Vida em fadiga de tubos API 5L X65 PSL2 normalizados pós sobre-espessura soldada por fricção

Abstract

O presente trabalho de conclusão de curso tem como objetivo estudar a vida em fadiga de uniões de dutos de aço X65 PSL2, produzidas pelo método de soldagem por fricção com carregamento axial e anel rotativo e, posteriormente, normalizadas. Com os crescentes desafios na extração de óleo e gás em águas profundas, utilizar-se de dutos rígidos em substituição aos risers flexíveis torna-se uma vantagem significativa no mercado, devido ao menor custo e menor complexidade dos primeiros. Considerando a natureza dos carregamentos cíclicos impostos à tubulação nessas regiões, dutos rígidos podem se beneficiar de um aumento local de espessura na interface de união entre as secções soldadas, reduzindo as tensões localmente. Utilizando o método de soldagem por fricção, pode-se unir as secções no estado sólido, conferindo melhores propriedades mecânicas à região se comparado à soldagem convencional e, possivelmente, um aumento da vida em fadiga. Além disso, a soldagem por fricção tem outras vantagens, como a automação, rapidez e repetibilidade. A partir de secções de dutos de aço X65 PSL2 com 174,2mm de diâmetro interno e até 22mm de espessura, dutos e anel foram usinados e então soldados por fricção em máquina nas dependências do LAMEF (UFRGS), com parâmetros de 500rpm e 20mm de consumo, por aproximadamente 125 segundos. Após usinagem dos corpos de prova da junta soldada, esses passaram por tratamento térmico de normalização por 30 minutos em 1050°C e então resfriados ao ar, buscando recuperar propriedades mecânicas e microestrutura alteradas durante a soldagem e já observadas em trabalhos prévios. Então, as amostras foram ensaiadas em tração até ruptura, fadiga por 10 milhões de ciclos em tração-tração e analisadas por metalografia em microscópio ótico. Os resultados dos ensaios de tração mostram propriedades mecânicas próximas do material base, ainda que fora do especificado por norma para o material, atingindo 364 MPa de tensão de escoamento e 513 MPa de resistência máxima à tração. Contudo, considerando o processo de soldagem, pela norma API 1104, as uniões estão com resistência máxima dentro do limite de 95% aceitável. Já os ensaios de fadiga superaram o solicitado por norma, com os corpos de prova não rompendo mesmo em 10 milhões de ciclos. As mudanças ocorridas na microestrutura permitiram um aumento significativo da vida em fadiga, uma vez que o material como soldado apresentou baixa energia absorvida no ensaio Charpy realizado em estudo prévio.

The following undergraduate thesis aims to study the fatigue life of X65 PSL2 steel pipeline joints, produced by the friction welding method with axial loading and rotary ring, followed by normalization. With the increasing challenges in oil and gas extraction in deep waters, opting for rigid pipelines instead of flexible risers becomes a significant advantage in the market due to their lower cost and reduced complexity. Considering the cyclic loading nature imposed on the pipes in these regions, rigid pipelines can benefit from a localized increase in thickness at the joint interface between welded sections, reducing local stresses. Using the friction welding method, sections can be joined in the solid state, providing better mechanical properties to the region compared to conventional welding, and possibly increasing fatigue life. Additionally, friction welding brings other advantages such as automation, speed, and repeatability. Starting with X65 PSL2 steel pipe sections with an internal diameter of 174.2mm and up to 22mm thickness, pipes and ring were machined and then friction-welded on a machine at LAMEF (UFRGS) with parameters of 500rpm and 20mm of travel, for approximately 125 seconds. After machining the test specimens from the welded joint, they underwent a normalization heat treatment for 30 minutes at 1050°C and then air-cooled, aiming to recover mechanical properties and microstructure that was altered during welding, as observed in previous studies. Subsequently, the samples were tensile tested up to failure, subjected to fatigue testing for 10 million cycles in tension-tension configuration, and analyzed by metallography using an optical microscope. The results of the tensile tests indicated mechanical properties close to the base material, although outside the specified standard for the material, reaching 364 MPa of yield strength (YS) and 513 MPa of ultimate tensile strength (UTS). However, considering the welding process, according to API 1104 standard, the joints are within the 95% limit for the UTS. Fatigue tests exceeded the standard requirements, with the specimens not failing even after 10 million cycles. Changes in the microstructure allowed a significant increase in fatigue life, as the welded material showed low energy absorbed in the Charpy impact test, conducted in a previous study.