Structural integrity analysis of trunnion studs under cathodic protection based on pre-cracked and notched specimens

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Efeito do hidrogênio produzido por proteção catódica nas taxas de propagação de trincas por fadiga no aço inoxidável superdúplex UNS S32750

Aços inoxidáveis dúplex são fortes candidatos para aplicação em componentes e equipamentos para a indústria offshore devido as suas boas propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. Entretanto, uma barreira para a ampliação do uso destes materiais consiste na fragilização por Hidrogênio, que pode, entre outras fontes, decorrer do uso de proteção catódica em estruturas submersas. Este fenômeno é de grande complexidade, uma vez que os mecanismos possuem uma forte dependência de uma série de parâmetros, assim como não há um único tipo de teste e uma propriedade capazes de caracterizar o comportamento do material. Então, a necessidade de extensa pesquisa, com testes de duração intrinsecamente longa gera uma dificuldade na qualificação destes materiais em mais aplicações, além de um severo conservadorismo nos projetos de engenharia. Este trabalho visa caracterizar o comportamento do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 protegido catodicamente sob um potencial de -1.100 mVECS, sob carregamento de fadiga, através de uma abordagem de mecânica da fratura. Foram realizados ensaios de taxa de propagação de trincas, levantando-se a curva da/dN x ΔK, de modo a ver o efeito da fragilização por Hidrogênio em diversos estágios da vida em fadiga. Foram realizados também ensaios a ΔK constante varrendo a frequência de aplicação de carga, o que caracteriza o tempo para difusão do Hidrogênio à frente da trinca. Os parâmetros desta análise, juntamente aos mecanismos de fratura observados em ensaio, proveem modelos matemáticos que permitem determinar condições para que o aço fragilize, assim como a frequência de ensaio das curvas da/dN x ΔK, que compreende um compromisso entre conservadorismo e tempo hábil de ensaio. Foi observado na varredura de frequência que a difusão passa a ser mais importante para maiores valores de ΔK, o que está associado a uma maior quantidade de Hidrogênio que se aloja na zona à frente da trinca. As curvas da/dN x ΔK também apontam que, para baixos níveis de ΔK e Kmax, não há efeito da fragilização, o que também é suportado pelos aspectos fractográficos observados. A fragilização nestes aços está associada à clivagem cíclica da ferrita, um mecanismo cuja ativação depende da concentração de Hidrogênio que chega à ponta da trinca e da tensão necessária para clivagem. Isto reflete no fato que, em proteção catódica, não há deterioração do desempenho do aço inoxidável superdúplex UNS S32750 para baixos níveis de ΔK e Kmax.Duplex stainless steels are strong candidates to offshore and piping applications, given their good mechanical properties and corrosion resistance. However, a barrier to the expansion for the wider application of these materials consists of Hydrogen embrittlement provided by, among other sources, the use of cathodic protection on structures. This phenomenon is of great complexity, since the mechanisms depend strongly on a series of parameters, and there isn’t a single type of experiment capable of completely characterizing the material behavior. Therefore comes the need of extense research, with long duration tests, which causes difficulty on the qualification of these materials for more applications, along with the employ of more conservative designs on engineering projects. This work seeks to characterize the behavior of the superduplex stainless steel UNS S32750 while cathodically protected by a potential of -1.100 mVECS, under fatigue loading, using the fracture mechanics approach. Fatigue crack propagation rate test were performed, determining the da/dN x ΔK curve to compare the effect of Hydrogen embrittlement on various stages of fatigue life. Fatigue tests at constant ΔK were also performed scanning the load frequency, which describes the time for Hydrogen diffusion to the crack tip. The results from this analysis, along with the fracture mechanisms observed in the samples, provide mathematical models with data allowing them to predict conditions necessary for the steel to embrittle, as well as the appropriate frequency for the determination of the da/dN x ΔK curve, which involves a compromise between conservatism and test time. It was observed in the frequency scanning test that the diffusion has greater importance in high ΔK behavior, which is associated with a higher concentration of Hydrogen situated at the crack tip. The da/dN x ΔK curves point that for low levels of ΔK and Kmax, there is no effect from the embrittlement, which is also supported by the observed fractographic aspects. In these steels, the embrittlement is linked to the cyclic cleavage of ferrite, a mechanism dependant on the Hydrogen at the crack tip and the stress needed for cleavage to occur. This reflects on the fact that, under cathodic protection, there is no loss of performance of the superduplex stainless steel UNS S32750 for low levels of ΔK and Kma

