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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais PPGEM
DESENVOLVIMENTO DE ENSAIOS DE CORROSÃO-FADIGA PARA JUNTAS
SOLDADAS DE AÇO API 5L X60
Fabrício Pinheiro dos Santos
Dissertação para obtenção do Título de Mestre
em Engenharia
Porto Alegre 2006
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II
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Escola de Engenharia
Programa de Pós Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de Materiais PPGEM
DESENVOLVIMETO DE ENSAIOS DE CORROSÃO-FADIGA PARA JUNTAS
SOLDADAS DE AÇO API 5L X60
FABRÍCIO PINHEIRO DOS SANTOS
Engenheiro Metalúrgico
Trabalho realizado no Departamento de Metalurgia da Escola de Engenharia da UFRGS,
dentro do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e de
Materiais – PPGEM, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em
Engenharia.
Área de Concentração: Ciência e Tecnologia dos Materiais
Porto Alegre
2006
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III
Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de Mestre em
Engenharia, área de concentração em Ciência e Tecnologia dos Materiais, e aprovada em
sua forma final, pelo orientador e pela Banca Examinadora do Programa de Pós-
Graduação.
Orientador: Prof. Dr.Afonso Reguly
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Luiz Carlos Pereira, COPPE;UFRJ
Prof. Dr. Telmo Roberto Strohaecker, PPGEM/UFRGS
Dr. Marco André Ronaldo Froehlich, UNISINOS
Prof. Dr. Antonio Carlos Faria Villela
Coordenador do PPGEM
IV
Não há nada mais poderoso do que uma idéia cujo momento chegou
Vithor Hugo
Dedico esta dissertação a minha mãe Erceli e a meus irmãos Juliano e Graziela
V
AGRADECIMENTOS
Ao Professor.Telmo Roberto Strohaecker, pelo apoio fundamental e incentivo para
realização deste trabalho.
Ao professor Afonso Reguly pela orientação e paciência ao longo deste trabalho.
A toda a família Lamefiana em especial ao pessoal da CADETEC pela amizade ao
longo destes anos.
Aos colegas do grupo de corrosão-fadiga Rafael “Leiteiro”, Aldo Altenhofen,
Marlon Brandi, Rodrigo Borre, Guilherme Lemos, Russel Lysyk pela ajuda e amizade ao
longo deste projeto.
Aos engenheiros Fabiano Mattei, Gabriel Petry, e Jailson Betanzos pelas
contribuições técnicas.
A estudante de iniciação científica Claudia Fanezi pela ajuda com a formatação
deste documento.
À Petrobras pela ajuda com o fornecimento do material para a realização deste
trabalho.
À CAPES pelo apoio financeiro e incentivo à pesquisa.
VI
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................ XII
LISTA DE TABELAS........................................................................................................ XIV
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS................................................................... XV
RESUMO ..........................................................................................................................XIV
ABSTRACT ....................................................................................................................... XV
1 INTRODUÇÃO..............................................................................................................1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................3
2.1 Fadiga .....................................................................................................................3
2.2 Solicitações de Fadiga ............................................................................................4
2.3 Aplicação da Mecânica da Fratura à Fadiga...........................................................6
2.4 Fadiga em Estruturas Offshore...............................................................................8
2.4.1 Fadiga em Juntas Soldadas.............................................................................9
2.4.2 Influência da Geometria do Cordão .............................................................10
2.4.3 Influência da Composição Química e da Microestrutura.............................13
2.5 Corrosão-Fadiga ...................................................................................................15
2.5.1 Material.........................................................................................................18
2.5.2 Meio Corrosivo (Água do Mar)....................................................................20
2.5.3 Fatores que Influenciam a Corrosão-Fadiga em Água do Mar ....................22
2.6 Ensaios de Corrosão-Fadiga.................................................................................27
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .......................................................................31
3.1 Desenvolvimento do Equipamento.......................................................................31
3.2 Sistema Hidráulico ...............................................................................................34
3.3 Sistema de Controle..............................................................................................35
3.4 Distribuição de Gás ..............................................................................................36
3.5 Validação do Equipamento...................................................................................38
3.5.1 Cálculo Analítico da Tensão de Ensaio........................................................38
3.5.2 Cálculo Experimental da Tensão de Ensaio .................................................39
3.6 Teste do Equipamento ..........................................................................................41
VII
3.6.1 Materiais.......................................................................................................41
3.6.2 Soldagem e Inspeção dos Tubos...................................................................41
3.6.3 Análise da Junta Soldada..............................................................................42
3.6.4 Análise Química ...........................................................................................42
3.6.5 Retirada dos Corpos de Prova ......................................................................42
3.7 Ensaios de Tração.................................................................................................43
3.8 Ensaio de Fadiga (Curvas S/N) ............................................................................44
3.9 Preparação do Meio Corrosivo.............................................................................46
4 RESULTADOS ............................................................................................................47
4.1 Validação do Equipamento...................................................................................47
4.2 Análise da Junta Soldada......................................................................................49
4.2.1 Ensaios de Microdureza ...............................................................................49
4.2.2 Análise Metalográfica...................................................................................50
4.2.3 Análise Química e Ensaios de Tração..........................................................51
4.3 Resultados dos Ensaios de Fadiga........................................................................51
5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS............................................................................54
6 CONCLUSÕES............................................................................................................57
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS........................................................58
8 BIBLIOGRAFIA..........................................................................................................59
VIII
LISTA DE FIGURAS
Figura 2-1: Curva de fadiga esquemática (BRANCO 1986)................................................. 4
Figura 2-2: Tipos de solicitações de fadiga (BRANCO 1986).............................................. 5
Figura 2-3: Representação esquemática de ensaios de fadiga. (a) Flexão rotativa com
solicitação alternada pura (b) ensaio do tipo push/pull com solicitação flutuante................ 6
Figura 2-4: Diagrama esquemático da/dN,
Δ
K, mostrando os três regimes de propagação
(BRANCO 1986)...................................................................................................................7
Figura 2-5: Esquema da influência dos movimentos da maré em tubulações para extração.
(PINHO 2001) ....................................................................................................................... 9
Figura 2-6 Exemplos de trincas de fadiga em juntas soldadas iniciadas no pé do cordão
(reforço). (METALS HANDBOOK vol 19) ....................................................................... 10
Figura 2-7: Diferentes soldas em uma tubulação ................................................................ 11
Figura 2-8: Parâmetros geométricos do cordão de solda (BRANCO 1986) ....................... 11
Figura 2-9: Perfil da distribuição de tensões em uma junta de topo transversal. (BRANCO
1986).................................................................................................................................... 11
Figura 2-10: Variação do fator de concentração de tensões com o ângulo de tangência θ no
cordão de solda. (BRANCO 1986)...................................................................................... 12
Figura 2-11: Influência do ângulo de tangência na resistência à fadiga de uma junta de topo
transversal. (BRANCO 1986) ............................................................................................. 13
Figura 2-12: Relação do parâmetro M
k
com o ângulo de reforço α e o tamanho da trinca ....
..............................................................................................................................................14
Figura 2-13: Diferentes regiões microestruturais de uma junta soldada. (METALS
HANDBOOK vol 19).......................................................................................................... 14
Figura 2-14: Perfil tensões residuais em uma junta soldada. (BRANCO 1986)................. 15
Figura 2-15: Comparativo entre a curva de fadiga ao ar e em meio corrosivo. (GENTIL
1996).................................................................................................................................... 16
Figura 2-16: Mecanismo de nucleação em discordância ancorada. (JASKE 1981)............ 17
Figura 2-17: Esquema dos três tipos de taxa de crescimento de trinca por corrosão-fadiga.
(AUSTEN 1977).................................................................................................................. 18
IX
Figura 2-18: Parâmetros que influenciam na corrosão-fadiga. (BRANCO 1986) .............. 19
Figura 2-19 : Efeito do tamanho de grão na taxa de propagação de trinca em corrosão-
fadiga. (a) Liga Ti-8.6Al (b) Liga Al-5.7Zn-2.5Mg-1.5Cu................................................. 20
Figura 2-20: Influência do pH no comportamento fadiga de aço carbono em 3% de NaCl.
(BRANCO 1986)................................................................................................................. 23
Figura 2-21: Efeito da temperatura na corrosão-fadiga. (BRANCO 1986) ........................ 24
Figura 2-22: Influência da freqüência no comportamento à corrosão-fadiga de um aço
baixa liga em água do mar. (METALS HANDBOOK vol 19) ........................................... 25
Figura 2-23: Diferentes tipos de forma de onda de carregamento em fadiga. (BRANCO
1986).................................................................................................................................... 26
Figura 2-24: Efeito da forma da onda de carregamento na taxa de propagação de trinca em
um aço 15Ni-5Cr-3Mo. (a) Meio inerte (b) Meio corrosivo contendo 3% de NaCl
(METALS HANDBOOK vol 19) ....................................................................................... 26
Figura 2-25: Corpos de prova para corrosão-fadiga. (a) Torção. (b) Flexão rotativa com um
lado apoiado. (c) Flexão rotativa puro. (d) Flexão reversa. (e) Carregamento axial.
