BR112013031222B1 - integrated experimental and computational system for the non-destructive determination of the mechanical properties of materials in situ in the oil, gas and petrochemical industry and related method - Google Patents
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Abstract
sistema experimental e computacional integrado para a determinação não destrutiva das propriedades mecânicas de materiais in situ na indústria de óleo, gás e petroquímica e método relacionado este pedido expõe um sistema experimental e computacional para determinação não destrutiva de parâmetros os quais quantificam as propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas de materiais estruturais ou de estados de tensão em componentes estruturais ou de planta para diagnóstico estrutural in situ preferencialmente em campos industriais de óleo, gás e petroquímica, que compreende: - um subsistema experimental que contém: um instrumento portátil adequado para criação de indentação com uma ponta, a superfície dos referidos componentes para a produção in situ de uma impressão na superfície do componente estrutural ou de planta; um rugosímetro portátil adequado para revelar a rugosidade da superfície e a geometria da impressão significando a combinação de coordenadas de pontos situados na superfície deformada da referida impressão; um subsistema computacional que compreende um software adequado para a geração de funções as quais melhor representam a combinação de pontos revelados com o rugosímetro, um software para a simulação de fenômenos mecânicos envolvidos na produção da referida impressão, um software para a aplicação do método de análise reversa aos dados experimentais, e um software auxiliar com instrumentos matemáticos adequados para a aceleração das operações de análise reversa. o pedido também se refere a um método experimental e computacional para a determinação não destrutiva de propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas de materiais elastoplásticos, que compreende a simulação computacional de fenômenos envolvidos em ensaios de indentação usando um software adequado.integrated experimental and computational system for the non-destructive determination of the mechanical properties of materials in situ in the oil, gas and petrochemical industry and related method This application exposes an experimental and computational system for non-destructive determination of parameters which quantify the mechanical, elastic properties and / or inelastic of structural materials or stress states in structural or plant components for structural diagnosis in situ, preferably in industrial oil, gas and petrochemical fields, comprising: - an experimental subsystem containing: a portable instrument suitable for creation indentation with a tip, the surface of said components for the in situ production of an impression on the surface of the structural or plant component; a portable roughness meter suitable for revealing the surface roughness and the geometry of the impression meaning the combination of coordinates of points located on the deformed surface of the said impression; a computational subsystem comprising software suitable for the generation of functions which best represent the combination of revealed points with the rugosimeter, software for the simulation of mechanical phenomena involved in the production of the said print, software for the application of the analysis method reverse to experimental data, and auxiliary software with mathematical instruments suitable for accelerating reverse analysis operations. the application also refers to an experimental and computational method for the non-destructive determination of mechanical, elastic and / or inelastic properties of elastoplastic materials, which comprises the computer simulation of phenomena involved in indentation tests using appropriate software.
Description
SISTEMA EXPERIMENTAL E COMPUTACIONAL INTEGRADO PARA A DETERMINAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS IN SITU NA INDÚSTRIA DE ÓLEO, GÁS E PETROQUÍMICA E MÉTODO RELACIONADOINTEGRATED EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL SYSTEM FOR THE NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS IN SITU IN THE OIL, GAS AND PETROCHEMICAL INDUSTRY AND RELATED METHOD
Descrição [001] A presente invenção se refere a um sistema experimental e computacional para a determinação não destrutiva de parâmetros os quais quantificam as propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas de materiais estruturais ou de estados de tensão em componentes estruturais e de planta preferencialmente no setor industrial de óleo e gás e petroquímicos, para diagnóstico estrutural in situ” com base em ensaios não destrutivos e métodos de análise reversa. A invenção também se refere a um método experimental e computacional para a determinação não destrutiva de propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas de materiais elastoplásticos, que compreende a simulação computacional de fenômenos envolvidos em ensaios de indentação usando um software adequado.Description [001] The present invention relates to an experimental and computational system for the non-destructive determination of parameters which quantify the mechanical, elastic and / or inelastic properties of structural materials or stress states in structural and plant components preferably in the industrial oil and gas and petrochemical sector, for in situ structural diagnosis ”based on non-destructive tests and reverse analysis methods. The invention also refers to an experimental and computational method for the non-destructive determination of mechanical, elastic and / or inelastic properties of elastoplastic materials, which comprises the computational simulation of phenomena involved in indentation tests using appropriate software.
[002] Os ensaios não destrutivos são efetuados com um instrumento portátil adequado para a formação de indentação para a produção in situ” de uma impressão, isto é, uma deformação elastoplástica não destrutiva localizada na superfície dos referidos componentes.[002] Non-destructive tests are carried out with a portable instrument suitable for the formation of indentation for the in situ production of a print, that is, a non-destructive elastoplastic deformation located on the surface of the said components.
[003] A impressão, significando as coordenadas de uma combinação de pontos situados na superfície deformada da referida impressão, após a remoção da ponta, e na superfície adjacente, não deformada ou tendo uma deformação desprezível, é revelada com um instrumento adequado para medição das referidas coordenadas.[003] The impression, meaning the coordinates of a combination of points located on the deformed surface of said impression, after removal of the tip, and on the adjacent surface, not deformed or having a negligible deformation, is revealed with a suitable instrument for measuring the coordinates.
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2/23 [004] A caracterização dos materiais pela identificação de parâmetros em modelos constitutivos elastoplásticos é útil para as indústrias de óleo, gás e petroquímica, em que há tubulações e linhas de transporte de líquido e gás, e também soldagens entre dois trechos de uma tubulação, juntas em T, conexões das tubulações para válvulas, reatores ou outros componentes de uma planta industrial.2/23 [004] The characterization of the materials by identifying parameters in elastoplastic constitutive models is useful for the oil, gas and petrochemical industries, where there are pipes and lines for transporting liquid and gas, and also welding between two sections of a pipe, T-joints, pipe connections for valves, reactors or other components of an industrial plant.
[005] Um sistema de caracterização completo é desenvolvido in situ” das propriedades mecânicas de ligas metálicas e outros materiais para o diagnóstico estrutural de tubulações e outros componentes de plantas industriais e linhas de transporte em operação, em que uma degradação das referidas propriedades pode ter sido verificada ao fim da vida útil divisada pelo projeto do componente, ou simplesmente devido à falta da documentação técnica original.[005] A complete characterization system is developed in situ ”of the mechanical properties of metal alloys and other materials for the structural diagnosis of pipelines and other components of industrial plants and transport lines in operation, in which a degradation of said properties may have been verified at the end of the service life envisaged by the component design, or simply due to the lack of the original technical documentation.
[006] 0 sistema também é aplicado para a determinação do estado de tensão local; em particular, as tensões residuais e/ou por ações externas que podem ter sido geradas nas soldagens presentes nas linhas ou tubulações ou em outros componentes das plantas industriais.[006] The system is also applied to determine the state of local voltage; in particular, the residual stresses and / or external actions that may have been generated in the welding present in the lines or pipes or in other components of the industrial plants.
[007] Há vários sistemas de caracterização não destrutivos para estes materiais constituintes de tubulações e/ou soldagens e/ou outros componentes de plantas industriais.[007] There are several non-destructive characterization systems for these constituent materials for pipes and / or welds and / or other components of industrial plants.
[008] No sistema de caracterização não destrutivo denominado ABI (Indentação de Esfera Automatizada) ou em Sistemas de SSM (Microssonda de tensão - deformação) (US4852397), a curva de carga-profundidade de um indentador é usada sem exploração da geometria da impressão. Este método[008] In the non-destructive characterization system called ABI (Automated Sphere Indentation) or in SSM Systems (Stress Microsonde - strain) (US4852397), the load-depth curve of an indenter is used without exploring the print geometry . This method
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ABI também realiza ensaios com uma ponta do indentador esférico.ABI also performs tests with a spherical indenter tip.