Efeito do pré-trincamento compressivo e da razão de carregamento no limiar de propagação de trincas do aço API 5L X60

Neste estudo foram avaliadas três diferentes técnicas de obtenção de limiares de propagação para o aço API 5L X60. Como comparação com a metodologia tradicional para pré-trincamento e propagação de trincas foram realizados ensaios com diferentes metodologias, a fim de se determinar limiares isentos da influência de tensões residuais compressivas e do efeito de fechamento de trinca. Para a amenização da influência de tensões residuais compressivas, foi testada a metodologia de pré-trincamento compressivo seguido de amplitude de carga constante com razão de carregamento de 0,5. Para a amenização do efeito de fechamento de trinca foi utilizado o método de pré-trincamento convencional seguido de propagação em K-decrescente, porém com alta razão de carregamento de 0,8. Ambos os testes foram comparados ao método tradicional de K-decrescente com uma razão de carregamento moderada de 0,5. Através da análise das curvas da/dN x ΔK, aliada à análise fractográfica, foi possível determinar o método que obtém o limiar de propagação mais conservador, assim como a avaliação de aspectos vantajosos de cada método e sua influência no comportamento do crescimento de trincas.In the present work, three different techniques for determining fatigue crack growth thresholds of API 5L X60 steel were studied. In comparison to the traditional methodology for pre-cracking and crack propagation, experiments with different methodologies were conducted in order to determine thresholds exempt from the influence of compressive residual stresses and the crack closure effect. Aiming to minimize the influence of compressive residual stresses, the study verified the methodology composed of compression pre-cracking followed by constant load amplitude, with a loading ratio of 0.5. For the mitigation of crack closure effect the method of conventional pre-cracking followed by propagation in K-decreasing was used, but with a high load ratio of 0.8. Both tests were compared to the traditional K-decreasing with a moderate load ratio of 0.5. By analyzing the curves da/dN x ΔK, coupled with fractographic analysis it was possible to determine the method that determines the most conservative fatigue crack growth threshold, and also indicate the advantageous aspects of each method and their influence on the behavior of fatigue crack growth

Efeito do pré-trincamento compressivo e da razão de carregamento no limiar de propagação de trincas do aço API 5L X60

Neste estudo foram avaliadas três diferentes técnicas de obtenção de limiares de propagação para o aço API 5L X60. Como comparação com a metodologia tradicional para pré-trincamento e propagação de trincas foram realizados ensaios com diferentes metodologias, a fim de se determinar limiares isentos da influência de tensões residuais compressivas e do efeito de fechamento de trinca. Para a amenização da influência de tensões residuais compressivas, foi testada a metodologia de pré-trincamento compressivo seguido de amplitude de carga constante com razão de carregamento de 0,5. Para a amenização do efeito de fechamento de trinca foi utilizado o método de pré-trincamento convencional seguido de propagação em K-decrescente, porém com alta razão de carregamento de 0,8. Ambos os testes foram comparados ao método tradicional de K-decrescente com uma razão de carregamento moderada de 0,5. Através da análise das curvas da/dN x ΔK, aliada à análise fractográfica, foi possível determinar o método que obtém o limiar de propagação mais conservador, assim como a avaliação de aspectos vantajosos de cada método e sua influência no comportamento do crescimento de trincas.In the present work, three different techniques for determining fatigue crack growth thresholds of API 5L X60 steel were studied. In comparison to the traditional methodology for pre-cracking and crack propagation, experiments with different methodologies were conducted in order to determine thresholds exempt from the influence of compressive residual stresses and the crack closure effect. Aiming to minimize the influence of compressive residual stresses, the study verified the methodology composed of compression pre-cracking followed by constant load amplitude, with a loading ratio of 0.5. For the mitigation of crack closure effect the method of conventional pre-cracking followed by propagation in K-decreasing was used, but with a high load ratio of 0.8. Both tests were compared to the traditional K-decreasing with a moderate load ratio of 0.5. By analyzing the curves da/dN x ΔK, coupled with fractographic analysis it was possible to determine the method that determines the most conservative fatigue crack growth threshold, and also indicate the advantageous aspects of each method and their influence on the behavior of fatigue crack growth