(METALS HANDBOOK vol 19) ....................................................................................... 27
Figura 2-26: Sistema de ensaio de corrosão-fadiga com servo hidráulica (WAHAB 2002)
............................................................................................................................................. 28
Figura 2-27: Sistema de ensaio de corrosão-fadiga. (ANGELOVA 1999)......................... 29
Figura 2-28: Ensaio de corrosão-fadiga por flexão rotativa (WAHAB 2003). ................... 29
Figura 2-29: Ensaio de da/dN com corpo de prova tipo CT parcialmente imerso. (METALS
HANDBOOK vol 19).......................................................................................................... 30
Figura 2-30: Ensaio de da/dN com corpo de prova tipo SENB imerso (SIVAPRASAD
2000).................................................................................................................................... 30
Figura 2-31: Ensaio de da/dN com cuba encaixada no corpo de prova tipo CT (LIN 1998)
............................................................................................................................................. 30
Figura 3-1: Esquema de retirada de corpos de prova de corrosão-fadiga ........................... 31
Figura 3-2: Esquema de aplicação de carga e montagem do corpo de prova...................... 32
Figura 3-3 Desenho do apoio inferior desenvolvido para os ensaios de corrosão-fadiga ... 33
Figura 3-4 Desenho do apoio superior desenvolvido para os ensaios de corrosão-fadiga.. 33
Figura 3-5: Quadro de reação desenvolvido para o equipamento de ensaio de corrosão-
fadiga. .................................................................................................................................. 33
Figura 3-6 Célula de corrosão utilizada nos ensaio de corrosão-fadiga.............................. 34
Figura 3-7: Imagem da unidade hidráulica utilizada nos ensaios de corrosão-fadiga......... 34
X
Figura 3-8: Cilindro hidráulico utilizado nos ensaios de corrosão-fadiga........................... 35
Figura 3-9: Célula de carga utilizada nos ensaios de corrosão-fadiga. ............................... 35
Figura 3-10 Esquema de controle utilizado nos ensaios de corrosão-fadiga....................... 36
Figura 3-11: Fotografia do sistema de controle construído para realização dos ensaios de
corrosão-fadiga com a tela de controle................................................................................ 36
Figura 3-12: Fotografias do sistema para abastecimento de gases do LAMEF. ................. 37
Figura 3-13 : Esquema do equipamento desenvolvido em funcionamento......................... 38
Figura 3-14: Fotografia geral dos quatro sistemas de ensaio. ............................................. 38
Figura 3-15 Desenho do esquema de aplicação de carga.................................................... 39
Figura 3-16: Corpo de prova instrumentado para teste de carga......................................... 40
Figura 3-17: Detalhe da localização dos extensômetros. .................................................... 40
Figura 3-18: Tubo soldado recebido para retirada dos corpos de prova. ............................ 41
Figura 3-19: Representação esquemática da localização dos perfis de microdureza.......... 42
Figura 3-20: Fotografia do tubo após os três cortes longitudinais. ..................................... 43
Figura 3-21: Desenho do corpo de prova de tração............................................................. 44
Figura 3-22: Desenho do corpo de prova para ensaio de fadiga. ........................................ 44
Figura 3-23: Corpos de prova preparados para o ensaio de corrosão-fadiga. ..................... 45
Figura 3-24: Macrografia da junta soldada estudada........................................................... 45
Figura 4-1: Gráfico de carregamento do corpo de prova com extensômetros..................... 47
Figura 4-2: Gráfico da relação entre tensão analítica e experimental. ................................ 48
Figura 4-3: Forma da onda do carregamento resultante...................................................... 48
Figura 4-4: Perfil de dureza da junta soldada estudada....................................................... 49
Figura 4-5: Aspecto metalográfico do material de base. Ataque Nital 2%......................... 50
Figura 4-6: Aspecto metalográfico do metal de solda. Ataque Nital 2%............................ 50
Figura 4-7: Aspecto metalográfico da ZTA. Ataque Nital 2%............................................ 51
Figura 4-8: Imagens mostrando a nucleação e a propagação da trinca durante o ensaio.... 52
Figura 4-9: Fratura final do corpo de prova ........................................................................ 52
Figura 4-10: Curvas de Wohler obtidas nos ensaios ao ar e em meio corrosivo................. 53
Figura 5-1: Gráfico mostrando a relação do fator de forma em função do comprimento de
trinca para uma viga submetida a momento fletor puro (TADA 1985). ............................. 55
XI
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1: Composição média da água do mar (PANOSSIAN 1993) .............................. 21
Tabela 2-2: Principais reações de corrosão do ferro em água contendo cloretos................ 21
Tabela 2-3: Reações de oxi-redução do ferro em meios desaerados................................... 21
Tabela 3-1: Composição química e propriedades mecânicas nominais do material estudado.
............................................................................................................................................. 41
Tabela 3-2: Tabela de parâmetros utilizados nos ensaios.................................................... 45
Tabela 4-1: Formas de onda em função da freqüência e a tensão máxima ......................... 49
Tabela 4-2: Composição química média do metal de base do tubo ensaiado. .................... 51
Tabela 5-1: Relação de ΔK com a amplitude de tensão. ..................................................... 55
XII
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
α Angulo de tangencia do reforço;
θ Angulo complementar de α;
r Raio de reforço da solda;
R Razão de carregamento;
T Largura do reforço da solda;
h Altura do reforço;
P Força;
σ Tensão na superfície sob tração;
L distância entre apoios externos;
I distância entre apoios internos;
P carga aplicada;
b Espessura do corpo de prova;
W Espessura da tubulação;
M Momento fletor;
C Distância da linha neutra até o ponto de medida da tensão,
J Momento de inércia;
σ Tensão aplicada;
σ
Máx
Tensão máxima do ciclo de fadiga;
σ
Mín
Tensão mínima no ciclo de fadiga;
σ
Méd
Tensão média do ciclo de fadiga;
K
t
Fator de concentração de tensões;
Δ
K Variação do fator de intensidade de tensões;
K
I
Fator de intensidade de tensões para o modo I de deformação;
K
II
Fator de intensidade de tensões para o modo II de deformação;
K
III
Fator de intensidade de tensões para o modo III de deformação;
K
IC
Fator de intensidade de tensões critico;
Δ
K
TH
Limiar de propagação de trinca por fadiga;
K
ISCC
Limiar de propagação de trinca por corrosão sob tensão;
XIII
a Comprimento de trinca;
N Número de ciclos
m Expoente de propagação de trinca
C Constante de propagação de trinca;
Y Fator de forma;
XIV
RESUMO
Este trabalho tem por objetivo desenvolver um equipamento de ensaios para avaliar
a vida de juntas soldadas, provenientes de tubulações para extração de petróleo, submetidas
à corrosão-fadiga. Para atingir este objetivo foi estudado em que condições de corrosão-
fadiga uma tubulação esta exposta em alto mar sendo então definidos os parâmetros mais
relevantes para serem reproduzidos em laboratório em corpos de prova menores. Nesta
etapa foram definidos quais seriam os parâmetros de ensaio que o equipamento deveria
atender. O equipamento foi construído para ensaiar uma junta soldada circunferencial por
flexão a quatro pontos através de um sistema hidráulico com controle de carga com uma
freqüência de 0,2 Hz e razão de carregamento, R=0,1. Para validar o equipamento foi
usado um corpo de prova instrumentado com extensômetros resistivos para comparar o a
carga calculada com a experimental e determinar se o nível de carregamento se mantêm
constante ao longo dos ensaios. Foi levantada uma curva de fadiga com o equipamento
desenvolvido e comparada com uma curva de fadiga feita ao ar do mesmo material em
uma máquina servo hidráulica MTS.
XV
ABSTRACT
The objective of this work is to develop a machine to perform corrosion fatigue
tests in welded samples machined from pipeline used in offshore installations. Prior to the
design of the equipment it was studied the corrosion fatigue conditions which pipelines are
exposed, and which are the most important parameters to be reproduced in laboratory. At
that stage it was defined the parameters that the equipment would have to simulate. The
equipment was constructed to test a welded joint in four point bending using a hydraulic
system with load control at a frequency of 0.2Hz and loading ratio of 0.1. To validate the
equipment a sample instrumented with strain gauges was used to compare the calculated
load with the actual experimental load. That specimen was also used to evaluate if the load
ratio remained constant thought out the tests. A fatigue curve obtained with the equipment
developed during this study was compared with a fatigue curve obtained in atmospheric air
using a commercially available MTS machined.
1
1 INTRODUÇÃO
A escassez das reservas mundiais de petróleo levou as companhias petroquímicas a
procurar, com mais intensidade, a exploração marítima de petróleo (offshore). Esta
exploração culminou em águas agitadas e profundas, tais como águas do mar do norte,
costa norte das ilhas britânicas e na costa da Noruega.
Perfis de secção circular e outros componentes metálicos são utilizados em
estruturas de plataformas marítimas necessárias à exploração offshore. Este tipo de
estrutura está sujeito a processos de fadiga devido a carregamentos variáveis em virtude
das solicitações introduzidas por ondas e ventos fortes.
As elevadas solicitações a que estão sujeitas estas estruturas, por ação de ondas
elevadas e ventos fortes, obriga a recorrer a estruturas de grandes dimensões, construídas
com tubulações de elevada espessura. O problema da fadiga, em particular nas juntas
soldadas, tornou-se muito importante e a escassez de resultados confiáveis, quanto ao
comportamento a fadiga de juntas tubulares circulares de grandes dimensões, motivou o
lançamento de programas de ensaios e investigação, com vista à obtenção de resultados
que pudessem ser utilizados pelos projetistas destas estruturas.
A investigação no domínio da fadiga de juntas soldadas de plataformas de
exploração teve um forte estímulo nos EUA, Inglaterra e Japão nos anos 60. Os resultados
destes estudos estabeleceram códigos e curvas de projeto para fadiga, como é o caso dos
códigos da API e AWS dos EUA e o código inglês BS 6235.
Os ensaios de fadiga em perfis tubulares inteiros são bastante dispendiosos, por
serem utilizados corpos de prova de grandes dimensões, o que exige equipamentos de alta
capacidade de carga. Por este motivo, o custo dos sistemas de ensaio é bastante elevado,
bem como toda a instrumentação para leitura e registro dos dados. Em termos
comparativos, o custo destes sistemas de ensaios é cerca de 20 a 50 vezes mais elevado que
2
uma máquina de ensaios de fadiga convencional para pequenos corpos de prova.
(BRANCO 1986)
Outro fator importantíssimo é no tocante a influência do meio agressivo no
comportamento em fadiga de componentes. A fadiga com corrosão ou corrosão-fadiga
nestes tipos de junta tem sido pouco estudada. Poucos trabalhos foram realizados com o
material exposto diretamente à ação do meio ambiente (água do mar). Os resultados
obtidos mostraram uma diminuição da resistência a fadiga em relação ao ar de trinta a
cinqüenta por cento.
Existem várias dificuldades em se realizar ensaios de corrosão-fadiga, entre elas
está a própria montagem do ensaio, onde se deve expor o corpo de prova ao meio corrosivo
(seja aquoso ou gasoso) tendo, normalmente, que ser isolado do meio ambiente. Em alguns
casos o meio pode ser tóxico ou de difícil manipulação. Outro ponto é que para se obter
resultados válidos em ensaios de corrosão-fadiga deve-se trabalhar com freqüências muito
baixas (da ordem de 0,1 a 1 Hz), promovendo tempo para que as reações químicas
ocorram, o que leva a tempos de ensaios muito longos.
Neste contexto, o objeto desta dissertação é desenvolver um equipamento para
realizar ensaios de corrosão-fadiga em juntas soldadas expostas a um meio contendo
cloretos. Em função da baixa freqüência de carregamento, optou-se por utilizar
dispositivos mais simples de controle do ensaio ao invés do uso de sistemas servo-
controlados. Para calibração do equipamento, foram realizados ensaios de corrosão-fadiga
em juntas soldadas retiradas de uma tubulação offshore API 5L X60.
