REPOSITORIO INSTITUCIONAL DA UFOP: Estudo comparativo dos aços microligados API-5L-X60 e API-5L-X70, usados para confecção de tubos, quanto à tenacidade à fratura.

REDEMAT

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UFOP – CETEC – UEMG

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Autor: Rodrigo Vicente Bayão Toffolo

Orientador: Prof. Dr. Leonardo B. Godefroid

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Autor: Rodrigo Vicente Bayão Toffolo

Orientador: Prof. Dr. Leonardo B. Godefroid

REDEMAT

REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP – CETEC – UEMG

Rodrigo Vicente Bayão Toffolo

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Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Oxidação e c

Orientador: Prof. Dr. Leonardo Barbosa Godefroid

DEDICATÓRIA

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS...IV LISTA DE FIGURAS ... V LISTA DE TABELAS...XIV LISTA DE ABREVIATURAS ...XVI LISTA DE SÍMBOLOS...XVIII LISTA DE LETRAS GREGAS ... XXII LISTA DE EQUAÇÕES...XXIII RESUMO ...XXVI ABSTRACT ... XXVII

1. INTRODUÇÃO ... 1

1.1. Um Pouco de História ... 1

1.2. Relevância e Justificativas ... 3

1.3. Tipos de Tubos ... 4

1.4. Transporte por Dutos... 5

1.5. Dados da Petrobrás... 6

1.6. Dados da Samarco Mineração S.A... 11

1.7. Dados da MMX - Mineração e Metálicos S.A... 16

2. OBJETIVOS ... 18

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SOBRE ENSAIOS MECÂNICOS... 19

3.1. Introdução... 19

3.2. Ensaios Mecânicos ... 22

3.2.1. Ensaio de tração ... 23

3.2.2. Ensaios de impacto... 28

3.2.3. Ensaios de dureza ... 32

3.3. Fundamentos de Fratura ... 37

3.3.2. Fratura frágil... 39

3.4. A Mecânica de Fratura ... 40

3.4.1. Mecânica de fratura elástica linear... 42

3.4.2. Mecânica de fratura elasto-plástica ... 47

3.4.3. Exame fractográfico ... 63

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA - MATERIAIS, CLASSIFICAÇÃO E AVALIAÇÃO DA INTEGRIDADE DOS TUBOS... 66

4.1. Materiais e Classificação... 66

4.2. Aços de Alta Resistência e Baixa Liga – ARBL/HSLA ... 73

4.2.1. Características dos elementos de liga... 75

4.3. Laminação Controlada ... 83

4.3.1. Controle de tamanho de grão na laminação controlada ... 87

4.3.2. Endurecimento por precipitação/dispersão na laminação controlada ... 90

4.4. Delaminações em Aços Microligados ARBL. ... 93

4.5. Modos de Falha Típicos Encontrados em Tubulações... 100

4.6. Avaliação de Integridade de Dutos ... 102

5. MATERIAIS E MÉTODOS... 105

5.1. Materiais – Os Aços ... 105

5.2. Obtenção dos Aços e Preparação dos Corpos-de-prova... 105

5.3. Composição Química dos Aços ... 110

5.4. Ensaios ... 112

5.4.1. Ensaio de Impacto. ... 112

5.4.2. Ensaio de tração ... 113

5.4.3. Ensaio de dureza... 114

5.4.4. Ensaio de tenacidade à fratura... 115

5.4.5. Caracterização metalográfica. ... 122

5.4.6. Caracterização fractográfica... 123

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 124

6.1. Análise microestrutural ... 124

6.2. Ensaio de impacto ... 146

6.4. Ensaio de Dureza... 166

6.5. Ensaio tenacidade à fratura. ... 167

7. CONCLUSÕES ... 183

8. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 186

AGRADECIMENTOS

Ao Grande Arquiteto do Universo, luz divina, origem de todas as verdades.

Meus agradecimentos iniciais são dirigidos à minha Mãe e ao meu Pai (in memoriam) pelo belo exemplo de educação e vida que me proporcionaram. À minha dileta esposa Renata Toffolo e filhos Túlio e Rodrigo Toffolo, pela compreensão, paciência e renuncias feitas nas muitas vezes que me ausentei do convívio familiar para desenvolver este trabalho.

Ao meu orientador, Prof. Dr. Leonardo Godefroid, pela acolhida ao meu nome para integrar sua equipe. Sua invulgar competência, paciência, tolerância, incentivo e belo exemplo de seriedade e profissionalismo são motivo de minha admiração e eterna gratidão.

Dedico com respeito e admiração esse trabalho ao meu dileto Irmão Ronaldo Rebert Bayão Toffolo, figura ímpar, iluminada, incentivador e companheiro constante.

Ao José Henrique Neves, que se mostrou mais que um companheiro, um verdadeiro amigo, pelo incentivo e apoio constante durante a minha vida profissional.

Externo minha gratidão aos professores da REDEMAT, assim como aos funcionários da U.F.O.P., em especial aos técnicos em Metalurgia, Graciliano Dimas Francisco, Ivete Estevão dos Santos e Sidnei Cardoso de Araújo pela colaboração na realização dos ensaios experimentais.

Ao CEFET-OP por ter proporcionado a experiência de mudança e particularmente ao caro amigo César Augusto Fernandes pela confecção dos corpos-de-prova.

À Empresa VDL-Siderurgia, em especial a analista Viviane Rodrigues Braga pelas análises químicas.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Ponte do Gard mostra parte do aqueduto romano situado no sul da França [2]. .. 2

Figura 1.2 – Figura de parte do Aqueduto de Segóvia, Espanha [3]... 2

Figura 1.3 – Tubulação para o transporte de petróleo e derivados [11]... 6

Figura 1.4 – Mapa do gasoduto da América Latina – Brasil [14]... 8

Figura 1.5 – Mapa do gasoduto da América do Norte [15]... 8

Figura 1.6 – Representação esquemática de tubulações para o transporte de petróleo e derivados, realizado em águas profundas [14]. ... 9

Figura 1.7 – Tubulação para o transporte da polpa de minério de ferro [17]... 12

Figura 1.8 – Escavação para a implantação do sistema de mineroduto [17]. ... 13

Figura 1.9 – Início do mineroduto Samarco Mineração em Germano, km0 [17]. ... 14

Figura 1.10 – Perfil do Mineroduto da Samarco Mineração [17]. ... 14

Figura 1.11 – Mapa destacando: a) os complexos da MMX - Amapá, Mato Grosso do Sul e Minas Gerais; b) a ligação do novo complexo MMX - Minas-Rio, através da construção do maior mineroduto do mundo com 525km, ligando Alvorada de Minas até o porto de Açu – RJ [18]. ... 17

Figura 3.1 – Fratura por fadiga da Ponte Point Pleasant em 1967 USA [19]. ... 19

Figura 3.2 – Fratura frágil em um petroleiro dos Estados Unidos [7]. ... 20

Figura 3.3 – Ponte Seto no Japão, suspensa por cabos. [19]... 21

Figura 3.4 – Figura representativa da deformação progressiva de extensão em um ensaio de tração [7]. ... 23

