Efeitos de heterogeneidades mecânicas sobre forças motrizes de trinca em juntas soldadas: determinação experimental de tenacidade e extensão de metodologias de avaliação de criticidade de defeitos.

• Main Author: Gustavo Henrique Bolognesi Donato
• Other Authors: Claudio Ruggieri
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2008
• Subjects: Integridade estrutural; Juntas soldadas; Mecânica da fratura; Eta method; FAD diagram; Fracture toughness; Weibull stress; Weld strength mismatch
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3135/tde-02022009-161547/

Este trabalho apresenta uma avaliação dos efeitos de juntas soldadas dissimilares sobre forças motrizes de trinca e o desenvolvimento de procedimentos adaptados baseados em critérios mecânicos e micromecânicos para avaliação de defeitos em juntas soldadas incorporando efeitos de dissimilaridades mecânicas. A motivação central reside na forte expansão da indústria nacional de petróleo e a crescente demanda por aumento de produtividade aliado ao aumento na segurança operacional de sistemas dutoviários e estruturas correlatas. Para que tal intento seja atingido, é inicialmente apresentada uma descrição detalhada dos parâmetros de interesse da mecânica da fratura, fundamentos da metalurgia da soldagem e efeitos microestruturais e mecânicos oriundos da presença de soldas dissimilares. São então descritos os principais métodos experimentais de determinação de tenacidade à fratura, detalhados os procedimentos correntes de avaliação de integridade por meio de diagramas FAD e é estudada a teoria da tensão de Weibull. Tais estudos configuram o arcabouço conceitual necessário para o desenvolvimento de uma extensa variedade de ensaios experimentais em juntas soldadas e proposição de correções aos procedimentos correntes de determinação experimental de tenacidade, refinamentos na determinação de cargas limite e o desenvolvimento de um modelo de transferabilidade de tenacidades baseado em tensão de Weibull aplicável a juntas soldadas. Por fim, todas as contribuições são compiladas e incorporadas em um procedimento adaptado do tipo FAD especificamente adaptado à avaliação de estruturas soldadas constituídas de materiais dissimilares. Os resultados experimentais revelam forte e deletéria influência das juntas soldadas na tenacidade e capacidade de carga de estruturas. Por outro lado, o extenso compêndio de fatores eta e rotacionais plásticos rp desenvolvido permite a determinação experimental acurada de tenacidade à fratura para espécimes SE(B) homogêneos e bimateriais. Adicionalmente, a metodologia proposta de determinação de cargas limite incorpora o encruamento dos respectivos materiais e o modelo de transferabilidade baseado em tensão de Weibull permite a estimação acurada da tenacidade de componentes soldados dissimilares a partir dos dados do metal de base e poucas calibrações experimentais. Resultados de uma aplicação exploratória real indicam elevado grau de precisão e corroboram a validade das propostas apresentadas. Assim, os desenvolvimentos do presente trabalho mostram-se como potenciais ferramentas de projeto e avaliação de integridade estrutural. === This work presents an evaluation of weld strength mismatch effects on crack driving forces and proposes an extension of defect assessment procedures for welded structures to include effects of weld strength mismatch. The main motivation is based on the strong expansion of Brazilian petroleum industry and the increasing demand for productivity, safety and reliability of pipelines and correlated structures. In this context, it is initially presented a detailed description of fracture mechanics parameters, welding metallurgy fundamentals and mechanic and microestructural effects due to mismatched welds. Next, the main procedures for experimental evaluation of fracture toughness are addressed followed by a discussion on current integrity assessment standards based on FAD and the Weibull stress methodology. These studies provide the necessary background to conduct a wide variety of experimental tests in welded joints and the proposal of corrections for experimental fracture toughness evaluation in welded joints, corrections for limit load estimation schemes in mismatched structures and a new toughness scaling model based on Weibull stress applicable to welded mismatched joints. Finally, the resulting framework is incorporated into a modified FAD-based procedure specifically designed for integrity assessment of welded mismatched structures. The experimental results reveal strong deleterious effects of mismatched welds on loading capacity and fracture toughness of the analyzed specimens. However, the extensive body of calibrated eta and plastic rotational rp factors allows accurate experimental determination of fracture toughness for homogeneous and bimaterial SE(B) specimens. Additionally, the limit load estimation scheme proposed incorporates the materials hardening capacity while the Weibull-based toughness scaling model incorporating mismatch effects allows accurate estimation of the weldment toughness from base metal data and a simple experimental calibration. Results from an exploratory application indicate a high degree of accuracy and confirm the validity of the proposed methodology as a potential tool for design and integrity assessments of cracked weldments.