3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Fadiga
Define-se fadiga como o fenômeno de ruptura progressiva de materiais sujeitos a
ciclos repetidos de tensão ou deformação. O estudo do fenômeno é de importância para o
projeto de máquinas e estruturas, uma vez que a grande maioria das falhas em serviço são
causadas pelo processo de fadiga.
As primeiras observações do fenômeno de fadiga datam o ano de 1829, quando
W.A.J Albert (SURESH, 1998) publicou alguns resultados de testes realizados em
correntes de ferro submetidas a carregamentos cíclicos. No período de 1852 a 1869, em
Berlim, Augusto Wohler estudou a ruptura de eixos ferroviários. A ocorrência destas falhas
era imprevisível para os engenheiros da época. Vários eixos fraturavam após apenas
algumas centenas de quilômetros de serviço e, embora projetados de acordo com critérios
de resistência estática, essa fratura ocorria sob condições de carregamento normal. Apesar
de ensaios de tração realizados no material antes da entrada em serviço revelarem
adequada ductilidade, a ruptura em serviço não apresentava sinais de deformação plástica.
Ainda, estes mesmos ensaios realizados no material após a fratura apresentavam as
características de ductilidade iniciais.
Wohler projetou aparelhos e desenvolveu métodos para medições das cargas de
serviço e introduziu o conceito do limiar de fadiga em metais – tensão abaixo da qual não
ocorreriam falhas por fadiga – e definiu o que viriam a ser as curvas S-N (variação de
tensão x Número de ciclos) ainda hoje utilizadas no cálculo de vida em fadiga. As
principais conclusões foram:
• A falha do material solicitado dinamicamente pode ocorrer bem abaixo da
tensão de falha sob carregamento estático;
4
• A amplitude de tensões é o parâmetro mais importante na vida em fadiga,
mas tendo a máxima tensão de tração grande importância.
A figura 2-1 mostra uma curva de Wohler (ou curva S/N) esquemática, que consiste
em um gráfico de tensão aplicada por número de ciclos suportados plotados em escala
logarítmica, mostrando uma curva com característica assintótica ao eixo do número de
ciclos. Isso caracteriza a existência de um limite de fadiga do material abaixo do qual não
ocorrerá falha (ruptura) por fadiga. Este limite, em alguns casos, não é observado, por
exemplo, quando o material é exposto a algum meio agressivo.
Figura 2-1: Curva de fadiga esquemática (BRANCO 1986).
2.2 Solicitações de Fadiga
Falhas por fadiga são causadas por solicitações alternadas. Desta forma é
importante definir os diferentes tipos de carregamento que podem ocorrer.
Dado um ciclo de fadiga contido entre uma tensão mínima (σ
Mín
) e uma tensão
máxima (σ
Máx
) pode-se definir uma tensão média dada por:
2
MínMáx
m
σ
σ
σ
+
=
(1)
Dependendo do valor da tensão média σ
m
, a solicitação será designada alternada
pura, alternada, repetida ou flutuante como mostra a figura 2-2.
5
Figura 2-2: Tipos de solicitações de fadiga (BRANCO 1986)
Outra maneira de expressar o tipo de solicitação é pela razão de carregamento e
pela amplitude de carga. A razão de carregamento, R, é dada por:
Máx
Mín
R
σ
σ
=
(2)
E a amplitude de tensão é dada por:
2
MínMáx
a
σ
σ
σ
−
= (3)
Os primeiros ensaios de fadiga foram realizados em máquinas de flexão rotativa
como mostra a figura 2-3a. Neste tipo de ensaio a solicitação de fadiga é do tipo alternada
pura, sendo a curva de Wohler construída em termos da amplitude de tensão (σ
a
) por
número de ciclos. Atualmente, é comum ensaios de fadiga do tipo tração/compressão
(push/pull) (figura 2-3b) com uso de solicitação flutuante com uma determinada razão de
carregamento. O resultado é um gráfico de tensão máxima por número de ciclos.
6
Figura 2-3: Representação esquemática de ensaios de fadiga. (a) Flexão rotativa com
solicitação alternada pura (b) ensaio do tipo push/pull com solicitação
flutuante.
2.3 Aplicação da Mecânica da Fratura à Fadiga
Os testes de fadiga convencionais consistem em ensaiar corpos de prova lisos e
polidos com diferentes tipos de solicitações e carregamentos (tração, flexão, flexão rotativa
etc). Este tipo de ensaio não distingue a etapa de nucleação e propagação, sendo apenas
medido o número de ciclos total para a falha. Desta forma seria aplicável a um componente
considerado livre de defeitos superficiais, o que pode superestimar a vida em fadiga
(ANDERSON 1995).
Resultados dos estudos da mecânica da fratura originaram novas teorias de projeto
em que se assume que o material não é um meio contínuo e que pode conter defeitos
originados, por exemplo, de processos de fabricação.
Esta abordagem consiste em um modelo quantitativo do comportamento de
componentes com defeitos observados ou cuja existência se suspeita.
O resultado deste estudo é o diagrama da/dN (Taxa de propagação de trinca por
número de ciclos) por
Δ
K (fator de intensidade de tensões). Um diagrama esquemático
da/dN por
Δ
K é mostrado na figura 2.4.
7
Figura 2-4: Diagrama esquemático da/dN,
Δ
K, mostrando os três regimes de propagação
(BRANCO 1986)
O diagrama consiste em três regiões básicas: a região I onde a velocidade de
propagação depende principalmente do material e microestrutura, havendo um valor de
Δ
K
abaixo do qual não há propagação de trinca. Este valor de
Δ
K denomina-se limiar de
propagação da trinca (threshold)
Δ
K
TH
, que pode ser considerado uma propriedade do
material e é de grande importância na engenharia, pois pode-se prever se um defeito vai
propagar ou não sabendo o ΔK atuante no mesmo. No regime II, ocorre propagação de
trinca más a taxa de propagação (da/dN) é governada principalmente pela variação do fator
de intensidade de tensões. Esta relação é representada pela lei de Paris dada pela equação
6:
m
KC
dN
da
)(Δ= (6)
Esta abordagem permite prever a vida remanescente de um componente em fadiga e
pode ser aplicada para materiais dúcteis, mesmo para os quais não se consegue obter
valores válidos de tenacidade à fratura no regime linear elástico para a espessura de
interesse, uma vez que normalmente as tensões nominais a serem aplicadas para propagar
uma trinca são baixas e elas produzem uma pequena zona plastificada na ponta da trinca se
comparada com as dimensões da peça. Estas curvas são utilizadas na seleção de materiais,
8
onde as propriedades requeridas são descritas pelos parâmetros m, C e ΔK
TH
. Em geral
deseja-se:
• Valores baixos do expoente m e da constante C;
• Valor elevado de ΔK
TH
;
• Valor elevado de K
IC
.
O ponto de vista da mecânica da fratura não é abordado neste trabalho, para
maiores informações sobre o assunto recomenda-se a referência: ANDERSON,T.L.
Fracture Mechanics: Fundamentals and Aplications.
2.4 Fadiga em Estruturas Offshore
O fenômeno da fadiga tem sido analisado como sendo um importante fator na
integridade de estruturas e instalações em alto mar. Um exemplo de estrutura sujeita a
fadiga são os risers acoplados a plataformas flutuantes. Os risers são tubulações que levam
o petróleo desde o poço submarino até a plataforma offshore como mostra a figura 2-5. Os
risers rígidos são formados por tubos fabricados normalmente em aço, podendo ser
instalados tanto verticalmente, quanto em forma de catenária, segundo a norma americana
API RP 2RD.
Neste caso, as solicitações dinâmicas são causadas pelo efeito das ondas, correntes
marítimas e, indiretamente, pelos ventos atuando sobre a estrutura da plataforma (PINHO
2001).
Quando destinados a águas profundas, e conectados a plataformas flutuantes, o
comportamento mecânico é, em geral, composto por grandes deslocamentos no topo e
elevadas deflexões devido ao grande comprimento e pequena rigidez a flexão do riser. A
fadiga é caracterizada como sendo de alto ciclo, ou seja, elevada amplitude e baixas taxas
de carregamento. A freqüência de carregamento é baixa variando da ordem de 0,002Hz
(BETANZOS 2004).
As tubulações metálicas estão entre as mais utilizadas por oferecerem as seguintes
vantagens:
• Baixo custo;
• Fácil fabricação;
• Impermeabilidade a hidrocarbonetos;
9
• Capacidade de suportar elevadas pressões externas e internas;
• Maior compatibilidade para trabalho com fluidos;
• Adaptação de técnicas de ensaios não destrutivos.
No entanto, existem considerações a serem levadas em conta no que se refere à
corrosão interna ou externa e, como no caso de interesse desse trabalho, do comportamento
frente às solicitações dinâmicas de estruturas metálicas. Entre os pontos a serem
considerados estão a qualidade das juntas soldadas e a influência do ambiente corrosivo
que pode acelerar o processo de fadiga.
Figura 2-5: Esquema da influência dos movimentos da maré em tubulações para extração.
(PINHO 2001)
2.4.1 Fadiga em Juntas Soldadas
O processo de soldagem é amplamente utilizado na união de tubulações para
prospecção, sendo as regiões soldadas os pontos mais susceptíveis a falha por fadiga. A
figura 2-6 mostra exemplos de trincas de fadiga em duas juntas soldadas. A nucleação das
trincas de fadiga ocorre em regiões específicas da junta e é influenciada pela geometria do
cordão (NEROLICH 1981), além de sofrer influência da composição química do metal de
adição e de base e das suas microestruturas.
10
Figura 2-6 Exemplos de trincas de fadiga em juntas soldadas iniciadas no pé do cordão
(reforço). (METALS HANDBOOK vol 19)
Entre os vários fatores que podem influenciar a vida em fadiga de uma junta
soldada, e que serão tratados neste trabalho, estão:
• Geometria do cordão;
• Material e estado metalúrgico (composição química e microestrutura);
• Meio ambiente.
Vários outros fatores podem influenciar a vida em fadiga em juntas soldadas, como
por exemplo: processo de soldagem utilizado, alinhamento dos componentes da junção,
qualidade do cordão de solda, quantidade de defeitos, etc; porém, a abordagem de todos
estes pontos foge do objetivo deste trabalho e não serão discutidas.
2.4.2 Influência da Geometria do Cordão
Uma tubulação possui, em geral, dois tipos de juntas soldadas: longitudinais e
circunferenciais. Nas longitudinais, o cordão é paralelo ao eixo do tubo e é feito durante a
fabricação do mesmo. As juntas circunferenciais são feitas ao longo do perímetro do tubo e
servem para unir os vários segmentos durante a instalação da tubulação. Um esquema desta
montagem é mostrado na figura 2-7.
