A figura 1.1 apresenta um desenho esquemático da definição e superposição dos tipos de tensões residuais presentes no material.

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1 1 Introdução 1.1 Considerações Iniciais Avaliações de integridade estrutural para dutos de transporte de óleo e gás que estão em operação necessitam do conhecimento dos carregamentos provocados pela montagem e por outras causas externas como, por exemplo, o movimento do solo. O conhecimento dos esforços atuantes nos dutos que estão em operação, causados pela pressão interna e por outros carregamentos não previstos, tem como objetivo principal avaliar se um dado trecho de tubulação está trabalhando dentro de limites seguros quanto às tensões neles atuantes. Métodos tradicionalmente usados para a determinação de tensões residuais são candidatos naturais para a determinação das tensões elásticas atuantes. As tensões residuais são causadas por processos de fabricação dos tubos, por processos de montagem e construção do duto e por sobrecargas ocorridas durante sua operação. As tensões residuais são elásticas e têm a característica de serem auto-equilibrantes, isto é, as resultantes de forças e momentos que elas produzem são zero. O método do furo cego utiliza extensômetros de resistência elétrica que formam uma roseta tripla retangular. Após o balanceamento (zeragem) inicial dos extensômetros procede-se à medição das deformações aliviadas pela usinagem de um pequeno furo, permitindo que o estado de tensão total [σ] t ao redor do furo possa ser calculado. Este estado de tensão é resultante da superposição dos estados de tensões residuais com estados de tensão gerados pela pressão interna, pela montagem e, pelo movimento de solo, dados respectivamente por [σ] R, [σ] p e [σ] M. Uma vez que o estado de tensão [σ] p, causado pela pressão, é de fácil determinação, a exatidão do cálculo de [σ] M dependerá da aplicação adequada da técnica experimental e do conhecimento das tensões residuais nos pontos de medição de uma seção do tubo.

2 Capítulo 1. Introdução 18 Por exemplo, desejando-se conhecer o esforço normal F X e os momentos fletores M Y e M Z atuantes numa seção, três pontos razoavelmente espaçados nesta seção do duto deverão ser ensaiados, se as tensões residuais forem nulas na seção. Entretanto, dependendo de como as tensões residuais se distribuem, muitos outros pontos precisam ser medidos. Neste caso, um método sobredeterminístico deve ser aplicado para a minimização do erro na obtenção de [σ] M e [σ] R. Rodrigues [1] mostrou que esta pode ser uma tarefa muito difícil por causa da variação das tensões residuais ao longo do perímetro de uma seção e da possível variação de seus perfis de seção para seção, mesmo que essas seções pertençam a um mesmo segmento de tubo. Além disto, diferentes processos de fabricação de tubos (U OE, ERW, etc.) provocam diferentes magnitudes e distribuições das tensões residuais. 1.2 Tensões Residuais As tensões residuais, são aquelas que agem em um determinado corpo, componente ou estrutura, sem que nele sejam aplicados carregamentos externos tais como forças, ou momentos, ou outras fontes de tensão tal como gradientes de temperatura. As tensões residuais podem ser originadas pelos processos de fabricação, sendo a soldagem uma das principais causas para a produção de tensões altas, cujo valor máximo pode se aproximar da resistência ao escoamento dos materiais. Os estados de tensões residuais são auto-equilibrantes, isto é, as resultantes de forças e de momentos que eles produzem são zero. Na prática, não existe corpo livre de tensões residuais, sendo que estas tensões podem ter um efeito benéfico ou maléfico ao desempenho do componente frente aos esforços mecânicos, térmicos, ou químicos. Devido à sua importância, o controle e a medida das tensões residuais em componentes e estruturas mecânicas é continuamente objeto de extensos estudos. A classificação dos diferentes tipos de tensões residuais existentes está definida na literatura [3,4]. Estas tensões são clasificadas como: macroscópicas (Tipo I), microscópicas (Tipo II) e sub-microscópicas (Tipo III). A figura 1.1 apresenta um desenho esquemático da definição e superposição dos tipos de tensões residuais presentes no material. Do ponto de vista mais simplificado, as tensões residuais do tipo I, são tensões observadas dentro de um volume macroscópico considerado, atuando

