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PUC – Rio
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Departamento de Engenharia Mecânica
Laboratório de Integridade Estrutural
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES TUBULARES
Jorge Diniz
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
Objetivos •Avaliar a resistência de espécimes tubulares full scale
• Sem defeito
• Com defeito de perdas de espessura – Usinados / reais
•Avaliar a resistência a fadiga de espécimes tubulares
• Com defeitos - mossas
•Avaliar o desempenho de reparos estruturais em material composto
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
Tubos com defeitos usinados
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
Tubos com mossas
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
Tubos com reparos por materiais compostos
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
VIDEO
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Laboratório de Integridade Estrutural
J.L. Freire e R.D.Vieira
Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Tampos – Dimensionamento, soldagem
•Defeitos
• Usinagem / Eletro erosão
• Endentação - mossa
•Reforços em materiais compostos
•Controle dimensional
•Instrumentação
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Tubos de condução – Dutos
• Normas API
•Classificação• PSL1 – Product specification Level 1
• PSL 2 – Product specification Level 2
Maior rigor na fabricação
Controle na composição química
Controle na especificação de resistência
Requisito de tenacidade
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Composição química
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Resistência Mecânica
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Requisito de tenacidade
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Matéria prima
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Matéria prima
cilindros
de trabalho
torque
cilindros
de apoio
placa
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura
UOE
ERW
JCO
Dobramento helicoidal
• Sem costura
Fundição
Extrusão
Trefilação
Laminador obliquo
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – UOE
expansão dobramento O
▼▲
prensagem das bordas
dobramento U
SOLDAGENS
INTERNA E
EXTERNA
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – UOE
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – UOE
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – ERW
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – ERW
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – ERW
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – JCO
(a) (b)
Etapas de conformação incremental da chapa no processo JCO.
Desenho esquemático de uma calandra piramidal: (a) início do dobramento, (b) término
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – JCO
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – Dobramento helicoidal
β
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Com costura – Dobramento helicoidal
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Fundição
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Extrusão
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Trefilação
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Laminador obliquo
mandril mandril
roletes
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Laminador obliquo
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Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Laminador obliquo
![Page 31: PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES TUBULARESedpsm.usuarios.rdc.puc-rio.br/Assunto13-Fabricacao_Espec...Materiais para fabricação de dutos não devem apresentar baixa soldabilidade,](https://reader034.vdocuments.com.br/reader034/viewer/2022052008/601d9dc3b0377528717272a4/html5/thumbnails/31.jpg)
Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação
•Processo de fabricação
• Sem costura – Laminador obliquo
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Fabricação de espécimes tubulares •Fabricação de tubos API - Inspeção
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento, soldagem
•ASME Seção VIII Divisão 1, UG-34, edição de 2010, onde:
• t=di(CP/SE)1/2, sendo:
di = diâmetro interno do tubo
C = fator que depende da conexão entre as partes e das suas dimensões
P = pressão de projeto
S = tensão admissível do tampo
E = eficiência da junta soldada.
Exemplo:
Tubos com di = 279 mm, P = 70 MPa, C = 0,33, E = 0,6 e S = 320 MPa
Tem-se: t = 96,9 mm => foi utilizado tampos com 4” (101,6 mm)
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem
•MB – Metal base – tubo original
•ZF – Zona de fusão – Solda – metal depositado
•ZTA – Zona termicamente afetada - parte do material do
tubo que foi afetado pelo calor da solda.
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem
•Processos– Resistência – sem metal de adição – Eletrodo revestido
– TIG/Mig/Mag – Arco Submerso
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem
•Processos
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem
•Consumíveis – classe de resistência– Classe 60 xx = 60 KPSI (413 MPa) de Su
– Classe 70 xx = 70 KPSI (482 MPa) de Su
– Classe 80 xx = 80 KPSI (551 MPa) de Su
•Soldabilidade – % C e Cequivalente
•Especificação de Procedimento de soldagem – EPS– Especificação de metal base
– Processo de soldagem
– Consumível de soldagem
– Pre, pós e tratamento térmico de alivio de tensões
– Configuração de chanfro (perfil da solda)
– Metodos de inspeção
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Fabricação de espécimes tubulares •Soldagem – Tubos e Tampos
•Produtividade– Aporte térmico – Energia – T
Materiais para fabricação de dutos não devem apresentar baixa
soldabilidade, visto que sempre haverá solda. Mesmo os dutos sem
costura, são soldados em campo. A menos dos tubos utilizados para
perfuração (drill pipes) que possuem elevadíssima resistência, e são
conectados por elementos roscados.
– Micro estrutura
A micro estrutura resultante do processo de soldagem, deve
garantir, no mínimo, valores de resistência mecânica e tenacidade
iguais aos mínimos especificados pelas normas.
Normalmente o metal de solda apresenta bons valores de
resistência, entretanto a ZTA do metal base (duto) pode apresentar
fragilização e perda de propriedades devido ao ciclo térmico
imposto.