A figura 2-8 mostra as principais medidas de uma junta soldada. A altura h na
figura 2-8 é chamado de reforço, que é uma quantidade de sobremetal colocada com o
objetivo de se aumentar a secção da junta elevando a resistência estática da mesma. A
geometria do reforço é de extrema importância na vida em fadiga de uma junta, sendo que
as variáveis mais importantes são o ângulo θ (ou seu complementar α), a largura T e o raio
de concordância r.
11
Figura 2-7: Diferentes soldas em uma tubulação
Figura 2-8: Parâmetros geométricos do cordão de solda (BRANCO 1986)
Nas juntas soldadas, os processos a iniciação e propagação das trincas de fadiga são
facilitadas devido a concentração de tensões do reforço na região do cordão, sendo o pé do
cordão (ponto A) na figura 2-9 o principal ponto de nucleação de trincas. Para
componentes mecânicos e estruturais que contenham descontinuidades geométricas, pode-
se associar um fator multiplicador de tensão K
t
que é a relação entre a tensão nominal
aplicada pela tensão local na região da descontinuidade e é dado por:
alNo
Máxima
t
K
min
σ
σ
=
(7)
Figura 2-9: Perfil da distribuição de tensões em uma junta de topo transversal. (BRANCO
1986)
12
Ensaios de fadiga mostraram que um fator geométrico importante na vida em fadiga
de uma junta soldada é o ângulo θ (ou o seu complementar α). Quanto mais elevado for θ
maior será o valor do parâmetro Kt; e conseqüentemente o valor da tensão máxima local.
Por sua vez, menor será a vida em fadiga (NEROLICH 1981). A relação do ângulo θ e o
parâmetro Kt é apresentado na figura 2-10.(BRANCO 1986)
Figura 2-10: Variação do fator de concentração de tensões com o ângulo de tangência θ no
cordão de solda. (BRANCO 1986)
A figura 2-11 mostra uma relação do ângulo do reforço α com a resistência à fadiga
de uma junta. Neste gráfico observa-se que quanto maior for este ângulo, maior será a
resistência à fadiga.
Isto ocorre pela minimização da concentração de tensões no pé do cordão com o
aumento do ângulo α. Para um ângulo de 180°, a resistência à fadiga da junta tende ao
valor da placa de material base. Logo, é possível obter um aumento da resistência à fadiga
com a usinagem do reforço da solda, eliminando–se o efeito da concentração de tensões
(Kt=1).
É usual a prática de remover o reforço após a soldagem, com o objetivo de eliminar
esta concentração de tensão e, conseqüentemente, aumentar a vida em fadiga. No entanto,
esta remoção é trabalhosa e às vezes inviável na prática.
13
Figura 2-11: Influência do ângulo de tangência na resistência à fadiga de uma junta de topo
transversal. (BRANCO 1986)
2.4.3 Influência da Composição Química e da Microestrutura
Os materiais normalmente utilizados na construção de componentes estruturais para
uso em alto mar são os aços de baixo teor de carbono devido a sua melhor soldabilidade. O
processo de soldagem empregado usualmente é o de arco elétrico. Este processo de
soldagem produz diferenças microestruturais marcantes na região da solda, como mostra
esquematicamente a figura 2-12. A microestrutura consiste em três regiões bem definidas,
descritas a seguir:
• Zona de fusão (ZF): Região com microestrutura de solidificação, onde o
metal de base é fundido e misturado ao metal de adição. A composição
química é função do consumível e do nível de diluição da junta;
• Zona afetada pelo calor (ZAC): Região onde não ocorre variação de
composição química, porém ocorrem transformações microestruturais em
função do gradiente e ciclagem térmico;
• Metal base (MB): Região do material que não sofre efeito do gradiente
térmico.
14
Figura 2-12: Diferentes regiões microestruturais de uma junta soldada. (METALS
HANDBOOK vol 19)
A nucleação de uma trinca de fadiga em uma junta soldada é pouco influenciada
pela microestrutura, sendo mais dependente de fatores geométricos. Porém, após a trinca
haver nucleado, a microestrutura poderá influenciar a propagação da mesma.(BRANCO
1986)
No que se refere às curvas de propagação de trinca da/dN por ΔK, apenas a região I
é influenciada pela microestrutura, agindo no valor de ΔK
TH
. Em geral, a ZAC apresenta
uma maior taxa de propagação de trinca do que no material base ou metal de solda. Isto se
deve, principalmente, às tensões residuais trativas que surgem após a soldagem que são de
maior intensidade nesta região, como mostra a figura 2-13. As diferenças de tamanho de
grão na região da ZAC também podem influenciar na propagação de trincas, por esta se
tratar da região de maior preocupação em termos de tenacidade à fratura de componentes
estruturais.
O efeito das tensões residuais é mais pronunciado em chapas de grande espessura
(25 mm). Em espessuras menores, não se observa variação significativa na taxa de
propagação de trinca nas três zonas características do cordão de solda.
15
Figura 2-13: Perfil tensões residuais em uma junta soldada. (BRANCO 1986)
2.5 Corrosão-Fadiga
Na presença de ambientes corrosivos, a resistência à fadiga sofre mudanças
significativas; a este fenômeno dá-se o nome de fadiga com corrosão ou simplesmente
corrosão-fadiga.(GENTIL 1996)
A corrosão-fadiga é o fenômeno da susceptibilidade à fratura do material sob ação
combinada do carregamento cíclico (fadiga) e um ambiente agressivo (gasoso ou aquoso),
que isoladamente, podem não levar a falha do componente. Ao se estudar a contribuição
desses fatores conjuntamente, verifica-se que o dano causado é geralmente maior do que a
soma dos danos causados pela corrosão e pela fadiga agindo separadamente.
O mecanismo da corrosão-fadiga consiste em uma fadiga acentuada pelo fenômeno
da corrosão, não apresentando limite de fadiga definido, como ocorre na resistência a
fadiga em meios não agressivos. A figura 2-14 mostra duas curvas de fadiga de ligas
ferrosas levantadas ao ar e em solução contendo cloretos, o material ensaiado foi aço de
baixo carbono. Verifica-se que quando o material é ensaiado em um meio corrosivo, alem
da vida em fadiga diminuir, não é detectado um limite de fadiga especifico.
Também se verifica que a imersão prévia do material em meio aquoso, antes da
aplicação de esforços mecânicos, faz baixar o limite de fadiga.
16
Figura 2-14: Comparativo entre a curva de fadiga ao ar e em meio corrosivo. (GENTIL
1996)
O mecanismo de inicio da fratura por fadiga em meios corrosivos pode estar
associado a:
• Corrosão por pit
1
, onde a trinca inicia em um pit formado por ataque
corrosivo;
• Dissolução preferencial em uma região de maior deformação plástica que
age como anodo e o material não deformado agindo como catodo;
• Ruptura de filme protetor pelos ciclos de deformação;
• Redução da energia superficial causada pela adsorção das espécies,
promovendo propagação de microtrincas.
Nenhum destes mecanismos explica completamente a iniciação de uma trinca por
corrosão-fadiga em ambientes aquosos. O mecanismo de iniciação é uma função tanto do
material como do ambiente. As bandas de escorregamento formadas pelo processo de
intrusão/extrusão (STROHAHECKER 2005) são pontos preferenciais de ataque corrosivo,
causando uma concentração de tensão local. O processo de corrosão aumenta a densidade
de bandas de deslizamento. Um modelo simples deste tipo de processo é ilustrado na figura
1
Pit: Forma de corrosão localizada que consiste em produção de cavidades a partir da superfície. Caso extremo onde áreas
muito pequenas da superfície metálica são atacadas enquanto a parte principal da superfície permanece inalterada
17
2-15 onde discordâncias ancoradas na superfície são pontos preferenciais de ataque
químico. (JASKE 1981)
Figura 2-15: Mecanismo de nucleação em discordância ancorada. (JASKE 1981)
Há evidencias que existe um efeito eletroquímico na etapa iniciação e propagação
da fratura, pois o uso de inibidores e proteção catódica reduz a propagação da trinca.
A propagação de trinca de fadiga pode ser descrita em termos de curvas da/dN por
ΔK. Para o caso em que ocorre corrosão-fadiga, existem três situações possíveis como
mostra a figura 2-16. O caso A é a corrosão-fadiga propriamente dita, onde existe
simplesmente um aumento da taxa de propagação de trinca pela ação do meio corrosivo.
No caso B ocorrem mecanismos de corrosão sob tensão e em C ocorre uma situação
intermediária, ou a combinação dos casos A e B.
O comportamento mostrado na figura 2-16A é o mais comumente encontrado em
estruturas de aço baixo carbono expostos em ambientes marinhos ou de alta concentração
de cloretos, desde que a resistência mecânica não seja muito elevada (tensão de
escoamento menor que 600MPa) e o material não seja exposto a grandes quantidades de
hidrogênio, (o que poderia acarretar fenômeno de corrosão sob tensão).(GENTIL 1996).
O gráfico mostra que para elevados valores de ΔK, não existe grande diferença no
valor de taxa de propagação de trinca entre o meio inerte e o meio agressivo. Porém à
medida que se baixa o valor de ΔK a taxa de propagação de trinca em meio corrosivo pode
atingir o dobro da taxa verificas no meio inerte. Quanto ao ΔK
TH
a diferença entre os dois
meios pode variar de 2 a 10 MPa m
1/2
.
18
Figura 2-16: Esquema dos três tipos de taxa de crescimento de trinca por corrosão-fadiga.
(AUSTEN 1977)
Na análise da corrosão-fadiga muitas variáveis podem influenciar o comportamento
do material frente a este fenômeno. Estas diferentes variáveis estão organizadas na figura
2-17. Dos tópicos citados nesta figura, serão descritos aqueles de maior relevância para
este trabalho.
2.5.1 Material
Segundo GENTIL 1996 a maior resistência à corrosão-fadiga esta mais relacionada
com a resistência à corrosão em si do que com a alta resistência mecânica do material
(GENTIL 1996).
Estudos realizados no comportamento de aços sujeitos a corrosão por água salgada
mostraram que:
• O tratamento térmico não melhora a resistência à corrosão-fadiga, embora
modifique bastante a resistência mecânica;
• Exceto os elementos de liga que aumentam a resistência geral à corrosão,
as adições não influenciam na resistência à corrosão sob fadiga;
• Aços inoxidáveis são mais resistentes do que aços de baixa liga ou aço ao
carbono;
• A resistência à corrosão sob fadiga em todos os aços é menor em água
salgada do que em água potável.
