propagação de trincas aço api 5l x70

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unesp UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” CAMPUS DE GUARATINGUETÁ BRUNO ANTONIO SORRIJA CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DE JUNTA SOLDADA COM ARCO SUBMERSO E ANÁLISE DA PROPAGAÇÃO DE TRINCAS EM UM TUBO DE AÇO API X70 Guaratinguetá 2012

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Trabalho de graduação, tema propagação de trincas em tubos utilizados na indústria de petróleo e gás.

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unesp

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTAJLIO DE MESQUITA FILHOCAMPUS DE GUARATINGUET

BRUNO ANTONIO SORRIJA

CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL DE JUNTA SOLDADACOM ARCO SUBMERSO E ANLISE DA PROPAGAO DE TRINCAS EMUM TUBO DE AO API X70

Guaratinguet2012

BRUNO ANTONIO SORRIJA

CARACTERIZAO MICROESTRUTURAL DE JUNTA SOLDADA COMARCO SUBMERSO E ANLISE DA PROPAGAO DE TRINCAS EM UMTUBO DE AO API X70

TrabalhodeGraduaoapresentado ao Conselho de Curso deGraduao em Engenharia Mecnicada Faculdade de Engenharia doCampusdeGuaratinguet,Universidade Estadual Paulista, comoparte dos requisitos para obteno dodiploma de Graduao em EngenhariaMecnica.

Orientador: Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento

Guaratinguet2012

S714c

Sorrija, Bruno AntonioCaracterizao microestrutural de junta soldada com arco submerso eanlise da propagao de trincas em um tubo de ao API X70 / BrunoAntonio Sorrija Guaratinguet : [s.n], 2012.80 f : il.Bibliografia: f. 76-80Trabalho de Graduao em Engenharia Mecnica UniversidadeEstadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguet, 2012.Orientador: Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento1. Ao fadiga 2. Juntas soldadas I. TtuloCDU 620.178.3

DADOS CURRICULARESBRUNO ANTONIO SORRIJA

NASCIMENTO

21.10.1989 ZURIQUE / SUA

FILIAO

Rafael Antonio SorrijaFtima Aparecida Lopes Sorrija

2007/2012

Curso de Graduao em Engenharia MecnicaUNESP Universidade Estadual Paulista Jlio deMesquita Filho.

de modo especial, a minha famlia: meus pais Rafael e Ftima,meu irmo Lucas e meus gatos Hrus e sis.

AGRADECIMENTOSEm primeiro lugar agradeo a Deus pela minha inteligncia e pelas inmerasoportunidades recebidas, sem as quais no teria chegado at aqui.Ao meu orientador, Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento que contribuiuno apenas como meu orientador, mas tambm como meu amigo. Acreditou em meupotencial para a realizao deste Trabalho de Graduao, confiando a mim idiasnovas e me ajudando no que fosse preciso. Puxa vida! minha famlia, meus pais Rafael e Ftima, os quais sempre me deixaram livrespara fazer minhas prprias escolhas, e meu irmo Lucas, que a despeito de nossasdivergncias o meu melhor amigo e do qual tenho muito orgulho.Aos meus gatos Hrus e sis, pelos momentos de alegria e descontrao durantemeus estudos e realizao deste trabalho.Ao Prof. Dr. Carlos Baptista e ao tcnico Francisco Paiva do DEMAR/EEL USP, pelo auxlio e gentileza da realizao de meus ensaios de propagao de trincas. TenarisConfab atravs da pessoa do Engenheiro Srgio Kojima pelofornecimento dos tubos utilizados neste trabalho.A meus amigos: Diego Ferolla de Abreu, Fbio Eduardo Ferraz de Carvalho,Felipe Guimares Kretzer e Rodrigo Cirino Silva pelo apoio, incentivo e bonsmomentos durante estes anos.s amigas Camila Ribeiro e Christyane Oliveira Leo Almeida, pelo auxliomtuo durante a realizao de nossos trabalhos de graduao. amiga DanielaCarolina Marques, pelos momentos de compreenso e pacincia comigo,especialmente ao longo deste ano.

O maior vitorioso no aquele que derruba as muralhas de um castelo,mas aquele que consegue adentr-lo pacificamente atravs de seus portes.Bruno Antonio Sorrija

SORRIJA, B. A. Caracterizao microestrutural de junta soldada com arcosubmerso e anlise da propagao de trincas em um tubo de ao API X70. 2012.80 f. Trabalho de Graduao (Graduao em Engenharia Mecnica) Faculdade deEngenharia

do

Campus

de

Guaratinguet,

Universidade

Estadual Paulista,

Guaratinguet, 2012.RESUMONo presente trabalho foi realizado um estudo sobre a propagao de trincas de fadigaem corpos de prova retirados a 90o e 180o da junta soldada de um tubo de ao API 5LX70 utilizado na conduo de petrleo e gs. Estes tipos de aos apresentamexcelentes valores de resistncia mecnica e ductilidade e tem sido cada vez maisestudados, devido ao aumento da demanda de petrleo e especialmente gs natural quepor consequncia, eleva a necessidade de construo de novos dutos para o transportedestes insumos. Oscorpos de prova do estudo, de trao e de propagao de trincas,foram retirados diretamente de tubos fornecidos pela TenarisConfab em conformidadecom as normas API 5L e ASTM E647, respectivamente.Os resultados obtidos nosensaios de trao atenderam as especificaes da norma API 5L. Os resultados dosensaios de propagao de trinca mostraram resistncia dez vezes menor na regiolocalizada a 90o em relao junta soldada comparativamente a regio localizada a180o (regio diametralmente oposta junta soldada). Anlises metalogrficas e demicrodureza do material-base e da junta soldada complementaram o estudo.PALAVRAS-CHAVE: Dutos para petrleo e gs. Caracterizao de junta soldada.Aos API X70. Propagao de trincas de fadiga.

SORRIJA, B. A. Microstructural characterization of a welded joint by SAWprocess and fatigue crack growth rate analysis in an API X70 steel pipe. 2012. 80f. Graduate Work (Graduate in Mechanical Engineering) - Faculdade de Engenharia doCampus de Guaratinguet, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguet, 2012.ABSTRACTIn this work a study of the fatigue crack growth rates in specimens taken from 90 and180 of a welded joint of an API 5L X70 steel pipe, which is used in the manufactureof oil and gas pipelines, has been made. This class of steel show high strength andductility values, and has been increasingly studied due the growing demand of oil andnatural gas, which in consequence, increases the needing of new pipelines to transportthem. The material studied has been directly taken from a tube provided byTenarisConfab, according to the standards API 5L and ASTM E647, for the tensiletests and fatigue crack growth respectively. The results of the tensile tests obtained arein accord with the specifications of the API 5L. The results of the crack growth testsshowed a fatigue crack will grow ten times faster in a region situated 90 of the weldedjoint when compared to a 180 region. Metallographic and microhardness analysis ofthe base material and welded joint complemented this work.KEYWORDS: Oil and gas pipelines. Welded joint characterization. API X70 steel.Fatigue crack growth rate.

LISTA DE FIGURASFigura 1 Construo de uma linha dutoviria nos EUA, comeo do sculo XX .. 18Figura 2 Construo de uma linha dutoviria nos dias atuais ............................... 19Figura 3 Mapa dos gasodutos presente no Brasil e Amrica do Sul e reservas degs natural disponveis ............................................................................ 21Figura 4 Evoluo das reservas provadas de gs natural no Brasil ....................... 22Figura 5 Evoluo das reservas provadas de petrleo no Brasil ........................... 22Figura 6 Foto da regio da Vila Soc destruda aps o acidente .......................... 24Figura 7 Foto indicando a bola de fogo formada no acidente do gasoduto emGhilslenghien .......................................................................................... 26Figura 8 Deflexes de um tubo de ao durante o transporte ................................. 27Figura 9 Evoluo dos graus dos aos utilizados na manufatura de tubos daindstria de petrleo e gs nos ltimos 50 anos ...................................... 29Figura 10 Economia de material com uso de aos de maior resistnciamecnica ............................................................................................... 32Figura 11 Evoluo do tamanho do gro da austenita e da nucleao posteriordaferrita em funo da temperatura do processo .................................. 35Figura 12 Etapas do processo de laminao controlada ........................................ 35Figura 13 Processo de fabricao SAW Longitudinal (U-O-E) ............................ 36Figura 14 Processo mais detalhado da fabricao e controle dos tubos................ 37Figura 15 Esquema ilustrando o processo SAW e seus principais elementos ...... 38Figura 16 Macrografia esquemtica de uma junta soldada indicando suasdiferentes zonas..................................................................................... 40Figura 17 Zonas e subzonas de uma junta soldada monopasse ............................. 41Figura 18 Curva genrica de fadiga obtida em ensaios com aos ......................... 43Figura 19 Configurao de corpo de prova do tipo compacto de acordo com asespecificaes da norma ASTM E647 .................................................. 44Figura 20 Grfico tpico de um ensaio de propagao de trincas com destaquepara trs regies distintas: A B e C ....................................................... 45

Figura 21 Representao de crescimento de uma trinca de fadiga pormecanismo de abaulamento e afilamento da ponta da trinca ............... 47Figura 22 Ponta de uma trinca com respectivas zonas de interesse ...................... 47Figura 23 Ponta de uma trinca e respectivas zonas plsticas, momentnea ecausada pela sobrecarga: a-) imediatamente aps a sobrecarga, b-) apsuma certa propagao da trinca e c-) aps a propagao pela zona plstica causadapela sobrecarga ..................................................................................... 48Figura 24 Sobrecarga ocorrendo em um carregamento e como esta afeta avelocidade de propagao de uma trinca .............................................. 49Figura 25 Representao de um anel de tubo convenientemente dividido emquatro regies, tomando como referncia 0 o cordo de solda ........... 52Figura 26 Corte de um anel de tubo atravs do processo de oxicorte. .................. 52Figura 27 Trechos de tubo cortados atravs de oxicorte numerados paraposterior identificao........................................................................... 53Figura 28 Trecho de anel de tubo sendo cortado com auxlio de serra hidrulicada Oficina Mecnica do Departamento de Materiais e Tecnologia,FEG/UNESP ......................................................................................... 53Figura 29 Esquema de corpo de prova de trao cilndrico ensaiado. .................. 55Figura 30 Esquema de corpo de prova de trao plano ensaiado. ......................... 55Figura 31 Esquema de corpo de prova de propagao de trincas ensaiado. ......... 56Figura 32 Corpo de prova durante a nucleao da pr trinca... ............................. 57Figura 33 Corpo de prova durante o ensaio de propagao de trincas. ................. 58Figura 34 Corpo de prova durante o ensaio de propagao de trincas, comdestaque para o clip gage... ................................................................... 59Figura 35 Ruptura de um corpo de prova de maneira esttica aps a realizaodo ensaio... ............................................................................................ 59Figura 36 Pontos os quais tiveram seus valores de dureza mensurados duranteo ensaio. ................................................................................................ 60Figura 37 Macrografia da junta soldada, com destaque para as soldas realizadase para a representao do formato do chanfro tipo duplo V (emvermelho). ............................................................................................. 62

