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

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)