Figura 3.5 – Gráfico tensão x deformação, no qual a área é a tenacidade [7]. ... 24

Figura 3.6 – Gráfico tensão x deformação apresentando a região elástica [7]... 25

Figura 3.7 – Gráfico tensão x deformação (tensão real e convencional) [22]. ... 27

Figura 3.8 – Ensaio de impacto Charpy, apresentando ângulos de queda e elevação [24]... 29

Figura 3.9 – a) Início do ensaio de impacto Charpy b) Fim do ensaio de impacto Charpy. ... 30

Figura 3.10 – Tipos de entalhes para o ensaio de impacto Charpy [23]. ... 30

Figura 3.12 – Representação esquemática de um ensaio de dureza Brinell [25]. ... 32 Figura 3.13 – Figura ilustrando a descrição do ensaio de dureza Rockwell [25]. ... 34 Figura 3.14 – Representação esquemática de tipos de penetradores usados no ensaio de dureza [25]. ... 36 Figura 3.15 – Representação esquemática de curvas tensão x deformação do ensaio de tração:

(a) curva típica para aços de alta resistência mecânica, (b) para aços de baixo / médio carbono, (c) para ferro fundido cinzento, (d) para materiais bastante dúcteis como cobre [22]. ... 37 Figura 3.16 – Visão da tradicional Resistência dos Materiais no estudo de projetos de

estruturas [22]... 40 Figura 3.17 – Comparação entre a visão da Mecânica de Fratura e a tradicional visão da

Resistência dos Materiais. (a) Visão da Resistência dos Materiais (b) Visão da Mecânica de Fratura [22]... 41 Figura 3.18 – Os três modos de deslocamento da superfície da trinca. Modo I - modo de

abertura da trinca; Modo II - modo de deslizamento da trinca; Modo III - modo de

rasgamento da trinca [19]... 44 Figura 3.19 – Campos de tensões elásticas ao redor de uma da trinca, visão plana [19]... 45 Figura 3.20 – Aplicação da Mecânica de Fratura no projeto estrutural, apresentando a relação

entre tensão, tamanho de trinca e tenacidade do material [19]. ... 45 Figura 3.21 – Representação esquemática, apresentando a zona elástica na frente de uma

trinca [19]. ... 48 Figura 3.22 – Patamar – tensão (limite de escoamento do material) [19]... 49 Figura 3.23 – Representação esquemática, mostrando a zona elasto-plástica na frente de uma

trinca [9]. ... 50 Figura 3.24 – Estimativa de CTOD. Deslocamento de trinca efetivo na correção da zona

plástica [19]. ... 51 Figura 3.25 – Tipos de curvas carga x deslocamento, obtidas durante o ensaio CTOD [9]. ... 53 Figura 3.26 –“Crack Tip Opening Displacement” (CTOD). Uma trinca inicialmente aguda

Figura 3.27 – Definições de CTOD: (a) Deslocamentona ponta da trinca original e (b)

intercepto a 90º [9]. ... 54

Figura 3.28 – Esquema representativo da forma de aplicação de carregamento para os corpos-de-prova de dobramento, tipos: (a) C(T); (b) SE(B)... 55

Figura 3.29 – Representação esquemática da abertura da trinca durante um ensaio de flexão em um corpo-de-prova do tipo SE(B) [22]. ... 57

Figura 3.30 – Corpos-de-prova padronizados para ensaios de mecânica de fratura [19]. ... 60

Figura 3.31 – Notação da Norma ASTM E 1820-01 para identificação dos corpos-de-prova para ensaio de tenacidade à fratura [19,20]... 61

Figura 3.32 - Fotografia do MEV com EDS acoplado - UFOP. ... 63

Figura 3.33 - Desenho esquemático da coluna do MEV [28]. ... 65

Figura 3.34 - Volume de interação [28]. ... 65

Figura 4.1 – Esquematização da evolução dos aços API-5L [28]... 67

Figura 4.2 – Relação entre resistência mecânica e formabilidade de aços convencionais e de aços avançados de elevada resistência mecânica [33]. ... 74

Figura 4.3 – Desenvolvimento dos aços API. Adaptação de Hillenbrand [30]. ... 81

Figura 4.4 – Microscopia características de três aços API, mostrando a relação entre a evolução do processamento dos aços e o tamanho dos grãos. (a) API X60, (b) API X70, (c) API X80 [30]. ... 82

Figura 4.5 – Efeito do teor de carbono nas curvas de temperatura de transição em impacto para aços ferrita-perlita [43]... 83

Figura 4.6 – Esquemas de laminação: (a) convencional e normalização; (b) controlada [44] 84 Figura 4.7 – Diversos métodos para resfriamento após a laminação controlada [40]. ... 85

Figura 4.8 – Conexão - mecanismos, microestruturas e propriedades em aços [45]. ... 86

Figura 4.9 – Efeito de adições de elementos microligantes na temperatura final de recristalização. Adaptação de Baker [45]... 88

Figura 4.10 – Deformação crítica necessária para a recristalização completa da austenita, em função da temperatura de deformação e do tamanho de grão. Comparação entre aços C-Mn e aços microligados ao nióbio. Adaptado de Honeycombe [43]. ... 89

Figura 4.12 – Precipitação de Nb(CN) em contornos de sub-grãos da austenita deformada [45]. ... 91 Figura 4.13 – Precipitação em interfaces de aços microligados. (a) carboneto de vanádio (b)

carboneto de nióbio, (a) Baker [45]; (b) Gladman [46]. ... 92 Figura 4.14 – Representação esquemática da variação de h em função da trinca [47]... 95 Figura 4.15 – Esquema ilustrando a variação da tenacidade em função da existência ou não da

delaminação... 97 Figura 4.16 – Tipos de registros gráficos P x A para corpos-de-prova que apresentaram

separações... 98 Figura 4.17 – Tipos de registros gráficos P x A para corpos-de-prova que apresentaram

separações [31]... 99 Figura 4.18 – Seqüência de eventos para a falha de dutos... 103 Figura 5.1 - Fotografias de parte do tubo de aço API-5L-X60 doado pela Samarco. A seta

indica o sentido longitudinal para a retirada dos corpos-de-prova, sendo que o entalhe foi efetuado perpendicular ao sentido longitudinal. ... 106 Figura 5.2 - Fotografias de parte do tubo de aço API-5L-X70 doado pela Samarco. A seta

indica o sentido longitudinal para a retirada dos corpos-de-prova, sendo que o entalhe foi efetuado perpendicular ao sentido longitudinal. ... 106 Figura 5.3 - Representação esquemática do corpo-de-prova para ensaio de tração. Dimensões

em mm. Norma ASTM E 8M-95ª [20]. ... 107 Figura 5.4 - Representação esquemática do corpo-de-prova de dobramento para ensaio de

tenacidade. Dimensões em mm. Norma ASTM E 1820-01 [20]. ... 107 Figura 5.5 - Representação esquemática do corpo-de-prova Charpy para ensaio de impacto.

