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Title in Portuguese: Estudo de liga de níquel alternativa na união de tubos de aço API 5L X65 revestidos internamente com Inconel 625
Title: Alternative nickel alloy study on the union of internally-coated API 5L X65 tubes with Inconel 625
Author: Silva, Rafaella de Sousa
Advisor(s): Miranda, Hélio Cordeiro de
Keywords: Ciência dos materiais
Ligas de níquel
Soldagem
Reel Lay
Nickel alloys
Yield strength
Issue Date: 20-Nov-2018
Citation: SILVA, R. S. Estudo de liga de níquel alternativa na união de tubos de aço API 5L X65 revestidos internamente com Inconel 625. 2018. 131 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência de Materiais)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2018.
Abstract in Portuguese: As mais recentes tecnologias para perfuração, extração e transporte de petróleo do Pré Sal, demandam materiais cada vez mais resistentes e processos otimizados, com custos reduzidos e alta produtividade para produção de uniões de dutos/risers. O lançamento de dutos rígidos é uma das etapas mais críticas e que podem interferir no projeto e na fabricação de dutos rígidos, dentre os métodos de lançamentos existentes no mercado offshore, o método Reel Lay apresenta-se como uma alternativa atrativa para lançamento de dutos, pois a construção dos dutos acontece em terra, possibilitando menores tempos nas operações de lançamento. Entretanto, esse método de lançamento exige propriedades mecânicas mais elevadas, incluindo o limite de escoamento dos metais de solda. Atualmente, o principal desafio para soldagem destes tubos é assegurar que a liga de níquel utilizada como metal de adição garanta um metal de solda com altos limites de escoamento, tornando possível a utilização de tubulações fabricadas com aços estruturais de menores espessuras e menor peso, acarretando em vários benefícios econômicos e operacionais. Neste sentido, o objetivo do presente trabalho é estudar uma liga de níquel alternativa, chamada de Inconel 680, fabricada para viabilizar a soldagem de tubos “cladeados” de aço API 5L X65, visando obter parâmetros de soldagem para produzir uma união sem defeitos e com propriedades mecânicas iniciais aceitáveis para aplicação em projetos de união de dutos rígidos. Para viabilizar os resultados do trabalho, foi realizada a união de 4 pares de tubos de aço API 5L X65, revestidos internamente com Inconel 625, com a liga Inconel 680, por meio do processo MIG/MAG. Foi realizada simulação termodinâmica para avaliar o comportamento metalúrgico da liga e para avaliar a união, várias amostras foram retiradas transversalmente à solda para realizar análise metalúrgica, por meio de técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura, e de propriedades mecânicas com avaliação de dureza Vickers, mapa de microdureza, tenacidade com ensaios Charpy à -15°C, ensaios de tração retangular e all weld para avaliar os valores de limite de escoamento e de resistência à tração. Adicionalmente, foram realizados ensaios de tenacidade à fratura também à -15°C para a construção de curva J-R. Os resultados de simulação demonstraram que a liga possui uma ampla faixa de temperatura de solidificação, com a ocorrência de precipitação de fases deletérias, como δ, η, Laves e P, apresentando comportamento susceptível à trinca de solidificação. A análise metalúrgica reportou o aparecimento de trinca de solidificação, assim como precipitados ricos em Nb e Mo, indicando a colaboração com os resultados de simulação. Os resultados obtidos indicaram que, a liga Inconel 680 pode ser uma alternativa viável para união de tubos de aço API 5LX65 revestidos internamente com Inconel 625 e que possam ser lançados em alto mar pelo método Reel Lay, para utilização na indústria do petróleo e gás. A liga alcançou a propriedade de overmatching, além de excelentes resultados de propriedades mecânicas, como dureza, tenacidade ao impacto e limites de escoamento e de resistência. A curva J-R gerada para as regiões do metal de solda e da linha de fusão servirão como para um estudo crítico mais amplo, juntamente com as premissas iniciais de projetos, para verificar a total aplicabilidade na utilização da união por soldagem de dutos submarinos empregados no setor de petróleo e gás.
Abstract: Most recent technologies for drilling, extraction and transportation of oil from the pre-salt layer require increasingly resistant materials and optimized processes, with reduced costs and high productivity in order to produce joints for pipes/risers. The launch of rigid pipes is one of the most crucial steps and can have big influence over the design and manufacturing of the rigid pipes. Among the several launch methods used by the offshore industry, the Reel Lay method is perceived as an attractive alternative provided that pipe production takes place onshore, resulting in faster launch operations. However, this launch method requires better mechanical properties, including yield strength of the weld metals. Currently, the main challenge being faced is to assure that the nickel alloy being used as weld metal results in high yield strength weld beads, making it possible to use lighter pipes with thinner walls, which ultimately brings economic and operational benefits. The goal of this work is to study the alternative nickel alloy called Inconel 680, designed for the production of welded joints on cladded API 5L X65 pipes, in order to develop parameters of welding for obtaining without defect welds and acceptable initial mechanical properties for the application on rigid pipe weldment designs. The results of this work were obtained through joint welding of API 5L X65 steel pipes internally clad with Inconel 625, using the Inconel 680 alloy as weld metal, using the GMAW welding process. Thermodynamic simulations were used to assess the metallurgical behavior of the alloy. For the metallurgical evaluation of the weld, several samples were taken along the bead’s cross section and analyzed through Scanning Electron Microscopy techniques. In addition, many mechanical tests have been applied: Vickers hardness tests, microhardness maps, Charpy impact tests, bending tests as well as rectangular and all weld tensile tests results were produced to evaluate yield strength and ultimate tensile strength values. Finally, fracture toughness testing was utilized for the construction of J-R curves. Simulation results have shown that the alloy has a wide solidification temperature range and the formation of deleterius precipitation phases was observed, i.e., δ, η, Laves and P phases, presenting hot cracking susceptible behavior. Through metallurgical analysis, solidification cracks and Nb and Mo rich precipitates were identified, which contributes to validate simulation results. The results of this study have show that Inconel 680 alloy filler metal provides a potencial solution for welding API 5L X65 pipes internally clad with Inconel 625 in terms of producing defect free welds and meeting the base metal overmatching requirement for reeling applications in the oil and gas industry. The filler metal Inconel 680 besides excellent results of mechanical properties, such as hardness, impact toughness, yield strength and tensile strength. The J-R curve generated for the regions of the weld metal and the fusion line will serve as a larger critical study, together with the initial design assumptions, to verify the total applicability in the use of weld joints of submarine pipelines on oil and gas industry.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/40240
metadata.dc.type: Dissertação
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