Figura 38 Macrografia da junta soldada com destaque para as ZTAS, groscolunares e descontinuidades... ............................................................. 63Figura 39 Micrografias do material-base e da junta soldada, ampliao de 200x.a-)Material-base, b-) ZTA, c-) Material da Solda..................................64Figura 40 Micrografias do material-base e da junta soldada, ampliao de 500x.a-) Material-base, b-) ZTA, c-) Material da Solda................................ 65Figura 41 Micrografias do material-base e da junta soldada, ampliao de 1000x.a-) Material-base, b-) ZTA, c-) Material da Solda................................ 66Figura 42 Grfico de um ensaio de trao realizado: corpo de prova 5 de traoretirado da direo longitudinal do tubo.... ........................................... 68Figura 43 Aspecto da superfcie dos corpos de prova aps a realizao do ensaio,notar a diferena entre as regies da pr trinca, propagao de trincadurante o ensaio e fratura esttica aps o final do ensaio ..................... 69Figura 44 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 1 retirado deuma posio a 90 . ............................................................................... 69Figura 45 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 2 retirado deuma posio a 90 . ............................................................................... 70Figura 46 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 3 retirado deuma posio a 90 . ............................................................................... 70Figura 47 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 1 retirado deuma posio a 180 . ............................................................................. 71Figura 48 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 2 retirado deuma posio a 180 . ............................................................................. 71Figura 49 Grfico de propagao de trincas para o corpo de prova 3 retirado deuma posio a 180 . ............................................................................. 72Figura 50 Exemplo de obteno de uma reta e sua respectiva equao atravs doExcel (exemplo para o corpo de prova 90 1). ...................................... 73

LISTA DE TABELASTabela 1 Quantidade e extenso de dutos em operao, por funo, segundoprodutos movimentados ........................................................................ 20Tabela 2 Valores de dureza mensurados em cada ponto ....................................... 61Tabela 3 Resultados obtidos nos ensaios de trao ............................................... 67Tabela 4 Valores das constantes C e m obtidas a partir dos resultados dosensaios de propagao de trincas. ......................................................... 74

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANP Agncia Nacional do PetrleoAPI American Petroleum InstituteARBL Alta Resistncia Baixa LigaAWS American Welding SocietyCTI/FEG Colgio Tcnico Industrial da Faculdade de Engenharia de GuaratinguetEEL/USP Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de So PauloHFW High Frequence WeldingHIC Hydrogen Induced CrackingMB Material BaseREC Regio de Esferoidizao de CarbonetosRI Regio IntercrticaRGF Regio de Gros FinosRGG Regio de Gros GrosseirosRS Regio SubcrticaSAW Submerged Arc WeldingZF Zona FundidaZTA Zona Termicamente Afetada

LISTA DE SMBOLOSB BoroE Mdulo de YoungH HidrognioMo MolibdnioNb NibioTi TitnioV Vandioe Tenso de escoamentomx Tenso mximarup Tenso de ruptura Ferrita

SUMRIO11.1

INTRODUO .......................................................................................... 17O transporte dutovirio ............................................................................. 17

1.21.31.3.11.3.21.422.12.1.1

Situao no Brasil ....................................................................................... 19Justificativas e relevncia do trabalho ..................................................... 23Panorama geral .......................................................................................... 23Danos por fadiga em tubulaes ............................................................... 26Objetivos ...................................................................................................... 27REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................. 27A utilizao do ao na indstria de petrleo e gs................................... 27Classificao dos aos, panorama e perspectivas .................................... 27

2.1.22.1.32.22.32.3.12.3.22.3.32.42.4.12.4.22.4.2.12.4.2.22.4.2.32.4.2.433.13.2

Os aos microligados .................................................................................. 30O processo de conformao termomecnico ............................................ 33Processo de fabricao dos tubos .............................................................. 36A junta soldada ........................................................................................... 37Processo de soldagem via Arco Submerso ............................................... 37Caractersticas gerais da junta soldada.................................................... 39As caractersticas da ZTA e a formao de zonas frgeis ...................... 40O estudo da propagao de trincas de fadiga .......................................... 42Ensaios de fadiga ........................................................................................ 42Ensaios de propagao de trincas ............................................................. 43Panorama geral ........................................................................................... 43A taxa de crescimento da trinca e a variao da intensidade detenses .......................................................................................................... 44A zona plstica na ponta da trinca e a influncia de sobrecargas ......... 47Alguns fatores de influncia na propagao de trincas por fadiga........ 49MATERIAIS E MTODOS ...................................................................... 50Materiais ...................................................................................................... 50Mtodos........................................................................................................ 51

3.2.13.2.23.2.3

Corte dos anis de tubos............................................................................. 51Microdureza Vickers .................................................................................. 54Metalografia ................................................................................................ 54

3.2.3.13.2.3.23.2.4

Macrografia................................................................................................. 54Micrografia.................................................................................................. 54Ensaios de trao ........................................................................................ 54

3.2.544.1

Ensaios de propagao de trincas ............................................................. 56RESULTADOS E DISCUSSO ............................................................... 60Ensaio de microdureza Vickers ................................................................. 60

4.24.2.14.2.24.34.4

Metalografia da junta soldada .................................................................. 61Macrografia................................................................................................. 61Micrografia.................................................................................................. 63Ensaios de trao ........................................................................................ 65Ensaios de propagao de trincas ............................................................. 68

567

CONCLUSES........................................................................................... 74SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .................................... 75REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ..................................................... 76

17

1 INTRODUOA matriz energtica mundial majoritariamente fssil. Somente seus trs principaiscombustveis, petrleo, gs e carvo, so responsveis por suprir 87% da demanda energticado planeta, com o petrleo respondendo por 33,1% do consumo global de energia e o gsnatural correspondendo hoje a cerca de 20% do consumo, com possibilidade de at 2030passar a responder por 26% de acordo com estimativas recentes (BRITISH PETROLEUMINSTITUTE, 2012). O destaque e possibilidade de expanso da participao do gs naturalcomo combustvel tm como base os seguintes fatores:i) a disponibilidade de gs natural muito maior que a de petrleo;ii) a explorao dessas reservas ainda limitada;iii) a necessidade de substituio de poluentes em atendimento aoProtocolo de Kyoto (NASCIMENTO, 2009)O gs natural que antes era considerado incmodo ao ser encontrado junto com opetrleo, exigindo procedimentos de segurana que encareciam e complicavam as atividadesde prospeco (considerando a incipiente indstria de petrleo dos EUA no sculo XIX), apartir dos anos 80 do sculo XX torna-se a fonte de energia de origem fssil a registrar maiorcrescimento no mundo (ANEEL, 2008). Apresenta uma vantagem ambiental significativa emrelao a outros combustveis fsseis, em funo da menor emisso de gases que contribuempara o efeito estufa, especialmente considerando que o volume de CO2 lanado na atmosferapode ser entre 20% e 23% inferior quele produzido pela queima do leo combustvel e entre40% e 50% inferior quando so considerados combustveis slidos, como o carvo (ANEEL,2008). Apresenta tambm uma queima mais eficiente e com menor gerao de resduos epoluentes quando comparado a combustveis fsseis e lquidos.1.1 O transporte dutovirioOs primeiros registros do uso de dutos para o transportes de hidrocarbonetos vm daChina antiga, onde eram utilizados tubos de bambu vedados com cera para transportar gsnatural, queimado como fonte de iluminao de cidades, cerca de 400 antes de Cristo(HOPKINS, 2007). Saindo da antiguidade para o sculo XIX, a primeira tubulao modernautilizada para transporte de petrleo foi construda na Pensilvnia EUA, em 1865, um dutode ferro fundido de seis polegadas (152,4 milmetros) de dimetro e cinco milhas

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(aproximadamente oito quilmetros) de extenso transportando cerca de 7000 barris depetrleo por dia (um barril de petrleo vale aproximadamente 159 litros) (HOPKINS, 2007).Dutos com maiores extenses logo comearam a ser construdos, sendo que em 1906 umalinha com oito polegadas de dimetro e 472 milhas (759 quilmetros), tambm nos EUA entreos estados de Oklahoma e Texas. Uma imagem apresentando a construo de uma linhadutoviria no comeo do sculo XX pode ser observada na Figura 1.

Figura 1 Construo de uma linha dutoviria nos EUA, comeo do sculo XX (HOPKINS,2007).

Linhas cada vez mais extensas e com dimetros cada vez maiores com o passar dotempo foram construdas para atender a crescente demanda tanto pelo petrleo e seusderivados, quanto pelo gs natural.

Estima-se que no mundo hoje existam 3 500 000

quilmetros de linhas dutovirias para o transporte de gs, petrleo e seus derivados, comuma expanso de 32 000 quilmetros por ano. Destas, 64% transportam gs natural, 19%transportam derivados de petrleo e 17% transportam o petrleo cru (HOPKINS, 2007). Amaneira de implantao destas linhas tambm evoluiu com o tempo passando de praticamentemanual nos primrdios da indstria de petrleo e gs para sistemas mais modernos, comutilizao de mquinas, guindastes e apresentando controles e inspees mais rigorosos, demodo a minimizar ao mximo a possibilidade de ocorrncia de acidentes. A Figura 2apresenta a construo de uma linha dutoviria atual.

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Figura 2 Construo de uma linha dutoviria nos dias atuais (HOPKINS, 2007).

Como apresentado, a demanda crescente do gs natural j se reflete nas linhasdutovirias em atividade, considerando ainda que muitas das fontes de gs natural seencontram longe dos pontos de maior consumo (urbanos e industriais) h uma necessidadecrescente de construo de linhas dutovirias cada vez mais extensas e que exigem pressesde transporte cada vez mais elevadas. Torna-se portanto imperativo, a pesquisa e odesenvolvimento de materiais adequados para a manufatura de tubos utilizados na construodestas linhas. A opo pelo transporte em dutos apresenta diversas vantagens. Do ponto devista da segurana, os dutos so 40 vezes mais seguros que o transporte de hidrocarbonetosatravs de vago tanques (transporte ferrovirio) e at 100 vezes mais seguros que otransporte por estradas e rodovias utilizando caminhes tanques (HOPKINS, 2007). Tambmdo ponto de vista econmico, o transporte dutovirio significativamente mais barato, sendomais de seis vezes mais barato que o transporte ferrovirio e mais de sete vezes mais baratoque o rodovirio (ASSOCIATION OF OIL PIPEPILES, 2012).