[009] Já que ele não usa métodos de análise reversa, o método ABI deve introduzir constantes empíricas e dados experimentais nas equações, previamente medidos no laboratório, obtidos em ligas da família da liga a ser caracterizada in situ”; mais ainda, ele não provê qualquer informação sobre uma possível anisotropia do material, nem pode prover estimativas do tensor de tensões residuais.[009] Since it does not use reverse analysis methods, the ABI method must introduce empirical constants and experimental data into the equations, previously measured in the laboratory, obtained in alloys of the alloy family to be characterized in situ ”; moreover, it does not provide any information about a possible anisotropy of the material, nor can it provide estimates of the residual stress tensor.
[010] Um segundo método de caracterização não destrutivo usa a única curva de carga-profundidade obtida por meio de um indentador e o Método de Análise Reversa para a determinação das propriedades mecânicas, sem exploração da geometria da impressão. Este método frequentemente é aplicado ao estudo da resposta mecânica de filmes finos ou revestimentos (veja, por exemplo, T. Nakamura, Y. Gu, Identification of elastic-plastic anisotropic parameters using instrumented indentation and inverse analysis. Mechanics of Materials, vol. 39, pp. 340-356, 2007; A. E. Giannakopoulos, Determination of elastoplastic properties by instrumented sharp indentation. Scripta Materialia, vol. 40, páginas 1191-1198, 1999).[010] A second non-destructive characterization method uses the single load-depth curve obtained by means of an indenter and the Reverse Analysis Method to determine the mechanical properties, without exploiting the print geometry. This method is often applied to the study of the mechanical response of thin films or coatings (see, for example, T. Nakamura, Y. Gu, Identification of elastic-plastic anisotropic parameters using instrumented indentation and inverse analysis. Mechanics of Materials, vol. 39 , pp. 340-356, 2007; AE Giannakopoulos, Determination of elastoplastic properties by instrumented sharp indentation (Scripta Materialia, vol. 40, pages 1191-1198, 1999).
[Oil] Um método alternativo classificado como virtualmente não destrutivo é aquele denominado Pequeno Punção (Code of practice on Small Punch technique for Metallic Materials, documento CEN emitido por CEN WS21, coordenado por V. Bicego, CESI, 2006) . Ele requer a extração de uma amostra de ensaio fina a partir da superfície externa da tubulação, a preparação de amostras planas começando a partir da placa e um ensaio de puncionamento no laboratório.[Oil] An alternative method classified as virtually non-destructive is the one called Little Puncture (Code of practice on Small Punch technique for Metallic Materials, CEN document issued by CEN WS21, coordinated by V. Bicego, CESI, 2006). It requires the extraction of a fine test sample from the outer surface of the pipe, the preparation of flat samples starting from the plate and a puncture test in the laboratory.
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O método usa apenas a curva de carga-deslocamento do punção e requer, para cada propriedade mecânica, o estabelecimento de uma curva mestra com medições efetuadas de forma preliminar em ligas da família da liga a ser caracterizada. Ele não usa simulações computacionais do ensaio nem análises reversas. Ele não pode ser efetuado in situ.The method uses only the load-displacement curve of the punch and requires, for each mechanical property, the establishment of a master curve with preliminary measurements made on alloys of the alloy family to be characterized. He does not use computer simulations of the assay or reverse analysis. It cannot be done in situ.
[012] Um sistema experimental e computacional integrado agora foi descoberto em conjunto com o método relativo para a caracterização mecânica de materiais e para a determinação de estados de tensão para diagnóstico estrutural in situ”. 0 sistema e o método são baseados em ensaios não destrutivos e em métodos de análise reversa, os quais são capazes de identificarem a partir da geometria da impressão apenas, propriedades mecânicas ou tensões ou também com o uso simultâneo, em simulações e cálculos, da geometria da indentação e dados experimentais gerados por instrumentos portáteis associados ao indentador (denominado indentador instrumentado), isto é, a curva de penetração de cargaprofundidade digitalizada do indentador.[012] An integrated computer and experimental system has now been discovered together with the relative method for the mechanical characterization of materials and for the determination of stress states for structural diagnosis in situ ”. The system and the method are based on non-destructive tests and reverse analysis methods, which are able to identify from the geometry of the print only, mechanical properties or stresses or also with the simultaneous use, in simulations and calculations, of the geometry indentation and experimental data generated by portable instruments associated with the indenter (called instrumented indenter), that is, the load penetration curve digitized depth of the indenter.
[013] 0 sistema completo da presente invenção não requer as constantes empíricas, medições antes do ensaio de indentação ou bancos de dados sobre propriedades mecânicas.[013] The complete system of the present invention does not require empirical constants, measurements before the indentation test or databases on mechanical properties.
[014] 0 sistema da presente invenção pode prover a informação desejada em tempo real.[014] The system of the present invention can provide the desired information in real time.
[015] 0 sistema da presente invenção pode lidar com qualquer geometria da impressão ou cavidade produzida pela ponta de indentadores ou durômetros, ou qualquer instrumento capaz de produzi-la.[015] The system of the present invention can handle any geometry of the impression or cavity produced by the tip of indenters or durometers, or any instrument capable of producing it.
[016] De modo a se determinarem as tensões residuais em soldagens, o sistema também pode ser aplicado imediatamente[016] In order to determine residual stresses in welds, the system can also be applied immediately
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5/23 após a operação na ausência de fenômenos de degradação.5/23 after operation in the absence of degradation phenomena.
[017] 0 sistema opera in situ” em tubulações, linhas e componentes funcionando e também pode operar subsequentemente no laboratório em amostras representativas tiradas no local.[017] The system operates in situ ”on piping, lines and working components and can also subsequently operate in the laboratory on representative samples taken on site.
[018] As propriedades mecânicas determinadas se referem ao campo elástico, inelástico e, especialmente, ao comportamento plástico dos materiais a serem caracterizados. Dentre os parâmetros que podem ser identificados com o sistema reivindicado na presente invenção, o que vem a seguir pode ser mencionado: módulos elásticos, resistência última à tração, limite de escoamento, curva de encruamento por deformação.[018] The mechanical properties determined refer to the elastic, inelastic field and, especially, the plastic behavior of the materials to be characterized. Among the parameters that can be identified with the system claimed in the present invention, the following can be mentioned: elastic modules, ultimate tensile strength, yield limit, deformation hardening curve.