3 Capítulo 1. Introdução 19 Figura 1.1: Tipos I, II, III de tensões residuais segundo o tamanho das regiões onde atuam [3]. num mínimo de centenas de grãos de um material. As tensões residuais do tipo II, frequentemente chamadas de microscópicas, cobrem a distância de um grão, ou parte de um grão. Elas podem ocorrer entre diferentes fases ou entre partículas, tais como inclusões. As tensões residuais tipo III, submicroscópicas, são tensões que cobrem algumas distâncias atômicas dentro de um grão, são equilibradas em uma pequena parte do grão do material e são dependentes da densidade, movimentação e distribuição de discordâncias e outros defeitos cristalinos [4,5]. 1.3 Origem das tensões residuais A maioria dos processos de fabricação causa tensões residuais. Assim, pode-se afirmar que estas podem ser provocadas devido a um ou mais motivos, que podem ser de origem mecânica, química e/ou térmica [6]. Os motivos básicos que originam as tensões residuais podem ser agrupados e classificados como os mecanismos mostrados na tabela 1.1, bem como as interações dos processos nos diferentes mecanismos. As tensões residuais oriundas das transformações de fase, contração ou expansão térmica diferencial e conformação

4 Capítulo 1. Introdução 20 mecânica serão aquelas consideradas prioritariamente neste trabalho. Tabela 1.1: Mecanismos básicos de geração de tensões residuais em diferentes processos de fabricação, beneficiamento e suas interações. [7] Mecanismos causadores Processos associados Observações Transformação de fase do Tratamentos térmicos Todos os tipos. material Processos de usinagem Torneamento, fresamento, retificação, furação, etc. Contração ou expansão térmica diferencial Fundição Seções transversais diferentes, grandes dimensões. Tratamentos térmicos Têmpera, normalização. Soldagem Todos os tipos. Processos de usinagem Torneamento, frezamento, retificação, furação, etc. Tratamentos termoquímicos Cementação, nitretação. Deformação mecânica Conformação Laminação, estampagem, diferencial extrusão, estiramento. Auto-fretagem Armas, vasos de pressão. Conformação superficial Jateamento, granalhamento. Processos de usinagem Torneamento, frezamento, retificação, furação. Microestrutura diferencial Tratamentos térmicos Têmpera, normalizalção. Materiais compósitos Todos os tipos. Materiais agregados à superfície Deposições por plasma, revestimentos protetores antidesgaste. Desigualdades estruturais Montagem e ajustes Estruturas, desalinhamento de uniões. Bimateriais Peças com insertos, peças bimetálicas. 1.4 Métodos de Medição das Tensões Residuais Como mencionado previamente, as tensões residuais estão sempre presentes e são importantes em vários níveis. Entretanto, elas raramente são medidas durante o ciclo produtivo da peça, ou componente. O desejo em se compreender melhor os efeitos das tensões residuais proporcionou o desenvolvimento de uma série de técnicas de medição baseadas em diferentes princípios. Os primeiros métodos utilizados na determinação qualitativa das tensões residuais foram baseados no alívio das tensões pela realização de cortes, remoção de camadas por meio de ataques químicos e pela medição do empenamento resultante no material. Estes princípios são ainda hoje utilizados

5 Capítulo 1. Introdução 21 com técnicas aperfeiçoadas [7,8]. A evolução das técnicas de medição, naturalmente, acompanhou a evolução das últimas décadas em todas as áreas das ciências. Ainda assim, algumas hipóteses para análise continuam sendo empregadas para a facilidade de sua medição. Estas hipóteses assumem que: O material é isotrópico; As técnicas de medição não introduzem novas tensões residuais; O estado de tensões é plano. Atualmente, existem vários métodos de medição da tensão residual e a escolha de um específico depende de vários fatores, tais como, a natureza do campo da tensão residual, do tempo disponível para a medição, da incerteza requerida, da extensão da região de interesse, etc. Cada método possui um domínio de aplicações bem definido e dependente do problema. As técnicas mais utilizadas atualmente são: Método de ultra-som; Métodos magnéticos; Método difração de Raios-X; Método difração de nêutrons; Método de deflexão, ou da remoção de camadas; Método do furo cego e demais técnicas de alívio de tensões Método do Furo Cego O método de medição das tensões residuais pela técnica do furo para alívio das tensões é uma das técnicas mais utilizadas atualmente. O procedimento de medição é relativamente simples e foi padronizado pela norma ASTM E837. Com a utilização de equipamentos comercialmente disponíveis e das recomendações da norma, o método do furo pode ser aplicado rotineiramente. O método é muito versátil, podendo ser aplicado no laboratório ou no campo, a corpos de prova ou a peças ou objetos com grande variedade de tamanho e forma. A técnica é referida frequentemente como semidestrutiva uma vez que o pequeno furo, mostrado na figura 1.2, não irá, em muitos casos, provocar danos significativos na integridade estrutural do componente objeto de medição. O furo tem, tipicamente, de 0, 8 a 4, 8mm de diâmetro. Como a relação D 0 /D aumentada, a sensibilidade de método aumenta aproximadamente em proporção