1.2 Situao no BrasilO Brasil conta com reservas significativas de petrleo e gs natural, com novasdescobertas sendo realizadas periodicamente. O pas dispe segundo dados do ltimo balanoanual da Agncia Nacional do Petrleo (2011), de reservas totais da ordem de 30 bilhes de

20

barris de petrleo e de 900 bilhes de metros cbicos de gs natural, valores que nos ltimos10 anos mais que dobraram no caso do petrleo e praticamente triplicaram no caso do gsnatural. Este crescente potencial energtico demandar cada vez mais investimentos emtecnologias de prospeco e de transportes destas reservas de hidrocarbonetos, da aimportncia das pesquisas relacionadas a dutos utilizados na indstria do petrleo e gs.Em termos de nmeros, se comparada a outras regies do globo a malha brasileiraainda modesta: a Unio Europia opera 800 mil quilmetros de dutos, o Canad mais de 250mil e a Rssia vai alm de 300 mil quilmetros (PORTAL PETRLEO & ENERGIA, 2012).O Brasil conta com uma malha dutoviria de quase 20 mil quilmetros, como pode serobservado na Tabela 1, enquanto um mapa dos gasodutos do Brasil e da Amrica do Sul, emoperao, construo e estudo pode ser observado na Figura 4.Tabela 1 Quantidade e extenso de dutos em operao, por funo, segundo produtosmovimentados (AGNCIA NACIONAL DO PETRLEO, 2011).

Produtos movimentados

Dutos em operaoFunoQtde.

Extenso [km]

Total

Ambos

586

19 715

Derivados

TransfernciaTransporte

30998

1 1054 792

Gs natural

TransfernciaTransporte

6347

2 2769 481

Petrleo

Transferncia

32

1 985

Outros

TransfernciaTransporte

325

3640

21

Figura 3 Mapa dos gasodutos presente no Brasil e Amrica do Sul e reservas de gs naturaldisponveis (COMPANHIA DE GS DO CEAR, 2012).

Como apresentado em sees subseqentes, o gs natural tem destaque como umafonte de energia mais limpa e eficiente (em comparao a outros combustveis fsseis) eapresenta uma perspectiva de aumento de sua utilizao. Somando isto ao fato de que mais dametade da malha dutoviria j se destina ao seu transporte e transferncia, possvel preverque num futuro prximo com o aumento da utilizao do gs natural, tambm seja necessrioampliar de maneira significativa as linhas dutovirias brasileiras. No planejamento estratgicoda Petrobras, a previso que a oferta de gs natural no Brasil chegue a 78 milhes de m/diaat 2015, e 102 milhes m/dia at 2020, praticamente triplicando os valores atuais (PORTALPETRLEO & ENERGIA, 2012). Este aumento da produo de gs vai demandarespecialmente sistemas de transporte martimo para garantir o escoamento do mesmo poistanto as novas reservas de gs quanto as de petrleo esto localizadas em sua esmagadoramaioria no oceano, como pode ser verificado nas Figuras 4 e 5.

22

Figura 4 Evoluo das reservas provadas de gs natural no Brasil (AGNCIA NACIONAL DOPETRLEO, 2011).

Figura 5 Evoluo das reservas provadas de petrleo no Brasil (AGNCIA NACIONAL DOPETRLEO, 2011).

Deve ser levado em conta que enquanto o petrleo pode ser retirado das unidades deproduo por navios e transferido para os terminais, o transporte de gs natural dever serfeito por dutos martimos, uma vez que est descartado, por enquanto, o uso de navios deliquefao e regaseificao embarcadas (PORTAL PETRLEO & ENERGIA, 2012).

23

1.3 Justificativas e relevncia do trabalho1.3.1 Panorama geralComo pode ser notado, uma tendncia cada vez maior no mundo a utilizao delinhas dutovirias como um meio de transporte de insumos da indstria de petrleo e gs. Aslinhas de transmisso esto se tornando cada vez mais extensas, exigindo que o fluidotransportado seja submetido a presses cada vez maiores de trabalho para que possa vencer asperdas de carga a ele impostas. Contudo, maiores presses de trabalho vo submeter amaiores valores de tenso as paredes dos dutos. Uma soluo a este problema seria aumentar,cada vez mais, a espessura das paredes dos tubos de modo que eles pudessem suportar acondies cada vez mais severas. Obviamente isso no interessante do ponto de vistaeconmico, tubos com paredes mais espessas seriam cada vez mais caros, devido utilizaode mais material e tornar-se-iam cada vez mais pesados, dificultando operaes de transportee de implantao (estas maiores dificuldades tambm impactariam em maiores custos). Umasada para esses problemas foi o surgimento de aos especialmente desenvolvidos para aindstria de petrleo e gs, classificados pelo API American Petroleum Institute. Hoje osaos utilizados so do tipo ARBL (alta resistncia baixa liga) microligados. Esses aos aliamum baixo teor de carbono (hipoeutetides e com porcentagem de carbono da ordem de 0,2%)a uma grande variedade de elementos de liga que concomitantemente a um processamentotermomecnico rigoroso, levam a obteno de aos com elevada resistncia mecnica, masainda com significativa tenacidade e ductilidade. Estas caractersticas permitem que as linhasdutovirias apresentem os maiores valores de resistncia requeridos sem se tornarem cada vezmais espessas, pesadas e onerosas.Alm de questes econmicas imediatas (custos de implantao e manuteno), odesenvolvimento e utilizao de novos materiais tornam as linhas dutovirias cada vez maisseguras, menos suscetveis a falhas. Embora rara em linhas dutovirias, a possibilidade daocorrncia da ruptura de um duto se torna extremamente preocupante pelo fato da fratura sercontnua, favorecendo a progresso do dano em uma grande rea, de acesso remoto ouprximo a comunidades, com conseqncias de grandes propores, ambientais, econmicase, principalmente, humanas (NASCIMENTO, 2009). Levando tambm em considerao queos dutos transportam produtos com alta inflamabilidade, a ocorrncia de uma fratura podelevar a um acidente de propores catastrficas. A seguir, dois exemplos de acidentes degrandes propores ocorridos so apresentados.

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1. Brasil, Cubato /SP Vila Soc (atual Vila So Jos) 24/02/1984:Moradores da Vila Soc perceberam o vazamento de gasolina em um dos oleodutos daPetrobrs que ligava a Refinaria Presidente Bernardes ao Terminal de Alemoa. A tubulaopassava em regio alagadia, em frente vila constituda por palafitas, na noite do dia 24, umoperador, iniciou a transferncia de gasolina para uma tubulao que se encontrava fechada(erro de operao), gerando sobrepresso e ruptura da mesma, espalhando cerca de 700 millitros de gasolina pelo mangue. Muitos moradores visando conseguir algum dinheiro com avenda de combustvel coletaram e armazenaram parte do produto vazado em suas residncias.Com a movimentao das mars o produto inflamvel espalhou-se pela regio alagada e cercade 2 horas aps o vazamento, aconteceu a ignio seguida de incndio. O fogo se alastrou portoda a rea alagadia superficialmente coberta pela gasolina, incendiando as palafitas. Onmero oficial de mortos de 93, porm algumas fontes citam um nmero superior a 500vtimas fatais (baseado no nmero de alunos que deixou de comparecer escola e a morte defamlias inteiras sem que ningum reclamasse os corpos). Alm das vtimas fatais, o acidentedeixou dezenas de feridos e destruiu parcialmente a vila (COMPANHIA AMBIENTAL DOESTADO DE SO PAULO, 2012).

Figura 6 Foto da regio da Vila Soc destruda aps o acidente [11].

2. Ghilsgenhien, Blgica Ruptura e ignio de um gasoduto 30/07/2012:O acidente ocorrido em Ghilslenghien envolveu dois gasodutos os quais estavamenterrados a uma profundidade de 1,10 m abaixo do solo, um deles com dimetro de 0,9 m e

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outro com 1,0 m, ambos com espessura de parede de 13 mm. Os dutos transportavam 1,6milhes de metros cbicos por hora de gs natural com uma presso de trabalho de 80 bar. Nodia do acidente, por volta das 8 horas da manh, o corpo de bombeiros foi notificado daocorrncia de um vazamento de gs em uma zona da cidade. Este vazamento ocorreu no tubode 1,0 m e foi evidenciado por um grande barulho, um tremor e uma depresso no solo. Poucotempo depois, o vazamento de gs aumentou e era possvel visualizar o gs escapando dotubo, na forma de um jato esbranquiado que atingia uma altura de cerca de 15 m. Estevazamento deu origem primeira exploso, seguida pela ignio da nuvem de gs que haviasido formada, dando origem a uma grande bola de fogo atingindo temperaturas da ordem de3000C em seu interior, e de chamas com alturas estimadas entre 150 e 200 m. O calor eratamanho que podia ser sentido a 2 km de distncia do acidente. As consequncias foramterrveis, 24 mortos (entre bombeiros, policiais e tcnicos tentando controlar a situao nogasoduto) e mais de 132 feridos. Os danos econmicos foram estimados em 100 milhes deEuros, alm de devastao total da regio industrial num raio de 200 m em torno do ponto doacidente, queima completa de fazendas encontradas nos arredores e telhados e carrosarremessados pela exploso (FRENCH MINISTRY OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT,2009).Os motivos apurados para a ruptura do gasoduto foram externos. Uma poro de tuboarremessada a 150 m da regio do acidente indicava uma parede de tubo com espessurareduzida em at 4 mm, o que levava a regies com menores valores de tenso de trabalhoadmissveis. Estes danos nos tubos foram provavelmente ocasionados por mquinas agrcolase escavadeiras utilizadas nas fazendas prximas durante trabalhos de preparo do solo paraplantio (FRENCH MINISTRY OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT, 2009).

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Figura 7 Foto indicando a bola de fogo formada no acidente do gasoduto em Ghilslenghien(FRENCH MINISTRY OF SUSTAINABLE DEVELOPMENT, 2009).

1.3.2 Danos por fadiga em tubulaesA primeira vista pode soar estranho o estudo de propagao de trincas por fadiga emtubulaes, considerando que as mesmas quando em servios iro estar sempre submetidas avalores pr-definidos de presso (durante o bombeamento do fluido), ou seja, so submetidasa cargas predominantemente estticas. Segundo Godoy (2008), estudos conduzidos no finaldos anos 60 do sculo passado por fabricantes de tubos tiveram como objetivo investigarquais seriam os motivos para a ocorrncia de trincas nos tubos, as quais levavam avazamentos durante testes hidrostticos. Os mais diversos tipos de testes foram realizados:ensaios de impacto (com diversos tipos e posies de entalhes nos tubos) dentre outros, masfoi durante a realizao de ensaios de fadiga que puderam ser constatadas a formao dastrincas similares quelas procuradas. Segundo Godoy (2008), foi notado que o tubo duranteseu transporte submetido a cargas as quais tendem a causar uma deflexo no mesmo, essesmovimentos de carga e descarga, aparentemente pequenos, so os responsveis pelanucleao e propagao de trincas de fadiga em um tubo. Um desenho ilustrativo pode serobservado na Figura 8.

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Figura 8 Deflexes de um tubo de ao durante o transporte (GODOY, 2008).