[019] 0 sistema experimental e computacional, objeto da presente invenção, para a determinação não destrutiva de parâmetros os quais quantificam as propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas, de materiais estruturais ou estados de tensão locais, compreende:[019] The experimental and computational system, object of the present invention, for the non-destructive determination of parameters which quantify the mechanical, elastic and / or inelastic properties of structural materials or local stress states, comprises:
• um subsistema experimental que contém:• an experimental subsystem containing:
- um instrumento portátil adequado para criação de indentação com uma ponta, preferencialmente cônica, esférica, piramidal ou cilíndrica, a superfície dos referidos componentes para a produção in situ” de uma impressão, isto é, uma deformação elastoplástica não destrutiva localizada, na superfície do componente estrutural ou de planta;- a portable instrument suitable for creating indentation with a tip, preferably conical, spherical, pyramidal or cylindrical, the surface of said components for the in situ production of a print, that is, a localized non-destructive elastoplastic deformation, on the surface of the structural or plant component;
- um rugosímetro portátil adequado para revelar a rugosidade da superfície e a geometria da impressão significando a combinação de coordenadas de pontos situados na superfície deformada da referida impressão,- a portable roughness meter suitable for revealing the surface roughness and the geometry of the impression, meaning the combination of coordinates of points located on the deformed surface of the said impression,
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 15/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 15/77
6/23 após a remoção da ponta e na superfície adjacente, não deformada ou tendo uma deformação desprezível;6/23 after removing the tip and on the adjacent surface, not deformed or having a negligible deformation;
- um subsistema computacional que compreende um software adequado para a geração de funções (superfícies e/ou perfis) as quais melhor representam a combinação de pontos revelados com o rugosímetro, um software para a simulação de fenômenos mecânicos envolvidos na produção da referida impressão, um software para a aplicação do método de análise reversa aos dados experimentais, e um software auxiliar com instrumentos matemáticos adequados para a aceleração das operações de análise reversa, para se permitir o uso do software para efetuar todos os cálculos in situ” com um computador portátil, e obter os resultados desejados em tempo real.- a computational subsystem comprising software suitable for the generation of functions (surfaces and / or profiles) which best represent the combination of revealed points with the rugosimeter, a software for the simulation of mechanical phenomena involved in the production of the said print, a software for applying the reverse analysis method to experimental data, and auxiliary software with mathematical instruments suitable for accelerating reverse analysis operations, to allow the use of the software to perform all calculations in situ ”with a laptop computer, and get the desired results in real time.
[020] 0 instrumento adequado para a produção in situ” de uma deformação elastoplástica, não destrutiva devido às dimensões pequenas, na superfície dos componentes estruturais ou de planta preferencialmente pode ser selecionado a partir de um indentador portátil instrumentado (isto é, capaz de prover o deslocamento de penetração em relação à força aplicada), um indentador portátil não instrumentado, um durômetro portátil não instrumentado, um durômetro portátil com uma mola para a geração de uma impressão por meio de um impacto dinâmico.[020] The instrument suitable for the production in situ ”of an elastoplastic deformation, non-destructive due to the small dimensions, on the surface of the structural or plant components can preferably be selected from a portable instrumented indenter (that is, capable of providing the penetration offset in relation to the applied force), a non-instrumented portable indenter, a non-instrumented portable durometer, a spring-loaded portable durometer for generating an impression by means of a dynamic impact.
[021] A ponta preferida do referido instrumento portátil adequado para indentação é cônica.[021] The preferred tip of the said portable instrument suitable for indentation is tapered.
[022] 0 instrumento usa um plano X- de movimento manual ou automático para revelar a geometria completa da impressão in situ”, gerando um mapa digitalizado consistindo em uma matriz de pontos ou nós no plano X-Y e cotas no eixo Z.[022] The instrument uses an X- plane of manual or automatic movement to reveal the complete geometry of the print in situ ”, generating a digitized map consisting of a matrix of points or nodes in the X-Y plane and dimensions on the Z axis.
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 16/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 16/77
7/23 [023] O subsistema computacional preferencialmente consiste em um software para a simulação de fenômenos envolvidos no ensaio de indentação e um software com vários módulos originais para a aplicação de métodos de análise reversa adequados em tempo real.7/23 [023] The computational subsystem preferably consists of software for the simulation of phenomena involved in the indentation test and software with several original modules for the application of suitable reverse analysis methods in real time.
[024] Um dos instrumentos para a produção da impressão e o instrumento para revelar a geometria da impressão podem ser possivelmente montados em um único instrumento portátil completo para se permitirem, por meio de um movimento manual ou automático, duas operações consecutivas, assegurando o posicionamento dos dois instrumentos no mesmo eixo geométrico perpendicular à superfície do componente estrutural ou de planta (por exemplo, tubulação, encanamento, etc.) a ser caracterizado.[024] One of the instruments for the production of the impression and the instrument for revealing the geometry of the impression can possibly be mounted on a single complete portable instrument to allow, by means of a manual or automatic movement, two consecutive operations, ensuring positioning of the two instruments on the same geometric axis perpendicular to the surface of the structural or plan component (for example, piping, plumbing, etc.) to be characterized.
[025] As funções do instrumento para a produção da impressão e as funções do instrumento para revelação da geometria da impressão podem ser efetuadas por um instrumento multifuncional único.[025] The functions of the instrument for producing the print and the functions of the instrument for revealing the geometry of the print can be performed by a single multifunctional instrument.
[026] Os instrumentos para a produção quase estática da impressão e para a revelação da geometria da impressão, ou os dois instrumentos montados em um único instrumento completo, ou o instrumento único, pode ser fixado à tubulação ou ao encanamento em qualquer posição ao longo de sua circunferência por meio de ímãs, bandas metálicas ou poliméricas ou outros meios de fixação para garantia da rigidez necessária para o ensaio.[026] Instruments for quasi-static production of printing and for developing the geometry of printing, or the two instruments mounted on a single complete instrument, or the single instrument, can be attached to the piping or plumbing in any position along its circumference by means of magnets, metallic or polymeric bands or other means of fixation to guarantee the necessary rigidity for the test.
[027] 0 instrumento usado no subsistema experimental para revelação da geometria da impressão (rugosímetro) produz alguns melhoramentos com respeito aos instrumentos citados na literatura específica no campo de ensaios não[027] The instrument used in the experimental subsystem to reveal the print geometry (rugosimeter) produces some improvements with respect to the instruments cited in the specific literature in the field of tests not
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8/23 destrutivos.Destructive 8/23.
[028] Como os resultados da presente invenção dependem grandemente da geometria inteira da impressão (quando a curva de indentação e a geometria da impressão são determinadas para uso delas como dados de entrada para a modelagem) ou dependem estritamente da geometria da impressão (quando a geometria sozinha é usada como dados de entrada para a modelagem), um instrumento tendo as duas características a seguir foi selecionado como o instrumento de referência:[028] As the results of the present invention depend largely on the entire geometry of the impression (when the indentation curve and the geometry of the impression are determined for their use as input data for modeling) or depend strictly on the geometry of the impression (when the geometry alone is used as input data for modeling), an instrument having the following two characteristics has been selected as the reference instrument:
I. 0 instrumento deve ser do tipo de contato. Neste instrumento, não há algoritmos matemáticos para a conversão do sinal elétrico em um sinal de distância ou profundidade z, mas uma constante de proporcionalidade entre as duas variáveis ou, possivelmente, uma curva de calibração inicial. Os dados mais confiáveis assim devem ser providos para a modelagem.I. The instrument must be of the contact type. In this instrument, there are no mathematical algorithms for converting the electrical signal into a distance or depth z signal, but a proportionality constant between the two variables or, possibly, an initial calibration curve. The most reliable data thus must be provided for modeling.
II. 0 instrumento deve determinar apenas coordenadas (x, y, z) de pontos situados na superfície da impressão, e superfícies periféricas, e não perfis. Isto evita a introdução de algoritmos desconhecidos, usados por perfilômetros para a provisão de um perfil que possa interpretar as coordenadas de um certo número de pontos. [029] No caso da presente invenção com o uso de um planoII. The instrument should only determine coordinates (x, y, z) of points located on the printing surface, and peripheral surfaces, not profiles. This avoids the introduction of unknown algorithms, used by profilometers for the provision of a profile that can interpret the coordinates of a certain number of points. [029] In the case of the present invention using a plane
Z, Y, as três coordenadas (x, y, z) de um número alto de pontos são determinadas in situ” (da ordem de nxl0^4 ou nxl0^5 pontos). Desta forma, a informação original a qual contém a descrição do fenômeno de plasticidade é preservada. Os instrumentos matemáticos do subsistema computacional subsequentemente usam abordagens diferentes para a descrição das superfícies ou dos perfis os quais melhor descrevem aZ, Y, the three coordinates (x, y, z) of a high number of points are determined in situ ”(on the order of nxl0 ^ 4 or nxl0 ^ 5 points). In this way, the original information which contains the description of the plasticity phenomenon is preserved. The mathematical instruments of the computational subsystem subsequently use different approaches for describing the surfaces or profiles which best describe the
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9/23 impressão e as superfícies periféricas não deformadas. O número de perfis e a seleção de sua posição são extremamente importantes em casos da presença de anisotropia e/ou tensões residuais. É conveniente que estas seleções sejam efetuadas pelo subsistema computacional e não pelo instrumento durante a medição da geometria da impressão.9/23 impression and peripheral surfaces not deformed. The number of profiles and the selection of their position are extremely important in cases of the presence of anisotropy and / or residual stresses. It is convenient that these selections are made by the computational subsystem and not by the instrument when measuring the print geometry.
