Estudo das tensões residuais em tubos soldados por fricção por anel rotativo

Abstract

Tubos de aço são utilizados para o transporte de petróleo e gás, que interligam áreas de produção, refinarias, portos e centros consumidores. Atualmente, para a união dos dutos são utilizados processos de soldagem convencionais por fusão, contudo, para reduzir custos e aumentar a produtividade, métodos alternativos de soldagem estão sendo pesquisados, como por exemplo os processos de soldagem por fricção. Frente a este cenário, um projeto entre UFRGS e Petrobras disponibilizou ao Laboratório de Metalurgia Física – LAMEF um equipamento capaz de realizar o processo de Soldagem de Tubos por Atrito com Anel Rotativo, denominado de MASF 1500. Este processo tem-se mostrado atraente por ser extremamente rápido, menos de 5 minutos, e por apresentar resultados promissores em termos de propriedades mecânicas. Dentro deste contexto este trabalho foi desenvolvido a partir de 3 amostras para as quais variou-se a taxa de carregamento aplicada durante a soldagem dos tubos API 5L grau B com anel API 5L X65. Com o intuito de avaliar o efeito do parâmetro taxa de carregamento sobre o estado de distribuição das tensões residuais na junta soldada, foi aplicado a técnica de difração de raios X (DRX) e método do contorno (MC). As propriedades mecânicas e metalúrgicas foram analisadas com ensaios de macrografia, micrografia, perfil de microdureza e microtração. Via método do contorno foi possível criar mapas 2D das tensões residuais normais ao plano de interesse. As tensões medidas por ensaio de difração de raios X e por método de contorno mostraram zonas trativas na zona afetada pelo calor (ZAC) do tubo com tensões compressivas nas zonas adjacentes a ela. Pelo MC a junta soldada com taxa de carregamento de 5kN/s apresentou as maiores tensões residuais trativas com magnitudes de até 201 MPa na ZAC e tensões residuais compressivas com magnitude de -134 MPa na zona adjacente a ZAC. Os ensaios de microdureza e microtração mostraram uma melhoria das propriedades mecânicas com o aumento da taxa de carregamento.

Steel pipes are used in oil and gas transport, which interconnect production areas, refineries, ports and consumer centers. Currently, conventional fusion welding processes are used to join pipes, however, to reduce costs and increase productivity, alternative welding methods are being researched, such as friction welding processes. Faced with this scenario, a project between UFRGS and Petrobras provided the Physical Metallurgy Laboratory - LAMEF with equipment capable of carrying out the Friction Pipe Welding process with a Rotating Ring, called MASF 1500. This process has been attractive because it is extremely fast, less than 5 min., and for presenting promising results in terms of mechanical properties. Within this context, this work was developed from 3 samples for which the force rate applied during the welding of API 5L grade B pipes with API 5L X65 ring was varied. In order to evaluate the effect of this force rate parameter on the state of distribution of residual stresses in the welded joint, the X-ray diffraction technique (XRD) and the Contour Method (CM) were applied. The mechanical and metallurgical properties have been analyzed with macrograph, micrography, microhardness and microtensile tests. Using the Contour Method was possible to create 2D maps of the normal residual stresses at the plane of interest. The stresses measured by the X-ray diffraction and the Contour Method tests shown tractive zones in the ZAC of the tube with magnitudes and compressive stresses in the adjacent areas. By CM the welded joint with a force rate of 5kN / s presented as higher residual stresses with magnitudes up to 201 MPa in the ZAC and compressive residual stresses with magnitude of -134 MPa in the area adjacent to ZAC. The microhardness and microtensile tests showed an improvement in the mechanical properties with an increase in the force rate.