estudo da viabilidade de utilização da técnica de bfs como uma alternativa para ensaios de ...

83 Pages·2015·2.72 MB·Portuguese

by  Tamara Montes

ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO
DA TÉCNICA DE BFS COMO UMA
ALTERNATIVA PARA ENSAIOS DE
CORROSÃO FADIGA

Tamara Nogueira Montes

Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Metalúrgica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheira.

Orientador: Prof. Oscar Rosa Mattos, D.Sc.
Co-orientador: Rodrigo R. A. Garcia, M.Sc.

Rio de Janeiro
Março de 2015
i
ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA
DE BFS COMO UMA ALTERNATIVA PARA ENSAIOS DE
CORROSÃO FADIGA

Tamara Nogueira Montes

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA METALÚRGICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRA
METALÚRGICA.

Examinado por:

________________________________________
Oscar Rosa Mattos, D.Sc.

________________________________________
Rodrigo Roberto Alves Garcia, M.Sc.

________________________________________
Luiz Henrique de Almeida, D.Sc.

Rio de Janeiro, RJ - Brasil
Março de 2015
ii
Montes, Tamara Nogueira

Estudo da viabilidade de utilização da técnica de BFS como uma
alternativa para ensaios de corrosão fadiga / Tamara Nogueira
Montes - Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2015.

xii, 71, p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Oscar Rosa Mattos

Projeto de Graduação - UFRJ / Escola Politécnica /
Engenharia Metalúrgica, 2015.

Referências Bibliográficas: p.67-71

1. Corrosão Fadiga. 2. DCPD. 3. BFS, I. Mattos, Oscar Rosa. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Engenharia Metalúrgica. III. Estudo do crescimento de trinca por
corrosão fadiga do aço carbono, usando as técnicas BFS e DCPD.
iii
“Aqueles que sonham acordados têm consciência de mil coisas que
escapam aos que apenas sonham adormecidos.” Edgar Allan Poe

iv
AGRADECIMENTOS

Primeiramente, eu agradeço a Deus pela minha vida e por todas as oportunidades
que me proporcionou. Agradeço pela proteção e por me guiar no caminho do sucesso,
com toda força necessária para seguir em frente quando eu mais precisei.
Agradeço muito à minha mãe Maria de Fátima e ao meu pai Alexandre, por me
criarem e educarem com amor, paciência e conselhos. Sou muito grata pelo apoio ao
longo de todos esses anos e pela compreensão e incentivo nos momentos mais difíceis,
até mesmo quando eu estava longe. Vocês são o meu escudo e o meu chão.
Da mesma forma, agradeço à minha família, em especial minhas tias e meus tios
que também sempre estiveram presentes quando eu precisei, guiando os meus passos
junto aos meus pais.
Aos meus orientadores Rodrigo e Oscar, pelos ensinamentos e orientação durante
esses anos de trabalho no LNDC. Um agradecimento especial também aos técnicos e
engenheiros do LNDC, pela colaboração, principalmente Emmanuel, Alessandro e
André.
Ao professor Luiz Henrique, meu orientador de curso que me acompanhou desde
o primeiro período da faculdade, agradeço a disponibilidade e o interesse em participar
da minha banca de projeto final.
Aos amigos que fiz durante a graduação, obrigada pelo carinho, pela ajuda nos
estudos e pelas palavras de conforto nos momentos de tensão.
Agradeço também à professora Paula, pela oportunidade de ter vivido um ano em
Lille, na França. Além de um sonho realizado, foi o ano em que eu amadureci e me
desvencilhei da menina estudante para me tornar a mulher que, agora, se tornará
Engenheira.
E, por fim, agradeço aos profissionais com quem tenho a oportunidade de
trabalhar na Concremat, pela calma e benevolência nos momentos de provas e entrega
deste projeto.

v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheira Metalúrgica.

ESTUDO DA VIABILIDADE DE UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE BFS COMO
UMA ALTERNATIVA PARA ENSAIOS DE CORROSÃO FADIGA

Tamara Nogueira Montes
Março / 2015

Orientador: Oscar Rosa Mattos

Curso: Engenharia Metalúrgica

Os fenômenos associados à corrosão fadiga estão em destaque no mundo atual. A
indústria petrolífera cresce associada a uma demanda de produção e inovação científica
também em ascensão. Desta forma, a necessidade de estudos para entender e evitar falhas
de estruturas metálicas é essencial.
A mecânica da fratura entra como metodologia de interesse na investigação da
taxa de propagação de trincas geradas nos materiais, para evitar os danos causados pela
corrosão fadiga. Para avaliar esses efeitos, foi selecionado o aço X70. A preparação dos
corpos de prova foi feita com base na norma ASTM E647. Duas técnicas são expostas
neste trabalho: a de Queda de Potencial por Corrente Contínua, conhecida como DCPD e
a de Deformação na Face Oposta, conhecida como BFS.
Embora a primeira seja largamente difundida neste ramo, os resultados de
simulações de fenômenos como o da corrosão localizada mostram que ela pode estar
associada a limitações, no que diz respeito à influência da corrente na obtenção de dados.
Chega-se a esta mesma conclusão quando comparada diretamente com a Norma BS 7910.
A técnica de BFS, por outro lado, mostrou-se viável em ensaios que simulavam
condições severas, como em meio corrosivo e associada a fenômenos de corrosão
localizada.