Dimensões em mm. Norma ASTM E 23-94b [20]. ... 107 Figura 5.6 - Figura apresentando: a) o corte longitudinal do aço X70, para a obtenção dos

Figura 5.8 - Fotografias apresentando: a) lixamento da amostra; b) a colocação da amostra no espectrômetro de emissão ótica; c) câmara de queima da amostra; d) fim da análise, amostra já queimada e analisada. ... 111 Figura 5.9 - As fotografias mostram: a) o equipamento J. AMSLER e a escala usada no ensaio de impacto; b) o corpo-de-prova biapoiado e a posição do entalhe. ... 113 Figura 5.10 - Dispositivo tipo garra para o ensaio de tração: a) início do ensaio b) fim do

ensaio (ruptura): visão da estricção. ... 114 Figura 5.11 - Figura mostrando o equipamento para medir dureza, modelo WOLPERT

DIATESTOR 2-RC (GEsFraM/UFOP). ... 115 Figura 5.12 - Pré-trincamento de fadiga num corpo-de-prova de mecânica de fratura através

de carregamentos cíclicos, senoidal [19]... 116 Figura 5.13 - Fotografias apresentando: a) colocação do “clip-gage”; b) o ensaio de

tenacidade e a visão do embotamento na frente da trinca, c) o gráfico que se obtém do ensaio de tenacidade à fratura. GEsFraM- UFOP. ... 117 Figura 5.14 – Fotografia de um corpo-de-prova apresentando as medidas da pré trinca de

fadiga com h constante... 121 Figura 5.15 - Representação esquemática de um corpo-de-prova do tipo C(T) com entalhe

lateral [27]. ... 122 Figura 5.16 - Fotografia apresentando o microscópio ótico – Leica – GEsFraM-UFOP. ... 123 Figura 6.1 - Fotografias apresentando a distribuição das inclusões no aço API-5L-X60, seção: a) longitudinal; b) superficial; c) transversal, aumento de 100X. ... 126 Figura 6.2 - Fotografias apresentando a distribuição das inclusões no aço API-5L-X70, seção:

a) longitudinal; b) superficial; c) transversal, aumento de 100X. ... 127 Figura 6.3 – Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X60, seção: a) longitudinal; b)

superficial; c) transversal – Ferrita e Perlita – aumento de 200X; Nital 2%... 129 Figura 6.4 – Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X60, seção: a) longitudinal; b)

superficial; c) transversal – Ferrita e Perlita - aumento de 500X; Nital 2%. ... 130 Figura 6.5 – Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X60, seção: a) longitudinal; b)

superficial; c) transversal – Ferrita e Perlita - aumento de 1000X; Nital 2%. ... 132 Figura 6.6 – Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X70, seção: a) longitudinal; b)

Figura 6.7- Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X70 seção: a) longitudinal; b) superficial; c) transversal – Ferrita e Perlita - aumento de 500X; Nital 2%. ... 135 Figura 6.8 - Fotografias das microestruturas do aço API-5L-X70, seção: a) longitudinal; b)

superficial; c) transversal – Ferrita e Perlita - aumento de 1000X; Nital 2%. ... 136 Figura 6.9 – Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando o bandeamento, com indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 200X. ... 138 Figura 6.10 - Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando o bandeamento, com

indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 500X... 138 Figura 6.11 - Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando a perlita e a ferrita; MEV;

3000X. ... 139 Figura 6.12 - Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando o bandeamento e a falta de

bandeamento em determinadas regiões, com indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 200X... 139 Figura 6.13 - Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando a falta de bandeamento, com

indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 500X... 140 Figura 6.14 - Microestrutura do aço API-5L-X60, apresentando a perlita e ferrita; MEV;

3000X. ... 140 Figura 6.15 - Microestrutura do aço API-5L-X70, apresentando o bandeamento, mais fino do

que no aço X60, com indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 200X. ... 141 Figura 6.16 – Microestrutura do aço API-5L-X70, apresentando o bandeamento, com

indicação de um ponto de referência para ampliações; MEV; 500X... 141 Figura 6.17 – Microestrutura do aço API-5L-X70, apresentando a heterogeneidade nos

tamanhos de grão; MEV; 3000X... 142 Figura 6.18 – Microestrutura do aço API-5L-X70, com indicações de setas apresentando

regiões com perda de bandeamento; MEV; 200X. ... 142 Figura 6.19 – Microestrutura do aço API-5L-X70, com indicação de uma região de perda de

bandeamento; MEV; 500X... 143 Figura 6.20 – Microestruturas do aço API-5L-X70, apresentando a perda de bandeamento e

Figura 6.21 – Gráfico apresentando os valores de energia absorvida pelos corpos-de-prova, no ensaio de impacto, Charpy, do aço API-5L-X60; T = 18ºC... 147 Figura 6.22 – Gráfico apresentando as medidas dos alongamentos iniciais e finais, dos

corpos-de-prova, no ensaio de impacto, Charpy, aço API-5L-X60; T= 18ºC. ... 147 Figura 6.23 – Gráfico apresentando os valores de Energia absorvida, pelos corpos-de-prova,

no ensaio de Impacto, Charpy, do aço API-5L-X70; T = 18ºC. ... 148 Figura 6.24 – Gráfico apresentando as medidas dos alongamentos iniciais e finais, dos

corpos-de-prova, no ensaio de impacto, Charpy, aço API-5L-X70; T= 18ºC. ... 149 Figura 6.25 – Gráfico apresentando os valores médios das energias absorvidas pelos aços

API-5L-X60 e API-5L-X70, no ensaio de impacto Charpy; T = 18ºC... 149 Figura 6.26 – Gráfico apresentando os valores médios dos alongamentos obtidos no ensaio de

impacto, Charpy, dos aços API-5L-X60 e API-5L-X70; T =18ºC. ... 150 Figura 6.27 – Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X60: 1- entalhe

mecânico; 2- fratura do tipo dúctil, aumento de 25X ; MEV; T= 18ºC. ... 150 Figura 6.28 – Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X60,

apresentando a fratura do tipo dúctil, aumento de 25X, MEV; T= 18ºC. ... 151 Figura 6.29 - Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X60

apresentando a fratura do tipo dúctil, aumento de 500X, MEV; T= 18ºC. ... 151 Figura 6.30 – Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X70: 1- entalhe

mecânico 2- fratura do tipo dúctil, aumento de 25X; MEV; T =18ºC. ... 152 Figura 6.31 – Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X70, com início

da fratura, presença de “dimples” e vazios (sistema de delaminação central) 25X ; MEV; T =18ºC. ... 152 Figura 6.32 – Fractografia de um corpo-de-prova de impacto do aço API-5L-X70, co fratura

do tipo dúctil, presença de “dimples” com inclusões, aumento de 500X; MEV; T= 18ºC. ... 153 Figura 6.33 - Gráfico apresentando a tradicional dependência da energia absorvida com

limite de escoamento dos aços API-5L-X60 e API-5L-X70; T = 18ºC... 153 Figura 6.34 - Redução de peso da tubulação em função do tipo de aço [29]... 155 Figura 6.35 – Valores dos limites de resistência para aços API-5L: X60, X65 e X70

