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

Abstract

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.

The demand for oil has been a central theme on the global stage, driven by a combination of economic, geopolitical, and technological factors. Exploration equipment such as pipelines and drilling bits are essential in the oil and gas industry, as they enable the safe transport of these products through challenging and varied environments. This equipment bears significant economic and environmental responsibility, particularly when considering the cost of unscheduled shutdowns and the damage caused by leaks. Understanding and controlling the residual stresses to which transportation pipelines are subjected is of utmost importance to ensure their load-bearing capacity and resilience to adverse conditions, preventing premature failures. The content of this thesis was published in three scientific articles, in which techniques for measuring residual stresses using X-ray diffraction (XRD) and the contour method (CM) were evaluated. In the first article, the distribution of residual stresses in repairs made using the Friction Hydro Pillar Processing (FHPP) was investigated, employing three values of axial forces. The mechanical properties of the samples and the residual stresses were compared using the XRD and CM techniques. The study demonstrated that high-quality welds were produced, and significant levels of residual stresses, equivalent to approximately 22% of the base material's yield strength, were observed. This indicates that the FHPP process can be applied in tool repair techniques, such as drilling bits for oil wells. In the second article, 12" pipeline joints welded by friction, using a process called friction with an 'explosive' forge force (FRIEX), were evaluated. Different axial loading rates were applied, and the results of the mechanical properties and residual stresses were compared. The residual stresses in the samples were evaluated using XRD and CM, revealing significant levels of tensile residual stresses in the internal interface regions of the weld, with values around 78% of the yield strength of the pipeline, made of API 5L grade B. However, it was found that the loading rate had little influence on the residual stresses. The third article evaluated the residual stresses in the wires of the tensile armor of flexible pipelines, which are generally composed of eutectoid steel. Portable XRD and CM techniques were compared with conventional XRD. A tensile armor wire sample was subjected to shot-peening and used as a reference for all techniques, as the residual stress profile resulting from this process is wellknown and controllable. The CM showed good results for depths greater than 0.3 mm, being suitable for measuring residual stresses in the core of the wires. The residual stresses in the tensile armor wires reached 10% of the yield strength near the surface and 25% in the core of the material. The effective stresses, combining residual and assembly stresses, reached 23% of the yield strength in the analyses performed with portable XRD. Overall, the results showed a good correlation between the conventional and portable XRD techniques, with the latter being an excellent alternative for measuring effective and total stresses in large samples and in-field applications. The CM and XRD techniques presented comparable results in the three studies comprising this thesis, although they have complementary characteristics. The CM proved to be particularly advantageous for evaluating the residual stresses in FHPP samples, where the region of highest tensile stress was the weld interface, located in the core of the joint and inaccessible to XRD. Similarly, in FRIEX welds, CM was more effective in revealing the regions with the most critical residual stresses, such as the weld interface and the internal surface. For the tensile armor wires, however, the XRD technique was more advantageous, as it allowed for the analysis of effective stresses in the most critical region, the surface. Nevertheless, CM remains extremely useful for the process control of flexible pipeline tensile armor manufacturing through the quantification of residual stresses in the component’s core.