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Tipo: Tese
Título: Simulação numérica e experimentação da soldagem em operação de aços inoxidáveis austeníticos nos regimes de escoamento laminar e turbulento
Título em inglês: Numerical simulation and welding experimentation in austenitic stainless steel operation in laminar and turbulent flow regimes
Autor(es): Couras, Daut de Jesus Nogueira Peixoto
Orientador: Miranda, Hélio Cordeiro de
Coorientador: Marcondes, Francisco
Palavras-chave: Soldagem;Tubos;Volumes finitos;Modelagem numérica
Data do documento: 2021
Citação: COURAS, Daut de Jesus Nogueira Peixoto. Simulação numérica e experimentação da soldagem em operação de aços inoxidáveis austeníticos nos regimes de escoamento laminar e turbulento. 2021. 198f. Tese (Doutorado em Engenharia e Ciências de Materiais) _Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais, Fortaleza, 2021.
Resumo: Define-se a soldagem em operação a técnica onde se realiza soldagem de equipamentos, tubulações e dutos que contenham qualquer produto ou seus resíduos pressurizados ou não, com ou sem escoamento, sem a necessidade de paradas operacionais. A soldagem de tubulações em operação, é uma técnica empregada em diversas áreas da indústria. Neste tipo de soldagem, a segurança do operador e os prejuízos ambientais e humanos decorrentes da perfuração da parede, são as maiores preocupações desse tipo de operação. A preocupação a respeito da perfuração durante o processo de soldagem é devido à grande densidade de energia depositada localmente, a qual pode causar a fusão de grande parte da espessura que combinada com a pressão interna do fluido, pode gerar a perfuração na tubulação. Outra preocupação é a alta taxa de resfriamento da soldagem ocasionada pela convecção forçada do escoamento através da tubulação. A alta taxa de resfriamento, em materiais susceptíveis a formação de martensita, pode promover a formação de uma microestrutura com altas durezas na Zona Afetada pelo Calor (ZAC), potencializando a formação de zonas propensas a formação de trincas. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo numérico com validação experimental para soldagem TIG, eletrodo revestido e MIG/MAG em operação de tubos inoxidáveis austeníticos AISI 304L e AISI 321. O modelo numérico foi desenvolvido utilizando volumes finitos em programa comercial para simulação. Para validação do modelo, foram utilizadas duas bancadas para soldagem em operação e as condições de soldagem foram próximas das adotadas pela indústria. As duas bancadas foram instrumentadas, de forma a coletar as temperaturas nas superfícies internas do tubo, vazão do fluido, corrente e tensão de soldagem. Na soldagem em operação dos tubos de AISI 304L o escoamento interno foi mantido em regime laminar e a energia de soldagem igual 0,63kJ/mm. Nos tubos AISI 321 o escoamento foi variado entre os regimes laminar e turbulento e a energia de soldagem foi alterada conforme condições utilizadas na indústria. Baseado nas informações obtidas nas bancadas e em análises microscópicas, foram desenvolvidas simulações envolvendo os regimes laminar e turbulento utilizando o método dos volumes finitos para prever o ciclo térmico de soldagem e as zonas termicamente afetadas pelo calor. A energia de soldagem foi modelada como uma superfície gaussiana móvel sobre uma elipse. Os resultados obtidos das simulações apresentaram uma boa concordância com os obtidos nas bancadas, demonstrando que a simulações podem ser utilizadas como ferramentas confiáveis para a previsão do processo de soldagem em operação para escoamentos em regime tanto laminar como turbulento.
Abstract: Welding in service is defined as the technique in which equipment, pipes and ducts are welded that contain any product or its waste pressurized or not, with or without flow, without the need for operational stops. Pipe welding in service is a technique used in several areas of industry. In this type of welding, the operator’s safety and the environmental and human damages resulting from the perforation of the wall are the main concerns of this type of operation. The concern about drilling during the welding process is due to the high density of energy deposited locally, which can cause melting of a large part of the thickness which combined with the internal pressure of the fluid, can generate perforation in the pipe. Another concern is the high cooling rate of the weld caused by the forced convection of the flow through the pipe. The high cooling rate, in materials susceptible to martensite formation, can promote the formation of a microstructure with high hardness in the Heat Affected Zone (ZAC), enhancing the formation of zones prone to crack formation. The objective of this work is to develop a numerical model with experimental validation for GTAW, SMAW and GMAW welding in AISI 304L and AISI 321 austenitic stainless tube. The numerical model was developed using finite volumes in a commercial simulation program. To validate the model, two welding benches were used in operation and the welding conditions were close to those adopted by the industry. The two benches were instrumented in order to collect the temperatures on the inner surfaces of the tube, fluid flow, current and welding voltage. In the welding in service of AISI 304L tubes, the internal flow was maintained in a laminar regime and the welding energy was equal to 0.63kJ/mm. In AISI 321 tubes, the flow was varied between the laminar and turbulent regimes and the welding energy was changed according to conditions used in the industry. Based on the information obtained from the benches and on microscopic analysis, simulations were developed involving the laminar and turbulent regimes using the finite volume method to predict the welding thermal cycle and the thermally affected zones. Welding energy was modeled as a moving Gaussian surface on an ellipse. The results obtained from the simulations showed good agreement with those obtained on the benches, demonstrating that the simulations can be used as reliable tools for predicting the welding in service process for flows in both laminar and turbulent flow.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/62889
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