Figura 6.36 - Curvas tensão x deformação obtidas nos ensaios de tração para aços API-5L-X60 e API-5l-X70. ... 160 Figura 6.37 – Gráfico apresentando os valores dos limites de escoamento obtidos no ensaio de impacto – Charpy, aço API-5L-X60; T =18ºC. ... 160 Figura 6.38 – Gráfico apresentando os valores dos limites de resistência obtidos no ensaio de

impacto, Charpy, aços API-5L-X60; T =18ºC. ... 161 Figura 6.39 – Gráfico apresentando ao redução de área dos CPs obtidos no ensaio de impacto,

Charpy, aços API-5L-X60 e API-5L-X70; T =18ºC... 161 Figura 6.40 – Gráfico apresentando os valores dos limites de escoamento obtidos no ensaio de impacto, Charpy, aço API-5L-X70; T =18ºC... 162 Figura 6.41 – Gráfico apresentando os valores dos limites de resistência, obtidos no ensaio de

impacto, Charpy, aços API-5L-X70; T =18ºC. ... 162 Figura 6.42 – Gráfico apresentando os valores das deformações percentuais obtidas no ensaio de impacto, Charpy, aços API-5L-X60 e API-5L-X70; T =18ºC. ... 163 Figura 6.43 – Gráfico apresentando os valores das reduções de áreas obtidos no ensaio de

impacto, Charpy, aços API-5L-X60 e API-5L-X70; T =18ºC... 163 Figura 6.44 – Microfractografia de um CP ensaiado sob tensão apresentando: 1- a zona

fibrosa; 2- zona cisalhante da fratura dúctil; aço API-5L-X60; 25X; MEV. ... 164 Figura 6.45 – Micrografia da região central da fratura correspondente à Figura 6.44, com

destaque para os “dimples” característicos de uma fratura dúctil; aço API-5L-X60; 500X; MEV. ... 164 Figura 6.46- Microfractografia de um CP ensaiado sob tensão, apresentando: 1- a zona

fibrosa; 2- zona cisalhante (laterais) da fratura dúctil; aço API-5L-X70; 25X; MEV... 165 Figura 6.47 - Micrografia da região central da fratura correspondente à Figura 6.46, com

destaque para os “dimples” característicos de uma fratura dúctil; aço API-5L-X70; 500X; MEV. ... 165 Figura 6.48- Gráfico apresentando o limite de resistência mecânica dos aços em função da

dureza dos aços API-5L-X60 e API-5L-X70... 167 Figura 6.49 - Curvas médias carga x deslocamento dos aços API-5L-X60 e API-5L-X70,

Figura 6.50- Microfractografia de corpos-de-prova, ensaio de tenacidade à fratura; regiões:1- entalhe mecânico, 2- pré-trinca de fadiga 3- fratura correspondente ao ensaio CTOD, 4- avanço de trinca∆a; aço API-5L-X60; 25X; MEV... 177 Figura 6.51- Microfractografia correspondente à região 2 da Figura 6.49; aço API-5L-X60,

500X; MEV. ... 177 Figura 6.52- Microfractografia correspondente à região 3 da Figura 6.49; aço API-5L-X60,

500X; MEV. ... 178 Figura 6.53- Microfractografia de CPs do ensaio de tenacidade à fratura; regiões: 1- entalhe

mecânico, 2- pré-trinca de fadiga 3- fratura correspondente ao ensaio CTOD, 4 - avanço de trinca∆a; aço API-5L-X70; 25X; MEV. ... 178 Figura 6.54- Microfractografia correspondente à região 2 da Figura 6.52; aço API-5L-X70,

500X; MEV. ... 179 Figura 6.55 - Microfractografia correspondente à região 3 da Figura 6.49; aço API-5L-X70,

destacam-se as inclusões nos “dimples”; 500X; MEV. ... 179 Figura 6.56 - O gráfico mostra a relação entre a tenacidade à fratura e o limite de escoamento

dos dois aços em estudo, S/E = sem entalhe lateral e C/E = com entalhe lateral nos corpos-de-prova... 180 Figura 6.57 - O gráfico mostra a relação entre a tenacidade à fratura e a energia absorvida no

ensaio de impacto dos dois aços em estudo, S/E = sem entalhe lateral e C/E = com

entalhe lateral nos corpos-de-prova... 180 Figura 6.58- Gráfico apresentando a tenacidade à fratura em função da dureza do aço

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Tabela de constantes de proporcionalidade k [23]. ... 33

Tabela 4.1 – Diferenças básicas entre níveis de especificação PSL1 e PSL2 [8]. ... 68

Tabela 4.2 – Composição química e propriedades mecânicas de aços API 5L nível de especificação PSL1 [8]... 70

Tabela 4.3 – Composição química e propriedades mecânicas de aços API 5L nível de especificação PSL2 [8]... 71

Tabela 4.4 – Tabela apresentando valores de CTOD de carga máxima,

δ

Tabela 5.1 – Composição em peso do aço API-5L-X60... 110

Tabela 5.2 – Composição em peso do aço API-5L-X70... 110

Tabela 6.1 – Tabela de valores obtidos no ensaio de impacto Charpy, do aço API-5L-X60;146 Tabela 6.2 – Tabela dos valores obtidos no ensaio de impacto Charpy - aço API-5L-X70. . 148

Tabela 6.3 – Dados do aço API-5L-X60, sendo L0 – comprimento inicial B0 – espessura inicial, W0 – largura inicial, Lf – comprimento final, Bf – espessura final, Wf – largura final dos corpos-de-prova... 156

Tabela 6.4 – Dados do aço API-5L-X70, sendo Lo – comprimento inicial, B0 – espessura inicial, W0 – largura inicial, Lf – comprimento final, Bf – espessura final, Wf – largura final dos corpos-de-prova... 156

Tabela 6.5 – Principais propriedades mecânicas obtidas dos corpos-de-prova do aço API-5L-X60, no ensaio de tração. ... 157

Tabela 6.6 – Principais propriedades mecânicas obtidas dos corpos-de-prova do aço API-5L-X70, no ensaio de tração. ... 157

Tabela 6.7 – Propriedades mecânicas dos aços API-5L-X60 e API-5L-X70, Norma PSL2 . 158 Tabela 6.8 – Tabela dos valores medidos da dureza dos aços API-5L-60 e API-5L-X70... 166

Tabela 6.9 – Ensaio de tenacidade à fratura- CTOD- Fator de intensidade de tensão. Corpo-de-prova sem entalhe lateral - API-5L-X60... 168

Tabela 6.11 – Ensaio de tenacidade à fratura- CTOD- Fator de intensidade de tensão. ... 169

Tabela 6.12 – Ensaio de tenacidade à fratura- CTOD- Fator de intensidade de tensão. Corpo-de-prova com entalhe lateral - API-5L-X70. ... 169

Tabela 6.13 – Dados obtidos nos ensaios de tenacidade à fratura. ... 171

Tabela 6.14 – Dados obtidos nos ensaios de tenacidade à fratura. ... 171

Tabela 6.15 – Dados obtidos nos ensaios de tenacidade à fratura. ... 172

Tabela 6.16 - Dados obtidos nos ensaios de tenacidade à fratura. ... 172

Tabela 6.17 – Dados obtidos das nove medidas efetuadas nos corpo-de-prova sem entalhe lateral do aço API-5L-X60... 173

