Análise estatística de Weibull dos resultados de fadiga de espécimes de um tubo de aço API 5CT N80Q para aplicação offshore

Abstract

Tubos de aço utilizados na exploração e prospecção de petróleo e gás natural estão sujeitos a carregamentos dinâmicos durante o transporte (transit fatigue) e também quando em serviço. Por este motivo é imperativo que os tubos utilizados apresentem excelente integridade estrutural a fim de evitar a ocorrência de falhas prematuras devido à fadiga. Contudo, como o processo de soldagem por resistência elétrica de alta frequência HF/ERW (High Frequency Electric Resistance Welding), largamente utilizado pela indústria, envolve conformação mecânica seguida de soldagem, defeitos estarão inerentemente presentes nos tubos, notadamente uma interface entre as bordas das chapas soldadas. No presente trabalho, foi investigado os resultados de ensaios de fadiga axiais para corpos de prova de aço API 5CT N80Q 90º Plano e corpos de prova de aço API 5CT N80Q abaulados com f = 15 Hz / R = 0,1. Para isso, foi utilizada a distribuição de Weibull que associa a probabilidade de falha de um material com o número aproximado de ciclos, divididos para cada faixa dos valores de tensão correspondentes. Desta forma, aplicada para um ensaio de fadiga, esta distribuição permite estimar a probabilidade de falha do material de acordo com sua vida útil quando este é submetido a esforços cíclicos em um nível de tensão simulando a operação real. Através dos parâmetros de Weibull, foi possível estimar a vida útil do material para cada condição com 95% de confiabilidade e assim traçar curvas S-N mais precisas analisando a seção transversal (geometria) do material mais adequada dentre os observados. A maior tensão para a vida infinita foi de 493 MPa com o Aço API 5CT N80Q com o corpo de prova na geometria 90° Plano. A menor tensão para a vida infinita foi de 260 MPa com o Aço API 5CT N80Q com o corpo de prova na geometria abaulado. Uma baixa diferença de 89,6%. Foi concluído que o corpo de prova com seção transversal (geometria) 90° Plano apresenta um melhor comportamento de vida em fadiga, ou seja, maior resistência à fadiga para um determinado número de ciclos.

Steel tubes used in the exploration and prospecting of oil and natural gas are subject to dynamic loading during transport (transit fatigue) and also when in service. For this reason it is imperative that the tubes used have excellent structural integrity in order to avoid the occurrence of premature failures due to fatigue. However, as the HF/ERW (High Frequency Electric Resistance Welding) process, widely used by industry, involves mechanical forming followed by welding, defects are inherently present in the tubes, notably an interface between the edges of the welded sheets. In the present work, we investigated the results of axial fatigue tests for API 5CT N80Q 90º Plane steel specimens and API 5CT N80Q curved steel specimens with f = 15 Hz / R = 0.1. For this, the Weibull distribution was used, which associates the probability of failure of a material with the approximate number of cycles, divided for each range of the corresponding stress values. Thus, applied to a fatigue test, this distribution allows estimating the probability of failure of the material according to its useful life when it is subjected to cyclic stresses at a stress level simulating the real operation. Using the Weibull parameters, it was possible to estimate the useful life of the material for each condition with 95% reliability and thus draw more accurate S-N curves by analyzing the cross section (geometry) of the most suitable material among those observed. The highest stress for infinite life was 493 MPa with API 5CT N80Q Steel with the specimen in 90° Plane geometry. The lowest stress for infinite life was 260 MPa with API 5CT N80Q Steel with the specimen in the convex geometry. A low difference of 89.6% It was concluded that the test piece with cross section (geometry) 90° Plane presents a better fatigue life behavior, that is, higher fatigue strength for a given number of cycles.