PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES...

PUC – Rio

Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro

Departamento de Engenharia Mecânica

Laboratório de Integridade Estrutural

PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE ESPECIMES TUBULARES

Jorge Diniz

diniz@puc-rio.br

Laboratório de Integridade Estrutural

J.L. Freire e R.D.Vieira

Objetivos •Avaliar a resistência de espécimes tubulares full scale

• Sem defeito

• Com defeito de perdas de espessura – Usinados / reais

•Avaliar a resistência a fadiga de espécimes tubulares

• Com defeitos - mossas

•Avaliar o desempenho de reparos estruturais em material composto

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J.L. Freire e R.D.Vieira

Tubos com defeitos usinados

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Tubos com mossas

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Tubos com reparos por materiais compostos

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J.L. Freire e R.D.Vieira

VIDEO

Laboratório de Integridade Estrutural

J.L. Freire e R.D.Vieira

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Tampos – Dimensionamento, soldagem

•Defeitos

• Usinagem / Eletro erosão

• Endentação - mossa

•Reforços em materiais compostos

•Controle dimensional

•Instrumentação

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Tubos de condução – Dutos

• Normas API

•Classificação• PSL1 – Product specification Level 1

• PSL 2 – Product specification Level 2

Maior rigor na fabricação

Controle na composição química

Controle na especificação de resistência

Requisito de tenacidade

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Composição química

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Resistência Mecânica

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Requisito de tenacidade

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Matéria prima

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Matéria prima

cilindros

de trabalho

torque

cilindros

de apoio

placa

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura

UOE

ERW

JCO

Dobramento helicoidal

• Sem costura

Fundição

Extrusão

Trefilação

Laminador obliquo

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – UOE

expansão dobramento O

▼▲

prensagem das bordas

dobramento U

SOLDAGENS

INTERNA E

EXTERNA

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – UOE

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – UOE

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – ERW

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – ERW

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – ERW

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – JCO

(a) (b)

Etapas de conformação incremental da chapa no processo JCO.

Desenho esquemático de uma calandra piramidal: (a) início do dobramento, (b) término

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – JCO

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – Dobramento helicoidal

β

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Com costura – Dobramento helicoidal

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Fundição

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Extrusão

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Trefilação

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Laminador obliquo

mandril mandril

roletes

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Laminador obliquo

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Laminador obliquo

Fabricação de espécimes tubulares •Corpo tubular – aquisição, especificação

•Processo de fabricação

• Sem costura – Laminador obliquo

Fabricação de espécimes tubulares •Fabricação de tubos API - Inspeção

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento, soldagem

•ASME Seção VIII Divisão 1, UG-34, edição de 2010, onde:

• t=di(CP/SE)1/2, sendo:

di = diâmetro interno do tubo

C = fator que depende da conexão entre as partes e das suas dimensões

P = pressão de projeto

S = tensão admissível do tampo

E = eficiência da junta soldada.

Exemplo:

Tubos com di = 279 mm, P = 70 MPa, C = 0,33, E = 0,6 e S = 320 MPa

Tem-se: t = 96,9 mm => foi utilizado tampos com 4” (101,6 mm)

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem

•MB – Metal base – tubo original

•ZF – Zona de fusão – Solda – metal depositado

•ZTA – Zona termicamente afetada - parte do material do

tubo que foi afetado pelo calor da solda.

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem

•Processos– Resistência – sem metal de adição – Eletrodo revestido

– TIG/Mig/Mag – Arco Submerso

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem

•Processos

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem

•Consumíveis – classe de resistência– Classe 60 xx = 60 KPSI (413 MPa) de Su

– Classe 70 xx = 70 KPSI (482 MPa) de Su

– Classe 80 xx = 80 KPSI (551 MPa) de Su

•Soldabilidade – % C e Cequivalente

•Especificação de Procedimento de soldagem – EPS– Especificação de metal base

– Processo de soldagem

– Consumível de soldagem

– Pre, pós e tratamento térmico de alivio de tensões

– Configuração de chanfro (perfil da solda)

– Metodos de inspeção

Fabricação de espécimes tubulares •Soldagem – Tubos e Tampos

•Produtividade– Aporte térmico – Energia – T

Materiais para fabricação de dutos não devem apresentar baixa

soldabilidade, visto que sempre haverá solda. Mesmo os dutos sem

costura, são soldados em campo. A menos dos tubos utilizados para

perfuração (drill pipes) que possuem elevadíssima resistência, e são

conectados por elementos roscados.

– Micro estrutura

A micro estrutura resultante do processo de soldagem, deve

garantir, no mínimo, valores de resistência mecânica e tenacidade

iguais aos mínimos especificados pelas normas.

Normalmente o metal de solda apresenta bons valores de

resistência, entretanto a ZTA do metal base (duto) pode apresentar

fragilização e perda de propriedades devido ao ciclo térmico

imposto.

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Soldagem

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem

•Garganta efetiva - Deve-se considerar a menor área

resistente em uma junta soldada.