1.4 ObjetivosEste trabalho de graduao focaliza primariamente um estudo sobre a propagao deum trinca de fadiga em um tubo de ao microligado, classe API 5L X70, utilizado nafabricao de dutos e risers para sistemas de conduo de gs e petrleo. As anlisesobedeceram estritamente s recomendaes da norma API 5L (Specification for Linepipe), noque tange as propriedades mecnicas, e s normas ASTM E 647 no tocante propagao detrincas de fadiga (da/dN vs. K). O estudo compreendeu: i - operao de corte pelo processooxi-acetilnico e por serra de fita do tubo de ao fornecido pela Tenaris-Confab S.A.,seguindo as diretrizes da norma API 5L; ii - dimensionamento dos corpos-de-prova de traoe de propagao de trincas, conforme as normas ASTM E370 e ASTM E 647,respectivamente; iii - usinagem dos corpos-de-prova (torneamento, fresamento, eletro-eroso,retfica/acabamento); iv - preparao das amostras metalogrficas; v - anlise microestruturalda junta soldada e material base e medio de microdureza HV; vi - realizao de ensaios detrao e de propagao de trincas; vii - Discusso dos resultados obtidos.

2 REVISO BIBLIOGRFICA2.1. A utilizao do ao na indstria de petrleo e gs2.1.1 Classificao dos aos, panorama e perspectivasOs aos utilizados em tubulaes para petrleo e gs seguem a classificao dasnormas referentes ao API American Petroleum Institute, sendo classificados basicamentequanto a sua utilizao e propriedades mecnicas. Por exemplo, tubos utilizados para otransporte de leo ou gs recebem a classificao 5L (linepipes) enquanto tubos utilizados

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na prospeco so classificados como 5CT (casting and tubing). No presente trabalho foiestudado um tubo de denominao API 5L X70 em que:i - 5L: utilizao como linepipe, tubos para conduo de petrleo e gs;ii -X70: o valor indica a tenso mnima de escoamento requerida para o ao do qual manufaturado o tubo. No caso o valor de 70 ksi ou aproximadamente 481 MPa;A norma API-5L incorpora ainda dois nveis distintos de especificao de produtos(product specification level), identificados como PSL1 (de graus A25 a X70) e PSL2 (degraus B a X80), cuja diferena bsica o rigor no detalhamento e nos requisitos tcnicos.Desta forma, tubos enquadrados na especificao PSL2 devem apresentar um controle maisestreito da composio qumica (em especial, enxofre e fsforo) e do carbono equivalentemximo do material, bem como valores mnimos definidos de tenacidade (Charpy) e mximosde tenso de escoamento e de resistncia trao, comparativamente aos de nvel PSL1. Nocaso dos aos X70 e X80 a norma API especifica 27 J (perpendicular ao sentido delaminao) e 41 J (paralelo ao sentido de laminao), respectivamente, como valores mnimosde energia absorvida em ensaios de impacto Charpy na temperatura de 0oC.Outro aspecto importante nestes aos utilizados na indstria de petrleo e gs o decarbono equivalente. O conceito de carbono equivalente (CE) bastante importante,especialmente para aos utilizados em tubulaes soldadas, tendo em vista que o aumento daporcentagem de carbono tende a piorar a soldabilidade do ao. Isto ocorre porque maioresporcentagens de carbono favorecem a formao de microestruturas frgeis (durante oresfriamento) nas regies que receberam aporte trmico durante a solda. De uma maneirasimplificada o carbono, assim como a maioria dos elementos de liga adicionados ao ao,desloca as curvas TTT (Tempo Temperatura Transformao) do ao para a direita, ou seja,mesmo para velocidades baixas de resfriamento so formadas fases como martensita e oubainita (ocorre um aumento da temperabilidade do ao), as quais podem levar formao dezonas frgeis localizadas nas proximidades da solda. Em suma o valor de CE calculado viaequaes especificadas pela norma API 5L, levando em conta, basicamente, as porcentagensde carbono e de outros elementos de liga presentes no ao. Para diferentes especificaes egraus dos aos, so definidos pela norma valores mximos de CE admitidos.Como a demanda por gs natural e petrleo vem crescendo nas ltimas dcadas e ascompanhias produtoras tm que transportar seus insumos por distncias cada vez maiore, isso

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implica na utilizao de presses de trabalho cada vez mais elevadas. Requer-se ento, aoscom cada vez melhores propriedades mecnicas. Muita da infraestrutura dutoviria foiconstruda com aos API X65, porm aps quase vinte anos de desenvolvimento os aos APIX80 so hoje considerados o estado da arte no mundo, apresentando caractersticassatisfatrias e bem documentadas (ANDREWS; BATTLE, 2003). Mas como h mais decinqenta anos a indstria de manufatura de tubos tem se unido no desenvolvimento de grausAPI cada vez mais elevados para os tubos, h cerca de dez anos j foram desenvolvidos aosde grau X100 e mais recentemente aos X120 e estudos vm sendo desenvolvidos para umafutura utilizao destes aos em linhas dutovirias (ANDREWS; BATTLE, 2003).

Um

panorama da evoluo dos aos da indstria de petrleo e gs apresentado na Figura 9.

Figura 9 Evoluo dos graus dos aos utilizados na manufatura de tubos da indstria depetrleo e gs nos ltimos 50 anos (ANDREWS; BATTLE, 2003).

Segundo Nascimento (2009), no Brasil o estado da arte em linhas dutovirias referese ao ao API X70, com apenas um trecho de 11 km de dutos de ao API X80 instaladoexperimentalmente no Campo de Mexilho em Caraguatatuba/SP.Um ltimo ponto a ser destacado quando so considerados os aos utilizados naindstria de petrleo e gs a relao entre a tenso de escoamento e a tenso mxima do

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material:

. Nota-se que nos modernos aos ARBL microligados h um grande aumento

da tenso de escoamento do ao, porm em detrimento da sua capacidade de endurecimentopor encruamento. Isto torna-se evidente ao serem analisados grficos de ensaio de traoconvencional de aos que podem ser divididos em trs zonas bsicas:i.

Tenso zero at a tenso de escoamento: caracterizado pelo comportamento

linear elstico do material, a deformao no permanente e proporcional ao Mdulo deYoung (E).ii.

Tenso de escoamento at tenso mxima: depois de atingido o escoamento do

material as deformaes passam a ser permanentes. A seo resistente tende a diminuir, masmesmo assim notado um aumento das tenses necessrias aplicadas para que o materialcontinue a ser deformado. Isso ocorre porque a diminuio da seo resistente compensadapelo fenmeno do encruamento (que aumenta a densidade de discordncias) em que omaterial tem sua resistncia mecnica aumentada. atingida a tenso mxima.iii.

Tenso mxima at a ruptura: aps atingida a tenso mxima, o material no

mais consegue compensar a diminuio de sua seo resistente atravs do fenmeno doencruamento, assim, as tenses necessrias para continuar a deformar o material comeam acair continuamente (neste ponto observado o fenmeno da estrico), at que ele finalmentesofre ruptura em uma tenso inferior quela mxima.No caso dos aos ARBL microligados nota-se a proximidade dos valores da tenso deescoamento e mxima, caracterizando uma reduo da capacidade de endurecimento porencruamento e que poderia configurar a tendncia da existncia de pouca deformao plsticaantecedendo a uma eventual fratura, fenmeno indesejvel que levaria a fraturaspredominantemente frgeis. Deve ser observado que para estes tipos de ao o alongamentototal encontrado pode ser da ordem de 30% (NASCIMENTO, 2009) o que d margem parauma ampla deformao plstica a priori de uma fratura. Contudo deve ser observado que emjuntas soldadas um limitado aumento da resistncia mecnica atravs do encruamento podelevar a um trincamento prematuro, logo limitaes quanto relao

tm sido observadas

(TERADA, 2004).2.1.2 Os aos microligadosNos primrdios dos anos de 1970 os materiais utilizados na manufatura de tubos paraindstria de petrleo e gs se resumiam basicamente a aos carbono comuns ou com apresena de mangans (especialmente para controle dos altos teores de enxofre), sendo que

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eram atingidos graus X42 e X52. Estes aos possuam um percentual de carbono da ordem de0,2 at 0,28% e valores elevados de enxofre quando comparado aos aos atuais.Eventualmente, aos com graus mais elevados como X60 j eram obtidos, apresentando teorde carbono relativamente alto da ordem de 0,20% e contendo tambm vandio para aumentarsua resistncia mecnica (GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009). Obviamente, utilizando aostemperados j era possvel naquela poca obter aos de grau X100 e maiores, porm, estesapresentariam altas porcentagens de carbono, diminuindo a soldabilidade e a tenacidade doao (ALPIO et al., 2000) inviabilizando sua utilizao como um material para manufatura detubos. Essas duas propriedades so talvez duas das mais importantes para um ao o qual utilizado para a manufatura de um tubo: materiais com elevada tenacidade requererem altaenergia para que ocorra a iniciao e propagao de trincas, caracterstica primordial no casodos dutos soldados. Caso contrrio, uma vez iniciada uma trinca, ela pode se propagarfacilmente ao longo de grandes extenses, produzindo enormes danos e escape do contedodos dutos (GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009). Quanto ao quesito soldabilidade, basta lembrarque grande parte dos tubos hoje manufaturados apresenta algum tipo de solda.A necessidade de materiais com propriedades cada vez melhores e que apresentassemtambm boa soldabilidade fez com que uma nova classe de aos passasse a ser pesquisada eutilizada pela indstria de petrleo e gs, os aos microligados ARBL (Alta Resistncia BaixaLiga). Segundo Nascimento (2009), estes aos so caracterizados por apresentarem elevadosvalores de propriedades mecnicas, baixa porcentagem de carbono (0,12% ou inferior) eadio de pequenas quantidades de diversos elementos de liga, tais como nibio (Nb), titnio(Ti), vandio (V), Boro (B) etc.. O desenvolvimento de novos aos com propriedades cadavez melhores de grande interesse para a indstria. H necessidade de materiais maisresistentes trincas induzidas pelo hidrognio (H) Hydrogen Induced Cracking (HIC) e queapresentem adequados valores de tenacidade mesmo a baixas temperaturas, especialmentedevido a necessidade de operaes em regies rticas (Nascimento, 2009). Como h umademanda de tubos com dimetros cada vez maiores e que suportem cada vez maiores pressesde trabalho, a obteno de materiais com melhores propriedades mecnicas permite que ostubos apresentem espessuras de paredes reduzidas, reduzindo a massa final do produto,economizando material e reduzindo custos de transporte e de instalao (BARANTI;HILLEBRAND, 2002; ALPIO et al, 2000). A Figura 10 apresenta a economia de materialcom a utilizao aos de grau API diversos.

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PESO (TONELADA)

12600010100012,7 mm

15,9 mm

100000

14500018,3 mm

150000

16500020,8 mm

200000

500000X70

X80

X100

X120

AOS GRAU API

Figura 10 Economia de material com uso de aos de maior resistncia mecnica (NASCIMENTO,2009).