6 Capítulo 1. Introdução 22 a (D 0 /D) 2. Em geral, são recomendados furos maiores por causa do incremento da sensibilidade. Para um grande número de objetos testados pode-se, na maioria das vezes, remover o furo após o teste com uma lixadeira manual [7]. Figura 1.2: Representação esquemática do furo e da posição dos extensômetros. 1.5 Comparação entre Métodos Para se alcançar uma melhoria significativa no processo, projeto, controle de produto e desempenho de componentes mecânicos, é necessário incorporar informações a respeito das tensões residuais e desenvolver métodos confiáveis para a sua determinação [5]. Até o momento, não existe um método universal de medida das tensões residuais capaz de resolver todos os problemas, a baixo custo e da melhor maneira possível. A técnica a ser utilizada deve ser selecionada com base numa série de parâmetros influenciados pelas características do componente e pelo tipo de medida a ser efetuada. Estes parâmetros baseiam-se: No tipo de tensões residuais presentes no componente; No gradiente de tensões residuais existentes ao longo da espessura; Na geometria do componente; Onde a medida será realizada (em campo, ou no laboratório); No tipo de intervenção (método destrutivo, ou não-destrutivo); No tempo disponível para a medição e apresentação dos resultados; Na precisão e a repetitibilidade do método; No custo final da medida.

7 Capítulo 1. Introdução 23 Tabela 1.2: Comparação entre as principais técnicas de medição de tensões residuais [5]. σ I, σ II σ I, σ II, σ I, σ II, Técnica Furo Cego Deflexão Magnética Difração Difração Ultra-Son de de Raios Nêutrons X Tipo de σ I σ I σ I, σ II, tensão σ III σ III σ III residual Parâmetro medido Profundidade mínima Porção mínima de material analisado Incerteza em situações normais Tempo médio para obter a primeira medição e estabelecer um perfil de tensões Custo equipamento (US$) do Deformação Deformação Amplitude Mudança na Mudança Variação superficial ou deflexão do ruído de distância interplanar na distância na veloci- ou deslocamento Barkhausen interpladade de ou permenar nos propagação abilidade materiais de ondas magnética policristalinosônicas ultra- 20 µm 20 µm 100 µm 1 mm Até varias 15 até 300 dezenas de µm µm 0.5 mm mm 2 1 mm 2 para 4 mm mm mm 2 se for o método para a medida do ruído de técnica da deflexão e Barkhausen freqüências 100 mm 2 se e 100 mm 2 altas e 30 for medida para o mm 2 para a deformação método de técnica convencional permeabilidade magnética ±20 MPa ±30 MPa 10 a 20 MPa ±30 MPa ±20 MPa 10 a 20 MPa 40 minutos, duas horas 1000 a minutos, oito horas Instantaneamente, 10 minutos a horas, uma semana Centenas de milhões 20 minutos, oito horas 1000 a Alguns minutos, 20 minutos a Portabilidade Sim Não Sim Não Sim Sim Profundidade 0.02 a a 3 mm 0.1 a 1 mm 2 a 50 mm 1 a 50 µm 0,015 a 3 da inspeção mm mm

8 Capítulo 1. Introdução Revisão Bibliográfica de Recentes Trabalhos Relacionados L.D.Rodrigues [1] e L.D.Rodrigues, J.L.F.Freire, R.D.Viera, [2], Nestes trabalhos foram estudadas as tensões residuais de fabricação em tubos para dutos. Em [1] procurou-se encontrar meios para separar as tensões residuais daquelas causadas pelos esforços de trabalho e pelos esforços externos que agem sobre dutos enterrados, entre eles os movimentos do solo. O trabalho apresenta uma pesquisa bibliográfica sobre as possíveis origens, os efeitos sobre as estruturas e as principais técnicas de medição das tensões residuais, ressaltando a técnica do furo cego. Foram realizadas várias medições laboratoriais em espécimes de um tubo API 5L X60 e de um tubo API 5L X46, para determinação das tensões residuais de fabricação. Nas medições foram usadas a técnica do Furo Cego e uma nova técnica de seccionamento, ambas apoiadas em técnicas extensométricas. A partir das curvas de tensões residuais obtidas nas medições no laboratório foram feitas recomendações para medições em campo e forneceram-se algumas metodologias para separação das tensões residuais, dos valores de tensões totais medidos. As medições realizadas nos tubos analisados apontaram altos valores de tensões residuais, por vezes da ordem do limite de escoamento do material dos espécimes. Os autores concluiram, baseados em resultados tais como mostrados nas figuras 1.3 e 1.4, que as tensões residuais circunferenciais e longitudinais variam muito ao longo do perímetro das seções analisadas. Figura 1.3: Tensão residual longitudinal medida em [1,2,9,10]. Figura 1.4: Tensão residual circunferencial medida em [1,2,9,10].