[030] Um aspecto secundário para estudos metalúrgicos, mas importante para a reprodutibilidade dos experimentos, é provido pela possibilidade de também se determinar a rugosidade das paredes da impressão. Desta forma, o estado da ponta do indentador é controlado. Como um instrumento de contato, o rugosímetro proposto é o instrumento mais adequado para controle do parâmetro de rugosidade local.[030] A secondary aspect for metallurgical studies, but important for the reproducibility of the experiments, is provided by the possibility of also determining the roughness of the print walls. In this way, the state of the tip of the indenter is controlled. As a contact instrument, the proposed roughness meter is the most suitable instrument for controlling the local roughness parameter.
[031] Um rugosímetro de contato, tal como aquele usado no Exemplo 1 da presente invenção (Modelo SJ-400 - Aparelho de Teste de Rugosidade de Superfície produzido pela Mitutoyo N° 99MBB093A5, Série N° 178) com saídas de coordenada z e rugosidade Ra, Ry, Rz, Rq ou Rdelta-c, satisfaz aos dois pontos mencionados acima e provê valores de rugosidade local.[031] A contact roughness meter, such as the one used in Example 1 of the present invention (Model SJ-400 - Surface Roughness Test Device produced by Mitutoyo No. 99MBB093A5, Series No. 178) with coordinates outputs z and Ra roughness , Ry, Rz, Rq or Rdelta-c, satisfies the two points mentioned above and provides local roughness values.
[032] Dentre outros recursos em particular do rugosímetro, seu peso e as dimensões são menores ou muito mais baixos do que aqueles de outros instrumentos, tais como, por exemplo, instrumentos óticos, dois fatores decisivos em alguns casos de componentes in situ” com espaços extremamente reduzidos para os ensaios. Os estudos para controle dos fenômenos de viscosidade presentes em um ensaio de indentação também podem ser efetuados por meio de medições de rugosidade.[032] Among other features in particular of the rugosimeter, its weight and dimensions are smaller or much lower than those of other instruments, such as, for example, optical instruments, two decisive factors in some cases of components in situ ”with extremely small spaces for testing. Studies to control viscosity phenomena present in an indentation test can also be carried out by means of roughness measurements.
[033] Outros melhoramentos averiguados pela comparação experimental entre o rugosímetro e outros instrumentos[033] Other improvements verified by the experimental comparison between the rugosimeter and other instruments
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10/23 citados na literatura para revelação da geometria da impressão são listados abaixo. Na literatura, é declarado que estes instrumentos foram realmente usados para se efetuarem as medições; em outros casos, seu uso é apenas presumido.10/23 cited in the literature for disclosure of print geometry are listed below. In the literature, it is stated that these instruments were actually used to carry out the measurements; in other cases, its use is presumed.
[034] A publicação Mechanical Characterization of Materials by Micro-Indentation and AFM Scanning (G. Bolzon, M. Bocciarelli, E. J. Chiarullo, aparecendo na coleção Applied Scanning Probe Methods XII, B. Bhushan and H. Fuchs (Eds), Springer, 2009), considera o uso de um Microscópio de Força Atômica (AFM) em uma microescala e teoriza o uso do microscópio de força de varredura em uma escala maior. 0 rugosímetro proposto nos exemplos da presente invenção permite a documentação da geometria da cavidade tendo uma profundidade de 10 a 800 pm (valores típicos de profundidade da faixa de impressão, por exemplo, de 100 a 350 pm, uma ordem de magnitude mais alta do que a dimensão média das contas cristalinas) , ao passo que a microscopia mencionada acima é apenas capaz de explorar uma faixa muito mais estreita de valores de profundidade, os quais não são capazes de envolverem volumes representativos das propriedades mecânicas do material.[034] The publication Mechanical Characterization of Materials by Micro-Indentation and AFM Scanning (G. Bolzon, M. Bocciarelli, EJ Chiarullo, appearing in the Applied Scanning Probe Methods XII, B. Bhushan and H. Fuchs (Eds), Springer, 2009), considers the use of an Atomic Force Microscope (AFM) in a microscale and theorizes the use of the scanning force microscope on a larger scale. The rugosimeter proposed in the examples of the present invention allows the documentation of the cavity geometry having a depth of 10 to 800 pm (typical values of the depth of the printing range, for example, from 100 to 350 pm, an order of magnitude higher than the average dimension of the crystalline beads), whereas the microscopy mentioned above is only capable of exploring a much narrower range of depth values, which are not capable of involving volumes representative of the mechanical properties of the material.
[035] Os perfilômetros de contato de laboratório e perfilômetros a laser são mencionados na publicação Proper Orthogonal Decomposition and Radial Basis Functions in Material Characterization Based on Instrumented Indentation (V. Buljak, G. Maier, Engineering Structures, Vol. 33, páginas 492-501, 2011). 0 peso e o incômodo de perfilômetros de contato de laboratório não permitem seu uso in situ” . Â medida que perfilômetros a laser são concernidos, este[035] Laboratory contact profilers and laser profilometers are mentioned in the publication Proper Orthogonal Decomposition and Radial Basis Functions in Material Characterization Based on Instrumented Indentation (V. Buljak, G. Maier, Engineering Structures, Vol. 33, pages 492- 501, 2011). The weight and annoyance of laboratory contact profilometers do not allow its use in situ ”. As laser profilometers are concerned, this
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11/23 instrumento não permite um mapeamento correto de superfícies com uma inclinação alta. Os rugosímetros não têm estas desvantagens.11/23 instrument does not allow correct mapping of surfaces with a high slope. Rugosimeters do not have these disadvantages.
[036] Na publicação já citada Assessment of ElasticPlastic Material Parameters Comparatively by Three Procedures Based on Indentation Test and Inverse Analysis (G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, Vol. 19, páginas 815-837, 2011), as vantagens de perfilometria são genericamente listadas. Os instrumentos adequados para revelação da impressão com base em microscopia ótica inevitavelmente geram picos anormais de sinal (falsos) , os quais não são mostrados ou são revelados apenas ligeiramente pelo rugosímetro.[036] In the aforementioned publication Assessment of ElasticPlastic Material Parameters Comparatively by Three Procedures Based on Indentation Test and Inverse Analysis (G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, Vol. 19 , pages 815-837, 2011), the advantages of profilometry are generically listed. Instruments suitable for developing the impression based on optical microscopy inevitably generate abnormal (false) signal peaks, which are not shown or are revealed only slightly by the rugosimeter.