Os

aos

ARBL microligados

so

produzidos

e

classificados

enfatizando

principalmente suas propriedades mecnicas (no caso da API, tenso de escoamento)esemcomparao sua composio qumica (INFOMET, 2012), ou seja, podem existir dois aosde grau X70, por exemplo, que tenham composies qumicas diferentes, mas que mesmoassim atendam as especificaes requeridas pela API (comea a ser destacadadestaca a importnciados processos de obteno destes aos). Em comum os aos ARBL microligados iroapresentar em comum os baixos teores de carbono e adio de elementos de liga diversos,porm em quantidades muito pequenas quando comparadas aquelas observadasobservada em aos inoxe alguns aos ferramenta da a distino entre aos de alta liga e os microligados ou de baixaliga (INFOMET 2012). Considerando os elementos de liga mais comuns, cada um deles temuma contribuio especial no aumento da resistncia dos aosaos microligados: o boro (B)retarda significativamente a transformao da austenita durante o resfriamento e permite aformao de uma microestrutura baintica (os aos microligados mais comuns apresentamusualmente predominncia de microestrutura ferrita + perlita, porm graus do X100 esuperiores apresentam significativos teores de bainita) (GODOY, 2008). Alm do efeito jcitado, o boro junto com o titnio,irotitnio,iro aumentar a tenacidade do ao, isto atravs da formaode uma estrutura ferrtica acicular. EstaEsta microestrutura tem um mecanismo de formaosimilar ao da bainita, porm forma-seforma se no interior dos gros de austenita (CARVALHO;DELFORGE; PARIS, 2004; OLIVEIRA, 2007) e tem uma morfologia fina, entrelaada que

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dificulta a propagao de trincas e aumenta a tenacidade do ao (OLIVEIRA, 2007). O refinodos gros garantido tambm pelo titnio assim como pela adio de vandio. O nquel (Ni),tambm leva a um aumento da tenacidade e assim como o cobre (Cu), molibdnio (Mo) e ovandio promove o aumento da resistncia mecnica atravs do mecanismo de endurecimentopor precipitao. O referido cobre tambm melhora a resistncia do ao corroso(NASCIMENTO, 2009).

2.1.3 O processo de conformao termomecnicoComo j apresentado na seo anterior, os graus dos aos API levam em consideraoprincipalmente a tenso de escoamento do material em sua classificao, desconsiderando acomposio qumica dos mesmos. Isso significa, por exemplo, que dois tubos distintos de aoAPI 5L X70 podem apresentar composies qumicas diferentes. O grande desafio naobteno de aos microligados ARBL, portanto no consiste em sua composio qumica,mas sim nos processos trmicos e mecnicos envolvidos para a obteno destes aos.Essesprocessos permitem a obteno da microestrutura que garanta as propriedades mecnicasrequeridas para a validao dentro de um determinado grau API. Em resumo a prtica consisteem uma laminao controlada seguindo de um resfriamento monitorado, a combinao entretemperatura e deformao a quente aumentam os valores de resistncia mecnica e atenacidade, sem necessidade de tratamento trmico posterior (FERNANDES, 2011).Segundo Ogata (2009) e Nascimento (2009),

at os anos 1970 o processo de

laminao a quente seguido por normalizao era o principal processo utilizado para obtenode aos utilizados na indstria de petrleo e gs sendo obtidos aos de grau X60, quando foiintroduzido o processo termomecnico de laminao controlada permitindo a obteno deaos de grau at X70. Este processo basicamente visa a obteno de uma estrutura final comuma granulometria mais fina possibilitando ao mesmo tempo o aumento da tenacidade etambm da resistncia mecnica do material, sendo interessante ressaltar que a adio eelementos de liga compensa o baixo teor de carbono nestes aos.Esta laminao controladapara os aos X70 ocorre em vrias etapas, mas basicamente pode-se destacar trs principais(GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009):i.

A chapa deformada em uma temperatura acima da linha crtica A3, ocorre

uma completa austenitizao do ao, concomitantemente a temperatura do processo nestaetapa garante uma solubilizao completa dos elementos de liga presentes no ao e tambm

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garante a recristalizao rpida e contnua do material. O resultado uma microestrutura degros austenticos equaxiais.ii.

Continua a deformao da chapa de ao, a temperatura de trabalho diminuda,

mas ainda garante uma microestrutura austentica. Comea a ocorrer precipitao de algunselementos de liga especialmente o Nb. Estes elementos acabam por ancorar os contornos derecristalizao que ocorrem na microestrutura do material a cada passe de deformao, emresumo a recristalizao do material fica bloqueada. O resultado uma estrutura austenticacom gros achatados, encruada e com disperso de precipitados por toda sua matriz.iii.

Conforme continua o processo, a temperatura diminuda mais ainda, at ficar

abaixo de A3, ou seja, conforma a transformao da austenita em outras microestruturas.Particularmente iniciada a formao de ferrita. A ferrita tende preferencialmente a comearseu processo de transformao nas regies de contorno de gros, porm como a estruturaaustentica est completamente encruada com uma grande quantidade de bandas dedeformao intragranulares alm da presena de precipitados em sua matriz, a ferrita tambmcomear a nuclear nestes stios (NASCIMENTO, 2009). O resultado final a obteno deuma estrutura de gros de ferrita acicular, finos, que garantem boas propriedades mecnicasao ao, alm de uma estrutura perltica fina ou baintica (especialmente quando aliada alaminao controlada a um resfriamento acelerado e controlado) (NASCIMENTO, 2009).Alm destas trs etapas bsicas apresentadas pode ser ressaltado que conforme diminuda a temperatura do processo e comea a transformao da austenita em ferrita,comea tambm a precipitao de outros compostos formados a partir dos outros elementosde liga presentes que ainda se encontravam solubilizados, aumentando mais ainda aresistncia mecnica do material, ainda que comprometendo um pouco sua tenacidade(GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009). Em resumo os mecanismos apresentados permitem areduo do teor de carbono no ao sem detrimento de suas propriedades mecnicas,melhorando a soldabilidade e ainda dispensando tratamentos trmicos posteriores denormalizao, uma vez que as caractersticas mecnicas obtidas j se encontram dentro dasfaixas adequadas. A Figura 11 apresenta a evoluo dos gros austenticos e nucleao daferrita no processo convencional e controlado enquanto a Figura 12 ilustra as etapas principaisda laminao controlada.

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Figura 11 Evoluo do tamanho do gro da austenita e da nucleao posterior da ferrita em funo datemperatura do processo (GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009).

Figura 12 Etapas do processo de laminao controlada (GORNI; SILVEIRA; REIS, 2009).

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2.2 Processo de fabricao dos tubosOs tubos utilizados na indstria de petrleo e gs so manufaturados de acordo comespecificaes das normas da API, sendo basicamente de dois tipos: com costura (soldados)ou sem costura (extrudados), ou em ingls welded e seamless respectivamente. Os corpos deprova, utilizados neste trabalho, foram provenientes de um tubo classificao API 5L X70fornecido pela TenarisConfab, empresa que lder na produo e fornecimento de tubos deao soldados para a indstria energtica brasileira e lder na exportao desses produtos para oMercosul e Amrica Latina (TENARISCONFAB, 2012). So tubos manufaturados a partir doprocesso de fabricao SAW Longitudinal (U-O-E), em que a sigla SAW refere-se aSubmerged Arc Welding, ou seja, solda por arco submerso referente ao principal processode solda utilizado no processo, Longitudinal pois a solda feita na direo do comprimentodo tubo, enquanto U e O referem-se s deformaes as quais submetida a chapa de ao (emforma de U e posteriormente em forma de O) e E refere-se expanso qual o tubo submetido. Um esquema do modo de fabricao dos tubos pelo processo citado apresentadona Figura 13.

Figura 13 Processo de fabricao SAW Longitudinal (U-O-E) (TENARISCONFAB 2012).

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Os tubos depois de prontos tambm passam por um teste hidrosttico, exameradioagrficos em suas extremidades, alm de inspeo atravs de partculas magnticas oulquidos penetrantes. Tambm a solda inspecionada em toda sua extenso via ultrassom e ostubos so pesados, medidos e marcados, processos que garantem a qualidade dos tubosmanufaturados (GODOY et al. 2003). Um outro esquema do processo de fabricao dos tubospode ser observado na Figura 14.

Figura 14 Processo mais detalhado da fabricao e controle dos tubos (GODOY et al. 2003).

2.3 A junta soldada2.3.1 Processo de soldagem via Arco SubmersoOs processos de soldagem objetivam basicamente a unio de peas diferentes ou deextremidades de uma mesma pea visando obter um produto com a forma final desejada.Diversos processos de soldagem podem ser utilizados, de acordo com a qualidade da soldadesejada, tipo de material, limitaes de espao e local, etc., sendo que basicamente existemprocessos de soldagem por fuso, em que as partes envolvidas so aquecidas at a temperatura

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de fuso dos materiais envolvidos, e processos de soldagem via deformao, em que as peasso unidas atravs da presso localizada entre as partes a serem unidas (podendo seraquecidas a temperaturas inferiores de fuso para facilitar o processo). Em comum, todos osprocessosde soldagem por fuso iro fornecer um aporte trmico junta soldada, porm,enquanto alguns processos podem inserir um novo material na pea soldada (e.g. solda a arcoeltrico) outros iro promover a unio das partes atravs da fuso do prprio material base(e.g.HFW High Frequency Welding).Durante o processo de manufatura de tubos do tipo dos utilizados neste estudo utilizado processo de soldagem por arco submerso: SAW (SubmergedArcWelding) de modo agarantir a unio entre as extremidades da chapa que conformada de modo a ser formado otubo.Basicamente neste mtodo o aporte trmico (calor) para fundir o metal gerado por umarco eltrico formado entre o eletrodo (arame consumvel) e a pea soldada. A poa de fuso,o arco e a ponta do eletrodo so cobertos por uma camada de material mineral granular odenominado fluxo (a poa de fuso e o arco ficam submersos pelo fluxo) devido a estacamada, no h arco visvel, nem fascas, respingos ou fumos (ESAB, 2012). Este tipo deprocesso foi desenvolvido nos anos 30 nos EUA, sendo considerado um dos mais produtivos muito popular at hoje (WELDING.COM, 2012). Um esquema ilustrativo do processo desoldagem SAW pode ser observado na Figura 15.

Figura 15 Esquema ilustrando o processo SAW e seus principais elementos (ESAB, 2012).