19
Figura 2-17: Parâmetros que influenciam na corrosão-fadiga. (BRANCO 1986)
A influência do tamanho de grão na iniciação ou propagação da trinca em corrosão-
fadiga depende do meio a que esta submetido e se reflete no modo de fratura. Em
ambientes inertes, como o vácuo, a propagação da trinca de fadiga é gerada ao longo de
uma banda de deslizamento transgranular e a taxa de crescimento de trinca normalmente
diminui com o aumento do tamanho de grão. Um exemplo disso esta apresentado no
comportamento das ligas Ti-8,6Al e Al-5.7Zn-2,5Mg-1.5Cu (figura 2-18). Em ambientes
inertes, a taxa de crescimento de trinca de fadiga nas duas ligas com grão grosseiro é
menor do que com grão fino. O efeito do tamanho de grão em ambientes inertes pode ser
explicado pelo aumento do fechamento de trinca induzido pela interferência entre
irregularidades na superfície da trinca durante o descarregamento.
20
(a) (b)
Figura 2-18 : Efeito do tamanho de grão na taxa de propagação de trinca em corrosão-
fadiga. (a) Liga Ti-8.6Al (b) Liga Al-5.7Zn-2.5Mg-1.5Cu
Em ambientes agressivos, o efeito do tamanho de grão depende de como o modo de
fratura é influenciado pelo meio ambiente. Para a liga de Ti-8.6Al, o modo de fratura em
água salgada, tanto com grão fino ou grosseiro, é similar ao que acontece no vácuo
(transgranular), as taxas de corrosão-fadiga para grão grosseiro é significantemente menor
do que aquela em ligas de grão fino como mostra a figura 2-18a.
No entanto, para a liga Al-5.7Zn-2.5Mg-1.5Cu no ambiente agressivo, a
dependência com o tamanho de grão nas taxas de crescimento de trinca em corrosão-fadiga
quase desaparece como mostrado na figura 2-18b. Fractografias indicam que o modo de
fratura em água salgada passa para intergranular. Estas mudanças no modo de fratura,
particularmente as mudanças na separação intergranular, explicariam esta dependência
com o tamanho de grão.
2.5.2 Meio Corrosivo (Água do Mar)
A água do mar é uma solução aquosa constituída de variadas espécies químicas,
iônicas e moleculares, tendo como componentes principais os íons cloretos (2 a 3,5%).
Uma composição típica deste meio está apresentada na tabela 2-1.
21
Tabela 2-1: Composição média da água do mar (PANOSSIAN 1993)
Composto %
Cloreto (Cl
-
) 1.83 a 3.5
Sulfato (SO
-
) 0.26
Bicarbonato (HCO ) 0.01
Brometo (Br
-
) 0.01
Fluoreto (F
-
) 0.00
Ácido Bórico (H
3
BO
3
) 0.0025
Sódio (Na
+
) 1.02
Magnésio (Mg
2+
) 0.12
Cálcio (Ca
2+
) 0.04
Potássio (K
+
) 0.04
Estrôncio (Sr
2+
) 0.001
Devido a sua constituição iônica característica, a água do mar é classificada como
um meio eletrolítico forte. Estes meios favorecem ao aumento das taxas de corrosão do aço
baixo carbono, pois:
• Possuem alta condutividade;
• Íons Cl
-
presentes podem se adsorver na superfície do metal e impedir a
formação de filmes protetores ou ocasionar a ruptura destes;
• Produtos de corrosão a base de cloreto são em geral solúveis em água e
não formam filmes protetores.
As reações eletroquímicas típicas da corrosão do aço baixo carbono em meio
aquoso contendo cloretos estão dispostas na tabela 2-2. Como todo processo de óxido-
redução, estas reações de corrosão são apresentadas em suas formas anódica e catódica.
Tabela 2-2: Principais reações de corrosão do ferro em água contendo cloretos.
Reação Anódica Fe → Fe
++
+ 2e
2H
+
+ 2e → H
2
4H
+
+ O
2
+4e → 2H
2
O
Reações Catódicas
2H
2
O + O
2
+4e → 4OH
-
Em meios desaerados, isto é, na ausência de oxigênio, as reações de oxi-redução
predominantes do aço carbono são mostradas na tabela 2-3:
Tabela 2-3: Reações de oxi-redução do ferro em meios desaerados.
Reação Anódica Fe → Fe
++
+ 2e
Reações Catódicas 2H
+
+ 2e → H
2
22
Assim sendo, haverá a geração de H
2
na superfície do metal, podendo causar a
fragilização deste em caso de excesso do gás citado, diminuindo a vida em fadiga.
2.5.3 Fatores que Influenciam a Corrosão-Fadiga em Água do Mar
2.5.3.1 Salinidade
A salinidade é definida como o peso total de sal em 1000g de água. O NaCl é o
principal constituinte da água do mar sendo o íon Cl
-
o principal agente corrosivo. O teor
de Cl
-
é usado normalmente para indicar a salinidade da água do mar, sendo que este valor
é da ordem de 35000ppm. Pela alta salinidade, a água do mar tem alta condutividade. A
corrente de corrosão pode fluir entre anodos e catodos através da água do mar.
2.5.3.2 Concentração de H
+
(pH)
O pH ou potencial de hidrogênio iônico, é um índice que indica a acidez,
neutralidade ou alcalinidade de um meio qualquer. Ele indica a atividade do íon H
+
na
solução (RAMANATHAN 1995). A escala de pH varia de 0 a 14 sendo que valores
menores que 7 representam soluções acidas e valores superiores a representam soluções
alcalinas. O pH da solução tem grande influência na resistência à fadiga com corrosão. Nos
aços carbono expostos a solução de NaCl 3,5%, verificou-se que para valores de pH
superiores a 10 (soluções mais alcalinas), a resistência à corrosão-fadiga aumenta
acentuadamente. Na faixa intermediária de valores (pH entre 4 e 10), este aumento é pouco
significativo, mas na faixa de pH inferior a 4,0, existe uma redução bastante acentuada da
resistência à fadiga.
A figura 2-19 mostra ensaios em corpos de prova de aço baixo carbono carregados
com 322MPa expostos a uma solução de 3% de NaCl em contato com o ar. Nesta figura é
mostrado um aumento da resistência a partir de um pH de 8 a 12.
23
Figura 2-19: Influência do pH no comportamento fadiga de aço carbono em 3% de NaCl.
(BRANCO 1986)
2.5.3.3 Temperatura
Geralmente, um aumento da temperatura tende a diminuir a vida em fadiga como
mostra a Figura 2-20. Com variações de temperatura de 15 para 45°C, a vida em fadiga
pode cair em torno 30% dependendo da faixa de tensão (BRANCO 1986) como visto. Isto
ocorre, pois em temperaturas mais elevadas, as reações químicas de corrosão e dissolução
ocorrem com maior facilidade do que em temperatura ambiente.
A água e as soluções de sais em temperaturas superiores a ambiente (20 a 25°)
provocam reduções importantes na resistência à fadiga, que devem ser levadas em
consideração, pois estruturas soldadas estão em contato com água quente ou vapores
aquecidos.
2.5.3.4 Composição dos Gases
O teor de oxigênio dissolvido na solução também é um a fator a ser levado em
conta na resistência à corrosão-fadiga. Em geral, observa-se que quanto menor o teor de
oxigênio dissolvido maior será a vida em fadiga. Este aumento é da ordem de 30% em
relação ao meio onde existe livre oxigenação.
A influência do CO
2
em geral é prejudicial por baixar o pH e interferir na camada
de óxidos e/ou hidróxidos na superfície, aumentando a taxa de corrosão.
24
Figura 2-20: Efeito da temperatura na corrosão-fadiga. (BRANCO 1986)
2.5.3.5 Freqüência de Carregamento
Na fadiga ao ar, a freqüência de carregamento praticamente não influencia nos
resultados. No entanto, a mesma possui um papel fundamental no processo de corrosão-
fadiga tendo em vista que o efeito do meio ambiente é dependente do tempo. Por exemplo,
em altas freqüências de carregamento, é comum a ação do meio agressivo ser eliminada ou
minimizada devido ao fato de que o tempo disponível (para as reações químicas associadas
e a cinética de transporte de massa) seria inadequado (ATKINSON 1977). A figura 2-21
apresenta este efeito, onde pode ser visto que aumentando a freqüência de ensaio ocorre
uma diminuição na taxa de crescimento de trinca de fadiga. Este efeito ocorre porque a
corrosão é um fenômeno dependente do tempo, uma maior freqüência nos ciclos de fadiga
não permite um tempo suficiente para que as reações químicas ocorram, diminuindo a taxa
de propagação de trinca.
25
Figura 2-21: Influência da freqüência no comportamento à corrosão-fadiga de um aço
baixa liga em água do mar. (METALS HANDBOOK vol 19)
2.5.3.6 Forma de Carregamento
Os diferentes tipos de forma da onda de carregamento são ilustrados na figura 2-22.
A forma da onda de carregamento tem pequeno efeito na taxa de crescimento de trinca em
ambientes inertes como mostra a figura 2-23a. A taxa de crescimento de trinca de fadiga ao
ar é idêntica e a forma da onda não influencia nesta taxa.
Porém, dados da literatura indicam que em ambientes agressivos a taxa de
crescimento de trinca tem alta dependência com a forma da onda. Este efeito da forma de
onda é ilustrado na figura 2-23b.
Esta figura mostra a taxa de propagação de trinca em meio corrosivo, onde a onda
dente de serra negativa e quadrada tem pouco tempo de carregamento, logo possuem
idênticas taxas de propagação de trinca que ao ar. Isto é, um pequeno efeito do meio
ambiente é observado em ondas quadradas ou dente de serra negativa.
26
Figura 2-22: Diferentes tipos de forma de onda de carregamento em fadiga. (BRANCO
1986)
(a) (b)
Figura 2-23: Efeito da forma da onda de carregamento na taxa de propagação de trinca em
um aço 15Ni-5Cr-3Mo. (a) Meio inerte (b) Meio corrosivo contendo 3% de
NaCl (METALS HANDBOOK vol 19)
Um aumento do efeito do meio ambiente no crescimento de trinca pode ser
substancial se a forma da onda possuir um significativo período de carregamento. As taxas
de crescimento de trinca em uma onda senoidal, triangular e dente de serra positiva, as
quais possuem longos períodos de subida de carga, são idênticas e tem uma taxa de
crescimento de trinca três vezes maior que a onda quadrada e dente de serra negativa.