[037] Uma alternativa ao rugosímetro a ser usado no subsistema experimental pode consistir em um instrumento portátil ótico para a detecção topográfica da superfície com base no princípio variacional focal como um método adequado para a produção, por meio de um número alto de pixels, de uma representação tridimensional completa das superfícies obtidas pela medição da profundidade correspondente à imagem mais clara de cada pixel. A pesquisa da geometria da impressão pode ser efetuada em uma única aquisição no caso de um campo visível, o qual é tal que represente a geometria inteira da impressão ou pela superposição de várias aquisições no caso de um campo visível o qual seja tal que represente áreas parciais da geometria da impressão em si.[037] An alternative to the rugosimeter to be used in the experimental subsystem may consist of a portable optical instrument for the topographic detection of the surface based on the focal variational principle as a suitable method for the production, by means of a high number of pixels, of a complete three-dimensional representation of the surfaces obtained by measuring the depth corresponding to the clearest image of each pixel. The search for print geometry can be done in a single acquisition in the case of a visible field, which is such that it represents the entire geometry of the print, or by superimposing several acquisitions in the case of a visible field which is such that it represents areas partial geometry of the print itself.
[038] 0 aparelho usado no caso do Exemplo 2 (Foco Infinito Portátil Alicona, Graz, Áustria) é capaz de efetuar a pesquisa da geometria da impressão como topografia, isto é, pela determinação apenas de coordenadas (x, y, z) de um[038] The device used in the case of Example 2 (Alicona Portable Infinite Focus, Graz, Austria) is capable of searching the print geometry as a topography, that is, by determining only the coordinates (x, y, z) of one
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12/23 número muito alto de pontos (da ordem de nxl0^5 ou nxlO^S pontos).12/23 very high number of points (on the order of nx10 ^ 5 or nx10 ^ S points).
[039] A modelagem do subsistema computacional subsequentemente usa os pontos para descrição do tipo e do número conveniente de superfícies ou perfis que podem melhor descrever o fenômeno de plasticidade.[039] The modeling of the computational subsystem subsequently uses points to describe the type and the convenient number of surfaces or profiles that can best describe the phenomenon of plasticity.
[040] À parte do rugosímetro o qual nunca foi usado ou proposto antes para revelação da geometria da impressão, a presente invenção propõe e usa um durômetro em um dos exemplos (Exemplo 1, Aparelho de Teste de Dureza, Wolpert, para Dureza Rockwell HRC com uma carga máxima de 1500 N) . Até agora, um durômetro era um instrumento o qual não era capaz de determinar propriedades mecânicas de materiais. Os valores de dureza, de fato, não representam um dado de entrada para códigos de cálculo estrutural. Através da determinação da geometria da impressão e de uma análise reversa, foi possível usar o valor de carga máxima apenas do durômetro, sem a necessidade de se valor da curva de indentação inteira.[040] Apart from the rugosimeter which has never been used or proposed before to reveal the geometry of the impression, the present invention proposes and uses a durometer in one of the examples (Example 1, Wolpert Hardness Tester, for Rockwell HRC Hardness with a maximum load of 1500 N). Until now, a durometer was an instrument which was unable to determine the mechanical properties of materials. The hardness values, in fact, do not represent an input data for structural calculation codes. Through the determination of the print geometry and a reverse analysis, it was possible to use the maximum load value only from the durometer, without the need to value the entire indentation curve.
[041] 0 método para a determinação não destrutiva de propriedades mecânicas, elásticas e/ou inelásticas de materiais e/ou estados de tensão locais em componentes estruturais ou de planta compreende a simulação computacional de fenômenos envolvidos em ensaios de indentação usando-se um software adequado, a comparação dos resultados entre simulação e experimento para a obtenção do conjunto de parâmetros desejados por meio de métodos de análise reversa. Este método usa dados experimentais relativos à geometria de uma impressão obtida após os referidos ensaios de indentação.[041] The method for the non-destructive determination of mechanical, elastic and / or inelastic properties of materials and / or local stress states in structural or plant components comprises the computer simulation of phenomena involved in indentation tests using software appropriate, the comparison of results between simulation and experiment to obtain the set of desired parameters by means of reverse analysis methods. This method uses experimental data related to the geometry of an impression obtained after the referred indentation tests.
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 22/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 22/77
13/23 [042] O método compreende as etapas a seguir:13/23 [042] The method comprises the following steps:
• a produção in situ na superfície do material a ser caracterizado, de uma impressão não destrutiva ou uma deformação elastoplástica por meio de um instrumento adequado, determinando a carga máxima ou a curva de indentação (cargaprofundidade);• the production in situ on the surface of the material to be characterized, of a non-destructive impression or an elastoplastic deformation by means of an appropriate instrument, determining the maximum load or the indentation curve (depth load);
• a detecção in situ” da rugosidade da superfície e da geometria da impressão por meio de um rugosímetro para a geração de um mapa e definindo-o em uma forma digitalizada por meio das coordenadas e cotas de pontos situados na superfície da impressão e na superfície não deformada adjacente;• the in situ detection of surface roughness and print geometry using a rugosimeter for generating a map and defining it in a digitized form using coordinates and dimensions of points located on the printing surface and on the surface not deformed adjacent;
• uma comparação dos resultados entre simulação e experimento de modo a se obter o conjunto de parâmetros desejados por meio de métodos de análise reversa.• a comparison of the results between simulation and experiment in order to obtain the desired set of parameters by means of reverse analysis methods.
[043] Antes da caracterização do referido método, uma etapa preliminar pode ser efetuada, consistindo em um tratamento tribológico adequado (limpeza ou polimento a disco) da superfície a ser indentada.[043] Before the characterization of the referred method, a preliminary step can be carried out, consisting of an appropriate tribological treatment (cleaning or disc polishing) of the surface to be indented.
[044] 0 método reivindicado aqui divisa que se pode obter as propriedades elastoplásticas do material sob ensaio a partir da informação sobre a geometria da impressão e a partir da curva de profundidade de carga-penetração retornada pelos instrumentos (aparelho de teste de rugosidade de superfície de contato, microscópio para medições topográficas, indentador instrumentado, indentador não instrumentado, durômetro) e a partir do software[044] The method claimed here is that the elastoplastic properties of the material under test can be obtained from information on the geometry of the impression and from the load-penetration depth curve returned by the instruments (surface roughness tester contact, microscope for topographic measurements, instrumented indenter, non-instrumented indenter, durometer) and from the software
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14/23 desenvolvido para suporte do sistema experimental e computacional integrado.14/23 developed to support the integrated computer and experimental system.
[045] O indentador pode ser estático ou dinâmico (tal como um durômetro de impacto).[045] The indenter can be static or dynamic (such as an impact durometer).
[046] 0 método reivindicado aqui também divisa preferencialmente que o software desenvolvido para suportar o método de indentação avalie de forma quantitativa a perda axissimétrica da impressão, produzida por um indentador com uma ponta axissimétrica, a referida perda gerada por tensões residuais e/ou pela possível anisotropia do material para a obtenção do valor das tensões locais (residuais e/ou gerais) e/ou diferenças nas propriedades mecânicas direcionais causadas pela anisotropia. Através de uma análise da geometria da impressão, o método reivindicado, portanto, permite a determinação das tensões residuais em soldagens de componentes de planta industrial ou tubulações ou em soldagens em linhas de transporte de líquidos e gás, e/ou a determinação de como as propriedades mecânicas do material variam em relação à direção no caso de anisotropia.[046] The method claimed here also preferentially states that the software developed to support the indentation method quantitatively evaluates the axisymmetric loss of the impression, produced by an indenter with an axisymmetric tip, the referred loss generated by residual stresses and / or by possible anisotropy of the material to obtain the value of local stresses (residual and / or general) and / or differences in the directional mechanical properties caused by anisotropy. Through an analysis of the geometry of the print, the claimed method, therefore, allows the determination of residual stresses in welding of industrial plant components or pipelines or in welding in liquid and gas transport lines, and / or the determination of how the mechanical properties of the material vary in relation to the direction in the case of anisotropy.
