Influência dos revestimentos de cádmio e liga zinco-níquel em atuadores roscados ASTM A320 submetidos a esforço cíclico em ambiente corrosivo
Data
2021-11-10
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Para tornar viável a aplicação de aço carbono em ambiente marítmo se faz necessário protegê-lo contra a corrosão e um dos métodos utilizados é a aplicação do cádmio eletrodepositado, entretanto, o cádmio é um elemento tóxico, que causa sérios problemas respiratórios e inclusive câncer. O objetivo dessa pesquisa foi investigar a aplicação de uma liga Zn-Ni em tirante fabricado em aço AISI 4140 sob ótica da resistência à fadiga axial e corrosão, com objetivo de fornecer informações que ajudem na substituição do Cd, atualmente utilizado na indústria nacional submarina de Óleo & Gás. Foram avaliados, tanto experimentalmente, como utilizando método de elementos finitos, três tipos de corpos de prova, sendo denominados: “padrão”, em conformidade com ASTM E466-2015, “especial”, similar ao padrão, porém, com rosca 1/4" UNC-20 FPP em sua região central e “tirantes”, com rosca 1/4" UNC-20 FPP. Ensaios de fadiga axial, em temperatura ambiente, com frequência 20 Hz e razão de carga R=0,1 mostraram que o corpo de prova “padrão” tiveram aumento em vida nas condições com recobrimento, tanto com Cd quanto com liga Zn-Ni, devido à tensão compressiva gerada pelo processo de eletrodeposição. No comparativo entre corpo de prova “padrão” e “tirante”, os resultados mostraram, para nível de tensão máxima nominal 750 MPa, vida em fadiga 83,7% inferior para os tirantes, saltando para 95,4% para nível de tensão 650 MPa, mostrando que para baixos níveis de tensão, o estágio de nucleação da trinca em um corpo de prova padrão é mais lento. Com o aumento da tensão, foi observado redução da influência do fator concentrador de tensão, porém, mantendo significativa influência. No comparativo entre os corpos de prova roscados (especial e tirantes), os resultados experimentais mostraram que o recobrimento não afetou a vida em fadiga, mostrando que o efeito do concentrador de tensão, gerado pela geometria da rosca, é muito superior à influência do processo de eletrodeposição. Tal fenômeno também foi comprovado através da análise das fraturas em MEV, onde todos os corpos de prova com rosca tiveram nucleação de trinca na superfície. No comparativo entre os tirantes e corpo de prova especial, os resultados experimentais mostraram que os tirantes tiveram redução em vida na ordem de 58% e o motivo foi a influência do contato na interface porca/parafuso, gerando acréscimo nos níveis das tensões de cisalhamento e flexão, observados nas análises em elementos finitos. Foi utilizada abordagem pela mecânica da fratura linear elástica, utilizando modelo de Buchalet-Bamford, que se mostrou válida, pois à medida em que o nível da tensão máxima nominal foi elevado, a vida em fadiga dos tirantes se aproximou do obtido experimentalmente, apresentando redução na vida útil calculada na ordem de 58,3% para nível de tensão máxima nominal de 680 MPa e 65,8% para nível de tensão máxima nominal 440 MPa, mostrando que o período para nucleação da trinca reduz com o acréscimo do nível de tensão. O ensaio de salt-spray não apresentou nenhum produto de corrosão vermelha dentro do período de 1008 horas, possibilitando concluir que a substituição do recobrimento de Cd por liga Zn-Ni também é viável do ponto de vista de resistência à corrosão.