Isto sugere que o aumento da taxa de propagação de trinca é causado,
principalmente, pela interação entre o meio ambiente e o metal durante a etapa de
27
carregamento de cada ciclo e não é afetada pelo tempo de permanência. Logo se o tempo
de subida de carga é pequeno, a influência do meio agressivo é minimizada e vice-versa.
2.6 Ensaios de Corrosão-Fadiga
De uma maneira geral, pode-se citar as seguintes dificuldades na montagem e
realização de ensaios de corrosão-fadiga:
• Dificuldade de isolamento do meio corrosivo (seja líquido ou gasoso);
• Necessidade de vedações;
• Necessidade de recirculação do meio;
• Monitoramento de variáveis de corrosão (pH, potencial elétrico, corrente,
etc);
• Longos tempos de ensaios em função das baixas freqüências;
• Possibilidade de uso de reagentes tóxicos;
• Alta dispersão dos resultados.
Os corpos de prova normalmente utilizados para levantamento de curvas S/N são
mostrados na figura 2-24. A seleção do corpo de prova dependerá do tipo de máquina de
fadiga disponível e do objetivo do estudo.
Figura 2-24: Corpos de prova para corrosão-fadiga. (a) Torção. (b) Flexão rotativa com um
lado apoiado. (c) Flexão rotativa puro. (d) Flexão reversa. (e) Carregamento
axial. (METALS HANDBOOK vol 19)
28
Os equipamentos para ensaios de corrosão-fadiga são os mesmos utilizados nos
testes de fadiga ao ar. A diferença principal é a adaptação de recipientes que possam
armazenar o meio corrosivo ao redor do corpo de prova enquanto é realizado o ciclo de
carregamento. Estes equipamentos têm várias classificações: (a) Parâmetros de controle
(carga, deflexão, deformação, torque, etc.); (b) Características de projeto da máquina
(carregamento axial, flexão rotativa etc.) (c) Características de acionamento (hidráulica,
servo-hidráulica, eletromecânica, etc.).
Na figura 2-25 e figura 2-26 são mostrados exemplos de sistemas de ensaios de
corrosão-fadiga comumente utilizados. O ensaio consiste em adaptar os recipientes em
máquinas do tipo servo-hidráulica e conduzir os ensaios monitorando o meio corrosivo. A
desvantagem é a utilização de um equipamento caro e sofisticado por um longo período de
tempo.
Figura 2-25: Sistema de ensaio de corrosão-fadiga com servo hidráulica (WAHAB 2002)
Para se atingir o limite de fadiga para 10
6
ciclos a uma freqüência de 0,2 Hz o
tempo necessário seria de 57 dias, o que pode inviabilizar o ensaio. Uma outra opção é a
construção de sistemas mais simples em maior quantidade, o que pode reduzir o tempo de
obtenção de uma curva de Wohler.
29
Figura 2-26: Sistema de ensaio de corrosão-fadiga. (ANGELOVA 1999)
Um exemplo disto é visto na figura 2-27, onde é mostrado uma máquina de ensaio
de corrosão-fadiga por flexão rotativa. Apesar deste tipo de ensaio de fadiga ser mais
comum, ele é usado apenas para corpos de prova redondos, com acabamento liso e polido e
não é apropriado para juntas soldadas.
Figura 2-27: Ensaio de corrosão-fadiga por flexão rotativa (WAHAB 2003).
No caso de ensaios de fadiga para propagação de trincas, existe a dificuldade de se
monitorar o crescimento da trinca ao longo do ensaio. As figuras 2-28 a 2-30 mostram
exemplos de como esta dificuldade pode ser contornada. SIVAPRASAD trabalhou com
corpos de prova do tipo flexão a três pontos com a trinca na posição vertical com a boca do
entalhe para cima, usando clip-gage sem que o mesmo seja exposto diretamente ao meio
corrosivo (figura 2.31). Dados da literatura citam o uso uma “mini-cuba” localizada na
região da trinca de modo que se pode usar uma máquina servo controlada (figura 2.32). A
30
vantagem é um melhor controle do ensaio, porém existe a dificuldade de controle e
monitoramento do meio corrosivo.
Figura 2-28: Ensaio de da/dN com corpo de prova tipo CT parcialmente imerso. (METALS
HANDBOOK vol 19)
Figura 2-29: Ensaio de da/dN com corpo de prova tipo SENB imerso (SIVAPRASAD
2000)
Figura 2-30: Ensaio de da/dN com cuba encaixada no corpo de prova tipo CT (LIN 1998)
31
3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Este trabalho constitui no desenvolvimento de um equipamento de ensaios para
corrosão-fadiga em juntas soldadas retiradas de uma tubulação. Será descrita a
metodologia para a montagem do equipamento e os ensaios de realizados com o mesmo.
3.1 Desenvolvimento do Equipamento
O projeto inicial consiste em um equipamento que possa avaliar a vida em
corrosão-fadiga de juntas soldadas de tubulação. Visto que é muito dispendioso o ensaio de
uma tubulação em escala real, optou-se por ensaiar corpos de prova menores retirados da
mesma.
A junta soldada mais crítica em uma tubulação em geral é a circunferencial, ou
seja, a junta utilizada para união dos diferentes segmentos de tubo, em virtude desta solda
ser realizada em campo durante a montagem. O corpo de prova para este trabalho foi
escolhido de tal forma que se avalie esta junta específica e sejam conservadas as
características geométricas originais do cordão. A figura 3-1 o esquema de retirada dos
corpos de prova de uma tubulação.
Figura 3-1: Esquema de retirada de corpos de prova de corrosão-fadiga
32
O tubo estudado
Foi estudado em que condições de corrosão-fadiga uma tubulação estaria exposta
no fundo mar durante a elevação do petróleo. Os seguintes parâmetros foram selecionados
para que o equipamento desenvolvido simulasse:
• Aplicar uma solicitação de flexão a quatro pontos no cordão de solda de
modo que a máxima tensão trativa seja aplicada na parte interna do tubo;
• Envolver o corpo de prova com uma solução de 115000ppm de NaCl;
• Impedir o contato da solução com o ar atmosférico;
• Permitir o borbulhamento de gás CO
2
durante o ensaio;
• Carregamentos da ordem de 1 a 15kN;
• Freqüência de 0,2Hz;
• Razão de carregamento de 0,1;
• Temperatura de 35°C.
O esquema de aplicação de carga e a montagem do ensaio são mostrados na figura
3-2. As distâncias I e L foram definidas com 80mm e 240mm respectivamente, desta
forma, pode-se manter toda a junta soldada dentro de uma mesma região de momento
fletor máximo, o que produz uma tensão homogênea em todas as regiões da solda.
Figura 3-2: Esquema de aplicação de carga e montagem do corpo de prova.
Para aplicação da carga foram usinados 2 dispositivos em aço AISI 1045 como
mostram a figura 3-3 e figura 3-4.
Solda
33
Figura 3-3 Desenho do apoio inferior desenvolvido para os ensaios de corrosão-fadiga
Figura 3-4 Desenho do apoio superior desenvolvido para os ensaios de corrosão-fadiga
Para a montagem do quadro de reação foram utilizadas chapas de aço SAE 1020
com espessura de 19,05mm soldadas de maneira que formassem um perfil “U” e quatro
barras maciças redondas com diâmetro de 42mm. O quadro é composto então por dois
perfis “U” acoplados pelas quatro barras, como é mostrado na figura 3-5.
Figura 3-5: Quadro de reação desenvolvido para o equipamento de ensaio de corrosão-
fadiga.
34
A células de corrosão foram construídas com chapas de material acrílico, por este
material possuir estabilidade química em meios contendo cloretos, boa transparência e ser
de fácil usinagem. As dimensões da célula de ensaio com capacidade para 20L são
mostradas na figura 3-6.
Figura 3-6 Célula de corrosão utilizada nos ensaio de corrosão-fadiga.
3.2 Sistema Hidráulico
Foi escolhido um sistema hidráulico para acionamento do equipamento por este
permitir maior capacidade e controle de carga do que um sistema puramente mecânico.
Foi utilizada uma bomba hidráulica modelo Parker com pressão máxima de 150psi,
trabalhando em uma faixa de 60psi a 70psi e potência de 7,5HP. A figura 3-7 mostra a
bomba com capacidade de operar quatro ensaios de corrosão-fadiga simultaneamente.
Figura 3-7: Imagem da unidade hidráulica utilizada nos ensaios de corrosão-fadiga.
35
Um desenho do atuador hidráulico utilizado para aplicação da força é mostrado na
figura 3-8. Este consiste em um cilindro hidráulico comercial de dupla ação Parker com
capacidade para 50kN. O diâmetro interno do corpo é de 50mm, o diâmetro da haste é de
25,4mm com curso de 100mm.
Figura 3-8: Cilindro hidráulico utilizado nos ensaios de corrosão-fadiga
3.3 Sistema de Controle
Como sensor de carga, foi utilizado uma célula de carga modelo em “S” da HBM
com capacidade de operação de no máximo 20kN como mostra a figura 3-9.
Figura 3-9: Célula de carga utilizada nos ensaios de corrosão-fadiga.
Em função da baixa freqüência necessária para a realização de ensaios de corrosão-
fadiga (da ordem de 0,1 a 1Hz), para o controle do ensaio não houve a necessidade do uso
de sistemas servo-controlados usados normalmente em ensaio de fadiga. Para este trabalho,
optou-se por controlar a própria válvula direcional hidráulica da bomba para realizar o
36
controle dos ciclos de fadiga. Desta forma, o fluxograma de controle pode ser resumido na
figura 3-10.
Figura 3-10 Esquema de controle utilizado nos ensaios de corrosão-fadiga
O sistema de controle dos ensaios de corrosão-fadiga é realizado por um
controlador Novus 1500. Esse controlador exerce a função de monitoramento de picos
máximos e mínimos provenientes diretamente da célula de carga. A figura 3-11 apresenta
os controladores utilizados juntamente com a tela de supervisão desenvolvida para os
ensaios.
Figura 3-11: Fotografia do sistema de controle construído para realização dos ensaios de
corrosão-fadiga com a tela de controle.
3.4 Distribuição de Gás
A distribuição de gás ocorre através de uma linha de transmissão de cobre, que vai
desde o cilindro até uma das quatro válvulas agulhas utilizadas para regulagem fina da
vazão de gás para as cubas de ensaio. O controle de vazão primário é feito através da
abertura de uma válvula diretamente na saída do cilindro.