No processo SAW o calor gerado pelo arco eltrico ir fundir o arame (eletrodoconsumvel) e as extremidades a serem soldadas, criando uma poa de metal fundido bemfluida e turbulenta, de maneira que quaisquer bolhas de gs ou escria rapidamente escoam

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para sua superfcie (ESAB, 2012). O fluxo de soldagem oferece uma proteo desta poa defuso contra contato com a atmosfera e tambm sofre fuso parcial, cobrindo totalmente asuperfcie da solda (ESAB, 2012). Esta poro de fluxo fundida ajuda a dissolver e eliminarimpurezas alm de poder ser um agente de adio de alguns elementos de liga. A combinaodos fatores resulta em uma solda ntegra e homognea, o fluxo fundido posteriormenteresfriado ir resultar num material vtreo que facilmente destacado da superfcie da solda(ESAB, 2012). interessante notar que o fluxo tambm isola o arco eltrico de maneira queno so observadas fascas, evita a ocorrncia de respingos (a poa de fuso estacompletamente protegida) e tambm da liberao de gases para atmosfera. Em termos depraticidade, muitos parmetros da solda podem ser muito bem controlados, como porexemplo: a velocidade de deposio de material de solda (o carrinho do eletrodo pode serautomatizado), assim como a taxa de liberao do arame/eletrodo de soldagem e do fluxo estes tambm podem ser automatizados tornando o processo eficiente e com maiorreprodutibilidade quando comparado a processos convencionais em que a habilidade dooperador um fator preponderante no resultado final da solda. Apesar de todas as vantagensapresentadas deve ser destacado que o processo SAW apresenta uma desvantagemsignificativa no que concerne a posio de soldagem. Como o fluxo granulado o processo mais eficaz em superfcies planas e horizontais, ou com pequenas angulaes de at 15(ESAB, 2012).

2.3.2 Caractersticas gerais da junta soldada

Como explicado, durante o processo de soldagem um significativo fluxo de calor aportado na regio da junta a ser soldada. Este suficiente para a formao de uma poa defuso que consiste no caso do processo SAW, de uma mistura do metal base, metal deadio (arame do eletrodo) e eventualmente fluxo. O aporte tambm suficiente para queocorram profundas alteraes no material que no sofreu fuso nas proximidades da juntasoldada. Segundo Bertol (2009), em uma junta soldada podem ser identificadas 3 zonasbsicas distintas:i ZF (Zona Fundida): a regio em que o material sofre completa fuso durante oprocesso de soldagem (poa de solda).

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ii ZTA (Zona Termicamente Afetada): nesta regio o aporte trmico no suficientepara que ocorra fuso, contudo, as temperaturas atingidas so superiores temperatura criticado material, ocorrendo portanto significativas alteraes microestruturais.iii MB (Material Base): a poro que tambm pode ser aquecida durante asoldagem, porm, a temperaturas inferiores temperatura crtica do material de maneira queusualmente no so observadas significativas alteraes microestruturais.Um esquema representando a macrografia de uma junta soldada apresentado naFigura 16.

Figura 16 Macrografia esquemtica de uma junta soldada indicando suas diferentes zonas (BERTOL,modificado, 2009).

Ressalta-se tambm que as eventuais alteraes microestruturais decorrentes dasvariaes de temperatura iro depender tambm de como ir ocorrer a dissipao da energiafornecida, especialmente das taxas de resfriamento. Taxas maiores ou menores iro contribuirpara diferentes microestruturas finais, diferentes granulometrias, etc..

2.3.3 As caractersticas da ZTA e a formao de zonas frgeis

A AWS (American Welding Society) define a ZTA como poro do material basecuja microestrutura ou propriedades mecnicas foram alteradas pelo calor de soldagem,brasagem ou corte trmico. uma regio em que a composio qumica do material basepermanece inalterada (ao contrrio da ZF em que podem ser adicionado elementosconvenientemente durante a solda) mas que sofre profundas alteraes devido as variaes detemperatura. Segundo Nascimento (2009), podem ser identificadas cinco subzonas dentro daZTA:i Regio de Gros Grosseiros (RGG)ii Regio de Gros Finos (RGF)

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iii Regio Intercrtica (RI)iv Regio de Esferoidizao de Carbonetos (REC)v Regio Subcrtica (RS)As diversas regies da junta soldada (monopasse, simples), inclusive as subzonas daZTA, podem ser observadas na Figura 17.

Figura 17 Zonas e subzonas de uma junta soldada monopasse (Nascimento, 2009).

De acordo com Nascimento (2009), cada uma das zonas apresentadas apresenta suasprprias peculiariedades as quais so explicadas a seguir. A ZGG a subzona dentro da ZTAque recebe o maior aporte permitindo a nucleao e crescimento de novos gros. Agranulometria grosseira presente nesta subzona contribuiu para um aumento datemperabilidade da mesma. No caso da RGF, esta regio tambm permite a recristalizao domaterial formando novos gros, porm sendo o aquecimento menor que o observado na ZGG,no h tempo suficiente para o crescimento destes ficando caracterizada uma microestruturacom granulometria fina, com elevada resitncia mecnica e ductilidade com uma baixatemperabilidade. J na RI ocorre uma austenitizao da perlita presente no material, queposteriormente pode se decompor novamente em perlita ou em outras fases como a bainita oua martensita, de acordo com as velocidades de resfriamento, sendo uma regio que podeapresentar propriedades mecnicas piores que a do material base. Na REC, as temperaturasso baixas de maneira que no permitem uma significativa austenitizao do material,contudo, podem permitir a esferoidizao das lamelas de cementita presentes no material base

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(formao de cementita globulizada), nesta subzona h aumento da ductilidade e queda naresitncia mecnica. No caso da RS, as temperaturas atingidas so baixas de maneira queno ocorre nem mesmo uma austenitizao parcial do material, porm podem surgir efeitos derevenimento.A grande heterogeneidade de fases e microestruturas na ZTA quando comparada aometal base faz com que esta seja uma regio de profundo interesse no estudo de suaspropriedades mecnicas, especialmente devido a possvel formao de microestruturas frgeisdurante o processo de resfriamento posterior a solda (e.g. Martensita) que podem tornar estazona mais suscetvel a possveis fraturas quando comparadas ao resto do material base.

2.4. O estudo da propagao de trincas de fadiga

A maior parte dos componentes estruturais est sujeita a carregamentos dinmicos,sendo a fratura por fadiga a forma mais comum de falha (ABDULLAH; ARIFFIN; BEDDEN2012). Considerando que os danos de fadiga devido ao transporte dos tubos so umarealidade, assim como os esforos cclicos aos quais so submetidas as tubulaes que seencontram nos oceanos (devido ao movimento das correntes martimas),

estudos dos

mecanismos de falha por fadiga em tubulaes so justificados. Estes estudos podem serfeitos baseando-se basicamente em dois tipos de ensaios: os ensaios de fadiga convencionais eos ensaios de propagao de trincas de fadiga.2.4.1 Ensaios de fadigaNos ensaios de fadiga convencionais o corpo de prova submetido a umcarregamento dinmico e ensaiado (para cada valor de carga) at sua eventual fratura, ou atcerto nmero de ciclos que caracterize que o material tenha uma vida a fadiga infinita para acondio ensaiada. So levantadas curvas S x N, em que S caracteriza a amplitude datenso aplicada e N o nmero de ciclos considerado no ensaio (normalmente em escalalogartmica). Um exemplo esquemtico de uma curva de fadiga para um ao pode serobservado na Figura 18.

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Figura 18 Curva genrica de fadiga obtida em ensaios com aos (CALLISTER, 2008, adaptado).

Esses ensaios convencionais contemplam as trs etapas distintas do processo de falhapor fadiga (CALLISTER, 2008): (1) nucleao da trinca, geralmente na superfcie do material(em algum ponto de elevada concentrao de tenses), (2) propagao da trinca, a qual avanaa cada ciclo de tenses e (3) falha abrupta do componente, quando a trinca atinge seu tamanhocrtico e a seo do corpo de prova no pode mais suportar os nveis de tenso aos quais estsendo submetido. Os ensaios de fadiga podem ser muito demorados, especialmente na etapa(1), devido ao acabamento superficial cuidadoso dos corpos de prova utilizados e ourelativamente baixos valores de tenso aplicados no material ensaiado.

2.4.2 Ensaios de propagao de trincas2.4.2.1 Panorama geralComo os fenmenos envolvendo a nucleao da trinca e sua eventual propagao sodiferentes, suas anlises tambm devem ser diferenciadas (UFU, 2012). Considerando que nocaso de componentes mecnicos o material utilizado no pode ser considerado homogneo(principalmente para peas de grandes dimenses) devido a defeitos oriundos da fabricao, oestgio 1 do processo de falha por fadiga geralmente muito rpido e a vida do material calculada basicamente levando em conta o estgio 2, ou seja, a fase da propagao da trinca(UFU, 2012). Desta maneira os ensaios de propagao de trincas trabalham com corpos deprova que apresentam pr trinca de fadiga j nucleada, de modo que durante o ensaio sejam

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avaliadas apenas as etapas (2) e (3) da falha por fadiga de um componente. Os corpos deprova utilizados em um ensaio de propagao de trincas podem ser de geometrias diversas,assim como a localizao e tipo de seus entalhes. As dimenses e geometrias do corpo deprova, assim como parmetros e recomendaes, valores de carga a serem aplicados, tamanhoda pr trinca a ser nucleada e outras informaes a respeito deste tipo de ensaio so descritosna norma ASTM E647. Uma configurao de corpo de prova para ensaio de propagao detrincas, com as respectivas recomendaes de dimenses, pode ser observada na Figura 19.

Figura 19 Configurao de corpo de prova do tipo compacto de acordo com asespecificaes da norma ASTM E647 (figura traduzida).

2.4.2.2 A taxa de crescimento da trinca e a variao de intensidade de tensesOs ensaios de propagao de trincas visam a anlise do crescimento da trinca desdeseu comprimento inicial at a fratura do corpo de prova atravs do levantamento de curvas

ou em funo de K = Kmximo - Kmnimo (de acordo com as cargas mnimas e mximasaplicadas). O termo

diz respeito taxa de variao do comprimento da trinca a em

relao ao nmero de ciclos do ensaio N, ou de uma maneira simplificada mede avelocidade de crescimento da trinca durante o ensaio. O termo K refere-se variao deK, fator este denominado tenacidade fratura ou fator intensidade de tenso de acordo comos conceitos da mecnica da fratura. Este valor K uma propriedade que mede a resistnciade um material fratura frgil quando uma trinca est presente (CALLISTER, 2008), umparmetro nico que descreve a magnitude do estado de tenses existente nas proximidades

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do extremo da trinca (UFU, 2012) e que quando atingido seu valor crtico ir configurar nafratura do material. Especialmente quando as dimenses da zona plstica na ponta da trincaso pequenas em comparao ao tamanho da trinca como um todo, K pode dar boasindicaes a respeito das tenses que so aplicadas na ponta da trinca, desta maneira duastrincas diferentes submetidas a um mesmo K iro se comportar de uma mesma maneira eapresentarem valores de

similares (BROEK, 1991). O valor de K obtido pela Equao

(1): = . . .

(1), em que:

Y: parmetro ou funo adimensional que depende do tamanho e geometria datrinca.: variao da tenso aplicada ao corpo de prova.a: comprimento da trinca.: constante.O grfico tpico obtido em um ensaio de propagao de trincas pode serobservado na Figura 20.

Figura 20 Grfico tpico de um ensaio de propagao de trincas com destaque para trs regiesdistintas: A, B e C (UFU, 2012).

