Análise comparativa das metodologias para previsão da vida de fadiga de juntas tubulares soldadas

Abstract

A falha por fadiga em juntas soldadas é uma preocupação crítica em vários setores, particularmente em indústrias como aeroespacial, automotiva e de petróleo e gás. Em boa parte das indústrias, as juntas tubulares soldadas desempenham um papel crucial na infraestrutura e nos equipamentos. Portanto, compreender e mitigar as falhas por fadiga é fundamental. Estas juntas estão sujeitas a cargas cíclicas ao longo da sua vida útil, levando ao início e propagação de micro trincas e, em última instância, à falha estrutural. Dadas as graves consequências de tais falhas em termos de segurança, impacto ambiental e perdas econômicas, a aplicação de metodologias confiáveis para avaliar a vida à fadiga em juntas soldadas é essencial. Este estudo investiga e compara diferentes procedimentos internacionais para avaliar a vida à fadiga em juntas tubulares soldadas, com o objetivo de identificar as principais diferenças nas metodologias e fornecer uma visão geral de suas implicações práticas. Estudos de caso foram desenvolvidos envolvendo três geometrias de juntas em T tubulares soldadas variando seus diâmetros e espessuras de derivações e tubos principais. As juntas foram submetidas a cargas de amplitude constante e variável. O trabalho apresenta detalhadamente o procedimento para análise de fadiga proposto por quatro procedimentos principais, DNV (DNV C-203, 2020), ASME BPVC VIII Sec. 2 (ASME, 2019), BS 7608 (BSI, 2014) e IIW (IIW, 2008). As avaliações de vida de fadiga foram realizadas de acordo com cada procedimento, sendo desconsiderados os efeitos de tensões residuais inerentes do processo de soldagem. A forma básica da curva S-N para cada procedimento foi selecionada de acordo com uma junta soldada representativa para as geometrias propostas. Por fim, o impacto na vida à fadiga resultante de cada procedimento foi analisado comparando as curvas S-N dos procedimentos e os resultados obtidos para a vida de fadiga. Observou-se que todos os procedimentos utilizam o método Rainflow para contagem de ciclos e diferem principalmente na proposição de curvas S-N e na metodologia para determinação de tensões. Com base nos resultados foi possível identificar o grau de conservadorismo implícito em cada procedimento pelo resultado da vida de fadiga. O presente estudo pretende ser um guia útil para a avaliação da vida de fadiga de juntas soldadas, uma vez que os procedimentos dos procedimentos internacionais mais utilizados foram descritos passo a passo.

Abstract: Fatigue failure in welded joints is a critical concern across various sectors, particularly in industries such as aerospace, automotive, and oil and gas. Within the oil and gas industries, welded tubular joints play a crucial role in infrastructure and equipment. Therefore, understanding and mitigating fatigue failures is paramount. These joints are subjected to cyclic loads throughout their lifespan, leading to the initiation and propagation of micro-cracks and ultimately structural failure. Given the severe consequences of such failures in terms of safety, environmental impact, and economic losses, the application of reliable methodologies to assess fatigue life in welded joints is essential. This study investigates and compares different international procedures for evaluating fatigue life in welded tubular joints, aiming to identify key differences in methodologies and provide an overview of their practical implications. Case studies were developed involving welded tubular T-joints of varying branch and main pipe diameters and thickness. The joints were subjected to constant and random amplitude loadings. The paper compares in detail the procedure for fatigue analysis proposed by four major codes, DNV Classification Rules (DNV C-203, 2020), ASME BPVC VIII Sec. 2 (ASME, 2017), British Standards 7608 (BSI, 2014) and International Welding Association Standards (IIW, 2008). The fatigue life assessments were performed according to each code. The basic shape of the S-N curve for each code was selected according to a representative welded joint. A review of the survival probability of the basic design S-N curve for each code was performed. Finally, the impact on the resulted fatigue life according to each procedure was analyzed by comparing the S-N curves of the codes. It was observed that all the procedures employ the Rainflow method for cycle counting and differ mainly in the proposition of S-N curves and the methodology for an effective stress determination. Based on the results, the degree of conservatism proposed in each procedure could be identified. The present study is intended to be a useful guide for the fatigue life assessment of welded joints since the procedures of the most-used international codes were described in a step-by-step process.