.Tabela 6.18 – Dados obtidos das nove medidas efetuadas nos corpo-de-prova sem entalhe lateral do aço API-5L-X70... 174

Tabela 6.19 – Dados obtidos das nove medidas efetuadas nos corpo-de-prova com entalhe lateral do aço API-5L-X60... 175

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

AISI American Iron and Steel Institute

ANP Agência Nacional de Petróleo

API American Petroleum Institute

ARBL Aços de Alta Resistência e Baixa Liga

ASME American Society for Mechanical Engineers

ASTM American Society for Testing and Materials

BSE Imagem dos elétrons retroespalhados

CPs Corpos-de-prova

C(T) Corpo-de-prova da mecânica de fratura com entalhe do tipo “compact tension”

CTOD Deslocamento de abertura na ponta da trinca

EUA Estados Unidos da América

ERE Imagem dos elétrons retroespalhados

ES Elétrons secundários

LE Limite de Escoamento

LR Limite de Resistência Mecânica do Material

Hz Unidade de medida de freqüência

HSLA High Strength Low Alloy, HSLA = ARBL

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

MFLE Mecânica de Fratura Linear Elástica

MPa Unidade de medida de tensão

NTSB National Transportation Safety Board

PSL Product Specification Level = nível de especificação de produtos

SAE Society of Automotive Engineers

SE(T) CP retangular de mecânica de fratura com entalhe simples para tração

LISTA DE SÍMBOLOS

A área da secção transversal do CP

A0 Área inicial da seção reta do corpo-de-prova

3

r

A Temperatura limite da região de recristalização e não recristalização da

austenita - 950ºC

1

r

A Temperatura de transformação da austenita em ferrita - 750ºC

C

A Deslocamento em mm

amédio tamanho médio da trinca

a Comprimento da trinca

0

a Comprimento inicial da trinca

ef

a Tamanho da trinca efetivo

m

a Comprimento máximo admissível da trinca

médio

a Comprimento médio da trinca

a

∆ Incremento de trinca

B Espessura do corpo-de-prova

0

N

B Espessura efetiva

D Índice de ductilidade do material

D Diâmetro da esfera

D Diâmetro da impressão

E Módulo de elasticidade

Eabs Energia absorvida

i

E Valor do entalhe

e Espessura da chapa original

F = P Carga ou força aplicada.

( )

f Função geometria do corpo-de-prova

HB Dureza Brinell

HRC Dureza Rocwell C

HV Dureza Vickers

h Razão entre a tensão hidrostática e tensão de Von Mises.

J1c Valor crítico da Integral J

JR ou δR Resistência ao crescimento estável da trinca

k Constante de proporcionalidade dos materiais

K Fator de intensidade de tensão na ponta da trinca

Kc Fator de intensidade de tensão para carregamento estático sob condição de tensão plana

K1c Fator de intensidade de tensão para carregamento estático sob condição de deformação plana

Kd Fator de intensidade de tensão para carregamento dinâmico sob condição de

deformação plana

KR Fator de intensidade de tensão para resistência ao crescimento estável de

trinca

máx

K Fator máximo de intensidade de tensão

máxfinal

K Fator máximo de intensidade de tensão final

L-T Orientação do corpo-de-prova (sentido longitudinal – transversal)

L0 Comprimento inicial do corpo-de-prova

f

N Número de ciclos para a fratura (vida em fadiga)

C

P Carga ou força aplicada

final

P_max Carga máxima final na confecção da pré-trinca por fadiga

R Razão entre a tensão mínima e a tensão máxima no ciclo de fadiga

r raio de curvatura

rp Fator rotacional plástico

y

S Área da superfície impressa pela medição das suas diagonais

T-L Orientação do corpo-de-prova (sentido transversal - longitudinal);

U Tensão limite de resistência mínimo especificado para cada grau

Vpl Componente plástica do deslocamento da abertura na ponta da trinca

W Largura do corpo-de-prova

f

W Energia para a fratura de um material

LISTA DE LETRAS GREGAS

α

ε

γ Gama

∆L Alongamento do comprimento útil do corpo-de-prova

c

δ Deslocamento de abertura na ponta da trinca (CTOD) crítico

máx

δ Deslocamento de abertura da ponta da trinca (CTOD) máximo

sep

δ Deslocamento de abertura da ponta da trinca (CTOD) no início da delaminação

µ Módulo de cisalhamento

v Coeficiente de Poisson

σ Tensão nominal aplicada no material

σ1 Tensão aplicada

σLE = σys Limite de escoamento do material

σL Limite de elasticidade

σP Limite de proporcionalidade

B

R

σ

σ

Rup

LISTA DE EQUAÇÕES

Eq. 3.1 σ =F/S0

Eq. 3.2 ε =∆L/L0 =

(

)

Eq. 3.3 σ =Eε

Eq. 3.4 E_abs =WR

(

)

Eq. 3.5 2 /{

[

(

)

]

d D D D F

HB =

π

Eq. 3.6

σ

Eq. 3.8 = + ⋅

2 3 2 1 . . . 2

. θ θ

π π σ

σ sen sen

r a

yy

Eq. 3.9

( )

W a f k

K

K= I = Crit = σ

Eq. 3.10

2

,

, − >

y I K a w B a

σ

σ

α

Eq. 3.12 rp =2ry

Eq. 3.13 Wf =

γ

γ

Eq. 3.14

(

)

a

E e p

f

π

γ

γ

σ

Eq. 3.15 ef

ef

ef a

W a f

Eq. 3.16

π

µ

Eq. 3.17 K =3−4υ

Eq. 3.18 K =(3−υ).(1−υ)

Eq. 3.19 2 1 2 1 = ys y K r

σ

π

Eq. 3.21 δ =δel +δpl

Eq. 3.22 E K e el elástico σ ν δ δ 2 ) 1 ( 2 2 ₋ = = Eq. 3.23 ] ) ( [ ) ( 0 0 0 z a a W r V a W r p pl p pl plástico + + − − = =δ δ Eq. 3.24 ] ) ( [ ) ( 2 ) 1 ( 0 0 0 2 2 z a a W r V a W r E K p pl p ys pl el + + − − + − = = + σ ν δ δ δ

Eq. 3.25 ( )

( )

(

)

[

(

)

]

( )

(

)

[

]

V a a W r E k i i p i pl i p ys i i + + − ∆ + − + − = . 2 1 2 2

σ

υ

δ

Eq. 3.26 ry =0,4.(1+α)

Eq. 3.27 _{= + + − +}

2 1 . 2 2 1 . 2 0 0 2 1 0 0 2 0 0 b a b a b a α

Eq. 3.28 ] ( )

) (

Eq. 3.29 _3/2 2 2 / 1 ) 1 )( 2 1 ( 2 )] ) ( 7 , 2 ) ( 93 , 3 15 , 2 )( 1 )( ( 99 , 1 [ ) ( 3 ) ( W a W a W a W a W a W a W a W a f i i i i i i i i − + + − − − =

Eq. 4.1 1,944 0₀,_,92 U

A e=

Eq. 4.2 σC =σE +σm

Eq. 4.3

[

(

)

(

)

(

)

]

1 2 2 3 2 3 1 2 2 1 2 1

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

Eq. 4.4

3

3 2 1 σ σ

σ

σ_m = + +

Eq. 4.5 e h h

σ

σ

Eq. 5.1

(

)

Eq. 5.2

S b B P_f 0,5. . .