Palavras-chave: Corrosão Fadiga, DCPD, BFS, Mecânica da Fratura
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Metallurgical Engineer.

STUDY OF THE PRACTICABILITY IN UTILIZATION THE BFS TECHNIQUE AS
AN ALTERNATIVE TO CORROSION FATIGUE TESTING

Tamara Nogueira Montes
March / 2015

Advisor: Oscar Rosa Mattos

Course: Metallurgical Engineering

The phenomena associated with corrosion fatigue are highlighted in today's
world. The oil industry grows associated with a demand for production and scientific
innovation, also on the rise. Thus, the need for studies to understand and avoid failure of
steel structures is essential.
The fracture mechanics comes as a methodology of interest in the investigation
of the propagation of cracks generated in the material, to avoid such damage, which is
caused by corrosion fatigue. To evaluate these effects, the X70 steel was selected. The
preparation of the specimens was based on the Standard ASTM E647. Two techniques
are presented in this work: the Direct Current Potential Drop, known as DCPD and the
Back Face Strain, known as BFS.
Although the first one is widespread in this field, the results of some
simulations, such as hydrogen embrittlement, show that it can be associated with
limitations, as regards the influence of the current data recording. Similarly, we have
arrived at the same conclusion when compared directly with the Standard BS 7910.
The BFS technique, on the other hand, proved to be feasible in tests simulating
severe conditions such as in corrosive environment and associated with localized
corrosion phenomena.

Keywords: Fatigue Corrosion, DCPD, BFS, Fracture Mechanics
vii
Sumário
1. Introdução ........................................................................................................................1
2. Revisão Bibliográfica ......................................................................................................3
2.1. Mecânica da Fratura ......................................................................................................... 3
2.1.1. Mecânica da Fratura Linear Elástica ........................................................................... 4
2.2. Fadiga ......................................................................................................................7
2.2.1. Nucleação e Propagação de Trincas...................................................................8
2.2.2. Similaridade na Fadiga.....................................................................................11
2.2.3. Curvas de Propagação de Trinca por Fadiga....................................................13
2.3. Corrosão...................................................................................................................14
2.4. Corrosão Fadiga.....................................................................................................14
2.4.1. Mecanismos de Corrosão Fadiga.....................................................................15
2.5. Métodos de Controle de Ensaio.............................................................................18
2.6. Técnicas de Monitoramento de Trinca..................................................................22
2.6.1. DCPD................................................................................................................23
2.6.2. BFS...................................................................................................................24
2.6.3. Norma BS 7910................................................................................................30
3. Materiais e Métodos......................................................................................................32
3.1. Materiais e Equipamentos......................................................................................32
3.1.1. Corpo de Prova.................................................................................................32
3.1.2. Solução de Ensaio.............................................................................................34
3.1.3. Máquinas de Ensaio..........................................................................................35
3.1.4. Equipamentos de Medição de Trinca................................................................36
3.2. Metodologia............................................................................................................37
3.2.1. Pré-Trinca dos Corpos de Prova.......................................................................37
3.2.2. Aplicação dos Strain Gages..............................................................................39
3.2.3. Soldagem dos Fios do DCPD...........................................................................40
3.2.4. Aplicação dos Revestimentos...........................................................................41
3.2.5. Avaliação da Influência de Corrosão Localizada sobre as Técnicas de BFS e
DCPD...............................................................................................................................42
3.2.5.1. Simulação da Influência da Perfuração do CP no Sinal do DCPD...............43
3.2.5.2.Simulação por BFS.........................................................................................45
3.2.6. Avaliação da Influência da Passagem de Corrente Elétrica Utilizada pelo DCPD,
no Sistema de Ensaio..................................................................................................47
viii
3.2.7. Ensaio da Influência da Permeação por Hidrogênio nas Medidas de BFS.......49
3.2.8. Comparação das Técnicas BFS e DCPD com a Norma BS 7910.....................51
4. Resultados e Discussão..................................................................................................54
4.1. Avaliação da Influência de Corrosão Localizada sobre a Técnica de DCPD...........54
4.2. Avaliação da Influência de Corrosão Localizada sobre a Técnica de BFS..............56
4.3. Avaliação da Influência da Passagem de Corrente Elétrica utilizada pelo DCPD, no
Sistema de Ensaio.....................................................................................................57
4.4. Ensaio da Influência da Permeação por Hidrogênio nas Medidas de BFS..............59
4.5. Comparação das Técnicas BFS e DCPD com a Norma BS 7910............................61
5. Conclusões......................................................................................................................66
6. Referências.....................................................................................................................67