[047] As operações de análise reversa a serem efetuadas para a obtenção do conjunto de parâmetros desejados começando a partir da informação experimental acima são descritas, por exemplo, em G. Bolzon, G. Maier, M. Pânico, International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, páginas 2 9572975, 2004; M. Bocciarelli, G. Bolzon, G. Maier, Mechanics of Materials, Vol. 37, páginas 855-868, 2005; M. Bocciarelli, G. Maier, Computational Materials Science, Vol. 39, páginas 381-392, 2007.[047] The reverse analysis operations to be carried out to obtain the set of desired parameters starting from the experimental information above are described, for example, in G. Bolzon, G. Maier, M. Pânico, International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, pages 2 9572975, 2004; M. Bocciarelli, G. Bolzon, G. Maier, Mechanics of Materials, Vol. 37, pages 855-868, 2005; M. Bocciarelli, G. Maier, Computational Materials Science, Vol. 39, pages 381-392, 2007.
[048] Os artigos em revistas científicas indicados acima são o resultado de estudos teóricos preliminares com o[048] The articles in scientific journals indicated above are the result of preliminary theoretical studies with the
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15/23 objetivo de desenvolvimento do método de análise reversa descrito acima, usando-se dados pseudoexperimentais gerados para a otimização de operações computacionais.15/23 objective of developing the reverse analysis method described above, using pseudoexperimental data generated for the optimization of computational operations.
[049] Uma análise reversa com base em dados experimentais preferencialmente é efetuada com um software auxiliar com os módulos originais, os quais usam instrumentos matemáticos, tais como Decomposição Ortogonal Própria (POD) e Funções de Base Radial (RBF) ou outros, associados a redes neurais artificiais ou algoritmos genéticos ou métodos de otimização clássicos, de modo a se acelerarem as operações computacionais, para se permitir que todos os cálculos sejam efetuados in situ com um computador portátil, conforme ilustrado, por exemplo, em G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, Vol. 19, páginas 815-837, 2011.[049] A reverse analysis based on experimental data is preferably performed with auxiliary software with the original modules, which use mathematical instruments, such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Radial Base Functions (RBF) or others, associated with artificial neural networks or genetic algorithms or classical optimization methods, in order to accelerate computational operations, to allow all calculations to be performed in situ with a portable computer, as illustrated, for example, in G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, Vol. 19, pages 815-837, 2011.
[050] A mesma aceleração permite abordagens estocásticas, ao invés de abordagens determinísticas, se o problema de engenharia requerer isto métodos de Montecarlo, de filtro de Bayes e Kalman adequados para a provisão de estimativas de parâmetros e suas incertezas (isto é, matriz de covariância) requerem sequências ainda mais amplas de simulação dos processos de análise reversa indicados acima.[050] The same acceleration allows for stochastic approaches, instead of deterministic approaches, if the engineering problem requires Montecarlo, Bayes and Kalman filter methods suitable for the provision of parameter estimates and their uncertainties (ie, matrix of covariance) require even broader sequences of simulation of the reverse analysis processes indicated above.
[051] No método proposto, estes desenvolvimentos de laboratório numérico são requeridos una tantum (uma única vez), como parte da preparação do equipamento experimental, e são acumulados em uma calculadora com capacidades modestas, tal como um dispositivo portátil. Esta informação é subsequentemente explorada ao se recorrer a métodos de redução de informação, por exemplo, com base em Decomposição Ortogonal Própria (POD), e técnicas de interpolação,[051] In the proposed method, these numerical laboratory developments are required one tantum (only once), as part of the preparation of the experimental equipment, and are accumulated in a calculator with modest capacities, such as a portable device. This information is subsequently exploited by using methods of reducing information, for example, based on Proper Orthogonal Decomposition (POD), and interpolation techniques,
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 25/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 25/77
16/23 preferencialmente por meio de Funções de Base Radial (RBF) adequadamente selecionadas. A combinação de POD mais RBF permite que a resposta a um ensaio hipotético realizado em cada material com características na faixa examinada na fase preparatória seja obtida em tempo real.16/23 preferably through properly selected Radial Base Functions (RBF). The combination of POD plus RBF allows the response to a hypothetical test performed on each material with characteristics in the range examined in the preparatory phase to be obtained in real time.
[052] 0 modus operand! descrito acima operando em respostas pré-calculadas é comparado com uma simulação tradicional para elementos finitos. Várias operações de validação numérica comparativas mostram, por exemplo, que as relações de tempo de cálculo típicas atingem várias ordens de magnitude em favor do novo método, com discrepâncias não maiores do que milésimos em termos de tensões e deslocamentos resultantes. Estes resultados são cruciais para as presentes finalidades práticas.[052] 0 modus operand! described above operating on pre-calculated responses is compared to a traditional finite element simulation. Several comparative numerical validation operations show, for example, that typical calculation time relationships reach several orders of magnitude in favor of the new method, with discrepancies no greater than thousandths in terms of resulting stresses and displacements. These results are crucial for the present practical purposes.
[053] Uma descrição detalhada os instrumentos matemáticos e das operações usadas pelo subsistema computacional compreendem:[053] A detailed description of the mathematical instruments and operations used by the computational subsystem include:
- 0 valor dos parâmetros do material é determinado por meio de um procedimento de análise reversa, o qual compara os dados adquiridos pelos instrumentos com os resultados de um modelo numérico do ensaio de indentação ou de dureza. 0 valor efetivo dos parâmetros é definido através de um procedimento de otimização, o que minimiza a discrepância entre a informação experimental e a resposta simulada do material.- The value of the material parameters is determined by means of a reverse analysis procedure, which compares the data acquired by the instruments with the results of a numerical model of the indentation or hardness test. The effective value of the parameters is defined through an optimization procedure, which minimizes the discrepancy between the experimental information and the simulated response of the material.
- A simulação do ensaio de indentação normalmente é efetuada por meio do método de elementos finitos, uma técnica a qual é efetiva, mas também dispendiosa em excesso para ser capaz de ser efetuada in situ”. 0 software de suporte do sistema computacional, portanto,- The simulation of the indentation test is usually carried out using the finite element method, a technique which is effective, but also too expensive to be able to be carried out in situ ”. The computer system support software, therefore,
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 26/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 26/77
17/23 implementa um modelo reduzido, o qual interpola analiticamente os resultados de um número pré-definido de análises numéricas, realizadas em uma fase preparatória em um laboratório de análise numérica. 0 modelo é tornado mais eficiente pela implementação de técnicas de decomposição as quais filtram as perturbações numéricas não compatíveis com a dispersão dos dados experimentais.17/23 implements a reduced model, which analytically interpolates the results of a pre-defined number of numerical analyzes, carried out in a preparatory phase in a numerical analysis laboratory. The model is made more efficient by the implementation of decomposition techniques which filter out numerical disturbances not compatible with the dispersion of experimental data.
[054] 0 sistema computacional experimental integrado assim obtido permite que o valor dos parâmetros seja definido e comparar, em tempo real, in situ”, o resultado experimental com aquele simulado pelo modelo calibrado adequadamente. Desta forma, é possível decidir imediatamente, in situ”, se é necessário ou preferível aumentar o número de ensaios de modo a se levar em consideração a dispersão das medições e/ou ajustar o layout instrumental para se levarem em consideração erros sistemáticos.[054] The integrated experimental computer system thus obtained allows the value of the parameters to be defined and to compare, in real time, in situ ”, the experimental result with that simulated by the model properly calibrated. In this way, it is possible to decide immediately, in situ ”, whether it is necessary or preferable to increase the number of tests in order to take into account the dispersion of measurements and / or adjust the instrumental layout to take into account systematic errors.