σ

2 0

=

Eq.5.3 = =0,1

máx mín P P R Eq. 5.4 2 9 1 1 a a am + =

Eq. 5.5 amédio =

(

)

Eq 5.6 2 LR LE y σ σ

RESUMO

ABSTRACT

1.

INTRODUÇÃO

A seguir, será apresentado um pouco da história dos aquedutos e dutos, a sua evolução tecnológica e a sua utilização nas Empresas Petrobrás, Samarco Mineração e MMX.

1.1.

Um Pouco de História

A utilização de aquedutos remonta a séculos antes da era Cristã. O primeiro que se tem notícia é o de Jerwan, construído na Assíria em 691 a.C. para levar água doce até a cidade de Nínive. Na Roma antiga, com o aperfeiçoamento da engenharia de transporte de água, os aquedutos se multiplicaram e ficaram mais complexos. O Império Romano implantou um sistema de aquedutos para o transporte de água em 200 cidades, na Europa, na Ásia e no norte da África. Dois dos aquedutos feitos pelos romanos – o de Pont du Gard, na França, e o de Segóvia, na Espanha, são utilizados até hoje [1].

A Ponte do Gard (Pont du Gard em francês), Figura 1.1, é uma porção de um aqueduto romano situado no sul da França, perto de Remoulins, Uzès e Nîmes. Trata-se de uma ponte construída em três níveis que asseguram a continuidade do aqueduto que trazia água de Uzès até Nîmes, na travessia do rio Gardon. Foi provavelmente construída no século I [1,2].

aqueduto em 1072, mas os Reis Católicos, no século XV, dispuseram a restauração da obra [1,3].

Figura 1.1 – Ponte do Gard mostra parte do aqueduto romano situado no sul da França [2].

Entretanto, os registros mais antigos do emprego de dutos, utilizando bambus perfurados, vêm da China, e eram empregados para o transporte de água utilizada para o consumo humano e irrigação, bem como na distribuição do gás natural para a iluminação de Pequim (400 a.C), conforme dados da Enciclopédia Britânica [4].

Na Europa, a partir do século XVIII, com a disponibilidade comercial de tubos de ferro-fundido, o uso de tubulações para o transporte de água começou a difundir-se.

Na Inglaterra do século XIX, o emprego do gás de carvão para iluminação residencial e pública demandou tubos para o seu transporte, realizada na época por tubulações feitas de canos de fuzis (mosquetões) rosqueados entre si. Com a popularização deste sistema de iluminação, gerou-se uma grande demanda por tubos, o que estimulou inventores a buscarem maneiras de produzi-los de forma rápida e barata.

Somente na década de 1920 a utilização de tubos de aços fundidos, com maiores extensões e soldagem a arco elétrico, substituíram as juntas rosqueadas. Finalmente, durante a Segunda Guerra Mundial começou-se a desenvolver nos EUA a tecnologia de construção de grandes extensões de tubulações para o transporte de combustíveis e petróleo, motivado pela enorme demanda de energia durante aquele período [4,5].

1.2.

Relevância e Justificativas

Entende-se por polidutos a utilização dos ductos ou dutos no transporte de petróleo, através dos oleodutos, dos gases naturais, através dos gasodutos, do álcool através do alcoolduto e no transporte de polpa de minério, que se dá através dos minerodutos.

1.3.

Tipos de Tubos

Segundo Silva Telles [6], o termo tubulação é bastante amplo e refere-se aos componentes industriais representados pelo conjunto de dutos, válvulas, bombas controladoras de fluxo, etc. Um duto, por sua vez, é entendido como um equipamento industrial formado pela montagem sucessiva de vários segmentos iguais, resultando em uma linha de condução efetiva de fluido (gás ou líquido). Finalmente, o tubo é a unidade básica para a construção de dutos, fabricados com diferentes materiais e comprimentos e comumente unidos uns aos outros através de solda circunferencial.

Há dois processos industriais empregados atualmente para a produção de tubos. Em função das características do processo final, eles podem ser divididos em duas categorias.

1. Há processos de fabricação que não envolvem etapas de soldagem do material, resultando em tubos sem cordão de solda ao longo de seu comprimento (tubos sem costura). O mais conhecido é o “Processo Mannesmann”.

1.4.

Transporte por Dutos

O sistema dutoviário apresenta uma série de vantagens sobre os outros meios de transportes, como uma maior flexibilidade e, eventualmente, menor custo de instalação, quando comparados ao custo de uma ferrovia ou rodovia. A vantagem do transporte por dutos deve-se a duas características básicas.

A primeira delas é o custo. Apesar de os investimentos iniciais de construção e instalação das linhas serem elevados, o transporte via malhas de dutos é significativamente mais barato do que o transporte por avião, navio, trem, caminhão. Segundo dados dos EUA [5], constatou-se que com US$ 1.00 é possível transportar, em território norte-americano, 1 tonelada de derivados de petróleo a uma distância de aproximadamente 8km, utilizando-se avião, ao longo de 30,5km. através de caminhões, 72,5km em trens, 322km em navios e 383km, através de linhas de dutos.

A segunda característica abonadora para o emprego de dutos no transporte de derivados de petróleo e minério é a segurança. Dutos são meios de transporte mais seguro, confiável e de maior regularidade para o transporte de grandes quantidades, através de vastas extensões territoriais [9,10,11]. Os registros de acidentes, envolvendo dutos para transporte de petróleo, produtos perigosos, minérios e outros, permaneceram estáveis em torno de 80 ocorrências por ano, comparados com os 50.000 acidentes por ano nas rodovias norte americana no mesmo período [12]. No Brasil, a Agência Nacional de Petróleo (ANP) não possui dados estatísticos relativos à incidência de acidentes em dutos no território nacional [10].

1.5.

Dados da Petrobrás.

(Dados da Agência Nacional de Petróleo (ANP)- [10,11,13])

O significativo aumento da produção e consumo dos tubos utilizados na construção de polidutos se deve ao grande crescimento da produção petrolífera, com a descoberta e exploração de novas reservas de petróleo. No Brasil, este aumento se deve ao crescimento da produção de petróleo e maior utilização do gás natural. O crescimento, na última década, da utilização do gás natural foi da ordem de mais de 120%, incluindo o gás oriundo da Bolívia. Na década passada, a produção de petróleo saltou de 36,6 milhões de metros cúbicos, extraídos em 1990, para mais de 63,9 milhões de metros cúbicos, no início do ano de 2000. Com esse crescimento tem-se exigido não só a utilização intensiva da malha dutoviária já existente no país, como também tem impulsionado sua expansão. Estudos estão sendo empreendidos no sentido de aumentar a extensão da vida útil dessas linhas já instaladas [10].