• Solda de emenda de tubos

Junta de topo = área do tubo

• Solda do tubo com o tampo

Junta em angulo = área do tubo, resistência do

tampo

• Solda do tubo com o tampo com filete de

reforço

Junta em ângulo

Área do tubo < área de solda

Filete de reforço tem objetivo de diminuir

gradiente de deformações, diminuindo o Kt.

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem

•Tensão admissível.

• Solda de emenda de tubos

Junta de topo tracionada

Tensão axial

adm = 0,6 Sy

• Solda do tubo com o tampo

Junta de angulo tracionada

Tensão axial

adm = 0,6 Sy

Tensão cisalhante atuante

adm = 0,3 Sy

Fabricação de espécimes tubulares •Tampos – Dimensionamento da soldagem

•Exemplo

•Tubo de 323 mm de diametro, 22 mm de espessura em aço X60

PSL2.

•Consumível?

•X60 – Sy= 415 a 585 MPa

• Consumível classe 70xx – Sy= 393 e Su= 482 MPa – não atende

• Consumível classe 80xx – Sy= 462 e Su= 551 MPa – ok

•Tensão cisalhante – garganta efetiva

•tensão axial

ALGUNS TÓPICOS EM PROPRIEDADES MECÂNICAS

DOS MATERIAIS DOS TUBOS

0

t.2

D.pl.D.pl.t..2

0F

L

cc

verticais

D=2r

r0

ri p

t

c

Xp

D

Superfície externa de um tubo cilíndrico

de parede fina sob pressão interna

sem tampos e não enterrado

p

D

Superfície externa de um tubo cilíndrico

de parede fina sob pressão interna

com tampos e não enterrado

t.4

D.p

4

D..pt.D..

0F

L

2

L

shorizontai

t

D.p

t

D.p

l

c

4

2

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Usinagem / Eletro erosão

•Objetivos

• Comparar com metodologias de avaliação de integridade

API 579

ASME B31.8

• Extender o tempo de operação

•Processo e geometria dos defeitos

• Fresagem• Arrancamento de material

• Tensões residuais

• Influencia nos resultados

• Eletro erosão• Erosão de material

• Sem ensões residuais

• Processo lento e caro

• Formas livres Influencia nos resultados

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Eletro erosão

• Simular um defeito por perda

de espessura devido a corrosão

• Processo análogo à corrosão

• Usinagem convencional

• Fratura do material

• Tensões residuais

• Alteração do estado de tensões local

• Eletro erosão

• Corrosão do material

• Tensões residuais muito baixas

• Sem alteração do estado de tensões local

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Eletro erosão

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Eletro erosão

• Fotos e Videos

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Eletro erosão

• Fotos e Videos

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Mossas

• Indentações feitas por ferramentas

visando simular falhas na instalação

• Causadas por rochas ou máquinas

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Mossas

• Indentações feitas por ferramentas

visando simular falhas na instalação

• Causadas por rochas ou máquinas

Fabricação de espécimes tubulares •Defeitos - Simulados

• Mossas

• Re-rounding ou rearedondamento hidraulico

• Para a geometria desejada

• video

Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos

•Materiais compostos– Menor tempo de reparo

– Menor custo em relação a substituir trecho do duto

•Composição– Fibra vidro / fibra de carbono

– Embebidas em resina de poliuretano ou epoxy

•Objetivo do reparo– Recuperar a resistência de operação do duto

– Estática e cíclica (fadiga)

•Objetivo do projeto de pesquisa– Verificar a efetividade do reparo

– Verificar a resistência dos materiais utilizados

– Verificar o comportamento do reparo ao longo do tempo

deformação aumenta com carregamento constante?

Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos

Fabricação de espécimes tubulares •Reforços em materiais compostos

Fabricação de espécimes tubulares •Controle dimensional

•Atendimento à especificação de projeto do duto

•Atendimento a especificação de projeto espécime

•Exatidão do modelo de elementos finitos

•Exemplos da importância das verificações

•Ovalização

•Concentricidade

Variação de espessura

•Desalinhamento do defeito

Longitudinal transversal

•Variação de espessura do defeito

Fabricação de espécimes tubulares •Controle dimensional

•Instrumentos

•Diâmetros – paquímetro

•Posição - trena

•Comprimento e largura – escala linear

•Espessuras removida – paquímetro

•Espessuras nominais e residuais – ultrassom

Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação

•Objetivo – calibrar o modelo numérico

Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação

•Objetivo – calibrar o modelo numérico

•Transdutores de pressão, com aquisição eletrônica

Monitorar a pressão interna

•Sensores de deformação - Pontual– Resistencia elétrica e fibra óptica

•Strain gage resistência elétrica

•*k = R/R

Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação

•Técnicas experimentais em desenvolvimento– Mapa global de deformações

– Análise Digital de Imagem – DIC

Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação

•Técnicas experimentais em desenvolvimento– Mapa global de deformações

– Análise termoelástica de Tensões - TSA

Fabricação de espécimes tubulares •Instrumentação

•Técnicas experimentais em desenvolvimento

– Shearografia

– Avaliação de integridade de materiais compósitos

– Incidência de laser x resposta de pressão

– Detecção de vazios e/ou pontos sem aderência de resina