9 Capítulo 1. Introdução 25 Fiorentini [9, 10], Neste trabalho foi utilizada a técnica do furo cego para medir as tensões residuais em um tubo (API 5L X60 UOE). Este tubo foi usado num estudo anterior [1] e agora faz parte de um dispositivo projetado e construído também em [1] para aplicação de carregamentos (pressão interna, flexão e esforço axial) e medição de tensões. Esta mesma bancada será usada para o presente trabalho e está mostrada na figura 2.1. Nos experimentos, três rosetas extensométricas foram coladas na superfície externa do tubo. Inicialmente, para os testes de comparação das deformações calculadas e medidas, geradas pelos carregamentos combinados, foram coladas duas rosetas a 180 e 135 com relação à solda de selagem longitudinal. Para determinar as tensões residuais e as tensões aplicadas, numa segunda fase dos ensaios, foi colada uma terceira roseta a As tensões residuais foram determinadas utilizando-se a técnica do furo cego, conforme a norma ASTM E837, nesses três pontos no corpo do tubo. Os resultados encontrados (pontos azuis e laranjas ) foram comparados com as tensões residuais determinadas em um estudo anterior [1, 2], como se mostra nas figuras 1.4 e 1.3. Estes resultados revelaram exatidão satisfatória para os cálculos e medições empregados e estimularam o uso deste tipo de dispositivo de teste para a realização de novos ensaios, os quais foram realizados na presente dissertação. Um aspecto muito importante para levar em consideração é a ovalização do tubo como se observa nas figuras 1.5 e 1.6. Esse tipo de comportamento, não é previsto na modelagem analítica do problema estudado e foi constatado por Fiorentini [9] na sua análise numérica da bancada. Figura 1.5: Ovalização do tubo sob carregamento axial de 80 kn [9]. Figura 1.6: Deformação do tubo sob uma pressão de 10 MPa [9].

10 Capítulo 1. Introdução 26 Armando Albertazzi G. Jr, Matias R. Viotti [11], Este trabalho discute o uso do método do furo cego para determinar o estado de tensões combinadas que agem em seções de um duto em operação em campo e que convivem com as tensões residuais de fabricação. O trabalho também apresenta um dispositivo óptico, desenvolvido na UFSC, que usa laser e o método do furo cego para medir o estado de tensões combinadas de forma rápida e confiável. As tensões na direção longitudinal do duto, medidas em quatro pontos de cada seção, foram usadas para determinar os esforços axiais e momentos fletores em cinco seções localizadas em diferentes posições da encosta. Posteriormente, as tensões residuais foram medidas em laboratório e compensadas para caracterizar melhor os efeitos do terreno sobre o duto. Ele se baseia na técnica óptica que analisa digitalmente padrões de franjas geradas por interferência de imagems de speckles (DSPI digital speckle pattern interferometry). O sistema interferométrico consegue detectar deslocamentos muito pequenos, a partir de 30 nm (0,00003 mm). Um algoritmo implementado em computador tipicamente mede os deslocamentos para cerca de 30 mil pontos na imagem. Os dados são ajustados pelo método dos mínimos quadrados às equações apropriadas do método do furo que leva ainda em conta as propriedades elásticas do material e a geometria do furo. Deste ajuste são determinadas as tensões residuais principais e os ângulos principais. As componentes de tensões longitudinais combinadas (na direção do eixo z) medidas pelo método do furo podem ser usadas para determinar as intensidades da tensão de flexão e do momento fletor que agem sobre o duto, a posição da linha neutra e também a tensão longitudinal média. Para isso, os autores assumiram que as tensões residuais decorrentes do processo de fabricação do duto são aproximadamente constantes nas várias posições angulares de uma mesma seção, exceto na região do cordão de solda, quando este existir e consideram esta hipótese razoavelmente realista e suficiente para validar a determinação do carregamento externo.

11 Capítulo 1. Introdução Objetivos Realizar medições das deformações causadas pelos estados de tensão [σ] p devido à pressão interna, [σ] M devido aos esforços normais e de flexão e, [σ] R devido as tensões residuais, em um tubo de aço grau API5L X60 UOE, o qual faz parte de um dispositivo de teste projetado e construído por Rodrigues [1]. Validar o uso do dispositivo de teste projetado e construído por Rodrigues [1] para a realização de novos ensaios, mediante uma comparação entre os métodos analítico, numérico e experimental. Demonstrar que as tensões residuais longitudinais e circunferenciais produzidas pelos processos de fabricação neste tubo, são imprevisíveis, podem ser relevantes e variam em torno de seu perímetro e de seu comprimento, seção para seção.