinal direo de laminao, lixados para evitar irregularidades na superfcie e limpos para obter o melhor acoplamento do transdutor chapa, sem interferncias.

Para os tubos foram medidos 10 pares de tempo de percurso de onda ultra-snica em 20 pontos distintos, dispostos conforme posio da solda no tubo: +12h, +3h, +6h,

5ptos 20 pontos 5ptos

49

+9h, -12h em 4 linhas circunferenciais ao longo do cumprimento, distantes de 10 cm uma da outra, para evitar interferncia da onda emitida de um ponto a outro e abranger a maior parte do tubo, sendo que os primeiros pontos afastados 2 cm da borda usinada. A disposio conforme figura 34.

Figura 34 Regies dos tubos analisados.

O equipamento e o acoplante utilizado foram descritos anteriormente. Durante todo o processo foi feito o acompanhamento da temperatura ambiente

atravs de um termmetro, visto que para melhor estabilidade dos resultados, aguardava-se um tempo para que se igualassem as temperaturas. Trabalhou-se sempre com 23 2C, conforme estudo sobre a influncia da temperatura de Miyaura [50].

Os ecos utilizados para obteno do tempo de onda ultra-snica foram o terceiro e o quarto ecos. Esta escolha foi feita com base na amplitude do eco mostrado na tela e na influncia do campo prximo ao cristal piezeltrico, responsvel pela gerao da onda ultra-snica, mostrando estes picos no sere