Orientador: Prof. Dr. Régis Henrique Gonçalves e Silva
Coorientador: Prof. Dr. Antonio Jose Ramirez Londoño (The Ohio State University)
RESUMO
A soldagem de dutos em operação consiste de uma técnica aplicada em tubulações que se encontram em funcionamento, podendo haver a presença de escoamento de fluido em alta vazão e pressão que modifica o ciclo térmico da soldagem quando em comparação com um procedimento convencional. Este método é aplicado em situações de manutenção em componentes danificados por corrosão, vandalismos e também na instalação de derivações sem a parada do fornecimento do fluido. Esta aplicação tem como característica o resfriamento mais rápido da solda, maior nível de hidrogênio, tubos com parede reduzida por corrosão e contato com líquidos inflamáveis. Três pontos são então críticos na soldagem em operação: 1- a formação de trincas induzidas por hidrogênio (TIH); 2- a possibilidade de perfuração do componente e; 3- risco de instabilidade química de fluidos durante a soldagem. Essa soldagem em condições de maior resfriamento também aumenta a chance de defeitos como a falta de fusão. No passado, diversos casos de falhas em estruturas soldadas em operação utilizando práticas convencionais já ocorreram, o que reforça a necessidade da implementação de técnicas e procedimentos mais modernos. Frente a isso, a presente tese propõe a implementação de duas variantes do processo de soldagem GMAW – a corrente contínua pulsada (GMAW-P DC) e a corrente pulsada alternada (GMAW-P AC) – trazendo como justificativa o controle do aporte de calor e a maior controlabilidade da transferência metálica. Para controlar a taxa de resfriamento, reduzir a umidade e facilitar a difusão de hidrogênio para fora da solda também é proposta a utilização da técnica de pré-aquecimento por indução. A qualificação de soldagem em ambiente de laboratório também é avaliada por modelagem numérica multifísica, utilizando o método dos elementos finitos (MEF). O trabalho foi desenvolvido com período sanduíche de 12 meses, junto à The Ohio State University (OSU) no Edison Joining Technology Center (EJTC). Na etapa experimental foi utilizando tubo de aço carbono API 5L grade B de 11,75” (298.5 mm) de diâmetro, com 3/8” (9.5 mm) de espessura, com o qual foi montado um looping de água para simular condição de alta taxa de resfriamento e reparo por dupla-calha tipo B. As variantes de soldagem com corrente pulsada mostraram que é possível um controle do aporte térmico por meio da variação da porcentagem do eletrodo em polaridade negativa (%N). O aquecimento por indução pode gerar distribuição de temperatura assimétrica ao longo da circunferência do tubo, ocasionada pelo efeito de convecção natural em baixas vazões de fluido. A simulação do aquecimento por indução acoplado com a modelagem do fluido comprovou esses resultados experimentais. A soldagem circunferencial de dupla-calha com as duas variantes citadas apresentou dureza mais alta na zona afetada pelo calor de grãos grosseiros (ZAC GG), chegando a 400 HV sem pré-aquecimento. A simulação em MEF aplicada como ferramenta de estimativa para um pré-aquecimento por indução de 200 ºC mostrou uma taxa de 41.3 ºC/s e uma microestrutura mais dúctil, resultado comprovado por ensaios experimentais, microscopia e testes de dureza. O pré-aquecimento fez com que a dureza fosse reduzida significativamente obtendo-se valores de 256.8 HV para o GMAW-P DC e 257.8 HV para o GMAW-P AC. A avaliação multidisciplinar proposta nessa tese, envolvendo a análise de processos, metalurgia e simulação representa um marco em cenário nacional e do LABSOLDA, no que tange à abordagem multidomínios de forma acoplada, considerando a interdependência das diversas frentes que envolvem a ciência e a engenharia de soldagem.
Palavras-chave: Soldagem de dutos em operação; GMAW com corrente pulsada e alternada; Pré-aquecimento por indução; Simulação de soldagem; Qualificação de soldagem in-service.
ABSTRACT
In-service welding is a technique applied for active pipelines, which can have a highpressure fluid flow modifying the welding thermal cycle in comparison to a conventional procedure. Such a method is performed in the maintenance of corroded equipment, vandalism, and also in the installation of fittings without interrupting the fluid supply. This application has higher cooling rate characteristics, greater hydrogen levels, corroded walls with reduced thickness, and the presence of flammable liquids. Three points are critical to in-service welding: 1- the formation and propagation of hydrogen-induced cracks (HIC); 2- the burn-through risk and; 3- unstable chemical reactions of the fluid during the welding heating. The welding in higher cooling conditions enhances defects susceptibility like lack of fusion, as well. In the past, several cases of failure occurred in in-service welded structures using conventional practices, which also reinforces the need to study and implement more modern techniques and procedures. Considering this, the present dissertation proposes the implementation of two GMAW process variants – pulsed with direct current (GMAW-P DC) and pulsed with alternating current (GMAW-P AC) – under the justification of the heat input and metal transfer control. In order to control the cooling rate, reduce humidity, and facilitate the diffusion of hydrogen away from the weld joint, the use of the induction preheating technique is also proposed. The welding qualification in a laboratory environment was also evaluated by multi-physical numerical modeling, using the finite element method (FEM). The work was developed with a 12 months doctoral stay at the Ohio State University (OSU), at the Edison Joining Technology Center (EJTC). In the experimental steps, it was used an API 5L grade B carbon steel pipe with 11.75” (298.5 mm) in diameter and 3/8” (9.5 mm) thick. A water loop was set to simulate high cooling rate conditions focused on the sleeve type-B repair mode. The pulsed current welding variants showed that it is possible to control the heat input by changing the percentage of the electrode/wire in negative polarity (%N). The induction pre-heating can provide asymmetrical temperature distribution along the circumference, caused by the effect of natural convection for low flow rates. The simulation of the induction heating coupled with the modeling of the fluid flow proved the experimental results. Sleeve type-B circumferential welding showed higher hardness in the coarse-grained heat-affected zone (CG HAZ), reaching more than 400 HV without preheating. The FEM simulation applied as a prediction tool for an induction preheating of 200 ºC showed a cooling rate of 41 ºC/s and a more ductile microstructure validated using microscopy and hardness indentation. Preheating significantly reduced hardness, reaching 256.8 HV for GMAW-P DC and 257.8 HV for GMAW-P AC. The multidisciplinary analysis proposed in this dissertation approaching process, metallurgy, and numerical modeling, represents a milestone in national and LABSOLDA’s scenario, considering the interdependence of various fronts that involve science and welding engineering.
Keywords: In-service welding of pipelines; GMAW with pulsed and alternating current; Induction preheating; Welding simulation; In-service welding qualification.
REFERÊNCIA
RIFFEL, Kaue Correa. Análise Experimental e Numérica da Soldagem em Operação Utilizando GMAW-P DC/AC Assistida por Aquecimento por Indução. 2022. 257 p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2022.