Recentemente o Brasil e a Bolívia concluíram o Projeto GASBOL, com a criação de um gasoduto de mais de 3.000km entre os dois países. O gasoduto de 431km liga seus campos ao início do gasoduto Bolívia-Brasil. Na construção da linha principal do gasoduto Bolívia-Brasil foram utilizados tubos de aços API-5L-X70. Foram gastos 250 mil tubos de dimensões 12m de comprimento e 812mm de diâmetro, conforme se pode ver na Figura 1.3 [11].

A Petrobrás, diante destas perspectivas, projetou uma expansão ainda mais significativa da malha nacional nos próximos anos, dos atuais 15.000km de dutos para mais de 21.000km. Isso se deve não só ao aumento da produção como também ao envelhecimento e à necessidade de substituição das linhas já instaladas [13].

Estima-se que 40% das linhas em operação no país já tenham ultrapassado sua vida útil de projeto, que é da ordem de 20 anos. Sob o aspecto específico de avaliação de integridade estrutural, aliada à necessidade de segurança em sistemas dutoviários, tem-se como objetivo aumentar a confiança operacional, aumentando a vida útil da malha instalada, minimizando assim os riscos de vazamentos.

A Plataforma P-50, grande estrela da conquista da auto-suficiência na produção de petróleo, é a plataforma com maior capacidade de produção do Brasil, com 180 mil barris diários, o que representa 11% do volume médio produzido no país em 2005. A Plataforma P-50 tem capacidade para comprimir seis milhões de metros cúbicos de gás natural e de estocar 1,6 milhões de barris de petróleo. A auto-suficiência permitiu ao Brasil passar da condição de país altamente dependente de petróleo importado, como na época das grandes crises mundiais de energia, para a situação confortável de agora. É vantajoso para o país estar nesta posição no atual momento de escassez mundial de petróleo, quando há pouca diferença entre a produção e consumo global, o que tem provocado alta volatilidade do mercado. Com a nossa produção interna superior à demanda, as flutuações do mercado internacional poderão ser mais bem administradas internamente. Este equilíbrio no setor energético, privilégio de poucos países industrializados do mundo, resguarda o consumidor brasileiro [13].

Figura 1.4 – Mapa do gasoduto da América Latina – Brasil [14].

A Petrobrás, visando desenvolvimento do mercado de gás natural, anunciou em seu plano estratégico, investimentos superiores a US$ 3.0 bilhões em gasodutos no Brasil. Com este investimento, estima-se aumento de consumo de 30,7 milhões de m3/dia para 77,6 milhões de m3/dia até 2010 [13].

A Organização dos Países Produtores de Petróleo (OPEP), responsável pela produção de 78% da produção de petróleo e gás no mundo, também está prevendo aumento no consumo mundial de petróleo e gás e possui plano de investimento de mais de US$ 100 bilhões até 2010 em exploração, gasodutos e terminais de exportação [16].

No que se refere ao material utilizado para gasodutos/oleodutos, os projetistas buscam utilizar aços com requisitos de propriedades mecânicas cada vez mais elevadas, visando o aumento da segurança operacional, de produtividade e redução do peso do duto. Esta tendência tem-se mostrado verdadeira também em tubos para exploração, tendo em vista que a extração de petróleo/gás pode ser realizada em águas profundas, como é o caso do Brasil, que já está realizando perfurações a profundidades superiores a 1.800m, como se pode ver na Figura 1.6 [14].

A Petrobrás fará o maior alcoolduto do mundo para escoar o etanol destinado à exportação até o Porto de São Sebastião, em São Paulo. Será o primeiro duto da história feito exclusivamente para transportar etanol [1].

O primeiro alcoolduto terá capacidade para transportar, diariamente, o equivalente a 1000 caminhões-tanque. Seu traçado ainda é tema de discussão política, mas terá, aproximadamente, 1.150km de extensão, com capacidade de transportar 8 milhões de m3/ano. De acordo com pesquisas efetuadas pela Petrobrás, o custo de transporte pelo duto por litro é da ordem de R$ 0,04 enquanto o transporte pelo caminhão seria de R$ 0,13. Os tubos terão diâmetros compreendidos entre 25 e 50cm. A velocidade de escoamento será de 3,6km/h e a expectativa é entrar em operação em 2011. O custo da implantação do alcooduto é da ordem de 1 bilhão de dólares [1].

1.6.

Dados da Samarco Mineração S.A.

(Dados obtidos da Samarco Mineração. [17])

Mineroduto.

Dados da Empresa revelam que em 1975 a Samarco Mineração, situada no município de Ouro Preto e Mariana, Minas Gerais, cujo controle acionário pertence à Companhia Vale (50%), a mais importante mineradora brasileiras, e à BHP Brasil (50%), do grupo australiano, “The Broken Hill Proprietary Company Limited”, e estando entre os maiores grupos mineradores do mundo, iniciaram as obras de implantação de seus equipamentos. Instalada na Unidade de Germano, é formada pela usina de beneficiamento e pela Mina de Alegria. Suas jazidas formam uma reserva de 5,6 bilhões de toneladas de minério de ferro.

Somente em fevereiro de 1977 o mineroduto e o terminal portuário foram concluídos e, em maio, com o término das obras da Usina de Germano, o mineroduto entrou em operação. A Usina de Germano iniciou suas operações com uma produção de 7 milhões de toneladas de concentrado de ferro (“pellet feed”).

O mineroduto destina-se ao transporte de polpa de minério de ferro, itabirito, utilizados nos processos siderúrgicos de redução direta e de alto-forno. O concentrado de minério de ferro em forma de polpa é uma mistura de água e minério, sendo aproximadamente 70% de minério e 30% de água em peso. O tamanho das partículas também é controlado, sendo o valor máximo 74µm (micrometros).

Para vencer grandes distâncias e grandes elevações, são empregadas bombas de deslocamento positivo. Estas bombas tiveram origem nas bombas projetadas para a utilização em poços de petróleo da Petrobrás. O ponto de maior elevação está localizado na Serra do Caparaó, com 1.180m [9].

A polpa é transportada à baixa velocidade, para evitar o desgaste, tanto do duto como das partículas transportadas. A velocidade de transporte pode variar de 1,5m/s até 1,8m/s, com vazões aproximadas variando de 1.000m³/h até 1.200m³/h. e a velocidade média é de aproximadamente 6,5km/h,

O tempo de transporte entre as duas Unidades, Germano e Ponta de Ubu, é de 61h, com velocidade média de 1,7m/s, levando aproximadamente três dias para chegar ao seu destino final.

A tubulação do mineroduto é construída com chapa de aço (API-5L-X60). Dos 396km de extensão, 346km são de diâmetro 20" (508mm) e 50km são de diâmetro 18" (457mm). A espessura varia de 8mm até 19mm. O duto não é revestido internamente.

As instalações de tubulações subterrâneas, vistas nas Figuras 1.7 e 1.8, envolvem o trabalho de pessoal especialmente treinado e o uso de equipamentos especiais. As várias turmas de trabalhadores revezam-se nas diversas etapas da obra, desde os trabalhos de reconhecimento, topografia e preparação do terreno até as fases finais de instalação e controle.

