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Mémoire de Maîtrise
DOI
10.11606/D.18.2009.tde-19012011-111506
Document
Auteur
Nom complet
Julio Cesar de Souza Francisco
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2009
Directeur
Jury
Bose Filho, Waldek Wladimir (Président)
Ruchert, Cassius Olivio Figueiredo Terra
Tokimatsu, Ruis Camargo
Titre en portugais
Avaliação da tenacidade à fratura de aço API 5L X70 utilizado na fabricação de dutos transportadores de gás e petróleo
Mots-clés en portugais
Aço API 5L X7
Curvas J-R
Espécimes SE(T)
Tenacidade à fratura
Variação da flexibilidade elástica
Resumé en portugais
A avaliação da integridade estrutural de dutos pelo uso de corpos-de-prova laboratoriais depende da escolha de corpos-de-prova de geometrias que representem condições de restrições plásticas na frente da trinca, similares às encontradas nas condições operacionais dos dutos. O Núcleo de Ensaios de Materiais e Análise de Falhas, NEMAF do SMM, EESC-USP vem realizando pesquisas para o desenvolvimento de corpos-de-prova e metodologias experimentais que melhor represente esta situação. Entretanto, no caso de dutos existem situações onde a geometria e o tamanho do corpo-de-prova são limitados pelas dimensões do duto. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e aplicação de espécimes SE(T) em aço API 5L X70, avaliando a influência da geometria e dimensões do corpo-de-prova na tenacidade à fratura do citado aço, sendo este utilizado na fabricação de dutos para transporte de gás e petróleo. Para isto, foram obtidas curvas de resistência à propagação dúctil de trincas, curvas J-R's, utilizando a metodologia do espécime único (single specimen) em conjunto com a técnica da variação da flexibilidade elástica (unloading elastic compliance), medida na boca da trinca (CMOD) que fornece ao mesmo tempo a área plástica abaixo da curva de carregamento versus deslocamento e o tamanho da trinca, segundo a norma de ensaios ASTM E1820-05. Foram ensaiados corpos-de-prova SE(T) com trincas rasa (a/W=0,2) e profunda (a/W=0,5) e razão W/B de 2,5 e 1,0, com a finalidade de garantir que o ensaio seja realizado em dominância de um estado plano de deformação como recomendado pela referida norma, para outros tipos de corpos-de-prova. Dos resultados observou-se que, independente do tamanho de trinca inicial adotado, não foram observadas diferenças significativas nas curvas J-R. Este fato pode ser comprovado nos casos de W/B = 2,5 e 1,0, sendo obtidas curvas J-R similares para cada caso, independente do valor de a/W. Entretanto, na grande maioria dos CDP's, foi obtida uma propagação dúctil de trinca anômala, ou seja, trincas que apresentam um tunelamento acentuado, decorrente de um elevado estado de tensão plana próximo das laterais, mesmo com o entalhe lateral de 20% da espessura. Os corpos-de-prova com W/B = 1,0 foram capazes de produzir curvas J-R, sem que as trincas apresentassem tunelamento e que os valores médios de trinca (ai e af) medidos conforme a norma (ASTM, 2005), são bastante próximos dos valores obtidos pelo método da variação de flexibilidade elástica. As razões para este fato são discutidas em detalhes. De um modo geral as delaminações, quando existente, não permitem uma correta medição do tamanho de trinca. Ainda, contrário à observação de outros pesquisadores, neste trabalho, foi observado que em vários casos as delaminações induziram fratura instável.
Titre en anglais
Fracture toughness evaluation of an API 5L X70 steel used in pipeline for gas and petroleum transportation
Mots-clés en anglais
API 5L X70
Elastic compliance
Fracture toughness
J-R curves
Specimens SE(T)
Resumé en anglais
The evaluation of pipes´ structural integrity from laboratories specimens depends on choosing the right specimen geometry that is able to present the conditions of plastic constrain at the crack tip, similar to the one found in the pipes´ operational conditions. The NEMAF Group from SMM, EESC-USP has been performing studies in this area, trying to develop specimen´s geometry that is able to represent this situation, as well as the necessary experimental methodologies to evaluate the fracture toughness of pipes. However, in some cases, the pipe size is a limiting factor in determining the specimen size and geometry. In this work is presented the development and application of specimens SE(T), evaluating the influence of the geometry and dimensions of the specimens on the fracture toughness of API 5L X70 steel, regularly used in the pipes for gas and petroleum transportation. Therefore, the resistance curves to ductile crack propagation, J-R`s curves, using the single specimen methodology, together with the variation of the elastic compliance technique (multiple unloading), measure at the crack mouth (CMOD) that provides both the plastic area under the load x displacement curve and crack size, according to the ASTM E1820-05 standard. The SE(T) specimens with shallow (a/W=0.2) and deep (a/W=0.5) cracks and W/B ratio of 2.5 and 1.0 trying to reduce the amount of plastic deformation and a straight crack front, as well as a dominance of a plane strain state at the crack tip, as recommended by the ASTM E1820-05 standard for other specimens type. From the results it was observed that, independent of the initial a/W, no significant differences were observed in the J-R curves. This fact is verified in both cases, this is, W/B = 2.5 and 1.0. However, in the great majority of CDP's with W/B = 2.5, it was obtained an anomalous crack propagation during testing, in other words, they presented an accentuated tunneling due to a high plane tension state near the CDP´s lateral faces, even with the side groove of 20% thickness. The specimens with W/B = 1.0 were capable to produce J-R curves with straight crack fronts, this is, without tunneling, allowing the measurement of medium values of the crack (ai e af) according to the ASTM E1820-05 standard. The reasons for this fact are discussed in details in this work. In general, the split, when present, did not allow a correct crack size measurement. Still, contrary to the other researchers' observation, in this work, it was observed that in several cases the splits were able to induced unstable fracture.
 
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Date de Publication
2011-02-07
 
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