Segundo Anderson (1995) aspecto da curva levantada em um ensaio de propagao detrincas de S, com trs regies distintas: A, B e C. Para valores de K intermedirios

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(regio B) a curva tem um aspecto linear, porm para valores baixos ou elevados ela mudasignificativamente de comportamento. O crescimento da trinca acelera na regio C conformeKmximo aproxima-se do valor de Kcrtico (Kc, tenacidade a fratura) do material, sendo quenesta regio a propagao da trinca sensvel microestrutura do material e a atuaomecanismos de clivagem e ou coalescncia de microvazios ficam evidenciados na fratura docorpo de prova ou elemento (ANDERSON, 1995). No outro extremo, regio A, a taxa

tende a zero no K0 (ou Klimiar) abaixo do qual a trinca no mais ir se propagar. Nestaregio o crescimento da trinca da ordem de espaamentos atmicos por ciclo, sendoinfluenciado fortemente pela microestrutura, com uma superfcie de fratura facetada. A regioB, como apresentado na Figura 21 anteriormente, apresenta um comportamento tipicamentelinear com uma equao em escala di-logartmica (BROEK, 1991) do tipo:

= C. K (2), em que:

C: constante do material levantada no ensaiom: constante do material levantada no ensaio

A equao (2) foi proposta pela primeira vez por Paris e Erdogan nos anos 60 sendocomprovada por inmeros dados experimentais. Para esta equao os valores de m se situamentre 2 e 5 enquanto os valores de C podero variar significativamente especialmente deacordo com as propriedades mecnicas do material. interessante ressaltar que o processo decrescimento da trinca nesta regio do tipo dctil, transgranular, sendo pouco sensvel microestrutura do material, com formao de estrias de fadiga (ANDERSON, 1995) crescimento baseado no alongamento e abaulamento da ponta da trinca como exemplificadona Figura 21.

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Figura 21 Representao de crescimento de uma trinca de fadiga por mecanismo de abaulamento eafilamento da ponta da trinca (UFU, 2012, modificado).

2.4.2.3 A zona plstica na ponta da trinca e influncia de sobrecargas

Considerando a propagao da trinca via mecanismo de estriamento (Regio B dogrfico de propagao de trincas) algumas observaes podem ser feitas. O mecanismo deafilamento e abaulamento leva a formao uma zona plstica na ponta da trinca assim comoum caminho plstico que ir acompanhar a mesma durante o processo de propagao almde uma zona elstica, como pode ser observado na Figura 22.

Figura 22 - Ponta de uma trinca com respectivas zonas de interesse (ANDERSON, 1995, adaptado).

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Como explicado de interesse que esta zona plstica seja a menor possvel, demaneira que apresente pouca influncia sobre a velocidade da propagao da trinca. Pormdevido a uma eventual sobrecarga de carregamento, esta zona plstica pode se tornarrelativamente grande, como pode ser observado na Figura 23.

Figura 23 - Ponta de uma trinca e respectivas zonas plsticas, momentnea e causada pela sobrecarga:a-) imediatamente aps a sobrecarga, b-) aps uma certa propagao da trinca e c-) aps a propagao pela zonaplstica causada pela sobrecarga (ANDERSON, 1995, adaptado).

A zona plstica causada pela sobrecarga ir ter um impacto significativo napropagao da trinca de fadiga. Segundo Anderson (1995) e Broek (1991) isto ocorre porquedurante a sobrecarga o material nas adjacncias da zona plstica formada ir se deformartambm elasticamente em uma grande regio. Quando d-se o alvio, o material deformado dazona plstica ir sofrer uma compresso pela parcela de material que se deformou apenaselasticamente, que tende a retornar a seu estado inicial pr sobrecarga. Ou seja, a zona elsticair impor grandes tenses compressivas que dificultam a propagao da trinca, quando hocorrncia de uma zona plstica muito grande. Isto explica a brusca queda na velocidade depropagao, que apenas volta a crescer significativamente quando a trinca escapa desta zona

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plstica de sobrecarga. A Figura 24 apresenta o exemplo de uma sobrecarga aplicada e comoocorre uma brusca na velocidade de propagao da trinca devido a mesma.

Figura 24 Sobrecarga ocorrendo em um carregamento e como esta afeta a velocidade de propagaode uma trinca (ANDERSON, 1995, adaptado).

Obviamente em situaes reais as cargas aplicadas a um elemento no so constantes,logo os mecanismos tornam-se mais complexos quando comparados apenas a uma sobrecargaaplicada durante um carregamento cclico constante.2.4.2.4 Alguns fatores de influncia na propagao de trincas por fadigaComo a propagao de uma trinca envolve muitos mecanismos distintos, os ensaiosidealmente deveriam ser realizados nas condies mais prximas possveis aquelasobservadas em servio, porm esta situao dificilmente conseguida. Uma grandequantidade de variveis podem afetar os resultados de um ensaio de propagao de trincas,logo, imperativo que todas as condies de ensaio sejam controladas. De acordo com Broek(1991), alguns fatores que tem influencia direta na propagao de trincas so: espessura domaterial ensaiado, tratamento trmico, deformao plstica (encruamento),

temperatura,

condies ambientais, etc.. Segundo Broek (1991) no detalhado com preciso como cadaum destes fatores ir afetar a propagao de uma trinca (pois a influncia pode variar de ummaterial para outro) mas podem ser exemplificados: a diferena de at uma magnitude deordem de grandeza nas velocidades quando corpos de prova so ensaiados em atmosferainerte (ou vcuo) quando comparados a ensaios realizados em ar ambiente (mido), o

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aumento da taxa de velocidade de propagao para peas mais finas quando comparadas apeas mais espessas, no caso da temperatura por exemplo, ela pode tanto afetar positivamentea velocidade de propagao de trinca para temperaturas moderadamente baixas, quantoinfluenciar negativamente a taxa de propagao no caso de temperaturas extremamente baixas(que podem afetar a tenso de escoamento do material).

3 MATERIAIS E MTODOS3.1 MateriaisUtilizou-se neste estudo um ao microligado API 5L X70 fabricado pela USIMINASS/A. Apresenta como caractersticas, alta resistncia e baixa liga, excelente tenacidade esoldabilidade, sendo fabricado por meio de laminao termomecnica controlada, semresfriamento acelerado. O material foi fornecido pela TenarisConfab S/A na forma de anis detubos, com dimetro externo de 700 [mm] e espessura de parede de 19,05 [mm]. Os tubosforam obtidos a partir de chapas conformadas em U e posteriormente em O com suasbordas unidas por dois cordes de solda pelo processo SAW. As amostras foram retiradas dosanis de tubo de acordo com as especificaes da norma API 5L. Os corpos de provas detrao foram confeccionados de acordo com a norma ASTM A370 e os corpos de prova depropagao de trincas obedeceram aos critrios determinados na norma ASTM E647. Osprocedimentos e cargas dos ensaios tambm foram definidos de acordo com indicaes dasnormas ASTM A370 e ASTM E647.Microdurezai Ensaio de microdureza da regio da junta soldada;Metalografiai Macrografia da regio da junta soldada;ii Micrografia da regio da junta soldada, ampliao de 200X, 500X e 1000X;Ensaios de trao:Corpos de prova e ensaios de acordo com a norma ASTM A370

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i cinco corpos de prova de trao cilndricos obtidos em relao a direolongitudinal do tubo;ii cinco corpos de prova de trao cilndricos obtidos em relao a direotransversal do tubo;iii quatro corpos de prova de trao planos, com espessura da rea til igual espessura do tubo;Ensaios de propagao de trincas:Corpos de prova e ensaios de acordo com a norma ASTM A647i trs corpos de prova de propagao de trincas do tipo compacto, retirados emrelao direo longitudinal do tubo, em uma posio de 90 em relao solda;ii trs corpos de prova de propagao de trincas do tipo compacto, retirados emrelao direo longitudinal do tubo, em uma posio de 180 em relao solda;

3.2 Mtodos3.2.1 Corte dos anis de tubosOs anis de tubo fornecidos pela TenarisConfab S/A foram inicialmente divididos emquatro sees: regio da solda, 90 e 270 (regies equivalentes) e 180 , como pode serobservado no esquema da Figura 25.

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Figura 25 Representao de um anel de tubo convenientemente dividido em quatro regies, tomandocomo referncia 0 o cordo de solda.

Aps a realizao desta diviso (foram feitas marcaes com giz nas superfcies dosanis de tubo), foi realizado o processo de oxicorte, dividindo os anis em pedaos menoresatravs de processo de Oxicorte. Estas operaes foram realizadas na Oficina Mecnica doCTI/FEG. A Figura 26 representa o processo de corte dos tubos.

Figura 26 Corte de um anel de tubo atravs do processo de oxicorte.

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Cada uma das partes cortadas era convenientemente numerada para posterioridentificao, como apresentado na Figura 27.

Figura 27 Trechos de tubo cortados atravs de oxicorte numerados para posterior identificao.

Aps o corte de trechos atravs do oxicorte, as sees obtidas foram novamentecortadas, com serra de fita e ou serra hidrulica (Oficina Mecnica do Departamento deMateriais e Tecnologia e Oficina Mecnica do CTI, ambos situados na FEG/UNESP). AFigura 28 apresenta um trecho de anel de tubo previamente cortado atravs de oxicorte sendodividido em partes menores.

Figura 28 Trecho de anel de tubo sendo cortado com auxlio de serra hidrulica da Oficina Mecnicado Departamento de Materiais e Tecnologia, FEG/UNESP.

Aps o corte dos trechos de anel de tubo em tamanhos convenientes, os corpos deprova eram usinados e tambm retificados no caso dos corpos de prova de propagao detrincas.

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3.2.2

Microdureza VickersAs medies de microdureza foram realizadas por meio do equipamento MICROMET

2004 da BEHLER, com carga de 300g.

3.2.2.1 Metalografia3.2.3.1 MacrografiaFoi realizada uma macrografia das juntas soldas retiradas do tubo, para identificaoda ZTA e suas adjacncias. A preparao das amostras foi realizada da seguinte maneira:lixamento em ordem decrescente de granulometria (100 a 1200) e posteriormente foirealizado um ataque com soluo de Nital a 10% de concentrao durante 10 segundos.

3.2.3.2 Micrografia

Foi realizada uma micrografia das juntas soldadas. A anlise das amostras foi feita pormicroscopia ptica com ataque qumico teve como objetivo de observar a microestrutura dometal de base e da junta soldada. As amostras foram, lixadas com papel de granulometriadecrescente (de 100 at 1500) e polidas por meio de alumina (1m) e uma soluo de slicacoloidal em suspenso, tipo OPU, em pano tipo DP PLUS. O reagente qumico utilizado pararevelao da microestrutura do material foi Nital a 2%, aplicado de trs a cinco segundos. Asamostras foram preparadas conforme a norma ASTM E3. As imagens foram capturadas pormeio de um microscpio ptico de marca NIKON, modelo EPIPHOT 200 e uma cmera dotipo SPOT Insight QE, utilizando os programas SPOT e Image-Pro Plus.