A tubulação é praticamente toda enterrada a 1,5m de profundidade, e possui revestimento externo com fita de PVC e sistema de proteção catódica por corrente impressa para proteção à corrosão.

A inclinação máxima do mineroduto é 15%, pois assim diminuem-se os atritos provenientes do transporte, que ocasiona grande desgaste no mineroduto.

Figura 1.8 – Escavação para a implantação do sistema de mineroduto [17].

Moderno sistema de transmissão de dados “on-line” via satélite permite o monitoramento em tempo real de toda a operação.

As instalações do mineroduto se dividem em duas seções. A primeira,

Figura 1.9 – Início do mineroduto Samarco Mineração em Germano, km0 [17].

Figura 1.10 – Perfil do Mineroduto da Samarco Mineração [17].

Em Germano tem-se 4 tanques de estocagem com 5.000 toneladas cada e a estação com sete bombas principais de deslocamento positivo, remetendo a polpa de minério até o município de Matipó – km 154, Minas Gerais.

Trabalha-se normalmente com 5 ou 6 bombas, e a pressão de descarga atinge até 145kgf/cm2. Quando a polpa chega em Matipó/MG, km 154, é necessário rebombeá-la para vencer a Serra do Caparaó - cuja elevação máxima é de 1.180m, conforme se vê na Figura 1.10.

A segunda seção está entre Matipó – km 154 (constituída de 01 tanque de estocagem de polpa e estação de bombas similar à de Germano) e Terminal da Ponta de Ubu – km 396. Existem duas estações de válvulas, localizadas nos quilômetros 243 (Guaçuí/ES) e 275 (Alegre/ES), respectivamente. As estações de válvulas são utilizadas quando a operacionalização do mineroduto pára, objetivando-se dividir o peso da coluna de fluido sobre as válvulas.

Os dutos possuem uma vida útil projetada de 20 anos, mas, devido a um melhor controle operacional, menores taxas de corrosão e abrasão, estima-se que ela possa ser estendida para o dobro. Todo ano a Samarco elabora um programa de manutenção ao longo da faixa atendendo às demandas ambientais e sociais.

A Empresa Samarco Mineração está investindo 750 milhões de reais na construção de uma nova linha do mineroduto. Esta linha é paralela ao antigo mineroduto e está sendo utilizado o aço API-5L-X70. Com 400km de extensão e com a velocidade média de 6km/h, a polpa a ser transportada levará, aproximadamente, 66h, percorrendo esta distância. Contará ainda com mais uma estação de Bombas (EB5), próxima à Estação de Bombas 2, e mais duas estações de válvulas, ao lado das estações do mineroduto atual. O mineroduto passa pela Faixa de Servidão, que é uma pista com 35m de largura - a 5m da margem direita, no sentido MG-ES. Para sinalizar sua passagem, foram instalados marcos que contêm um número de telefone DDG 24 horas (0800) para atendimento em caso de emergências. A cada início do ano, é elaborado um programa de manutenção ao longo da Faixa, com o objetivo de recuperar os danos causados pelas chuvas e atender necessidades de proprietários: um compromisso da Samarco com demandas ambientais e sociais [1,17].

1.7.

Dados da MMX - Mineração e Metálicos S.A.

(Dados obtidos da MMX- Mineração. [18])

A MMX – Mineração e Metálicos é uma empresa do grupo EBX.

Fundada em 2005, por Eike Batista, a MMX é um grupo de executivos da EBX, especialista em mineração, que mantém empreendimentos em vários estados brasileiros, inclusive em Minas Gerais.

O sistema Minas-Rio é o maior empreendimento da MMX e um dos mais ambiciosos dos últimos tempos. A base do sistema Minas - Rio se destaca por suas extensas reservas de minérios de ferro, que pode atingir 2 bilhões de toneladas. Será construído o maior mineroduto do mundo, para permitir o escoamento dessa grande produção, desde Conceição do Mato Dentro, em Minas Gerais, até o complexo de Açu, em São João da Barra, cidade vizinha do Rio de Janeiro. Este mineroduto terá aproximadamente 525km de extensão. A capacidade de produção de minérios de ferro é de 26,5 milhões de toneladas/ano e com capacidade de produção de 7,6 milhões de tonelada/ano de pelotas de minério de ferro. O minério possui elevada concentração de Fe (68,50%) e baixa contaminação, SiO2 (1,10%), Al2O3 (0,30% ), P (0,02%) , S (0,03% ), e Mn (0,06%).

Com área de 6 mil hectares, está projetada para abrigar um complexo siderúrgico, uma usina termoelétrica, uma usina de pelotização de finos de minérios, além de áreas de estocagem de materiais líquidos (granéis) e para processamento de petróleo.

Para a implantação do sistema Minas-Rio serão investidos cerca de R$ 6 bilhões, com geração de cerca de 10 mil empregos diretos e indiretos durante as obras, e de 6 mil na fase operacional, entre funcionários próprios e de empresas terceirizadas.

O sistema Minas-Rio, visualizado nas Figuras 1.11 (a) e (b), irá viabilizar um eficiente corredor de exportação das regiões Centro-Oeste/Sudeste, com forte impacto econômico no país.

a)

b)

2.

OBJETIVOS

3.

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SOBRE ENSAIOS MECÂNICOS

Neste capitulo é efetuada a revisão bibliográfica sobre os ensaios mecânicos, usados neste trabalho. Os seguintes ensaios mecânicos serão descritos: ensaio de tração, ensaio de impacto, ensaio de dureza, além da abordagem dos parâmetros de tenacidade à fratura, método CTOD de carga máxima.

3.1.

Introdução

A Figura 3.1 mostra a fratura, falha mecânica de uma ponte nos Estados Unidos. Eventos indesejáveis ocasionados por falhas mecânicas de materiais colocam em risco o bem mais precioso, a vida humana, além das perdas econômicas e interferência na disponibilidade de produtos e serviços [7]. Falha em uma estrutura ocorre, quando a estrutura fica completamente inutilizada, ou, quando ela ainda pode ser utilizada, mas não é mais capaz de desempenhar a sua função satisfatoriamente, ou, quando uma séria deterioração a torna insegura para ser utilizada [19].

Acidentes catastróficos marcam a humanidade e ocorreram por falhas estruturais, como se pode ver nas Figuras 3.1 e 3.2.

Historicamente, o interesse e o estudo da questão da fratura, no caso fratura frágil foram intensificados durante a Segunda Guerra Mundial, quando alguns navios sofreram fraturas, tanto em alto mar quanto em cais. Estes eventos ocorreram mais intensamente nos meses de inverno, mostrando que o aço doce utilizado nas estruturas tornava-se frágil em condições especiais [7]. Observa-se na Figura 3.2, que o casco partiu-se completamente em duas partes.

Figura 3.2 – Fratura frágil em um petroleiro dos Estados Unidos [7].

A possibilidade de falha em soldas foi aventada também como causa possível dos colapsos. O problema gerou várias pesquisas que resultaram no desenvolvimento de ensaios e métodos de manufatura mais adequados para as condições de serviço. Assim foi desenvolvido, no início do século XX, o ensaio de impacto, um dos mais antigos, para avaliar uma falha [7].