37
O controle da pressão de ensaio foi efetuado através de um manômetro conectado a
linha. Em caso de necessidade de troca de cilindro, o sistema foi projetado com saídas
secundárias para realização da purga da linha principal, evitando assim a contaminação dos
ensaios com oxigênio. O gás utilizado no ensaio foi CO
2
ultrapuro da White Martins
(99,995%). A figura 3-12 mostra fotografias do sistema para abastecimento instalado.
Figura 3-12: Fotografias do sistema para abastecimento de gases do LAMEF.
A distribuição secundária de gases ocorre através de tubos de teflon e válvulas de
aço inox AISI 316L para as cubas de alimentação e de ensaio. Essa distribuição ocorre
segundo uma seqüência adequada de fechamento e abertura de válvulas.
A figura 3-13 mostra um esquema do equipamento com os seus principais
componentes e o equipamento montado para ensaio em funcionamento. Em função da
baixa freqüência dos ensaios, foram montadas 4 máquinas de ensaios para otimizar o
tempo de obtenção dos resultados como mostra a figura 3-14
38
Figura 3-13 : Esquema do equipamento desenvolvido em funcionamento
Figura 3-14: Fotografia geral dos quatro sistemas de ensaio.
3.5 Validação do Equipamento
Para validar o equipamento desenvolvido, foram realizados testes com um corpo de
prova instrumentado com extensômetros resistivos. Os resultados foram comparados com
o cálculo analítico da carga como indicado na seqüência.
3.5.1 Cálculo Analítico da Tensão de Ensaio
A tensão foi calculada considerando o corpo de prova uma viga de secção
retangular em flexão a quatro pontos como mostra figura 3.15. O cálculo da tensão para
esta configuração é retirada da teoria clássica de resistência dos materiais e é dada por:
J
cM.
=
σ
3.1
Onde:
σ: tensão na superfície sob tração (MPa);
M: Momento fletor (Nmm);
c: Distância da linha neutra até o ponto de medida da tensão, (mm);
J: Momento de inércia da secção (mm
4
);
39
Figura 3-15 Desenho do esquema de aplicação de carga
Para esta configuração a tensão analítica é dada pela equação 3.2:
(
)
2
..2
..3
Wb
PIL
−
=
σ
3.2
Onde:
σ: tensão na superfície sob tração (MPa);
L: distância entre apoios externos (240mm)
I: distância entre apoios internos (80mm)
P: carga aplicada (N)
b: Espessura do corpo de prova (30mm)
W: Espessura da tubulação (aprox. 14,3mm)
3.5.2 Cálculo Experimental da Tensão de Ensaio
Para o cálculo da tensão experimental do ensaio, um corpo de prova foi
instrumentado com dois extensômetros resistivos de 120 ohm na região de carga nominal
constante, próximo ao reforço, como é mostrado na figura 3-16 e na figura 3-17.
40
Figura 3-16: Corpo de prova instrumentado para teste de carga
Figura 3-17: Detalhe da localização dos extensômetros.
Em seguida, o corpo de prova foi montado para ensaio e carregado com diferentes
cargas (de 1000 N a 11000N com passo de 1000N). A carga foi medida com a própria
célula de carga do ensaio da marca HBM e o sinal de deformação foi medido com sistema
de aquisição de dados Spider 8 da HBM.
Com o sinal de deformação obtido dos extensômetros, pode-se calcular a tensão
aplicada pela equação 3.3.
1000000
.E
ε
σ
=
3.3
Onde:
σ: Tensão na superfície sob tração (MPa);
ε: Deformação (μm/m)
E: Módulo de elasticidade (210000 MPa)
Após a realização destes testes, o equipamento foi colocado em operação para que
fosse monitorado o espectro de carregamento resultante em diferentes condições de carga e
freqüência. Como o objetivo é trabalhar com freqüências da ordem de 0,2Hz, foram
selecionadas as freqüências de 0,1, 0,2, e 0,5Hz. As tensões máximas de carregamento
foram de 100, 210 e 400MPa, sendo que a razão de carregamento foi fixada em 0,1.
Extensômetros
Extensômetros
Ext 1 Ext 2
41
3.6
Teste do Equipamento
Para testar o equipamento foram realizados ensaios de corrosão-fadiga para
levantamento de uma curva S/N e comparado com os mesmos ensaios realizados ao ar.A
metodologia para a realização destes é descrita a seguir.
3.6.1
Materiais
O material utilizado consiste em tubos de aço de alta resistência de baixa liga que
atende a especificações API 5L X 60. As propriedades mecânicas nominais do aço são
dadas pela tabela 3-1 segundo a norma API 5L.
Tabela 3-1: Composição química e propriedades mecânicas nominais do material estudado.
Composição Química % Propriedades Mecânicas
C Max Mn Max. P Max. S Max Ti Max. Nb +V Max. Tensão de Escoamento (MPa) UTS (MPa)
0,24 1,4 0,025 0,015 0,04 0,15 414 517
3.6.2
Soldagem e Inspeção dos Tubos
A soldagem e a inspeção dos tubos foram realizadas no centro de pesquisa da
Petrobras. Após a soldagem, foi realizada uma inspeção por ultra-som na região da solda
onde não foram encontrados defeitos significativos (maiores que a resolução do sistema de
inspeção). A inspeção foi realizada conforme o procedimento de inspeção em soldas PR-
011 da ABENDE. A figura 3-18 mostra o tubo recebido para a retirada dos corpos de
prova. O diâmetro do tubo é de 495,3mm e a espessura da parede é de, aproximadamente,
14,3mm.
Figura 3-18: Tubo soldado recebido para retirada dos corpos de prova.
42
A solda ensaiada foi a circunferencial, utilizada para a união dos diferentes
segmentos de tubo. Apesar desta solda em geral ser realizada com o processo de eletrodo
resvestido, para este tubo especifico, a soldagem foi realizada por arco submerso com
chanfro duplo por este processo apresentar menos dispersão nos resultados dos ensaios de
fadiga.
3.6.3 Análise da Junta Soldada
Foi retirada uma secção transversal da junta solda para análise metalográfica e
ensaio de microdureza. Para metalografia foi usado procedimento padrão de corte,
embutimento, lixamento (até # 1000), polimento e ataque químico. Para o ataque foi
utilizado o reagente Nital 2%.
Foram realizados dois perfis de microdureza ao longo da seção transversal da junta
soldadas como mostra a figura 3-19. A escala de dureza utilizada foi a Vickers com carga
de 200g e espaçamento de 0.3mm entre cada medida e de dureza. O microdurômetro
utilizado foi da marca Buehler.
Figura 3-19: Representação esquemática da localização dos perfis de microdureza.
3.6.4
Análise Química
Foram retiradas amostras do material base do tubo para a realização de análise
química, sendo utilizado um espectrômetro de emissão ótica (modelo Spectrolab, Spectro).
O aparelho é calibrado com padrões da Spectro de acordo com a norma DIN ISO
100012.1. Os resultados apresentados são uma média de três análises.
3.6.5 Retirada dos Corpos de Prova
Para a retirada dos corpos de prova foram realizados três cortes longitudinais no
tubo, sendo este dividido em três regiões denominadas AB, BC e CA, conforme
apresentado na figura 3-20. Posteriormente, cada região foi dividida em tiras com
43
dimensões próximas às dos corpos de prova, sendo então usinadas para adquirir as
dimensões finais. Cabe ressaltar que foram identificadas duas regiões distintas ao longo da
solda circunferencial. Estas regiões, onde ocorre o encontro entre a solda circunferência e a
solda longitudinal, foram isoladas por possuírem características diferentes do restante do
tubo.
Figura 3-20: Fotografia do tubo após os três cortes longitudinais.
3.7
Ensaios de Tração
Foram retirados dois corpos de prova para ensaios de tração, sendo que a média dos
valores de tensão máxima obtida nos ensaios foi utilizada como base para construção da
curva de Wöhler. As dimensões dos corpos de prova de tração seguiram a Norma Offshore
OS – C401 da DNV, como mostra a figura 3-21. A espessura do corpo de prova ficou
limitada à espessura do tubo. O corpo de prova foi retirado de tal maneira que a solda
circunferencial ficasse centralizada, sendo que o material de reforço foi usinado.
44
Figura 3-21: Desenho do corpo de prova de tração.
3.8
Ensaio de Fadiga (Curvas S/N)
Nos ensaios de fadiga para levantamento de curvas S/N foram utilizados corpos de
prova com dimensões de 30mm de largura x 14,3mm de espessura x 270mm de
comprimento para flexão a quatro pontos. O desenho utilizado para a confecção dos corpos
de prova de fadiga é apresentado na figura 3-22.Pode ser visto que a região da solda não
foi planificada, ao contrário do ensaio de tração, pois desta maneira o efeito de
concentração de tensões devido à geometria do reforço estará presente durante o ensaio de
fadiga, sendo então os resultados mais próximos das condições reais em serviço.
Figura 3-22: Desenho do corpo de prova para ensaio de fadiga.
Devido a ausência de um sistema de recirculação do meio corrosivo, os corpos de
prova de fadiga foram pintados deixando apenas uma “janela” na região da solda. A
exposição de todo o corpo de prova ao meio corrosivo poderia implicar em um excesso de
produto de corrosão no meio de ensaio, aumentando seu pH e, conseqüentemente,
45
diminuindo a taxa de corrosão da amostra, o que influenciaria os resultados dos ensaios.
Na figura 3-23 são mostrados corpos de prova preparados para o ensaio.
Figura 3-23: Corpos de prova preparados para o ensaio de corrosão-fadiga.
A figura 3-24 mostra um desenho esquemático da geometria média do cordão de
solda resultante. O ângulo de reforço, tanto externo como interno do tubo, ficou em torno
de 156° o que, segundo BRANCO (1986), resulta em um fator Kt
de aproximadamente 2,5.
Figura 3-24: Macrografia da junta soldada estudada
Os parâmetros dos ensaios para levantamento das curvas S/N são mostrados na
tabela 3-2. Nela são mostradas a freqüência e a razão de carregamento utilizadas.
Tabela 3-2: Tabela de parâmetros utilizados nos ensaios.
Parâmetro Fadiga ao Ar Corrosão-Fadiga
Freqüência (Hz) 10 0,2
Razão de carregamento 0,1 0,1
Temperatura (°C) 25 35
As tensões aplicadas foram: 75%, 50% e 40% da média do limite de resistência
(UTS) obtida nos dois ensaios de tração realizados.