3.2.4 Ensaios de traoOs corpos de prova foram retirados diretamente do tubo conformado, das direestransversais e longitudinais (em relao ao comprimento do tubo) no caso dos corpos de provacilndricos, com o objetivo de avaliar o grau de anisotropia do material. Para o caso doscorpos de prova de trao planos, apenas foram retiradas amostras transversais, devido a

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limitaes de tamanho dos tubos. As Figuras 29 e 30 apresentam esquemas dos corpos deprovas de trao cilndricos e planos utilizados.

Figura 29 Esquema de corpo de prova de trao cilndrico ensaiado.

Figura 30 Esquema de corpo de prova de trao plano ensaiado.

Os ensaios e corpos de prova foram dimensionados e posteriormente ensaiados (atemperatura ambinente) com base na norma ASTM E370, em uma mquina Instron 8801 com100 kN de capacidade no caso dos corpos de prova de trao cilndricos e na Mohr &Federhaff com capacidade de 40 toneladas.

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3.2.5 Ensaios de propagao de trincasOs corpos de prova foram retirados diretamente do tubo conformado, de posies a90 e 180 em relao junta soldada, de direes longitudinais em relao ao comprimentodo tubo. As dimenses do corpo de prova assim como os parmetros da nucleao da prtrinca e condies do ensaio, foram determinadas de acordo com a norma ASTM E67. AFigura 31 apresenta um esquema do corpo de prova de propagao de trincas utilizado noensaio e suas dimenses.

Figura 31 Esquema de corpo de prova de propagao de trincas ensaiado.

Os ensaios de propagao de trincas foram realizados em duas etapas distintas. Anucleo das pr trincas foi realizada em uma mquina Instron 8801 de 100 kN decapacidade, no Grupo de Pesquisa de Fadiga e Materiais Aeronuticos do Departamento deMateriais e tecnologia da FEG/UNESP com uma freqncia de ensaio de 10 Hz e uma cargamxima de 8 kN com razo entre Kmn/Kmx de 0,1. A pr trinca foi nucleada at umtamanho de 1,5 mm de acordo com os parmetros definidos pela ASTM E67. A Figura 32apresenta uma imagem de um corpo de prova durante a etapa de nucleao da pr trinca.

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Figura 32 Corpo de prova durante a nucleao da pr trinca.

A segunda etapa do ensaio foi realizada no DEMAR, Departamento de Materiais daEEL/USP em uma mquina MTS 810 de 250 kN de capacidade. Foram realizados seisensaios, trs com corpos de prova retirados de uma posio a 90 da solda e outros trsretirados de uma posio a 180 da solda. A mquina foi calibrada a priori do ensaio, com umcorpo de prova utilizado como teste, para verificao da fixao, aplicao de carga,adaptao as dimenses dos corpos de prova e outros parmetros que seriam mantidos fixosdurante os ensaios posteriores. O primeiro corpo de prova foi ensaiado com uma presso defixao de 21 MPa, carga mxima aplicada de 10 kN, freqncia de 10 Hz e razo entreKmn/Kmxde 0,1 alm de uma taxa de leitura de 0,25 mm. Esta taxa de leitura indica queo software iria registrar os resultados obtidos no ensaio,

e K a cada avano de 0,25 mm

da trinca. O prprio software calculava as taxas de crescimento e de variao de K e osplotava em um grfico respectivo. A Figura 33 apresenta uma imagem de um corpo de provadurante o ensaio de propagao de trincas.

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Figura 33 Corpo de prova durante o ensaio de propagao de trincas.

Convm ressaltar que a medio do comprimento da trinca realizada durante o ensaio(comprimento da trinca fornecido automaticamente pelo software) realizada de maneiraindireta, atravs do conhecimento da abertura da trinca avaliada com ajuda de um clip gage.Toma-se como base as dimenses iniciais de comprimento e de abertura da trinca, conforme amesma vai abrindo ao se propagar, a diferena entre os valores (inicial e no momento damedio) que obtida com auxilio do clip gage permite que o software calcule ocomprimento atual da trinca utilizando relaes de semelhana de triangulo. A Figura 34 dum destaque maior ao corpo de prova e o respectivo clip gage durante o ensaio.

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Figura 34 Corpo de prova durante o ensaio de propagao de trincas, com destaque para o clip gage.

Depois do primeiro corpo de prova ensaiado, os outros cincos restantes tiveram umapequena diferena nos ensaios realizados: para que fossem plotados mais pontos pelosoftware nos grficos de propagao de trincas a taxa de aquisio foi mudada para 0,2 mmenquanto o valor de carga mxima aplicada foi reduzido para 9 kN para que os ensaios fossemrealizados mais lentamente e portanto mais facilmente controlados. Os corpos de prova noeram ensaiados at sua completa ruptura, sendo posteriormente fraturados de maneira estticapela prpria mquina do ensaio como apresentado na Figura 35.

Figura 35 Ruptura de um corpo de prova de maneira esttica aps a realizao do ensaio.

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4

RESULTADOS E DISCUSSO

4.1 Ensaio de microdureza VickersFoi realizado um ensaio de microdureza para comparao dos valores de dureza entre:o material base, material da solda e ZTA. A Figura 37 apresenta os pontos os quais tiveramsua dureza mensurada.

Figura 36 Pontos os quais tiveram seus valores de dureza mensurados durante o ensaio..

De acordo com a numerao da Figura 37, os valores de dureza para cada pontoindentado podem ser observados na Tabela 2.

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Tabela 2 Valores de dureza mensurados em cada ponto e as respectivas regies da junta soldada a quepertencem.

Ponto123456789

RegioRGGRGG/RIRGG/RIMBMBMBMBMBMB

Valores de dureza para cada pontoDureza [HV]PontoRegio19910MB19711MB19512MB20413MB20814SOLDA20115SOLDA20016SOLDA20417SOLDA18118SOLDA19SOLDA

Dureza [HV]

183212190182257246223244248261

De acordo com os resultados obtidos pode ser notado que o material da soldaapresenta os maiores valores de dureza, a poro mais homognea da junta soldada e comcomposio qumica que pode ser pr definida pelo fabricante do tubo convenientemente. Aregio de gros grosseiros apresentou valor de dureza menor que o apresentado no material dasolda, mas maior que a mdia do valor de dureza apresentado pelo material base (mdia 196HV). A dureza nessa regio est dentro do esperado, uma vez que embora tenha altasoldabilidade, possvel a formao de microestruturas frgeis nesta regio que possuemelevados valores de dureza e podem ter compensado o efeito da presena de gros de grandesdimenses (que tendem a diminuir a dureza do material). J na transio da RGG e RIdependendo da velocidade de resfriamento podem ser observados tanto microconstuintesfrgeis (i.e. martensita) como bainita e perlita logo, pelos valores de dureza obtidos,possivelmente d-se a ltima opo.4.2 Metalografia da junta soldada

4.2.1 MacrografiaAs amostras macrogrficas foram preparadas de acordo com os procedimentosdescritos na seo 3.2.3.1. O resultado da primeira macrografia pode ser observado na Figura38.

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Figura 37 Macrografia da junta soldada, com destaque para as soldas realizadas e para arepresentao do formato do chanfro tipo duplo V (em vermelho).

Nesta macrografia dado um destaque aos dois processos de soldagem principais queso realizados em relao ao sentido longitudinal do tubo. Aps a soldagem de chapinha(que apenas garante uma pr unio das bordas da chapa conformada), o tubo passa por umprimeiro processo de soldagem do tipo SAW, a denominada solda de raiz. Aps esta solda deraiz, o tubo virado de 180 em relao a seu comprimento e recebe a solda de reforotambm pelo pelo processo SAW. Notar tambm o chanfro do tipo duplo V realizado nasbordas da chapa a priori dos processos de soldagem.A prxima macrografia realizada ressalta outras caractersticas, como pode serobservado na Figura 38.

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Figura 38 Macrografia da junta soldada com destaque para as ZTAS, gros colunares edescontinuidades.

Na macrografia da Figura 38 so abordadas caractersticas muito interessantes.Primeiramente podem ser observadas duas ZTA uma devido ao primeiro processo desoldagem (solda de raiz) e uma segunda ZTA que se forma devido ao segundo processo desoldagem. Nota-se que a segunda ZTA formada no se situa apenas na interface entra materialde solda/MB, mas tambm avana, caracterizando uma ZTA dentro da prpria solda de raiz.Outro fator importante a ser observado que o aporte trmico da solda de reforo noeliminar a ZTA da solda de raiz, que continua bem evidente como apresentado namacrografia. Outros detalhes a serem observados a formao de gros colunares que tm seucomprimento preferencial partindo da interface ZTA/Material da Solda em direo a linha desimetria da solda. Isso pode ser explicado pelo fato dos gros crescerem acompanhando aslinhas de fluxo de transferncia de calor, que so perpendiculares as linhas isotrmicas: temse um gradiente de temperatura entre o MB (regio mais fria) e o centro da solda (regio demaior temperatura durante a soldagem). Tambm fica bem evidenciada a presena dedescontinuidades na interface entre o material de solda e o incio da ZTA (provavelmenteporos).4.2.2

MicrografiaComo descrito na seo 3.2.3.2 foram realizadas micrografias de comparao entre as

microestruturas do material base e a junta soldada, com ampliaes de 200x, 500x e 1000x. AFigura 39 apresenta micrografias com uma ampliao de 200x.

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Figura 39 Micrografias do material base e da junta soldada, ampliao de 200x. a-) Material base, b-)Interface RGG/Material solda, c-) Material da Solda.

De acordo com a Figura 39, o material base identificado em a-) apresenta uma matrizde ferrita (, fase clara) e apresenta tambm presena de fase perltica (fase escura). A grandequantidade de fase confirma o baixo teor de carbono do ao. Os gros observados souniformes, equiaxiais. Para b-) observa-se a interface entre a RGG, caracterizada por grosgrandes, irregulares, quando comparados aqueles observados no material base com o materialda solda. Em c-) observa-se o material da solda com linhas de fluxo de resfriamento epresena de ferrita de segunda fase alinhada.

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Figura 40 Micrografias do material base e da junta soldada, ampliao de 500x. a-) Material base, b-)Interface RGG/Material solda, c-) Material da Solda.

No caso da Figura 40, as observaes em a-) e b-) so as mesmas realizadasanteriormente para o caso a Figura 39. Em c-) para este caso fica evidenciada uma matrizferrtica no material da solda, com possvel presena de fases bainticas e martensticas.

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Figura 41 Micrografias do material base e da junta soldada, ampliao de 1000x. a-) Material base,b-) RGG, c-) Material da Solda.

Na Figura 41, novamente podem ser observados em a-) a microestrutura do MB comseus gros equiaxiais e uniformes em uma matriz de ferrita, em b-) novamente apresentadauma micrografia da RGG com gros significativamente maiores que os observados no MB eem c-) uma micrografia da regio soldada.

4.3 Ensaio de traoObserva-se que todos os valores esto de acordo com o especificado pela

norma

API 5L 44 edio para o grau X70 PSL2 e tambm atenderam os requisitos da DNV SMYS485. A Tabela 3 apresenta os resultados dos ensaios de trao realizados, dos corpos d