[055] A descrição dos procedimentos implementados no subsistema computacional mostra que não é banal de forma alguma obter de confiável o resultado desejado em tempo real, e que o uso in situ” do sistema computacional experimental não consiste em uma operação simples a ser efetuada apenas usando-se instrumentos portáteis.[055] The description of the procedures implemented in the computational subsystem shows that it is by no means trivial to obtain the desired result reliably in real time, and that the in situ use of the experimental computational system does not consist of a simple operation to be performed only using portable instruments.
[056] 0 sistema computacional experimental, portanto, tem a combinação a seguir de características, as quais o distinguem de qualquer outro sistema aparentemente análogo: o subsistema computacional define o valor dos parâmetros desejados em tempo real (em uns poucos segundos), um aspecto o qual permite medições in situ;[056] The experimental computer system, therefore, has the following combination of characteristics, which distinguish it from any other apparently analogous system: the computational subsystem defines the value of the desired parameters in real time (in a few seconds), an aspect which allows measurements in situ;
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 27/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 27/77
18/2318/23
- o subsistema computacional não usa qualquer informação a priori, nem sempre disponível, sobre as características do material sob exame;- the computational subsystem does not use any a priori information, which is not always available, on the characteristics of the material under examination;
o sistema computacional experimental permite a execução de uma comparação imediata entre o resultado experimental e aquele do subsistema computacional com o modelo calibrado com o valor ótimo dos parâmetros, de modo a se avaliar a confiabilidade do resultado.the experimental computational system allows the execution of an immediate comparison between the experimental result and that of the computational subsystem with the model calibrated with the optimal value of the parameters, in order to evaluate the reliability of the result.
[057] A partir da determinação da curva de indentação e da geometria da impressão obtida em uma área com tensões residuais em um componente estrutural ou de planta, é possível obter os valores dos componentes do tensor de tensões residuais, pela combinação do resultado de um ensaio de indentação instrumentado com a simulação do mesmo, otimizada através da definição de um modelo analítico reduzido. A entidade das tensões residuais é deduzida a partir de uma comparação com os resultados de um ensaio realizado em uma amostra de material de referência ou em uma área do componente, virtualmente livre de tensões residuais, o que retorna uma curva de indentação modificada e uma geometria da impressão, através da minimização da diferença observada entre as quantidades medidas e as quantidades simuladas.[057] From the determination of the indentation curve and the print geometry obtained in an area with residual stresses in a structural or plant component, it is possible to obtain the values of the components of the residual stress tensor, by combining the result of a instrumented indentation test with its simulation, optimized through the definition of a reduced analytical model. The residual stress entity is deduced from a comparison with the results of a test carried out on a sample of reference material or on an area of the component, virtually free of residual stresses, which returns a modified indentation curve and geometry printing, by minimizing the difference between the measured quantities and the simulated quantities.
[058] Alguns exemplos são providos, agora, de acordo com a invenção, os quais não devem ser considerados como limitando o escopo da invenção em si.[058] Some examples are now provided according to the invention, which should not be considered as limiting the scope of the invention itself.
Exemplo 1 [059] Determinação das propriedades mecânicas de um metal ou de uma liga de metal com base na geometria apenas da impressão residual.Example 1 [059] Determination of the mechanical properties of a metal or metal alloy based on the geometry of the residual impression only.
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 28/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 28/77
19/23 [060] O sistema computacional experimental foi adotado para a identificação de parâmetros característicos do comportamento de um metal (cobre eletrolítico, em amostras obtidas começando a partir de um tarugo de cobre extrudado) com base na informação experimental relativa à geometria sozinha da impressão residual gerado na amostra de um ensaio de dureza Rockwell HRC, com uma carga máxima de 1500 N.19/23 [060] The experimental computer system was adopted to identify characteristic parameters of the behavior of a metal (electrolytic copper, in samples obtained starting from an extruded copper billet) based on the experimental information related to the geometry alone of the residual impression generated in the sample of a Rockwell HRC hardness test, with a maximum load of 1500 N.
[061] As impressões foram reveladas com um rugosímetro portátil da Mitutoyo com um apalpador esférico tendo um raio de 0,002 mm e com um perfilômetro de laboratório não portátil Zeiss-TSK Surfcom 1800D tendo uma ponta com um raio de 0,025 mm usado como referência para controle das funções obtidas por meio de um software começando a partir de pontos revelados com o rugosímetro.[061] The impressions were developed with a portable Mitutoyo rugosimeter with a spherical probe having a radius of 0.002 mm and with a non-portable Zeiss-TSK Surfcom 1800D laboratory profilometer having a tip with a radius of 0.025 mm used as a reference for control of the functions obtained by means of software starting from points revealed with the rugosimeter.
[062] A informação coletada durante o experimento foi representada na impressão experimental (profundidade [pm] em relação ao Raio [pm] ) mostrada na figura 1: isto é a média de 8 medições, calculada começando a partir do mapa de pontos com coordenadas (x, y, z) determinadas com um plano (X, Y) e o rugosímetro, ao longo dos raios a 45° a partir de cada outro começando a partir do eixo geométrico de indentação.[062] The information collected during the experiment was represented in the experimental impression (depth [pm] in relation to the Radius [pm]) shown in figure 1: this is the average of 8 measurements, calculated starting from the map of points with coordinates (x, y, z) determined with a plane (X, Y) and the roughness meter, along the radii at 45 ° from each other starting from the geometric indentation axis.
[063] Estes dados foram usados para a identificação dos parâmetros que caracterizam o comportamento mecânico do material testado. Uma vez que o módulo elástico tenha sido fixado no valor de E = 80 GPa, a aplicação dos métodos de análise reversa retorna os parâmetros a seguir características do material:[063] These data were used to identify the parameters that characterize the mechanical behavior of the tested material. Once the elastic modulus has been fixed at the value of E = 80 GPa, the application of the reverse analysis methods returns the following parameters material characteristics:
- limite de escoamento: 273 MPa- yield limit: 273 MPa
- índice de encruamento por deformação: 0,011.- deformation hardening index: 0.011.
[064] A curva de comportamento uniaxial identificada[064] The uniaxial behavior curve identified
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20/23 corresponde aos parâmetros acima (Tensão [MPa] em relação à Deformação [e]) mostrados na figura 2, se comparada com a curva experimental resultante do teste de tração padrão para o mesmo material e efetuado como referência.20/23 corresponds to the above parameters (Stress [MPa] in relation to Deformation [e]) shown in figure 2, if compared with the experimental curve resulting from the standard tensile test for the same material and performed as a reference.
[065] Na comparação, deve ser notado que os resultados dos ensaios de tração são dados em termos de tensões e deformações nominais, ao passo que o resultado obtido a partir dos procedimentos de análise reversa descritos nas seções prévias é baseado na modelagem do experimento em termos de tensões e deformações reais, isto é, para grandes deformações. A distinção se torna praticamente relevante em ensaios monoaxiais apenas na fase de estricção localizada última, a qual não é atingida no ensaio da figura 1.[065] In comparison, it should be noted that the results of tensile tests are given in terms of nominal stresses and strains, whereas the result obtained from the reverse analysis procedures described in the previous sections is based on the modeling of the experiment in terms of real stresses and strains, that is, for large strains. The distinction becomes practically relevant in monoaxial tests only in the last localized constriction phase, which is not achieved in the test in figure 1.
Exemplo 2 [066] Determinação das propriedades mecânicas de uma tubulação de aço para o transporte de gás começando a partir da geometria da impressão produzida pela indentação.Example 2 [066] Determination of the mechanical properties of a steel pipe for transporting gas starting from the geometry of the impression produced by the indentation.
