Correlação da fenomenologia da fratura dúctil de gasodutos e corpos de prova dinâmicos de Charpy e DWTT empregando o modelo GTN a aços avançados classe API
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Tipo de produção
Dissertação
Data
2017
Autores
Moço, R. F.
Orientador
Donato, Gustavo H. B.
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Citação
MOÇO, R. F. Correlação da fenomenologia da fratura dúctil de gasodutos e corpos de prova dinâmicos de Charpy e DWTT empregando o modelo GTN a aços avançados classe API. 2017. 197 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017. Disponível em: . Acesso em: 29 ago. 2018.
Texto completo (DOI)
Palavras-chave
Mecânica de fratura,Plásticos Resistência,Gasodutos - fratura dúctil
Resumo
O desenvolvimento de protocolos robustos para avaliação da integridade estrutural de dutos para transporte de gás é de extrema importância, já que uma falha pode levar não só a elevado prejuízo financeiro, mas também a perda de vidas humanas. Nesse cenário, a capacidade do material de frear a propagação de uma trinca existente (crack arrest) passa a ser um requisito de projeto. Diversos modelos empíricos, calibrados por meio de ensaios reais de explosão de dutos (burst tests), foram propostos para essa finalidade e dentre eles destacase o Batelle Two Curve Method (BTCM). Com a evolução dos aços houve um aumento significativo de ductilidade e tenacidade, de forma que os modelos semi-empíricos calibrados pela energia absorvida no ensaio de impacto Charpy (ISO 148-1, ASTM E-23) passaram a apresentar resultados insatisfatórios. Isso é explicado pelo fato de que nos materiais atuais, que são muito dúcteis e tenazes (X65, X80, X100, etc.), o mecanismo dominante de propagação da fratura é o colapso plástico localizado. Dessa forma, para um melhor entendimento fenomenológico desse processo de fratura, esse trabalho caracteriza mecanicamente ensaios dinâmicos de impacto Charpy e DWTT (ASTM E-436) com o intuito de compreender o campo de tensões e isolar as parcelas de energia envolvidas nesse processo para então comparar apenas a parcela associada à propagação estável de fratura dúctil com a
energia disponível em um duto para frear uma trinca em propagação. Para isso, desenvolve-se uma metodologia de análise numérica baseada na utilização do modelo micromecânico de dano de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) por células computacionais, sendo conduzida, inclusive, uma análise de sensibilidade dos parâmetros envolvidos no modelo. Conclui-se que a metodologia apresentada é robusta, uma vez que foi capaz de reproduzir com precisão resultados experimentais obtidos de publicações sobre o assunto. A análise de sensibilidade
foi primordial para a calibração da metodologia, ainda, as análises energéticas e de campo de tensões indicam que o espécime DWTT, por possuir maior ligamento remanescente e mesma espessura do duto, possibilita propagação estável e é mais representativo do estado de tensões desse. Os resultados numéricos para o duto apresentam forte influência do modelo de despressurização e tamanho de elemento da célula computacional. Parece haver uma correlação entre a energia associada à propagação da fratura dúctil, triaxialidade e ductilidade, sendo necessário mais estudo nesse campo.
The development of robust protocols for assessing the structural integrity of gas pipelines is of the utmost importance, since a failure can lead not only to high financial losses but also to the loss of human lives. In this scenario, the ability of the material to slow down the propagation of an existing crack (crack arrest) becomes a design requirement. Several empirical models, calibrated by means of real explosion pipeline tests (burst tests), have been sugested based on this purpose and among them the Battele Two Curve Method (BTCM) stands out. With the evolution of steels, there was a significant increase of ductility and toughness, in a way that the semi-empirical models calibrated by the energy absorbed in the Charpy impact test (ISO 148-1, ASTM E-23) began to present unsatisfactory results. This is explained by the fact that in current materials, which are highly ductile and tough (X65, X80, X100, etc.), the dominant mechanism of fracture propagation is localized plastic collapse. Therefore, for a better phenomenological understanding of this fracture process, this work mechanically characterizes Charpy and DWTT (ASTM E-436) dynamic impact tests in order to understand the stress fields and to isolate the portions of energy involved in this process as a step to compare only the energy portion associated to the steady state ductile fracture to the energy available in the pipeline to slow down an ongoing fracture. For this, a numerical analysis methodology based on the use of the micromechanical damage model of Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN) with computational cells is developed, including a sensitivity analysis of the model parameters. It is concluded that the presented methodology is robust, since it was able to accurately reproduce experimental results obtained from other works on the subject. The sensitivity analysis was extremely important for the methodology calibration, besides that, the energetic and stress field analysis indicate that the DWTT specimen, due to its larger remaining ligament and same pipe thickness, allows steady state fracture propagation and is more representative of the pipeline stress state. The pipeline numerical results present strong dependence on the depressurization model and computational cell element size. There seems to be a correlation between the energy associated with ductile fracture propagation, triaxiality and ductility, however this subject needs to be further studied.
The development of robust protocols for assessing the structural integrity of gas pipelines is of the utmost importance, since a failure can lead not only to high financial losses but also to the loss of human lives. In this scenario, the ability of the material to slow down the propagation of an existing crack (crack arrest) becomes a design requirement. Several empirical models, calibrated by means of real explosion pipeline tests (burst tests), have been sugested based on this purpose and among them the Battele Two Curve Method (BTCM) stands out. With the evolution of steels, there was a significant increase of ductility and toughness, in a way that the semi-empirical models calibrated by the energy absorbed in the Charpy impact test (ISO 148-1, ASTM E-23) began to present unsatisfactory results. This is explained by the fact that in current materials, which are highly ductile and tough (X65, X80, X100, etc.), the dominant mechanism of fracture propagation is localized plastic collapse. Therefore, for a better phenomenological understanding of this fracture process, this work mechanically characterizes Charpy and DWTT (ASTM E-436) dynamic impact tests in order to understand the stress fields and to isolate the portions of energy involved in this process as a step to compare only the energy portion associated to the steady state ductile fracture to the energy available in the pipeline to slow down an ongoing fracture. For this, a numerical analysis methodology based on the use of the micromechanical damage model of Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN) with computational cells is developed, including a sensitivity analysis of the model parameters. It is concluded that the presented methodology is robust, since it was able to accurately reproduce experimental results obtained from other works on the subject. The sensitivity analysis was extremely important for the methodology calibration, besides that, the energetic and stress field analysis indicate that the DWTT specimen, due to its larger remaining ligament and same pipe thickness, allows steady state fracture propagation and is more representative of the pipeline stress state. The pipeline numerical results present strong dependence on the depressurization model and computational cell element size. There seems to be a correlation between the energy associated with ductile fracture propagation, triaxiality and ductility, however this subject needs to be further studied.