Posteriormente, os resultados foram plotados em um gráfico amplitude de tensão x
Log número de ciclos.
46
3.9
Preparação do Meio Corrosivo
A solução utilizada nos ensaios era composta por: 115.000 ppm de cloreto obtido
através da adição de NaCl em água destilada e deionizada. O cálculo de adição de cloreto
de sódio foi baseada em seus pesos moleculares. O resultado é a adição de 189,5g de
cloreto de sódio por litro de água destilada.
Como é importante que a solução fique isenta de O
2
, a solução é preparada em uma
cuba separada, saturada com o gás do ensaio e depois de pronta ela é transferida para a
cuba de ensaio. Durante o ensaio foi borbulhado gás contendo 100% de CO
2
visto que este
gás é encontrado junto com a água de produção e, como já foi citado anteriormente, possui
o efeito de diminuir o pH de uma solução aquosa acelerando o desta forma o processo de
corrosão.
47
4
RESULTADOS
4.1
Validação do Equipamento
Os resultados dos testes de extensômetros são mostrados a seguir. A figura 4-1
consiste em um gráfico de tempo por tensão para cada carga aplicada. Nesta figura é
mostrada a tensão resultante para cada nível de carregamento realizado. A figura 4-2
consiste em uma relação entre a tensão medida com a média da tensão calculada
acompanhada de uma regressão linear.
Figura 4-1: Gráfico de carregamento do corpo de prova com extensômetros
48
Figura 4-2: Gráfico da relação entre tensão analítica e experimental.
A tabela 4-1 mostra as formas de onda obtidas das diferentes condições de
carregamento e freqüência. A figura 4-3 mostra condição de 400MPa a 0,2Hz em destaque.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tempo (s)
Deformação (
μ
m/m)
0
42
84
126
168
210
252
294
336
378
420
Tensão (MPa)
Figura 4-3: Forma da onda do carregamento resultante
49
Tabela 4-1: Formas de onda em função da freqüência e a tensão máxima
Freqüência Hz
0,1 0,2 0,5
100
0
20
40
60
80
100
120
0 1020304050
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
20
40
60
80
100
120
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (s)
Tensão (MPa)
210
0
50
100
150
200
250
0 1020304050
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (s)
Tensão (MPa)
Tensão Máxima (MPa)
400
0
100
200
300
400
500
0 1020304050
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
100
200
300
400
500
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Tempo (s)
Tensão (MPa)
0
100
200
300
400
500
0 5 10 15 20 25 30
Tempo (s)
Tensão (MPa)
4.2
Análise da Junta Soldada
4.2.1
Ensaios de Microdureza
A figura 4-4 mostra o resultado do ensaio de microdureza realizado na junta
soldada. A figura consiste em um gráfico de dureza por distância do centro da junta. Os
resultados mostram uma dureza relativamente homogênea ao longo de toda solda com
tendência a uma elevação na região da ZAC e ZF.
Figura 4-4: Perfil de dureza da junta soldada estudada.
50
4.2.2
Análise Metalográfica
Da figura 4-5 até figura 4-7 são apresentadas as micrografias das diferentes regiões
da união (MB, ZF e ZAC). O material base consiste em uma microestrutura contendo
perlita e ferrita típicas do aço estudado. A zona de fusão consiste um uma estrutura bruta
de solidificação acompanhado de uma ZAC com grãos refinados.
Figura 4-5: Aspecto metalográfico do material de base. Ataque Nital 2%
Figura 4-6: Aspecto metalográfico do metal de solda. Ataque Nital 2%
51
Figura 4-7: Aspecto metalográfico da ZTA. Ataque Nital 2%
4.2.3
Análise Química e Ensaios de Tração
Os resultados da análise química estão mostrados na tabela 4-2.
Tabela 4-2: Composição química média do metal de base do tubo ensaiado.
Composição química (%)
C Mn Si P S Mo Nb V Ni Cu Cr
0,12 1,49 0,26 0,026 0,005 0,005 0,04 0,05 0,01 <0,01 0,01
A média do limite de escoamento (LE) e do limite de resistência (UTS) dos ensaios
de tração em dois corpos de prova foram de 550 MPa e 615 MPa, respectivamente sendo
que a fatura dos corpos de prova de prova ocorreu fora da região da solda.
4.3
Resultados dos Ensaios de Fadiga
A figura 4-8 mostra as etapas de nucleação e propagação da trinca de fadiga
durante os ensaios. Em todos eles, a trinca sempre nucleou no ângulo de reforço da solda e
seguiu uma direção praticamente perpendicular à máxima tensão trativa. A partir de 2 a
3mm, a trinca já podia ser detectada visualmente ou com auxílio de uma lupa manual. A
figura 4-9 mostra a ruptura final de um corpo de prova.
ZAC
ZF
52
Figura 4-8: Imagens mostrando a nucleação e a propagação da trinca durante o ensaio.
Figura 4-9: Fratura final do corpo de prova
As curvas de Wohler obtidas neste ensaio são mostradas na figura 4-10
juntamente com curvas de projeto ao ar e em água do mar com proteção catódica retiradas
da referência: “BS 7608 Code of Practice for Fatigue and Assessment of Steel Structures”.
A curva de projeto selecionada é da classe “C”, que se refere a soldas feitas em tubos, dos
dois lados, mantendo o material de reforço da solda Em função da baixa freqüência de
ensaio, o limite de fadiga foi estipulado em 10
6
ciclos, sendo que todos os pontos obtidos
se referem à ruptura total do corpo de prova.
53
200
250
300
350
400
450
500
1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07
Número de Ciclos (N)
Amplitude de Tensão (MPa)
Fadiga ao Ar
Corrosão-Fadiga
Curva de Projeto
Figura 4-10: Curvas de Wohler obtidas nos ensaios ao ar e em meio corrosivo
54
5
DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Tanto a composição química como os resultados do ensaio de tração classificam o
material estudado atendendo a especificação API 5L X60.
A tensão analítica calculada ficou muito próxima da tensão experimental; visto que
na regressão linear obteve-se um R
2
de 0,99227, o que mostra um boa correlação linear
entre a tensão calculada e medida; isto também mostrou que o fato de se aproximar secção
transversal do corpo de prova por uma viga de secção retangular (ignorando a curvatura da
tubulação) se mostrou eficaz para este estudo, porém cabe ressaltar que a tubulação
estudada apresentava um diâmetro de 495,3mm. Para o caso de tubulações de menor
diâmetro, onde a curvatura é maior, este cálculo deve ser compensado por um fator de
correção.
Em freqüências mais elevadas, a forma da onda tende a se assemelhar a uma onda
triangular produzindo o mesmo efeito de uma onda senoidal em corrosão-fadiga. Em
freqüências menores a onda apresenta um comportamento intermediário entre uma senóide
e uma dente de serra positiva.
Em todos os ensaios, a partir do momento em que a trinca de fadiga foi detectada
visualmente (2 a 3mm), o número de ciclos para fratura do corpo de prova não ultrapassou
5000 ciclos. Isto mostra que a etapa de nucleação da trinca representou em torno de 90%
da vida total em fadiga. Isso pode ser explicado usando conceitos da mecânica da fratura
aplicada a fadiga, que diz que o ΔK governa a taxa de propagação de trinca. Segundo
TADA (1985), pode-se calcular o fator K
I
para uma viga submetida à flexão pura segundo
a equação abaixo:
()
a
bW
M
WafK
I
π
2
6
/= (5.1)
55
Onde:
K
I
: Fator de intensidade de tensões no modo I (MPam
1/2
);
M: Momento Fletor máximo (Nmm);
W: Largura (mm);
b: Espessura (mm);
a: Comprimento da trinca (m);
f(a/W): Fator de forma
O fator de forma f(a/W) para uma viga em flexão pura é retirado graficamente da
figura 5-1. O cálculo do ΔK, em função do diferentes níveis de carregamentos utilizados,
para um trinca de 2mm (fator de forma igual a 1) é mostrado na tabela 5-1. Segundo
JASKE 1981, ΔK maiores do que 20MPam
1/2
geram taxas de propagação de trincas
superiores a 10
-4
mm/Ciclos.
Figura 5-1: Gráfico mostrando a relação do fator de forma em função do comprimento de
trinca para uma viga submetida a momento fletor puro (TADA 1985).
Tabela 5-1: Relação de ΔK com a amplitude de tensão.
% UTS
Amplitude tensão (MPa)
ΔK (MPam
1/2
)
75 460 34
60 370 27
50 305 23
40 245 18
56
Em todos os ensaios de fadiga (ao ar e em meio corrosivo) a trinca sempre nucleou
no ângulo de reforço da solda, o que mostra uma grande influência da geometria do cordão
na vida em fadiga do material.
A ZTA apresentou uma região de refinamento de grão, o que pode ser responsável
pelo aumento de dureza nesta região.
Os resultados mostram que ocorreu uma influência do meio corrosivo durante os
ensaios, pois houve uma diminuição da vida em fadiga. Apesar disto, ambas curvas
ficaram acima da curva de projeto mostrando uma boa qualidade da junta.
57
6
CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos neste trabalho podemos concluir que:
O equipamento desenvolvido se mostrou eficaz para realização dos ensaios de
corrosão-fadiga nas condições descritas;
O uso de sistemas mais simples e em maior quantidade se mostrou uma ótima
alternativa para realização de ensaios de corrosão-fadiga em baixa freqüência;
A carga máxima utilizada foi de 12kN, sendo esta limitada pela capacidade da
célula de carga e da bomba, porém, trocando-se a célula de carga por uma de maior
capacidade, pode-se trabalhar com carregamentos da ordem de 50kN;
O comportamento do ciclo de carregamento foi mais homogêneo em carregamentos
e freqüências baixas;
A forma da onda praticamente não mudou com a mudança da tensão máxima, o que
mostra ser possível a regulagem da carga a partir dos controladores utilizados;
O mecanismo de controle implementado no sistema limita a freqüência de trabalho
do equipamento em 1Hz.
A geometria da junta foi o fator mais importante na vida em fadiga.
A junta estudada apresentou um comportamento acima do esperado no que se refere
à vida em fadiga.
58
7
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Como continuidade deste trabalho, sugere-se o estudo dos seguintes tópicos:
•
Adaptar o equipamento desenvolvido para realizar ensaios de fadiga com
deslocamento prescrito;
•
Adaptar a célula de corrosão, eletrodos para medida de potencial químico
e outras variáveis eletroquímicas.
•
Estudar e desenvolver uma técnica que possa ser usada para o
monitoramento da trinca de fadiga ao longo dos ensaios;
59
8
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