To make the application of carbon steel subsea feasible, its necessary to implement an efficient corrosion protection system and one of the methods used is the application of cadmium electroplated, however it’s a toxic element, which causes serious breathing problems and even cancer. The purpose of this research was to investigate the application of Zn-Ni alloy in studs made of steel AISI 4140 from the axial fatigue and corrosion points of view, providing information to support replace the Cd coating, current used in national subsea oil and gas company. Three different specimens were evaluated, both experimentally and using finite element method such as: “standard” as per ASTM E466-2015, “special”, like the standard with 1/4"-20 TPI threaded machined at the central region and “studs” 1/4"-20 TPI thread. Axial fatigue tests, at room temperature, with a frequency of 20 Hz and load ratio R=0.1 has shown an improvement in fatigue life for both “standard” specimens electroplated with Cd and Zn-Ni due to the compressive stress generated by the electrodeposition process. For the maximum nominal stress 750 MPa, 83.7% reduction in fatigue life was observed for the “studs” specimens in comparison to “standard”, increasing to 95.4% when the maximum nominal stress was 650 MPa, that means more time to start a crack for the standard specimens and reduction of the concentration factor influence when increasing the maximum nominal stress. Increasing the stress level was observed reduction in the concentration factor influence. The results for the threaded specimens (special and stud) have shown no influence of the coating because the concentration factor influence was much higher than the electroplate process. This phenomenon was also realized on SEM, where all threaded specimens started crack from the surface. Making a comparison between “studs” and “special” specimens was observed 58% reduction in fatigue life for “studs”, showing the influence of the contact between stud and nut threads, that increase both bending and shear stress, shown on finite element analysis. The linear elastic fracture mechanics approach, by using Buchalet-Bamford model, was used and the results was valid because increasing the maximum nominal stress, the calculated fatigue life became closer to the experimental life. Results for maximum nominal stress 680 MPA have shown 58.3% less life and for 440 MPa the calculation has shown 65.8% reduction life that means reduction time to start crack when increasing the stress level. No red corrosion was shown during the first 1008 hours in salt spray chamber that means the Cd electroplate can be replaced with Zn-Ni from the corrosion point of view as well.
To make the application of carbon steel subsea feasible, its necessary to implement an efficient corrosion protection system and one of the methods used is the application of cadmium electroplated, however it’s a toxic element, which causes serious breathing problems and even cancer. The purpose of this research was to investigate the application of Zn-Ni alloy in studs made of steel AISI 4140 from the axial fatigue and corrosion points of view, providing information to support replace the Cd coating, current used in national subsea oil and gas company. Three different specimens were evaluated, both experimentally and using finite element method such as: “standard” as per ASTM E466-2015, “special”, like the standard with 1/4"-20 TPI threaded machined at the central region and “studs” 1/4"-20 TPI thread. Axial fatigue tests, at room temperature, with a frequency of 20 Hz and load ratio R=0.1 has shown an improvement in fatigue life for both “standard” specimens electroplated with Cd and Zn-Ni due to the compressive stress generated by the electrodeposition process. For the maximum nominal stress 750 MPa, 83.7% reduction in fatigue life was observed for the “studs” specimens in comparison to “standard”, increasing to 95.4% when the maximum nominal stress was 650 MPa, that means more time to start a crack for the standard specimens and reduction of the concentration factor influence when increasing the maximum nominal stress. Increasing the stress level was observed reduction in the concentration factor influence. The results for the threaded specimens (special and stud) have shown no influence of the coating because the concentration factor influence was much higher than the electroplate process. This phenomenon was also realized on SEM, where all threaded specimens started crack from the surface. Making a comparison between “studs” and “special” specimens was observed 58% reduction in fatigue life for “studs”, showing the influence of the contact between stud and nut threads, that increase both bending and shear stress, shown on finite element analysis. The linear elastic fracture mechanics approach, by using Buchalet-Bamford model, was used and the results was valid because increasing the maximum nominal stress, the calculated fatigue life became closer to the experimental life. Results for maximum nominal stress 680 MPA have shown 58.3% less life and for 440 MPa the calculation has shown 65.8% reduction life that means reduction time to start crack when increasing the stress level. No red corrosion was shown during the first 1008 hours in salt spray chamber that means the Cd electroplate can be replaced with Zn-Ni from the corrosion point of view as well.
Descrição
Palavras-chave
Tirante, Cádmio, Zinco-Níquel, Corrosão, Trinca, Fadiga, Elementos finitos, Mecânica da fratura, Materiais - Fadiga, Stud, Cadmium, Corrosion, Crack, Fatigue, Finite element, Fracture mechanics