Avaliação das técnicas de medições de tensões residuais de difração de raios X e método do contorno aplicado à indústria de óleo e gás

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Diehl, Igor Luís
• Orientador(a): Clarke, Thomas Gabriel Rosauro
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Tubos flexíveis; Soldagem por fricção; Tensão residual : Medição
• Palavras-chave em Inglês: Residual stresses; Contour method; X-ray diffraction; Pipeline technology; Friction welding
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/283601

A demanda por petróleo tem sido um tema central no cenário global, impulsionada por uma combinação de fatores econômicos, geopolíticos e tecnológicos. Os equipamentos de exploração como dutos e brocas de perfuração são essenciais na indústria de óleo e gás, pois permitem a condução segura desses produtos, atravessando ambientes desafiadores e variados. Esses equipamentos têm uma grande responsabilidade econômica e ambiental, especialmente ao se considerar o custo de paradas não programadas e os danos decorrentes de vazamentos dos fluidos transportados. Compreender e controlar o estado das tensões residuais a que os dutos de transporte estão submetidos é de suma importância para garantir sua capacidade de carga e resistência a situações adversas, evitando falhas prematuras. O conteúdo desta tese foi publicado em três artigos, nos quais foram avaliadas as técnicas de medição de tensões residuais por difração de raios X (XRD) e pelo método do contorno (CM). No primeiro artigo, a distribuição de tensões residuais em reparos realizados pelo Processo de Soldagem por Fricção com Pino Consumível (FHPP) foi investigada, utilizando-se três valores de forças axiais. As propriedades mecânicas das amostras e as tensões residuais foram comparadas por meio das técnicas XRD e CM. O estudo demonstrou que soldas de alta qualidade foram produzidas e que níveis consideráveis de tensões residuais, equivalentes a aproximadamente 22% da tensão de escoamento do material base, foram observados. Isso indica que o processo FHPP pode ser aplicado em técnicas de reparo de ferramentas, como brocas de perfuração para poços de petróleo. No segundo artigo, foram avaliadas juntas de dutos de 12" soldadas por fricção, empregando-se um processo de solda de fricção com anel rotativo (FRIEX). Diferentes taxas de carregamento axial foram aplicadas, e os resultados das propriedades mecânicas e das tensões residuais foram comparados. As tensões residuais nas amostras foram avaliadas por XRD e CM, revelando níveis significativos de tensões residuais trativas nas regiões da interface interna da solda, com valores em torno de 78% da tensão de escoamento do duto, fabricado em API 5L grau B. Contudo, foi constatado que a taxa de carregamento tem pouca influência nas tensões residuais. O terceiro artigo avaliou as tensões residuais em arames da armadura de tração de dutos flexíveis, os quais são geralmente compostos de aço eutetóide. Foram comparadas as técnicas de XRD portátil e CM com a técnica de XRD convencional. Uma amostra de arame de armadura de tração foi submetida a shot-peening e usada como referência para todas as técnicas, uma vez que o perfil de tensões residuais provenientes deste processo é bem conhecido e controlável. O CM apresentou bons resultados para profundidades superiores a 0,3 mm, sendo adequado para medir as tensões residuais no núcleo dos arames. As tensões residuais nos arames da armadura de tração atingiram 10% da tensão de escoamento próximo à superfície e 25% no núcleo do material. As tensões efetivas, que combinam as tensões residuais e as tensões de montagem, chegaram a 23% da tensão de escoamento nas análises realizadas com o DRX portátil. De forma geral, os resultados mostraram uma boa correlação entre as técnicas de XRD convencional e portátil, sendo este último uma excelente alternativa para a medição de tensões efetivas e totais em amostras de grandes dimensões e em campo. As técnicas CM e XRD apresentaram resultados comparáveis nos três estudos que compõem esta tese, embora tenham características complementares. O CM demonstrou ser particularmente vantajoso para avaliar as tensões residuais nas amostras de FHPP, onde a região de maior tensão trativa foi a interface da solda, localizada no núcleo da junta e inacessível à XRD. De modo semelhante, nas soldagens FRIEX, o CM foi mais eficaz ao revelar as regiões com tensões residuais mais críticas, como a interface da solda e a superfície interna. Já para os arames da armadura de tração, a técnica de XRD mostrouse mais vantajosa, pois permitiu a análise das tensões efetivas na sua região mais crítica, a superfície. Ainda assim, o CM é extremamente útil para controle de processo de fabricação de arames de armadura de tração de dutos flexíveis através da quantificação das tensões residuais no núcleo do componente.