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem
•Garganta efetiva - Deve-se considerar a menor área
resistente em uma junta soldada.
• Solda de emenda de tubos
Junta de topo = área do tubo
• Solda do tubo com o tampo
Junta em angulo = área do tubo, resistência do
tampo
• Solda do tubo com o tampo com filete de
reforço
Junta em ângulo
Área do tubo < área de solda
Filete de reforço tem objetivo de diminuir
gradiente de deformações, diminuindo o Kt.
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem
•Tensão admissível.
• Solda de emenda de tubos
Junta de topo tracionada
Tensão axial
adm = 0,6 Sy
• Solda do tubo com o tampo
Junta de angulo tracionada
Tensão axial
adm = 0,6 Sy
Tensão cisalhante atuante
adm = 0,3 Sy
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Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem
•Exemplo
•Tubo de 323 mm de diametro, 22 mm de espessura em aço X60
PSL2.
•Consumível?
•X60 – Sy= 415 a 585 MPa
• Consumível classe 70xx – Sy= 393 e Su= 482 MPa – não atende
• Consumível classe 80xx – Sy= 462 e Su= 551 MPa – ok
•Tensão cisalhante – garganta efetiva
•tensão axial
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ALGUNS TÓPICOS EM PROPRIEDADES MECÂNICAS
DOS MATERIAIS DOS TUBOS
0
t.2
D.pl.D.pl.t..2
0F
L
cc
verticais
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Superfície externa de um tubo cilíndrico
de parede fina sob pressão interna
sem tampos e não enterrado
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D
Superfície externa de um tubo cilíndrico
de parede fina sob pressão interna
com tampos e não enterrado
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Usinagem / Eletro erosão
•Objetivos
• Comparar com metodologias de avaliação de integridade
API 579
ASME B31.8
• Extender o tempo de operação
•Processo e geometria dos defeitos
• Fresagem• Arrancamento de material
• Tensões residuais
• Influencia nos resultados
• Eletro erosão• Erosão de material
• Sem ensões residuais
• Processo lento e caro
• Formas livres Influencia nos resultados
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Eletro erosão
• Simular um defeito por perda
de espessura devido a corrosão
• Processo análogo à corrosão
• Usinagem convencional
• Fratura do material
• Tensões residuais
• Alteração do estado de tensões local
• Eletro erosão
• Corrosão do material
• Tensões residuais muito baixas
• Sem alteração do estado de tensões local
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Eletro erosão
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Eletro erosão
• Fotos e Videos
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Eletro erosão
• Fotos e Videos
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Mossas
• Indentações feitas por ferramentas
visando simular falhas na instalação
• Causadas por rochas ou máquinas
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Mossas
• Indentações feitas por ferramentas
visando simular falhas na instalação
• Causadas por rochas ou máquinas
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Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados
• Mossas
• Re-rounding ou rearedondamento hidraulico
• Para a geometria desejada
• video
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Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos
•Materiais compostos– Menor tempo de reparo
– Menor custo em relação a substituir trecho do duto
•Composição– Fibra vidro / fibra de carbono
– Embebidas em resina de poliuretano ou epoxy
•Objetivo do reparo– Recuperar a resistência de operação do duto
– Estática e cíclica (fadiga)
•Objetivo do projeto de pesquisa– Verificar a efetividade do reparo
– Verificar a resistência dos materiais utilizados
– Verificar o comportamento do reparo ao longo do tempo
deformação aumenta com carregamento constante?
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Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos
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Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos
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Fabricação de espécimes tubulares •Controle dimensional
•Atendimento à especificação de projeto do duto
•Atendimento a especificação de projeto espécime
•Exatidão do modelo de elementos finitos
•Exemplos da importância das verificações
•Ovalização
•Concentricidade
Variação de espessura
•Desalinhamento do defeito
Longitudinal transversal
•Variação de espessura do defeito
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Fabricação de espécimes tubulares •Controle dimensional
•Instrumentos
•Diâmetros – paquímetro
•Posição - trena
•Comprimento e largura – escala linear
•Espessuras removida – paquímetro
•Espessuras nominais e residuais – ultrassom
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Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação
•Objetivo – calibrar o modelo numérico
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Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação
•Objetivo – calibrar o modelo numérico
•Transdutores de pressão, com aquisição eletrônica
Monitorar a pressão interna
•Sensores de deformação - Pontual– Resistencia elétrica e fibra óptica
•Strain gage resistência elétrica
•*k = R/R
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Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação
•Técnicas experimentais em desenvolvimento– Mapa global de deformações
– Análise Digital de Imagem – DIC
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Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação
•Técnicas experimentais em desenvolvimento– Mapa global de deformações
– Análise termoelástica de Tensões - TSA
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Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação
•Técnicas experimentais em desenvolvimento
– Shearografia
– Avaliação de integridade de materiais compósitos
– Incidência de laser x resposta de pressão
– Detecção de vazios e/ou pontos sem aderência de resina