Modelagem multiescala da fratura induzida por hidrogênio e aplicações à integridade estrutural de dutos de aços grau API

• Processo: 18/23217-9
• Linha de fomento: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Vigência (Início): 01 de maio de 2019
• Vigência (Término): 31 de outubro de 2020
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Mecânica dos Sólidos
• Pesquisador responsável: Claudio Ruggieri
• Beneficiário: Behnam Sobhaniaragh
• Instituição-sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Assunto(s): Mecânica da fratura Integridade estrutural Tenacidade Hidrogênio Dutos Aço

Resumo

A demanda crescente de energia e recursos naturais tem motivado uma vigorosa expansão das atividades exploratórias e produtivas de petróleo e gás natural em ambientes cada vez mais hostis, incluindo campos submarinos em águas ultraprofundas. Um dos desafios-chave enfrentados pela indústria de óleo e gás é a garantia de operações cada vez mais seguras e confiáveis da infraestrutura para produção e transporte de hidrocarbonetos. Dentro deste contexto, a integridade estrutural de dutossubmarinos e linhas de escoamento, incluindo equipamentos associados, representa um fator central na sua operação segura. Avanços da tecnologia existente favorecem a utilização de proteção catódica em aços C-Mn aplicados em dutos e tubulações (por exemplo, aços de grau API X65) como uma técnica eficiente para prevenção da corrosão metálica em ambientes marinhos e agressivos. Entretanto, as reações eletroquímicas associadas ao sistema de roteção catódica possuem forte potencial para produção de hidrogênio atômico na superfície metálica, o qual pode se difundir e penetrar na estrutura metálica cristalina causando degradação induzida por hidrogênio das suas propriedades mecânicas e, principalmente, tenacidade - um mecanismo conhecido como fragilização por hidrogênio (HE). Os materiais dos dutos e tubulações degradados por HE frequentemente falham prematura e catastroficamente após alguns anos em serviço, o que o torna um mecanismo extremamente relevante em avaliações de integridade estrutural de dutos submarinos e linhas de escoamento. Paralelamente a estudos experimentais, técnicas computacionais e simulações numéricas são de grande importânciapara permitir um maior entendimento do fenômeno de HE e, ao mesmo tempo, fornecer procedimentos de engenharia para previsão do comportamento do material sob a influência de HE. Como um passo nesta direção, o objetivo central deste plano de pesquisa é o desenvolvimento de um modelo multiescala de integridade estrutural baseado na correlação entre os micromecanismos simultâneos e controladores do HE e a resposta macromecânica de aços grau API para dutos e tubulações. Isto requer uma compreensão muito maior dos mecanismos de HE, o que será obtido por meio de um arcabouço numérico e computacional acoplado a um programa experimental. Neste trabalho, uma abordagem numérica baseada no modelo de zonas coesivas (CZM) acoplado a um modelo de difusão de hidrogênio é introduzida para descrever o comportamento à fratura induzido por hidrogêniodo material. Adicionalmente, ensaios de tenacidade sobre corpos de prova extraídos de material hidrogenado e não hidrogenado serão conduzidos para calibração dos parâmetros do CZM e para verificação da capacidade preditiva da metodologia proposta. A principal contribuição deste projeto de pesquisa é, portanto, esclarecer e investigar os potenciais impactos do hidrogênio sobre a degradaçãodo material por meio da consideração simultânea de um modelo de elementos finitos incorporando elementos coesivos, caracterização microestrutural e valores de tenacidade à fratura, incluindo resultados de carga vs. deslocamento da boca da trinca (CMOD). Em particular, este trabalho pretende preencher a grande lacuna que há nesta linha específica de investigação por meio do desenvolvimento de um modelo multiescala para previsão de degradação induzida por hidrogênio em aços estruturais. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

SOBHANIARAGH, B.; AFZALIMIR, S. H.; FRACTURE, C. RUGGIERI. Towards the prediction of hydrogen-induced crack growth in high-graded strength steels. THIN-WALLED STRUCTURES, v. 159, FEB 2021. Citações Web of Science: 0.