ix
Índice de Figuras

Figura 1: Esquematização dos três modos de carregamento que podem ocorrer (adaptado do
ANDERSON, 1995) ...................................................................................................................... 4
Figura 2: Variação da tensão pelo tempo em ensaio com amplitude de carregamento constante
(MEYERS; CHAWLA, 1982) ...................................................................................................... 7
Figura 3: Formação das bandas de deslizamento e esquematização dos estágios de propagação
de uma trinca por fadiga (HETZBERG, 1996) ............................................................................. 9
Figura 4: Crescimento de trinca em fadiga, sob amplitude constante e condições de escoamento
em pequena escala (adaptado de ANDERSON, 1995) ............................................................... 12
Figura 5: Curva representativa de um ensaio de crescimento de trinca por fadiga (ANDERSON,
1995) ........................................................................................................................................... 13
Figura 6: Ilustração de propagação de trinca por: a) dissolução anódica em meio aquoso em um
material que sofre passivação; b) fragilização pelo hidrogênio (adaptado de REVIE, 2000) ..... 16
Figura 7: Ilustração das diferentes etapas do mecanismo de fragilização pelo hidrogênio
induzidas pelo escorregamento intergranular (FILHO, 2006) .................................................... 17
Figura 8: Curva de aspecto geral do controle por K crescente e P constante. (LIMA, 2014) ..... 20
Figura 9: Curva de aspecto geral do controle por K crescente e P crescente. (LIMA, 2014) ..... 20
Figura 10: Curva de aspecto geral do controle por K decrescente e R constante. (LIMA, 2014)
..................................................................................................................................................... 21
Figura 11: Aspecto geral do controle por K decrescente e Kmáx constante. (LIMA, 2014) ..... 22
Figura 12: Diagrama esquemático de funcionamento da técnica de medição comprimento de
trinca por DCPD (adaptado de LIMA, 2014) .............................................................................. 23
Figura 13: Esquemático de funcionamento da técnica de medição comprimento de trinca por
BFS (adaptado de NEWMAN, 2010) ......................................................................................... 26
Figura 14: Orientações dos planos de corpos de prova (adaptado de ANDERSON, 2003) ........ 32
Figura 15: Corpo de prova do tipo compacto - C(T) (adaptado da ASTM, 2011) ...................... 33
Figura 16: Especificações e detalhamento do entalhe do corpo de prova C(T) .......................... 34
Figura 17: Fotos das máquinas utilizadas nos ensaios. (a) Instron 8801 L025 (b) Eletromecânica
desenvolvida pelo LNDC ............................................................................................................ 35
Figura 18: Ensaio de propagação da pré-trinca no corpo de prova C(T) em aço X70. ............... 38
Figura 19: Foto da colagem do strain gage na face oposta à trinca no corpo de prova C(T). ..... 40
Figura 20: Montagem dos corpos de prova de trabalho e de referência com seus respectivos
terminais de solda. ....................................................................................................................... 41
Figura 21: Foto do corpo de prova, representando o revestimento utilizado neste trabalho. ...... 42
Figura 22: (a) Foto do corpo de prova sendo submetido a uma endentação, através do
durômetro. (b) Foto do corpo de prova sendo perfurado por uma broca. ................................... 43
Figura 23: Foto do corpo de prova de trabalho, com as endentações, e do de referência. .......... 44
Figura 24: Foto do corpo de prova de trabalho, com os furos, e do de referência. ..................... 45
Figura 25: Malha utilizada na simulação pelo método de elementos finitos na amostra CT. ..... 46
Figura 26: Posição do Strain gage e do furo com furo de 5 mm de diâmetro por 2,25 mm de
profundidade. .............................................................................................................................. 46
Figura 27: Tela capturada do software em funcionamento. ........................................................ 47
Figura 28: Ensaio da influência da passagem de corrente, através do método DCPD. ............... 48
Figura 29: Esquema do Ensaio da influência da corrente, através da técnica DCPD. ............. 49
Figura 30: a) Amostra com 1mm de espessura antes da colagem do strain gage. b) Amostra
com o strain gage após o ensaio de 4hs de permeação. ............................................................... 50
Figura 31: Célula de Permeação de Hidrogênio (VELASCO, 2007) .......................................... 50
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