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Coupling of damage and fracture mechanics models to evaluate the integrity of structures under the effect of hydrogen generated in cathodic protection systems.

By Jorge Antonio Palma. CARRASCO

Abstract

Este trabalho apresenta uma simulação numérica do processo da fratura assistida pelo hidrogênio no aço API 5CT P110, utilizado em risers de produção de gás e petróleo, sob o efeito do hidrogênio gerado nos sistemas de proteção catódica. As simulações foram efetuadas através de um modelo matemático baseado numa síntese da mecânica da fratura e da mecânica do dano contínuo proposto por Bolotin e Shipkov (2001), que foi aprimorado com a incorporação de uma nova equação de dano por hidrogênio e a substituição dos termos de aprisionamento da equação de transporte de hidrogênio, pelos termos equivalentes do modelo de Turnbull et al. (1989). A fim de obter parâmetros para alimentar o modelo proposto, foram conduzidos testes eletroquímicos e mecânicos em amostras extraídas da parede de um tubo de aço API 5CT P110. Ensaios de permeação de hidrogênio em membranas metálicas, sob diversos potenciais de polarização catódica, foram realizados numa célula eletroquímica de Devanathan-Stachurski. A difusividade foi calculada a partir dos transientes de permeação de cada amostra e o aprisionamento de hidrogênio caracterizado por superposição desses transientes normalizados. A suscetibilidade do aço à fragilização por hidrogênio foi avaliada em testes de tração uniaxial, onde amostras de seção circular, com e sem hidrogênio, foram ensaiadas até a ruptura. Os resultados experimentais mostram que o aprisionamento no aço API 5CT P110 é predominantemente reversível, o que está fortemente associado com a sua susceptibilidade à fragilização por hidrogênio. Os resultados das simulações mostram que os tempos de início e propagação de trincas são altamente dependentes da concentração de hidrogênio no aço e dos mecanismos de aprisionamento, observando-se que a resistência à fragilização por hidrogênio é melhorada com a presença de aprisionadores irreversíveis. Estes resultados guardam consistência com os resultados experimentais e com observações do fenômeno, reportadas na literatura científica especializada.This work presents a numerical simulation of the hydrogen assisted cracking process in the API 5CT P110 steel, under the effect of hydrogen produced in cathodic protection systems. This steel is used in risers for oil and gas production. The simulations were performed using a mathematical model based on a synthesis of fracture mechanics and continuum damage mechanics proposed for Bolotin & Shipkov (2001). The model was enhanced through the incorporation of a new equation of hydrogen damage and the substitution of trapping terms on the hydrogen transport equation by the equivalent terms of model of Turnbull et al. (1989). To obtain parameters for the model, were realized mechanical and electrochemical tests on samples extracted from pipe wall of API 5CT P110 steel. Hydrogen permeation tests on metallic membranes under different cathodic potentials were performed on a Devanathan-Stachurski electrochemical cell. The diffusivity was calculated from two consecutive hydrogen permeation transients plotted for each sample, and the hydrogen trapping was characterized by superposition of these normalized transients. The susceptibility to hydrogen embrittlement of steel was evaluated in round tensile samples, with and without hydrogen, submitted to uniaxial tensile test until failure. The experimental results show that the hydrogen trapping in the API 5CT P110 steel is predominantly reversible, which is strongly associated with its high susceptibility to hydrogen embrittlement. The simulation results show that the time of onset and crack propagation are highly dependent on the hydrogen concentration and trapping, and that the hydrogen embrittlement resistance is enhanced by the presence of irreversible traps. These results are consistent with the experimental results and observations of the phenomenon, reported in the scientific literature

Publisher: UFCG
Year: 2019
OAI identifier: oai:localhost:riufcg/7193
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