[067] 0 sistema computacional experimental situado in situ” na tubulação foi adotado para a identificação dos parâmetros características do comportamento de um aço para uma tubulação começando a partir de uma informação experimental relativa à geometria apenas da impressão, visível na figura 3, gerada diretamente no componente por meio de um ensaio de indentação instrumentado, realizado com uma carga máxima de 2000 N. Para a indentação, o sistema usa um indentador portátil AFFRI SR-HU09-P. A representação tridimensional completa da superfície, através das coordenadas de um número alto de pixels, foi obtida usandose um instrumento de detecção topográfico ótico portátil da[067] The experimental computer system located in situ ”in the pipeline was adopted to identify the characteristic parameters of the behavior of a steel for a pipeline starting from an experimental information related to the geometry of the impression only, visible in figure 3, generated directly on the component by means of an instrumented indentation test, performed with a maximum load of 2000 N. For indentation, the system uses a portable indenter AFFRI SR-HU09-P. The complete three-dimensional representation of the surface, through the coordinates of a high number of pixels, was obtained using a portable optical topographic detection instrument from
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[068] A aplicação de métodos de análise reversa começando a partir dos dados relativos à geometria apenas da impressão provê, uma vez que o módulo elástico tenha sido fixado a um valor característico de 205 GPa, os parâmetros nominais a seguir do material:[068] The application of reverse analysis methods starting from the data related to the geometry of the impression alone provides, once the elastic modulus has been fixed to a characteristic value of 205 GPa, the following nominal parameters of the material:
[069] A curva de comportamento uniaxial corresponde aos parâmetros acima (Tensão [MPa] em relação à Deformação [e] ) mostrados na figura 4, se comparada com aquela resultante do ensaio padrão de tração para o mesmo material.[069] The uniaxial behavior curve corresponds to the above parameters (Stress [MPa] in relation to Deformation [e]) shown in figure 4, if compared to that resulting from the standard tensile test for the same material.
[070] Na figura 5, a geometria da impressão experimental (Profundidade [pm] em relação ao Raio [pm]) a partir da representação tridimensional completa da superfície é comparada com aquela recalculada com os parâmetros identificados.[070] In figure 5, the geometry of the experimental impression (Depth [pm] in relation to the Radius [pm]) from the complete three-dimensional representation of the surface is compared with that recalculated with the identified parameters.
[071] Finalmente, a figura 6 mostra uma comparação entre a curva de indentação recalculada e aquela obtida experimentalmente (Deslocamento [pm], Força [N] ) . Estes dados experimentais foram usados apenas como um controle a posteriori e não foram usados para área de informação de disco dos parâmetros.[071] Finally, figure 6 shows a comparison between the recalculated indentation curve and that obtained experimentally (Displacement [pm], Force [N]). These experimental data were used only as a posteriori control and were not used for the disk information area of the parameters.
[072] A comparação entre as várias curvas experimentais e as curvas calculadas com o sistema experimental computacional, objeto da presente patente (figuras 4, 5 e 6) mostra uma boa concordância. Em particular, os parâmetros característicos a seguir foram determinados a partir das curvas de tração experimentais monoaxiais usadas como[072] The comparison between the various experimental curves and the curves calculated with the experimental computer system, object of the present patent (figures 4, 5 and 6) shows a good agreement. In particular, the following characteristic parameters were determined from the experimental monoaxial traction curves used as
Petição 870190133696, de 15/12/2019, pág. 31/77Petition 870190133696, of 12/15/2019, p. 31/77
22/23 referência:22/23 reference:
- limite de escoamento: 401 MPa- yield limit: 401 MPa
- tensão máxima: 594 MPa [073] Os valores calculados coincidem com estes valores de referência em 1,7% para o limite de escoamento e em 0,5% para a tensão máxima (isto é, para a resistência última à tração).- maximum stress: 594 MPa [073] The calculated values coincide with these reference values by 1.7% for the yield limit and 0.5% for the maximum stress (that is, for the ultimate tensile strength).
Exemplo 3 [074] Determinação das propriedades mecânicas de uma tubulação de aço para transporte de gás usando uma informação relativa à curva de penetração de carga-profundidade e à geometria da impressão produzida pela indentação.Example 3 [074] Determination of the mechanical properties of a steel pipe for gas transport using information related to the load-depth penetration curve and the impression geometry produced by the indentation.
[075] 0 sistema experimental computacional situado in situ” na tubulação foi adotado como no Exemplo 2 para identificação dos parâmetros característicos do comportamento de um aço.[075] The experimental computational system located in situ ”in the pipeline was adopted as in Example 2 to identify the characteristic parameters of the behavior of a steel.
[076] A aplicação dos métodos de análise inversa provê, uma vez que o módulo elástico tenha sido fixado em um valor característica de 205 GPa, os parâmetros nominais a seguir do material:[076] The application of the inverse analysis methods provides, once the elastic modulus has been fixed at a characteristic value of 205 GPa, the following nominal parameters of the material:
- limite de escoamento: 395 MPa- yield limit: 395 MPa
- tensão última máxima: 595 MPa [077] Os valores calculados coincidem com os valores de referência em 1,3% para o limite de escoamento e em 0,3% para a tensão máxima (isto é, para a resistência última à tração).- maximum ultimate stress: 595 MPa [077] The calculated values coincide with the reference values by 1.3% for the yield strength and 0.3% for the maximum stress (that is, for the ultimate tensile strength) .
Exemplo 4 [078] Determinação das tensões residuais em uma amostra com tensões residuais calibradas.Example 4 [078] Determination of residual stresses in a sample with calibrated residual stresses.
[079] A amostra consiste em um cilindro de alumínio que[079] The sample consists of an aluminum cylinder that
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23/23 tem uma espessura de 10 mm compreendendo uma coroa de aço que tem uma seção retangular e um diâmetro interno de 25 mm; o diâmetro do cilindro de alumínio de 25 mm + Δ mm. Para a produção da amostra, a inserção de alumínio foi resfriada em nitrogênio líquido, a coroa de aço foi aquecida para 300 °C e as duas partes foram inseridas em cada outra e levadas para a temperatura ambiente. As amostras calibradas podem ter valores diferentes de Δ (positivos ou negativos; de acordo com um certo diâmetro, Δ0 °, e de acordo com um diâmetro perpendicular, Δ90°).23/23 has a thickness of 10 mm comprising a steel crown which has a rectangular section and an internal diameter of 25 mm; the diameter of the aluminum cylinder of 25 mm + Δ mm. For the production of the sample, the aluminum insert was cooled in liquid nitrogen, the steel crown was heated to 300 ° C and the two parts were inserted into each other and brought to room temperature. The calibrated samples can have different values of Δ (positive or negative; according to a certain diameter, Δ0 °, and according to a perpendicular diameter, Δ90 °).
[080] No presente exemplo, o cilindro de alumínio (Al) foi usado, sem tensões residuais, e uma amostra (amostra 1) com Δ0° = 0,1 mm e Δ90° = 0 mm.[080] In the present example, the aluminum cylinder (Al) was used, without residual stresses, and a sample (sample 1) with Δ0 ° = 0.1 mm and Δ90 ° = 0 mm.
[081] 0 resultado da aplicação do método reverso (curva de indentação e geometria da impressão identificada, Id) levando em consideração a informação experimental ou nominal (apenas a geometria da impressão ou curva de indentação e geometria da impressão, Exp) é indicado nas figuras 7 e 8. As figuras 7 e 8 mostram os valores das tensões residuais calculadas (componentes Sigma x e Sigma y) em cada situação.[081] The result of the application of the reverse method (indentation curve and identified printing geometry, Id) taking into account the experimental or nominal information (only the impression geometry or indentation curve and printing geometry, Exp) is indicated in the figures 7 and 8. Figures 7 and 8 show the calculated residual stress values (Sigma x and Sigma y components) in each situation.
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